Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình động cơ phản lực

Hình 2.4 - Boeing 747 2.1.3 Các loại của động cơ phản lực nói chung: Gồm có 2 loại động cơ chính: - Động cơ tuốc bin phản lực luồng - Động cơ tuốc bin phản lực khí 2.2 ĐỘNG CƠ TUỐC BIN P

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

-

CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA

LẦN THỨ XIX NĂM 2017

TÊN CÔNG TRÌNH:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ-TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số công trình: ……… (Phần này do BTC Giải thưởng ghi)

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT………i

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH………ii-iv Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.3 Nội dung nhiệm vụ đề tài 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 1

1.5 Kết cấu của ĐAMH 1

Chương 2: NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC 3

2.1 HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN………3

2.1.1 Khái niệm 3

2.1.2 Lịch sử phát triển 3

2.1.3 Các loại máy bay phản lực nói chung 5

2.2 ĐỘNG CƠ TUỐC BIN PHẢN LỰC LUỒNG 5

2.2.1 Nguyên lý hoạt động 6

2.2.2 Các bộ phận của động tuốc bin phản lực luồng 6

2.2.3 Các phép tính cơ bản lực đẩy của động cơ 13

2.2.4 Cải tiến trên động cơ phản lực 13

2.3 ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC KHÔNG KHÍ 14

2.3.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ phản lực không khí 15

2.3.2 Các đặc điểm của động cơ tuốc bin khí 16

2.3.3 Các bộ phận của đông cơ phản lực không khí 16

2.3.4 Phân loại 23

2.4 NHIÊN LIỆU ĐÔNG CƠ PHẢN 30

Chương 3: MÔ HÌNH LÀM DỰA TRÊN ĐÔNG CƠ TURBOFAN 30

3.1 ĐỘNG CƠ TURBOFAN 31

3.1.1 Các bộ phận chính của động cơ turbofan 33

3.1.2 Các thông số hoạt động của động cơ 45

Chương 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 48

4.1 VẼ CỬA HÚT GIÓ, BUỒNG ĐỐT, CÁNH QUẠT 48

Chương 5: THI CÔNG MÔ HÌNH (HOẶC MÔ PHỎNG) 60

Hình ảnh

Chương 6: KẾT LUẬN 62

6.1 KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Frank Whiltel

Hình 2.2: Hans on Ohain

Hình 2.3: Me 262 – Máy bay tiêm kích sử dụng ĐCPL đầu tiên trên thế giới Hình 2.4: Boeing 747

Hình 2.5: Các bộ phận của động cơ tuốc bin phản lực luồng

Hình 2.6: Các bộ phận của động cơ tuốc bin phản lực luồng trên mô hình Hình 2.7: Một động cơ tuốc bin phản lực luồng trưng bày

Hình 2.8: Cửa hút gió trên chiếc máy bay tiêm kích

Hình 2.9: Vị trí của của hút gió trên động cơ

Hình 2.10: Mô phỏng máy nén

Hình 2.11: Vị trí buồng đốt

Hình 2.12: Gif hoạt động của buồng đốt

Hình 2.13: Tuốc bin trên một động cơ mở

Hình 2.14: Cửa thoát khí khi động cơ hoạt động

Hình 2.15: Chu trình Brayton lý tưởng

Hình 2.16: Máy nén thấp áp – cao áp

Hình 2.17: Máy nén dọc trục

Hình 2.18: Buồng đốt trong một động cơ

Hình 2.19: Nhiệt độ hoạt động của buồng đốt

Hình 2.20: Tuốc bin

Hình 2.21: Máy nén cao áp – thấp áp thứ hai trong động cơ

Hình 2.22: Gif hoạt động của máy nén cao áp và thấp áp

Hình 2.23: Máy bay dân dụng của hãng hàng không airline

Hình 2.24: Máy bay chuyên chở sử dụng động cơ tuốc bin cánh quạt

Hình 2.25: Bộ phận cấu tạo của động cơ tuốc bin trục

Hình 2.26: Trực thăng MI 35

Hình 2.27: Bộ phận cấu tạo động cơ cánh quạt

Hình 3.1: Hệ thống động cơ và lực đẩy phản lực

Hình 3.2: Động cơ turbofan dạng ba guồng

Hình 3.3: Sự thay đổi tính chất dòng khí trong động cơ turbofan

Hình 3.4: Miệng hút của động cơ turbofan

Hình 3.5: Cách loại lá cách của fan

Hình 3.6: Máy nén hướng trục

Hình 3.7: Đường đặc tính của máy nén

Hình 3.8: Sơ đồi vectơ vận tốc và sự gia tăng áp suất dòng khí máy nén hướng lực Hình 3.9: Sự phân bố không khí trong buồng đốt

Hình 3.10: Sự cháy trong buồng đốt

Hình 4.1: Thiết kế cánh quạt của máy nén

Hình 4.2: Buồng đốt sau khi lắp

Hình 4.3: Lỗ thông khí trong buồng đốt trên phần mền autocad

Hình 4.4: Lỗ thông khí khi xuất ra pdf

Hình 4.5: Cánh quạt của động cơ xoay chiều

Hình 4.6: Ống dẫn khí gas bên trong động cơ

Hình 4.7: Ống đẫn khí gas bên trong mô hình của động cơ

Hình 4.8: Cánh nén số 1

Hình 4.9: Cánh nén số 2

Hình 5.1: Mô hình đã được hoàn thiện

Hình 5.2: Động cơ RC dùng để so sánh với mô hình

Phương tiện đi lại là một trong những vấn đề cấp thiết luôn được đặt ra và luôn tìm các hướng để giải quyết để con người ngày càng thuận tiện trong việc

di chuyển Và một phần nào đó cũng dành cho những con người đam mê tốc

độ Nói về tốc độ thì các động cơ đang tiến dần đều về với vận tốc của âm thanh, nhưng với những phương tiện di chuyển bằng đường bộ và đường thủy thì không thể nào đạt đến vận tốc lý tưởng của âm thanh được Nhưng với phương tiện di chuyển bằng đường hàng không thì đã đạt được vận tốc của âm thanh từ nhiều năm về trước Cột mốc đánh dấu sự kiện lịch sử này là sự ra đời của máy bay tiêm kích gắn động cơ phản lực đạt được vận tốc của âm thanh Vì sao động cơ phản lực có đưa máy bay đạt được vận tốc âm thanh, đó là lý do thúc đẩy nhóm tìm hiểu về động cơ phản lực

