Nghiên cứu, tính toán khí động đàn hồi cánh quạt động cơ máy bay

- BÙI XUÂN LONG KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI CÁNH QUẠT ĐỘNG CƠ MÁY BAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ CLC2016B Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- BÙI XUÂN LONG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI CÁNH QUẠT ĐỘNG CƠ MÁY BAY Chuyên ngành : Kỹ thuật Máy thủy khí LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1.
- Hoàng Thị Kim Dung – Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, Viện Cơ khí động lực – Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- 9 1.1 Khái niệm cơ bản, phân loại, lịch sử phát triển máy thủy lực cánh dẫn.
- 9 1.2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo máy thủy lực cánh dẫn.
- 11 1.3 Giới thiệu hiện tượng khí động đàn hồi trong máy cánh dẫn.
- 12 1.3.3 Hiện tượng khí động đàn hồi trong máy cánh dẫn (Blade Flutter.
- 15 1.5 Phương pháp nghiên cứu.
- 17 2.2 Các phương trình dòng chảy cơ bản trong máy cánh dẫn.
- 18 2.2.1 Phương trình liên tục.
- 18 2.2.2 Phương trình năng lượng.
- 18 2.2.3 Phương trình mô men động lượng.
- 19 2.2.4 Phương trình lưu số.
- 20 Chương 3: LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG TRONG ANSYS.
- 21 3.1 Các bài toán mô phỏng thủy lực cánh dẫn.
- 21 3.3 Mô hình hóa bài toán trong ANSYS CFX.
- 23 3.3.2 Các phương pháp mô hình hóa cánh quay trong ANSYS CFX.
- 24 3.4 Mô hình hóa bài toán trong ANSYS Mechanical.
- 30 Chương 4: MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI CÁNH QUAY.
- 32 3 4.1 PHÂN TÍCH TĨNH ĐỊNH ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG MÔ HÌNH.
- 32 4.2 MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG.
- 34 4.2.1 Tính toán kết cấu.
- 34 4.2.2 Tính toán khí động học cánh quạt.
- 54 4.3.2 Kết quả phân tích khí động học.
- 31 Bảng 2: Thông số mô hình.
- 32 Bảng 3: Điều kiện biên mô hình phân tích khí động lực học.
- 42 Bảng 4: Xây dựng mô hình bài toán.
- 12 Hình 5 : Sơ đồ minh họa đàn hồi khí động trong máy cánh dẫn.
- 20 Hình 10: Các bài toán khí động học máy cánh.
- 22 Hình 12: Quy trình tính toán.
- 23 Hình 13: Các phương pháp mô phỏng cánh quay trong ANSYS.
- 28 Hình 15 : Mô hình hóa biên tuần hoàn trong phương pháp Fourier Transformation.
- 34 Hình 21: Mô hình hóa bài toán kết cấu.
- 36 Hình 25: Chất lượng lưới mô hình.
- 39 Hình 32: Mô hình hóa bài toán khí động.
- 40 Hình 33: Lưới khí động 01.
- 41 Hình 34: Lưới khí động 02.
- 41 Hình 35: Lưới khí động 03.
- 42 Hình 36: Mô hình nghiên cứu khí động lực học.
- 43 Hình 37: Hình học lối vào mô hình khí động lực học.
- 53 Hình 54: Nhập hàm tính toán lực trên phần tử cánh đơn vị.
- 65 Hình 74: Đồ thị hệ số giảm chấn khí động.
- 66 Hình 75: Đồ thị biến thiên hệ số giảm chấn khí động với góc pha.
- Phương pháp này cho phép mô hình hóa, tính toán bài toán ở nhiều điều kiện hoạt động khác nhau một cách linh hoạt, tiện lợi.
- Các nhà chế tạo sẽ sử dụng kết hợp các công cụ tính toán mô phỏng số cùng các thí nghiệm thực nghiệm để tìm ra mô hình tối ưu nhất.
