Động cơ phản lực (ĐCPL) là động cơ nhiệt tạo ra lực đẩy theo nguyên lý phản lực, trong đó, có sự biến đổi thế năng nhiên liệu thành động năng dòng phản lực của môi chất làm việc. Như vậy, ĐCPL hoạt động theo nguyên lý của định luật ba Newton (Đối với mỗi lực tác động bao giờ cũng có một phản lực cùng độ lớn, nói cách khác, các lực tương tác giữa hai vật bao giờ cũng là những cặp lực cùng độ lớn, cùng phương, ngược chiều và khác điểm đặt.).
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Trang 2BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Trang 3BẢNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN CÔNG VIỆC NHÓM
ĐẢM NHẬN
CÁ NHÂN TỰ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
GV ĐÁNH GIÁ
HOÀN THÀNHTỐT
HOÀN THÀNHTỐT
HOÀN THÀNHTỐT
Trang 4MỤC LỤ
BẢNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN CÔNG VIỆC NHÓM 0
LỜI CẢM ƠN 4
1 Tên các loại động cơ phản lực không khí hiện nay 5
1.1 Động cơ phản lực tuabin khí 5
a) Turbojet engine (Động cơ tuabin phản lực 1 luồng) 5
b) Turboprop (Động cơ tuabin cánh quạt) 5
c) Turbofan engine (Động cơ tuabin phản lực 2 luồng) 6
d) Turboshaft (Động cơ trục dẫn) 7
e) Động cơ phản lực không tuabin khí 7
f) Scramjet (Supersonic combustion ramjet) 8
g) Rocket (Tên lửa) 8
h) Lực đẩy thực 9
1.2 So sánh động cơ phản lực và động cơ tên lửa về nguyên lí hoạt động 9
a) Động cơ tên lửa 10
b) Động cơ phản lực không khí 10
2 Các động cơ chính của máy bay phản lực 11
2.1 Thân Máy Bay ( Fuselage ) 11
2.2 Cánh Nâng Chính ( Wings) 11
2.3 Cánh tà sau ( Flaps ) và Cánh liệng ( Ailerons ) 12
2.4 Cánh đuôi ngang ( Tail wing ) 13
2.5 Đuôi đứng 13
2.6 Động cơ tuabin phản lực nguồn 14
2.7 Cửa hút gió 15
2.8 Máy nén 15
3 Phân tích và giải thích cơ sở vật lí trong nguyên lý hoạt động của động cơ máy bay phản lực và động cơ tên lửa 15
3.1 Động cơ máy bay phản lực 15
a) Phân tích 15
1
Trang 5c) Giải thích 16
3.2 Động cơ tên lửa 17
a) Phân tích 17
b) Giải thích 21
3.3 Tác dụng và phản tác dụng 21
4 Các yếu tố vật lý và kĩ thuật ảnh hưởng đến sự khác biệt : Tên lửa có thể bay ra ngoài vũ trụ còn máy bay phản lực thì không 23
4.1 Vấn đề đầu tiên: Bản chất của động cơ 23
4.2 Vấn đề thứ 2: Nhiên liệu và công suất động cơ 25
4.3 Vấn đề thứ 3: Bản chất của máy bay và tên lửa 25
KẾT LUẬN 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO 28
2
Trang 6MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 5
Hình 2 6
Hình 3 6
Hình 4 7
Hình 5 8
Hình 6 9
Hình 7 11
Hình 8 12
Hình 9 12
Hình 10 13
Hình 11 14
Hình 12 15
Hình 13 16
Hình 14 17
Hình 15 18
Hình 16: Một động cơ tên lửa nhiên liệu rắn ngay trước và sau đánh lửa 19
Hình 17: Tiến sĩ Robert H Goddard và tên lửa xăng-oxygen lỏng của ông trên giàn phóng của nó vào 16/03/1926 tại Auburn, Massachusetts Nó bay chỉ được 2,5 giây, lên cao 41 feet, và tiếp đất cách đó 184 feet 20
Hình 18 20
Hình 19 21
Hình 20 22
Hình 21 23
Hình 22 24
Hình 23 25
Hình 24 26
3
Trang 7LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Công Nghiệp ThựcPhẩm đã đưa môn học Vật Lý Đại Cương vào chương trình giảng dạy Đặc biệt, em xingửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên bộ môn - Thầy Hoàng Minh Đồng đã tận tìnhhướng dẫn chỉ bảo chúng em trong quá trình thực hiện đề tài Trong thời gian tham gialớp học, chúng em đã có thêm cho mình nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệuquả, nghiêm túc Đây chắc sẽ là những kiến thức quý báu, là hành trang để có thể vữngbước sau này Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện- Điện tử, trường đại học CôngNghiệp Thực Phẩm đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập và thực hiện đề tài tốtnghiệp này
