TRƯỜNG ĐẠI HỌC s u PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA V ậ t l y

NGUYỄN THỊ QUYÈN

NGHIÊN CỨU TÍNH ỎN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ

TRONG BUÒNG TẠO HỎN HỢP BUÒNG ĐỐT
TĂNG L ự
c ơ TURBINE PHẢN L ự• c
• c ĐỘNG
•

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hà N ộ i - 2 0 1 5


TRƯỜNG ĐẠĨ HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHỎA VẶT LÝ

NGUYỄN THỊ QUYÈN

NGHIÊN CỨU TÍNH ỎN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ
TRONG BUÒNG TẠO HỎN HỢP BUÒNG ĐÓT
TĂNG L ự
c ơ TURBINE PHẢN L ự• c
• c ĐỘNG
•

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC


Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Người thực hiện

Nguyễn Thị Quyền


MỤC LỤC
1

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tà i.........................................................................................................1
2. M ục đích nghiên c ứ u ..................................................................................................1
3. Nhiệm vụ nghiên c ứ u ................................................................................................2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................................................................... 2
PHẦN NỘI D U N G ........................................................................................................ 3
Chương 1 - TỐNG QUAN VÈ TÍNH ỐN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ TRONG

BUỒNG TẠO HỖN HỢP BUỒNG ĐỐT TĂNG L ự c ĐỘNG c ơ TURBINE
PHẢN

L ự c.......................................................................................3

1.1. Mô hình buồng tạo hỗn họp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực....... 3
1.2. Đặc điếm làm việc của buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lự c ......4
1.3. Xác định tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt
tăng lực động cơ turbine phản lực P25.300 và J85.............................................. 10
1.4.


Diện tích tiêt diện nhỏ nhât buông tạo hôn hợp
K
F2

Diện tích tiêt diện buông tạo hôn hợp ở đó kêt thúc
nhiễu
Diện tích tiêt diện cuôi buông tạo hôn hợp
Diện tích tiêt diện cửa ra buông tạo hôn hợp

[m2]
M
M
M

Px

Ap suât dòng khí ở cửa vào buông tạo hôn hợp

M
I^A/7 m2J

Pk

Ap suât dòng khí ở tiêt diện nhỏ nhât

I^A/7 m2~ị

Pl

Ap suât dòng khí ở tiêt diện kêt thúc nhiêu

/u

Độ nhớt chât lỏng

[ n .s / m2J

p

M ật độ chât khí

['kg ỉm3]

Pn,

M ật độ nhiên liệu

['kg ỉm3]

p

Góc mở của phân mở rộng buông tạo hôn hợp

s

Hệ sô biên dạng kích thước vùng nhiêu

[ ”]
[jV/m3]

(p


Y

Độ dài theo trục y

m

N
F

= 27ĩ! Ả sô sóng
M ức gia tăng biên độ nhiêu

[w /m 2]
[m -]

[ « - ']


m

Q

= õf / õt . Tốc độ gia tăng biên độ nhiễu

p*

M ật độ khí trong vùng xoáy

[kgím3]


F„

Lực quán tính

Fp

Lực áp suât

[W]

Lực nhớt

[W]

K

Lực căng bê mặt

[W]

w
wv

Tôc độ tương đôi của dòng khí theo phương

X

[m /il



2.1

2.2

2.3

Tên các hình vẽ, sơ đô, đô thị
N guyên lý câu trúc (a) và mô phỏng (b) của buông
tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine
phản lực
Mô hình dòng chảy trong buông tạo hôn hợp
buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực
Động cơ turbine phản lực có buông đôt tăng lực
Sơ đô động cơ turbine phản lực có buông đôt tăng
lực
Đô thị vùng ôn định của dòng khí trong buông tạo
hỗn hợp động cơ P25.300 (a) và J85 (b)

