GIỚI THIỆU CHUNG
Làm mát lá cánh tuabin
Trong ngành công nghiệp tuabin khí, buồng đốt động cơ hoạt động ở công suất cao, tạo ra nhiệt độ lớn xả vào vùng tuabin, dẫn đến xu hướng nghiên cứu giảm nhiệt độ trên lá cánh tuabin Theo Dixon và Hall, khi không được làm mát, nhiệt độ khí vào tuabin tối đa chỉ đạt 1000°C, trong khi với hệ thống lỗ làm mát, nhiệt độ có thể lên tới khoảng 1800°C Nhiệt độ cao này có thể làm nóng chảy và biến dạng lá cánh, ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn bay Các hệ thống lỗ làm mát cho lá cánh tuabin đã được nghiên cứu và áp dụng hiệu quả, như trong động cơ Rolls-Royce Trent, nơi lá cánh tuabin cao áp được làm mát bằng khí trích từ máy nén với nhiệt độ hơn 700°C và áp suất 3.8 MPa Không khí làm mát đi qua các rãnh bên trong lá cánh và được thổi ra ngoài qua các lỗ nhỏ, tạo thành màng không khí mát xung quanh, giúp cách ly lá cánh khỏi dòng khí nóng Hệ thống này cho phép sử dụng nhiệt độ đầu vào của tuabin lên đến 1800°K, từ đó nâng cao công suất và hiệu quả hoạt động của động cơ.
Hình 1.1 Làm mát lá cánh tuabin cao áp
Hình 1.2 Phân bố dòng làm mát cho một lá cánh tuabin
Hệ thống lỗ làm mát lá cánh tuabin gặp bất lợi khi nhiệt độ đầu vào tăng, vì máy nén phải cung cấp năng lượng lớn để tạo áp lực cho không khí thoát ra khỏi bề mặt lá cánh Hình 1.3 từ bài viết của Wilde (1977) cho thấy hiệu suất động cơ giảm khi nhiệt độ vào vùng tuabin tăng, với một số động cơ tuabin khí được đưa vào biểu đồ Wilde đã đặt câu hỏi về hiệu quả của nhiệt độ vào tuabin vượt quá 1330°C trong các động cơ phản lực, do ảnh hưởng đến khí động học và mức tiêu thụ nhiên liệu Tuy nhiên, thời gian và nghiên cứu gần đây đã chỉ ra lợi thế quan trọng của việc sử dụng hệ thống lỗ làm mát lá cánh.
Hình 1.3 Hiệu suất của động cơ và nhiệt độ đầu vào vùng tuabin
Nhu cầu làm mát các lá cánh tuabin xuất phát từ việc tăng nhiệt độ vận hành buồng đốt để tạo ra lực đẩy mạnh hơn và nâng cao độ bền của các lá cánh, từ đó cải thiện tuổi thọ linh kiện Động cơ Turbojet đầu tiên, Jumo 004B, đã áp dụng hệ thống lỗ làm mát bên trong cho các cánh tuabin, mang lại hiệu quả vận hành cao Những cải tiến trong kỹ thuật sản xuất và hiểu biết về vật lý dòng chảy đã cho phép cải thiện cách tiếp cận làm mát, kết hợp dòng khí mát với dòng khí nóng, từ đó nâng cao tuổi thọ các thành phần bên trong lá cánh tuabin Việc làm mát bên trong một và nhiều lần của lá cánh tuabin, kết hợp với làm mát màng và lớp phủ bảo nhiệt, giúp giảm nhiệt lượng tác động lên các lá cánh tuabin.
