Động cơ hàng không

h (Turboprop) hoặc được dự trữ trong thân như Tên lửa (Rocket). Động cơ phản lực được chia thành 2 loại: * Động cơ phản lực Tuabin (Air - breathing) * Động cơ phản lực không Tuabin khí (Non – air - breathing) Động cơ phản lực Tuabin khí như: Turbojet, Turbofan, Ramjet, Turboprop, Turboshaft. Loại không Tuabin khí như: Rocket motors Nuclear propulsion systems, Electric propulsion systems. Mỗi loại động cơ đều có một phạm vi ứng dụng riêng phù hợp với tính năng của chúng. Phạm vi hoạt động của mỗi động cơ phụ thuộc vào số Mach (M) và độ cao được biểu diễn trên H1.1. Trên đồ thị, phạm vi hoạt động (hành lang bay) của các thiết bị bay sử dụng các loại động cơ phản lực được giới hạn bởi đường giới hạn nhiệt độ, đường giới hạn tải trọng khí động. Đường giới hạn lực nâng được xác định bởi trần bay ở một vận tốc nào đó. Đường giới hạn nhiệt độ được xác định từ vật liệu chế tạo máy bay. Khi máy bay ở độ cao thấp, vận tốc nhỏ thì nhiệt độ của nó không ảnh hưởng tới phạm vi hoạt động, lúc này nhân tố ảnh hưởng tới là tải trọng khí động. H1.1 Phạm vi hoạt động của các loại động cơ hàng không 1.1 Động cơ phản lực Tuabin khí Nguyên tắc hoạt động: Dòng không khí từ môi trường xung quanh được hút vào động cơ nhờ ống hút, sau đó không khí sẽ được dẫn vào máy nén. Tại đây không khí được nén tới áp suất phù hợp để tạo điều kiện đốt cháy tốt nhất trong buồng đốt. Một phần không khí (dòng sơ cấp) được trộn lẫn với nhiên liệu phun vào buồng đốt từ hệ thống nhiên liệu động cơ dưới dạng sương. Hỗn hợp không khí nhiên liệu được đốt cháy giải phóng nhiệt năng. Phần khí còn lại (dòng thứ cấp) được trộn lẫn với sản phẩm cháy để giảm nhiệt độ trước khi vào tuabin và bảo vệ buồng đốt. Tại tuabin nhiệt năng mà nhiên liệu cung cấp cho dòng khí sẽ được truyền cho tuabin (sinh công) làm quay tuabin, tức là động năng của dòng khí biến đổi thành cơ năng để tuabin làm quay máy nén và quạt. Sau khi giãn nở qua tuabin dòng khí tiếp tục giãn nở qua ống đẩy phản lực để tạo lực đẩy cho động cơ. Khi dòng khí giãn nở hoàn toàn trên ống đẩy thì lực đẩy của động cơ được tính theo công thức sau: F = m0.(V9-V0) + A.(p9-p0) (1.1) P :Lực đẩy của động cơ. V9: Vận tốc dòng khí thoát ra khỏi động cơ. V0 : Vận tốc của dòng khí vào động cơ. m0 : Lưu lượng khối của dòng khí. A : Diện tích tiết diện ống đẩy. p0, p9 : áp suất dòng khí vào và ra khỏi động cơ 1.1.1 Động cơ tuabin phản lực một luồng (Turbojet engine) Sơ đồ đơn giản của động cơ tuabin phản lực một luồng như hình vẽ H-1.2 Các bộ phận của động cơ phản lực một luồng Động cơ tuabin phản lực được cấu tạo gồm: ống hút, ống đẩy, máy nén, buồng cháy và tuabin. Động cơ tuabin phản lực có buồng cháy phụ được biểu diễn ở hình vẽ 1.3. H-1.3 Sơ đồ động cơ phản lực một luồng có buồng cháy phụ Trong quá trình phát triển, động cơ Tuabin phản lực ngày càng trở nên quan trọng và có hiệu quả, nó đã được ứng dụng thay thế cho động cơ piston. Động cơ tuabin phản lực được sử dụng chủ yếu cho máy bay chiến đấu bay với tốc độ cao khả năng cơ động và tăng tốc lớn, tiêu thụ nhiều nhiên liệu. Lực đẩy của động cơ Tuabin phản lực được tạo ra do sự tăng tốc của dòng khí sau khi ra khỏi ống đẩy. 1.1.2 Động cơ turbin cánh quạt (Turboprop) Sơ đồ đơn giản của động cơ: H-1.4 Các bộ phận của động cơ cánh quạt Động cơ này sử dụng phần lớn năng lượng của nhiên liệu cung cấp cho dòng khí để làm quay tuabin và dẫn động cánh quạt “chong chóng” tạo ra lực kéo máy bay chuyển động vì thế lực đẩy tạo ra rất ít qua ống đẩy. Năng lượng lấy ra từ tuabin để dẫn động quạt chiếm tới 75%-85% năng lượng của khí nóng sinh ra. Động cơ này sử dụng cho các máy bay tầm thấp, ít cơ động, vận tốc thấp nhưng tiêu thụ nhiên liệu rất ít. 1.1.3 Động cơ phản lực