Chúng con xin chân thành cảm ơn ông bà, cha mẹ đã luôn động viên ủng hộ vật chấtlẫn tinh thần trong suốt thời gian qua
Chúng em xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ và ủng hộ của các anh chị bạn bè trongquá trình thực hiện khóa đề tài Mặc dù đã cố gắng hoàn thành khóa luận trong phạm vi
và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót
Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm, góp ý và tận tình chỉ bảo của quý thầy
cô và các bạn
TP Hồ Chí Minh, 18 tháng 6 năm 2021
4
Trang 81 Tên các loại động cơ phản lực không khí hiện nay
*Động cơ phản lực (ĐCPL) là động cơ nhiệt tạo ra lực đẩy theo nguyên lý phản lực, trong đó, có sự biến đổi thế năng nhiên liệu thành động năng dòng phản lực của môi chất làm việc Như vậy, ĐCPL hoạt động theo nguyên lý của định luật ba Newton (Đối với
mỗi lực tác động bao giờ cũng có một phản lực cùng độ lớn, nói cách khác, các lực tương tác giữa hai vật bao giờ cũng là những cặp lực cùng độ lớn, cùng phương, ngược chiều
và khác điểm đặt.).
1.1 Động cơ phản lực tuabin khí
a) Turbojet engine (Động cơ tuabin phản lực 1 luồng)
Là loại độn cơ được ứng dụng cho các máy bay chiến đấu với tốc độ cao, linh hoạt,khả năng tăng tốc nhanh chóng, tiêu tốn nhiều nhiên liệu Lực đẩy tạo ra của loại động cơnày dựa trên việc tăng tốc của dòng khí phụt ra sau động cơ
Hình 1
b) Turboprop (Động cơ tuabin cánh quạt)
Thường được sử dụng trên các máy bay nhỏ, tầm bay thấp, ít cơ động, tốc độ thấp hoặc trên các máy bay vận tải
5
Hình 2
Trang 9Động cơ này dùng phần lớn năng lượng của nhiên liệu cung cấp cho dòng khí để làmquay tuabin dẫn động cánh quạt tạo ra lực đẩy Lực đẩy được sinh ra nhờ cánh quạt chiếmtới 85% - 90% tổng lực đẩy.
c) Turbofan engine (Động cơ tuabin phản lực 2 luồng)
Là loại động cơ kết hợp của 2 loại động cơ Turbojet và Turboprop Động cơ này mang ưu điểm kết hợp của 2 loại động cơ trên Động cơ Turbojet engine mạnh mẽ, tiêu tốn nhiều nhiên liệu dùng cho các máy bay trên âm Trong khi động cơ Turboprop thường dùng cho các máy bay nhỏ, máy bay vận tải vận tốc dưới âm nhưng tiết kiệm nhiên liệu Động cơ Turbofan được sử dụng cho các máy bay thương mại ở tốc độ cận âm (~0.8 Mach) có hiệu quả kinh tế cao bởi vừa đủ sự mạnh mẽ lại vừa tiết kiệm nhiên liệu
6
Hình 3
Trang 10Đúng như cái tên gọi thì động cơ này sử dụng 1 tầng cánh quạt Không khí sau khi điqua tầng cánh quạt sẽ đi ra luồng ngoài tạo lực đẩy (80-85%), phần không khí còn lại sẽ
đi vào luồng trong, được nén, hòa trộn nhiên liệu, đốt cháy rồi được dãn nở sinh công làmquay tuabin Tuabin cao áp dẫn động máy nén cao áp, tuabin thấp áp dẫn động máy nén thấp áp và tầng cánh quạt Khác với động cơ turbojet, ở turbofan thì lực đẩy sinh ra từ luồng khí dãn nở sau tuabin chỉ đóng góp 10-15% tổng lực đẩy
d) Turboshaft (Động cơ trục dẫn)
Hình 3
Động cơ loại này được dùng trên máy bay trực thăng Cũng giống như động cơ Turboprop, năng lượng của dòng khí sau dãn nở được sử dụng hết để dẫn động cánh quạt thông qua hộp số