Hình 1.4 Làm mát lá cánh tuabin
Làm mát kiểu tạo màng
Các động cơ tuabin khí hiện đại yêu cầu nhiệt độ đầu vào cao để nâng cao công suất và hiệu suất nhiệt, đồng thời giảm tiêu thụ nhiên liệu Điều này dẫn đến việc các lá cánh tuabin phải chịu tải nhiệt lớn hơn nhiều so với giới hạn cho phép của kim loại Do đó, công nghệ làm mát hiệu quả cho các lá cánh tuabin là rất quan trọng Để cải thiện hiệu suất, các động cơ này áp dụng nhiều kỹ thuật làm mát như làm mát bên trong, làm mát bằng tia nước và làm mát bằng màng khí mỏng Trong đó, làm mát màng là phương pháp phổ biến nhất, với các lỗ trên bề mặt lá cánh cho phép không khí làm mát tạo ra màng bảo vệ Nghiên cứu cho thấy hình học của các lỗ này có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm mát màng mỏng.
Hình 1.5 Làm mát bên trong Hình 1.6 Làm mát kiểu đối lưu
Hình 1.7 Làm mát kiểu màng phân phối
Làm mát kiểu tạo màng là một phương pháp phổ biến, mang lại hiệu suất làm mát cao hơn so với các phương pháp đối lưu và làm mát khác trong lá cánh Kỹ thuật này hoạt động bằng cách bơm không khí làm mát qua các lỗ nhỏ hoặc khe trong lá cánh, tạo ra một lớp không khí mỏng trên bề mặt ngoài của lá cánh, giúp giảm sự truyền nhiệt từ dòng khí nóng có nhiệt độ cao (1300°K - 1800°K) lên bề mặt lá cánh, mà có thể đạt đến điểm nóng chảy của vật liệu (1300°K - 1400°K) Hiệu suất làm mát, được đánh giá bằng một tham số tối đa là một, cho biết nhiệt độ vật liệu gần với nhiệt độ dòng khí làm mát, cho thấy khả năng làm mát tốt nhất Khi nhiệt độ lá cánh gần với nhiệt độ khí nóng, hiệu quả làm mát giảm xuống mức không Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát bao gồm thông số dòng làm mát và hình dạng lỗ phun, với các thông số dòng làm mát như tỷ lệ vận tốc và khối lượng riêng, cùng với các tham số hình học như hình dạng lỗ và góc phun.
Vào đầu những năm 1970, không quân Hoa Kỳ đã đầu tư vào việc phát triển một lá cánh tuabin kết hợp giữa làm mát kiểu màng và làm mát kiểu đối lưu, phương pháp này đã trở thành phổ biến trong các lá cánh tuabin hiện đại Mặc dù việc xả dòng làm mát vào dòng chính có thể làm giảm hiệu suất động cơ do tổn thất năng lượng khi nén không khí làm mát, nhưng các hệ thống lỗ làm mát cũng làm tăng độ phức tạp trong thiết kế cấu trúc động cơ Do đó, cần phải bù đắp những yếu tố này bằng cách nâng cao hiệu suất tổng thể của động cơ thông qua việc tăng nhiệt độ đầu vào của lá cánh tuabin, đảm bảo tuabin hoạt động bền bỉ và ổn định.
Làm mát kiểu màng với các hình dạng khác nhau là yếu tố quan trọng trong việc làm mát các lá cánh tuabin cao áp Tối ưu hóa hình dạng và điều kiện hoạt động của các mô hình này là cần thiết để nâng cao hiệu suất làm mát Nhiều thông số ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát màng, bao gồm hình học lỗ, tỷ lệ thổi, tỷ lệ khối lượng riêng của dòng khí làm mát và dòng khí nóng, cường độ rối của dòng chảy, tỷ lệ chiều dài so với đường kính lỗ và góc phun Đến nay, đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số được thực hiện để xác định ảnh hưởng của các thông số này đến hiệu suất làm mát kiểu màng.
Kiến thức cơ bản về làm mát kiểu màng
Các khu vực quan trọng trên lá cánh tuabin có thể được làm mát bằng màng thông qua các lỗ làm mát được đục trên bề mặt Dòng khí làm mát được thổi ra từ các lỗ ở một góc cố định, tạo ra sự uốn cong bởi dòng chính (dòng nóng), từ đó che phủ một phần bề mặt lá cánh tuabin và giảm thiểu tác động của nhiệt lên lá cánh.
