เครื่องยนต์ไอพ่น
เครื่องยนต์ไอพ่น () เป็นเครื่องยนต์แรงปฏิกิริยา () ที่พ่นไอร้อนความเร็วสูงออกทางด้านหลังทำให้เกิดแรงผลัก () ไปข้างหน้า, การขับเคลื่อนของไอพ่น () นี้สอดคล้องกับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ที่ว่าแรงกิริยาเท่ากับแรงปฏิกิริยา นิยามของเครื่องยนต์ไอพ่นที่กว้างขวางนี้ครอบคลุมถึงเครื่องแบบเทอร์โบเจ็ท, เทอร์โบแฟน, เครื่องยนต์จรวด, แรมเจ็ท และพัลส์เจ็ท โดยทั่วไปเครื่องยนต์ไอพ่นเป็นชนิดสันดาบ () แต่ก็มีบางชนิดก็ไม่มีการสันดาบ.
ในภาษาพูดโดยทั่วไป, เครื่องยนต์ไอพ่นจะหมายถึงอย่างหลวมๆว่าเป็นเครื่องยนต์ไอพ่นที่ใช้อากาศหายใจแบบสันดาบภายใน () หรือ เครื่องยนต์แบบใช้ท่อ ()ซึ่งปกติจะประกอบด้วยตัวอัดอากาศ () ที่หมุนด้วยกำลังขับจากกังหัน () ตามหลักของวัฏจักรเบรตัน () พลังงานที่เหลือทิ้งในรูปของก๊าซร้อนจะสร้างแรงผลักที่จะเคลื่อนที่ผ่านหัวฉีด (). อากาศยานไอพ่นใช้เครื่องยนต์ประเภทนี้สำหรับการเดินทางระยะไกล. อากาศยานไอพ่นในยุคแรกใช้เครื่องยนต์แบบเทอร์โบเจ็ทซึ่งค่อนข้างไม่มีประสิทธิภาพสำหรับการบินความเร็วต่ำกว่าเสียง (). อากาศยาน subsonic ที่ทันสมัยปกติจะใช้เครื่องยนต์แบบ high-bypass turbofan. เครื่องยนต์เหล่านี้ให้ความเร็วสูงและมีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงดีกว่าเครื่องยนต์ใช้อากาศหายใจแบบใบพัดและแบบลูกสูบในการเดินทางระยะไกล.
เครื่องยนต์ไอพ่นให้กำลังกับอากาศยาน, ขีปนาวุธและยานอากาศไร้คนขับ. ในรูปของเครื่องยนต์จรวด, พวกมันให้พลังกับพลุ, จรวดแบบจำลอง, ยานอวกาศและขีปนาวุธทางทหาร.
เครื่องยนต์ไอพ่นขับเคลื่อนรถยนต์ความเร็วสูง, โดยเฉพาะรถแข่ง, ด้วยสถิติตลอดกาลโดยรถจรวด (). รถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเทอร์โบแฟนชื่อ ThrustSSC เป็นตัวทำสถิติความเร็วในปัจจุบัน.
การออกแบบเครื่องยนต์ไอพ่นมักจะได้รับการปรับปรุงสำหรับการใช้งานที่ไม่ใช้อากาศยาน, โดยใช้เป็นเครื่องกังหันแก๊สในอุตสาหกรรม, เช่นในการผลิตไฟฟ้า, เครื่องสูบน้ำ, แก๊สธรรมชาติหรือน้ำมัน, และขับเคลื่อนเรือหรือยานบนบกอื่นๆ. เครื่องยนกังหันแก๊สอุตสาหกรรมสามารถผลิตกำลังได้สูงถึง 50,000 แรงม้า. เครื่องยนต์เหล่านี้จำนวนมากถูกนำไปพัฒนาเพื่อใช้กับงานตั้งแต่เครื่องเทอร์โบเจ็ททางทหารแบบเก่าเช่นเครื่องต้นแบบ J57 และ J75 ของ Pratt & Whitney. นอกจากนี้ ยังมีพวกอนุพันธ์ของ JT8D low-bypass turbofan ของ P&W ที่สามารถผลิตกำลังงานได้ถึง 35,000 แรงม้า.
เครื่องยนต์ไอพ่นมีหลายแบบ แต่ทุกแบบจะได้แรงผลักไปข้างหน้า () จากหลักการของ "การขับเคลื่อนด้วยไอพ่น"
บทความหลัก: Airbreathing jet engine
โดยทั่วไป อากาศยานจะถูกขับเคลื่อนโดยเครื่องยนต์ไอพ่นชนิดใช้อากาศหายใจ, เครื่องยนต์แบบนี้ที่มีการใช้งานส่วนใหญ่เป็นแบบเทอร์โบแฟน ซึ่งให้ประสิทธิภาพที่ดีเมื่อบินที่ความเร็วต่ำกว่าความเร็วเสียง.
บทความหลัก: Gas turbine
เครื่องยนต์กังหันแก๊สจัดเป็นเครื่องยนต์แบบโรตารี ที่สกัดพลังงานจากการไหลของแก๊สที่เผาไหม้. เครื่องยนต์นี้ประกอบด้วย ตัวอัดอากาศ () ที่ต้นทาง เชื่อมต่อเข้ากับกังหัน () ปลายทาง โดยมีห้องเผาไหม้ () อยู่ระหว่างกลาง. ในเครื่องยนต์ของอากาศยาน, ส่วนประกอบหลักทั้งสามนี้มักถูกเรียกว่า "ตัวผลิตแก๊ส" (). เครื่องยนต์กังหันแก๊สมีหลากหลายรูปแบบ แต่พวกมันทั้งหมดใช้ระบบของตัวผลิตแก๊สแบบใดแบบหนึ่งทั้งสิ้น.
