Nghiên cứu tăng cường làm mát cánh phun cao áp động cơ tuabin khí tàu thủy - Luận án TS Vũ Đức Mạnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ ĐỨC MẠNH NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG LÀM MÁT CHO CÁNH PHUN CAO ÁP CỦA ĐỘNG CƠ TUABIN KHÍ TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ ĐỨC MẠNH NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG LÀM MÁT CHO CÁNH PHUN CAO ÁP CỦA ĐỘNG CƠ TUABIN KHÍ TÀU THỦY Chuyên ngành: Cơ khí – Động lực Mã số: 9.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS Nguyễn Trung Kiên 2.TS Đào Trọng Thắng HÀ NỘI – NĂM 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án VŨ ĐỨC MẠNH ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, Phòng Sau Đại học, Khoa Động lực, Bộ môn Động cơ đã cho phép tôi được thực hiện luận án tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Trung Kiên và GS.TS Đào Trọng Thắng đã hướng dẫn tôi hết sức chu đáo và tận tình để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án một cách tốt nhất.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy thuộc Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực, Học viện KTQS và các chuyên gia lĩnh vực Cơ khí - Động lực trong và ngoài Học viện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn cán bộ, giáo viên, nhân viên Phòng thí nghiệm Nhiệt/Bộ môn Nhiệt Thủy Khí, Phòng thí nghiệm Động lực/Khoa Động lực đã hỗ trợ về trang thiết bị, nhân lực, tạo điều kiện để tôi hoàn thành quá trình nghiên cứu thực nghiệm. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, các bạn đồng nghiệp, bạn bè và những người đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình khoa học này. Nghiên cứu sinh Vũ Đức Mạnh iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.

1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Đặc điểm của động cơ tuabin khí tàu thủy và sự cần thiết tăng cường làm mát cánh phun tuabin cao áp. Các biện pháp tăng cường làm mát cho cánh tuabin và hiệu ứng tăng cường hệ số trao đổi nhiệt bằng màng phân phối. Các phương pháp nghiên cứu.

Các công trình nghiên cứu liên quan và đặt vấn đề nghiên cứu. Kết luận Chương 1. 34 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG BÀI TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT CHO CÁNH PHUN TUABIN. Mô hình trao đổi nhiệt cho cánh phun tuabin và lựa chọn phần mềm mô phỏng.

Lý thuyết dòng chảy và trao đổi nhiệt trong phần mềm ANSYS-CFX 37 2. Lý thuyết tính toán điều kiện biên cho dòng khí chảy qua mạng cánh phun tuabin cao áp. Lý thuyết đồng dạng trong bài toán trao đổi nhiệt. Kết luận Chương 2.

62 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT CHO CÁNH PHUN TUABIN CAO ÁP ĐỘNG CƠ DR76. Các mô hình trao đổi nhiệt. Xây dựng mô hình trao đổi nhiệt cho cánh phun tuabin cao áp động cơ DR76 bằng ANSYS. Xây dựng mô hình tính toán hệ số trao đổi nhiệt cho kênh dẫn không khí phía trong lưng cánh bằng mô hình đồng dạng.

Kết luận Chương 3. 91 GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG LÀM MÁT CÁNH PHUN TUABIN CAO ÁP ĐỘNG CƠ DR76. Khảo sát phân bố nhiệt độ và ứng suất nhiệt trên cánh phun tuabin cao áp động cơ DR76 bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu lựa chọn các thông số hình học hợp lý trên mô hình đồng dạng.

Nghiên cứu lựa chọn các phương án thay đổi kết cấu màng phân phối cho cánh phun tuabin cao áp động cơ DR76. Đánh giá hiệu quả tăng cường làm mát cánh phun tuabin cao áp động cơ DR76 của các phương án màng phân phối bằng phương pháp mô phỏng. Kết luận Chương 4. 121 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ.