- Quy trình phát triển một máy cánh dẫn cơ bản sẽ gồm các bước như sau: Hình 3 : Chu trình thiết kế, phát triển máy cánh dẫn 1.3 Giới thiệu hiện tượng khí động đàn hồi trong máy cánh dẫn 1.3.1 Khái niệm chung Khái niệm: Hiện tượng khí động đàn hồi là hiện tượng xảy ra sự tương tác không mong muốn một cách đồng thời của các lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính, gây ra dao động bất ổn định dẫn tới hệ quả là làm giảm hiệu suất làm việc, giảm hiệu quả điều khiển hoặc phá hủy kết cấu.
- 12 Lực khí độngLực đàn hồiLực quán tínhKhí động đàn hồi độngCác vấn đề của cơ học bayDao động đàn hồi cơ họcKhí động đàn hồi tĩnh Hình 4: Tam giác lực 1.3.2 Phân loại Hiện tượng khí động đàn hồi xảy ra dưới hai dạng là khí động đàn hồi tĩnh và khí động đàn hồi động.
- Khí động đàn hồi tĩnh: Xảy ra dưới sự tương tác đồng thời của lực khí động và lực đàn hồi.
- Nhóm các hiện tượng đặc trưng của khí động đàn hồi tĩnh có thể kể đến như: o Thay đổi phân bố lực nâng do cánh biến dạng: nguyên nhân là do kết cấu bị biến dạng và hệ quả là phân bố lực nâng thay đổi so với tính toán ban đầu với kết cấu được coi là cứng tuyệt đối.
- o Xoắn phá hủy cánh: Cũng giống như hiện tượng giảm hiệu quả điều khiển hoặc đảo chiều tác dụng của cánh lái, dưới tác dụng của lực khí động vượt quá giới hạn cho phép, xảy ra khi vận tốc máy bay lớn hơn giá trị vận tốc an toàn.
- Khí động đàn hồi động: Là hiện tượng xảy ra dưới sự tương tác đồng thời của ba lực: lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính.
- Các hiện tượng đặc trưng của hiện tượng khí động đàn hồi động bao gồm: o Hiện tượng tự rung động- Flutter: là hiện tượng rung, lắc kết hợp với các biến dạng như uốn, xoắn hay kết hợp.
- Hiện tượng này xảy ra do vận tốc của máy bay vượt quá giới hạn cho phép, khi đó giá trị của lực khí động đạt tới giá trị làm hệ mất ổn định và sinh ra rung động.
- Ngoại lực nhắc đến ởn đây thường là các lực khí động, khi dòng khí có sự nhiễu động, lực khí động tạo ra cũng sẽ thay đổi theo và khi sự thay đổi này có tần số trùng với tần số dao động riêng nào đó của hệ thì cộng hưởng sẽ xảy ra và gây phá hủy.
- 1.3.3 Hiện tượng khí động đàn hồi trong máy cánh dẫn (Blade Flutter) Trước hết, hiện tượng khí động đàn hồi trong máy cánh dẫn là một hiện tượng xảy ra dưới tác dụng của ba nhóm lực chính là lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính.
- Vì vậy, hiện tượng khí động đàn hồi trong máy cánh dẫn cũng có những đặc điểm của hiện trượng đang hồi khí động nói chung.
- Hiện tượng này thường xảy ra đối với cánh quạt hoặc cánh máy nén.
- Tuy nhiên, do xu hướng thiết kế tối ưu hóa, tăng hệ số áp suất, tăng tải khí động trong khi vẫn giữ nguyên hoặc giảm độ dày nhằm mục tiêu giảm giá thành, giảm khối lượng chi tiết trong khi vẫn giữ nguyên hiệu suất đã dẫn đến việc làm giảm độ dày của cánh và đĩa cánh.
- 14 Hình 5 : Sơ đồ minh họa đàn hồi khí động trong máy cánh dẫn Trong đó: o M: là khối lượng của kết cấu, được đặt ở trọng tâm o K: đặc trưng cho độ cứng của hệ o C: đặc trưng cho tính giảm chấn, tự ổn định của hệ o.
- là ngoại lực có cường độ thay đổi tác dụng lên hệ,ở đây là lực khí động o.