บทความหลัก: Turbojet
เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท จัดเป็นเครื่องยนต์แบบกังหันแก๊ส () ที่ทำงานตามขั้นตอนดังนี้ (1) อัดอากาศเข้าช่องนำอากาศเข้า () (2) ตัวอัดอากาศทำการอัดอากาศตามแนวแกน () หรืออัดอากาศตามแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ () หรือทั้งสองแบบ, (3) ทำการผสมเชื้อเพลิงเข้ากับอากาศที่ถูกบีบอัดแล้วนั้น, (4) เผาใหม้ส่วนผสมนั้นในห้องเผาไหม้, (5) จากนั้นก็ส่งแก๊สร้อนที่ถูกบืบอัดผ่านกังหันและหัวฉีด () แล้วพ่นแก๊สออกมาด้านหลัง. เท่ากับว่ากังหันจะสกัดพลังงานจากแก๊สขยายตัวที่ไหลผ่านตัวมัน, ส่งพลังงานนั้นให้กับตัวบืบอัด, เป็นการแปลงพลังงานภายในของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานจลน์ในแก๊สที่ปล่อยออกมา, เป็นการสร้างแรงผลัก (). อากาศทั้งหมดที่เข้าทาง inlet ถูกส่งผ่านเข้าไปยัง compressor, ผ่านห้องเผาใหม้และกังหัน, ไม่เหมือนเครื่องยนต์แบบ turbofan ที่อธิบายอยู่ข้างล่างนี้.
บทความหลัก: Turbofan
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนจัดเป็นเครื่องยนต์กังหันแก๊สที่มีความคล้ายกันกับเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท. เนื่องจากมันใช้แกนของแก๊สเจนเนอเรเตอร์ (ได้แก่ compressor, combustor, และ turbine) ในการเปลี่ยนรูปพลังงานจากเชื้อเพลิงเป็นพลังงานจลน์ในไอเสียที่พ่นที่ออกจากท้ายเครื่อง. สิ่งที่ทำให้เครื่องยนต์เทอโบแฟน แตกต่างจากเทอร์โบเจ็ท คือมันติดตั้งชิ้นส่วนเพิ่มเติมนั่นคือ พัดลม (). เช่นเดียวกับ compressor, พัดลมได้รับกำลังขับจากส่วนที่เป็นกังหันของเครื่องยนต์. ไม่เหมือนกับ turbojet, อากาศบางส่วนถูกเร่งความเร็วโดยพัดลมให้
ไม่ผ่าน หรือ bypass แกนของแก๊สเจนเนอเรเตอร์และถูกพ่นออกผ่านหัวฉีด. อากาศที่ bypass นี้จะมีความเร็วที่ต่ำกว่า, แต่มีมวลมากกว่า, สร้างแรงผลักโดยพัดลมได้ประสิทธิภาพมากกว่าแรงผลักที่เกิดจากแกน. เทอร์โบแฟนโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพมากกว่าเทอร์โบเจ็ทที่ความเร็วน้อยกว่าเสียง, แต่มีพื้นที่ด้านหน้าใหญ่กว่าทำให้เกิดแรงต้านมากกว่า.
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนนี้สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทโดยทั่วไปคือแบบ low bypass และแบบ high bypass. แบบ low bypass จะมีอัตราส่วนการ bypass ประมาณ 2 : 1 หรือน้อยกว่า นั่นหมายความว่าแต่ละ 3 กิโลกรัมของอากาศที่ไหลเข้าแกนของเครื่อง (core engine) จะมีอากาศประมาณ 2 กิโลกรัมหรือน้อยกว่าไม่ไหลผ่าน หรือ bypass แกนของเครื่อง (core engine)
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนแบบ Low bypass นั้นมักจะใช้ท่อเป่าอากาศร้อนแบบผสม() นั่นหมายความว่า อากาศที่ผ่านแกนเครื่องและไม่ผ่านแกนเครื่องทั้งสองส่วนจะต้องผ่านหัวฉีดตัวเดียวกันเป็นไอพ่นออกจากท้ายเครื่องยนต์.
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนชนิด High bypass นั้นจะมีอัตราส่วนการ bypass ที่สูงกว่า บางครั้งอาจจะอยุ่ที่ระดับ 5:1 หรือ 6:1. เครื่องยนต์ประเภทนี้สามารถสร้างแรงขับได้มากกว่าเครื่อง low bypass หรือเทอร์โบเจ็ท เนื่องจากอากาศมีมวลปริมาณมหาศาลเกินกว่าพัดลมจะสามารถเร่งได้ และโดยทั่วไป เครื่องยนต์ high bypass จะมีประสิทธิภาพด้านการใช้เชื้อเพลิงดีกว่าด้วย.
บทความหลัก: Turboprop และ Turboshaft
เครื่องยนต์แบบเทอร์โบพร๊อป () เป็นอนุพันธ์ของเครื่องยนต์เจ็ท, แต่ยังคงเป็นเครื่องยนต์กังหันแก็ส, ที่สกัดกำลังจากไอเสียที่ร้อนเพื่อนำไปหมุนเพลา, จากนั้นแรงหมุนจากเพลาจึงจะถูกนำไปใช้สร้างแรงผลักด้วยวิธีการอื่นบางอย่าง. โดยที่ไม่ได้เข้มงวดนักว่ามันเป็นเครื่องยนต์เจ็ทที่มันจะต้องพึ่งพากลไกระดับรองในการสร้างแรงผลัก, เทอร์โบพร็อปก็คล้ายกันมากกับเครื่องยนต์เจ็ทแบบใช้กังหันอื่นๆ, และมักจะถูกอธิบายว่าเป็นอย่างนั้น.