hai luồng (Turbofan Engines) Động cơ phản lực hai luồng được cấu tạo bởi: ống hút, quạt, máy nén, buồng cháy, tuabin và ống xả (ống đẩy).Trong động cơ phản lực hai luồng một phần công suất của tuabin dùng để quay quạt còn lại để quay máy nén. Nói chung, động cơ phản lực hai luồng kinh tế và hiệu quả hơn động cơ tuabin phản lực một luồng. Nó là sự kết hợp hài hoà các đặc điểm có lợi của 2 động cơ trên và được sử dụng trên các loại máy bay cỡ vừa và nhỏ đối với những loại có lực đẩy khoảng 500-5000lb [2224-22240N]. Với những loại có lực đẩy 100000lb [444800N] thì được sử dụng trên các loại máy bay cỡ lớn. Hầu hết các động cơ phản lực hai luồng đều có gia tốc, lưu lượng không khí vào lớn. Diện tích mặt trước của động cơ phản lực hai luồng là lớn hơn nhiều so với động cơ phản lực, đó cũng chính là lý do mà động cơ phản lực hai luồng có lực cản và trọng lượng lớn. Đường kính quạt của động cơ phản lực hai luồng được giới hạn bởi tính bền của vật liệu làm cánh. Động cơ phản lực 2 luồng là sự tổng hợp các ưu điểm của 2 động cơ Turbojet và Turboprop. Động cơ Turbojet có lực đẩy mạnh nhưng tiêu thụ nhiều nhiên liệu thường sử dụng cho máy bay trên âm, trong khi đó động cơ Turboprop tiêu thụ ít nhiên liệu, lực đẩy nhỏ hơn sử dụng cho máy bay dưới âm. Động cơ Turbofan sử dụng cho máy bay dân dụng cận âm, có hiệu quả kinh tế cao do tiêu thụ ít nhiên liệu nhưng lực đẩy lớn tuỳ thuộc chủng loại. 1.1.4 Động cơ Turbo trục (Turboshaft) Động cơ Turboshaft giống như động cơ Turbo cánh quạt, sử dụng hầu hết năng lượng của khí xả để dẫn động trục, truyền năng lượng đến các cánh quạt. Động cơ này được sử dụng trong hàng không chủ yếu trên các máy bay trực thăng và trên các bộ phận lực bổ trợ lực nâng trên các máy bay vận tải hạng lớn. 1.2 Động cơ không tuabin khí 1.2.1 Động cơ Ramjet (Ramjet Engines) Động cơ Ramjet bao gồm: ống hút, vùng cháy, ống xả. Sơ đồ đơn giản của động cơ: H -1.5 Sơ đồ bố trí động cơ Ramjet Động cơ Ramjet không có máy nén và tuabin như động cơ tuabin khí. Không khí vào bị nén ở ống hút và sau đó đi vào buồng máy trộn lẫn với nhiên liệu, ở đây hỗn hợp không khí và nhiên liệu bị đốt cháy, khí nóng thoát ra ngoài nhờ ống xả và hình thành lực đẩy. Sự hoạt động của động cơ Ramjet phụ thuộc nhiều vào ống hút. ống hút phải hãm dòng khí lại để tăng áp suất trước khi vào vùng đốt. Ramjet được sử dụng nhiều cho các thiết bị bay trên âm vì với dòng khí trên âm, vận tốc dòng vào ống hút lớn sẽ làm tăng áp suất trong ống hút. Ngược lại với dòng dưới âm, động cơ này hoạt động kém hiệu quả. Chính vì vậy mà động cơ này không sử dụng cho máy bay (chủ yếu bay dưới âm). 1.2.2 Tên lửa (Rocket) Cấu tạo đơn giản của tên lửa được chỉ ra như hình vẽ. Nó bao gồm một thân có hai bình, một bình nhiên liệu và một bình ôxy, phía sau là buồng cháy, nơi mà nhiên liệu và ôxy được trộn lẫn và đốt cháy. H-1.6 Sơ đồ bố trí của Tên Lửa Sản phẩm cháy thoát ra ngoài qua ống xả kiểu Lava. Kết quả là tên lửa được đẩy về phía trước, do vận tốc ra của sản phẩm cháy là rất lớn nên tên lửa được đẩy về phía trước với vận tốc lớn. Chương 2: các bộ phận và các thông số động cơ tuabin khí 2.1 Các bộ phận của động cơ 2.1.1 ống hút ống hút có nhiệm vụ dẫn dòng không khí vào máy nén với vận tốc phù hợp. Vận tốc dòng không khí được giảm nhờ quá trình nén để tăng áp suất của nó. Hoạt động của ống hút thể hiện ở hiệu suất quá trình nén, lực cản bên ngoài ống hút và lưu lượng dòng vào ống hút. Sự hoạt động của ống hút phụ thuộc dòng khí vào ống hút là trên âm hay dưới âm. Nếu là dòng trên âm, khi nén sẽ bắt đầu xuất hiện sóng va tại vận tốc M=1 gây ra tổn thất làm giảm hiệu suất quá trình nén. Vì thế người ta phải thiết kế hai loại ống hút trên âm và dưới âm. ống hút dưới âm (Subsonic