Trang
3

Đô thị tân sô dao động riêng của dòng khí trong
buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ
P25.300 (a) và động cơ J85 (b)
Anh hưởng của sức cản thủy lực đên tính ôn định
của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp động cơ
P25.300 (a) và động cơ J85 (b)
Sự tương tác của dải nhiên liệu phun với dòng khí
không ổn định trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt

Nhiều giải pháp đã được đưa ra. Trong đó giải pháp được sử dụng
nhiều nhất hiện nay là buồng đốt tăng lực lắp sau turbine để tăng lực đẩy phản
lực cho động cơ.
Vấn đề ổn định cháy trong buồng đốt tăng lực là một yêu cầu cơ bản
khi thiết kế chế tạo động cơ turbine phản lực. Nó phụ thuộc rất nhiều vào quá
trình tạo hỗn hợp cháy. Quá trình cháy là quá trình lý hóa xảy ra với tốc độ
cao, nhiệt độ phản ứng cháy lớn. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc đảm
bảo công suất làm việc của động cơ cũng như tính an toàn, tính bền và tính
kinh tế ... của động cơ.
Trong khuôn khổ có hạn của một khóa luận tốt nghiệp, tôi chỉ dừng lại
ở việc “Nghiên cứu tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp

buồng đốt tăng lực động CO’ turbine phản lực”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu tính ốn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng
đốt tăng lực động cơ turbine phản lực nhằm nâng cao tính ốn định và đảm bảo
sự cháy trong buồng đốt ổn định.

1


3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tống quan về tính ốn định của dòng khí trong buồng tạo
hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.
- Nghiên cứu về giải pháp nâng cao tính ổn định của dòng khí trong
buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.
4. Đối tưọng và phạm vi nghiên cửu
4.1. Đối tưọng nghiên cứu
Giải pháp nâng cao tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp
buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.

từ dòng cơ bản và dòng nhiễu. Dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp gọi là
dòng bị nhiễu. N hiễu trong dòng có biên độ giảm dần, không lấy năng lượng

3


của dòng cơ bản để phát triển thì dòng chảy là dòng ổn định. Neu nhiễu phát
triển gia tăng biên độ thì dòng chảy là dòng không ổn định. Neu nhiễu tồn tại
trong dòng với biên độ không thay đổi thì dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp
nằm ở giới hạn ốn định. Dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp có số M < 0,3
nên coi là dòng không bị nén ( p = const) . Tính cản dòng trên turbine và
buồng lửa được xem như là các tiết lưu, vì vậy coi đầu vào và ra của buồng
tạo hỗn hợp có lắp tiết lưu trước và sau.
Từ đó nhận thấy cấu trúc và dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp buồng
đốt tăng lực có nguyên lý cấu trúc giống như ống Venturi có tiết lưu đầu vào
và ra như hình 1.2:

Hình 1.2. Mô hình dòng chảy trong buồng tạo hôn hợp
buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

1.2. Đặc điểm làm việc của buồng đốt tăng lực động cơ turbỉne phản lực
Động cơ turbine phản lực là kiếu đơn giản nhất và cố nhất của động
cơ phản lực nói chung, thường được dùng làm động cơ đẩy cho các máy bay.
Không khí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút
khí, và được nén tới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt. Tại buồng đốt,

4


không khí được trộn với nhiên liệu và được đốt cháy. Quá trình cháy làm

làm tăng tốc độ dòng và lực đẩy phản lực cho động cơ từ 25 đến 50%.
Dòng khí qua turbine có hệ số khí dư lớn, có thể lên tới a