Tìm hiểu về động cơ với tài liệu có sẵn trên trang web wikipedia và xem những clip trên youtube để hiểu thêm về động cơ phản lực.Tổng hợp các kiến thức có trên các trang web các cuốn sách có liên quan về động cơ phản lực Và sau đó trình bày những kiến thực của nhóm tìm hiểu được cho GVHD và sau

đó tổng hợp lại kiến thức sau khi giao GVHD đã nhận xét

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

là lý do thúc đẩy nhóm tìm hiểu về động cơ phản lực

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:

- Mục tiêu của nhóm muốn tìm hiều sơ qua sự hoạt động của động cơ phản lực của máy bay, mô tả lại động cơ ấy có các bạn và thầy giáo hiểu rõ hơn

- Cách tổng hợp kiến thức từ những tài liệu có sẵn

- Cách trình bày một văn bản khoa học

Thiết kế chế tạo mô hình động cơ

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Tìm hiểu về động cơ với tài liệu có sẵn trên trang web wikipedia và xem những clip trên youtube để hiểu thêm về động cơ phản lực.Tổng hợp các kiến thức có trên các trang web các cuốn sách có liên quan về động cơ phản lực Và sau đó trao đổi kiến thực tìm hiểu được cho nhau để bổ sung kiến thức sau đó tổng hợp lại kiến thức sau đó làm mô hình và cuốn thuyết mình cho đề tài

Chương 2: NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC

2.1 HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN:

2.1.1 Khái niệm:

Động cơ tuốc bin phản lực luồng (Turbojet engine) còn được gọi là máy đẩy

luồng, là kiểu cổ nhất của động cơ phản lực không khí nói chung, đến ngày nay vẫn tiếp tục sử dụng và phát triển Hai kĩ sư, Frank Whittle ở nước Anh và Hans von Ohain

ở Đức, độc lập phát triển khái niệm về loại động cơ máy đẩy luồng (còn gọi là động cơ tuốc bin phản lực luồng) từ cuối những thập kỷ 1930

Hình 2.1 – Frank Whiltel Hình 2.2 – Hans on Ohain

2.1.2 Lịch sử phát triển:

Và những năm sau đó động cơ phản lực tiếp tục phát triển Và lần đầu tiên được đưa vào sử dụng nhằm mục đích quân sự năm 1944, giai đoạn cuối Chiến tranh thế giới thứ 2 Và chiếc máy bay tiêm kích trong quân sự đầu tiên trên thế giới sử dụng động cơ phản lực Me 262 – Nhưng đã bị Hitler ngăn cản đưa vào cuộc chiến tranh thế giới

Hình 2.3 - Me 262

Những năm sau đó nhờ vào động cơ phản lực và trí tuệ của loài người đã đưa những chiếc máy bay đạt được vận tốc âm thanh Lúc đầu máy bay sử dụng động cơ phản lực chỉ sử dụng cho vận tải, của quân sự

Nhưng năm sau đó máy được sử dụng vào thương mai Năm 1970 chiếc Boeing-747 là chiếc máy bay sử dụng động cơ phản lực được xem là Phượng hoàng của bầu trời đạt kỉ lục về sức chứa hành Sự phát triểu được xem vượt bậc của nhân loại là sự ra đời của động cơ phản lực không khí

Đến ngày nay động cơ phản lực đã và đang từng ngày phát triển để đưa chúng

ta, con người đi xa hơn về phía tương lai của nhân loại

Hình 2.4 - Boeing 747 2.1.3 Các loại của động cơ phản lực nói chung:

Gồm có 2 loại động cơ chính:

- Động cơ tuốc bin phản lực luồng

- Động cơ tuốc bin phản lực khí

2.2 ĐỘNG CƠ TUỐC BIN PHẢN LỰC LUỒNG

Hoạt động dựa trên: Không khí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút khí và được nén tới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt Ở đây không khí trộn với nhiên liệu và được đốt cháy Quá trình cháy này khiến nhiệt độ khí tăng lên rất nhiều Các sản phẩm cháy nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng đốt và chạy qua turbin để làm quay máy nén Dù quá trình này làm giảm nhiệt độ và áp suất khí

thoát ra khỏi turbin, thì những tham số của chúng vẫn vượt cao hơn so với điều kiện bên ngoài Luồng khí bên trong turbin thoát ra ngoài thông qua ống thoát khí, tạo ra một lực đẩy phản lực ngược chiều Nếu tốc độ phản lực vượt quá tốc độ bay, máy bay

sẽ có được lực đẩy tiến về phía trước Tốc độ luồng khí phụt nói chung phụ thuộc vào tốc độ bay, đây cũng là lý do các máy bay muốn có tốc độ vượt âm, hiện nay phải sử dụng loại động cơ này

