Động cơ turbofan Hệ thống động cơ và lực đẩy có nhiệm vụ đưa máy bay vượt qua lực cản của không khí tác dụng vào bề mặt máy bay khi bay bằng thường đều, cả lực quán tính của máy bay khi
Trang 1Chương 2
GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ TURBOFAN
– ĐỘNG CƠ PW4084D –
2.1 Động cơ turbofan
Hệ thống động cơ và lực đẩy có nhiệm vụ đưa máy bay vượt qua lực cản của không khí tác dụng vào bề mặt máy bay khi bay bằng thường đều, cả lực quán tính của máy bay khi bay tăng tốc, và cả một phần trọng lượng của máy bay khi bay lên dốc
Năng lượng đốt cháy nhiên liệu trong động cơ được biến đổi để cung cấp động năng cho dòng không khí đi qua hệ thống, làm gia tăng vận tốc của khối lượng không khí này và tạo ra lực đẩy
Hệ thống động cơ và lực đẩy đầu tiên là hệ thống động cơ piston và chong chóng Hệ thống động cơ và lực đẩy này thích hợp cho những máy bay thời kì ban đầu với vận tốc thấp Công suất động cơ piston càng lớn càng làm tăng tốc độ máy bay, nhưng do đặc tính của chong chóng mà tốc độ này chỉ giới hạn ở khoảng 750 km/giờ Hơn nữa, một động cơ piston công suất quá lớn thì không còn phù hợp để sử dụng cho máy bay Động cơ phản lực ra đời, từ động cơ turbojet thuần túy những năm 1940 đến động cơ turbofan, turboprop những năm 1950, 1960, đã mau chóng chứng tỏ khả năng ưu việt ở cả tốc độ bay lẫn lực đẩy và được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không ngày nay
Động cơ turbine máy quạt – turbofan – là một dạng sửa đổi của động cơ turbojet, trong đó một phần năng lượng tạo ra từ động cơ được sử dụng để quay một máy quạt (fan) hoạt động trong ống bao quanh động cơ Phần lớn dòng khí đi qua động cơ turbofan chuyển động qua cánh quạt và vòng phía ngoài (bypass) phần lõi động cơ, làm gia tăng vận tốc dòng khí để cung cấp lực đẩy
Ưu điểm của loại động cơ này là tạo lực đẩy lớn với hiệu suất cao, hơn nữa, vận tốc dòng khí thoát bị giảm, sẽ làm giảm mất mát nhiệt và giảm tiếng ồn So
Trang 2Hình 2.1: Hệ thống động cơ và lực đẩy phản lực
Trang 3Hình 2.2: Động cơ turbofan dạng ba guồng
Hình 2.3: Sự thay đổi tính chất dòng khí qua động cơ turbofan
2.1.1 Các bộ phận chính của động cơ turbofan
Một động cơ turbofan bao gồm miệng hút để hút không khí từ môi trường vào, máy nén và fan để nén dòng khí, buồng đốt để cung cấp năng lượng cho dòng khí, turbine để quay máy nén và ống xả để xả dòng khí trở ra môi trường
a Miệng hút
Trang 4ăn mòn, trầy xước
Hình 2.4: Miệng hút động cơ dưới âm
b Máy nén – fan
Máy nén có chức năng nén dòng khí qua động cơ đến một áp suất nhất định Có hai loại máy nén: máy nén hướng trục và máy nén ly tâm, động cơ turbofan sử dụng máy nén hướng trục, nên ở đây xem xét hoạt động của máy nén hướng trục Bản chất của fan là một máy nén nên nguyên lý hoạt động của nó cũng tương tự như máy nén
Hình 2.5: Các loại lá cánh của fan
Trang 5Hình 2.6: Máy nén hướng trục Máy nén hướng trục là một hệ thống được cấu tạo bởi nhiều tầng nén nối tiếp nhau, mỗi tầng nén gồm một bộ các lá cánh động (blade) và một bộ các lá cánh tĩnh (vane), ngoài ra ở đầu vào của máy nén còn có một bộ các lá cánh tĩnh hướng dòng (inlet guide vane) Không khí lưu chuyển qua hệ thống theo phương song song với trục quay dẫn động các tầng cánh động Một hệ thống máy nén hướng trục có thể là một, hai hoặc ba guồng (spool) máy nén, các guồng máy nén khác nhau trong hệ thống sẽ có tốc độ quay khác nhau
Để có thể hình dung được sự thay đổi hướng, áp suất và vận tốc của dòng khí khi qua các tầng của máy nén hướng trục ta có thể phân tích theo sơ đồ vectơ hình 2.7
Không khí vào máy nén có vận tốc Ar qua hệ thống các lá cánh tĩnh hướng dòng sẽ được định hướng cho phù hợp với các lá động của tầng một
Dòng khí ra khỏi hệ thống chỉnh hướng Br sẽ gặp các lá động của tầng một,
do tác dụng của vận tốc quay Yr mà vận tốc tương đối của dòng khí đến lá động của tầng một là Cr, phần tiết diện lưu thông của dòng khí qua hai lá cánh động kề nhau tăng dần nên khi qua đây vận tốc tương đối của dòng khí sẽ bị giảm và áp suất tĩnh tăng lên
Dòng khí ra khỏi các lá cánh động của tầng một được biểu diễn bằng vectơ