ในเครื่องยนต์แบบเทอร์โบพร็อป, ส่วนหนึ่งของแรงผลักของเครื่องยนต์ถูกสร้างโดยการหมุนของใบพัด, แทนที่จะพึ่งพาไอร้อนความเร็วสูงที่พ่นออกมาแต่เพียงอย่างเดียว. เมื่อแรงผลักไอพ่นของมันถูกเสริมด้วยใบพัด, เทอร์โบพร็อปบางครั้งถูกเรียกว่าเป็นเครื่องยนต์ไอพ่นพันธ์ผสม. ในขณะที่เทอร์โบพร็อปจำนวนมากผลิตแรงผลักส่วนใหญ่ด้วยใบพัด, ไอพ่นร้อนเป็นจุดออกแบบที่สำคัญ, และแรงผลักจะได้รับสูงสุดโดยการ matching ระหว่างแรงผลักที่เกิดจากใบพัดกับแรงผลักที่เกิดจากไอพ่น. เทอร์โบพร็อปโดยทั่วไปมีการทำงานที่ดีกว่าเทอร์โบเจ็ทหรือเทอร์โบแฟนที่ความเร็วต่ำเมื่อใบพัดมีประสิทธิภาพที่สูง, แต่จะมีเสียงรบกวนมากที่ความเร็วสูง.
เครื่องยนต์แบบเทอร์โบชาฟต์ () คล้ายกันมากกับเทอร์โบพร๊อป, แต่สิ่งที่ต่างคือกำลังเกือบทั้งหมดที่ได้จากกังหันแก๊สจะนำไปขับเพลาหมุน (), ซึ่งจะถูกใช้ไปหมุนเครื่องยนต์แทนที่จะเป็นใบพัด, เพราะฉะนั้น มันจึงผลิตแรงขับที่เกิดจากไอพ่นเพียงเล็กน้อยหรือไม่ได้ผลิตเลย. เฮลิคอปเตอร์จะใช้เครื่องยนต์ชนิดนี้.
เครื่องยนต์แบบพร๊อปแฟน (ชึ่งอาจเรียกว่า unducted fan หรือ open rotor หรือ ultra-high bypass ก็ได้) คือเครื่องยนต์เจ็ทที่ใช้แก๊สเจนเนอเรเตอร์เป็นตัวขับเคลื่อน fan ที่เปิดหน้าออก, คล้ายกับเครื่องยนต์แบบเทอร์โบพร๊อป. พร๊อปแฟนจะสร้างแรงผลักส่วนใหญ่จากใบพัด, ไม่ใช่จากไอพ่น.
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการออกแบบของเครื่องยนต์แบบเทอร์โบพร๊อปกับพร๊อปแฟนก็คือแผ่นของใบพัด () บนพร๊อปแฟนถูกทำให้สามารถกวาดไปได้ด้วยความเร็วสูงถึง 0.8 เท่าของความเร็วเสียง () ซึ่งสูสีกับเครื่องยนต์แบบเทอร์โบแฟนที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ที่ทันสมัย. เครื่องยนต์ชนิดนี้มีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงเหนือเครื่องยนต์แบบเทอร์โบพร๊อปด้วยความสามารถในการทำงานของเทอร์โบแฟนในทางพานิชย์. ในขณะที่การวิจัยและการทดสอบอย่างมีนัยสำคัญ (รวมทั้งการทดสอบการบิน)ได้ดำเนินการไปแล้วกับเครื่องยนต์แบบพร๊อปแฟน, ยังไม่มีเครื่องยนต์แบบนี้เข้าสู่ขบวนการผลิต.
"หมายเหตุ* เครื่องยนต์เทอร์โบพร๊อปทั่วไปจะมีขีดจำกัดความเร็ว สาเหตุมาจากประสิทธิภาพของใบพัด เนื่องจากเมื่อความเร็วสูงถึงจุดหนึ่ง จะเกิดการ stall ที่ปลายสุดของใบพัด ทำให้เกิดแรงต้านการเคลื่อนที่เพิ่มขึ้นมาก นี่จึงเป็นสาเหตุที่ทำให้เครื่องยนต์เทอร์โบพร๊อปมีประสิทธิภาพต่ำเมื่อบินด้วยความเร็วสูง (ประมาณ 700 กม./ชม.)"
เครื่องยนต์เจ็ทชนิดที่ใช้กำลังแบบแรม () คือเครื่องยนต์ชนิดใช้อากาศหายใจชนิดหนึ่ง ซึ่งคล้ายกับเครื่องยนต์กังหันแก๊สและใช้หลักการของวัฏจักรเบรย์ตันเช่นเดียวกัน. อย่างไรก็ตาม สิ่งที่แตกต่างคือวิธีการอัดอากาศที่ไหลเข้ามา. ในขณะที่เครื่องยนต์กังหันแก๊สจะใช้ตัวบีดอัดแบบรอบแกนหรือหนีศูนย์, แต่เครื่องยนต์แบบแรมจะใช้การบีบอัดโดยให้อากาศไหลผ่าน inlet หรือตัวดิฟฟิวเซอร์ (). เครื่องยนต์แบบแรมยังจัดว่าเป็นเครื่องยนต์ชนิดใช้อากาศหายใจที่ซับซ้อนน้อยที่สุด เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ขณะปฏิบัติงาน.