125 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 140 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Chữ viết tắt: Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CFD Computational Fluid Dynamics Tính toán động lực học lưu chất CC Combustion Chamber Buồng đốt COM Compressor Máy nén CPCA - Cánh phun tuabin cao áp CT Compressor-Turbine Tuabin lai máy nén DES Detached Eddy Simulation Mô phỏng xoáy tách rời DC Digital Camera Camera kỹ thuật số ĐCTBK - Động cơ tuabin khí DNS Direct Numerical Simulation Phương pháp mô phỏng trực tiếp EXP Experimental Kết quả thử nghiệm FVM Finite Volume Method Phương pháp thể tích hữu hạn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FDM Finite Differences Method Phương pháp sai phân hữu hạn HC High-pressure Compressor Máy nén cao áp HT High-pressure Turbine Tuabin cao áp IR camera Infra-Red Camera Camera hồng ngoại - Camera nhiệt LC Low-pressure Compressor Máy nén thấp áp LES Large Eddy Simulation Phương pháp mô phỏng xoáy lớn LNS Limited Numerical Scales Thang mô phỏng giới hạn LT Low-pressure Turbine Tuabin thấp áp Monotonically Integrated Mô phỏng xoáy lớn tích hợp đơn MILES Large Eddy Simulation điệu PseudoDirect Numerical PDNS Mô phỏng số giả trực tiếp Simulation PT Power Turbine Tuabin chân vịt Reynolds-Averaged Navier- Giải hệ phương trình Navier-Stokes RANS Stokes trung bình theo Reynolds SGS Subgrid-Scale Model Mô hình quy mô nhỏ TLC Thermo Liquid Crystal Chất chỉ thị màu TN - Thử nghiệm vi The Temperature Oscillation Phương pháp đo hệ số trao đổi nhiệt TOIRT Infra-Red Thermography theo nguyên lý dao động nhiệt độ Unsteady Reynolds-Averaged Giải hệ phương trình Navier-Stokes URANS Navier-Stokes trung bình theo Reynolds trong trường hợp không ổn định VLES Very Large Eddy Simulation Phương pháp mô phỏng xoáy rất lớn 2. Ký hiệu: Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 2 a m /s Hệ số khuếch tán nhiệt Hằng số trong phương trình hệ số đoạn nhiệt phụ thuộc a0, a1 - vào nhiệt độ c0, c1, c2, c3 - Các hệ số không thứ nguyên trong phương pháp TOIRT Cp, Cv J/kg.K Nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích D m Đường kính lỗ phun Dl mm Đường kính lỗ phun ở khu vực mũi cánh E W Năng lượng toàn phần Eu Tham số Euler f Hz Tần số biến thiên 2 F m Diện tích Fo - Tham số Fourier GA kg/s Lưu lượng không khí Gc kg/s Lưu lượng không khí làm mát gc % Tỷ lệ không khí làm mát ge g/kWh Suất tiêu hao nhiên liệu có ích Gf kg/s Lưu lượng nhiên liệu gf Hệ số lưu lượng nhiên liệu Gg kg/s Lưu lượng khí cháy Gr Tham số Grashof 2 h W/m K Hệ số trao đổi nhiệt H m Khoảng cách giữa màng phân phối và bề mặt đích Khoảng cách tương đối giữa màng phân phối và bề mặt H/D - tấm đích so với đường kính lỗ phun int - Cường độ sáng của điểm ảnh k - Hệ số đoạn nhiệt của không khí vii Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa kg - Hệ số đoạn nhiệt của khí cháy Lx m Chiều dài dây cung chiếu lên chiều trục 0x Nu - Chỉ số Nusselt Hệ số dự trữ nhiệt độ - tỷ số giữa giới hạn nhiệt độ làm [n]T - việc của vật liệu với nhiệt độ cực đại trên cánh p Pa Áp suất dòng khí P s Độ dài chu kỳ Pe - Tham số Peclet Pr - Tham số Prandtl 2 q W/m Thông lượng nhiệt Qfmin kJ/kg Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Tỷ số giữa hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức ở bề r - mặt ngoài của tấm so với hệ số trao đổi nhiệt ở bề mặt bên trong của tấm R - Hằng số của chất khí r/D - Vị trí tương đối so với tâm tia phun Re - Số Reynolds Rej - Số Reynolds của dòng khí ra khỏi lỗ phun Recr - Số Reynolds của dòng ngang Rs m Bán kính cong của bề mặt cánh S/D - Bước lỗ tương đối T K Nhiệt độ t s Thời gian Tave K Nhiệt độ trung bình của cánh tuabin Tc K Nhiệt độ không khí làm mát tdelay s Thời gian trễ của đèn halogen Tf K Nhiệt độ tại đầu dòng khí * Tg K Nhiệt độ dòng khí nóng ở đầu vào tuabin Hệ số tỷ lệ trong hàm tuyến tính nhiệt độ phụ thuộc vào Tgap K cường độ sáng của điểm ảnh Nhiệt độ dự trữ - độ chênh giữa nhiệt độ cực đại trên Tr K cánh với giới hạn nhiệt độ làm việc của vật liệu [T]vl K Giới hạn nhiệt độ làm việc của vật liệu viii Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Tw K Nhiệt độ thành vách u m/s Vận tốc VR Tỷ số vận tốc trung bình giữa dòng phun và dòng ngang x,y,z m Tọa độ theo ba trục 0x, 0y và 0z z/D - Vị trí tương đối so với mặt tấm đích δ m Độ dày của tấm kim loại η - Hiệu suất θ - Hệ số làm mát λ W/mK Hệ số dẫn nhiệt μ kg/ms Độ nhớt động lực học 2 ν m /s Độ nhớt động học ξ - Độ dày tương đối của tấm kim loại π - Tỷ số tăng áp 3 ρ kg/m Khối lượng riêng φ rad Độ trễ pha φnullphase rad Góc pha hiệu chỉnh, đồng bộ thời gian Hệ số trao đổi nhiệt không thứ nguyên trong phương ψ - pháp TOIRT 3.

Chỉ số: Chỉ số Ý nghĩa -ave Giá trị trung bình -cr Dòng ngang (cross flow) -sp Giá trị trung bình theo chiều cao của cánh -Spanwise Averaged -j Dòng phun (jet flow) -max Giá trị cực đại -min Giá trị cực tiểu ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1. Bảng thống kê các công trình nghiên cứu màng phân phối trên mô hình tấm phẳng. Bảng thông số hình học cơ bản của cánh Mark II. Thông số cài đặt mô hình và điều kiện biên của dòng khí nóng chảy bên ngoài cánh ở chế độ “code 4322-run 16”.

Bảng thông số các lỗ làm mát xuyên tâm cánh Mark II và không khí làm mát ở chế độ “code 4322 run 16”. Thông số lưới của mô hình trao đổi nhiệt CPCA động cơ DR76. Thông số cài đặt cơ bản của mô hình trao đổi nhiệt CPCA động cơ DR76 74 Bảng 3. Thông số hình học cơ bản của CPCA động cơ DR76.

Thông số dòng khí tại các biên ở các chế độ tính toán. Bảng các chế độ thực nghiệm. Các trường hợp tính toán mô phỏng. Nhiệt độ cánh phun với lưu lượng không khí làm mát khác nhau.