=60 tương

đương với dòng không khí bị pha loãng bằng sản phẩm cháy có áp suất từ 1,5
đến 4 bar, nhiệt độ từ 900 đến 1200k và tốc độ từ 350 đến 400 m/s. Khi qua
ống khuếch tán, tốc độ dòng khí giảm còn 120 đến 160 m/s để đi vào buồng
lửa. Trong ống khuếch tán, nhiên liệu được phun vào dòng khí qua nhiều vòi
phun, tạo thành hỗn hợp cháy với hệ số không khí dư nằm trong khoảng từ
1,1 đến 1,5. Gần cuối ống khuếch tán, hỗn hợp cháy gặp bộ ổn định ngọn lửa
hình chữ V và tự bén lửa tạo thành ngọn lửa dao động có màng lửa nhăn và
vùng tuần hoàn (vùng chảy ngược) đế duy trì sự on định của ngọn lửa. Ngọn


lửa sau bộ ổn định chịu tác động của những dòng khí nhỏ đi qua các lỗ nhỏ
của ống lửa vừa làm mát thành buồng đốt vừa duy trì biên độ và tần số dao
động ổn định.
Quá trình hoạt động của buồng đốt tăng lực được chia thành nhiều chế
độ: tăng lực nhỏ, tăng lực tùng phần, tăng lực toàn phần. M uốn thay đổi chế
độ tăng lực ta phải thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho buồng đốt tăng lực.
Quá trình cháy trong buồng đốt tăng lực có ngọn lửa dao động là quá
trình cháy dao động ở vùng cao tần, có tần số lớn từ 102 đến 103 Hz. Quá trình
này thường có biên độ áp suất rất lớn. Tùy thuộc vào đặc tính âm thanh trong
buồng đốt, sự dao động với tần số lớn của áp suất có thể gây ra dao động
mạnh, có thể gây phá hủy buồng đốt tăng lực.
Trong buồng đốt tăng lực cũng tồn tại dao động với tần số thấp có biên
độ dao động áp suất lớn gây mất ổn định cháy. Đây cũng là nguyên nhân gây
ra sự phá hủy buồng đốt.
Đặc điếm của quá trình cháy trong buồng đốt tăng lực là hỗn họp cháy

Thực tế hoạt động của các buồng đốt tăng lực trên các động cơ turbine
phản lực đã có quá trình cháy ổn định. Tuy đã đáp ứng được các yêu cầu vận
hành nhưng vẫn còn tồn tại một số hiện tượng như tắt lửa, cháy không ổn
định, vỏ buồng đốt bị nứt nẻ, cong vênh, cháy sém, hay hiện tượng tách rời
các bu lông giữa các phần của buồng đốt tăng lực.
Trong thiết kế và chế tạo buồng đốt tăng lực động ơ turbine phản lực
cần đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Ôn định quá trình cháy nhiên liệu trong toàn bộ khoảng thay đối độ
cao và tốc độ bay.
+ Tăng lực tin cậy trong mọi điều kiện bay.
+ Tổn thất áp suất toàn phần trong buồng đốt tăng lực nhỏ ở các chế độ
làm việc có tăng lực và không tăng lực của động cơ.
+ Bảo đảm sự làm việc bình thường của turbine, không gây quá nhiệt
độ cho các lá turbine khi bật và tắt tăng lực. Khối lượng của buồng đốt tăng
lực là nhỏ nhất.

8


Đe gia tăng lực đẩy hoặc lực kéo của động cơ turbine phản lực, hiện
nay thường sử dụng các giải pháp sau:
- Tăng nhiệt độ khí cháy trước turbine đồng thời giữ cho vòng quay
không đối. Đe thực hiện được điều đó cần phải đóng bớt miệng phun. Phương
pháp này gây ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của các lá turbine, làm máy nén
hoạt động mất ốn định nên chỉ sử dụng được khoảng một vài phút với mức
tăng lực đẩy từ 6- 8%.
- Tăng vượt giá trị vòng quay cực đại bằng cách tăng lượng nhiên liệu
cung cấp vào buồng đốt chính, làm tăng nhiệt độ khí cháy trước turbine. Công
suất turbine tăng lên, vòng quay rôto động cơ tăng từ đó tăng lưu lượng không
khí vào động cơ và tăng áp suất không khí sau máy nén, dẫn đến tăng lực đẩy