Mô hình hóa một lá cánh tuabin với lỗ đục nghiêng giúp dẫn dòng khí mát lên luồng chính Dòng khí mát này xuyên qua dòng khí nóng và bị lệch hướng do các lực bên ngoài trong luồng tự do, tạo ra áp lực đè xuống bề mặt lá cánh, từ đó hình thành lớp phủ bề mặt và làm cho lõi trở nên bất khả xâm phạm.
Sự xâm nhập của các cột khí mát vào luồng tự do có thể gây ra phân tách dòng cục bộ gần lỗ màng, làm giảm hiệu suất làm mát của lá cánh và tăng rối loạn dòng trong động cơ Do đó, việc làm mát màng cánh tuabin ảnh hưởng nhiều hơn đến tính khí động học bên ngoài so với làm mát bên trong Để giảm thiểu tác động này, dòng làm mát xả ra dòng chính cần có vận tốc phù hợp, và thiết kế lỗ phun cũng đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng này.
Hình 1.8 Mô hình hóa dòng qua lá cánh tuabin
Hình 1.9 Phân bố nhiệt trên bề mặt lá cánh tuabin
Hiệu suất làm mát tại vị trí dòng mát đẩy ra từ lỗ chỉ bao phủ một vùng nhỏ xung quanh lỗ phun, dẫn đến việc cần thiết phải có nhiều lỗ ở một hoặc nhiều hàng (so le) trên các lá cánh tuabin để đảm bảo làm mát hiệu quả Điều này giúp che phủ một phần đáng kể trên bề mặt lá cánh, như được thể hiện trong Hình 1.10.
Một mảng so le với hai hàng lỗ có đường kính D và khoảng cách P được tính toán hợp lý là rất quan trọng Hình 1.11 minh họa các thông số thiết yếu để tạo ra lỗ, nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm mát.
Hình 1.10 Các lỗ bố trí trên lá cánh Hình 1.11 Thông số hình dạng lỗ
Theo Farokhi và Saeed, đường kính lỗ nên lớn hơn 0.5mm để tránh tình trạng tắc nghẽn, đặc biệt trong môi trường tuabin khí Mặc dù có thể giảm đường kính xuống dưới mức này bằng các kỹ thuật tiên tiến, nhưng lỗ nhỏ dễ bị tắc do các sản phẩm phụ từ quá trình đốt cháy Tỷ lệ khoảng cách lỗ trên đường kính (P/D) là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát kiểu màng; nếu tỷ lệ này quá lớn, màng làm mát không thể bao phủ toàn bộ lá cánh, dẫn đến hiệu suất giảm Ngược lại, nếu tỷ lệ này quá nhỏ, sẽ cần nhiều dòng khí hơn, làm tăng năng lượng tiêu thụ từ máy nén và giảm hiệu suất của nó Tỷ lệ chiều dài trên đường kính (L/D) cũng quan trọng trong việc lan truyền dòng mát và kích thước xoáy cục bộ dưới màng Hơn nữa, hình dạng của khoang cấp khí làm mát ảnh hưởng đáng kể đến phân phối tốc độ dòng làm mát và sự pha trộn với dòng chính, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát màng Nghiên cứu về khoang cấp khí làm mát là một lĩnh vực hấp dẫn cho các nhà nghiên cứu lá cánh tuabin.
Theo Han và Ekkad, hiệu suất làm mát kiểu màng phụ thuộc vào tỷ lệ áp suất và nhiệt độ giữa dòng chính và dòng làm mát, cũng như vị trí của lỗ làm mát trên lá cánh tuabin Tỷ lệ áp suất (𝑝 𝑐 /𝑝 ℎ) liên quan đến tỷ lệ thông lượng khối của dòng khí làm mát, trong khi tỷ lệ nhiệt độ (𝑇 𝑐 /𝑇 ℎ) liên quan đến tỷ lệ khối lượng riêng Trong máy bay cánh quạt tuabin khí, tỷ lệ 𝑝 𝑐 /𝑝 ℎ dao động từ 1.02 đến 1.10, với tỷ lệ thổi khoảng 0.5 đến 2.0, và tỷ lệ 𝑇 𝑐 /𝑇 ℎ từ 0.5 đến 0.85, tương ứng với tỷ lệ khối lượng riêng từ 2.0 đến 1.5 Cả hai tỷ lệ này là thông số quan trọng để định lượng hiệu suất làm mát kiểu màng, vì chúng cho thấy khả năng truyền nhiệt của dòng khí nóng.