Inlet) là loại ống phân kỳ (divergent) được sử dụng cho dòng khí dưới âm. Nó thoả mãn cho tới khi vận tốc dòng khí đạt M=1 thì ở mép ống xuất hiện sóng va, quá trình nén sẽ giảm hiệu quả. Loại ống hút này chỉ hoạt động có hiệu quả tại một vận tốc nhất định (vận tốc thiết kế), ở các vận tốc khác quá trình nén sẽ kém hiệu quả và lực cản bên ngoài ống tăng. H –2.1 Các chế độ của ống hút ống hút trên âm (Supersonic Inlet) được thiết kế để giảm bớt ảnh hưởng của sóng va. Khi tốc độ dòng khí giảm từ trên âm xuống dưới âm thì sẽ có một sóng va nén thẳng gây tổn thất lớn. Nếu một vài sóng va xiên xuất hiện làm giảm vận tốc dòng khí thì quá trình nén sẽ có hiệu quả hơn do sóng va xiên gây tổn thất ít hơn sóng va thẳng. ống hút loại này có hai loại là Ramp và Centerbody như hình vẽ: H –2.2 Sóng va hình thành trên miệng ống hút Vị trí của sóng thay đổi tuỳ thuộc vào tốc độ máy bay và chỉ có một tốc độ tối ưu mà tại đó sự xuất hiện của sóng va ảnh hưởng ít nhất tới hiệu suất quá trình nén. 2.1.2 Máy nén (Compressor) Máy nén có nhiệm vụ làm tăng áp suất của dòng khí đi vào buồng cháy để cho quá trình cháy và quá trình trao đổi năng lượng sau buồng cháy đạt hiệu quả tốt nhất. Do tăng áp suất của dòng khí nên thể tích của không khí giảm làm cho sự cháy của hỗn hợp cháy giữa nhiên liệu và không khí trong một thể tích nhỏ hơn. Máy nén có hai loại là Máy nén li tâm và Máy nén dọc trục. 2.1.2.1 Máy nén li tâm (Centrifugal Compressor). Máy nén đã từng là một trở ngại lớn trong sự phát triển của động cơ phản lực trong nhiều năm và nó đã được giải quyết bởi Máy nén li tâm. Máy nén này chỉ có một tầng và có ba bộ phận chính là bánh công tác, các cánh hướng dòng và buồng xoắn (ống gom). Loại máy nén này chỉ dùng cho các động cơ Tuabin khí cỡ nhỏ. Dòng khí vào máy nén gần trục của bánh công tác và được nén bởi chuyển động quay của bánh công tác. Dòng không khí được gom bởi buồng xoắn và đi vào ống làm cho vận tốc của nó giảm đi và áp suất tăng lên. Dòng không khí sau đó được tập hợp lại đưa đến buồng cháy. Máy nén ly tâm nhiều tầng chỉ tăng tỉ số nén lên một chút nhưng không hiệu quả bằng máy nén dọc trục. 2.1.2.2 Máy nén dọc trục(axial compresor) Trong máy nén dọc trục, dòng không khí chuyển động theo hướng của trục máy nén, qua nhiều tầng bánh công tác và các tầng cánh tĩnh hay cánh hướng làm cho dòng khí chuyển động dọc theo hướng của trục quay. Mỗi bộ cánh quay và cánh hướng được gọi là một tầng. Diện tích tiết diện ngang theo hướng dòng chảy của dòng không khí giảm dần làm tăng tỉ trọng của không khí, tức là quá trình nén diễn ra dọc theo từng tầng. Tỉ số nén của mỗi tầng khoảng 1,1 đến 1,5 nhưng khi các tầng được ghép với nhau sẽ tạo ra một tỉ số nén cao. Máy nén dọc trục chỉ làm việc có hiệu quả ở một vận tốc nhất định. Để có tỉ số nén cao người ta sử dụng máy nén nhiều tầng với các vận tốc khác nhau để đảm bảo tải trọng đồng đều mỗi tầng máy nén. 2.1.3 Buồng cháy Buồng cháy có nhiệm vụ đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí và để dòng khí nóng đến tuabin ở một nhiệt độ nhất định. Nhiệt độ này được giới hạn bởi độ bền của vật liệu cánh tuabin. Sơ đồ buồng cháy được biểu diễn như hình vẽ . H -2.3 Cấu tạo buồng đốt Dòng khí đi vào buồng đốt được chia thành 2 phần. Dòng sơ cấp đi vào buồng đốt hoà với nhiên liệu tạo ra hỗn hợp cháy. Hỗn hợp cháy được đốt cháy bằng nến đánh lửa (có điện áp 15000V đến 20000V) cung cấp một nhiệt lượng là Q= mf.hPR. Năng lượng này biến thành cơ năng quay tuabin khi dòng khí dãn nở qua Tuabin. Dòng thứ cấp được đưa qua bề mặt xung quanh của buồng đốt có nhiệm vụ làm mát bảo vệ bề mặt buồng đốt. Tỉ số giữa lượng không khí và nhiên liệu khoảng 30 đến 60 tuỳ loại động cơ, thông thường khi thiết kế là 