kéo theo máy bay có tốc độ càng lớn. Các thành phần chính của động cơ
turbine phản lực bao gồm: cửa hút gió, máy nén, buồng đốt, turbine và vòi
phun.
Khi động cơ hoạt động, không khí được nén và đưa vào buồng đốt.
Luồng không khí áp suất cao thoát ra khỏi buồng đốt ra phía sau với vận tốc
lớn, nên phản lực sinh ra hướng về phía trước. Luồng khí này cũng đồng thời
làm quay turbine, truyền động vận hành máy nén.
Bộ phận đốt tăng lực được đặt sau turbine. Khi bật đốt tăng lực, nhiên
liệu sẽ được phun thắng vào luồng khí nóng phía sau turbine trước khi thoát ra
khỏi vòi phun. Nhiên liệu cháy sẽ tăng nhiệt độ luồng không khí, làm áp suất
luồng không khí tăng cao, kéo theo đó là vận tốc của luồng khí phụt về phía
sau cao hơn, phản lực sinh ra lớn hơn, gia tốc lớn hơn, vận tốc máy bay sẽ
tăng nhanh hơn.
Buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực có bố
trí nhiều vòi phun lỗ đơn đặt cách nhau một khoảng cách đủ lớn so với kích

10


thước lỗ vòi phun trên một thiết diện ngang cho phép giả thiết rằng các dòng
nhiên liệu phun ra từ các vòi phun hoạt động độc lập với nhau trong môi
trường dòng khí. Dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp bao gồm dòng cơ bản và
dòng nhiễu. Neu dòng nhiễu phát triển gia tăng về độ lớn biên độ thì dòng khí
mất ốn định. Ngược lại, nếu dòng nhiễu bị tiêu tán trong dòng cơ bản thì dòng
khí được coi là dòng ốn định.
Đồ thị vùng ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt
tăng lực động cơ P25.300 và động cơ J85 như trên hình 1.5a và hình 1.5b:

(a)



(a)

(b)

Hình 1.7. Anh hưởng của sức cản thủy lực đến tỉnh ốn định của dòng khí
trong buồng tạo hỗn hợp động cơ P25.300 (a) và động cơ J8 5 (b)
Sức cản thủy lực được đặc trưng bởi hệ số cản a\. Khi góc mở rộng
không thay đối p = Ptk, ta có thể điều chỉnh dòng chảy từ không ổn định sang
ốn định bằng cách bố trí trên cửa ra các thiết bị chắn dòng đế tăng sức cản
thủy lực tại cửa ra buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực (hình 1.7a) hoặc nếu
tìm cách giảm nhỏ sức cản thủy lực trên cửa ra đến giá trị thích hợp (hình
1.7b) thì dòng chảy đang ở giới hạn ốn định có thế trở nên không ốn định.
1.4.

Ảnh hưởng cùa quá trình tạo hỗn hợp đến sự ổn định cháy trong

buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực
Ôn định cháy là một yêu cầu cơ bản đối với tất cả các buồng đốt, đặc
biệt là buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực. Những công trình nghiên
cứu đầu tiên về ổn định cháy xuất phát từ nghiên cứu thực nghiệm. Altseimer
J đã chế tạo mô hình buồng đốt để nghiên cứu sự cháy không ổn định, kết quả
nghiên cứu thực nghiệm về ổn định cháy đã đưa ra tiêu chuẩn M ichenson về
ổn định cháy trong buồng đốt. Các nhà khoa học M ỹ đã tiến hành nhiều

13


nghiên cứu thực nghiệm để xác định ưu nhược điểm của các vách giảm xung
dùng để chống không ổn định cháy, đã đưa ra những biện pháp ổn định cháy

