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

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH
BAN CHẤP HÀNH TP. HỒ CHÍ MINH
----------------------

CƠNG 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 MƠ HÌNH
ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ-TỰ ĐỘNG HĨA

Mã số cơng 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 KHƠNG KHÍ...................................................... 14
2.3.1 Ngun tắc hoạt động của động cơ phản lực khơng khí...........................15
2.3.2 Các đặc điểm của động cơ tuốc bin khí....................................................16
2.3.3 Các bộ phận của đơng cơ phản lực khơng khí..........................................16
2.3.4 Phân loại....................................................................................................23
2.4 NHIÊN LIỆU ĐƠNG CƠ PHẢN.................................................................30
Chương 3: MƠ 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 thơng số hoạt động của động cơ.......................................................45


Chương 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ........................................................................48
4.1 VẼ CỬA HÚT GIĨ, BUỒNG ĐỐT, CÁNH QUẠT..................................48
Chương 5: THI CƠNG MƠ HÌNH (HOẶC MƠ PHỎNG)....................................60
Hình ảnh................................................................................................................
Chương 6: KẾT LUẬN..............................................................................................62
6.1 KẾT LUẬN....................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................63


i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ĐCPL

Động cơ phản lực


ii

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 mơ 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: Mơ 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 thốt 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 khơng 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.


iii

Hình 3.2: Động cơ turbofan dạng ba guồng.
Hình 3.3: Sự thay đổi tính chất dịng 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 dịng khí máy nén hướng lực.
Hình 3.9: Sự phân bố khơng khí trong buồng đốt.
Hình 3.10: Sự cháy trong buồng đốt.
Hình 3.11: Buồng đốt dạng multiple-can.
Hình 3.12: Buồng đốt annular.
Hình 3.13: Turbine hướng trục.
Hình 3.14: Dịng khí qua turbine dạng xung lực ở gốc lá cánh và dạng phản lực ở mũi
lá cánh.
Hình 3.15: Ống xả.
Hình 4.1: Thiết kế cánh quạt của máy nén.
Hình 4.2: Buồng đốt sau khi lắp.
Hình 4.3: Lỗ thơng khí trong buồng đốt trên phần mền autocad.
Hình 4.4: Lỗ thơng 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 mơ hình của động cơ
Hình 4.8: Cánh nén số 1
Hình 4.9: Cánh nén số 2


iv

Hình 4.10: Cánh nén số 3
Hình 4.11: Cánh nén số 4
Hình 4.12: Cánh tĩnh 1
Hình 4.13: Cánh tĩnh 2
Hình 4.14: Miệng hút khí
Hình 4.15: Ổ đỡ
Hình 4.16: Tuốc bin
Hình 4.17: Thân động cơ
Hình 4.18: Trục
Hình 4.19: Vịng bi
Hình 4.20: Bản vẽ lắp
Hình 5.1: Mơ hình đã được hồn thiện.
Hình 5.2: Động cơ RC dùng để so sánh với mơ hình.


TÓM TẮT
Phương tiện đi lại là một trong những vấn đề cấp thiết ln được đặt ra và
ln 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 khơng thể nào đạt đến vận tốc lý tưởng của âm thanh được. Nhưng với
phương tiện di chuyển bằng đường hàng khơng 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 .


-1-

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Phương tiện đi lại là một trong những vấn đề cấp thiết ln được đặt ra và ln
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 khơng thể nào đạt đến vận tốc lý
tưởng của âm thanh được. Nhưng với phương tiện di chuyển bằng đường hàng khơng
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.
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, mơ 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.

-

Cách làm việc theo nhóm.

-

Biết cách thiết lập bản vẽ kỹ thuật.

-

Đọc bản vẽ kỹ thuật.

3. NỘI DUNG ĐỀ TÀI:
Tìm hiểu về động cơ phản lực.
Thiết kế chế tạo mơ 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 đở i kiến

thực tìm hiểu được cho nhau để bổ sung kiến thức sau đó tổng hợp lại kiến thức sau đó
làm mơ hình và cuốn thuyết mình cho đề tài.


-2-

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 khơng 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.


-3-

Hình 2.3 - Me 262

Những năm sau đó nhờ vào động cơ phản lực và trí tuệ của lồi 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 khơng 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.


-4-

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
2.2.1 Nguyên lý hoạt động:
Hoạt động dựa trên: Khơng 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
khơng 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


-5-

thốt ra khỏi turbin, thì những tham số của chúng vẫn vượt cao hơn so với điều kiện
bên ngoài. Luồng khí bên trong turbin thốt ra ngồi thơng qua ống thốt 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 đơng 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 thốt 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 thốt khí


-6-

Hình 2.6 – Các bộ phận của động cơ tuốc bin phản lực luồng trên mơ hình
1. Cửa hút gió; 2. Máy nén; 3. Buồng đốt; 4. Trục động cơ
5. Tuốc bin; 6. Ống thốt khí;
a) Cửa hút gió:


-7-

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 thốt 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.


-8-

Biểu đồ thể hiện hoạt động của dịng khí quanh trục trong động cơ turbin phản
lực. Ở đây, máy nén cũng hoạt động nhờ turbin, nhưng dịng 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 khơng khí càng tốt. Sau khi qua cửa hút gió, khơng khí đi vào hệ
thống nén
b) Máy nén:
Máy nén quay ở tốc độ rất cao, làm tăng năng lượng cho dịng 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, khơng khí nén được
lấy từ máy nén trong nhiều giai đoạn để phục vụ các mục đích khác như điều hịa
khơng khí/điều hịa áp suất, chống đóng băng cửa hút khí, và nhiều việc khác.