2.2.2 Các bộ phận của động cơ tuốc bin phản lực luồng:

Bao gồm cửa hút gió là bộ phận khi nhìn vào đông cơ phản lực ta thấy đầu tiên, sau đó là bộ phận máy nén, buồng đốt, trục động cơ, tuốc bin (turbine), sau cùng là ống thoát khí

Hình 2.5 – Các bộ phận của động cơ tuốc bin phản lực luồng

1 Máy nén; 2 Buồng đốt; 3 Trục động cơ

4 Tuốc bin; 5 Ống thoát khí

Hình 2.6 – Các bộ phận của động cơ tuốc bin phản lực luồng trên mô hình

1 Cửa hút gió; 2 Máy nén; 3 Buồng đốt; 4 Trục động cơ

5 Tuốc bin; 6 Ống thoát khí;

a) Cửa hút gió:

Hình 2.7 – Động cơ tuốc bin phản lực luồng trưng bày

Hình 2.8 - Vị trí cửa hút gió trên động cơ

1 Máy nén; 2 Buồng đốt; 3 Trục động cơ

4 Tuốc bin; 5 Ống thoát khí

Hình 2.9 - Cửa hút gió trên một máy bay tiêm kích

Biểu đồ thể hiện hoạt động luồng li tâm của một động cơ turbin phản lực Máy nén hoạt động nhờ giai đoạn turbin và đẩy khí đi nhanh hơn, buộc nó phải chạy song song với trục đẩy

Biểu đồ thể hiện hoạt động của dòng khí quanh trục trong động cơ turbin phản lực Ở đây, máy nén cũng hoạt động nhờ turbin, nhưng dòng khí vẫn song song với trục đẩy Phía trước máy nén là cửa hút gió (hay cửa vào), nó được thiết kế để hút được càng nhiều không khí càng tốt Sau khi qua cửa hút gió, không khí đi vào hệ thống nén

Hình 2.10 – Mô phỏng máy nén

Có nhiều kiểu máy nén được dùng cho máy bay động cơ phản lực tuốc bin

và tuốc bin khí nói chung: trục, ly tâm, trục-ly tâm, ly tâm đôi

Các máy nén giai đoạn đầu có tỷ lệ nén tổng thể ở mức thấp 5:1 (tương tự mức của đa

số các động cơ phụ và máy bay động cơ turbin phản lực loại nhỏ ngày nay) Những cải tiến khí độc lực sau này cho phép các máy bay dùng động cơ turbin phản lực ngày nay đạt tỷ lệ nén tổng thể ở mức 15:1 hay cao hơn So sánh với các động cơ phản lực cánh quạt đẩy) dân dụng hiện nay có tỷ lệ nén tổng thể lên tới 44:1 hay cao hơn

Sau khi đi ra khỏi bộ phận nén, không khí nén vào trong buồng đốt

c) Buồng đốt:

Quá trình đốt bên trong buồng đốt khác rất nhiều so với quá trình đốt trong động cơ piston Trong một động cơ piston khí cháy bị hạn chế ở khối lượng nhỏ, khi nhiên liệu cháy, áp suất tăng lên đột ngột Trong một động cơ turbin phản lực, hỗn hợp không khí và nhiên liệu, không hạn chế, đi qua buồng đốt Khi hỗn hợp cháy, nhiệt độ của nó tăng đột ngột, áp lực trên thực tế giảm đi vài phần trăm

Hình 2.11 – Vị trí của buồng đốt

Nói chi tiết, hỗn hợp không khí-nhiên liệu phải được ngăn lại ở mức hầu như dừng hẳn để đảm bảo tồn tại một ngọn lửa cháy ổn định, quá trình này diễn ra ngay đầu buồng đốt Và chưa tới 25% không khí tham gia vào quá trình cháy, ở một số loại động cơ tỷ lệ này chỉ đạt mức 12% phần còn lại đóng vai trò dự trữ để hấp thu nhiệt tỏa ra từ quá trình đốt nhiên liệu Một khác biệt nữa giữa động cơ piston và động cơ phản lực là nhiệt độ đỉnh điểm trong động cơ piston chỉ diễn ra trong khoảnh khắc, trong một phần nhỏ của toàn bộ quá trình Buồng đốt trong một động cơ phản lực luôn đạt mức nhiệt độ đỉnh và có thể làm chảy lớp vỏ ngoài Vì thế chỉ một lõi ở giữa của

dòng khí được trộn với đủ nhiên liệu đảm bảo cháy thực sự Vỏ ngoài được thiết kế với hình dạng sao cho luôn có một lớp không khí sạch không cháy nằm giữa bề mặt kim loại và nhân giữa Lớp không khí không cháy này được trộn với các khí cháy làm nhiệt độ giảm xuống ở mức turbin có thể chịu đựng được Một điểm quan trọng khác

là ở động cơ turbine, quá trình đánh lửa của bugi chỉ xảy ra trong quá trình khởi động,

và ngọn lửa được duy trì bởi chính nó trong suốt quá trình hoạt động

Hình 2.12 – Quá trình hoạt động của buồng đốt

d) Turbin

Hình 2.13 – Tuốc bin trên một động cơ mở

Khí nóng ra khỏi buồng đốt được hướng chạy qua các lá turbine làm quay turbine Về mặt khí động các lá turbine có cấu tạo gần giống như các lá máy nén nhưng chỉ có hai hoặc ba tầng và bản chất hoàn toàn ngược với máy nén Khí nóng qua turbine giãn nở sinh công làm quay các tầng turbine Turbine quay sẽ kéo quay máy nén Một phần năng lượng quay của turbine được tách ra để cung cấp cho các phụ kiện như bơm nhiên liệu, dầu, thủy lực

e) Ống thoát khí

Sau turbin, khí cháy thoát ra ngoài qua ống thoát khí tạo ra một tốc độ phản lực lớn Ở ống thoát khí hội tụ, các ống dẫn hẹp dần dẫn tới miệng thoát Tỷ lệ áp lực ống thoát khí của một động cơ phản lực thường đủ lớn để khiến khí đạt tốc độ Mach 1.0