- (1.1) Do bản chất hình thành của hiện tượng tự rung động, lực khí động tác dụng lên cánh tỷ lệ với độ lớn chuyển vị của phần tử cánh, gọi.
- Khi đó ta có biếu thức lực khí động được biểu diễn dưới dạng.
- (1.3) Ta biểu diễn dưới dạng phương trình vi phân, lực khí động có dạng.
- độ cứng khí động là nhỏ hơn nhiều so với độ cứng của kết cấu, đây cũng là lý do các bài toán khí động đàn hồi thường khảo sát đặc tính ổn định của bánh công tác gần các tần số dao động riêng của kết cấu.
- Nguyên nhân do độ lớn lực khí động là nhỏ hơn lực kết cấu khá nhiều.
- 0 (1.6) Xét phương trình đặc trưng.
- là hệ số giảm chấn khí động, từ phân tích trên ta thấy nếu hệ số giảm chấn khí động này nhận giá trị dương, hệ sẽ ổn định và ngược lại, khi hệ số này nhận giá trị âm hệ sẽ không ổn định.
- Bằng phương pháp trên, sử dụng các công cụ tính toán mô phỏng số, ta sẽ tiến hành khảo sát đặc tính ổn định của mô hình cánh quạt động cơ ROTOR 67.
- Các bước mô hình hóa, tính toán và kết quả sẽ được thảo luận sau đây.
- Đề tài này là một pha hay một công đoạn trong quá trình nghiên cứu, sau công đoạn xây dựng mô hình 3D cho chi tiết, xác định vật liệu.
- Hay phân tích đặc tính khí động đàn hồi cho đối tượng cụ thể là bánh công tác của quạt dọc trục.
- Mô hình của nghiên cứu này là mô hình quạt dọc trục ROTOR 67, mô hình mẫu này được nghiên cứu rộng dãi bằng cả những nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số vì vậy chúng ta có thể đối chiếu và đánh giá kết quả một cách khách quan.
- Do vậy, em sử dụng các công cụ tính toán mô phỏng số để thực hiện nghiên cứu này.
- 2.2 Các phương trình dòng chảy cơ bản trong máy cánh dẫn 2.2.1 Phương trình liên tục Theo lý thuyết thủy khí động lực học ta có.
- (2.3) Khi đó phương trình liên tục có dạng.
- (2.14) Từ phương trình 2.5 ta có.
- Phương trình mô men động lượng có dạng .
- (2.23) 21 Chương 3: LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG TRONG ANSYS 3.1 Các bài toán mô phỏng thủy động lực học cánh dẫn Xét trong lớp các bài toán tính toán, mô phỏng chất lưu máy cánh trong ANSYS, bài toán này được xếp vào lớp các bài toán cơ học khí động.
- Hình 10: Các bài toán khí động học máy cánh 3.2 Sơ đồ thuật toán Trước hết, ta xem xét sơ đô thuật toán tổng quát của bài toán cơ học khí động điển hình.
- Bài toán này được thực hiện qua 5 pha như sau: 22 Tính toán khí động tĩnh, tìm điều kiện biênTính toán tần số dao động riêngTính toán khí động họcTính toán đáp ứng tuần hoànTối ưu hóa kết cấu1 23456 Hình 11: Sơ đồ thuật toán Pha thứ nhất : ở pha này, sau khi đã có mô hình kết cấu ta tiến hành mô phỏng bài toán khí động tĩnh, tìm nghiệm khí động ban đầu để đưa vào tính toán tần số dao động riêng cho mô hình kết cấu.
- Pha thứ hai : tính toán tần số dao động riêng của hệ bằng công cụ ANSYS Mechanical, sử dụng mô hình ứng suất trước để thêm tải áp suất.
- Pha thứ ba : tính toán khí động học với mô hình kết cấu dao động với chuyển vị và tần số nhập từ pha hai.
- Pha thứ tư : sau khi có kết quả từ phân tích khí động học động, ta có được giá trị tải áp suất chính xác tại từng vị trí.
- Sau khi tính toán lại tần số dao động riêng, ta tiến hành phân tích đáp ứng tuần hoàn để tìm biên độ dao động của lực khí động và đặc tính ổn định của kết cấu.