40 nhưng chỉ khoảng 15 phần đó được đưa và buồng cháy tạo hỗn hợp cháy có áp suất hợp lý. Buồng cháy có 3 loại: H -2.4 Các loại buồng đốt Buồng cháy độc lập (Can): Gồm nhiều buồng cháy riêng biệt độc lập với nhau, có các ống nối giữa các buồng đảm bảo nhiệt độ, áp suất các buồng giống nhau và chỉ có một nến đánh lửa. Buồng cháy hình xuyến (Annual): Chỉ có một buồng hình xuyến được sử dụng rộng rãi nhất. Buồng cháy hỗn hợp (Can Annual): Là sự kết hợp của 2 loại buồng cháy trên. Trong buồng đốt này có nhiều buồng đốt con chung một vỏ ngoài còn vỏ trong riêng. 2.1.4 Tuabin Tuabin nhận năng lượng của dòng khí giãn nở ra khỏi buồng cháy. Năng lượng này được truyền qua trục tuabin để dẫn động quạt, máy nén (gần 3/4 tổng năng lượng dòng khí ra khỏi buồng cháy) và các thiết bị khác. Tuabin có cấu tạo gần ngược với máy nén. Nó bao gồm một bánh quay có gắn cánh và một bộ các cánh hướng gắn cố định. Các cánh hướng tạo thành một mặt phẳng đồng tâm với tuabin. Các cánh này được đặt ở một góc tạo nên một loạt khe để hướng dòng khí chảy trên bề mặt cánh Turbin có hiệu quả nhất, cho phép động năng của dòng khí chuyển thành cơ năng quay trục turbin. Giống máy nén đồng trục, tuabin cũng được làm nhiều tầng nhưng ít hơn máy nén. Trái ngược với máy nén, tuabin nhận năng lượng của dòng khí, ở tuabin áp suất giảm do là quá trình giãn nở, cánh turbin cũng giống cánh máy bay cho dòng khí quanh tạo thuận lợi cho quá trình giãn nở. 2.1.5 ống đẩy (Exhaust Nozzle) Nhiệm vụ của ống đẩy (ống Lava) là tăng vận tốc của dòng khí thải trước khi phun ra ngoài, tập trung dòng khí ra từ tuabin, tạo ra hướng chuyển động của dòng khi ra ngoài. Muốn có lực đẩy lớn thì động năng của dòng khí khi ra ngoài phải lớn hay vận tốc dòng khí thoát ra lớn, tức là áp suất giảm, áp suất nhỏ nhất khi dòng khí ra khỏi ống đẩy là áp suất không khí. Có 2 dạng ống đẩy được sử dụng trong máy bay phản lực là ống đẩy hội tụ (convergent) và ống đẩy hội tụ – phân kỳ (convergent - divergent). Khi tỷ số áp suất ra của tuabin và tỷ số áp suất ra của ống đẩy thấp người ta sử dụng ống đẩy phân kỳ (nhỏ hơn 2), ống đẩy phân kỳ được dùng cho các động cơ có lực đẩy thấp của máy bay dưới âm. Trên máy bay trên âm người ta sử dụng ống đẩy hội tụ phân kỳ gồm một ống đẩy phân kỳ được nắp tiếp sau một ống đẩy hội tụ. Vị trí tiết diện ống có diện tích nhỏ nhất được gọi là họng của ống đẩy. Khi tỷ số áp suất cao và suất lực đẩy cao người ta sử dụng ổng đẩy hội tụ - phân kỳ. H-2.5 ống đẩy dưới âm 2.2 Các thông số chính của động cơ 2.2.1 Lực đẩy Lực đẩy của động cơ được tính theo quy luật bảo toàn năng lượng. Nó bằng tổng biến thiên động lượng và chênh lệch áp suất của dòng khí trước và sau động cơ (trước ống hút và sau ống đẩy): F= + (Pe –P0 ).Ae (2-1) Trong đó: mo, mf: Lưu lượng khối của không khí và nhiên liệu Vo ,Ve : Vận tốc của dòng không khí vào ống hút và ra ống đẩy Po, Pe : áp suất của dòng không khí vào ống hút và ra ống đẩy Khi dòng khí chuyển động trong động cơ, một phần năng lượng của nó sẽ bị mất mát ở ống hút và ống đẩy. Phần năng lượng này sẽ sinh ra lực cản trong ống hút DOH và DOD. Lúc đó lực đẩy có ích của động cơ sẽ là: T= F- (DOH + DOD) (2-2) Người ta gọi Foh và Fod lần lượt là hệ số tổn thất trong ống hút và ống đẩy và được tính như sau: Foh= (2-3) Vậy lực đẩy có ích có thể tính theo công thức: T= F(1- Foh - Fod) (2-4) 2.2.2 Suất tiêu hao nhiên liệu Đây là lượng nhiên liệu mà động cơ sử dụng để tạo ra một đơn vị lực đẩy (2.5) Tương ứng với lực đẩy có ích ta có suất tiêu hao nhiên liệu có ích: (2.6) Giữa hai đại lượng có mối quan hệ tương tự lực đẩy và lực có ích: S=TSFC(1-Foh- Fođ) (2.7) 2.2.3 Hiệu suất. 2.2.3.1 Hiệu suất nhiệt() (themal efficiency). Hiệu suất nhiệt động cơ được định