Hình 2.14 – Cửa thoát khí khi động cơ hoạt động

Tuy nhiên, nếu có lắp một ống thoát khí kiểu hội tụ-phân kì "de Laval", vùng phân rã cho phép khí nóng đạt tới tốc độ trên âm ngay bên trong chính ống thoát khí Cách này có hiệu suất lực đẩy hơi lớn hơn sử dụng ống thoát khí hội tụ Tuy nhiên, nó lại làm tăng trọng lượng và độ phức tạp của động cơ

2.2.3 Cách phép tính cơ bản của lực đẩy của động cơ:

a) Lực đẩy thực

Dưới đây là phương trình gần đúng để tính toán lực đẩy thực của động cơ phản lực:

Trong đó :

m : là lưu lượng dòng khí vào

Vjfe : là vận tốc sau của dòng khí sau động cơ (vận tốc của khí được phun ra)

Va : là vận tốc của dòng khí vào động cơ, bằng với vận tốc bay của máy bay

Fn = m (Vjfe - Va)

Trong khi m.Vjfe thể hiện tổng lực đẩy của không khí, m.Va thể hiện the ram drag của cửa hút gió Rõ ràng tốc độ phản lực vượt qua tốc độ bay nết có một lực đẩy vào thân máy bay

b) Tỷ lệ lực đẩy trên năng lượng

Một động cơ turbin phản lực đơn giản tạo ra lực đẩy gần: 2.5 pounds lực trên sức ngựa (15 mN/W) Trong khi thể hiện tổng lực đẩy của ống thoát khí, thể hiện the ram drag của cửa hút gió Rõ ràng tốc độ phản lực phải vượt quá tốc độ bay mới có một lực đẩy thực vào thân máy bay

2.2.4 Cải tiến trên động cơ phản lực

 Những cải tiến chu trình hoạt động:

Việc tăng tỉ số nén chung của hệ thống nén làm tăng nhiệt độ đầu vào buồng đốt Vì vậy, với một lưu lượng khí và nhiên liệu cố định, cũng làm tăng nhiệt độ đầu vào tua-bin Tuy nhiệt độ tăng lên cao hơn qua máy nén, nhưng dẫn đến việc rơi nhiệt

độ lớn hơn trên hệ thống tua-bin, nhiệt độ vòi phun không bị ảnh hưởng bởi vì lượng nhiệt như nhau được thêm vào hệ thống Tuy nhiên việc đó làm tăng áp suất vòi phun, bởi vì tỉ số áp suất chung tăng nhanh hơn tỉ số giãn nở của tua-bin Kết quả là tăng lực đẩy trong khi thiêu hao nhiên liệu (nhiên liệu/lực đẩy) giảm

Do động cơ phản lực tăng áp (turbojets) có thể chế tạo để sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn bằng cách tăng tương ứng cả tỉ số áp suất chung và nhiệt độ đầu vào tua-bin Tuy vậy, vật liệu tua bin phải tốt hơn và/hoặc phải cải thiện làm mát cánh quạt/cánh lòng máng tua bin để phù hợp với việc tăng cả nhiệt độ đầu vào tua bin và nhiệt độ khí nén đầu ra của máy nén Cuối cùng việc tăng áp đòi hỏi vật liệu chế tạo máy nén phải tốt hơn

Các động cơ ban đầu của người Đức gặp các vấn đề nghiêm trọng về điều khiển nhiệt độ đầu vào tua-bin Các động cơ ban đầu của họ trung bình chỉ hoạt động khoảng

10 giờ là hỏng; Thường là các cánh lòng máng bằng kim loại bay ra phía sau động cơ khi tua-bin bị quá nhiệt Các động cơ của Anh chịu đựng tốt hơn bởi vì vật liệu tốt hơn Người Mỹ có vật liệu tốt hơn bởi vì họ có độ tin cậy vào bộ tăng áp siêu nạp dùng cho động cơ máy bay ném bom ở độ cao lớn trong Thế chiến hai Thời gian đầu, một

số động cơ phản lực của Mỹ đã kết hợp khả năng phun nước vào động cơ để làm lạnh luồng khí nén trước khi đốt, thường là khi cất cánh Nước làm cho việc đốt cháy không được hoàn toàn và kết quả là động cơ lại hoạt động làm mát lần nữa, nhưng máy bay cất cánh sẽ để lại một luồng khói lớn

Ngày nay, các vấn đề như vậy được kiểm soát tốt hơn, nhưng nhiệt độ vẫn giới hạn tốc độ không khí trong các máy bay vượt tiếng động (máy bay siêu thanh) Tại tốc

độ rất cao, việc nén không khí đầu vào làm tăng nhiệt độ đến mức mà các cánh nén có thể bị nung chảy Tại tốc độ thấp hơn, vật liệu tốt nhất được tăng tới nhiệt độ tới hạn,

và việc kiểm soát điều chỉnh nhiên liệu tự động làm cho việc động cơ bị quá nhiệt gần như được loại trừ

2.3 ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC KHÔNG KHÍ:

Động cơ phản lực không khí được chia làm 2 loại:

1 Động cơ phản lực không khí tạo phản lực trực tiếp

2 Động cơ phản lực không khí tạo phản lực gián tiếp

Cách phân loại này chỉ dùng cho cách thức sử dụng như thế nào Nhưng nhìn chung các bộ phận và nguyên lý hoạt động của chung như nhau đều là động cơ tuốc bin khí

2.3.1 Nguyên tắc hoạt động động cơ phản lực không khí:

Hình 2.15 - Chu trình Brayton lý tưởng

Chu trình Brayton: chu trình nguyên tắc hoạt động của động cơ Tuốc bin khí:

P - Áp suất; v - thể tích; q - nhiệt lượng; T - Nhiệt độ K°; s - Entropy1-2: Nén đẳng Entropy tại máy nén; 2-3: Gia nhiệt đẳng áp tại buồng đốt; 3-4: Giãn nở sinh công đẳng entropy tại tuốc bin; 4-1: khép kín chu trình đẳng áp bên ngoài môi trường

Máy nén khí quay làm không khí từ cửa hút của máy nén được nén lại để tăng

áp suất, trong quá trình đó không chỉ áp suất tăng mà nhiệt độ cũng tăng (ngoài ý muốn) Đây là quá trình tăng nội năng không khí trong máy nén Sau đó không khí chảy qua buồng đốt tại đây nhiên liệu (dầu) được đưa vào để trộn và đốt một phần không khí, quá trình cháy là quá trình gia nhiệt đẳng áp trong đó không khí bị gia nhiệt tăng nhiệt độ và thể tích mà không tăng áp suất Thể tích không khí được tăng lên rất nhiều và có nhiệt độ cao được thổi về phía tuốc bin với vận tốc rất cao Tuốc bin là khối sinh công tại đây không khí tiến hành giãn nở sinh công: Nội năng biến thành cơ năng: áp suất, nhiệt độ và vận tốc không khí giảm xuống biến thành năng lượng cơ học dưới dạng mô men tạo chuyển động quay cho trục tuốc bin Tuốc bin quay sẽ truyền

mô men quay máy nén cho động cơ tiếp tục làm việc Phần năng lượng còn lại của dòng khí nóng chuyển động với vận tốc cao tiếp tục sinh công có ích tuỳ thuộc theo thiết kế của từng dạng động cơ: phụt thẳng ra tạo phản lực nếu là động cơ phản lực của máy bay; hoặc quay tuốc bin tự do (không nối với máy nén khí) để sinh công năng hữu dụng đối với các loại động cơ tuốc bin khí khác

2.3.2 Các đặc điểm của động cơ tuốc bin khí:

 Động cơ rotor: trong động cơ này các khối công năng chính là máy nén và tuốc bin chỉ có chuyển động quay một chiều, khác với động cơ piston có khối công năng chính là piston của xi lanh chuyển động tịnh tiến

 Động cơ loại hở (tuyến khí hở): không khí từ lối vào của máy nén qua buồng đốt và

ra khỏi tuốc bin đều chảy qua khoảng không gian hở không có vùng không gian bị đóng kín (ví dụ như ở động cơ piston: không khí sinh công trong xi lanh là vùng không gian kín ngăn cách với bên ngoài bằng các van xu páp) Vì tính chất hở như vậy đảm bảo cho quá trình cháy trong buồng đốt là quá trình cháy đẳng áp (áp suất giữ nguyên) nếu cháy trong không gian kín quá trình cháy sẽ làm tăng áp suất không khí làm áp suất trong buồng đốt cao hơn áp suất tại máy nén, không khí bị gia nhiệt

có thể thổi ngược lại máy nén

 Động cơ quá trình liên tục: chu trình nhiệt động lực học của động cơ tuốc bin khí

là chu trình Brayton Về cơ bản, nó giống với chu trình của động cơ piston cũng có các chu trình hút – nén – gia nhiệt (đốt) – giãn nở Nhưng ở động cơ piston tất cả các giai đoạn đó diễn ra tại cùng một bộ phận (tại xi lanh động cơ) nhưng ở các thời điểm khác nhau, luân phiên theo quá trình hút, nén, nổ, xả, quá trình như vậy là quá trình gián đoạn Còn tại động cơ tuốc bin khí các quá trình này diễn ra liên tục nhưng tại các bộ phận khác nhau: tại máy nén quá trình nén liên tục, tại buồng đốt liên tục quá trình gia nhiệt, và tại tuốc bin liên tục quá trình giãn nở sinh công, chính yếu tố này quyết định tính công suất cao của loại động cơ này

2.3.3 Các bộ phận của động cơ phản lực không khí:

a) Khối nén khí:

Khối nén khí là một trong các khối công năng chính của động cơ tuốc bin khí

có chức năng làm tăng nội năng (áp suất) không khí tạo áp suất cho đỉnh trên (đỉnh

3 hình đồ thị P-v của chu trình Brayton) cho quá trình giãn nở sinh công (giai đoạn 3-4 trong đồ thị P-v Brayton) áp suất sau máy nén càng cao thì hiệu suất nhiệt động lực học càng lớn, do đó máy nén khí quyết định hiệu suất của động cơ Tại các động cơ tuốc bin khí hiện đại đòi hỏi tỷ số nén (Áp suất sau máy nén/áp suất trước máy nén) phải từ 10-20 Tất cả các loại máy nén khí trong động cơ tuốc bin khí đều theo nguyên

tắc dùng rãnh diffuser (thiết diện rãnh khí nở ra) để biến động năng (vận tốc) của dòng không khí thành nội năng (áp suất)

Hình 2.16 – Máy nén thấp áp – cao áp

Khối nén khí của động cơ tuốc bin khí có thể gồm các loại như:

 Ly tâm: không khí từ cửa hút gần trục, dưới tác dụng của lực ly tâm chạy theo rãnh của cánh ly tâm chạy ra bán kính lớn hơn Đĩa cánh quạt quay tạo cho không khí

có vận tốc tuyệt đối ngày càng cao Và khi chuyển động ly tâm theo chiều bán kính, rãnh đĩa ly tâm có hình dạng thiết diện nở ra (diffuser) sẽ làm giảm vận tốc chuyển động tương đối của không khí đối với rãnh đĩa ly tâm và làm tăng áp suất một cách tương ứng (động năng giảm, nội năng tăng – định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng) Loại máy nén này có hiệu suất cao và một loạt ưu điểm khác Tuy nhiên, với động cơ công suất lớn thì sẽ có kích thước theo bán kính lớn ên không thích hợp cho máy bay; nó chỉ để lắp đặt cho các động cơ cố định loại lớn hoặc lắp hạn chế cho một số loại trực thăng

Hình 2.17 – Máy nén dọc trục

Các tầng rotor của máy nén khí dọc trục (các tầng cánh quạt quay), ở đây phần Stator bị dỡ ra nên không nhìn thấy các cánh dẫn hướng trung gian giữa các tầng là các cánh cố định gắn vào stator

 Loại máy nén khí thông dụng nhất trong các động cơ tuốc bin khí hàng không là loại máy nén dọc trục (tiếng Anh: axial-flow compressor) về mặt khối lượng, hiệu suất loại dọc trục đều kém hơn máy nén khí ly tâm nhưng có hình dạng thon dài hình xì

gà rất thích hợp cho động cơ máy bay Trong loại máy nén này không khí bị các đĩa cánh quạt gia tăng vận tốc tuyệt đối và lùa không khí chảy dọc trục trong các rãnh khí giữa các cánh quạt Các rãnh khí này có hình dạng thiết diện nở ra (diffuser) và làm giảm vận tốc tương đối của không khí đồng thời làm tăng áp suất Vì hiệu suất nén của loại cánh quạt dọc trục không cao nên máy nén phải có nhiều tầng cánh quạt: không khí bị nén tại một tầng được dẫn hướng và nén tiếp trong tầng kế tiếp Động

cơ tuốc bin khí hiện đại thường có từ 10-20 tầng nén khí, giữa các tầng cánh quạt nén là các tầng cánh dẫn hướng trung gian được gắn cố định vào stator

 Máy nén ly tâm dọc trục: kết hợp tính chất của hai loại máy nén cơ bản trên

b) Buồng đốt:

Hình 2.18 – Buồng đốt trong một động cơ

Buồng đốt của động cơ tuốc bin khí là loại ống lửa hở thường là khoảng 7-10 ống được bố trí thành vòng tròn xung quanh trục động cơ phía sau khối nén và phía trước tuốc bin Mỗi ống lửa có một vòi phun nhiên liệu đặt ở mặt phía trước

Ống lửa thường là các đốt thép hình côn (giống như các đốt con nhộng) được đặt so le gối đầu và được hàn với nhau, tại các đường hàn đó có rất nhiều các lỗ nhỏ (đường kính lỗ 0,5-1mm): không khí của dòng thứ cấp chảy từ bên ngoài chảy qua các

lỗ này sẽ tạo thành các lớp khí làm mát sát mặt ống lửa bên trong để bảo vệ ống lửa Ngoài ra trên các đốt của ống lửa còn có các lỗ to để dòng không khí thứ cấp từ bên ngoài đi vào để làm chất giãn nở sinh công và để làm nguội dòng lửa nóng trước khi đi vào tuốc bin

Không khí từ máy nén gặp các ống lửa sẽ bị chia thành hai dòng khí dòng khí

sơ cấp – để đốt cháy nhiên liệu dòng khí này khoảng 30% khối lượng khí và dòng khí thứ cấp khoảng 70% để làm mát bảo vệ ống lửa và làm chất giãn nở sinh công và để hòa vào dòng lửa phụt để làm giảm nhiệt độ dòng lửa phụt khi đi vào tuốc bin

Dòng khí sơ cấp đi thẳng vào ống lửa qua các khe xoáy tại mặt trước ống lửa sẽ tạo thành dòng xoáy trộn với sương nhiên liệu được phun ra từ vòi phun nhiên liệu và

được đốt mồi bằng bugi (nến điện) lúc khởi động sau đó quá trình cháy là liên tục không cần nến điện nữa

Dòng khí thứ cấp chảy bao bọc bên ngoài ống lửa, một phần dòng khí này đi vào các lỗ nhỏ trên mối hàn tiếp giáp các đốt ống để đi vào bên trong ống lửa tạo thành lớp khí làm mát trên mặt trong của ống lửa để bảo vệ ống lửa Phần còn lại đi vào các

lỗ lớn trên các đốt ống để hòa vào dòng lửa phụt phần khí này để làm chất giãn nở sinh công và để giảm bớt nhiệt độ của dòng lửa phụt trước khi đi vào tuốc bin Tại trung tâm dòng lửa phụt nhiệt độ khoảng 1500-1600 °C nhưng khi đi vào tuốc bin nhiệt độ chỉ còn khoảng từ 800-1000 °C

Hình 2.19 – Nhiệt độ hoạt động của buồng đốt

Mặt sau của ống lửa để hở hướng thẳng vuông góc vào đĩa cánh tuốc bin Cơ cấu buồng đốt hở cho phép quá trình cháy, gia nhiệt trong buồng đốt là quá trình đẳng áp: không khí tăng nhiệt độ lên rất cao, sinh thể tích rất lớn, sinh vận tốc phụt rất cao nhưng áp suất tại điểm vào và ra khỏi buồng đốt là như nhau (điểm 2 và điểm 3 trên đồ thị P-v của chu trình Brayton) quá trình cháy đẳng áp cho phép luồng khí nóng trong buồng đốt chỉ phụt mạnh về phía tuốc bin mà không bị thổi ngược về phía khối nén khí