Tỷ lệ áp suất cao hơn giúp cải thiện hiệu quả của bảo vệ làm mát kiểu màng cho lá cánh tuabin, trong khi tỷ lệ nhiệt độ thấp hơn cũng mang lại lợi ích tương tự ở mức áp suất nhất định Tuy nhiên, áp suất quá cao có thể làm giảm hiệu quả làm mát do dòng làm mát xâm nhập vào dòng chính quá mức Do đó, việc tối ưu hóa lượng khí làm mát cho lá cánh là rất quan trọng trong điều kiện vận hành động cơ Để thiết kế mô hình làm mát kiểu màng hiệu quả cho máy bay, các nhà thiết kế cần nắm rõ vị trí truyền nhiệt từ dòng nóng đến lá cánh, vì vị trí, góc và hình dạng của các lỗ làm mát sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm mát.
Các nghiên cứu đã thực hiện
Trong động cơ tuabin khí hiện nay, lỗ hình trụ được sử dụng phổ biến để làm mát nhờ vào tính tiện lợi trong chế tạo Hiệu suất làm mát chịu ảnh hưởng bởi nhiều thông số, bao gồm hình dạng lỗ, tỷ lệ thổi, tỷ lệ khối lượng riêng của dòng làm mát so với dòng khí nóng, cường độ rối của dòng tự do, tỷ lệ chiều dài trên đường kính (L/D) và góc phun Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phân tích ảnh hưởng của các thông số này đến hiệu suất làm mát kiểu màng Walters và Leylek đã nghiên cứu đặc tính dòng chảy của lỗ làm mát hình trụ dựa trên cường độ rối, trong khi Hale và cộng sự cung cấp dữ liệu về hiệu suất làm mát đối với các lỗ ngắn với các tỷ lệ L/D khác nhau Lutum và Johnson nhận thấy rằng hiệu suất làm mát màng thay đổi ít trong khoảng 5 < L/D < 18, nhưng giảm nhanh khi L/D < 5.0 Yuen và Martinez-Botas đã báo cáo ảnh hưởng của góc phun lên hiệu suất làm mát từ một nghiên cứu thực nghiệm.
Để nâng cao hiệu suất làm mát, nghiên cứu đã tối ưu hóa lỗ hình trụ thông qua hai thay đổi thiết kế: tỷ lệ chiều dài trên đường kính và góc phun, sử dụng các mô hình thay thế khác nhau.
Hiệu suất làm mát của các lỗ hình trụ không tăng đáng kể do hình dạng đơn giản của chúng, vì vậy các hình dạng đầu ra khác đã được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất Saumweber và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu với các lỗ đầu ra hình quạt, kết hợp hình quạt và mở rộng về phía sau, cùng với các lỗ tròn, sử dụng các cường độ rối 3.5, 7.5 và 11% Các lỗ hình quạt được mở rộng 14 độ về phía sau, trong khi lỗ hình quạt kết hợp được mở rộng 15 độ theo hướng dòng chảy Tỷ lệ chiều dài trên đường kính là 6 và hình học lỗ được phân tích ở các tỷ lệ thổi khác nhau: 0.5, 0.75, 1.0, 1.25 và 1.5 Tác giả nhận thấy rằng các lỗ được biên dạng lại có đặc tính làm mát và truyền nhiệt tương tự, và không có lợi ích nào từ việc sử dụng hình dạng lỗ mở rộng về phía sau.
Nghiên cứu của Gritsch và các cộng sự [10] đã chỉ ra rằng các thông số hình học khác nhau có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất làm mát của các lỗ dạng hình quạt Các tham số được xem xét bao gồm chiều dài và tỷ lệ giữa diện tích đầu vào và diện tích thoát.