nghĩa bằng tỉ số giữa năng lượng mà dòng khí tạo ra khi ra khỏi động cơ với năng lượng mà nhiên liệu của động cơ cung cấp cho dòng khí dó. (2-8) Năng lượng của dòng khí ra khỏi động cơ đối với động cơ tuabin khí chính là sự thay đổi động năng của dòng khí (2-9) Năng lượng mà nhiên liệu cung cấp cho dòng khí chính là năng lượng mà nhiên liệu giải phóng khi bị đốt cháy. ( 2-10) hPR: là nhiệt lượng riêng của nhiên liệu. 2.2.3.2 Hiệu suất lực đẩy (hp) (propulsive efficiency). Hiệu suất lực đẩy của động cơ biểu diễn tổng công suất do động cơ tạo ra chuyển thành công suất có ích của máy ra sao. (2-11) T: lực đẩy có ích của động cơ. V0: vận tốc của máy bay. Với động cơ một luồng có một ống hút ta có: (2-12 ) Khi khối lượng nhiên liệu nhỏ hơn khối lượng của không khí rất nhiều và tổn thất trong ống hút và ống đẩy có thể bỏ qua thì ta có công thức tính hiệu suất lực đẩy đơn giản như sau: (2-13) Vậy hiệu suất lực đẩy phụ thuộc vào tỉ số giữa vận tốc của dòng khí ra khỏi ống đẩy và khi vào ống hút, cho nên khi muốn tăng hiệu suất đẩy thì tỷ số này phải bé. ở động cơ Turbojet tỷ số này cao nên hiệu suất thấp còn động cơ Turbofan thì tỷ số này thấp nên hiệu suất lực nâng cao hơn. 2.2.3.3 Hiệu suất toàn phần() (overall efficiency). Hiệu suất toàn phần biểu diễn khả năng của động cơ biến năng lượng do nhiên liệu cung cấp thành công suất có ích của động cơ. Nó chính là tích của hiệu suất nhiệt và hiệu suất lực đẩy. (2-14) Do Q=mf.hpr và thay vào công thức tính hiệu suất chung ta có: và (2-15) 2.2.4 Tỉ số Đây là tỉ số mà người ta quan tâm đến nhiều nhất khi tính toán. Với động cơ một luồng lưu lượng khối của nhiên liệu rất nhỏ so với không khí, nếu bỏ qua các tổn thất ở ống hút và ống đẩy thì theo định luật bảo toàn động lượng tỉ số này có dạng đơn giản như sau: (2-16) Công thức tính hiệu suất lực đẩy (1-13) sẽ có dạng như sau: (2-17) Từ công thức (2-15) nếu coi gần đúng rằng TSFC = S ta có: (2-18) Một máy bay luôn mong muốn suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất và hệ số cao. Chương 3: Tính toán chu trình nhiệt động cơ tuabin khí hai luồng 3.1 Mục đích tính toán. Động cơ hoạt động như sau: Sau khi được khởi động, máy nén cao áp và thấp áp sẽ nén dòng khí và dẫn vào buồng cháy để tạo điều kiện đốt cháy tốt nhất trong buồng cháy. Dòng khí sau khi cháy sẽ giãn nở trên tuabin sinh công quay tuabin rồi phun ra ngoài để tạo ra lực đẩy.Trục tuabin sẽ dẫn động máy nén và quạt. Tuabin cao áp sẽ dẫn động máy nén cao áp. Tuabin thấp áp sẽ dẫn động máy nén thấp áp và quạt. Luồng khí qua quạt sẽ tạo ra lực đẩy, lực đẩy này lớn hơn lực đẩy do luồng qua động cơ sinh ra. Tính toán chu trình nhiệt nhằm mục đích xác định một số thông số chính của động cơ như lực đẩy, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất, nhiệt độ áp suất tại các mặt cắt phục vụ cho việc thiết kế sơ bộ. Thông qua các thông số này mà ta chọn được một thông số, xác định được chủng loại động cơ và là cơ sở ban đầu cho việc thiết kế. 3.1.1 Các thông số chính khi tính toán động cơ phản lực 2 luồng. - Tỉ số nén: Tại một bộ phận a nào đó, tỉ số nén được định nghĩa như sau: (3-1) Trong đó áp suất hãm (3-2) - Tỉ số nhiệt độ hãm: (3-3) Với nhiệt độ hãm (3-4) Với nhiệt độ thường không khí ở bên ngoài ta có và - Tỉ số entanpi vùng cháy: (3-5) (hTra)b: entanpi hãm ra khỏi buồng cháy. h0 : entanpi của dòng không khí bên ngoài. Hệ số phân luồng (à): là tỉ số giữa lưu lượng khối của dòng vào quạt và vào động cơ chính. Tổng lưu lượng khối của dòng vào động cơ là m0 thì: m0=mc+mf (3-6) Với từng bộ phận của động cơ ta có bảng thông số sau: Luồng qua động cơ Luồng qua quạt Vùng cháy Quạt ống hút Máy nén Buồng cháy ống đẩy Tuabin ống đẩy Khi tính toán chu trình nhiệt thực của