Hình 2.21 – Máy nén cao áp – thấp áp thứ hai

Để làm mát cho cánh tuốc bin cánh tuốc bin sẽ được làm rỗng và bên trong được dẫn khí làm mát Cánh tuốc bin là bộ phận chịu ứng suất cao nhất và là bộ phận nhiều rủi ro nhất: vừa chịu nhiệt độ rất cao vừa quay với vận tốc rất lớn nên công nghệ chế tạo tuốc bin là tổng hợp của các thành tựu của nhiều ngành khoa học như luyện kim, vật liệu, chế tạo máy

Tuốc bin được nối với máy nén khí để quay máy nén khí và còn được nối với các phụ tải khác Trong các động cơ máy bay thường chỉ có các tuốc bin nối với máy nén khí mà không có tuốc bin tự do (không nối với máy nén), còn tại các động cơ với những công năng khác thường bố trí tuốc bin tự do để nâng cao hiệu suất động cơ nâng cao tính năng vận hành của động cơ

d) Hệ thông thấp áp – cao áp:

Về mặt hiệu suất sẽ là tốt nhất nếu mỗi tầng máy nén – tuốc bin quay theo các vận tốc quay khác nhau (tầng nén phía ngoài quay chậm hơn, tầng phía trong quay nhanh hơn) nhưng như vậy sẽ rất phức tạp về chế tạo do đó để đảm bảo hợp lý về chế tạo và hiệu suất người ta chia máy nén thành hai khối: máy nén thấp áp (các tầng phía trước) và máy nén cao áp (các tầng phía sau) Tuốc bin cũng được chia thành hai khối: tuốc bin cao áp (các tầng phía trước) và tuốc bin thấp áp (các tầng phía sau) tuốc bin thấp áp lai máy nén thấp áp, tuốc bin cao áp lai máy nén cao áp

Hình 2.22 – Gif hoạt động của máy nén cao áp - thấp áp

Như vậy hai khối máy nén – tuốc bin này quay theo các vận tốc góc khác nhau, chúng là hai hệ trục đồng trục: trục cao áp bên ngoài và trục thấp áp bên trong

2.3.4 Phân loại:

Động cơ tuốc bin khí là động cơ có số lượng nhiều nhất và là động cơ chính của ngành hàng không cho máy bay, ngoài ra nó còn được lắp cho các mục đích khác như cho các trạm phát điện giờ cao điểm hoặc cho tàu biển cao tốc, tàu hoả, thậm chí một

Hình 2.23 – Máy bay dân dụng của hãng hàng không Airline

a) Động cơ tuốc bin cánh quạt

Đây là loại động cơ tuốc bin khí để lai cánh quạt tạo lực đẩy cho máy bay (tiếng Anh -Turbopropeller engine) Động cơ loại này có hiệu suất cao nhất nên tính kinh tế cao nhất trong các loại động cơ tuốc bin của hàng không, nhưng vì đặc điểm lực đẩy cánh quạt nên loại động cơ này cho vận tốc thấp nhất do đó loại này chuyên để lắp cho các máy bay vận tải khỏe, cần tính kinh tế cao nhưng không cần vận tốc lớn, điển hình như loại máy bay vận tải Lockheed C-130 Hercules của Mỹ

Hình 2.24 – Máy bay chuyên chở sử dụng động cơ tuốc bin cánh quạt

Cánh quạt được nối vào trục máy nén khí áp thấp qua hộp số giảm tốc Đặc điểm của loại động cơ này là tuốc bin của động cơ vừa lai máy nén vừa lai tải chính là cánh quạt nên phải thiết kế tuốc bin sao cho sử dụng được hết năng lượng của dòng khí nóng sau buồng đốt Với loại động cơ này, dòng khí sau khi ra khỏi tuốc bin có vận tốc còn rất thấp, nhiệt độ, áp suất gần cân bằng với môi trường

Vì cánh quạt nối thẳng với máy nén khí nên khi thay đổi tốc độ sẽ ảnh hưởng nhiều đến chế độ làm việc của máy nén và toàn bộ động cơ nên tính linh hoạt của loại động cơ này không tốt (hiệu suất giảm khi giảm công suất, tốc độ)

Loại này cũng để trang bị cho trực thăng mô men quay được truyền qua hộp số

và chuyển hướng để quay cánh quạt nâng nằm ngang (tiếng Anh: Turbo Shaft)

b) Động cơ tuốc bin phản lực

Động cơ tuốc bin phản lực (tiếng Anh - Turbojet engine) là động cơ tuốc bin khí dùng động năng của dòng khí nóng phụt thẳng về phía sau tạo phản lực đẩy máy bay về phía trước Đây là loại động cơ để trang bị cho máy bay phản lực nhất là các máy bay chiến đấu siêu thanh Loại động cơ này cho vận tốc cao nhất trong các loại động cơ tuốc bin của hàng không nhưng tính kinh tế thấp nhất

Tuốc bin của loại động cơ này chỉ khai thác một phần năng lượng dòng khí nóng sau buồng đốt chỉ đủ để lai máy nén khí còn phần năng lượng còn lại dùng để phụt thẳng vào môi trường tạo phản lực (chính vì vậy hiệu suất của loại động cơ này thấp)

