Động cơ tuốc bin khí

Buồng đốt

Buồng đốt của động cơ tuốc bin khí là loại ống lửa hở thường là khoảng 7-10 ống được bố trí thành vòng tròn xung quanh trục động cơ phía sau khối nén và phía trước tuốc bin. Mỗi ống lửa có một vòi phun nhiên liệu đặt ở mặt phía trước.
Ống lửa thường là các đốt thép hình côn (giống như các đốt con nhộng) được đặt so le gối đầu và được hàn với nhau, tại các đường hàn đó có rất nhiều các lỗ nhỏ (đường kính lỗ 0,5-1mm): không khí của dòng thứ cấp chảy từ bên ngoài chảy qua các lỗ này sẽ tạo thành các lớp khí làm mát sát mặt ống lửa bên trong để bảo vệ ống lửa. Ngoài ra trên các đốt của ống lửa còn có các lỗ to để dòng không khí thứ cấp từ bên ngoài đi vào để làm chất giãn nở sinh công và để làm nguội dòng lửa nóng trước khi đi vào tuốc bin.
Không khí từ máy nén gặp các ống lửa sẽ bị chia thành hai dòng khí dòng khí sơ cấp – để đốt cháy nhiên liệu dòng khí này khoảng 30% khối lượng khí và dòng khí thứ cấp khoảng 70% để làm mát bảo vệ ống lửa và làm chất giãn nở sinh công và để hòa vào dòng lửa phụt để làm giảm nhiệt độ dòng lửa phụt khi đi vào tuốc bin.
Dòng khí sơ cấp đi thẳng vào ống lửa qua các khe xoáy tại mặt trước ống lửa sẽ tạo thành dòng xoáy trộn với sương nhiên liệu được phun ra từ vòi phun nhiên liệu và được đốt mồi bằng bugi (nến điện) lúc khởi động sau đó quá trình cháy là liên tục không cần nến điện nữa.
Dòng khí thứ cấp chảy bao bọc bên ngoài ống lửa, một phần dòng khí này đi vào các lỗ nhỏ trên mối hàn tiếp giáp các đốt ống để đi vào bên trong ống lửa tạo thành lớp khí làm mát trên mặt trong của ống lửa để bảo vệ ống lửa. Phần còn lại đi vào các lỗ lớn trên các đốt ống để hòa vào dòng lửa phụt phần khí này để làm chất giãn nở sinh công và để giảm bớt nhiệt độ của dòng lửa phụt trước khi đi vào tuốc bin. Tại trung tâm dòng lửa phụt nhiệt độ khoảng 1500-1600 °C nhưng khi đi vào tuốc bin nhiệt độ chỉ còn khoảng từ 800-1000 °C
Mặt sau của ống lửa để hở hướng thẳng vuông góc vào đĩa cánh tuốc bin. Cơ cấu buồng đốt hở cho phép quá trình cháy, gia nhiệt trong buồng đốt là quá trình đẳng áp: không khí tăng nhiệt độ lên rất cao, sinh thể tích rất lớn, sinh vận tốc phụt rất cao nhưng áp suất tại điểm vào và ra khỏi buồng đốt là như nhau (điểm 2 và điểm 3 trên đồ thị P-v của chu trình Brayton) quá trình cháy đẳng áp cho phép luồng khí nóng trong buồng đốt chỉ phụt mạnh về phía tuốc bin mà không bị thổi ngược về phía khối nén khí.