động cơ, người ta phải chú ý đến các tổn thất ở các bộ phận của động cơ, đối với khí thực thì entanpy(h), hệ số đoạn nhiệt (), nhiệt dung riêng đẳng áp (Cp) đều là hàm của nhiệt độ (T), nếu trong buồng đốt thì chúng còn phụ thuộc vào hệ số nhiên liệu f. Khi nhiệt độ tăng lên thì entanpy và hệ số đoạn nhiệt tăng còn nhiệt dung riêng đẳng áp giảm. Để đơn giản cho tính toán người ta coi CP và là những hằng số ở buồng cháy ta có giá trị trước và sau buồng cháy tương ứng là (CPc,CPt) và (). - Tại ống hút Tổn thất ở đây do ma sát gây ra hoặc do sóng va nếu dòng vào ống hút là dòng trên âm. Tổn thất làm cho áp suất hãm giảm làm giảm tỉ số . Do là quá trình đoạn nhiệt nên . Ta có: (3-7) - Tại máy nén: Tổn thất do ma sát (lớp biên của cánh) và xoáy đuôi (tổn thất do va đập) nhất là với cánh động và nhiều tầng của máy nén. Hiệu suất của máy nén là tỉ số giữa công của quá trình lý tưởng và quá trính thực để tạo ra tỉ số nén của máy nén (3-8) Trong đó là tỉ số nhiệt độ hãm của quá trình lí tưởng nên: (do tỉ số nén các tầng như nhau) Hiệu suất của từng tầng là tỉ số giữa công lý tưởng và công trong quá trình thực tại các tỷ số áp suất () khác nhau. (3-9) Do đẳng entropy nên: ị Vậy ta có: (3-10) Vậy tại máy nén ta có: ln.ln ị Vậy hiệu suất của máy nén là: (3-11) - Tại tuabin: Tương tự như trên ta có hiệu suất là và eT như trên. Hiệu suất Tuabin ngược với máy nén, nó là tỉ số giữa công thức và công lí tưởng để tạo ra một tỉ số nén . Ta dễ dàng nhận được công thức sau: (3-12) Do - Trong buồng cháy: Thực tế không phải cháy đẳng áp nên pb <1 và nhiên liệu không cháy hết hoàn toàn nên nhiệt lượng thực tế là: Q = hb .mf .hPR - Trong ống đẩy: Do đoạn nhiệt nên tn= 1 nhưng pn ạ1 do P9 ạ P0 3.1.2 Phân tích chu trình. Khi phân tích chu trình nhiệt (để tính toán) cho động cơ tuabin khí 2 luồng, có tổn thất, người ta đưa ra các giả thiết sau đây để dễ thiết kế: Khi lý tưởng trước buồng cháy có các hằng số không đổi: gc, Rc, Cpc… Khi lý tưởng sau buồng cháy có các hằng số không đổi: gt, Pt, Cpt… Tất cả các quá trình là đoạn nhiệt (không làm lạnh tuabin). Hiệu quả của máy nén, quạt và Tuabin được biểu diễn thông qua việc sử dụng các hệ số đa biến (hiệu suất từng tầng) tương ứng là: ec, ef, et Tính toán chu trình nhiệt của động cơ Tuabin khí 2 luồng được chia ra 2 phần, mỗi phần tương ứng với một luồng và gồm nhiều bước nhỏ như sau: 3.1.2.1 Đối với dòng qua quạt (Fan Stream). * Bước 1: Lực đẩy của dòng qua quạt FF= (V19- V0) + A19 (P19 – P0) (3-13) Do: a2= gRTgc P= rRT và m = rVA sau một số biến đổi đơn giản ta được biểu thức sau: = (3-14) * Bước 2: []2= M219 (3-15) * Bước 3: M219= (3-16) Với = pr.pd.pf.pfn * Bước 4: = ở đó: = tr…tf (3-17) 3.1.2.2 Dòng qua động cơ (Core Stream). * Bước 1: Lực đẩy (tính tương tự trên) Fc= [m9V9 – mcV0] +A9(P9-P0) (3-18) = (3-19) Với tỷ số nhiên liệu/ không khí dùng cho Buồng cháy được xác định như sau: (3-20) * Bước 2: []2= (3-21) * Bước 3: = (3-22) Trong đó: = prpdpcpbptpn (3-23) * Bước 4: = (3-24) Trong đó: = trtdtctttn= tltt (3-25) * Bước 5: áp dụng định luật nhiệt động học 1 vào buồng cháy ta có phương trình cân bằng năng lượng tại buồng cháy như sau: mc.CpcTT3 + hbmfhpR = m4CptTT4 (3-26) Chia 2 vế phương trình trên với m0.Cpt.TT0 rồi biến đổi đơn giản ta có: trtc +f (3-27) *Bước 6 Từ sự cân bằng công suất giữa tuabin, máy nén và quạt với hiệu suất cơ khí hm của tuabin, ta có: McCpc(TT3- TT2) +mfCpc(TT13- TT2) = hmm4Cpt(TT4- TT5) (3-28) Công suất máy nén + công suất quạt = công suất tuabin Chia phương trình trên theo mcCpcTt2 và việc sử dụng các định nghĩa của tỷ số nhiệt, tỷ số nhiên liệu/ không khí và hệ số phân luồng (a) ta nhận được: tc – 1 + a(tf – 1) = hm(1+f) (3-29) Trong đó tỷ số nhiệt của tuabin: tt =1- (3-30) Đối