Dr, vận tốc tuyệt đối của dòng khí đi vào các lá tĩnh của tầng một là Er Khoảng cách giữa hai lá tĩnh cũng tạo ra tiết diện lưu thông tăng dần và như thế dòng khí
Er qua đây cũng bị giảm vận tốc và tăng áp suất tĩnh Sau đó quá trình làm giảm
Trang 6năng nén một lượng lớn không khí đến áp suất khá cao Tỷ số nén tối đa của cả hệ thống máy nén động cơ turbofan hiện nay là khoảng 45
Hình 2.7: Đường đặc tính của máy nén
Trang 7Hình 2.8: Sơ đồ vector vận tốc và sự gia tăng áp suất dòng khí qua máy nén hướng
trục Hiện tượng “surge” ở máy nén
Trong hoạt động của động của động cơ turbofan, vấn đề cần quan tâm ở máy nén là hiện tượng “surge”
Hiện tượng “surge” là hiện tượng bất ổn định của máy nén gây ra do sự bất ổn định của dòng khí qua máy nén Có nhiều nguyên nhân gây ra sự bất ổn định của dòng khí qua máy nén: hiện tượng stall của các lá động, sự gia tăng công suất động cơ đột ngột (tăng lực đẩy, tăng lượng nhiên liệu vào động cơ, đòi hỏi tăng số
Trang 8dàng, nhưng do các tầng nén là liên tục với nhau theo chiều tăng áp suất, bất kì sự bất ổn định nào của một tầng nén cũng sẽ ảnh hưởng đến các tầng nén phía sau nó Do các tầng sau có áp suất cao hơn nên dòng khí thường bị dồn lại (piling up) hay bị nghẽn (choking) và cũng có khả năng chuyển động ngược lại
Hiện tượng “surge” làm máy nén giảm công suất, dao động mạnh, trường hợp nguy hiểm là khí cháy từ buồng đốt có áp suất cao chuyển động ngược trở lại gây nổ máy nén
Hiện tượng “surge” do hiện tượng stall ở các tầng nén
Biên dạng lá động của máy nén tương tự như biên dạng của cánh máy bay, vì thế hiện tượng stall xảy ra ở cánh máy bay cũng xảy ra đối với các lá động của máy nén Hiện tượng stall xảy ra khi vận tốc tương đối của dòng khí vào lá động nhỏ hơn một giá trị vận tốc giới hạn V stall , hoặc góc tới – góc giữa phương vận tốc tương đối vào lá động và đường dây cung của lá động (chordline) – vượt quá giá trị giới hạn (quá lớn – positive incidence stall hoặc quá nhỏ – negative incidence stall) Như vậy, phương và độ lớn của vận tốc tương đối vào lá động, hay phương và độ lớn của vận tốc tuyệt đối vào lá động và vận tốc quay sẽ quyết định giới hạn xảy ra hiện tượng stall Bất kì sự bất cân đối nào giữa hai thành phần vận tốc tuyệt đối vào và vận tốc quay nếu vượt quá giới hạn sẽ gây ra hiện tượng stall Hiện tượng stall chỉ được nhận biết khi nó xảy ra ở nhiều tầng của máy nén, gây
ra hiện tượng “surge” cho cả máy nén Hiện tượng stall thường xảy ra khi động
cơ khởi động, tăng tốc, giảm tốc, hoạt động ở cao độ lớn,…
Hiện tượng “surge” do sự tăng công suất động cơ đột ngột
Trang 9Khi gia tăng lượng nhiên liệu thì đòi hỏi sự gia tăng số vòng quay và áp suất Tuy nhiên, nếu gia tăng lượng nhiên liệu đột ngột, do quán tính mà số vòng quay không thể thay đổi đột ngột để đáp ứng điều kiện mới, có nghĩa là các tầng máy nén không tạo ra được sự gia tăng áp suất cần thiết, điểm làm việc dễ dàng rơi vào vùng “surge”
Các cách phòng chống hiện tượng “surge” ở máy nén:
- Sử dụng các lá hướng dòng vào (variable inlet guide vane) và lá tĩnh có thể điều chỉnh được (variable stator vane) ở các tầng đầu của máy nén: điều chỉnh góc và độ lớn của vận tốc tuyệt đối ra của lá tĩnh hay vận tốc tuyệt đối vào của lá động tùy theo vận tốc quay khi động cơ khởi động, tăng tốc, và hoạt động ở chế độ một phần công suất
- Trích khí ở tầng giữa của máy nén khi hoạt động ở cao độ lớn (lực đẩy nhỏ)
c Buồng đốt
Không khí sau khi qua máy nén cao áp tiếp tục đi qua ống tăng áp (diffuser) để tiếp tục tăng áp suất lên giá trị lớn nhất trước khi vào buồng đốt
Buồng đốt là nơi nhiên liệu và không khí được hòa trộn và đốt cháy Một buồng đốt điển hình bao gồm vỏ bọc bên ngoài với ống đốt bên trong được đục lỗ Hệ thống phun nhiên liệu đo lượng nhiên liệu thích hợp cần thiết và phun nhiên liệu vào buồng đốt dưới dạng tán nhỏ
Nhiên liệu được đánh lửa để đốt cháy, thông thường sử dụng hệ thống đánh lửa bằng tụ điện có năng lượng cao, tạo ra khoảng 60 – 100 tia lửa điện trong một phút Ngoài ra cần một hệ thống tiêu thoát nhiên liệu không được đốt cháy hết