Tuốc bin

Tuốc bin là khối sinh công có ích hoạt động theo nguyên tắc biến nội năng và động năng của dòng khí nóng áp suất và vận tốc cao thành cơ năng có ích dưới dạng mô men quay cánh tuốc bin: tại cánh tuốc bin dòng khí nóng giãn nở sinh công. Các cánh tuốc bin khác với cánh máy nén ở hình dạng thiết diện rãnh khí tại tuốc bin là thiết diện hội tụ (converge): vận tốc tương đối trong rãnh khí tăng lên làm giảm áp suất, nhiệt độ không khí.
Để làm mát cho cánh tuốc bin cánh tuốc bin sẽ được làm rỗng và bên trong được dẫn khí làm mát. Cánh tuốc bin là bộ phận chịu ứng suất cao nhất và là bộ phận nhiều rủi ro nhất: vừa chịu nhiệt độ rất cao vừa quay với vận tốc rất lớn nên công nghệ chế tạo tuốc bin là tổng hợp của các thành tựu của nhiều ngành khoa học như luyện kim, vật liệu, chế tạo máy...
Tuốc bin được nối với máy nén khí để quay máy nén khí và còn được nối với các phụ tải khác. Trong các động cơ máy bay thường chỉ có các tuốc bin nối với máy nén khí mà không có tuốc bin tự do (không nối với máy nén), còn tại các động cơ với những công năng khác thường bố trí tuốc bin tự do để nâng cao hiệu suất động cơ nâng cao tính năng vận hành của động cơ.

Hệ thống thấp áp – cao áp

Về mặt hiệu suất sẽ là tốt nhất nếu mỗi tầng máy nén – tuốc bin quay theo các vận tốc quay khác nhau (tầng nén phía ngoài quay chậm hơn, tầng phía trong quay nhanh hơn) nhưng như vậy sẽ rất phức tạp về chế tạo do đó để đảm bảo hợp lý về chế tạo và hiệu suất người ta chia máy nén thành hai khối: máy nén thấp áp (các tầng phía trước) và máy nén cao áp (các tầng phía sau). Tuốc bin cũng được chia thành hai khối: tuốc bin cao áp (các tầng phía trước) và tuốc bin thấp áp (các tầng phía sau) tuốc bin thấp áp lai máy nén thấp áp, tuốc bin cao áp lai máy nén cao áp. Như vậy hai khối máy nén – tuốc bin này quay theo các vận tốc góc khác nhau, chúng là hai hệ trục đồng trục: trục cao áp bên ngoài và trục thấp áp bên trong.

Phân loại

Động cơ tuốc bin khí là động cơ có số lượng nhiều nhất và là động cơ chính của ngành hàng không cho máy bay, ngoài ra nó còn được lắp cho các mục đích khác như cho các trạm phát điện giờ cao điểm hoặc cho tàu biển cao tốc, tàu hoả, thậm chí một số loại xe tăng.

Động cơ hàng không

Động cơ tuốc bin khí cho ngành hàng không vì tính năng khối lượng – kích thước có tầm quan trọng rất lớn nên đa số là loại động cơ có máy nén dọc trục và có hai khối cao áp, thấp áp. Đối với động cơ phản lực thì động cơ có thêm các bộ phận cực kỳ quan trọng là phễu phụt và buồng đốt tăng lực.

Động cơ tuốc bin cánh quạt

Đây là loại động cơ tuốc bin khí để lai cánh quạt tạo lực đẩy cho máy bay (tiếng Anh - Turbopropeller engine, viết tắt TurboProp; tiếng Nga - Турбовинтовый двигатель, viết tắt ТВД). Động cơ loại này có hiệu suất cao nhất nên tính kinh tế cao nhất trong các loại động cơ tuốc bin của hàng không, nhưng vì đặc điểm lực đẩy cánh quạt nên loại động cơ này cho vận tốc thấp nhất do đó loại này chuyên để lắp cho các máy bay vận tải khỏe, cần tính kinh tế cao nhưng không cần vận tốc lớn, điển hình như loại máy bay vận tải Lockheed C-130 Hercules của Mỹ.
Cánh quạt được nối vào trục máy nén khí áp thấp qua hộp số giảm tốc. Đặc điểm của loại động cơ này là tuốc bin của động cơ vừa lai máy nén vừa lai tải chính là cánh quạt nên phải thiết kế tuốc bin sao cho sử dụng được hết năng lượng của dòng khí nóng sau buồng đốt. Với loại động cơ này, dòng khí sau khi ra khỏi tuốc bin có vận tốc còn rất thấp, nhiệt độ, áp suất gần cân bằng với môi trường.
Vì cánh quạt nối thẳng với máy nén khí nên khi thay đổi tốc độ sẽ ảnh hưởng nhiều đến chế độ làm việc của máy nén và toàn bộ động cơ nên tính linh hoạt của loại động cơ này không tốt (hiệu suất giảm khi giảm công suất, tốc độ).
Loại này cũng để trang bị cho trực thăng mô men quay được truyền qua hộp số và chuyển hướng để quay cánh quạt nâng nằm ngang (tiếng Anh: Turbo Shaft).