e) Động cơ phản lực không tuabin khí
Ramjet
Được sử dụng trên các máy bay trên âm Động cơ loại này không có máy nén và tuabin như động cơ tuabin khí Không khí được dẫn vào động cơ qua miệng hút sẽ được nén (nén do vận tốc cao), sau đó sẽ đi vào buồng đốt hòa trộn lẫn với nhiên liệu Hỗn hợp không khí và nhiên liệu sẽ được đốt cháy, khí nóng thoát ra ngoài qua ống xả tạo nên lực đẩy
7
Trang 11Hình 4 f) Scramjet (Supersonic combustion ramjet)
Là một biến thể của động cơ Ramjet Sự khác biệt đó là ở động cơ Ramjet thì vận tốc của dòng khí đầu vào là dòng trên âm, khi tới buồng đốt thì sẽ được giảm về vận tốc dưới âm Còn ở trên động cơ Scramjet thì dòng khí đi từ đầu vào cho tới đầu ra đều giữ ở vận tốc trên âm Công nghệ Scramjet đang là một thách thức lớn bởi vì không thể thực hiện thử nghiệm được ở trên mặt đất
g) Rocket (Tên lửa)
8
Hình 5
Trang 12Tên lửa có cấu tạo bao gồm một bình nhiên liệu, một bình oxy, phía sau là buồng cháy nơi mà nhiên liệu và oxy được hòa trộn và đốt cháy trước khi qua ống xả kiểu Laval
đi ra ngoài Tên lửa có thể đạt được vận tốc rất cao do vận tốc của dòng khí ra là rất lớn
h) Lực đẩy thực
Dưới đây là một phương trình gần đúng để tính toán lực đẩy thực của một động cơ phản lực:
khi:
lưu lượng khối lượng dòng khí vào
vận tốc của dòng khí sau động cơ (vận tốc dòng khí được phun ra) (in the exhaust plume).vận tốc của dòng khí vào động cơ, bằng với tốc độ bay của máy bay
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 nếu có một lực đẩy thực vào thân máy bay
1.2 So sánh động cơ phản lực và động cơ tên lửa về nguyên lí hoạt động
Động cơ phản lực không khí và tên lửa là động cơ phản ứng dựa trên định luật thứ
ba của Newton Động cơ tên lửa cũng là động cơ phản lực với ít biến thể cụ thể giữa hailoại Lực đẩy của cả hai là từ tốc độ xả của động cơ.Khí thải của động cơ tên lửa đạt tốc
9
Trang 13độ âm thanh gần họng vòi phun, và sự giãn nở trong vòi phun nhân thêm tốc độ, tạo ra tiakhí thải siêu âm Động cơ phản lực sử dụng không khí và nhiên liệu để đốt cháy, và hoạtđộng ở tốc độ cận âm hoặc âm thanh Động cơ phản lực chỉ hoạt động trong khí quyển,ngược lại tên lửa có thể hoạt động trong chân không và trong khí quyển Động cơ phảnlực lấy oxy để đốt cháy từ khí quyển nhưng tên lửa có oxy riêng.
a) Động cơ tên lửa
Động cơ tên lửa, hay đơn giản là "tên lửa", là một loại động cơ phản lực chỉ sử dụngkhối lượng đẩy, tạo ra khí có áp để tạo thành phản lực đẩy tốc độ cao được dẫn qua vòiphun để tạo ra lực đẩy trong động cơ Tên lửa Hầu hết chúng là động cơ đốt trong, và thay
vì sử dụng vật liệu bên ngoài để tạo thành phản lực, chúng sử dụng khí thải từ động cơ vimạch Vận tốc xả cao nhất của máy bay phản lực là từ động cơ tên lửa
Cơ chế hoạt động chính của động cơ tên lửa được chia thành ba thành phần chính, vàhơi khác với loại chất đẩy được sử dụng Đầu tiên là quá trình đốt cháy hoặc đốt nóng khíđẩy, tạo ra khí thải, thứ hai là đưa nó qua một vòi đẩy siêu thanh, giúp đẩy khí thải lên tốc
độ cao bằng cách sử dụng nhiệt năng của chính khí Sau đó, động cơ được đẩy theo hướngngược lại, như phản ứng với dòng khí thải Điều này mang lại hiệu quả nhiệt động lực họctốt hơn dựa trên nhiệt độ và áp suất cao Đó là bởi vì ở nhiệt độ cao, tốc độ âm thanh cũngrất cao Vận tốc âm tỷ lệ thuận với bình phương nhiệt độ của khí thải