với quạt, ta áp dụng các phương trình: tf = (3-31) hf = (3-32) * Bước 7: Kết hợp phương trình lực đẩy của dòng qua quạt và dòng qua động cơ ta được: = = (3-33) * Bước 8: Hệ số tiêu hao nhiên liệu: S = = Hay S = * Bước 9: Biểu thức hiệu suất lực đẩy hp và hiệu suất nhiệt hT (trường hợp P9= P19= P0) hp= (3-34) hT= (3-35) Sau khi đã phân tích chi tiết trình tự các bước tính toán chu trình nhiệt của động cơ, một chương trình tính đã được viết bằng ngôn ngữ Matlab cho phép giải quyết bài toán. Phần tiếp theo đồ án giới thiệu ứng dụng và kết quả của chương trình tính này trong hai chế độ hoạt động của động cơ : chế độ cất cánh và chế độ bay bằng. 3.2 Tính toán chu trình nhiệt chế độ cất cánh. 3.2.1 Thông số đầu vào. 3.2.2 Kết quả tính toán chu trình nhiệt 3.2.3 Bảng thông số tại các tiết diện cơ bản. 3.2.4 Đồ thị nhiệt độ 3.2.5 Đồ thị áp suất 3.3 Tính toán chu trình nhiệt chế độ bay bằng. 3.3.1 Thông số đầu vào. 3.3.2 Kết quả tính toán. 3.3.3 Bảng thông số tại các tiết diện cơ bản. 3.3.4 Đồ thị nhiệt độ 3.3.5 Đồ thị áp suất Phần 2 thiết kế hệ thống điều khiển khe hở tuabin thấp áp (lptcc)Chương 4: Hệ Thống Điều Khiển Khe Hở TUABIN Thấp áp 4.1 Giới thiệu hệ thống LPTCC của động cơ CFM56-5B 4.1.1 Vị trí. Hệ thống điều khiển khe hở tuabin thấp áp (LPTCC) gồm: Van LPTCC được đặt trên tiết diện lõi động cơ tại vị trí 10 giờ theo chiều quay của kim đồng hồ và có thể tiếp cận bằng cách mở một nửa hệ thống thổi ngược về phía phải của động cơ. Khối logic LPTCC nằm trong Bộ điều khiển điện tử (ECU) được đặt trên vỏ của động cơ tại ví trí 4 giờ. ECU có thể tiếp cận được bằng cách mở vỏ quạt về phía phải của động cơ. Van servo LPTCC nằm trong cụm thủy cơ (HMU) được đặt trên tiết diện quạt của động cơ tại ví trí 7 giờ. HMU có thể tiếp cận được bằng cách mở vỏ quạt về phía trái của động cơ. 4.1.2 Mục đích và kết nối. Mục đích của hệ thống LPTCC là điều khiển sự giãn nở nhiệt của tuabin thấp áp (LPT) trong suốt sự hoạt động của động cơ, nhằm tối ưu khe hở giữa rotor và stator của tuabin thấp áp. Hệ thống LPTCC được nối với: - Các thông số đầu vào được nối tới khối logic LPTCC nằm trong ECU. - Các đường nhiên liệu được nối tới van servo LPTCC nằm trong HMU. - Không khí được lấy từ van LPTCC tới vùng trích khí của quạt và buồng làm mát vỏ LPT. 4.1.3 Thiết kế và hoạt động. Hệ thống LPTCC là một hệ thống kín nó điều khiển dòng trích khí gửi đến vỏ của tuabin thấp áp thông qua một van và một hệ thống ống. Theo thứ tự đến từ ECU, một tín hiệu điện tỷ lệ với một vị trí van yêu cầu được gửi trực tiếp đến một servo van nằm trong HMU. Servo van thay đổi thông tin điện theo áp suất nhiên liệu và gửi nó tới van LPTCC. Trạng thái van được xác định bởi lượng không khí gửi đến hệ thống ống làm lạnh vỏ tuabin thấp áp. Vị trí van hiện thời gửi tới ECU như một thông tin phản hồi cho phép so sánh giữa vị trí yêu cầu và vị trí hiện thời. Nếu vị trí van không phù hợp với yêu cầu thì ECU sẽ gửi một tín hiệu khác thông qua HMU để thay đổi trạng thái của van cho tới khi đạt được vị trí yêu cầu. 4.1.4 Mô tả chức năng điều khiển hệ thống. Khối logic LPTCC nằm trong ECU sử dụng nhiều thông tin của sensor để thành lập ra vị trí van yêu cầu. Các thông số của động cơ như: số vòng quay của quạt N1, nhiệt độ khí xả EGT, áp suất khí quyển P0 và của hệ thống máy bay như: nhiệt độ tổng TAT và áp suất tổng PT2. Vị trí yêu cầu gửi bởi hai kênh của ECU như một tín hiệu điện tới van servo LPTCC nằm trong HMU. Servo van dịch chuyển piston để điều khiển tín hiệu áp suất nhiên liệu gửi đến để dẫn động van LPTCC. Cơ cấu chấp hành dẫn động van bướm thiết lập dòng khí nằm trong van LPTCC. Thay đổi tích hợp xây dựng trên van cảm biến và gửi thông tin phản hồi vị trí van đến cả hai kênh