Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Chương 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 bò giảm, sẽ làm giảm mất mát nhiệt và giảm tiếng ồn. So Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D với động cơ turbojet, động cơ turbofan hoạt động ở vận tốc nhỏ hơn (số Mach không vượt 1), nhưng bù lại động cơ tạo ra lực đẩy lớn hơn với hiệu suất cao hơn nên thích hợp cho mục đích vận tải khối lượng lớn mà không cần vận tốc quá lớn. Động cơ turbofan được sử dụng trong hầu hết các máy bay vận tải quân sự và thương mại ngày nay. Hình 2.1: Hệ thống động cơ và lực đẩy phản lực Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Hình 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 Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Miệng hút động cơ được xem là một phần của vỏ động cơ, tuy nhiên nó đóng một vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của toàn thể động cơ. Miệng hút có chức năng làm giảm vận tốc, tăng áp suất dòng khí trước khi đi vào máy nén. Để máy nén hoạt động có hiệu suất cao thì dòng khí qua miệng hút vào máy nén phải đều, không bò xáo động, do đó bề mặt trong của miệng hút phải trơn, không để bò ăn 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 đònh. 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 Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Hình 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 tónh (vane), ngoài ra ở đầu vào của máy nén còn có một bộ các lá cánh tónh 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 A r qua hệ thống các lá cánh tónh hướng dòng sẽ được đònh hướng cho phù hợp với các lá động của tầng một. Dòng khí ra khỏi hệ thống chỉnh hướng B r sẽ gặp các lá động của tầng một, do tác dụng của vận tốc quay Y r mà vận tốc tương đối của dòng khí đến lá động của tầng một là C r , 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 bò giảm và áp suất tónh tăng lên. Dòng khí ra khỏi các lá cánh động của tầng một được biểu diễn bằng vectơ D r , vận tốc tuyệt đối của dòng khí đi vào các lá tónh của tầng một là E r . Khoảng cách giữa hai lá tónh cũng tạo ra tiết diện lưu thông tăng dần và như thế dòng khí E r qua đây cũng bò giảm vận tốc và tăng áp suất tónh. Sau đó quá trình làm giảm Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D vận tốc và tăng áp suất tónh của dòng khí tiếp tục diễn ra ở các tầng tiếp theo với cùng một cơ chế. Một máy nén hướng trục nhiều tầng được thiết kế ở một chế độ nhất đònh (lưu lượng, tỷ số áp suất và vận tốc quay). Tỷ số nén của mỗi tầng nén khá thấp, khoảng 1.1 – 1.2, tuy nhiên do số tầng nén nhiều nên máy nén hướng trục có khả năng 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 Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Hình 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 đònh của máy nén gây ra do sự bất ổn đònh của dòng khí qua máy nén. Có nhiều nguyên nhân gây ra sự bất ổn đònh 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 Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D vòng quay, tăng lưu lượng), dòng khí trước khi vào động cơ bò xáo động, các hỏng hóc của các lá cánh động, lá cánh tónh,… Dòng khí qua máy theo chiều tăng áp suất, là chiều hướng dễ gây ra sự bất ổn đònh, điều này giải thích tại sao tỷ số nén của một tầng nén là khá thấp. Nếu như dòng là đều, không bò xáo động thì quá trình nén qua các tầng nén diễn ra dễ dàng, nhưng do các tầng nén là liên tục với nhau theo chiều tăng áp suất, bất kì sự bất ổn đònh 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 bò dồn lại (piling up) hay bò 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 trò 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 trò 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 đònh 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 Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Khi 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 nghóa 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 tónh 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 tónh 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 trò 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. . Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Chương 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. Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D với động cơ turbojet, động cơ turbofan hoạt động ở vận tốc nhỏ hơn (số Mach không vượt 1) , nhưng bù lại động cơ tạo ra lực đẩy lớn hơn. Turbofan – Động Cơ PW4084D Hình 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