✨Động cơ tuốc bin phản lực luồng

Động cơ tuốc bin phản lực luồng

thumb

Động cơ tuốc bin phản lực luồng (tiếng Anh - Turbojet engine, viết tắt - TurboJet; tiếng Nga - Турбореактивный двигатель, viết tắt - ТРД) hay còn gọi là máy đẩy luồng là kiểu cổ nhất của động cơ phản lực không khí nói chung và đến ngày nay vẫn tiếp tục sử dụng, phát triển. Hai kỹ sư, Frank Whittle ở Anh Quốc và Hans von Ohain ở Đức, đã độc lập phát triển khái niệm về loại động cơ này từ cuối thập kỷ 1930. Máy bay chiến đấu, được trang bị động cơ phản lực, lần đầu tiên được đưa vào sử dụng năm 1944, giai đoạn cuối Chiến tranh thế giới thứ hai.

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 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.

Các động cơ tuabin phản lực tạo được vòng quay lớn, nhiệt độ làm việc cao nên đòi hỏi công nghệ chế tạo đặc biệt.

Cửa hút gió

phải|nhỏ|Một hình ảnh động của một máy nén hướng trục.  Các lưỡi màu đậm hơn là các stator (sta-to) phải|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. phải|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.

Máy nén không khí

Máy nén quay ở tốc độ rất cao, làm tăng năng lượng cho dòng khí, cùng lúc nén khí lại khiến nó tăng áp suất và nhiệt độ.

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 không khí/điều hòa áp suất, chống đóng băng cửa hút khí, và nhiều việc khác.

Có nhiều kiểu máy nén được dùng cho máy bay động cơ phản lực turbin và turbin khí nói chung: trục, ly tâm, trục-ly tâm, ly tâm đôi, vân vân.

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.

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.

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.

Turbin

nhỏ|Cánh turbine trong 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...

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.

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.

Lực đẩy thực

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

F_n = m \cdot (V_{jfe} - V_a)

khi:

m = \,lưu lượng khối lượng dòng khí vào V_{jfe} =\, vận tốc của dòng khí sau động cơ (vận tốc dòng khí được phun ra) (in the exhaust plume) V_a =\, vận tốc của dòng khí vào động cơ, bằng với tốc độ bay của máy bay

Trong khi m.V_{jfe}\, thể hiện tổng lực đẩy của ống thoát khí, m.V_a\, 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.

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

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.

Nguồn

*Constructing A Turbocharger Turbojet Engine., Edwin H. Springer., Turbojet Technologies 2001.

