Chuyên đề Xây dựng được hệ thống thuỷ lực điều khiển cơ cấu chấp hành của hệ thống thổi ngược

Chương I Các loại động cơ máy bay 1.1. Sơ lược về quá trình phát triển của máy bay và động cơ máy bay. Loài người đã mơ ước bay vào không trung từ rất lâu. Những thực nghiệm ban đầu thường thất bại cho tới khi khoa học kỹ thuật phát triển.. Động cơ xuất hiện đã làm thay đổi hẳn các nghiên cứu về máy bay. Kết quả là chiếc máy bay do hai anh em nhà Wright chế tạo ra ngày 17/10/ 1903 là chiếc máy bay được công nhận đầu tiên trên thế giới. Đến năm 1908 Lenne Lorin, một kỹ sư người Pháp cho ra đời động cơ piston, nén không khí trước khi đưa vào hoà trộn cùng nhiên liệu để đốt nhằm tạo ra năng lượng dòng khí để quay cánh quạt. Tiếp đó là Frank Whittle nhà bác học người Anh đã cải tiến, ứng dụng nguyên lý phản lực để tạo ra lực đẩy. Ông là người tạo động cơ phản lực sơ khai lúc bấy giờ gọi là TurboJet W1 và bay thử nghiệm vào ngày 27/8/1941. Cũng trong thời gian này, nhà bác học người Đức Von Ohain cũng thiết kế động cơ phản lực và đưa vào bay thử ngày 27/8/1939. v.v… Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật mà động cơ phản lực cũng phát triển theo. Động động cơ phản lực đã chứng tỏ được sức mạnh của mình; đó là vận tốc lớn, lực đẩy lớn và hiệu suất lớn .v.v.. Ngày nay, động cơ phản lực được sử dụng rất rộng rãi trong hàng không dân dụng và quân sự. Do đặc điểm sử dụng của các máy bay rất phong phú và đa dạng, điều kiện làm việc và yêu cầu đối với các loại máy bay cũng rất khác nhau, nên có rất nhiều loại động cơ khác nhau. Phân loại động cơ có nhiều cách như phân loại theo công suất, theo loại nhiên liệu, phân loại theo bản chất và cấu trúc của động cơ.v.v.. a) Phân loại động cơ dựa vào số Mach (M) và độ cao hoạt động: Hình 1.1 - Đồ thị phân loại động cơ theo số Mach. Hình1. 2 - Đồ thi phân loại động cơ theo độ cao Qua đồ thị ta thấy động cơ piston cánh quạt hoạt động ở độ cao và số Mach thấp. Sau đó động cơ Tuabin ra đời đã cải thiện được độ cao và số Mach, đặc biệt là động cơ Turbojet. Để phục vụ mục đích quân sự và hàng không vũ trụ động cơ Ramjet ra đời với yêu cầu về độ cao và số Mach là rất lớn. b) Phân loại động cơ theo cấu tạo chung - Động cơ phản lực không Tuabin khí (Non - Air - Breathing) sử dụng trực tiếp khí xả làm dòng khí phản lực để tạo lực đẩy. Có các loại động cơ phản lực không Turbin khí như Rocket Motor, Nuclear Propulsion System, Electric Propulsion System. Loại này có ưu điểm là lực đẩy do khí cháy tạo ra rất lớn nhưng lại rất tốn nhiên liệu, chỉ được dùng cho các động cơ tên lửa và tàu con thoi. - Động cơ phản lực Tuabin khí (Air - Breathing) sử dụng dòng khí qua Turbin để dẫn động và tạo lực đẩy. Người ta chia ra các loại sau: Turbo Jet, Turbo Fan, Ram Jet, Turbo Prop, Turbo Shaft. Ưu điểm của loại này là hiệu suất cao, có khả năng dẫn động và thực hiện các chức năng điều khiển khác. 1.2. Các loại động cơ thông dụng trên thế giới. 1.2.1. Động cơ phản lực một luồng (Turbojet Engine): Là loại Turbin khí chỉ dùng năng lượng của luồng khí có vận tốc lớn được đốt nóng bên trong động cơ để tạo ra lực đẩy. Động cơ phản lực một luồng được sử dụng lần đầu tiên là của Von Ohain và bay thử vào ngày 27/8/1939 và Whittle bay thử vào ngày15/5/1941. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật động cơ Turbo dẫn đầu có hiệu suất cao hơn và thay thế động cơ piston. Tuy nhiên suất tiêu hao nhiên liệu cùng tiếng ồn cùng độ rung động của động cơ TurboJet là rất lớn. Hình1. 3 : Sơ đồ cấu tạo động cơ một luồng. Lực đẩy của động cơ phản lực một luồng là do không khí nén trong ống và trong máy nén được hoà trộn với nhiên liệu rồi đưa vào buồng đốt sau đó được dãn nở rồi phụt ra ngoài qua ống xả. 1.2.2. Động cơ cánh quạt (Turboprop Engine): Động cơ này sử dụng hầu hết năng lượng nhiên liệu để cấp cho dòng khí; khí thoát làm quay Turbin và cánh quạt, tạo lực kéo cho máy bay. Vì vậy, lực đẩy do ống đẩy tạo ra là rất ít; năng lượng lấy từ Turbin để dẫn động quạt chiếm từ 75% - 85% năng lượng khí sinh ra. Động cơ này chỉ sử dụng cho các máy bay tầm thấp, tốc độ nhỏ, tiêu thụ ít nhiên liệu và ít cơ động. Hình1. 4 : Sơ đồ cấu tạo của động cơ cánh quạt. 1.2.3. Động cơ dẫn trục (Turboshaft Engine): Hình1. 5 : Sơ đồ cấu tạo của động cơ dẫn trục. Giống như động cơ cánh quạt, nó dùng hầu hết năng lượng để điều khiển trục ngoài. loại này được sử dụng chính trên các loại máy bay trực thăng, động cơ phụ trên các loại máy bay vận tải cỡ lớn. 1.2.4. Động cơ phản lực hai luồng (Turbofan Engine): Có thể coi đây là loại động cơ kết hợp giữa hai loại động cơ phản lực một luồng và động cơ cánh quạt. Phía trước động cơ hai luồng là quạt có số vòng quay như là máy nén thấp áp (N1) vì cùng được dẫn động bởi Turbin thấp áp. Máy nén cao áp thì được dẫn động bởi Turbin cao áp. Mục đích của việc chia Turbin thành hai phần nhằm làm giảm công suất dẫn động cho Turbin. Không khí được dẫn qua ống đẩy của quạt và một phần động cơ được đặc trưng bởi hệ số phân luồng a (là tỷ số khối lượng dòng khí qua quạt và khối lượng dòng khí qua lõi động cơ). Dòng khí thoát ra của động cơ hai luồng gồm có dòng nóng thoát ra từ lõi động cơ và dòng lạnh thoát ra từ quạt, dòng lạnh chiếm khoảng 80% dòng khí thoát ra. Hình 1.6 : Sơ đồ cấu tạo của động cơ phản lực hai luồng. *Bố trí động cơ. Động cơ thường được trang bị cho loại máy bay trở khách. Động cơ được bố trí lắp đặt phía dưới cánh máy bay. Các động cơ được bố trí đối xứng nhau qua thân máy bay để bảo đảm thân cánh máy bay làm việc ổn định và không ảnh hưởng sức nóng của động cơ tới thân máy bay khi nó hoạt động cũng như các vật lạ không bắn vào động cơ khi máy bay chạy dưới đường băng. *Nguyên lý hoạt động của động cơ. Hình 1.7: Sơ đồ mặt cắt bố trí luồng trong và luồng ngoài động cơ 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. Sau khi qua máy nén không khí được cấp vào buồng đốt. Tại đây một phần không khí 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 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 năng lượng của dòng khí biến đổi thành cơ năng để qua 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: = Fng + Ftr trong đó  Ftr = m0.(V8 – V0) + A.(P8 – P0) Fng = m0.(V18 – V0) + A.(P18 – P0) Ftr : Lực đẩy của luồng trong động cơ . Fng : Lực đẩy luồng ngoài động cơ. V8 ,V18 :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. Ưu điểm của động cơ hai luồng là hiệu suất lớn, lực đẩy lớn trên một đơn vị khối lượng dòng khí lớn và có tính kinh tế cao. Tuy nhiên do diện tích mặt trước của động cơ phản lực hai luồng lớn hơn nhiều so với động cơ phản lực một luồng nên có lực cản và trọng lượng lớn hơn. Hiện nay có rất nhiều loại máy bay sử dụng động cơ hai luồng như là máy bay vận tải hành khách, máy bay cỡ nhỏ và máy bay phục vụ trong nông nghiệp .v.v. *Các thành phần chính của động cơ. 1. ống hút ống hút của động cơ và phần dẫn dòng có nhiệm vụ đưa dòng khí từ bên ngoài đến máy nén. ống hút có nhiệm vụ : bảo toàn áp suất tổng của dòng khí đi vào động cơ càng nhiều càng tốt; đưa dòng khí đến cửa vào máy nén với sự nhiễu động và biến thiên áp suất càng nhỏ càng tốt trong mọi điều kiện bay. 2. Quạt. Phần quạt nằm ở ngay sau ống hút của động cơ. Trên hầu hết mọi động cơ, phần quạt là một phần đối với động cơ máy nén hai roto dọc trục, nó được xem là một bộ phận của máy nén vì quạt là tầng đầu tiên của máy nén thấp áp. Quạt gồm một tầng các lá quay được gắn cố định với trục thấp áp của động cơ. Nó nén dòng không khí đi vào từ ống hút và xả ra ống gom ở phía sau để tạo lực đẩy. 3. Máy nén. Máy nén của động cơ là máy nén dọc trục, có nhiệm vụ tăng áp suất của dòng khí tới giá trị cao trước khi đưa vào buồng đốt để tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình cháy và tăng được hiệu suất của động cơ. Máy nén của động cơ gồm các tầng máy nén thấp áp và các tầng máy nén cao áp. Không khí trong máy nén chảy theo phương dọc trục qua dãy các tầng lá cánh công tác và lá cánh hướng dòng, các lá này được gắn đồng tâm với trục quay. Diện tích mặt cắt ngang phần chảy của máy nén giảm dần theo phương dọc trục, do đó giảm thể tích của không khí khi qua máy nén, tính nén được thực hiện qua nhiều tầng. Qua mỗi tầng áp suất lại tăng lên từ 1,1 đến 1,2 lần. Vận tốc quay của các tầng máy nén cao áp là bằng nhau và lớn hơn vận tốc quay của các tầng máy nén thấp áp. 4. Buồng đốt. Không khí và nhiên liệu được trộn lẫn và đốt cháy trong buồng đốt, sau đó giải phóng khí cháy giãn nở qua tuabin với nhiệt độ cho phép tại tuabin. Buồng đốt có thể tích rất nhỏ nhưng có nhiệm vụ phải đốt cháy một lượng nhiên liệu đủ, chứa một lượng không khí lớn để đảm bảo sản phẩm cháy sinh công làm quay tuabin và sinh ra lực đẩy cho động cơ. Dòng khí đi vào buồng đốt được chia thành hai phần: Phần khí thứ nhất đi vào buồng đốt hoà trộn với nhiên liệu tạo ra hỗn hợp cháy. Năng lượng do hỗn hợp này tạo ra biến thành cơ năng quay tuabin khi dòng khí giãn nở ở tuabin. Phần khí còn lại sẽ được đưa vào bề mặt xung quanh của buồng đốt và có nhiệm vụ làm mát bảo vệ buồng đốt. Tỷ số giữa lượng không khí và nhiên liệu khoảng 40 đến 60, chỉ khoảng 15 phần được đưa vào buồng cháy tạo hỗn hợp cháy có áp suất hợp lý. 5. Tuabin. Tuabin gồm : Tuabin cao áp và tuabin thấp áp. Tuabin được đặt ngay sau buồng đốt. Tua bin hấp thụ năng lượng dòng khí cháy dưới dạng nhiệt và áp năng phun ra từ buồng đốt để chuyển thành cơ năng dẫn động máy nén, quạt và các thiết bị khai thác khác của động cơ thông qua các trục. Tuabin có cấu tạo ngược với máy nén. Nó bao gồm hai rôto có gắn các tầng cánh và một bộ các tầng cánh hướng tĩnh cố định. ở tuabin áp suất của dòng khí giảm do quá trình giãn nở sinh công của dòng khí. Tuabin cao áp dẫn động máy nén cao áp và tuabin thấp áp dẫn động máy nén thấp áp. 6. ống đẩy Nhiệm vụ của ống đẩy 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 khí trước khi phun ra ngoài. ống đẩy gồm có hai ống lồng vào nhau, một ống thoát cho luồng ngoài và một ống thoát cho luồng trong. Có ba bộ phận cấu tạo nên là vỏ ngoài, vỏ giữa và khối nút hình bầu dục để tạo thành hai ống này. * Động cơ 2 luồng có lực đẩy lớn, hiệu suất cao, tiếng ồn nhỏ nên được sử dụng rộng rãi hiện nay trên các loại máy bay trở khách và 1 loại động cơ có công suất lớn được sử dụng trên các loại máy bay cỡ lớn là động cơ PW 4090. Sau đây là một số thông số cơ bản của động cơ: Loại động cơ : Turbofan – phản lực hai luồng Dạng dòng chảy : Dọc trục Máy nén : 1 tầng quạt, 6 tầng máy nén thấp áp, 11 tầng máy nén cao áp Tuabin : 2 tầng tuabin cao áp, 7 tầng tuabin thấp áp Tỷ số phân luồng : 6,4 : 1 Trọng lượng : 17352 lb ( 7877 kg) Đường kính quạt : 112 in ( 2,84 m) Chiều dài : 191,7 in (4,87 m) 1.3.Kết luận: Chương này ta đã đi giới thiệu các loại động cơ mà máy bay sử dụng, trong lĩnh vực mà ta nghiên cứu( vận tải hàng không) thì động cơ của máy bay phải mang tính kinh tếcao, cũng như là động cơ mang độ ồn nhỏ…Do vậy mà động cơ được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong vân tải hàng không là động cơ phản lực hai luồng, điển hình là động cơ PW4090 mà chúng ta đi vào nghiên cứu, động cơ tạo ra lực đẩy lớn , thêm vào đó khối lượng máy bay cũng rất lớn , câu hỏi đặt ra là khi máy bay hạ cánh bộ phận nào của máy bay đảm bảo cho máy bay hạ cánh được an toàn và rút ngắn đường băng, các nhà sản xuất đã nghiên cứu ra một loại phanh khí động đó là cơ cấu thổi ngược, nó cùng với cơ cấu phanh bánh và các tấm cản lưng đảm nhận nhiệm vụ này. Vậy cơ cấu thổi ngược là như thế nào ? được bố trí ở đâu ? Có đặc điểm gì? Những câu hỏi đó sẽ được trả lời ở chương tiếp theo. Chương II Hệ thống thổi ngược 2.1. Giới thiệu về một số hệ thống thổi ngược 2.1.1. Giới thiệu chung Ngày nay các loại máy bay vận tải hành khách thường có vận tốc và khối lượng rất lớn. Ngay cả khi hạ cánh