Tỷ lệ giữa khoảng cách và góc phun là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát, trong số các thông số như tích đầu ra và tỷ lệ bao phủ Nghiên cứu của Lee và Kim [11] đã tối ưu hóa một lỗ dạng hình quạt với ba biến thiết kế, cho thấy rằng hình dạng được tối ưu hóa có hiệu quả làm mát màng tăng lên 28% so với thiết kế tham khảo của lỗ này.
Hình 1.12 Hình dạng lỗ được thử nghiệm của Saumweber
Lu và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm và mô phỏng số để đánh giá hiệu suất của các lỗ làm mát trong sáu hố khác nhau Kết quả cho thấy hiệu suất làm mát màng giảm khi tỷ lệ thổi tăng đối với lỗ hình trụ, trong khi hiệu suất của các lỗ làm mát màng dạng hố không có sự thay đổi đáng kể Họ cũng đã so sánh hiệu suất làm mát màng và hệ số truyền nhiệt của ba loại lỗ (hình trụ, dạng hố và hình khuếch tán) và phát hiện rằng các lỗ miệng dạng hố cải thiện hiệu quả làm mát màng khoảng 50% so với lỗ hình trụ, đồng thời cung cấp hiệu suất làm mát cao hơn với tỷ lệ thổi thấp hơn.
Sargison và các cộng sự [14] đã giới thiệu một hình dạng lỗ làm mát mới gọi là
Lỗ “console” được xem như một dạng lỗ hội tụ, cho thấy khả năng làm mát màng tương tự và giảm tổn thất khí động học so với lỗ hình quạt Nghiên cứu của Zhang và Hassan đã đề xuất lỗ “louver” và so sánh hiệu suất của nó với các loại lỗ khác như lỗ hình trụ, lỗ “console” và lỗ hình quạt Kết quả cho thấy lỗ “louver” có hiệu suất làm mát màng vượt trội hơn so với lỗ hình trụ và lỗ hình quạt, đồng thời đạt hiệu suất tương đương với lỗ “console”.
Hình 1.13 Mô hình thử nghiệm của Zhang và Hassan
Lu và các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất làm mát của màng lỗ hình lưỡi liềm, cho thấy rằng hiệu quả làm mát của màng này được cải thiện đáng kể so với lỗ hình trụ.
Nghiên cứu đã đề xuất các lỗ hình quả tạ và hình quả đậu để cải thiện hiệu quả làm mát màng so với các lỗ hình lưỡi liềm, hình trụ và hình quạt trong cùng điều kiện biên Lee và Kim đã giới thiệu lỗ làm mát màng hình lá, có hiệu suất tương tự như lỗ hình quạt với tỷ lệ thổi M = 0.5, nhưng hiệu suất này được cải thiện đáng kể khi tỷ lệ thổi tăng lên.
Hình 1.14 Mô hình nghiên cứu của Liu
Hầu hết các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào việc thay đổi hình dạng thoát của các lỗ làm mát màng với đầu vào hình trụ, trong khi chỉ có một số ít nghiên cứu xem xét hình dạng đầu vào của các lỗ Hay và các cộng sự đã nghiên cứu lỗ hình trụ với miệng vào hình tròn, trong khi Guang Chao và cộng sự giới thiệu lỗ 3 trong 1 với hình dạng quạt ở cả đầu vào và đầu ra Tuy nhiên, vẫn chưa có phân tích chuyên sâu nào về ảnh hưởng của hình dạng lỗ hình trụ được mở rộng đến hiệu suất.
Hoàng Văn Quản, sinh viên kĩ sư Chất lượng cao K59 tại đại học Bách khoa Hà Nội, đã nghiên cứu về làm mát lá cánh tuabin bằng phương pháp màng phân phối Trong nghiên cứu của mình, anh đã sử dụng lỗ đầu ra dạng hình quạt kết hợp với một loạt các lỗ đầu vào được mở rộng về phía trước Kết quả cho thấy hiệu suất thu được tăng đến 88% so với trường hợp sử dụng lỗ hình trụ.