👁️ 3 | 🔗 | 💖 | ✨ | 🌍 | ⌚
thumb **Động cơ tuốc bin phản lực luồng** (tiếng Anh - _Turbojet engine_, viết tắt - _TurboJet_; tiếng Nga - _Турбореактивный двигатель_, viết tắt - _ТРД_) hay còn gọi là **máy đẩy luồng** là kiểu
phải|nhỏ|Động cơ tua bin phản lực cánh quạt phải|nhỏ|Động cơ tua bin phản lực cánh quạt GE90-115B **Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt** (tiếng Anh - _Turbopropeller jet engine_, viết tắt - _PropJet_
Sơ đồ chỉ ra nguyên lý làm việc của một động cơ tuốc bin trục loại đơn giản. Động cơ tuốc bin trục Klimov VK-2500 sử dụng trong máy bay trực thăng của Nga. **Động
**Động cơ tua bin khí** (tiếng Anh - **Gas turbine engine**) là loại động cơ nhiệt dạng rotor, trong đó chất giãn nở sinh công là không khí. Động cơ này gồm ba bộ phận
thumb|right|Máy bay tiêm kích [[F-15E Strike Eagles của Không quân Mỹ]] thumb|Động cơ phản lực không khí của một chiếc máy bay chở khách đang cất cánh, có thể thấy rõ luồng khí phụt phía
right|thumb|Sơ đồ phác thảo của một động cơ phản lực thẳng thumb|right|Sơ đồ thiết bị ĐCPL dòng thẳng sử dụng nhiên liệu lỏng.
1. Dòng không khí đi vào;
2. Vật trung
[[Rotor của một **tuốc bin hơi nước** hiện đại, lắp đặt trong nhà máy điện]] **Tua bin hơi nước (steam turbine)** là một loại thiết bị được dùng để chuyển đổi nhiệt năng (dưới dạng
**PowerJet SaM146** là động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt hệ số hai viền khí cao do Snecma của Pháp và NPO Saturn của Nga hợp tác sản xuất thông qua PowerJet. Snecma lo
**Lockheed C-130 Hercules** là một máy bay vận tải đa năng hạng trung bốn động cơ tuốc bin cánh quạt không vận chiến lược của nhiều lực lượng quân sự trên toàn thế giới.Hơn 40
**F-16 Fighting Falcon** ** (Chim Cắt)** là một máy bay chiến đấu phản lực đa nhiệm vụ do General Dynamics và Lockheed Martin sản xuất dành riêng cho Không quân Mỹ. Được thiết kế như
**Aero L-39 Albatros** là một chiếc máy bay huấn luyện đa tính năng được phát triển tại Tiệp Khắc để đáp ứng các yêu cầu cho loại "C-39" (C viết tắt của _Cvičný_ - huấn
**Antonov An-24** (Tên hiệu NATO: "Coke") là một máy bay vận tải 44 chỗ ngồi sử dụng hai động cơ tuốc bin cánh quạt được sản xuất tại Liên bang Xô viết nay là Ukraina)
**D-36** là loại động cơ máy bay tuốc bin phản lực cánh quạt hệ số viền khí cao do A.G. Ivchenko thiết kế, đây là loại động cơ cuối cùng do ông phát triển trước
**M-701** là loại động cơ máy bay tuốc bin phản lực do công ty Motorlet tại Tiệp Khắc thiết kế để trang bị trên các máy bay huấn luyện Aero L-29 của hầu hết các
**F100** là loại động cơ máy bay tuốc bin phản lực cánh quạt do hãng Pratt & Whitney tại Hoa Kỳ phát triển để trang bị cho các chiếc F-15 Eagle và F-16 Fighting Falcon.
**DV-2** là loại động cơ máy bay tuốc bin phản lực cánh quạt được hợp tác phát triển bởi Považské Strojárne Letecké Motory (PSLM) của Tiệp Khắc và Cục thiết kế Ivchenko Lotarev của Liên
Crocodile GenaCrocodile GenaCrocodile Gena **AI-222-25** là loại động cơ máy bay tuốc bin phản lực cánh quạt có hệ số lực đẩy trên trọng lượng cao do công ty Ivchenko-Progress phát triển từ AI-222 như
**GE Honda HF120** là loại động cơ máy bay tuốc bin phản lực cánh quạt dành cho thị trường máy bay phản lực kinh doanh hạng nhẹ đang được phát triển bởi GE Honda Aero
**PW6000** là loại động cơ máy bay tuốc bin phản lực cánh quạt hệ số hai viền khí cao do hãng Pratt & Whitney tại Hoa Kỳ bắt đầu phát triển từ khoảng năm 1994
nhỏ|260x260px| [[Lockheed T-33 Shooting Star|Lockheed T-33 là máy bay huấn luyện phản lực được sản xuất nhiều nhất]] **Máy bay huấn luyện phản lực** là máy bay phản lực được sử dụng làm máy bay
Bãi tuốc bin gió Middelgrunden, 2009 **Bãi tuốc bin gió Middelgrunden** là một bãi tuốc bin gió ngoài khơi của Đan Mạch, trong eo biển Oresund, ở độ sâu từ 4 tới 8 m, cách
liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp tin:JamesWattEngine.jpg|nhỏ|Một mô hình của một động cơ [[Chùm (cấu trúc)|beam có liên kết song song của James Watt cho dẫn động kép. ]] frame|phải|Hình minh họa sự khác nhau giữa nguyên lý hoạt động
Mô hình động cơ tên lửa nhiên liệu rắn **Động cơ tên lửa** là động cơ phản lực trong đó chứa toàn bộ nguồn môi chất làm việc và nguồn năng lượng, trong quá trình
Động cơ TF-30 được sản xuất bởi Pratt & Whitney là động cơ phản lực bên trong có thêm một động cơ cánh quạt cung cấp thêm lực đẩy đầu tiên trên thế giới có
nhỏ|upright=1.35|Hình ảnh cắt ngang một bộ tăng áp đỡ bằng [[đệm lá kim loại sản xuất bởi Mohawk Innovative Technology]] **Bộ tăng áp động cơ** _()_ là hệ thống nạp nhiên liệu cưỡng bức trong