Động cơ tuốc bin phản lực

Động cơ tuốc bin phản lực (tiếng Anh - Turbojet engine, viết tắt TurboJet; tiếng Nga - Турбореактивный двигатель, viết tắt - ТРД), là động cơ tuốc bin khí dùng động năng của dòng khí nóng phụt thẳng về phía sau tạo phản lực đẩy máy bay về phía trước. Đây là loại động cơ để trang bị cho máy bay phản lực nhất là các máy bay chiến đấu siêu thanh. Loại động cơ này cho vận tốc cao nhất trong các loại động cơ tuốc bin của hàng không nhưng tính kinh tế thấp nhất.
Tuốc bin của loại động cơ này chỉ khai thác một phần năng lượng dòng khí nóng sau buồng đốt chỉ đủ để lai máy nén khí còn phần năng lượng còn lại dùng để phụt thẳng vào môi trường tạo phản lực (chính vì vậy hiệu suất của loại động cơ này thấp)
Các loại động cơ phản lực phải có thêm một thiết bị là phễu phụt lắp phía sau tuốc bin để tăng tốc độ dòng khí. Nếu là động cơ cho máy bay dưới tốc độ âm thanh thì phễu phụt có hình hội tụ (converge) còn đối với máy bay siêu âm thì áp dụng phễu phụt siêu âm (hội tụ – nở rộng hay còn gọi là phễu phụt De Laval theo tên nhà kỹ thuật người Hà Lan).

Động cơ tuốc bin phản lực có buồng đốt tăng lực

Là một loại của động cơ tuốc bin phản lực dùng cho các máy bay chiến đấu cao tốc nhất là các máy bay tiêm kích cần phát triển tốc độ chiến đấu nhất thời thật cao. Về cấu tạo động cơ này rất giống các động cơ tuốc bin phản lực thông thường nhưng có thêm buồng đốt thứ cấp phía sau tuốc bin và phía trước phễu phụt buồng đốt này còn gọi là buồng đốt tăng lực tại buồng đốt này có các vòi phun nhiên liệu khi cần tăng tốc phun thêm nhiên liệu vào buồng tăng lực để đốt thêm tạo thêm lực đẩy phản lực. Khi tăng lực hiệu suất rất thấp và tốn rất nhiều nhiên liệu nên máy bay chỉ tăng lực trong thời gian ngắn như khi công kích, bỏ chạy hoặc cơ động tránh tên lửa.