ECU. Vị trí van bướm xác định lượng không khí trích ra từ quạt vào buồng làm lạnh và hệ thống ống. 4.1.5 Mô tả chức năng van LPTCC. Van LPTCC gồm một cơ cấu dẫn động thanh răng tuyến tính với một bánh rẽ quạt để dẫn động trục van bướm. Hình 4.1 Sơ đồ mô tả chức năng của van LPTCC. Cơ cấu được nối với mặt phẳng điều khiển, gồm 3 cửa, 2 trong 3 cửa này được sử dụng để dẫn động van: Cửa 1: Nối với áp suất điều chỉnh từ van Servo đến 1 phía cơ cấu dẫn động(Pc). Cửa 2: Nối áp suất trung gian (Pcr) đến phía bên kia của cơ cấu dẵn động. áp suất điều chỉnh có thể lớn hơn hay nhỏ hơn Pcr và xác định chiều của cơ cấu dẫn động. Cửa 3: Là cửa xả, nó được thiết kế để tính chất lỏng rò rỉ từ cơ cấu dẫn động và mang tới hệ thống xả. ARVDT (Bộ biến đồi vi phân vòng) Sensor được đặt tại điểm cuối của trục van bướm và cấp một tín hiệu điện tương ứng của van. - áp suất Pb: áp suất Pb chính là áp suất quay vòng lại đầu vào bơm thấp áp, hay Pb chính là áp suất trên đường hồi, áp suất hồi của nhiên liệu từ các Servo valve. Giá trị của Pb trong khoảng:20-200psi. - áp suất Pc (controll presure): Pc là một trong các áp suất làm việc, Pc được điều khiển bằng bộ điều khiển áp suất Pc với áp suất đầu vào là Psf và nhờ các tổn thất bên trong bộ điều khiển kết hợp với lực lò xo (lực lò xo luôn cung cấp một lực tương đương với 300 psi) để cho áp suất ra là Pc. Pc được gữi một giá trị không đổi: Pc = Pb + 300 psi - áp suất Pcr(áp suất điều khiển hồi): Pcr cũng được điều khiển bằng một bộ điều khiển áp suất giống như Pc. Pc được điều khiển để gữi giá trị không đổi Pcr = Pb + 150 psi. 4.1.6 Mô tả chức năng điều khiển logic. Khối logic điều khiển hệ thống LPTCC gồm ba khối tính toán: Khối logic chính là khối tính toán vị trí yêu cầu của van LPTCC để thiết lập vị trí yêu cầu của van. sự tính toán này sử dụng số vòng quay chính xác N1, tổng áp suất PT2, áp suất khí quyển P0 cộng với kết quả của các khối tính toán khác. Khối tính toán thứ 2 là khối tính toán dòng khí tuabin thấp áp nó tính toán dòng khí ở trạng thái ổn định với các thông số: áp suất khí quyển P0 và số vòng quay chính xác cuả quạt N1, cộng với tính toán dòng khí không ổn định với số vòng quay N1, nhiệt độ tổng vào quạt TAT và nhiệt độ khí xả EGT. Khối thứ 3 là khối tính toán nhiệt độ rotor tuabin thấp áp để tính toán sự biến thiên kích thước vỏ tuabin thấp áp với nhiệt độ khí xả EGT cộng thêm sự biến thiên đường kính quạt với tín hiệu vòng quay quạt. 4.2 Thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống LPTCC của động. Chương 5 : Thiết kế bơm nguồn 5.1 Các số liệu ban đầu. Lưu lượng của bơm Q =220 ( lít/ phút ) áp suất yêu cầu: P =60 (par) Số vòng quay làm việc: n = 6250 ( vòng/ phút ). Hiệu suất của bơm h =0,84 5.2 Tính toán các thông số bánh răng Ta có mỗi liên hệ giữa lưu lượng Q và các thông số bánh răng như sau: Q = h.2p.D .b.m.n Trong đó : Q: là lưu lượng của bơm D: là đường kính bánh răng b: là bề rộng của bánh răng m: mô đun của bánh răng n: số vòng quay h: hiệu suất bơm Mặt khác ta có mỗi liên hệ giữa Q và m là: m = ( 0,24á0,44 ). ị m = ( 0,24á0,44 ). ị m = 3,5 á 6,5 Trong đó Q là lưu lượng tính theo lít/phút. Modul m tính theo mm. Vậy ta chọn m = 4 mm. Ta có q =cm3/vòng. Mặt khác q = 2p.m2.2b.h Chọn Với m = 4 (mm ) ị b =7.4 = 28 (mm) Vậy số răng ị Z =15 Đường kính vòng lăn bánh răng : D = Z.m = 15.4 = 60 Đường kính đỉnh răng : Dd = ( Z+2 ).m = ( 15 +2 ) .4 = 68 (mm). Đường kính chân răng : Df = ( Z – 2,5 ).m = (14 – 2,5 ).4 = 50 (mm). Vậy các thống số bánh răng như sau : Môdul m = 4 (mm). Số răng Z =15. Bề rộng bánh răng b = 28 (mm). Đường kính vòng lăn D = 68 (mm). Đường kính đỉnh răng Dd = 60 (mm). Đường kính chân răng Df =50 (mm). 5.3 Tính trục bơm và ổ trượt. - Tính trụ._.