vận tốc máy bay còn khoảng 200km/h. Do đó lực quán tính khi hạ cánh cũng rất lớn. Nếu như để máy bay hạ cánh một cách bình thường với cơ cấu phanh bánh thì đòi hỏi đường băng cho máy bay hạ cánh là rất dài. Do vậy việc hạn chế tốc độ máy bay là hết sức cần thiết khi hạ cánh. Để giải quyết vấn đề này người ta đưa vào máy bay một hệ thống phanh khí động rất có hiệu quả đó là hệ thống thổi ngược (Bên cạnh hệ thống thổi ngược còn có hệ thống các tấm cản lưng và hạ thấp cánh tà cũng hỗ trợ rất tốt cho hệ thống phanh khí động này ). Về nguyên lý cơ bản hệ thống thổi ngược là sử dụng một thiết bị để làm đảo chiều chính sức đẩy của động cơ. Với hệ thống thổi ngược này đã làm giảm tối đa chiều dài đường băng hạ cánh của máy bay mà vẫn đảm bảo an toàn hiệu quả. Thông thường đối với động cơ phản lực hai luồng có tỷ số phân luồng cao như CFM56 và PW4090 thì hệ thống thổi ngược được lắp ở luồng ngoài của động cơ (lực đẩy của động cơ loại này chủ yếu do luồng ngoài tạo ra khoảng 80%). Đối với động cơ một luồng thì hệ thống thổi ngược được lắp ở phía sau ống xả. Hệ thống thổi ngược được kích hoạt hoạt động bằng tín hiệu từ bộ điều khiển điện tử và cần thổi ngược và chủ yếu được điều khiển đóng mở bằng hệ thống thuỷ lực hoặc khí nén. Do đặc tính đổi chiều lực đẩy rất nhanh nên hệ thống này chỉ hoạt động khi máy bay đã hạ cánh và đã có tín hiệu từ càng khi máy bay đã tiếp đất. 2.1.2. Quá trình hoạt động cửa thổi ngược. Khi máy bay đã tiếp đất phi công điều khiển sẽ gạt tay ga về vị trí tay ga nhỏ không tải ( để mở cửa thổi ngược ). Khi cửa thổi ngược được mở hoàn toàn tín hiệu sẽ được đưa lên buồng lái phi công tiếp tục kéo tay ga, động cơ tăng tốc lúc này lực thổi ngược là lớn nhất. Khi tay ga ở vị trí “Reverse” công suất động cơ khoảng 75% công suất ở chế độ bình thường của động cơ. Tỷ số giữa lực đẩy âm( là lực đẩy của động cơ khi hạ cánh) và lực đẩy( là lực đẩy ngược về phía đầu máy bay) dương của động cơ được gọi là hệ số đổi chiều lực đẩy theo tính toán thì tỷ số này đạt 0,4 – 0,6. 2.1.3. Phân loại các hệ thống thổi ngược. Việc đổi hướng dòng khí ra khỏi động cơ được thực hiện nhờ các cơ cấu chuyên dụng: Cơ cấu thổi ngược dạng tấm, cơ cấu thổi ngược dạng lưới. 2.1.3.1.Cơ cấu thổi ngược dạng lưới. Cơ cấu thổi ngược dạng lưới bao gồm các lá cánh và các mạng profin dạng lưới xếp liên tiếp cạnh nhau thành một vòng tròn phía sau tuabin và phía trước ống xả bởi các liên kết xoay dùng để đổi chiều các lá cánh làm cho dòng khí từ động cơ cũng bị đổi ngược lại khi các lá cánh xoay. Cơ cấu lá cánh xoay được dẫn động bởi một động cơ khí nén và một hệ thống các trục bánh răng dùng để đóng mở các lá cánh. Khi ở chế độ không làm việc các lá cánh này đóng các lưới profin lại tạo ra kết cấu như bình thường của ống xả và dẫn khí thổi về phía sau. Khi ở chế độ làm việc của hệ thống thổi ngược, các lá lưới này được xếp xoay đi và làm đổi hướng dòng khí từ động cơ theo chiều ngược với chiều chuyển động của máy bay. Sơ đồ cơ cấu thổi ngược dạng lưới thường được sử dụng cho máy bay A300B, A310, DC10-10, B767, B747. Các cơ cấu thổi ngược dạng lưới được điều khiển bằng khí nén. Hình2.1 : Sơ đồ cơ cấu thổi ngược dạng lưới 2.1.3.2. Cơ cấu thổi ngược dạng tấm. Cơ cấu thổi ngược dạng tấm sử dụng các tấm thổi ngược hay còn gọi là các cửa thổi ngược để đổi hướng dòng khí phía sau của động cơ. Trong chế độ làm việc bình thường các tấm này được bố trí trên mặt ngoài của ống xả tạo thành đường bao ngoài của động cơ. Khi hoạt động để đổi chiều lực đẩy, các tấm này được bố trí ở ống xả sao cho tạo thành những tấm cản dẫn hướng dòng khí thổi ngược chiều lại so với chiều chuyển động của máy bay để tạo lực hãm . Các tấm này được điều khiển bằng hệ thống thuỷ lực, van phân phối, tiết lưu,…Các cửa thổi ngược được đóng mở bằng các xylanh thuỷ lực. Hiện nay có hai loại cửa thổi ngược dạng tấm là : Dạng chắn cả hai luồng và dạng chắn chỉ một luồng động cơ trong đó dạng chắn luồng ngoài của động cơ là thông dụng nhất. a. Cơ cấu thổi ngược chắn cả hai luồng. Cơ cấu thổi ngược dạng này thường có hai tấm chắn và được lắp đặt sao cho khi hoạt động thì nó chắn cả hai luồng của động cơ. Do khi hoạt động cửa thổi ngược dạng này chắn cả hai luồng động cơ nên các tấm chắn chịu một tải trọng lớn và nhiệt độ cao. Do vậy các tấm này đòi hỏi được chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt độ cao và có độ bền lớn hơn so với cơ cấu thổi ngược dạng chỉ chắn một luồng ngoài. Như vậy cơ cấu thổi ngược dạng này sẽ rất đắt và chi phí bảo dưỡng là thường xuyên để hệ thống hoạt động tốt và bảo đảm an toàn. Cơ cấu thổi ngược dạng này chỉ áp dụng cho các động cơ có tỷ số phân luồng thấp, lực đẩy do luồng ngoài là không lớn lắm. Cơ cấu dạng này được áp dụng cho máy bay Fokker70 và TU134. Hình2.2 : Sơ đồ cơ cấu thổi ngược chắn cả hai luồng động cơ. b. Cơ cấu thổi ngược dạng tấm chỉ chắn luồng ngoài của động cơ. Cơ cấu này có kết cấu đơn giản bao gồm các tấm chắn ( thường là 4 tấm ). Gọi là cửa thổi ngược được lắp ở ống xả luồng ngoài của động cơ. Các cửa thổi ngược này được điều khiển bằng xylanh thuỷ lực bởi bộ điều khiển thuỷ lực. Đây là cơ cấu thổi ngược do hãng SNECMA của Pháp thiết kế và được sử dụng cho họ động cơ CFM56. Hiện nay cơ cấu thổi ngược dạng này được trang bị cho máy bay B737-300,B737-400, B737-500, A319, A320, A321. Cơ cấu thổi ngược dạng này rất có hiệu quả và hiệu suất cao. Nó được ứng dụng rộng rãi cho các máy bay hiện đại ngày nay. Khi hoạt động nó chỉ chắn luồng ngoài của động cơ nên nó không chịu sức nóng của động cơ. Do vậy hoạt động rất hiệu quả và an toàn. Vật liệu chế tạo không cần những yêu cầu đặc biệt về chịu nhiệt nên giảm được giá thành cho chi phí chế tạo và bảo dưỡng. Hình 2.3 : Sơ đồ cửa thổi ngược chỉ chắn luồng ngoài động cơ 2.1.4.Yêu cầu kỹ thuật chung với hệ thống thổi ngược. Để đảm bảo tính yêu cầu về hiệu quả và an toàn trong quá trình làm việc của