Việc chế tạo động cơ tên lửa phụ thuộc vào kiểu sử dụng thuốc phóng Nhiều động
cơ là động cơ đốt trong, sử dụng khối lượng đẩy của hỗn hợp nhiên liệu và các thành phầnoxy hóa, hoặc sự kết hợp giữa chất rắn và chất lỏng, hoặc khí đẩy Loại còn lại là nungnóng khối phản ứng trơ về mặt hóa học bằng cách sử dụng nguồn năng lượng cao thôngqua bộ trao đổi nhiệt
b) Động cơ phản lực không khí
Động cơ phản lực không khí bao gồm nhiều bộ phận như quạt, máy nén, bộ đốt,tuabin, bộ trộn và vòi phun Sự sẵn có và sự sắp xếp của các bộ phận này cùng với cơ cấutruyền động đã tạo ra các loại động cơ phản lực khác nhau Động cơ hút không khí và nén
nó trong máy nén Sau đó, không khí nén và đốt nóng được đưa đến thiết bị đốt và trộnvới nhiên liệu và đốt cháy Khí thải được đưa đến tuabin để tạo ra lực đẩy động cơ
Các loại động cơ phản lực không khí hiện có là: phản lực, tuốc bin phản lực, phảnlực cánh quạt, động cơ phản lực cánh quạt và trục tuabin Nguyên tắc hoạt động của tất cảcác động cơ là tương tự với các ngoại lệ sau Trong tuabin phản lực, một phần khí nénđược cấp trực tiếp cho tuabin Mặc dù nó không được đốt nóng như khí thải từ lò đốt, nómang một khối lượng không khí lớn và do đó, đóng góp một phần lớn hơn vào tổng lựcđẩy Trong động cơ phản lực cánh quạt và tuốc bin phản lực, lực đẩy cũng được tạo ra bởi
10
Trang 14một cánh quạt Trong quạt tuabin, tổng lực đẩy được tạo ra bởi một cánh quạt như chúng
ta có thể thấy trên máy bay trực thăng
2 Các động cơ chính của máy bay phản lực
2.1 Thân Máy Bay ( Fuselage )
Phần thân của máy bay được gọi là thân máy bay Nó thường có dạng ống dài Cácbánh của máy bay được gọi là bánh đáp Có hai bánh xe chính ở hai bên thân máybay Sau đó, có một bánh xe nữa gần phía trước của máy bay Hệ thống phanh của bánh
xe cũng giống như hệ thống phanh của ô tô Chúng được vận hành bằng bàn đạp, mỗi bànđạp một bánh Hầu hết các thiết bị hạ cánh có thể được gấp gọn vào thân máy bay trongsuốt chuyến bay và mở ra để hạ cánh
2.2 Cánh Nâng Chính ( Wings)
11
Hình 7
Trang 15Tất cả các máy bay đều có cánh Các cánh có hình dạng với bề mặt nhẵn Có một đường cong trên cánh giúp đẩy không khí trên đỉnh nhanh hơn so với dưới cánh Khi cánh
di chuyển, không khí chảy trên đỉnh phải đi xa hơn và nó chuyển động nhanh hơn không khí bên dưới cánh Vì vậy, áp suất không khí bên trên cánh nhỏ hơn bên dưới nó Điều này tạo ra lực nâng lên Hình dạng của đôi cánh quyết định tốc độ và độ cao của máy bay Cánh được gọi là airfoils
2.3 Cánh tà sau ( Flaps ) và Cánh liệng ( Ailerons )
Hình 6
Các "cánh tà sau" và "cánh liệng" là bộ phận cử động được ở phía sau của các cánh
ngang Các cánh tà nằm ở phía sau cánh nâng chính, phía gần thân máy bay có thể thu
12
Hình 8
Trang 16vào trong cánh chính hoặc đẩy dài ra, ngoài ra còn có thể chúc xuống phía dưới Chuyển
động chúc xuống hoặc kéo dài ra của cánh tà nhằm tăng lực nâng (đồng thời làm tăng lụccản) khi máy bay cất hạ cánh Chuyển động của cánh tà 2 bên có thể giống nhau hoặckhác nhau tùy loại máy bay và điều kiện bay
Cánh liệng (aileron)cũng nằm mép sau cánh nhưng ở phía xa thân (đầu mút cánh)chỉ có thể cụp xuống hoặc vểnh lên Cánh liệng 2 bên khi chuyển động thì sẽ chuyển độngngược chiều nhau nhằm tạo ra một moment xoay làm máy bay xoay quanh trục dọc(rolling) vì khi đó lực nâng 2 bên cánh khác nhau