บทความหลัก: Ramjet
แรมเจ็ท เป็นเครื่องยนต์เจ็ทที่ได้รับพลังงานจากแรมชนิดที่พื้นฐานที่สุด ประกอบด้วย 3 ส่วน คือ
เครื่องยนต์ชนิดนี้จำเป็นต้องให้อากาศไหลเข้าด้วยความเร็วค่อนข้างสูง จึงจะสามารถอัดอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพราะฉะนั้นเครื่องยนต์นี้จึงไม่สามารถทำงานได้เมื่อเครื่องบินอยู่นิ่งๆบนพื้น แต่จะสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อบินด้วยความเร็วเหนือเสียง ().
ลักษณะเฉพาะของเครื่องยนต์ชนิดนี้คือ การเผาไหม้จะทำที่ความเร็วต่ำกว่าความเร็วเสียง. อากาศความเร็วเหนือเสียงที่ไหลเข้าถูกทำให้ช้าลงผ่าน inlet, จากนั้นมันจะถูกเผาใหม้ที่ความเร็วต่ำกว่าเสียงมากๆ เพราะฉะนั้น เครื่องยนต์แรมเจ็ทจึงถูกจำกัดที่ประมาณ มัค 5 เท่านั้น
บทความหลัก: Scramjet
สแครมเจ็ทใช้กลไกที่ใกล้เคียงกับแรมเจ็ทมาก เหมือนแรมเจ็ท มันประกอบด้วยสามส่วนหลักๆ ได้แก่ inlet, combustor และ nozzle
สิ่งที่แตกต่างกันระหว่างแรมเจ็ทและสแครมเจ็ทก็คือสแครมเจ็ทจะไม่ทำให้อากาศที่ไหลเข้าช้าลงต่ำกว่าความเร็วเสียงเพื่อการเผาไหม้, แต่มันใช้การเผาใหม้แบบความเร็วเหนือเสียงแทน. คำว่าสแครมเจ็ท () นี้มาจากคำว่า "supersonic combusting ramjet"
เนื่องจากสแครมเจ็ทใช้การเผาใหม้ที่ความเร็วเหนือเสียง, มันจึงสามารถทำงานได้ที่ความเร็วสูงกว่ามัค 6 ในที่ซึ่งแรมเจ็ททั่วไปจะมีประสิทธิภาพที่ต่ำมาก. ความแตกต่างอีกอย่างหนึ่งระหว่างแรมเจ็ทและสแครมเจ็ทมาจากวิธีที่แต่ละแบบของเครื่องยนต์บีบอัดอากาศที่ไหลเข้า: ในขณะที่ inlet ทำการบีบอัดเป็นส่วนใหญ่สำหรับแรมเจ็ท, ความเร็วสูงในจุดที่สแครมเจ็ททำงานยอมให้มันใช้ข้อได้เปรียบของการบีบอัดที่สร้างขึ้นโดยคลื่นช็อก () ที่อ้อมๆ.
มีเครื่องยนต์สแครมเจ็ทไม่มากที่เคยถูกสร้างขึนและทำการบิน. ในเดือนพฤษภาคม 2010 เครื่อง Boeing X-51 ทำสถิติความอดทนสำหรับการเผาสแครมเจ็ทที่นานที่สุดที่มากกว่า 200 วินาที
บทความหลัก: Rocket engine
เครื่องยนต์จรวด ใช้หลักการพื้นฐานด้านกายภาพเดียวกันกับเครื่องยนต์ไอพ่นในการสร้างการขับดันโดยผ่านแรงผลัก, แต่ที่แตกต่างคือมันไม่ต้องใช้อากาศทั่วไปบนผิวโลกเพื่อสร้างออกซิเจน; เนื่องจากจรวดจะบรรทุกชิ้นส่วนทั้งหมดของวัสดุที่จำเป็นต่อการสร้างกำลังขับขึ้นไปด้วย. วิธีนี้สามารถทำให้เครื่องยนต์ชนิดนี้สามารถทำงานได้ที่ระดับความสูงใดๆก็ได้และในอวกาศ.
เครื่องยนต์ชนิดนี้จะถูกใช้สำหรับการส่งดาวเทียม, การสำรวจอวกาศและการขับเคลื่อนด้วยมนุษย์, และปฏิบัติการลงพื้นดวงจันทร์ในปี 1969.
เครื่องยนต์จรวดใช้สำหรับการบินในระดับความสูงที่สูงมาก เนื่องจากเป็นการบินโดยไม่ต้องอาศัยออกซิเจนจากบรรยากาศรอบข้าง ทำให้สามารถปฏิบัติงานได้ที่ความสูงใดๆก็ได้ หรือในกรณีที่ต้องการสร้างความเร่งที่สูงมากได้ ซึ่งเป็นเพราะเครื่องยนต์ชนิดนี้มีอัตราส่วนแรงผลักต่อน้ำหนักตัว () ที่สูงมาก
อย่างไรก็ตาม, ความเร็วไอพ่นที่สูงและสารขับหรือเชื้อเพลิงขับ ()ที่อุดมไปด้วยตัว oxidizer ที่หนักกว่าจะส่งผลให้มีการใช้ propellant มากกว่าการใช้เทอร์โบแฟนมากๆ, แม้กระนั้นก็ตาม ที่ความเร็วสูงอย่างสุดขั้ว พวกมันมีประสิทธิภาพด้านพลังงานดีมาก
สมการหนึ่งสำหรับการประมาณค่าแรงผลักสุทธิของเครื่องยนต์จรวดเป็นดังนี้:
โดยที่ formula_2 เป็นแรงผลักสุทธิ (), formula_3 เป็นแรงกระตุ้นเฉพาะ (), formula_4 เป็นแรงโน้มถ่วงมาตรฐาน (), formula_5 คืออัตราการไหลของเชื้อเพลิงขับ มีหน่วยเป็น kg/s, formula_6พื้นที่หน้าตัดของ nozzle ที่ทางออกของไอพ่น, และ formula_7 เป็นความดันบรรยากาศ
เครื่องยนต์แบบรอบผสม () ใช้หลักการทำงานพร้อมกันของเครื่องยนต์ไอพ่นสองเครื่องหรือมากกว่าที่แตกต่างกัน.