cơ cấu thì các thiết bị đổi chiều (thổi ngược) của động cơ cần thoả mãn những điều kiện : - Thiết bị làm việc phải đảm bảo được lực đẩy âm ngược chiều lớn nhất có thể (thông thường bằng 35%- 45% lực đẩy dương lớn nhất của động cơ máy bay khi cất cánh). - Khối lượng của cơ cấu không quá lớn, kết cấu đơn giản và đảm bảo độ tin cậy cao khi làm việc (không chịu nhiều ảnh hưởng về nhiệt độ, môi trường và các yếu tố ngoại vi khác khi hệ thống làm việc). - Đảm bảo chế độ làm việc không đổi của động cơ khi thực hiện đảo chiều lực đẩy động cơ ( khi hệ thống làm việc thì không gây ảnh hưởng đến các hoạt động bình thường khác của động cơ như : bôi trơn, làm mát, cung cấp nhiên liệu…). - Khi hoạt động hệ thống thì không mất đi tính ổn định và khả năng điều khiển bình thường của máy bay khi chạy hạ cánh trên đường băng ( không làm mất thăng bằng của máy bay, không làm lật máy bay, không làm mất tính điều khiển bình thường của máy bay trên mặt đất …). - Luồng khí thổi ngược không làm ảnh hưởng đến máy bay do sức nóng luồng khí (không gây cháy nhiên liệu trong cánh máy bay, không thổi cát đường băng vào động cơ máy bay, không ảnh hưởng đến thân máy bay và khoang hành khách…). 2.2.Hệ thống thổi ngược động cơ PW4090. 2.2.1. Giới thiệu chung. Trên đây ta đã được biết về các loại cơ cấu thổi ngược đang được sử dụng trên máy bay ( cơ cấu thổi ngược dạng tâm, cơ cấu thổi ngược dạng lưới) cả hai loại đều có những ưu nhược điểm riêng nên hiện nay vẫn đang sử dụng cả hai loại này . Nhưng do tính đơn giản hơn nên cơ cấu thổi ngược dạng tấm được sử dụng rộng rãi hơn , một trong những động cơ điển hình sử dụng cơ cấu thổi ngược dạng này là động cơ PW4090 Bây giờ ta sẽ đi vào phân tích hệ thống thổi ngược của động cơ. 2. 2.2.Cấu tạo. Hình 2.4.Sơ đồ cấu tạo cơ cấu thổi ngược động cơ PW4090. Hệ thống thổi ngược gồm : Cảm ứng vị trí đóng mở cửa thổi ngược. Cảm ứng đóng và khoá cửa thổi ngược. Khóa cửa thổi ngược. Cơ cấu chấp hành thuỷ lực(gồm 4 xylanh mỗi động cơ). Bộ điều khỉên thuỷ lực HCU (Hydraulic Control Unit); Đường ống dẫn dầu. Các thiết bị điện và hộp nối điện. 2.2.2.1. Bộ điều khiển thuỷ lực HCU. Bộ điều khiển thuỷ lực có chức năng điều khiển sự hoạt động của các xylanh thuỷ lực và khoá xylanh thuỷ lực đóng mở cửa thổi ngược. Bộ điều khiển thuỷ lực bao gồm Các loại van (an toàn, phân phối, tiết lưu…) Cảm ứng áp suất. Bộ lọc và báo tắc bộ lọc. Bình tích năng. Bộ điều khiển HCU sử dụng dầu do hệ thống Green và Yellow cung cấp. Khi hoạt động bình thường thì hai hệ thống này được tạo áp nhờ bơm thuỷ lực được dẫn động bằng động cơ chính của máy bay. Hệ thống thuỷ lực làm việc ở áp suất 3000psi(206bar), giữa 2 hệ thống G và Y không có sự trao đổi chất công tác mà chỉ có sự trao đổi năng lượng thông qua bộ trao đổi PTU. Khi có hỏng hóc xảy ra thì chỉ cần một trong 2 hệ thống cũng đủ khả năng đảm nhiệm nhiệm vụ. 2.2.2.2 Cảm ứng vị trí mở cửa ( Switches for the deploy position ); Gồm hai bộ cảm ứng kép : 1 cho hai cửa thổi ngược bên trái, 1 cho hai cửa thổi ngược bên phải. Cảm ứng vị trí có nhiệm vụ rất quan trọng, nhiệm vụ cuả nó là gửi tín hiệu “mở” về bộ điều khiển điện (ECU) khi cửa thổi ngược đã mở được 95%. 2.2.2.3 Cảm ứng vị trí đóng (Switches for the stow position). Gồm có 4 bộ cảm ứng đơn cho 4 cửa thổi ngược, có nhiệm vụ đưa tín hiệu “đóng” hoặc “chưa đóng” về bộ điều khiển điện ECU, thông báo chính xác về vị trí (đóng, mở) của các cửa thổi ngược. Cũng như cảm ứng vị trí mở, cảm ứng vị trí đóng cũng có vai trò rất quan trọng trong việc quyết định sự làm việc an toàn, chính xác của cả hệ thống. 2.2.2.4. Khoá thuỷ lực. Mỗi động cơ có 4 cửa thổi ngược, mỗi cửa thổi ngược có 1 khoá thuỷ lực, nhiệm vụ của khoá thuỷ lực là giữ cửa thổi ngược ở vị trí đóng khi chưa có tín hiệu mở từ ECU. Mỗi khoá thuỷ lực gồm có : móc, lò xo, van hồi dầu, xylanh thuỷ lực, cần đỡ… Hình 2.5. Sơ đồ cơ cấu khoá thuỷ lực. Trên mỗi cửa thổi ngược đều có loại khoá này, nó được lắp trên vỏ động cơ và có nhiệm vụ khoá chặt cửa thổi ngược ở vị trí đóng khi chưa có tín hiệu làm việc của hệ thống thổi ngược. Các khoá được điều khiển bằng thuỷ lực và được lắp nối tiếp nhau trong hệ thống thuỷ lực. Xylanh thuỷ lực có nhiệm vụ đẩy cần đỡ quay xuống dưới để mở khoá nhả chốt cửa thổi ngược. 2.3. Kết luận: Trên đây ta đã giới thiệu các loại hệ thống thổi ngược: Hệ thống thổi ngược dạng luới, hệ thống thổi ngược dạng tấm.ở chương này , ta đã tìm hiều cấu tạo cũng như nguyên lý làm việc của 2 loại cơ cấu thổi ngược. Do kết cấu đơn giản hơn nên cơ cấu thổi ngược dạng tấm được sử dụng rộng rãi hơn, và điển hình loại động cơ sử dụng cơ cấu loại này là động cơ PW4090. Để tính toán khí động cửa thổi ngựơc thì trước hết ta phải tính toán được chu trình nhiệt của động cơ PW4090. Chương III Tính toán chu trình nhiệt động cơ PW4090 3.1. Mục đích tính toán : Động cơ hoạt động như sau: Sau khi được khởi động, máy nén thấp áp và cao áp sẽ nén dòng khí và dẫn vào buồng cháy để tạo điều kiện cháy tốt nhất trong buồng cháy. Dòng khí sau khi cháy sẽ giãn nở trên tuabin sinh công quay tuabin rồi phun ra ngoài tạo 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 số thông số là cơ sở ban đầu cho việc thiết kế. Vậy đây là bước đầu tiên không thể thiều được của quá trình thiết kế. Để quá trình tính toán được dễ dàng hơn ta đưa vào các mặt cắt cơ bản mà ta khảo sát dưới đây : Hình 3.1- Sơ đồ các mặt cắt cơ bản của động cơ PW 4090. Các Thông số 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: pa=(PTra/PTvao)a (1.1) trong đó áp suất hãm PT = P.[1+(g-1).M2/2]g/(g-1) Tỉ số nhiệt độ hãm ta=(TTra/TTvao)a (1.2) Với nhiệt độ hãm TT = T.[ 1+(g-1).M2/g] ; Với số Mach M = v/a , g là hệ số đa biến. Với nhiệt độ thường của không khí dòng bên ngoài ta có pr và tr dưới bảng sau. Tỉ số Entanpi vùng cháy tl=(hTra)b/h0 (1.3) (hTra)b : entanpi hãm khi ra khỏi buồng cháy h0 : entanpi của dòng không khí bên ngoài Hệ số phân luồng (a) : 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 : a=mf/mc ; m0= mc+mf (1.4) Với từng bộ phận của động cơ ta có bảng thông số như sau : Dòng không khí bên ngoài tr = TT0/T0 = [1 + M20.