đạc kiểm soát các thông số nhiệt động và hóa lỷ chưa đáp ứng được yêu cầu
đặt ra. Vì vậy hiện nay việc nghiên cứu quá trình cháy thường phân chia thành
nhiều giai đoạn: giai đoạn tạo hỗn họp, giai đoạn cháy và giai đoạn thải sản
phấm cháy. Trong mỗi giai đoạn thường lý tưởng hóa bằng các mô hình gần
đúng hoặc qua mô phỏng nhằm xác định các số liệu thực nghiệm cho quá
trình cháy.
Việc đánh giá tính ổn định cháy trong các buồng đốt bằng phương pháp
nhiễu nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Cho tới nay phương
pháp nhiễu vẫn được xem là phương pháp tiêu chuẩn khi đánh giá tính ổn
định trong các buồng đốt của các thiết bị năng lượng.
Theo quan niệm ổn định cháy, quá trình cháy trong động cơ bao gồm
quá trình tạo hỗn hợp, quá trình cháy trong buồng đốt và quá trình thải sản
phẩm cháy. N hững quá trình đó tác dụng tương hỗ với nhau để duy trì sự ổn
định cháy.
Theo lý thuyết nhiễu, tính ổn định cháy có thể bị phá hủy bởi những
nhiễu loạn tò bên ngoài hoặc bên trong, nhưng cũng có thế tạo ra nhiễu loạn
đế duy trì quá trình cháy ốn định, hiệu quả sẽ tốt hơn nếu nó tác động trục tiếp
vào quá trình tạo hỗn hợp.
Hỗn hợp khí cháy lý tưởng là hỗn hợp mà nhiên liệu bay hơi hoàn toàn
cân bằng với lượng ôxy có trong dòng khí theo định lượng phản ứng hóa học.
Khi hỗn hợp cháy đạt đến trạng thái lý tưởng, quá trình cháy sẽ trở nên ổn
định.
M uốn vậy cần nâng cao chất lượng hỗn hợp cháy. Cụ thể là nâng cao
chất lượng phun nhiên liệu vào buồng tạo hỗn hợp đẫn đến việc nâng cao áp

15


suất phun nhiên liệu lên tới hàng nghìn atmotphe. M ột hướng nữa được đặt ra
là tăng cường khuếch tán nhiên liệu vào dòng khí bằng nhiễu loạn khí động để

trình tạo hỗn hợp.
1.5.

Ket luận chương 1
Thực tế hoạt động của các buồng đốt tăng lực trên các động cơ turbine

phản lực của các máy bay hiện đại của Việt N am đã có quá trình cháy ổn định
khi bay ở độ cao thấp với tốc độ lớn và xuất hiện hiện tượng tắt lửa khi bay ở
độ cao lớn. Ở độ cao lớn, áp suất trong buồng đốt tăng lực nhỏ gây tắt lửa
cháy không ổn định, ngoài ra còn gặp hiện tượng nứt nẻ, cong vênh và cháy
sém vỏ buồng đốt. N hững hiện tượng này thể hiện dao động biên độ lớn của
ngọn lửa đã truyền cho vỏ và có thể phá hủy buồng đốt tăng lực.
Ồn định cháy trong buồng đốt tăng lực là một yêu cầu cơ bản khi thiết
kế chế tạo động cơ turbine phản lực có buồng đốt tăng lực. v ấ n đề ổn định
cháy phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tạo hỗn hợp cháy liên quan đến nhiều
lĩnh vực như động lực học của dòng khí, động lực học hóa học cháy, nhiệt
động học, truyền nhiệt, truyền chất. N hũng lĩnh vục này ảnh hưởng trục tiếp
đến quá trình tạo hỗn hợp nhiên liệu không khí trong buồng tạo hỗn hợp.
Đe tài tìm hiếu tính ốn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp
buồng đốt tăng lực và các giải pháp đảm bảo sự ốn định cháy thông qua việc
nâng cao chất lượng quá trình tạo hỗn họp cháy. Lý thuyết dòng nhiễu, thuyết
ốn định khí động, ốn định nhiệt động với tính khoa học cao đã được ứng dụng
trong nhiều ngành và thu được những kết quả to lớn. Ket quả của đề tài sẽ góp
phần làm sáng rõ nguyên lý cấu trúc buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực
động cơ turbine phản lực, từ đó đưa ra các giải pháp nâng cao tính ổn định
cháy của buồng đốt.

17