Nghiên cứu mô phỏng đặc tính khí động của dòng khí đi qua buồng đốt động cơ tua bin khí cỡ nhỏ

Bài viết Nghiên cứu mô phỏng đặc tính khí động của dòng khí đi qua buồng đốt động cơ tua bin khí cỡ nhỏ trình bày kết quả nghiên cứu đặc tính khí động học trong buồng đốt động cơ tua bin khí cỡ nhỏ đang được nghiên cứu phát triển bởi nhóm tác giả.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu mô phỏng đặc tính khí động của dòng khí đi qua buồng đốt động cơ tua bin khí cỡ nhỏJournal of Science and Technique - ISSN 1859-0209 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA DÒNG KHÍ ĐI QUA BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ CỠ NHỎ Nguyễn Quốc Quân1,*, Nguyễn Văn Bằng2 Lê Tiến Dương1, Nguyễn Quang Thanh1, Nguyễn Hoàng Vũ1 1Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn 2Viện Kỹ thuật Phòng không - Không quân DOI: 10.56651/lqdtu.jst.v18.n02.689 Tóm tắt Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu đặc tính khí động học trong buồng đốt động cơ tua bin khí cỡ nhỏ đang được nghiên cứu phát triển bởi nhóm tác giả. Sử dụng phần mềm mô phỏng Star CCM+ để tính toán, đánh giá đặc tính khí động học buồng đốt, như tỉ lệ phân chia lưu lượng không khí đảm bảo cho quá trình cháy, làm mát và hòa trộn có đảm bảo theo yêu cầu thiết kế đặt ra. Kết quả mô phỏng cho thấy, tỉ lệ phân chia lưu lượng không khí qua các ống hóa hơi là 5%, lưu lượng không khí ở vùng cháy chính chiếm 26%, vùng cháy phụ 34% và vùng hòa trộn 40%. Vận tốc dòng khí dưới 0,3 Mach và tổn thấp áp suất toàn phần 5,8%, đảm bảo yêu cầu đặt ra. Kết quả tính toán có thể căn cứdùng để để hiệu chỉnh, tối ưu hóa thiết kế buồng đốt trước khi chế tạo. Từ khóa: Tua bin khí; buồng đốt; ống đốt; tổn thất áp suất; RANS.1. Mở đầu Động cơ tua bin khí cỡ nhỏ (microturbine) ra đời xuất phát từ nhu cầu lắp trên máybay mô hình giữa những năm 1980, khi các nhà chế tạo nghiệp dư cố gắng thu nhỏ và chếtạo động cơ phản lực [1-3]. Những động cơ này đã chứng tỏ được độ tin cậy và tính thựctiễn khi chế tạo động cơ phản lực bằng các công nghệ gia công cơ khí đơn giản. Nhiều côngty với khả năng ứng dụng công nghệ cao sau đó cũng đã nghiên cứu, chế tạo các phiên bảnthương mại, như JetCat (Đức) [4], AMT (Hà Lan) [5], KingTech (Đài Loan) [6],PBS (Cộng hòa Séc) [7], Jet Central (Mê-hi-cô) [8], Jets Munt (Tây Ban Nha) [9],Wren (Anh) [10]. Hiện nay, cùng với sự tiến bộ về công nghệ, lực đẩy động cơ có thể đạt1100N (Jetcat P1000-Pro) [4] và có thể sử dụng cho các loại máy bay không người lái lớnhơn, tên lửa tầm ngắn hoặc các bộ quần áo bay phản lực [11]. Nhìn chung, các động cơ tua bin khí cỡ nhỏ ngày nay có kết cấu tương đồng với độngcơ phản lực một trục [12, 13]. Rô to của động cơ thường gồm một máy nén ly tâm và một* Email: ngquanturbine@lqdtu.edu.vn82 Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - ISSN 1859-0209tua bin dọc trục (hoặc hướng tâm), đặt trên hai vòng bi chịu được vòng quay lớn. Động cơthường khởi động bằng động cơ điện đặt phía trước máy nén, kết nối cơ học với trục rô toqua một khớp tự ngắt. Hệ thống điều khiển kiểm soát các thành phần động cơ từ khi khởiđộng đến khi tắt máy, điều khiển động cơ điện khởi động, bơm nhiên liệu, van điện từ cấpkhí mồi lửa và nhiên liệu công tác, nến điện đánh lửa, thu thập tín hiệu cảm biến vòng quayvà nhiệt độ khí xả [12, 14]. Buồng đốt thường được bố trí nằm ở phần không gian giữa vành khuếch tán máy nénvà thiết bị phun tua bin [12-15]. Buồng đốt có nhiệm vụ duy trì quá trình đốt cháy nhiênliệu được cấp từ các kim phun vào ống hóa hơi và phải bảo đảm nhiều yêu cầu khắt khe[16, 17]. Nếu quá trình đốt cháy không đồng đều thì phân bố nhiệt độ, vận tốc dòng khítrong buồng đốt cũng như khi đi vào tua bin cũng không đều, dẫn tới làm giảm hiệu suấtđộng cơ, thậm chí có thể tiếp tục cháy trong tua bin hay xả ra ngoài. Do vậy, quá trình cháycũng phải được hạn chế trong phạm vi trong buồng đốt, bằng cách duy trì tỉ lệ lưu lượngdòng khí hợp lý sao cho trong khoảng thời gian ngắn, nhiên liệu và không khí phải đượchòa trộn, đốt cháy kiệt. Lượng không khí còn lại sẽ làm mát khí cháy xuống nhiệt độ tối đathường dưới 1023 K, thấp hơn nhiều so với động cơ cỡ lớn [3, 15, 18]. Thông thường, rất khó để chế tạo buồng đốt mà không thực hiện việc chế tạo nguyênmẫu và thử nghiệm do chưa có một chuẩn chung để tính toán thiết kế, mà phần lớn vẫn dựavào thực nghiệm [19-22]. Hiện nay, phương pháp mô phỏng CFD được ứng dụng phổ biếnkhông chỉ nhằm kiểm nghiệm đặc tính buồng đốt, mà còn giúp hiểu bản chất dòng lưuthông, giảm thiểu mẫu thiết kế trước khi chế tạo [23-25]. Do việc phân bổ lưu lượng dòngqua các khu vực bên trong buồng đốt liên quan trực tiếp tới hệ số dư lượng không khí nênở giai đoạn thiết kế ban đầu các tính toán chủ yếu dựa vào đặc tính khí động [26-28]. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu đặc tính khí động buồng đốt động cơtua bin khí cỡ nhỏ do các tác giả nghiên cứu phát triển. Sử dụng phần mềm Star CCM+ đểmô phỏng, tính toán phân bố dòng không ...