Tính toán các thông số nhiệt động học của động cơ tua bin khí kiểu TB3 – 117BM

30/05/2015 22:00

Bài báo trình bày một phương pháp thuận tiện để tính toán các thông số nhiệt động học của động cơ tua bin khí (ĐCTBK) do GS. Г.В. Павленко của Trường Hàng không Kharcov (Ucraina) đề xuất và áp dụng tính cho ĐCTBK dạng trục, có tua bin tự do khi thay đổi mục đích sử dụng.

KS. Hà Huy Thắng
PGS. TS. Đào Trọng Thắng
TS. Nguyễn Trung Kiên
Học viện Kỹ thuật Quân sự

Người phản biện: TS. Lương Đình Thi
PGS. TS. Hà quang Minh

Từ khóa: Động cơ tua bin khí, máy nén, buồng đốt, tua bin tự do.

Abstract: This paper presents a convenient method of calculation of the thermodynamic parameters of the gas turbine engine of Professor G.V. Pavlenko (from Kharcov Aviation School, Ukraine) and calculation results for gas turbine engine with free turbine TB3 – 117BM.

Keywords: Gas turbin engine, compressor, combustion chamber, free turbine.

1. Đặt vấn đề

Từ giữa thế kỷ 20 đến nay đánh dấu một thời kỳ phát triển mạnh mẽ của động cơ tua bin khí (ĐCTBK). ĐCTBK đã được sử dụng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân và trở thành nguồn động lực chủ yếu của ngành Hàng không.

Nhằm đảm bảo an toàn cho máy bay, ngành Hàng không thế giới đã đưa ra các quy định rất chặt chẽ liên quan đến số giờ làm việc của ĐCTBK. Sau khoảng thời gian nêu trên, dù động cơ vẫn có thể làm việc tốt, người ta vẫn loại ra không sử dụng cho máy bay nữa. Hầu hết các động cơ bị loại ra này vẫn hoạt động tốt và các nước trên thế giới đã có nhiều giải pháp để tiếp tục sử dụng chúng với các mục đích khác nhau, như chuyển đổi sang dùng để phát điện, dùng trên tàu thủy…

Để sơ bộ đánh giá được chất lượng của các ĐCTBK trước khi chuyển sang mục đích sử dụng khác, cần có các tính toán nhằm xác định các thông số nhiệt động học của động cơ. Vấn đề này được đề cập trong nhiều tài liệu về lý thuyết ĐCTBK. Trong khuôn khổ bài báo, nhóm tác giả giới thiệu một phương pháp tính toán các thông số nhiệt động học của ĐCTBK do GS. Г.В. Павленко của Trường Hàng không Kharcov (Ucraina) đưa ra. Phương pháp tính này không quá phức tạp, tương đối thuận tiện cho các kỹ sư tại các cơ sở sử dụng và sửa chữa ĐCTBK khi cần xác định các thông số nhiệt động học của ĐCTBK kiểu trục (còn gọi là động cơ tua bin trục), làm cơ sở cho các phương án thiết kế cải tiến cụ thể tiếp theo khi thay đổi mục đích sử dụng động cơ.

2. Cơ sở của phương pháp tính

ĐCTBK dùng trong ngành Hàng không có nhiều loại, nhưng đối với ĐCTBK kiểu trục thì phổ biến nhất có hai loại hay dùng trên các máy bay cánh quạt và trực thăng: Loại thứ nhất có bố trí hộp số để truyền chuyển động, loại thứ hai có tua bin tự do. Hình 2.1 trình bày sơ ĐCTBK kiểu trục có tua bin tự do, trong đó có ký hiệu mặt cắt (HH, BB, KK…) tại các vị trí đặc trưng của động cơ.

Hình 2.1: Sơ đồ động cơ tua bin trục có tua bin tự do

Mục đích của việc tính toán các thông số nhiệt động học là xác định các chỉ tiêu kinh tế – năng lượng của động cơ: Công suất riêng tương đương ([kW.s/kg]) và suất tiêu hao nhiên liệu ([kg/kW.h]). Các chỉ tiêu này là hết sức quan trọng trong khai thác động cơ nói chung cũng như sẽ là cơ sở để tính toán, thiết kế cải tiến khi chuyển đổi mục đích sử dụng động cơ.