Hình 1.15 Hình dạng lỗ nghiên cứu của Hoàng Văn Quản
Nguyễn Tá Hòa, sinh viên Kĩ thuật Hàng không K59 tại Đại học Bách khoa Hà Nội, đã tiến hành nghiên cứu về phương pháp làm mát hiệu quả.
Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc thiết kế lỗ loe phân kì kết hợp với sự mở rộng phía sau lỗ đầu vào và phía trước lỗ đầu ra mang lại hiệu suất vượt trội Đặc biệt, một loại lỗ phân kì - hội tụ với đầu ra hình quạt cũng đã được khảo sát, cho thấy hiệu suất tăng đáng kể so với lỗ hình trụ truyền thống.
Hình 1.16 Các hình dạng lỗ nghiên cứu của Nguyễn Tá Hòa
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất một hình dạng lỗ hội tụ cho đầu vào của các lỗ làm mát với hình dạng thoát hình trụ nhằm nâng cao hiệu quả làm mát màng Các hình dạng đầu vào hội tụ với các thông số hình học khác nhau sẽ được đánh giá để xác định ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát Tiếp theo, nhiều loại hình dạng lỗ phân kỳ ở đầu ra được nghiên cứu với hình dạng đầu vào hình trụ Phân tích dòng chảy và hiệu suất làm mát được thực hiện thông qua các phương trình Navier-Stokes đã được trung bình hóa (RANS).
MÔ PHỎNG SỐ
Mô hình nghiên cứu
Miền tính toán bao gồm một kênh chính cho dòng khí nóng, kênh khí làm mát và lỗ làm mát Lỗ có đường kính 5mm, các kênh rộng 20mm, với tỷ lệ chiều dài/đường kính (L/D) là 6 (L = 30mm) và góc phun (θ) là 30 độ, cùng với một số thông số khác được thể hiện trong Hình 2.2.
Hình 2.1 Mô hình kiểm định với lỗ hình trụ
Hình 2.2 Kích thước của mô hình
Khi thiết kế hình dạng lỗ mới với đường kính D = 5mm, các tham số hình học đầu vào và đầu ra được thay đổi để nghiên cứu 6 hình dạng lỗ khác nhau Các lỗ được mở rộng theo ba hướng chính: mở rộng phía sau (B1 và B2), mở rộng phía trước (F1 và F2) và mở rộng sang hai bên (S1 và S2) Mỗi sự mở rộng lỗ diễn ra tại các vị trí 1.5D, 2D, 2.5D và 3D, tương ứng với các thay đổi ở đầu vào và đầu ra của lỗ.
Trong luận văn thạc sĩ này, tôi nghiên cứu thêm hai thông số mở rộng lỗ sang hai bên, bên cạnh bốn thông số đã được khảo sát trong đồ án tốt nghiệp, bao gồm các loại lỗ mở rộng phía trước và phía sau Các trường hợp mở rộng lỗ được minh họa trong Hình 2.3, với Hình 2.3 (a) thể hiện mở rộng lỗ đầu vào tương ứng với các thay đổi B1, F1, S1, và Hình 2.3 (b) mô tả lỗ mở rộng đầu ra tương ứng với B2, F2, S2 Để đánh giá ảnh hưởng của các sự thay đổi này, mỗi tham số sẽ được điều chỉnh lần lượt, trong khi các tham số khác được giữ cố định ở giá trị kiểm định (hình trụ).
Bảng 2.1 Thông số hình học của lỗ mở rộng
Thông số mở rộng Kích thước ban đầu Kích thước mở rộng
Hình 2.3 mô tả hình dạng lỗ hội tụ trong không gian 2D, bao gồm hai phần chính: (a) đầu vào mở rộng và (b) đầu ra mở rộng Đầu vào hội tụ có hình dạng trụ, trong khi đầu ra lại có dạng phân kỳ.