บทความหลัก: Pump-jet
Water jet หรือ pump jet, เป็นระบบขับเคลื่อนทางน้ำที่ใช้การพ่นของน้ำ. เครื่องกลไกประกอบด้วยใบพัดที่เป็นท่อกับหัวฉีด, หรือตัวอัดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์() กับห้วฉีด.
เครื่องยนต์เจ็ททุกเครื่องเป็นเครื่องยนต์ปฏิกิริยาที่สร้างแรงผลักโดยการปล่อยไอพ่นออกทางด้านหลังที่ความเร็วค่อนข้างสูง. แรงทั้งหลายภายในเครื่องยนต์จะเป็นตัวสร้างไอพ่นนี้, ซึ่งจะให้แรงผลักที่แข็งแกร่งในเครื่องยนต์ซึ่งผลักให้ยานไปข้างหน้า.
เครื่องยนต์เจ็ตสร้างไอพ่นของมันจากเชื้อเพลิงในถังเก็บที่ติดมากับเครื่องยนต์ (เหมือนกับใน 'จรวด') เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์ใช้ท่อ () (ที่ใช้กันทั่วไปบนเครื่องบิน) โดยการบริโภคของเหลวภายนอก (มักเป็นอากาศ) และขับไล่มันออกที่ความเร็วที่สูงขึ้น.
หัวฉีดที่สร้างแรงขับ ()เป็นองค์ประกอบสำคัญของเครื่องยนต์เจ็ททุกเครื่องเพราะมันสร้างไอพ่น (ไอเสีย). หัวฉีดที่สร้างแรงขับเปลี่ยนก๊าซร้อนที่อยู่ภายใต้การบีบอัดเคลื่อนไหวช้าให้เป็นแก๊สที่เย็นกว่า, ความดันต่ำกว่า, แต่เคลื่อนที่เร็วกว่าโดยกรรมวิธีที่เรียกว่า adiabatic expansion. หัวฉีดที่สร้างแรงขับสามารถทำงานที่ความเร็วต่ำกว่าเสียง, เท่าเสียงหรือเหนือเสียง, แต่ในการทำงานปกติ หัวฉีดมักจะทำงานที่ความเร็วเสียงหรือเหนือเสียง. หัวฉีดดำเนินการเพื่อควบคุมการไหลและด้วยเหตุนี้มันจึงช่วยเพิ่มความดันในเครื่องยนต์, และทางกายภาพแล้วหัวฉีดมักจะเป็นแบบ convergent, หรือ convergent-divergent. หัวฉีดแบบ convergent-divergent สามารถให้ความเร็วไอพ่นแบบเหนือเสียงเจ็ทภายในส่วนของ divergent, ในขณะที่หัวฉีดแบบ convergent ของเหลวไอเสียไม่สามารถมีความเร็วเกินกว่าความเร็วของเสียงของแก๊สที่อยู่ภายในหัวฉีด
แรงผลักสุทธิ (F) ของ turbojet ถูกกำหนดโดย
สมการข้างต้นใช้เฉพาะสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่นใช้อากาศหายใจเท่านั้น. มันไม่ได้นำไปใช้กับเครื่องยนต์จรวด. เกือบทุกประเภทของเครื่องยนต์เจ็ทมีช่องอากาศเข้า, ซึ่งเป็นช่องที่ของของไหลจำนวนมากออกจากไอเสีย. อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์จรวดธรรมดาไม่ได้มีช่องเข้า, ทั้งตัวสร้างอ๊อกซิเจน () และเชื้อเพลิงถูกบรรทุกไปกับยาน. เพราะฉะนั้นเครื่องยนต์จรวดไม่มีแรงต้านแรม () และแรงผลักรวมของหัวฉีดเครื่องยนต์จรวดเป็นแรงผลักสุทธิของเครื่องยนต์. ผลก็คือ, ลักษณะของแรงผลักของมอเตอร์จรวดจะมีความแตกต่างจากส่วนที่เป็นของเครื่องยนต์เจ็ทใช้หายใจ, และแรงผลักเป็นอิสระจากความเร็ว.
ถ้าความเร็วของไอพ่นจากเครื่องยนต์เจ็ทจะมีค่าเท่ากับความเร็วเสียง, หัวฉีดของเครื่องยนต์เจ็ทจะถูกเรียกว่ามันสำลัก. ถ้าหัวฉีดสำลัก, ความดันที่หัวฉีดที่ออกจากเครื่องบินจะมีค่ามากกว่าความดันบรรยากาศ, และเงื่อนไขพิเศษจะต้องถูกเพิ่มเข้าไปในสมการข้างต้นเพื่อนำมาคำนวณสำหรับแรงผลักของความดัน.