(g -1)/2] pr = PT0/P0 = [1+M2.(g –1)/2]g/(l-1) Luồng qua động cơ Luồng qua quạt Vùng cháy tl = Cpt.TT4/(Cpc.Tt0) Quạt: tf = TT13/TT2 pf = PT13/PT2 ống hút td = TT2/TT0 pd= PT2/PT0 Máy nén tc = TT3/TT2 pc= PT3/PT2 Buồng cháy tb = TT4/TT3 pb= PT4/PT3 ống đẩy: tfn = TT19/TT17 pfn = PT19/PT17 Tuabin tt = TT5/TT4 pT= PT5/PT4 ống đẩy tn =TT9/TT5 pn= PT9/PT5 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 entanpi (h) ,hệ số đoạn nhiệt (g), 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 thì entanpi và hệ số đoạn nhiệt tăng còn nhiệt dung riêng đẳng áp giảm. Để đơn giản cho tính toán người ta coi Cp và g là những hằng số ở buồng cháy chúng có giá trị trước sau buồng cháy tương ứng là (Cpc, Cpt) và (gc, gt). 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 pd . Do là quá trình đoạn nhiệt nên td = 1 Ta có : pd = hr.pd.max (1.5) 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 lí tưởng và quá trình thực để tạo ra tỉ số nén pc của máy nén hc=wci/wc=(hT3I-hT2)/(hT3-hT2) = (tci – 1)/(tc –1) = = [(pc)g/(y-1)-1]/(tc-1) Trong đó tci là tỉ số nhiệt độ hãm của quá trình lý tưởng nên : tci = (pci)(g-1)/g = (pc)(g-1)/g (do tỉ số nén các tầng như nhau) Hiệu suất từng tầng là tỉ số giữa công lý tưởng và công trong quá trình thực tại các tỉ số áp suất (pc) khác nhau. ec = dw1/dw = dhTi/dhT = dTTi/dTT Do đẳng Entropi tạo nên : TTi = (PTi)(g-1)/g nên dTTi/TT = (g-1).dPTi/g.PT Vậy ta có : ec = dTTi/dTT = (dTTi/TT)/(dTT/TT) = (g-1).(dTTi/PT)/[g.(dTTi/TT] Nên dTTi/TT = (g-1).dPTi/(g.ec.PT) Vậy tại máy nén ta có : Vậy hiệu suất máy nén là : (1.6) Tại tuabin Tương tự trên ta có hiệu suất la ht ứng với pt và et như trên Hiệu suất tubin ngược với máy nén , nó là tỉ số giưă công thực và công lý tưởng để tạo ra một tỉ số nén pt. Ta dễ nhận được công thức sau : hT = (1-tT)/[1-(pT)(g-1)/g] = (1-tT)/[1-(tT)] do pT = (tT)g/[(g-1).] Tại buồng cháy Thực tế không phải cháy đẳng áp nên pb<1 và nhiên liệu không cháy hết hoàn toàn nên nhiệt lượng toả nhiệt thực tế là : Q = hb.mf.hpr Tại ống đẩy Do đoạn nhiệt nên tn = 1 nhưng pn #1 do P9# P0 3.2.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 : + Khí lý tưởng trước buồng cháy có các hằng số không đổi : gc,Rc,Cpc…. + Khí lý tưởng sau buồng cháy có các hằng số không đổi : gt,Rt,Cpt…. + Tất cả các quá trình là đoạn nhiệt (không làm lạnh tubin). + Hiệu quả của máy nén , quạt và tubin 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 hai luồng được chia ra hai phần,mỗi phần tương ứng với một luồng và gồm nhiều bước như sau: a-Đối với dòng qua quạt Bước 1: Lực đẩy của dòng qua quạt Ff = mf.(V19-V0)/gc + A19.(P19-P0) (1.7) Do : a2 = g.R.T.gc ; P = r.R.T và m = r.V.A Biến đổi đơn giản ta được biểu thức sau: Ff/mf = (a0/gc).[V19/a0- M0 + (T19/T0).(1- P0/P19)/(V19/a0).gc ] (1.8) Bước 2 :Biểu diễn tỷ số V19/ a0 theo số Mach: (V19/a0)2 = T19.M219/T0 (1.9) Bước 3 :Tính số Mach ở tiết diện ra M19 : M219= 2.[(PT19/P19)(gc-1)/gc –1]/(gc –1) (1.10) Với PT19/P19 = (P0/P19).pr.pd.pf.pfn Bước 4: Tính tỷ số nhiệt độ T19/ To T19/T0 = (TT19/T0)/( PT19/P19)(gc-1)/gc ở đó TT19/T0= tr…tf (1.11) b-Dòng qua động cơ Bước 1: Lực đẩy Fc = (m9.V9 – mc .V0)/gc + A9.(P9 - P0) Fc/mc = (a0/gc).[(1+f).(V9/a0) –M0 + +(1+f).(T9/T0).(1 –P0/P9).Rt]/[Rc.(V9/a0).gc] với tỉ số nhiên liệu / không khí dùng cho buồng cháy được xác định như sau: f = mf/mc (1.12) Bước 2:Biểu diễn tỷ số V9/ a0 theo số Mach: (V9/a0)2= gt.Rt.T9.M92/(gc .Rc.T0 ) (1.13) Bước 3; Tính số Mach ở tiết diện ra M9 : M29=(2/(gt –1)).[(PT9/P0)(gt –1)/gt –1] (1.14) Trong đó PT9/P0 = (P0/P9).pr.pc.pd.pb.pt.pn Bước 4: Tính tỷ số nhiệt độ T9/ To : T9/T0= (TT9/T0)/(PT9/P9)(gt –1)/gt (1.15) Trong đó : TT9/T0 = tr.td.tc.tb.tt.tn = (Cpc/Cpt).tl.tt 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.Cpc.TT3 + hb.mf.hpr = m4.Cpt.TT4 (1.16) chia hai vế phương trình trên với m0.Cpt.TT0 rồi biến đổi đơn giản ta có tr.t0 + f.(hb.hpr)/(Cpc.T0) = (1+f).tl ị f = (tl -tr.t0)/[hb.hpr/(Cpc.T0) -tl] (1.17) Bước 6: Từ sự cân bằng công suất giữa tuabin, máy nén và quạt với hiệu suất cơ khí hm của tuabin ta có : mc.Cpc.(TT3 –TT2) + mf.Cpc.(TT13 –TT2) = hm.m4.Cpt.(TT4 –TT5) (1.18) công suất máy nén + công suất quạt = công suất tuabin Chia phương trình trên cho mc.Cpc.TT2 và việc sử dụng các định nghĩa của tỉ số nhiệt, tỉ số nhiên liệu /không khí và hệ thống phân luồng a ta nhận được: tc –1 + a.(tf –1) = hm.(1+f).(tl/tr).(1 -tt) (1.19) trong đó tỉ số nhiệt của tuabin tt = 1 -tr.[tc –1 + a.(tf –1)]/[hm.tl.(1+f)] (1.20) đối với quạt, ta áp dụng các phương trình tf = pf(gc –1)/() hf = (pf( –1)/ -1)/(tf –1) (1.21) Bước 7 Kết hợp phương trình lực đẩy của dòng qua quạt và dòng qua động cơ ta được: F/m0 = [1/(1+a)].(a0/gc).[(1+f).(V9/a0) –M0+(1+f).Rt.(T9/T0).(1 –(P0/P9)/ (Rc.(V9/a0).gc ] + [a/(1+a)].(a0 /gc).[(V19/a0) –M0+(T19/T0).(1- P0/P19)/ (V19/a0).gc] (1.22) Bước 8 Hệ số tiêu hao nhiên liệu : S = mf/F = (mf/mc)/[(m0/mc).(F/m0)] hay S = f/[(1+a).(F/m0)] (1.23) Bước 9 Biểu thức hiệu suất lực đẩy hp và hiệu suất nhiệt hT (trường hợp P9 = P19 = P0) hp = 2.M0.[(1+f).(V9/a0)+a.(V19/a0) –(1+a).M0]/ [(1+f).(V9/a0)2+a.(V19/a0)2 –(1+a).M20] hT = a20.[(1+f).(V9/a0)2+a.