Hình 2.4 Hình dạng lỗ hội tụ - phân kì (2D)
Hình 2.5 Hình dạng lỗ hội tụ - phân kì (3D) (a) TH1; (b) TH2; (c) TH3; (d) TH4; (e)
Phương pháp mô phỏng
Hình 2.6 minh họa mô hình nguyên lý làm mát kiểu màng, trong đó lượng nhiệt trên bề mặt mà không được làm mát được thể hiện qua thông lượng nhiệt.
𝑞 0 ′′ = ℎ 0 (𝑇 ℎ - 𝑇 𝑎𝑤 ) (1) trong đó ℎ 0 là hệ số truyền nhiệt trên bề mặt với nhiệt độ tường là 𝑇 𝑎𝑤 và nhiệt độ dòng khí nóng là 𝑇 ℎ
Hình 2.6 Mô hình nguyên lí làm mát kiểu màng
Khi dòng khí làm mát được xả lên bề mặt, nhiệt độ tại đây đạt giá trị 𝑇 𝑓, là sự kết hợp giữa nhiệt độ của dòng khí nóng 𝑇 ℎ và nhiệt độ của dòng làm mát 𝑇 𝑐.
𝑞 ′′ = h(𝑇 𝑓 - 𝑇 𝑎𝑤 ) (2) trong đó h là nhiệt hệ số truyền nhiệt trên bề mặt màng phun
Ngoài ra, hiệu suất làm mát kiểu màng (η) được định nghĩa:
(𝑇 ℎ − 𝑇 𝑐 ) (3) Các giá trị 𝜂 thay đổi giữa 0 và 1 với 1 là hiệu quả làm mát màng tốt nhất Do đó, tỷ lệ thông lượng nhiệt có thể được viết là:
Để đảm bảo hiệu quả làm mát của màng, tỷ lệ tải nhiệt 𝑞 ′′ /𝑞 0 ′′ cần phải dưới 1.0 Hệ số truyền nhiệt (h/ℎ 0) thường được cải thiện nhờ sự pha trộn hỗn loạn của các dòng khí làm mát với dòng chính, thường lớn hơn 1.0 Tỷ lệ nhiệt độ (𝑇 𝑓 - 𝑇 𝑎𝑤 )/(𝑇 ℎ - 𝑇 𝑎𝑤) cũng liên quan mật thiết đến hiệu suất làm mát của màng và cần phải thấp hơn nhiều so với 1.0, nhằm đảm bảo tỷ lệ tải nhiệt vẫn duy trì dưới mức này.
Số Stanton cho một lá cánh làm mát bằng kiểu màng bao gồm thêm một thông số thổi M Thông số thổi được định nghĩa là:
Trong nghiên cứu này, chúng tôi phân tích ảnh hưởng của hình dạng phân kỳ và hội tụ của lỗ làm mát kiểu màng đến hiệu suất làm mát Các tham số hình học được khảo sát bao gồm đường kính lỗ, với các giá trị lần lượt là 1.5D, 2D, 2.5D và 3D Để đánh giá hiệu suất, chúng tôi sử dụng hiệu suất làm mát trung bình mặt (η 𝑠) và trung bình ngang (η 𝑙) như là các hàm đánh giá Các thông số khối lượng riêng và vận tốc của dòng khí làm mát ở đầu ra và đầu vào cũng được xem xét để hiểu rõ hơn về hiệu suất làm mát của mô hình.
Hiệu suất làm mát kiểu màng trung bình theo không gian (η 𝑠) được tính toán trên bề mặt cần làm mát với khu vực rộng 4D và dài 21D Hàm hiệu suất này đánh giá hiệu suất làm mát trung bình trên bề mặt lá cánh tuabin trong vùng giới hạn tính toán.
Các lưới cấu trúc được tạo ra bởi ANSYS - ICEM cho miền tính toán, với ví dụ cụ thể được trình bày trong Hình 2.7 Lưới được chia sát khu vực tường, trong đó lưới loại O được sử dụng hai lần liên tiếp trong lỗ hình trụ như thể hiện trong Hình 2.8 Các ô lưới gần tường đã được tinh chỉnh, với khoảng cách tường ở kênh chính là 1.10 -6 (m) và kênh dòng làm mát là 1.10 -5 (m), nhằm đảm bảo rằng y + luôn nhỏ hơn 2 cho tất cả các số Reynolds.