- Nếu chưa đạt ta tiến hành tối ưu hóa mô hình và lặp lại chu trình phân tích.
- 23 Hình 12: Quy trình tính toán 3.3 Mô hình hóa bài toán trong ANSYS CFX 3.3.1 Giới thiệu chung về ANSYS CFX Khái niệm: ANSYS CFX là một công cụ tính toán, mô phỏng số kết hợp 1 bộ các thuật toán tính toán tiên tiến với các công cụ tiền xử lý và hậu sử lý mạnh mẽ, linh hoạt, được sử dụng chủ yếu trong cơ học chất lưu.
- Tích hợp đầy đủ các công cụ mô hình hóa, phân tích bài toán và đánh giá, phân tích kết quả.
- Các bài toán điển hình: Đây là lĩnh vực khoa học sử dụng các phương pháp số kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết các bài toán liên quan đến các yếu tố chuyển động của môi trường, đặc tính lý hóa của các quá trình trong môi trường đang xét, đặc tính sức bền, nhiệt động, động học, khí động lực học và tương tác của các đối tượng, các môi trường với nhau.
- 24 3.3.2 Các phương pháp mô hình hóa cánh quay trong ANSYS CFX Trước hết, đối với các bài toán máy cánh dẫn, đặc biệt là các bài toán tính toán ảnh hưởng của nhiều tầng cánh đồng thời thì mô hình tính toán thường có kích thước lớn.
- Nhu cầu đặt ra là cần có một cách thức mô hình hóa giúp giảm kích thước miền tính toán từ đó giảm yêu cầu về tài nguyên và thời gian tính toán nhưng vẫn đảm bảo tính chính xác của nghiệm tìm được.
- Dựa trên đặc điểm đặc trưng của máy cánh dẫn là tính lặp lại tuần hoàn trong kết, từ đó các đặc tính khí động lực học cũng có tính lặp lại tuần hoàn như vậy.
- Căn cứ vào những đặc điểm này, ANSYS CFX đã phát triển các mô hình tính toán khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu đặt ra.
- Hiện nay có hai mô hình chính thường được sử dụng là mô hình mô phỏng toàn bộ và mô hình phân tích phần tử cánh đơn vị(Pitch Change Model).
- Hình 13: Các phương pháp mô phỏng cánh quay trong ANSYS Từ hình 13 ta có thể thấy được ba phương pháp mô hình hóa cánh quay trong ANSYS CFX.
- Việc lựa chọn phương pháp mô hình hóa sẽ dựa trên yêu cầu về mức độ chính xác của kết quả, điều kiện về tài nguyên máy tính, thời gian thực hiện … Đối với nghiên cứu này, sau khi tìm hiểu các phương pháp mô hình hóa và điều kiện tài nguyên hiện có, em quyết định sử dụng phương pháp tính toán theo thời gian thực cho phần tử cánh đơn vị- Transient with Pitch Change Model.
- Cụ thể :Pitch Change Model là một phương pháp mô hình hóa một hoặc một số hữu hạn phần tử cánh đơn vị trên mỗi tầng cánh.
- Sử dụng nghiệm tính toán trên các phần tử đơn vị và các điều kiện biên tuần hoàn, thuật toán sẽ nội suy kết quả cho toàn bộ các miền của mô hình đầy đủ.
- Nhờ đó giúp giảm thiểu thời gian, chi phí tính toán, yêu cầu tài nguyên máy tính…Trong phương pháp mô hình hóa này, chúng ta lại có các phương pháp phân chia bài toán như sau.
- 3.3.2.1 Phương pháp mô hình hóa Time Transformation Time Transformation là phương pháp mô hình hóa máy cánh dẫn trong miền thời gian, sử dụng mô hình phần tử cánh đơn vị.
- Chỉ áp dụng với dòng nén được • Chỉ áp dụng cho mô hình có tỷ số giá trị độ lớn bước cánh giữa các tầng nằm trong giới hạn cho phép: 1111srMP MMP Mωωθθ−

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt