Tại sao sử dụng Inducer?

Giả sử bạn muốn xây dựng một máy bơm phản lực cánh quạt để tăng áp suất của chất lỏng làm việc của bạn. Tuy nhiên, bạn thấy rằng chất lỏng mà bạn đang làm việc tiếp tục bốc hơi trong các cánh quạt mà bạn thiết kế, gây ra tất cả các loại vấn đề về hiệu suất. Bạn có thể làm gì trong trường hợp này? Một giải pháp là thiết kế một bộ cảm ứng cho động cơ phản lực của bạn.

Các bộ cảm ứng hướng trục được sử dụng trong các bộ phản lực cánh quạt ngược dòng để tránh hiện tượng xâm thực, giảm yêu cầu áp suất đầu vào và / hoặc cho phép hoạt động ở tốc độ quay của bộ phản lực tuốc bin cao hơn đối với một áp suất đầu vào nhất định [1]. Để tuốc bin phản lực hoạt động tốt, áp suất đầu vào của máy bơm phải đủ cao để tránh xâm thực. Hốc nước là hiện tượng các bong bóng hơi hình thành trong chất lỏng đang chảy bị xẹp xuống đột ngột - có khả năng gây hư hỏng bề mặt của bánh công tác, giảm hiệu suất cũng như hỏng hóc nghiêm trọng.

Hiện tượng xâm thực có thể được hình dung trong hình ảnh dưới đây. Dòng chảy vào (chảy từ phía bên trái của hình ảnh) chạm vào một cơ thể cùn trong kênh chất lỏng. Điều này làm cho áp suất giảm cục bộ và hình thành các bong bóng hơi. Khi chất lỏng tiếp tục chảy (về phía bên phải của hình ảnh), các bong bóng hơi sẽ xẹp xuống khi áp suất chất lỏng tăng đủ.

Bây giờ chúng ta đã hiểu vấn đề, làm thế nào chúng ta có thể đảm bảo rằng những hiệu ứng xâm thực này sẽ không xảy ra trong máy bơm của chúng ta? Để dự đoán khi nào sự xâm thực sẽ xảy ra, hai thông số thường được sử dụng. Đầu hút dương ròng có sẵn (NPSHa) mô tả áp suất tĩnh đầu vào cục bộ lớn hơn bao nhiêu so với áp suất hơi đầu vào cục bộ. Về cơ bản, NPSHa cho biết liệu các điều kiện để xảy ra xâm thực có được đáp ứng hay không. Đầu hút dương ròng cần thiết (NPSHr) mô tả đầu vào tương ứng với sự sụt giảm nhất định về khả năng hoạt động. Thông số NPSHr điển hình là 3% NPSH (NPSH3) tiêu chuẩn mô tả áp suất đầu vào tương ứng với mức giảm 3% khả năng tăng cột áp của máy bơm ở một tốc độ dòng chảy cụ thể. Nói chung, NPSHr đang đo lường liệu có đủ hiện tượng xâm thực để gây ra sự giảm đáng kể về hiệu suất của máy bơm hay không. Nếu NPSHr lớn hơn nhiều so với NPSHa, thì hiệu suất giảm đáng kể do xâm thực có thể xảy ra. Điều đó có nghĩa là, khi đầu hút dương lưới có sẵn không đủ, những điều tồi tệ có thể xảy ra, từ giảm hiệu suất đến hư hỏng và hỏng hóc hoàn toàn.

Trong một số ứng dụng nhất định, điều kiện đầu vào của máy bơm là không thể tránh được các điều kiện xâm thực. Những ứng dụng này bao gồm máy bơm phản lực cánh quạt tên lửa, máy bơm nhiên liệu máy bay và máy bơm cấp liệu cho lò hơi [2]. Điều này làm cho chúng trở thành những ứng dụng tuyệt vời để triển khai một bộ cảm ứng! Dưới đây là một ví dụ về bộ cảm ứng được sử dụng trong ứng dụng động cơ phản lực cánh quạt của tên lửa [3]. Một số đặc điểm của bộ cảm ứng này cần lưu ý bao gồm mép trước xuôi ngược, độ rắn của lưỡi dao cao, kênh dòng chảy tương đối dài và số lượng lưỡi dao thấp. Bộ cảm ứng của máy bơm làm tăng áp suất tĩnh ngược dòng của bánh công tác. Kết quả của điều này có thể được coi là giảm NPSHr cho toàn bộ máy hoặc tăng NSPHa ở đầu vào của bánh công tác, cả hai đều dẫn đến việc giảm thiểu tác động suy giảm của sự xâm thực.

Cân nhắc về Thiết kế Inducer

Các kênh lưỡi tương đối dài

Bây giờ chúng ta biết rằng chúng ta muốn một bộ cảm ứng, chúng có thể có những đặc điểm gì? Chúng ta sẽ bắt đầu bằng cách lưu ý rằng bộ cảm ứng là một phần tử dòng hướng trục với số lượng cánh tương đối thấp (thường là 3 hoặc 4) [4]. Sử dụng số lượng lưỡi thấp dẫn đến các lưỡi dài hơn với chiều dài trục tăng lên để thực hiện công việc trên chất lỏng. Lợi ích của các cánh quạt dài hơn là chúng cung cấp đủ thời gian và không gian bên trong kênh dòng chảy để làm vỡ bất kỳ bong bóng hơi nào trước đầu vào của rôto, nhưng sự cân bằng là hiệu suất thấp hơn. Hãy xem tại sao lại như vậy.

Năng lượng được truyền từ các cánh cảm ứng vào chất lỏng rất dần dần. Một trong những nhược điểm của dạng hình học này là trong các kênh dòng chảy, dòng chảy có thể gặp các hiệu ứng nhớt đáng kể và các dòng chảy thứ cấp. Do số lượng cánh thấp, có nhiều không gian hơn trong kênh dòng chảy để hình thành các dòng chảy thứ cấp. Sự xuất hiện của các bong bóng hơi trong dòng chảy cũng làm tăng thêm sự hỗn loạn và tổn thất nhớt. Những điều này làm cho năng lượng dòng chảy dễ dàng tiêu tán hơn, dẫn đến các giá trị hiệu suất thấp hơn trên bộ cảm ứng [1].

Do chiều dài hợp âm của lưỡi tăng lên, bộ cảm ứng có độ rắn của lưỡi cao (thường từ 1.5 - 2.5), là tỷ lệ giữa chiều dài hợp âm với cao độ tầng. Lợi ích của độ rắn cao hơn là nó cải thiện hiệu suất hút và cũng có thể giúp chống lại các dao động do xâm thực [4]. Lưu ý trong hình ảnh bên dưới rằng ngay cả với số lượng cánh quạt thấp, bộ cảm ứng sẽ có độ rắn cao so với cánh quạt.

Hình học tiên tiến nhất

Hãy tìm xem máy của chúng ta phải lớn đến mức nào - chúng ta có thể bắt đầu từ đầu vào. Đường kính đầu vào được xác định từ hệ số lưu lượng mong muốn (thường từ 0.07 - 0.14) [2], liên hệ giữa vận tốc chất lỏng tuyệt đối tại đầu vào với vận tốc chu vi của đầu lưỡi quay (xem phương trình bên dưới). Đường kính đầu vào trung tâm tối thiểu mong muốn thường sẽ bị giới hạn dựa trên các ràng buộc cơ học (ví dụ như kích thước trục) và hệ số lưu lượng sẽ hỗ trợ xác định đường kính đầu vào (sử dụng tốc độ đầu được tính toán và tốc độ quay trục được chỉ định). Bây giờ chúng tôi biết kích thước yêu cầu của đầu vào máy bơm của chúng tôi! Tỷ lệ đường kính đầu vào điển hình (tỷ số giữa đường kính đầu vào và đường kính trung tâm đầu vào) là từ 2 - 5 [4].

Hãy cũng cố gắng giảm lỗ vào gần đầu vào của cảm ứng. Để làm điều này, một bán kính cong nhỏ (hoặc góc nêm nhỏ) được sử dụng ở mép dẫn đầu của lưỡi cắt. Cuối cùng, giới hạn thấp hơn về bán kính mép trước sẽ là do ứng suất cấu trúc của lưỡi dao. Để đối phó với ứng suất kết cấu tạo ra bởi lực ly tâm và lực ép, lưỡi cắt phải đủ dày. Độ dày của lưỡi cắt giảm dần từ độ dày tối đa ở tâm đến độ dày tối thiểu ở đầu. Phi lê cũng có mặt tại khu vực trung tâm để giảm nồng độ căng thẳng.

Thiết kế cảm ứng đang hoạt động

Để chứng minh quy trình thiết kế cảm ứng, chúng tôi sẽ thực hiện thiết kế sơ bộ trong AxSTREAM sử dụng các thông số kỹ thuật của phản lực cánh quạt từ Động cơ tên lửa RL10A-3-3A [5]. Động cơ tên lửa sử dụng một động cơ phản lực nhiên liệu 2 tầng, với giai đoạn đầu tiên bao gồm ống dẫn khí vào, bộ cảm ứng, cánh quạt ly tâm, bộ khuếch tán không cánh và ống thoát hình nón. Mô hình của giai đoạn đầu tiên này được hiển thị dưới đây.