GS. Г.В. Павленко đã đưa ra phương pháp tính các thông số nhiệt động của động cơ bằng cách xác định lần lượt các trị số của môi chất công tác trong động cơ theo trình tự chuyển động của môi chất, từ đầu vào đến đầu ra.

Khi tính toán cần có các số liệu ban đầu như trình bày trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các thông số ban đầu để tính toán nhiệt động ĐCTBK.

Các hằng số vật lý của không khí và sản phẩm cháy được lấy các trị số: k = 1,4; R= 278 J/kg.K; CP = 1005 J/kg.K; kbđ = 1,33; Rbđ = 288 J/kg.K; Cbđ = 1160 J/kg.K.

2.1. Tại mặt cắt H – H

Các thông số nhiệt độ, áp suất của môi chất tại đầu vào động cơ (mặt cắt H – H) chính là thông số môi trường. Khi động cơ sử dụng trên máy bay, việc tính toán được thực hiện cho chế độ bay với vận tốc và tại một độ cao H nhất định cho trước.

Theo các bảng tra cứu, tương ứng với số M đã cho (M_H) dễ dàng xác định được trị số nhiệt độ T(M_H) và áp suất p(M_H). Như vậy, có thể tính được các thông số nhiệt độ và áp suất của dòng khí hãm tại đầu vào động cơ theo công thức sau:

(1)

(2)

Nhiệt độ hãm và áp suất không khí tại đầu vào động cơ và tốc độ chuyển động của dòng khí được tính theo các công thức:

(3)

(4)

(5)

2.2. Tại mặt cắt B – B

Các thông số ở phần đầu vào máy nén được xác định với các giả thiết: Bỏ qua tổn thất năng lượng giữa phần gốc của cánh quạt với không khí vào máy nén.

Như vậy, các thông số của không khí trong tiết diện B – B xác định theo công thức:

(6)

(7)

2.3. Tại mặt cắt K – K

Các thông số ở phần đầu ra máy nén (mặt cắt K – K) gồm có nhiệt độ (T*_K), áp suất (p*_mn), công và hiệu suất của máy nén (L*_mn,η_mn) được xác định theo các công thức:

(8)

(9)

(10)

(11)

2.4. Tại mặt cắt Ґ - Ґ

Đây là các thông số ở phần ra từ buồng đốt T_bđ. Với nhiệt độ buồng đốt cho trước thì mức độ đốt nóng không khí trong buồng đốt được xác định theo công thức:

(12)

Áp suất của không khí tại đầu ra từ buồng đốt bằng:

(13)

Trong đó: Hệ số tổn thất buồng đốt được xác định: (14)

Suất tiêu hao nhiên liệu tương đối và hệ số dư lượng không khí trong buồng đốt được tính theo công thức:

(15)

(16)

còn i (T_bđ) và C_pT*_kđược tra từ bảng giá trị các thông số của khí cháy và không khí tại nhiệt độ T_bđ.

2.5. Tại mặt cắt TK – TK

Tại đầu vào tua bin (mặt cắt TK – TK), trong động cơ một trục công của roto được tính theo công thức:

(17)

Trong các tính toán sơ bộ các thông số nhiệt khí động học có thể coi G_bđ≈G_KK. Độ giảm áp suất toàn phần trong tua bin quay máy nén và các thông số của khí từ đầu ra máy nén trước khi vào tua bin cánh quạt được tính theo công thức:

(18)

(19)

(20)

2.6. Tại mặt cắt T – T

Tại mặt cắt này, trong tính toán sơ bộ thì công của tua bin cánh quạt (L_TB) có thể xác định theo công thức:

(21)

Trong đó: L_td- Công tự do của chu trình (bằng hiệu entanpi của dòng khí khi giãn nở tư p_Tk đến p_H và bao gồm động năng của dòng khí với vận tốc C_c); η_cq- Hiệu suất của quá trình giãn nở trong tua bin cánh quạt tại thiết bị xả.