อัตราการไหลของเชื้อเพลิงที่เข้าเครื่องยนต์มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับอัตราการไหลของอากาศ. ถ้าการมีส่วนร่วมของเชื้อเพลิงที่ให้กับแรงผลักรวมของหัวฉีดไม่ถูกนำมาพิจารณา, แรงผลักสุทธิจะเป็น:
ความเร็วของไอพ่น (v) ต้องมีค่ามากกว่าความเร็วอากาศจริงของอากาศยาน (v) ถ้าจำเป็นต้องมีแรงผลักไปข้างหน้าบนอากาศยาน. ความเร็ว (v) สามารถคำนวณแบบ thermodynamic ที่มีพื้นฐานจาก adiabatic expansion.
แรงผลักจากไอพ่นสามารถทำให้เพิ่มขึ้นได้โดยการฉีดของเหลวเพิ่มเติม ซึ่งจะถูกเรียกว่า "แรงผลักเปียก" . เครื่องยนต์ในช่วงต้นและเครื่องยนต์ไม่ทำงานหลังสันดาป ()ในปัจจุบันบางเครื่องใช้น้ำฉีดเพื่อเพิ่มแรงผลักชั่วคราว. น้ำถูกฉีดที่ช่องเข้าของตัวอัดอากาศหรือตัวกระจาย () เพื่อหล่อเย็นอากาศที่ถูกบีบอัดซึ่งเป็นการเพิ่มความดันสำหรับการเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น. แรงผลักสามารถเพิ่มขึ้นได้ประมาณ 10-30%. เมธิลหรือเอทิลแอลกอฮอล์ (หรือส่วนผสมอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่างกับน้ำ) ได้ถูกนำมาใช้ในอดีตสำหรับการฉีด. อย่างไรก็ตาม น้ำมีไอร้อนของการระเหยที่สูงขึ้น เพราะฉะนั้น ของเหลวเท่านั้นที่ถูกใช้โดยทั่วไปสำหรับการเสริมแรงผลักในวันนี้.
เครื่องยนต์รบทางทหารในวันนี้ใช้ตัว afterburner เพื่อเพิ่มแรงผลัก.
ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (formula_10) ของเครื่องยนต์เจ็ทที่ติดตั้งในยานพาหนะมีสององค์ประกอบหลัก ได้แก่
แม้ว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยรวม = formula_10 เป็นเพียง:
สำหรับเครื่องยนต์เจ็ททั้งหมด "ประสิทธิภาพของแรงผลักดัน"จะมีค่าสูงสุดเมื่อเครื่องยนต์ปล่อยไอเสียที่ความเร็วหนึ่งที่เท่ากับหรือใกล้เคียงกับความเร็วของยานพาหนะ เพราะสิ่งนี้ให้พลังงานจลน์ที่เหลือค้างอยู่มีค่าน้อยที่สุด. สูตรสำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้อากาศหายใจที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว formula_15 ที่มีความเร็วไอเสีย formula_16 และตัดทิ้งการไหลของเชื้อเพลิงเป็น:
และสำหรับจรวด:
นอกเหนือไปจากประสิทธิภาพของแรงขับดัน, ปัจจัยอื่นได้แก่ "ประสิทธิภาพของวงรอบ"; เป็นความสำคัญเนื่องจากเครื่องยนต์เจ็ทโดยทั่วไปจะอยู่ในรูปแบบของเครื่องจักรความร้อน. ประสิทธิภาพความร้อนของเครื่องยนต์จะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของอุณหภูมิในเครื่องยนต์ที่ถึงจุดที่เป็นไอพ่นที่ปลายหัวฉีด, ซึ่งจะถูกจำกัดด้วยอัตราส่วนความดันโดยรวมที่สามารถทำได้. ประสิทธิภาพของวงรอบจะมีค่าสูงที่สุดในเครื่องยนต์จรวด (~ 60% +), เมื่อพวกมันสามารถบรรลุอุณหภูมิการเผาไหม้ที่สูงสุดขั้ว. ประสิทธิภาพของวงรอบใน turbojet และเครื่องที่คล้ายกันคือใกล้กว่า 30%, เนื่องจากอุณหภูมิรอบสูงสุดที่ต่ำกว่ามาก.
ประสิทธิภาพการเผาไหม้ของอากาศยานเครื่องยนต์กังหันก๊าซส่วนใหญ่ในระหว่างการ takeoff ที่ระดับน้ำทะเลจะเป็นเกือบ 100%. มันลดลงอย่างไม่เป็นเชิงเส้นที่ 98% ในระหว่างการบินล่องลม. อัตราส่วนระหว่างอากาศ-เชื้อเพลิงอยู่ในช่วง 50:1 ถึง 130:1. สำหรับห้องเผาไหม้ประเภทใดๆ, จะขีดจำกัดแบบ"อุดม"และ"อ่อนแอ"ของอัตราส่วนอากาศ-เชื้อเพลิง, ไกลเกินกว่าที่เปลวไฟจะถูกดับได้. ช่วงของอัตราส่วนอากาศ-เชื้อเพลิงระหว่างขีดจำกัดที่อุดมและอ่อนแอจะลดลงด้วยการเพิ่มขึ้นของความเร็วลม. ถ้าการเพิ่มของการไหลของมวลอากาศไปลดอัตราส่วนเชื้อเพลิงให้ต่ำกว่าค่าบางอย่าง, เปลวไฟก็จะดับไป.