**Chengdu J-9** (tiếng Trung: 歼-9) là một loại máy bay tiêm kích đánh chặn đã bị hủy bỏ trong quá trình phát triển tại Trung Quốc. Nó được đề xuất vào năm 1964 bởi Viện
**General Electric GE90** là một gia đình động cơ phản lực được xây dựng bởi GE Aviation dành cho Boeing 777, với xếp hạng lực đẩy từ 74.000 đến 115.000 lbf (330-510 kN). Nó được đưa vào
**Fuji T-1** là một loại máy bay huấn luyện phản lực cận âm do Fuji Heavy Industries (nay là tập đoàn Subaru) thiết kế sản xuất, và được sử dụng bởi Lực lượng Phòng vệ
**Guizhou JL-9** còn được gọi là **FTC-2000 Mountain Eagle** (), là một loại máy bay huấn luyện phản lực tiên tiến và máy bay chiến đấu hạng nhẹ siêu thanh do Guizhou Aviation Industry Import/Export
**HESA Yasin** () là một loại máy bay huấn luyện phản lực được thiết kế và chế tạo bởi các chuyên gia của Lực lượng Vũ trang Cộng hòa Hồi giáo Iran. ## Lịch sử
**Boeing NC-135** và **NKC-135** là các phiên bản máy bay đặc biệt của Boeing C-135 Stratolifter và Boeing KC-135 Stratotanker được Boeing sửa đổi lại để hoạt động trong một số chương trình nhiệm vụ
**Shenyang JJ-1**, còn được gọi là **Hong Zhuan-503** hoặc **_Red Special_**, là một loại máy bay huấn luyện phản lực được phát triển tại Trung Quốc trong thập niên 1950. Đây là mẫu máy bay
**JSC Kuznetsov** () là một trong những nhà sản xuất động cơ máy bay lớn của Nga, ngoài ra JSC Kuznetsov cũng phát triển và chế tạo động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng cũng
**YE-50**, tiếng Nga Е-50. Được phát triển bởi phòng thiết kế máy bay OKB Mikoyan và Gurevich (nơi thiết kế các MiG, tiếng Nga: ОКБ Микояна, Гуревича). **YE-50**, YE-1, YE-2 là những máy bay mang
**Tupolev Tu-95** (Tên hiệu NATO **Bear**) là loại máy bay ném bom chiến lược hạng nặng và mang tên lửa hành trình thành công nhất và có thời gian phục vụ lâu nhất của Tupolev,
**Boeing–Saab T-7 Red Hawk**, ban đầu được gọi là **Boeing T-X** (sau này là **Boeing–Saab T-X**), là một loại máy bay huấn luyện phản lực siêu thanh tiên tiến nâng cao do Boeing của Hoa
**Tupolev Tu-16** (Tên hiệu NATO: **Badger**) là một máy bay ném bom phản lực cận âm hai động cơ được Liên bang Xô viết sử dụng. Nó đã hoạt động hơn 50 năm, và với
**Antonov An-22 _Антей**_ (tiếng Nga Antaeus) (tên hiệu NATO "**Cock**"), là chiếc máy bay bốn động cơ cánh quạt lớn nhất thế giới. Sử dụng bốn động cơ tua bin cánh quạt với cánh đúp
Chiếc **Il-18** (Tên hiệu NATO: _Coot_) thứ hai là một máy bay chở khách động cơ tua bin cánh quạt tương tự chiếc Lockheed L-188 Electra. Là một trong những máy bay nổi tiếng nhất
**Tupolev Tu-104** (Tên hiệu NATO: **Camel** - Lạc đà) là một máy bay chở khách tầm trung hai động cơ tuốc bin phản lực của Liên bang Xô viết. Sau chiếc de Havilland Comet của
**Boeing 767** là loại máy bay chở khách phản lực thân rộng của Mỹ do Boeing Commercial Airplanes chế tạo. Nó là loại máy bay thân rộng hai động cơ đầu tiên của Boeing và
**KAI KT-1 Woongbi** (Hangul: KT-1 웅비) là mẫu máy bay huấn luyện cơ bản có một động cơ tuốc bin cánh quạt của Hàn Quốc. Nó được đồng phát triển bởi KAI và Nha Phát
**Hongdu JL-8** (**Nanchang JL-8**) còn được gọi là **Karakorum-8** hoặc gọi tắt là **K-8**, là một loại máy bay huấn luyện phản lực hạng trung hai chỗ ngồi và máy bay cường kích hạng nhẹ,
**Avro Vulcan** là một máy bay ném bom cánh tam giác tốc độ hạ âm của Anh Quốc, được Không quân Hoàng gia sử dụng từ năm 1953 tới năm 1984. Vulcan là một phần
**Mikoyan MiG-31** (tiếng Nga: МиГ-31) (tên ký hiệu của NATO: "Foxhound") (cáo săn chồn) là một máy bay tiêm kích đánh chặn siêu âm được phát triển để thay thế cho MiG-25 'Foxbat'. MiG-31 được
**Mitsubishi T-2** là một loại máy bay huấn luyện phản lực siêu thanh do Mitsubishi thiết kế sản xuất và được sử dụng bởi Lực lượng Phòng vệ Trên không Nhật Bản (JASDF). Đây là
**Tupolev Tu-22** (Tên hiệu NATO **Blinder**) là một máy bay ném bom và trinh sát phản lực Xô viết. Tu-22 thường bị nhầm với Tu-22M, loại máy bay hiện đại hơn được phát triển từ
**McDonnell Douglas MD-80** là một dòng máy bay phản lực thương mại hai động cơ, có tầm bay từ tầm ngắn đến tầm trung, có một lối đi. Series MD-80 là phiên bản kéo dài
**Tupolev Tu-144** (Tên hiệu NATO: Charger) là chiếc máy bay vận tải siêu thanh (SST) đầu tiên, được chế tạo dưới sự chỉ đạo của phòng thiết kế Tupolev Xô viết do Alexei Tupolev (1925–2001)
**Tupolev Tu-28** (Tên hiệu NATO **'Fiddler**') được Liên bang Xô viết phát triển trong thập niên 1960 với vai trò máy bay đánh chặn tầm xa. Cũng được gọi là **Tu-128**, đây vẫn là loại