Động cơ tuốc bin hai viền khí

Có tài liệu tiếng Anh gọi loại này là turbofan. Đây là loại động cơ mà các cánh quạt tầng ngoài cùng của máy nén áp thấp có cấu tạo và kích thước đặc biệt lùa không khí làm hai dòng: một dòng đi qua động cơ (dòng số 3 trên hình vẽ) và một dòng đi vòng qua động cơ tạo lực đẩy trực tiếp (dòng số 4) và hai dòng này hòa vào nhau tại phễu phụt vì vậy động cơ được gọi là động cơ hai viền khí (tiếng Anh: two-contour turbojet, tiếng Nga: двухконтурный турбо-двигатель). Đây là phương án trung gian giữa động cơ tuốc bin cánh quạt và động cơ tuốc bin phản lực. Đối với loại động cơ này có một chỉ số rất quan trọng đó là hệ số hai viền khí (tiếng Anh: Bypass ratio) m là tỷ lệ thể tích của khối khí chạy bên ngoài so với khối khí chạy bên trong động cơ, (đối với động tuốc bin phản lực thuần túy m = 0) chỉ số càng lớn thì động cơ có hiệu suất càng tốt và càng giống động cơ tuốc bin cánh quạt và vận tốc càng thấp, hệ số này lớn hơn 2 thì không thể phát triển được vận tốc siêu âm. Còn các động cơ siêu âm có hệ số m thấp hơn hoặc bằng 2.

Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt

Có tài liệu tiếng Anh gọi loại động cơ này là động cơ turbofan nhưng có tài liệu lại gọi turbofan là động cơ hai viền khí nói chung. Trong trường hợp chung nhất, Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt trong tiếng Anh - Turbopropeller jet, viết tắt PropJet hay TurboFan; tiếng Nga - Турбовентиляторный реактивный двигатель, viết tắt - ТВРД.
Động cơ phản lực cánh quạt là một phiên bản nhánh của động cơ hai viền khí trong đó cánh quạt ngoài nằm hẳn ra ngoài được bao bằng vỏ capote ngoài, vỏ này ngắn nên hai dòng khí bên ngoài và bên trong động cơ không hòa vào nhau. Nhìn bên ngoài rất dễ nhận ra loại động cơ này vì vỏ capote ngoài này ngắn tạo thành 2 lớp vỏ giật cấp.
Đây là động cơ có hệ số m cao thường từ 6-10 và nghiêng về tính chất động cơ cánh quạt. Loại động cơ này thường ở các máy bay hành khách và vận tải dân dụng cần tốc độ và tính kinh tế hợp lý. Các máy bay hành khách dân dụng nổi tiếng Boeing và Airbus trang bị các động cơ này.

Động cơ cố định

Ngoài ngành Hàng không động cơ tuốc bin khí còn được trang bị cho một số loại mục tiêu khác ví dụ cho hệ động lực của tàu biển cao tốc hoặc cho một số trạm phát điện giờ cao điểm.
Vì động cơ tuốc bin khí có hiệu suất thấp hơn động cơ diesel nhưng có công suất rất cao nên người ta chỉ dùng loại động cơ này cho mục đích cao điểm: các trạm phát điện tuốc bin khí chỉ phát điện vào giờ cao điểm khi yêu cầu công suất của các giờ này cao hơn mức trung bình vài lần nhưng thời gian không lâu. Các tàu cao tốc trang bị tuốc bin khí cũng chỉ dùng động cơ này khi cần phát triển tốc độ tối đa ngắn hạn.
Vì được bố trí tại những vị trí không đòi hỏi cao về yêu cầu kích thước và khối lượng nên để tăng hiệu suất của cụm động cơ tuốc bin khí người ta còn kết hợp với các chu trình phụ như "tái tạo" (regeneration), làm lạnh khí nén (intercooling), tận dụng nhiệt khí thải. Các cụm động cơ này thường trang bị nén khí li tâm có hiệu suất cao hơn loại dọc trục.
Và một đặc điểm rất nổi bật của động cơ tuốc bin khí ngoài ngành hàng không là nó có tuốc bin tự do (không nối với máy nén) để lai phụ tải chính. Đối với loại động cơ này các tuốc bin cao áp, thấp áp không sử dụng hết tiềm năng năng lượng của dòng khí nóng sau buồng đốt nó chỉ lấy đủ nhu cầu quay hai máy nén cao áp và thấp áp, còn phần năng lượng còn lại sẽ tiếp tục được giãn nở sinh công trong các tầng tuốc bin tự do để sinh công có ích cho phụ tải chính.