Tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 169 
Tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp 
Usage of CFD to study the dynamics of exhaust flow through turbocharger 
Lê Văn Điểm1, Vũ Văn Duy1, 
Nguyễn Chí Công1, Nguyễn Văn Thịnh2 
1Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 
diemlv.mtb@vimaru.edu.vn 
2Đoàn 871, Tổng cục Chính trị, Bộ Quốc phòng 
Tóm tắt 
Bài báo đưa ra cơ sở toán học và ứng dụng phần mềm Ansys - Fluent để tính toán mô 
phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp dạng hướng trục. Mô hình nghiên cứu 
được tham khảo của cụm tua bin - máy nén tăng áp khí xả VTR160 được trang bị trên các 
động cơ diesel SULZER 3AL25/30. 
Từ khóa: Tua bin tăng áp khí xả, phần mềm Ansys-Fluent, động lực học dòng khí xả. 
Abstract 
This paper establishes the mathematical model with application of CFD to solve the 
dynamics of exhaust flow through an axial turbine. The model was built based on VTR160 
turbocharger equipped on auxiliary diesel engine SULZER 3AL25/30. 
Keywords: Turbo charger, Ansys-Fluent soltware, dynamics of exhaust flow. 
1. Giới thiệu 
Công nghệ thay đổi biên dạng hình học cánh tuabin khí xả tăng áp (Variable 
Geometry Turbocharger - VGT) đã được nghiên cứu và áp dụng trong những năm gần đây. 
Việc thay đổi biên dạng hình học cho phép thay đổi chế độ chảy của dòng khí xả qua tuabin, 
qua đó thay đổi các thông số làm việc của tổ hợp tăng áp phù hợp với các chế độ tải khác 
nhau của động cơ. Đối với các động cơ diesel tàu thủy, công nghệ này hầu như chưa được áp 
dụng. Trên các động cơ tàu thủy cũ, chất lượng công tác của động cơ và hệ thống tăng áp suy 
giảm dẫn đến tình trạng “khói đen”. Một trong những giải pháp khắc phục tình trạng trên là 
cải thiện chế độ công tác của tuabin tăng áp. Nhưng thay đổi thông số nào của cụm tua bin 
này cho phù hợp? Để trả lời câu hỏi này, nhóm tác giả đưa ra giải pháp ứng dụng phương 
pháp số để tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp. Từ đó đánh giá 
hiệu quả chuyển đổi năng lượng của dòng khí xả thành công suất trên trục tua bin, đưa ra cơ 
sở khoa học và tính toán mô phỏng yếu tố chính làm giảm hiệu quả chuyển đổi này. 
Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả đưa ra qui trình nghiên cứu nói chung và triển 
khai bước đầu cho bài toán nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc đặt cánh hướng dòng vào tua 
bin tới hiệu quả chuyển đổi năng lượng khí xả. 
2. Mô hình nghiên cứu và cơ sở toán học 
2.1. Mô hình nghiên cứu 
Mô hình nghiên cứu là tổ hợp tuabin khí xả tăng áp cho động cơ diesel. Hình 1 là ảnh 
chụp cụm rô to và vành ống phun (cánh hướng) của tuabin tăng áp VTR160 tại phòng thí 
nghiệm Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. 
Hình 1. Hình dạng thật roto và vành cánh hướng tua bin khí xả 
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 170 
Phần tua bin ở đây có dạng hướng trục, bao gồm phần dẫn dòng từ miệng khí xả, qua 
cánh hướng và đi vào cánh tua bin. Để thuận tiện cho việc tính toán mô phỏng ta có thể mô 
hình hóa như sau: 
Ở đây, đầu vào là năng lượng khí xả, thể hiện qua các thông số như nhiệt độ, vận tốc, 
áp suất; đầu ra là mô men và số vòng quay trên trục. 
2.2. Cơ sở toán học 
- Về thủy khí động lực học: đây là bài toán máy cánh dẫn hướng trục với lưu chất 
dạng nén được (hình 3). Vì vậy, sự tương tác và trao đổi năng lượng của dòng khí xả thành 
công suất trên trục tua bin sẽ tuân thủ theo các phương trình chủ đạo như sau [2,3]: 
Phương trình Euler cho dòng khí qua tua bin: 
2
1 2
2 1 2 1
1
tan tanp
u uU
c T T
g U u
 (1) 
Trong đó: 
U = ω.r là vận tốc theo; V là vận tốc tổng hợp; VR: là vận tốc tương đối; v1=V1.sinα1; 
v2=V2sinα2; u1=V1.cosα1; u2=V2.cosα2; v1R=V1R.sinβ1; v2R=V2R.sinβ2; T là nhiệt độ; cp là hệ số 
áp suất, 
Tính toán lưu lượng khí xả động cơ SULZER 3AL25/30. 
- Số xy lanh : 3 
- Đường kính xy lanh : 250 mm 
- Hành trình piston : 300 mm 
- Thể tích xy lanh : 14726 cm3 
U Vi 
ViR 
vi 
viR 
ui 
αi 
βi 
I=0 
I=1 I=2 
roto stato
o 
Hình 3. Tam giác tốc độ tạo 3 mặt cắt 
Hình 2. Mô hình nghiên cứu 
Cánh hướng Cánh tua bin 
Đầu ra 
- Khí xả 
- công suất trên trục 
Đầu vào 
- năng lượng khí xả 
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 171 
- Vòng quay : 750 vg/ph 
- Công suất định mức : 408 kW 
- Suất tiêu hao nhiên liệu : 192,5 g/kW.h 
- Nhiệt độ khí xả : 815 K 
- Áp suất tăng áp Pk : 216,4 kpa 
Theo tài liệu [3], suất tiêu hao khí xả qua tuabin được tính theo công thức sau: 
 1....
3600
.
0 as
ee
hklt L
Ng
bGG 
 (2) 
Trong đó: 
 ge - Suất tiêu hao nhiên liệu: ge = 192,5 g/kW.h = 0,1925 kg/kW.h; 
 Ne - Công suất động cơ: Ne = 408 kW; 
 µs - Khối lượng 1 kmol không khí: µs = 28,95 kg/kmol; 
 α - Hệ số dư lượng không khí, chọn theo [3], với động cơ thấp tốc α = 2; 
 L0 - Lượng không khí lý thuyết đốt cháy 1 kg nhiên liệu: L0 = 0,495 kg/kmol; 
 φa - Hệ số khí quyét: φa = 1,05. 
Thay các giá trị trên vào phương trình, xác định được: 
)105,1.495,0.2.95,28.(
3600
408.1925,0
 ltG = 0,678 kg/s. 
Suất tiêu hao khí qua tuabin cũng là lưu lượng không khí ra khỏi động cơ là Glt = 
0,678 kg/s. 
Trường vận tốc và năng lượng được xác định qua phương trình động lượng và phương 
trình năng lượng như sau: 
 tv v v p v v g F
t
  

      
 
 (3) 
 eff hE v E p k T s
t

    

 (4) 
Trong đó E: là năng lượng; T: nhiệt độ; p: áp suất; : khối lượng riêng; : hệ số nhớt 
động lực học; g: gia tốc trọng trường; F, sk: kể đến yếu tố ảnh hưởng khác. 
- Về phương pháp số: bài toán được chia làm hai vùng, vùng một tính từ mặt vào qua 
cánh hướng đến trước khi đi vào cánh tua bin (vùng tĩnh); vùng hai từ đầu ra của vùng 1 
tương tác với cánh tua bin tới đầu ra (vùng quay). Như vậy cần chú ý đặt điều kiện biên cho 
đối tượng là “tường tĩ