(V19/a0)2 –(1+a).M20]/(2.gc.f.hpr] (1.24) Trên đây là các bước tính toán một chu trình nhiệt của động cơ , nhưng do tính toán cho hệ thống thổi ngược của động cơ thì động cơ đang hoạt động ở chế độ hạ cánh nên ta chỉ đi tính toán chu trình nhiệt của động cơ ở chế độ hạ cánh. 3.3. Chế độ hạ cánh. 3.3.1.Các thông số ban đầu. Như chúng ta đã biết, tại các chế độ khác nhau ( cất, hạ, bay bằng) thì các thông số ban đầu của động cơ là khac nhau. ở chế độ hạ cánh thì thông số đầu vào động cơ PW 4090 được nhà cung cấp đưa ra như bảng sau : Số Mach vào ống hút M0 =0,25 Nhiệt độ vào ống hút T0 =519 0R Hệ số đa biến ở Máy nén gc =1,4 Hệ số đa biến ở Tuabin gt =1,33 Nhiệt dung dẳng áp ( Máy nén ) Cpc =0,24 (Btu/lbm0R) Nhiệt dung đẳng áp ( Tuabin ) Cpt =0,276 (Btu/lbm0R) Nhiệt lượng riêng nhiên liệu HpR =18400 (Btu/lbm0R) Tỉ số áp suất hãm của ống hút pdmax =0,99 Tỉ số áp suất của buồng cháy pb =0,96 Tỉ số áp suất của ống đẩy luồng qua động cơ pn =0,99 Tí số áp suất tại ống đẩy luồng qua quạt pfn =0,99 Hiệu suất mỗi tầng Máy nén ec =0,9 Hiệu suất mỗi tầng tuabin et =0,89 Hiệu suất của quạt ef =0,89 Hiệu suất buồng đốt hb =0,99 Hiệu suất cơ khí hm =0,99 Tỉ số áp suất vào/ra động cơ P0/P9 = 0,96 Tí số áp suất vào/ra luồng qua quạt P0/P19 = 0,96 Nhiệt độ dòng khí sau buồng cháy Tt4 =22000 R(9500C) Tỉ số nén tổng của động cơ pe = 20 Tỉ số nén của quạt pf = 1,2 Hệ số phân luồng a = 6,4 Lưu lượng khối dòng không khí vào đ/cơ m0 =2250 (lbm/s) 3.3.2. Các buớc tính toán 1. Tính các hệ số : =53,36 (ft.lbf/lbm.R) 2.Vận tốc âm tại đầu vào (Mặt cắt O) 3.Tỷ số nhiệt dòng ngoài : 4. Tỷ số nén dòng ngoài : 5. Tỷ số của ống hút : Do M0< 1 ịhr= 1 nên pd = pd max .hr =0,99 . 1 =0,99 6. Tỉ số Entanpi Buồng cháy: 7. Tỉ số nhiệt của máy nén: ( ); 8. Hiệu suất của máy nén : 9.Tỉ số nhiệt qua quạt : 10. Hiệu suất của quạt : 11. Tỉ số nhiên liệu/ Không khí: 12. Tỉ số nhiệt độ của tuabin: 13. Tỉ số nén của tuabin: 14. Hiệu suất của tua bin: 15. Tỉ số áp suất PT9/P9 : 16. Số Mach tại đầu ra của ống đẩy : 17. Tỉ số nhiệt độ tĩnh ra khỏi động cơ /nhiệt độ vào : 18. Tỷ số vận tốc V9/ a0 : 19. Tỷ số áp suất PT19/P19 : 20. Số Mach ra của luồng ngoài : 21. Tỷ số nhiệt độ tĩnh : 22. Tỷ số vận tốc : 23. Lực đẩy của động cơ trên một đơn vị khối lượng : 24. Suất tiêu hao nhiên liệu : 25. Hiệu suất nhiệt : 26. Hiệu suất lực đẩy : 27. Hiệu suất động cơ : 3.33. Nhiệt độ tại các mặt cắt cơ bản 1. Nhiệt độ tại quạt Nhiệt độ tĩnh vào ống hút tại mặt cắt “0”: T0 = 519 0R Tại ống hút nên TT0 =TT2 Nhiệt độ tổng vào quạt : Nhiệt độ tổng sau quạt : 2. Nhiệt độ sau Máy nén : TT3 =TT13.tc =557.2,44 = 1359,08 (0R) 3. Nhiệt độ Tuabin: Nhiệt độ tổng trước tuabin : TT4 =2200 (0 R ) Nhiệt độ tổng sau tuabin : TT5 =TT4.tt = 2200 . 0,624 = 1372,8 (0 R ) 4. Nhiệt độ tổng ra khỏi động cơ : 5. Nhiệt độ tổng ra của luồng ngoài: Ta có bảng quy đổi sau : Nhiệt độ T0 = TT3 TT4 TT5 (0 R ) 519 525,49 557 1359 2200 1372,8 1369,4 557 (0K) 288,56 292,17 309,7 755,6 1223 763,3 761,4 309,7 3.3.4. áp suất tại các mặt cắt cơ bản : 1. áp suất tĩnh vào quạt : Với chế độ hạ cánh, nhiệt độ T0 =5190R thì áp suất tĩnh : P0 =14,696 (psi) 2. áp suất tổng dòng bên ngoài là : PT0 = P0.pr =14,696.1,044 = 15,635 (psi) 3. áp suất tổng trước quạt là : PT2 = PT0.pd =15,635.0,99 =15,48 (psi) 4. áp suất tổng sau quạt là : PT13 = PT2,5 =PT2. pf =15,48 . 1,2 =18,57 ( psi ) 5. áp suất tổng ra khỏi ống đẩy của luồng qua quạt : PT19 = = PT13.ếfn=PT25. ếfn=18,57.0,99 = 18,38(psi) 6. áp suất tổng sau Máy nén: PT3 =pc . PT2 = 20.15,48 = 309,57 ( psi ) 7. áp suất tổng sau buồng cháy : PT4 =pb .PT3 = 0,96 . 309,57 =297,19 ( psi ) 8. áp suất tổng sau tuabin : PT5 =PT4 .pT =297,19 . 0,118 = 35,07 ( psi ) 9. áp suất tổng ra khỏi động cơ : PT9 = PT5.ến = 35,07.0,99 = 34,71 (psi); Ta có bảng quy đổi: áp suất PTo PT2 PT13=PT2,5 PT19 PT3 PT4 PT5 PT9 (psi) 15,635 15,48 18,57 18,38 309,57 297,19 35,07 34,71 (kPa) 107,8 106,7 128 126,7 2134,4 2049 241,8 239,3 3.4.Kêt luận: Sau khi đi tính toán chu trình nhiệt ở chế độ hạ cánh dựa vào các thông số của nhà sản xuất, ta đã biết được các thống số như: Nhiệt độ, áp suất,… của dòng khí đi vào cửa thổi ngược.Dựa vào các thông số này ta sẽ đi vào tính được các thông số dòng ra cửa thổi ngược thông qua các phương trình Ơle và qua đó thiết kế được diện tích tấm chắn cửa thổi ngược thông qua biểu thức: Diện tích =Lưu lượng thể tích của dòng khí / Vận tốc dòng khí; ----------------------------------------------------------------------------- Chương IV Tính khí động cơ cấu thổi ngược động cơ PW4090 4.1 Cơ sở lý thuyết tính lực hãm máy bay khi hạ cánh. Để đảm bảo tính kinh tế trong nghành hàng không dân dụng. Ta giảm quãng đường băng của sân bay. Do đó khi hạ cánh máy bay cần phải giảm vận tốc một cách nhanh chóng. Khi hạ cánh máy bay có vận tốc lớn vào khoảng 200 – 300km/h, và do trọng lượng máy bay là rất lớn nên có quán tính lớn. Do vậy khi giảm vận tốc máy bay cần đảm bảo an toàn về kỹ thuật khi phanh. Khi hạ cánh các cơ cấu tham gia vào quá trình giảm tốc bao gồm các tấm cản lưng, hệ thống phanh càng sau và hệ thống thổi ngược. ở đây chúng ta chỉ xét riêng hệ thống thổi ngược vì nó là hệ thống phanh khí động chủ yếu giúp máy bay giảm tốc nhanh chóng và hiệu quả khi hạ cánh. Chúng ta đã biết động cơ phản lực được dùng chủ yếu trên máy bay thương mại có vận tốc dưới âm, chủ yếu là động cơ phản lực hai luồng. Với luồng ngoài là luồng lạnh chiếm khoảng 80% lực đẩy của động cơ và luồng trong là luồng nóng chiếm khoảng 20% lực đẩy của động cơ. Do vậy trong thiết kế và tính toán các nhà thiết kế đã sử dụng phương án đặt hệ thống thổi ngược ở luồng ngoài để đảm bảo độ an toàn, độ tin cậy cho máy bay khi sử dụng hệ thống phanh khí động này. Dựa vào phần tính toán chu trình nhiệt, ta xác định được lưc đẩy động cơ trên một đơn vị khối lượng không khí vào động cơ. Đồng thời ta cũng tính được các thông số dòng khí ở luồng ngoài như : vận tốc, lưu lượng khí ra, áp suất. 4.2 Tính toán các thông số dòng khí khi hệ thống thổi ngược làm việc. 4.2.1 Tính toán lực đẩy của động cơ. Để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn trong quá trình làm việc của hệ thống thổi ngược, yêu cầu lực đẩy âm ngược chiều lớn nhất đạt khoảng 35 – 45% so với lực đẩy dương lớn nhất của động cơ khi máy bay cất cánh. Lực đẩy của động cơ khi cất cánh là 91550lb. Ta lấy giá trị lực hãm lớn nhất ( 45% lực đẩy lớn nhất khi cất cánh): Lực hãm : Fh = 0,45.91550 = 