2.4 Cánh đuôi ngang ( Tail wing )
Phần đuôi ở phía sau máy bay tạo sự ổn định Vây là phần dọc của đuôi Bánh lái ởphía sau máy bay di chuyển sang trái và phải để điều khiển chuyển động sang trái hoặcphải của máy bay Thang máy được tìm thấy ở phía sau máy bay Chúng có thể được nânglên hoặc hạ xuống để thay đổi hướng của mũi máy bay Máy bay sẽ đi lên hoặc đi xuốngtùy thuộc vào hướng di chuyển của thang máy
Đuôi ngang để tạo lực nâng ở phần đuôi máy bay, lực này sẽ cùng lực nâng ở cánh
chính cân bằng mô men với trọng lực tại trọng tâm máy bay cho phép máy bay không bịlộn vòng (nếu không có cánh đuôi ngang thì lực nâng tại đôi cánh và trọng lực tại trọngtâm máy bay sẽ tạo thành mô men làm máy bay bị lộn vòng)
2.5 Đuôi đứng
13
Hình
Trang 17Đuôi đứng có chức năng định hướng, giữ cho thân máy bay ổn định theo chuyển
động thẳng về phía trước Trên cánh đuôi đứng có bộ phận cử động được là cánh bánhlái đuôi sẽ đóng vai trò bánh lái thông thường: Khi cánh bánh lái đứng đối xứng sẽ không
có lực tác dụng theo chiều ngang nhưng khi nó quay sang phải hoặc trái sẽ sinh lực tácdụng ngang vào bánh lái đuôi sang trái hoặc sang phải tương ứng Lực này tạo mô men(với tay đòn là khoảng cách từ bánh lái đến trọng tâm báy bay) làm máy bay hướng mũisang phải hoặc trái tương ứng (yawing)
Các cánh lưng (spoiler) nằm trên lưng cánh chính về phía sau, chỉ có thể ngóc lên,hướng về phía sau Khi spoiler bên nào ngóc lên, lực nâng cánh đó giảm xuống, máy baynghiêng về phía đó Spoiler có tác dụng hỗ trợ cánh liệng (aileron) trong quá trìnhnghiêng máy bay Thông thường chỉ spoiler một phía hoạt động, phía kia nằm im
Slats là các tấm cánh nhỏ nằm ở trên lưng cánh nhưng ở phía trước, khi hoạt độngthì vểnh lên, hướng về phía trước có tác dụng như phanh khí động, làm tăng lực cản củamáy bay khi máy bay hạ cánh Thông thường slat của cả hai phía cùng vểnh lên một lúc
2.6 Động cơ tuabin phản lực nguồn
Hình 7
Một động cơ turbin phản lực thường được dùng làm động cơ đẩy cho máy bay.Không khí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút khí và đượcnén tới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt Ở đây không khí trộn với nhiên liệu và
14
Trang 18được đốt cháy Quá trình cháy này khiến nhiệt độ khí tăng lên rất nhiều Các sản phẩmcháy nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng đốt và chạy qua turbin để làm quay máy nén Dùquá trình này làm giảm nhiệt độ và áp suất khí thoát ra khỏi turbin, thì những tham số củachúng vẫn vượt cao hơn so với điều kiện bên ngoài Luồng khí bên trong turbin thoát rangoài thông qua ống thoát khí, tạo ra một lực đẩy phản lực ngược chiều Nếu tốc độ phảnlực vượt quá tốc độ bay, máy bay sẽ có được lực đẩy tiến về phía trước Tốc độ luồng khíphụt nói chung phụ thuộc vào tốc độ bay, đây cũng là lý do các máy bay muốn có tốc độvượt âm, hiện nay phải sử dụng loại động cơ này.
Đối với hầu hết các máy bay dùng động cơ phản lực turbin, không khí nén được lấy
từ máy nén trong nhiều giai đoạn để phục vụ các mục đích khác như điều hòa khôngkhí/điều hòa áp suất, chống đóng băng cửa hút khí, và nhiều việc khác
3 Phân tích và giải thích cơ sở vật lí trong nguyên lý hoạt động của động cơ máy bay phản lực và động cơ tên lửa
3.1 Động cơ máy bay phản lực
15
Hình 8