ในอากาศยานกังหัน, อัตราส่วนเชื้อเพลิงปกติจะน้อยกว่าอัตราเชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดถึง 15%. เพราะฉะนั้น, เพียงส่วนหนึ่งของอากาศเท่านั้นที่จะถูกนำมาใช้ในกระบวนการเผาไหม้. ส่วนของเชื้อเพลิงไม่ได้ถูกเผาไหม้อย่างสมบูรณ์, มีการปล่อยส่วนผสมของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์, เขม่า, และสารไฮโดรคาร์บอนไว้ข้างหลัง. ในขณะที่ไม่เคลื่อนที่ ของเสียเหล่านี้มีปริมาณถึง 50-2000 ppm (parts per million) และลดลงในระหว่างการล่องลมที่ 1-50 ppm. นั่นคือเหตุผลที่อากาศรอบๆสนามบินจึงเลวร้าย.
แนวคิดเพื่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด (แต่แตกต่างกัน) คืออัตราของการบริโภคของสารขับเคลื่อน (). การบริโภคสารขับเคลื่อนในเครื่องยนต์เจ็ตสามารถวัดได้จาก'การบริโภคเชื้อเพลิงเฉพาะ' (), 'แรงกระตุ้นเฉพาะ' (), หรือ'ความเร็วไอเสียที่มีประสิทธิภาพ' (). ทั้งหมดนี้เป็นการวัดในสิ่งเดียวกัน. แรงกระตุ้นเฉพาะและความเร็วไอเสียที่มีประสิทธิภาพเป็นสัดส่วนโดยตรงอย่างเคร่งครัด, ในขณะที่การบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงเฉพาะเป็นสัดส่วนผกผันกับตัวอื่นๆ.
สำหรับเครื่องยนต์แบบ airbreathing เช่น turbojets, ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและประสิทธิภาพสารขับเคลื่อน (เชื้อเพลิง) เป็นสิ่งเดียวกันอย่างมาก, เนื่องจากสารขับเคลื่อนเป็นเชื้อเพลิงและแหล่งที่มาของพลังงานอย่างหนึ่ง. ในระบบจรวด, สารขับเคลื่อนยังเป็นไอเสีย, และนี่หมายความว่าสารขับเคลื่อนพลังงานสูงให้ประสิทธิภาพการขับเคลื่อนที่ดีกว่า แต่ในบางกรณีย้งสามารถให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่"ลดลง"จริงๆอีกด้วย.
ตามตารางด้านล่าง ที่ turbofans ต่ำกว่าเสียงเช่น CF6 turbofan ของ General Electric ใช้เชื้อเพลิงในการสร้างแรงผลักดันแค่หนึ่งวินาทีน้อยกว่าที่ Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 turbojet ของคองคอร์ดใช้ทำอย่างเดียวกันมาก. อย่างไรก็ตามเนื่องจากพลังงานเป็นผลคูณระหว่างแรงกับระยะทางและระยะทางต่อวินาทีมีค่ามากกว่าสำหรับคองคอร์ด, กำลังที่สร้างขึ้นจริงจากเครื่องยนต์ที่กินเชื้อเพลิงเท่ากันสำหรับคองคอร์ดที่มัค 2 จึงสูงกว่า CF6. ดังนั้นเครื่องยนต์ของคองคอร์ดจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าในแง่ของแรงผลักดันต่อไมล์.
บทความหลัก: Thrust-to-weight ratio
อัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์เจ็ทจะค่อนข้างแตกต่างกันที่ขนาด, แต่ส่วนใหญ่จะแตกต่างกันที่หน้าที่การทำงานของเทคโนโลยีการก่อสร้างเครื่องยนต์. ชัดเจนสำหรับเครื่องยนต์ที่กำหนด, เครื่องยนต์ยิ่งเบา, อัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักก็ยิ่งดี, เชื้อเพลิงก็ใช้น้อยในการชดเชยแรงต้านจากแรงยกที่จำเป็นในการแบกน้ำหนักเครื่องยนต์, หรือเพื่อเร่งมวลของเครื่องยนต์.
ตามตารางต่อไปนี้, เครื่องยนต์จรวดทั่วไปบรรลุอัตราส่วนแรงผลักดันต่อน้ำหนักสูงกว่าเครื่องยนต์แบบใช้ท่อเช่นเครื่องยนต์แบบ turbojet และ turbofan มาก. เบื้องต้นเป็นเพราะจรวดเกือบทั่วไปจะใช้ของเหลวหนาแน่นหรือมวลปฏิกิริยาของแข็งซึ่งจะให้ปริมาตรขนาดเล็กกว่ามากและด้วยเหตุนี้ระบบแรงดันที่จ่ายให้หัวฉีดจึงมีขนาดเล็กกว่าและน้ำหนักเบากว่ามากเพื่อให้ได้ผลการทำงานเดียวกัน. เครื่องยนต์แบบใช้ท่อต้องจัดการกับอากาศที่มีขนาดความหนาแน่นน้อยกว่าสองหรือสามเท่าและมันยังต้องให้แรงกดดันตลอดพื้นที่ขนาดใหญ่มากกว่า, ซึ่งมีผลในวิศวกรรมวัสดุมากกว่าที่จำเป็นในการยึดเครื่องยนต์ไว้ร่วมกันและสำหรับเครื่องอัดอากาศ
แรงขับของจรวดเป็นแรงขับแบบสูญญากาศถ้าไม่ได้บอกว่าเป็นอย่างอื่น
เครื่องยนต์ใบพัดจะมีประโยชน์สำหรับการเปรียบเทียบ. พวกมันสามารถเร่งมวลอากาศขนาดใหญ่ แต่ด้วยความเร็วที่มีการเปลี่ยนแปลงสูงสุดค่อนข้างน้อย. ความเร็วที่ต่ำนี้จำกัดแรงผลักดันสูงสุดของเครื่องบินขับเคลื่อนด้วยใบพัดใดๆ. อย่างไรก็ตาม เพราะพวกมันเร่งมวลอากาศขนาดใหญ่, เครื่องยนต์ใบพัด, เช่น turboprops, สามารถมีประสิทธิภาพมาก.