41197,5 lb =183321,3 N. Khi hạ cánh lưu lượng không khí vào động cơ : Ta có tỷ số phân luồng : a=mf/mc=6,4 mf : Lượng không khí đi vào luồng ngoài. mc : Lượng không khí đi vào luồng trong. Do đó lưu lượng khí của luồng ngoài : 4.2.2 Các thông số dòng khí tại các mặt cắt. Hình 4.1 : Sơ đồ mặt cắt cửa thổi ngược khi đang làm việc Hình 4.2 : Sơ đồ biểu diễn lực F tác động lên cửa thổi ngược. Từ hình 4.2 ta có : Phương trình ơle chiếu lên trục ox : Fh= F.cosb = r1.Q1.V1 + r2.Q2.V2.cosa (1) Chiếu theo trục oy: F.sinb = r2.Q2.V2.sina (2) a.Tính vận tốc ra của dòng khí ở luồng ngoài. Vận tốc dòng khí tại tiết diện (1 – 1) : Coi tiết diện (1 – 1) trước cửa thổi ngược là tiết diện 13 sau cánh hướng của dòng ngoài. theo kết quả tính toán chu trình nhiệt ở chế độ hạ cánh ta có : ; ; ; ; ; ; ; Giả thiết T13ằT19 , thì M13 = M19 ta được : ; vận tốc dòng khí tại tiết diện 13 : Vậy : V1=V13=169 (m/s) Vận tốc dòng khí tại tiết diện (2 – 2): Ta xác định khối lượng riêng của dòng khí tại tiết diện (1 – 1): Ta có : mà: ; P2=P0=14,696 (psi); T2=T0=5190R; T1=T0.tf=519.1,06=550,14(0R) nên : r1/r2=(18,82/14,696).(519/550,14) với : r2=1,225 kg/m3 r1=1,4798 kg/m3 Do đó : Q1= Q1m/ r1= 882,68(kg/s)/1,4798(kg/m3)=596,487 (m3/s) Do lượng không khí luồng ngoài đều được dùng cho việc thổi ngược ( bỏ qua rò rỉ ) nên ta có: Q1=Q2=596,487 (m3/s) Từ (1) ta có: 1,4798.596,487.169 + 1,225.596,487.V2.(1/2)= 183321,3 (a=600; cosa=1/2) suy ra : V2=93,47 (m/s) b. Tính kích thước cho một tấm chắn dòng: Hình 4.3 : Kích thước của tấm chắn dòng. Lưu lượng khí qua cửa khi một tấm chắn được mở ra được tính như sau : q2=V2.S2 S2 : tiết diện vỏ ngoài của cơ cấu thổi ngược tương ứng với một tấm chắn S2=q2/V2=Q2/(4.V2)=596,487/(4.93,47)=1,5954 (m2) Chọn chiều dài của cửa thổi ngược khi mở : l=0,75 (m) thể hiện trên hình vẽ dưới đây : Hình 4.4: Sơ đồ biểu diễn chiều dài cửa thổi ngược. thì bề rộng của tiết diện S2 tương ứng với bề rộng của mỗi tấm chắn ở phía ngoài, gọi bề rộng ở phía ngoài của tấm chắn là b1: b1=S2/l=1,5954/0,75=2,1 (m) Diện tích lưu thông của luồng ngoài tại tiết diện (1 – 1): S1=Q1/V1=596,487/169=3,53 (m2) Coi đường kính của động cơ tại tiết diện này bằng đường kính quạt. Đường kính vỏ trong d của luồng ngoài tại tiết diện này là : S1=P.D2/4 - P.d2/4 Suy ra : với D là đường kính quạt : D=2,84(m) Độ dày của cơ cấu đỡ động cơ tại tiết diện này là 0,5 (m). Vậy bề rộng của mỗi tấm chắn ở phía trong b2 là : b2= (P.d - 0,5)/4=1,359 (m) Chiều cao của tấm chắn là : h=l+(D – d)/2 =0,75+ (2,84 – 1,89)/2 = 1,225 (m); 4.3.Kết luận: Qua chương 4 này ta đã thiết kế được diện tích của tấm chắn cửa thổi ngược để làm được điều này ta cần phải biết được lực hãm của cửa thổi ngược tạo ra là bao nhiêu?Thì để đảm bảo hệ thống thổi ngược làm việc hiệu quả lực hãm này đạt từ 35%-45% lực đẩy lớn nhất khi cất cánh,thêm vào đó các thống số khí động của dòng khí qua quạt thổi đến cơ cấu đã được xác định thông qua quá trình tính toán chu trình nhiệt ở chế độ hạ cánh…qua đó ta có thể thiết kế được diện tích tấm chắn, vấn đề đặt ta là với tấm chắn có diện tích như vậy thì ta cần có cơ cấu chấp hành thuỷ lực điều khiển như thế nào, vấn đề này sẽ được giải quyết ở chương 5 dưới đây. Chương 5 tính toán hệ thống thuỷ lực điều khiển cơ cấu thổi ngược động cơ PW4090 5.1 Sơ đồ hệ thống thuỷ lực điều khiển cơ cấu thổi ngược và nguyên lý làm việc. Hình 5.1-Sơ đồ hệ thống thuỷ lực điều khiển hệ thống thổi ngược a)Cấu tạo Bơm 5-Bộ đồng tốc. Van phân phối 2/2 6- Cơ cấu chấp hành thuỷ lực Van phân phối 2/2 7- Van giảm áp Van phân phối 4/2 8- Bộ lọc 10- Bể dầu 9-Van 1 chiều. 11- Cảm biến vị trí b) Nguyên lý làm việc. *) Khi mở cửa thổi ngược : Khi có tín hiệu phản hồi vị trí gửi lên từ bánh của máy bay cho ta biết được máy bay đã hạ cánh xuống đường băng gửi đến máy tính trên buồng lái , máy tính sẽ gửi tín hiệu điều khiển van điện từ 3 làm cho dầu được bơm lên qua bơm 1 qua van phân phối 4 rồi qua bộ đồng tốc 5 đến các cơ cấu chấp hành 6. Khi đó khoang dưới của xy lanh có áp suất lớn hơn khoang trên nên sẽ đẩy piston đi lên hay là cửa thổi ngược được mở. Khi cửa thổi ngược được mở hoàn toàn thì cảm biến vị trí đặt ở đầu xy lanh sẽ gửi tín hiệu phản hồi về COMPUTER , máy tính điều khiển ngắt van điện từ làm cho van phân phối 3 tắc , giữ cho xy lanh cố định . *) Khi đóng cửa thổi ngược : Tín hiệu phản hồi từ bánh máy bay cho ta biết vận tốc của máy bay mà ta có thể đóng cửa thổi ngược . COMPUTER gửi tín hiệu điều khiền van điện từ của van phân phối 2 làm cho van phân phối hoạt động ở trạng thái bên trái , dầu được bơm từ bể nhờ bơm 1 qua van phân phối 3,4 đến khoang trên của xy lanh đẩy pittông chuyển động xuống dưới , dầu qua bộ đồng tốc 5 đến van phân phối 4 rồi qua bộ lọc 8 về bể. Trong quá trình hoạt động van tiết lưu 5 đảm bảo cho cơ cấu chấp hành hoạt động một cách êm ái hơn , van an toàn 7 và bộ lọc 8 có chức năng bảo vệ mạch thuỷ lực. Khi bộ lọc 8 bị tắc thì chất lỏng sẽ qua van 1 chiều 9 về bể. 5.2. Tính toán hệ thống thuỷ lực. 5.2.1.Tính lực tác dụng vào cần pittông. Gọi hành trình của pittong là S . Chiều dài của nó khi cửa thổi ngược được mở hoàn toàn là So.Ta sẽ tính hành trình theo hình vẽ sau : Hình 5.2. Sơ đồ tính hành trình piston. Dựa vào định luật cosin ta có : So = 0,65 (m) ; Do ban đầu piston ở vị trí giữa tấm chắn nên chiều dài của nó là : l/2 = 0,75/2 = 0,375 (m); Vậy hành trình của piston là : S = So-l/2 = 0,65-0,375 = 0,275(m); Cũng dựa vào định luật cosin ta sẽ tính góc : Ta có : Cos = 1,28.10-3 Bây giờ ta sẽ đi xét điều kiện cân bằng của tấm chắn dựa vào hình vẽ dưới đây : Hình5.3.Sơ đồ lực tác dụng vào tấm chắn của cửa thổi ngược Các lực tác dụng vào tấm chắn được biểu diễn như trên hình vẽ, trong đó : F – lực do dòng khí từ quạt tác dụng lên tấm chắn; Fbanle – lực do bản lề tác dụng vào tấm chắn; Fxl – Lực do cần pittong tác dụng; Fo- lực cản cuả dòng khí; Để tính lực Fo ta tính diện tích các phần cản không khí của các tấm chắn : A 4.0.75.1,8.sin600 = 4,6 m2; Như vậy F0 = = 1,225.4,6.1002 =56350 (N); Điều kiện cân bằng mômen lấy với trục qua bản lề là : 0,475/2..F = 0,75/2.