Các loại động cơ phản lực phải có thêm một thiết bị là phễu phụt lắp phía sau tuốc bin để tăng tốc độ dòng khí Nếu là động cơ cho máy bay dưới tốc độ âm thanh thì phễu phụt có hình hội tụ (converge) còn đối với máy bay siêu âm thì áp dụng phễu phụt siêu âm (hội tụ – nở rộng hay còn gọi là phễu phụt De Laval theo tên nhà kỹ thuật người Hà Lan)

 Động cơ tuốc bin phản lực có buồng đốt tăng lực:

Là một loại của động cơ tuốc bin phản lực dùng cho các máy bay chiến đấu cao tốc nhất là các máy bay tiêm kích cần phát triển tốc độ chiến đấu nhất thời thật cao Về cấu tạo động cơ này rất giống các động cơ tuốc bin phản lực thông thường nhưng có thêm buồng đốt thứ cấp phía sau tuốc bin và phía trước phễu phụt buồng đốt này còn gọi là buồng đốt tăng lực tại buồng đốt này có các vòi phun nhiên liệu khi cần tăng tốc phun thêm nhiên liệu vào buồng tăng lực để đốt thêm tạo thêm lực đẩy phản lực Khi tăng lực hiệu suất rất thấp và tốn rất nhiều nhiên liệu nên máy bay chỉ tăng lực trong thời gian ngắn như khi công kích, bỏ chạy hoặc cơ động tránh tên lửa

 Đây chính là loại động cơ tuốc bin phản lực luồng chúng ta đã được tìm hiểu ở phía trên

c) Động cơ tuốc bin hai viền khí

Có tài liệu tiếng Anh gọi loại này là turbofan Đây là loại động cơ mà các cánh quạt tầng ngoài cùng của máy nén áp thấp có cấu tạo và kích thước đặc biệt lùa không khí làm hai dòng: một dòng đi qua động cơ (dòng số 3 trên hình vẽ) và một dòng đi vòng qua động cơ tạo lực đẩy trực tiếp (dòng số 4) và hai dòng này hòa vào nhau tại

phễu phụt vì vậy động cơ được gọi là động cơ hai viền khí (tiếng Anh: two-contour turbojet,) Đây là phương án trung gian giữa động cơ tuốc bin cánh quạt và động cơ

tuốc bin phản lực Đối với loại động cơ này có một chỉ số rất quan trọng đó là hệ số

hai viền khí (tiếng Anh: Bypass ratio) m là tỷ lệ thể tích của khối khí chạy bên ngoài

so với khối khí chạy bên trong động cơ, (đối với động tuốc bin phản lực thuần

túy m = 0) chỉ số càng lớn thì động cơ có hiệu suất càng tốt và càng giống động cơ

tuốc bin cánh quạt và vận tốc càng thấp, hệ số này lớn hơn 2 thì không thể phát triển

được vận tốc siêu âm Còn các động cơ siêu âm có hệ số m thấp hơn hoặc bằng 2

d) Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt

Có tài liệu tiếng Anh gọi loại động cơ này là động cơ turbofan nhưng có tài liệu lại gọi turbofan là động cơ hai viền khí nói chung Trong trường hợp chung nhất, Động

cơ tuốc bin phản lực cánh quạt trong tiếng Anh - Turbopropeller jet

Động cơ phản lực cánh quạt là một phiên bản nhánh của động cơ hai viền khí trong đó cánh quạt ngoài nằm hẳn ra ngoài được bao bằng vỏ capote ngoài, vỏ này ngắn nên hai dòng khí bên ngoài và bên trong động cơ không hòa vào nhau Nhìn bên ngoài rất dễ nhận ra loại động cơ này vì vỏ capote ngoài này ngắn tạo thành 2 lớp vỏ giật cấp

Đây là động cơ có hệ số m cao thường từ 6-10 và nghiêng về tính chất động cơ

cánh quạt Loại động cơ này thường ở các máy bay hành khách và vận tải dân dụng cần tốc độ và tính kinh tế hợp lý Các máy bay hành khách dân dụng nổi tiếng Boeing và Airbus trang bị các động cơ này

Động cơ tuốc bin trục (tiếng Anh - Turboshaft engine) là một dạng của động cơ

phản lực không khí có máy nén, tạo ra lực nâng nhờ cánh quạt rộng Động cơ tuốc bin trục không tạo ra lực đẩy nhờ khí phụt ra ngoài mà tạo lực đẩy gián tiếp (hay có thể hiểu là lực nâng) bằng cách tạo ra mô-men quay thông qua hộp truyền chuyển động, đổi góc quay, tạo lực nâng chủ yếu nhờ cánh quạt rộng nhằm tối ưu hóa để sản xuất năng lượng trục, chứ không phải là lực đẩy phản lực

Hình 2.25 – Bộ phận cấu tạo của động cơ tuốc bin trục

1 Máy nén; 2 Tuốc bin; 3 Buồng đốt ; 4 Một phần tuốc bin tự do;

Hình 2.26 – Trực thăng MI 35

Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt (tiếng Anh - Turbopropeller jet engine) là

một dạng của động cơ tuốc bin khí, cho ra lực đẩy tổng hợp vừa từ luồng khí phản lực phụt từ động cơ, vừa từ gió cánh quạt thổi không qua buồng đốt động cơ Vì thế Động

cơ tuốc bin phản lực cánh quạt còn được gọi là Động cơ phản lực hai luồng khí

Hình 2.27 – Bộ phận cấu tạo động cơ cánh quạt

1: Cánh quạt nén cao áp; 2: Máy nén thấp áp; 3: Máy nén áp cao; 4: Trục áp thấp;

5: Trục nén áp cao; 6: Buồng đốt; 7: Turbine thấp áp; 8: Ống phụt