Hình 2.7 Mô hình lưới (lỗ hình trụ)
Hình 2.8 Lưới loại O được sử dụng 2 lần liên tiếp (lỗ hình trụ)
Hình 2.9 Mô hình lưới (mở rộng đầu ra của lỗ)
Hình 2.10 Lưới loại O được sử dụng 2 lần liên tiếp (lỗ mở rộng)
Chất lượng lưới của kênh được thể hiện rất tốt trong Hình 2.11, với tiêu chuẩn Determinant 2x2x2 yêu cầu ít hoặc không có phần tử lưới nào dưới 0.3 Nếu không đáp ứng tiêu chuẩn này, kết quả sẽ kém chính xác và không đáng tin cậy Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, chất lượng lưới thấp nhất đạt 0.763 và cao nhất là tối đa, cho thấy chất lượng lưới đạt tiêu chuẩn rất tốt Để xác định lưới tối ưu, năm loại lưới khác nhau với số lượng từ 600.000 đến 2.700.000 đã được thử nghiệm, giữ cấu trúc lưới không đổi và chỉ thay đổi số lượng để khảo sát sự ổn định.
Hình 2.11 Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn Determinant 2x2x2
Mô hình rối SST k - 𝜔 đã được áp dụng để nghiên cứu sự truyền nhiệt, cho thấy hiệu quả vượt trội hơn so với mô hình SST k - 𝜀, theo nghiên cứu của Lee và Kim [23] Vì vậy, mô hình SST k - 𝜔 sẽ được lựa chọn cho nghiên cứu này.
Các điều kiện biên của bài toán được xác định dựa trên các nghiên cứu quốc tế đã được chứng nhận, với các thông số và dữ liệu từ các bài báo này làm căn cứ so sánh kết quả Những điều kiện biên này tương tự như thí nghiệm của Saumweber và cộng sự [9] Chất khí sử dụng là khí lý tưởng (không khí) với tường cứng không trượt tại các vị trí như lỗ, bề mặt làm mát và kênh dẫn dòng mát Điều kiện tuần hoàn được áp dụng ở hai bên kênh chính, trong khi vận tốc đầu vào của kênh làm mát và kênh chính, cùng với áp suất tĩnh ở đầu ra của kênh chính, được thiết lập Để điều chỉnh số Mach của dòng khí nóng trong kênh chính về điều kiện thí nghiệm (M = 0.3), vận tốc đầu vào là 139.74 (m/s) và áp suất tĩnh ở đầu ra là 0 (Pa) Nhiệt độ của dòng khí nóng và dòng khí làm mát lần lượt là 540°K và 310°K, với cường độ rối và tỷ lệ chiều dài của luồng tự do trong kênh chính là 3.6% và 2.7D Tỷ lệ khối lượng riêng của khí làm mát so với khí nóng là 1.7.
Nhiệt độ dòng khí làm mát 𝑇 𝑐 310°𝐾
Nhiệt độ dòng khí nóng 𝑇 ℎ 540°𝐾
Vận tốc đầu vào của dòng nóng 𝑉 0 139.74 m/s Áp suất đầu ra của dòng nóng 𝑃 𝑡 0 Pa
Tỉ lệ khối lượng riêng DR 1.7
Phần mềm ANSYS CFX 19.1 đã được sử dụng để nghiên cứu đặc tính dòng chảy và truyền nhiệt trong kênh chính, với mỗi bài toán chạy đến 4.000 vòng lặp Để đảm bảo sự ổn định và hội tụ của các thông số, nhiệt độ tại một điểm trên tường và khối lượng dòng chảy đầu ra của kênh chính đã được theo dõi cẩn thận.
Việc tính toán được thực hiện trên máy tính với cấu hình CPU Intel (R) Xeon (R) CPU X5675 @ 3.07 GHz, với thời gian dao động từ 13 đến 28 giờ Thời gian này phụ thuộc vào số lượng lưới và khả năng của máy tính.