(Fxl + Fo) F0+ Fxl = ; Fxl = 134064-56350 = 77714 (N); Trong đó lực F được tính theo công thức (1) chương 4 : F = Fh/cos300= 183321,3/cos300=211681 (N); Vậy tính cho một xi lanh điều khiển ta có : F1= Flx/4 = 19428 (N); 5.2.2 Chọn kích thước xylanh – piston. Hệ thống thuỷ lực của cơ cấu thổi ngược trên động cơ được bơm nguồn cung cấp. Như vậy ta chọn áp suất nguồn là 206 bar cho phù hợp với thực tế bơm nguồn trên máy bay, vậy ta lấy thông số này để chọn kích thước xylanh. Trước hết tính tổn thất trong hệ thống khi làm việc. Tổn thất gồm : tổn thất áp suất, tổn thất lưu lượng ( ta bỏ qua tổn thất lưu lượng do tổn thất này nhỏ ). Tổn thất áp suất bao gồm tổn thất cục bộ và tổn thất dọc đường. Tổn thất cục bộ là tổn thất tại một phần tử nào đấy trong hệ thống khi chất lỏng đi qua (van, khoá, đường ống đột thu,đường ống đột mở,…). Tổn thất dọc đường là tổn thất về thế năng khi chất lỏng chuyển động trong hệ thống hay tổn thất đường ống (do ma sát với thành ống ). Công thức tính tổn thất áp suất : trong đó : g : là trọng lượng riêng của chất lỏng N/m3. x : hệ số tổn thất cục bộ tại phần tử thứ i. V: là vận tốc trung bình của chất lỏng (m/s). lj : hệ số tổn thất dọc đường. aj : hệ số cản của đường ống. lj : chiều dài đoạn đường ống thứ j (m). -Tính tổn thất dọc đường : (3.20) Tổn thất dọc đường (bar) Chọn chiều dài đường ống l=20m . Độ nhớt động học của dầu : . Trọng lượng riêng của dầu : Gia tốc trọng trường : g=9,81m/s2. đường kính ống dẫn dầu :do=12mm. Hệ số ma sát dọc đường : Ta có : Re = Đây là dòng chảy tầng . Trong đó : Re là hằng số Râynôn. bar. -Tính tổn thất cục bộ : (qua các đoạn cong) . (3.21) Tổn thất qua các đoạn cong 90o Với :là hệ số tổn thất cục bộ . R:Bán kính cong (R=10mm). (3.22) tra bảng ta có . Tổn thất trên các đoạn cong 45o và 30o : Hệ số tổn thất tính theo công thức : (3.23) vậy ta có : Thay số : bar bar. Thiết kế hệ thống : 5 đoạn cong 90o,5đoạn cong 45o,5 đoạn cong 30o. . Vậy ta chọn tổn thất đường ống là : DP = 4,5 (bar). Trong hệ thống thuỷ lực này ta chưa biết các thông số cụ thể của từng phần tử cũng như các thông số của hệ thống như vận tốc, lưu lượng …nên ta có thể chọn các tổn thất này theo các phần tử thuỷ lực thường dùng : Chọn tổn thất qua mỗi bộ lọc là : DP1 = 2 (bar). Chọn tổn thất qua mỗi van phân phối điều khiển bằng thuỷ lực là : DP2 =2 (bar). Chọn tổn thất qua mỗi van phân phối điều khiển bằng điện từ : DP3 =1 (bar). Chọn tổn thất qua bộ đồng tốc : DP4 =1 (bar). a. Xét với hành trình thuận : Từ sơ đồ nguyên lý của hệ thống, ta thấy rằng dầu sẽ được lấy từ bơm nguồn qua hai van phân phối ,một van tiết lưu và một bộ lọc. Hình5.4-Sơ đồ biểu diễn xylanh thuỷ lực Tổng tổn thất là : = DP +DP1 + 2.DP2 + DP3 + DP4 = 4,5 + 2 + 2.2 + 1 + 1 = 12,5 (bar); Trong đó pyc là áp suất trong buồng xylanh để thắng được tải bên ngoài : Pyc = F1/ (1); Gọi đối áp xuất hiện trong buồng trên của xylanh là DPo = DP2+ DP1 = 2+2 = 4 (bar); Vậy trong buồng trên của xylanh cần một áp suất DPcb để cân bằng đối áp , ta có : DPo. = DPcb. (2); Xy lanh cần có kích thước nhỏ để giảm trọng lượng và không gây cản quá lớn cho dòng khí qua cửa thồi ngược.Do đó chọn đường kính xylanh là : D = 0,04 (m), d = 0,02 (m); Khi đó : P.D2/4 = P.0,042/4 = 1,256.10-3 (m2); = 3,14.(0,042-0,042)/4 = 0,942.10-3 (m2); Thay các gía trị vào (2) ra có : DPcb = 3 (bar) ; Thay các gía trị vào (1) ra có : Pyc = 6874,7.103 = 68,75 (bar); Vậy Pbơm = Pyc + + DPcb = 68,75 + 12,5+3 = 84,25 (bar) < 206 bar Vậy các thông số chọn ở trên là hoàn toàn thoả mãn. b. Xét hành trình nghịch : Thay các gía trị vào (2) ta có : DPcb =5,3 (bar) ; Thay các gía trị vào (1) ra có : Pyc = 19428/ 2,12.10-3 = 91,64( bar ); Vậy Pbơm= 91,64 + 5,3 + 12,5 = 109,44 (bar) < 206 bar ; Như vậy kích thước xylanh ta chọn đảm bảo đựơc khả năng tải của cửa thổi ngược. 5.2.3. Tính toán bơm nguồn cho hệ thống. Như ta đã biết trong quá trình hạ cánh máy bay, từ khi tiếp đất đến khi chạy hết đường băng, thì khoảng thời gian này là rất ngắn. Như vậy thời gian để kéo duỗi và thu ống thổi ngược là phải nhỏ. Chọn thời gian piston dịch chuyển hết hành trình thuận : tt =4 (s) Vận tốc trung bình của piston là : vt =S/tt = 0,275/4=0,06875(m/s) Mặt khác vận tốc trung bình của piston được tính như sau : cho hành trình thuận cho hành trình ngược Q : Lưu lượngdầu cấp cho xylanh. Từ đó tính được lưu lượng của dầu cấp cho xy lanh là : Q== 0,8635.10-4(m3/s) = 5 (l/ph); Lưu lượng làm việc của bơm(bỏ qua rò rì) : Qt = 4.5=20(l/ph); Vận tốc trung bình của piston cho hành trình ngược là : Vn = 4.0,8635.10-4/3,14.(0,042-0,022) = 0,092 (m/s); Thời gian dịch chuyển hết hành trình ngược : tn = S/Vn =0,275/0,092 = 3(s); Thời gian này phù hợp , mặc dù khi đóng cửa thổi ngược không cần yêu cầu chính xác như khi mở cửa nhưng ta vẫn cần đóng cửa thổi ngược trước khi động cơ ngừng hoạt động để tận dụng năng lượng của động cơ, do vậy tn vẫn cần phải nhỏ. Tham tài liệu máy thuỷ lực thể tích ta chọn : Qb = 1,1Qt = 1,1.20 = 22 (l/phút) Ta lấy : Qb = 22 (l/phút), Pb 1,1.206 =226,6 bar. Vậy ta chọn bơm nguồn có Qb =22 (l/ph) ; Pb = 230 bar ; 5.3.Kết luận: Qua việc xây dựng được hệ thống thuỷ lực điều khiển cơ cấu chấp hành của hệ thống thổi ngược, ta có thể giả thiết các tổn thất trên các thiết bị thuỷ lực, thêm vào đó lực tác dụng vào đầu cần piston của các cơ cấu chấp hành có thể tính đựơc khi đã biết được giá trị của lực hãm và lực cản của dòng khí tác dụng lên các tấm chắn. Qua đó, ta có thể tính đựơc sơ bộ giá trị áp suất, lưu lượng mà một bơm nguồn của hệ thống cần phải có để thắng được lực tải của đầu cần piston, như vậy chương tiếp theo công việc thiết kế bơm dựa vào các thông số đó hoàn toàn có thể thực hiện được.