Hình 2.10 – Mơ 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.

-9-

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, khơng khí nén vào trong buồng đốt.
c) Buồng đốt:
Q 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 khơng 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 khơng 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% khơng khí tham gia vào quá trình cháy, ở một số loại
động cơ tỷ lệ này chỉ đạt mức 12% phần cịn 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 tồn bộ q trình. Buồng đốt trong một động cơ phản lực luôn
đạt mức nhiệt độ đỉnh và có thể làm chảy lớp vỏ ngồi. Vì thế chỉ một lõi ở giữa của


- 10 -

dịng khí được trộn với đủ nhiên liệu đảm bảo cháy thực sự. Vỏ ngoài được thiết kế
với hình dạng sao cho ln có một lớp khơng khí sạch không cháy nằm giữa bề mặt
kim loại và nhân giữa. Lớp khơng khí khơng 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 q trình hoạt động.

Hình 2.12 – Quá trình hoạt động của buồng đốt
d) Turbin


- 11 -

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


- 12 -

Hình 2.14 – Cửa thốt khí khi động cơ hoạt động
Tuy nhiên, nếu có lắp một ống thốt 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 thốt khí.
Cách này có hiệu suất lực đẩy hơi lớn hơn sử dụng ống thốt 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 tốn lực đẩy thực của động cơ phản
lực:
Fn = m . (Vjfe - Va)
Trong đó :
m : là lưu lượng dịng khí vào
Vjfe : là vận tốc sau của dịng khí sau động cơ (vận tốc của khí được phun ra)
Va : là vận tốc của dịng khí vào động cơ, bằng với vận tốc bay của máy bay


- 13 -

Trong khi m.Vjfe thể hiện tổng lực đẩy của khơng 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 thốt 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 vịi phun khơng bị ảnh hưởng bởi vì lượng

nhiệt như nhau được thêm vào hệ thống. Tuy nhiên việc đó làm tăng áp suất vịi 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 tuabin. 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


- 14 -

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 khơng
được hồn 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 khơng khí trong các máy bay vượt tiếng động (máy bay siêu thanh). Tại tốc
độ rất cao, việc nén khơng 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 KHƠNG KHÍ:
Động cơ phản lực khơng khí được chia làm 2 loại:

1. Động cơ phản lực khơng khí tạo phản lực trực tiếp
2. Động cơ phản lực khơng 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.


- 15 -

2.3.1 Nguyên tắc hoạt động động cơ phản lực khơng 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 cơng
đẳng entropy tại tuốc bin; 4-1: khép kín chu trình đẳng áp bên ngồi mơi trường
Máy nén khí quay làm khơng khí từ cửa hút của máy nén được nén lại để tăng
áp suất, trong q trình đó khơng chỉ áp suất tăng mà nhiệt độ cũng tăng (ngoài ý
muốn). Đây là q trình tăng nội năng khơng khí trong máy nén. Sau đó khơng khí
chảy qua buồng đốt tại đây nhiên liệu (dầu) được đưa vào để trộn và đốt một phần
khơng khí, q trình cháy là q trình gia nhiệt đẳng áp trong đó khơng khí bị gia nhiệt
tăng nhiệt độ và thể tích mà khơng tăng áp suất. Thể tích khơng 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 khơng khí tiến hành giãn nở sinh cơng: Nội năng biến thành cơ
năng: áp suất, nhiệt độ và vận tốc khơng 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 cịn lại của
dịng khí nóng chuyển động với vận tốc cao tiếp tục sinh cơng 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 cơng
năng hữu dụng đối với các loại động cơ tuốc bin khí khác.

- 16 -

2.3.2 Các đặc điểm của động cơ tuốc bin khí:


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



Động cơ loại hở (tuyến khí hở): khơng khí từ lối vào của máy nén qua buồng đốt và
ra khỏi tuốc bin đều chảy qua khoảng không gian hở khơng có vùng khơng gian bị
đóng kín (ví dụ như ở động cơ piston: khơng khí sinh cơng trong xi lanh là vùng
khơng gian kín ngăn cách với bên ngồi 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 khơng gian kín q trình cháy sẽ làm tăng áp suất khơng
khí làm áp suất trong buồng đốt cao hơn áp suất tại máy nén, khơng 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, q trình như vậy là q
trình gián đoạn. Cịn tại động cơ tuốc bin khí các q 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 q trình giãn nở sinh cơng, chính yếu tố
này quyết định tính cơng suất cao của loại động cơ này.
2.3.3 Các bộ phận của động cơ phản lực khơng khí:

a) Khối nén khí:
Khối nén khí là một trong các khối cơng năng chính của động cơ tuốc bin khí
có chức năng làm tăng nội năng (áp suất) khơng 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 địi 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


- 17 -

tắc dùng rãnh diffuser (thiết diện rãnh khí nở ra) để biến động năng (vận tốc) của dịng
khơng 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: khơng 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 khơng 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 khơng 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 hố năng

lượng). Loại máy nén này có hiệu suất cao và một loạt ưu điểm khác. Tuy nhiên, với
động cơ cơng suất lớn thì sẽ có kích thước theo bán kính lớn ên khơng 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.