Thông số vận hành

Các thông số vận hành của giai đoạn đầu tiên này được dự đoán bởi AxSTREAM được đưa ra trong bảng dưới đây. Hai giá trị NPSHr được cung cấp chỉ dành cho bộ cảm ứng và cánh quạt. Có nghĩa là, nếu bộ cảm ứng hoặc cánh quạt tự hoạt động ở tốc độ dòng thiết kế, thì NPSHr riêng lẻ sẽ dẫn đến khả năng tăng đầu giảm 3% trong giai đoạn một thành phần đó. Giá trị NPSHr của toàn bộ máy thường sẽ dựa trên NPSHr của giai đoạn đầu tiên vì áp suất đầu vào cao hơn cho các giai đoạn sau và do đó khả năng xâm thực giảm. Điều đầu tiên cần chú ý về các thông số hoạt động của RL10A là NPSHr của bộ cảm ứng thấp hơn cánh quạt, vì vậy nó được thiết kế để xử lý áp suất hoạt động thấp hơn. (Điều này là tốt - nếu không thì tại sao lại thiết kế và sử dụng cảm ứng?!) Ngoài ra, hãy lưu ý rằng NPSHa của cảm ứng rất gần với NPSHr của bánh công tác. Điều này cho thấy rằng nếu bộ cảm ứng không có mặt để tăng áp suất đầu vào trước bánh công tác, rất có thể sẽ có sự suy giảm hiệu suất đáng kể trong bánh công tác.

Thông số hình học

Bộ cảm ứng được mô hình hóa trong AxSTREAM có các tham số hình học kết quả được hiển thị trong bảng dưới đây. Hình học cảm ứng được tạo ra trong AxSTREAM's trình giải quyết thiết kế sơ bộ dựa trên cả điều kiện biên hoạt động được cung cấp trong tài liệu, cũng như các ràng buộc hình học nhất định để đảm bảo rằng thiết kế có hình học và hiệu suất thực tế. Lưu ý rằng hệ số lưu lượng đầu vào nằm trong phạm vi mong muốn được chỉ ra trước đó [2]. Dạng hình học cũng có độ rắn chắc cao và tỷ lệ đường kính đầu vào cao. Cuối cùng, góc nêm ở cạnh trước nhỏ và giảm dọc theo chiều cao của lưỡi cắt. Đây là tất cả các đặc điểm hình học mà chúng tôi đã xác định trước đó là điển hình trong cảm ứng hướng trục.

Chúng tôi đã giới thiệu sơ lược về các loại thông số cần được xem xét khi thiết kế bộ cảm ứng phản lực tuốc bin. Sử dụng các công cụ thiết kế như AxSTREAM, các thông số này có thể được kiểm soát và thao tác trong quá trình thiết kế phản lực cánh quạt. Cavitation là một thách thức thiết kế cần được giải quyết bởi các kỹ sư và việc thực hiện cảm ứng cung cấp một giải pháp tiềm năng.

Tài liệu tham khảo:

• [1] L. d'Agostino, L. Torre, A. Pasini, D. Baccarela, A. Cervone và A. Milani, "Mô hình thứ tự giảm cho thiết kế sơ bộ và dự đoán hiệu suất của cảm ứng thuôn nhọn: So sánh với mô phỏng số" AIAA, Hartford, CT, 2008.
• [2] D. Japikse, WD Marsher và RB Furst, Thiết kế và Hiệu suất máy bơm ly tâm, Khái niệm NREC, 1997.
• [3] A. Cervone, L. Torre, A. Pasini và L. d'Agostino, “Sự tạo khoang và dòng chảy trong cảm ứng trục 3 cánh được thiết kế bởi phương tiện của một mô hình phân tích thứ tự giảm,” trong Hội nghị chuyên đề quốc tế về khoang, Năm 2009.
• [4] J.Jakobsen và RB Keller Jr., Bộ cảm ứng phản xạ động cơ tên lửa lỏng, NASA SP-8052, 1971.
• [5] M. Binder, T. Tomsik và JP Veres, Dự án mô hình hóa động cơ tên lửa RL10A-3-3A, NASA, 1997.

Nguồn: https://blog.softinway.com/inducer-design-considerations-and-its-effect-on-turbopump-cavitation/