Công tự do của quá trình được tính theo công thức:

(22)

Các thông số về nhiệt độ và áp suất của khí sau tua bin cánh quạt (T_cq, P_cq) và trên mặt cắt của thiết bị xả (T_xa, P_xa) được xác định theo công thức:

(23)

(24)

(25)

(26)

Tổng mức giảm áp suất toàn phần trong tua bin được tính theo công thức:

(27)

Công tại phần sau của cánh quạt:

(28)

Khi tính toán, nếu LTB và LTB sai khác vượt quá 0,5 ÷ 1% thì lấy LTB = LTB và tiến hành tính lại theo các công thức (21), (23) và (25) cho đến khi đạt được độ chính xác cần thiết.

(29)

(30)

2.7. Các thông số riêng của động cơ

Để đánh giá chỉ tiêu kinh tế – năng lượng của động cơ, người ta thường dùng các chỉ tiêu về công suất riêng tương đương và suất tiêu hao nhiên liệu:

(31)

(32)

- Công suất của động cơ, lưu lượng của khí và nhiên liệu được tính theo công thức:

(33)

(34)

Công suất riêng tương đương của động cơ:

(35)

3. Áp dụng tính cho động cơ TB3 – 117BM

Động cơ kiểu TB3 – 117BM là động cơ tua bin trục, được dùng trên máy bay trực thăng kiểu Mi-8 của Nga. Khi chuyển đổi mục đích sử dụng, như chuyển sang dùng quay máy phát điện trên mặt đất, ta có thể tiến hành các tính toán để xác định các thông số nhiệt động học của động cơ này với các công thức đã nêu ở phần trên, khi coi H = 0, M_H = 0 và các thông số ứng với các điều kiện tiêu chuẩn đã cho.

Số liệu ban đầu để tính toán được cho trong Bảng 3.1

Bảng 3.1. Các thông số ban đầu để tính toán nhiệt động ĐCTBK TB3 – 117BM.

Các hằng số vật lý của không khí và sản phẩm cháy được lấy các trị số: k = 1,4; R = 278 J/kg.K; CP = 1005 J/kg.K; kbđ = 1,33; Rbđ = 288 J/kg.K; Cbđ = 1160 J/kg.K.

Sử dụng phương pháp đã trình bày ở trên, ta tiến hành tính toán các thông số cho động cơ TB3-117BM làm việc tĩnh tại trên mặt đất, ứng với các điều kiện thông số tiêu chuẩn tại các mặt cắt theo các công thức (1)÷(30). Các kết quả tính toán được trình bày trong Bảng 3.2 và Bảng 3.4.

Bảng 3.2. Kết quả tính toán các thông số ĐCTBK TB3 – 117BM làm việc tại vị trí H = 0

Bảng 3.4. Thông số ĐCTBK TB3 – 117BM (độ cao H = 0) tại các tiết diện đặc trưng.

4. Kết luận

Thông qua việc sử dụng phương pháp tính toán do GS. Г.В. Павленко của Trường Hàng không Kharcov (Ucraina) đề xuất, đã tính được các thông số nhiệt động học cho động cơ tua bin trục kiểu TBK TB3 – 117BM khi chuyển mục đích sử dụng từ môi trường làm việc trên cao cho máy bay sang môi trường làm việc mới, cụ thể như để quay máy phát điện… làm việc ở điều kiện tĩnh tại trên mặt đất (H = 0). Đặc biệt, trong các thông số nhiệt động học được xác định trong bài toán đã xác định được hai thông số rất quan trọng: Công suất riêng tương đương ([kW.s/kg]) và suất tiêu hao nhiên liệu ([kg/kW.h]). Đây là các chỉ tiêu đánh giá khả năng cũng như hiệu quả kinh tế của TBK khi chuyển đổi mục đích sử dụng, làm cơ sở để thực hiện các các nghiên cứu tiếp theo o

Tài liệu tham khảo

1]. Масленников М.М., Бехли Ю.Г., Шальлан Ю.Н (1969), Газотурбинные двигатели для вертолетов, М.: Машиностроение.

[2]. Локай В.И., Максутова М.К., Отрункин В.А (1979), Газовые турбины двигателей летательных аппаратов, М.: Машиностроение.

[3]. Г.В. Павленко (2007), Термогазодинамический расчет газотурбинных двигателей и установок, Учебное пособие – Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т, Харьк. авиац. ин-т.

[4]. A.Д. Богданов, H.П. Калинин, A.И. Kpивко (2000), Typбoвaльный двигатель TB3-117BM, Koнcтpyкция и тexническое обслуживание, Moc, Воздушный транспорт.