ในทางตรงกันข้าม, turbojets สามารถเร่งมวลขนาดเล็กมากของอากาศเข้าและเชื้อเพลิงที่ถูกเผาไหม้, แต่พวกมันปล่อยไอพ่นออกมาที่ความเร็วสูงมากซึ่งสามารถทำได้โดยใช้หัวฉีดแบบเดอวาล () เพื่อเร่งไอเสียของเครื่องยนต์. นี่คือเหตุผลที่ว่าทำไมพวกมันจึงเหมาะสำหรับเครื่องบินเดินทางด้วยความเร็วเหนือเสียงและสูงกว่า.
turbofans มีไอเสียผสมที่ประกอบด้วยอากาศบายพาสและผลิตภัณฑ์ก๊าซเผาไหม้ร้อนจากเครื่องยนต์หลัก. ปริมาณอากาศที่บายพาสเครื่องยนต์หลักเมื่อเทียบกับปริมาณอากาศที่ไหลเข้าไปในเครื่องยนต์จะเป็นตัวกำหนดสิ่งที่เรียกว่าอัตราการบายพาส () ของ turbofan.
ในขณะที่เครื่องยนต์ turbojet ใช้กำลังของเครื่องยนต์ทั้งหมดไปในการผลิตแรงผลักดันในรูปแบบของก๊าซไอเสียเจ็ทร้อนความเร็วสูง, อากาศบายพาสความเร็วต่ำที่เย็นของ turbofan ให้ผลผลิตระหว่าง 30% ถึง 70% ของแรงผลักดันทั้งหมดที่ผลิตโดยระบบ turbofan.
แรงผลักดันสุทธิ (F) ที่สร้างโดย turbofan มีค่าเท่ากับ:
เครื่องยนต์จรวดมีไอเสียที่ความเร็วสูงอย่างยิ่งยวด ดังนั้นมันจึงเหมาะสมที่สุดสำหรับความเร็วสูง (เหนือเสียง)และระดับความสูงที่สูงมากๆ. ในขนาดของหัวฉีดที่กำหนด, แรงผลักดันและประสิทธิภาพของมอเตอร์จรวดจะดีขึ้นเล็กน้อยกับการเพิ่มระดับความสูงของการบิน (เพราะว่า
แรงอัดกลับหลังตกลงซึ่งทำให้เป็นการเพิ่มแรงผลักดันรวมที่ปลายหัวฉีดพ่นออก), ในขณะที่ด้วยเครื่อง turbojet (หรือ turbofan) การตกลงของความหนาแน่นอากาศที่กำลังเข้าที่ช่องทางเข้า (และอากาศร้อนที่หัวฉีด) ทำให้แรงผลักดันรวมลดลงเมื่อระดับการบินสูงขึ้น. เครื่องยนต์จรวดจะมีประสิทธิภาพมากกว่าแม้แต่กับสแครมเจ็ทที่ความเร็วประมาณมัค 15.
ด้วยข้อยกเว้นของ scramjets, เครื่องยนต์เจ็ทที่ปราศจากระบบการไหลเข้าสามารถรับอากาศที่มีความเร็วประมาณครึ่งหนึ่งของความเร็วของเสียงเท่านั้น. หน้าที่ของระบบท่อเข้าสำหรับเครื่องบินเร็วเท่าเสียงและเหนือเสียงคือการชะลออากาศและดำเนินการบางอย่างของการบีบอัด.
จำกัดบนระดับความสูงสุดสำหรับเครื่องยนต์ถูกกำหนดโดยความสามารถในการติดไฟ () - ในระดับที่สูงมากอากาศจะบางเกินไปที่จะเผาไหม้, หรือหลังจากการบีบอัด, ก็ร้อนเกินไป. สำหรับเครื่องยนต์ turbojet ระดับความสูงประมาณ 40 กิโลเมตรดูเหมือนจะเป็นไปได้, ในขณะที่สำหรับเครื่องยนต์แรมเจ็ท 55 กิโลเมตรอาจจะทำได้. scramjets ในทางทฤษฎีอาจสามารถจัดการที่ 75 กม. เครื่องยนต์จรวดแน่นอนไม่มีขีดจำกัดเรื่องความสูง.
ที่ระดับความสูงไม่มากนัก, การบินที่เร็วจะบีบอัดอากาศที่ด้านหน้าของเครื่องยนต์และสิ่งนี้ยิ่งเพิ่มความร้อนให้อากาศอย่างมาก. ขีดจำกัดด้านบนมักจะอยู่ที่ประมาณมัค 5-8, ตามตัวอย่างข้างบนประมาณมัค 5.5, ไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศมีแนวโน้มที่จะมีปฏิกิริยาเนื่องจากอุณหภูมิสูงที่ทางเข้าและสิ่งนี้สิ้นเปลืองพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ. ข้อยกเว้นสำหรับเรื่องนี้เป็น scramjets ซึ่งอาจจะสามารถที่จะประสบความสำเร็จประมาณมัค 15 หรือมากกว่า , ขณะที่พวกมันหลีกเลี่ยงการชะลออากาศ, และอีกครั้งจรวดไม่มีการจำกัดความเร็ว.
เสียงที่ถูกปล่อยออกมาจากเครื่องยนต์เจ็ทมีที่มาหลายแหล่ง, รวมถึง, ในกรณีของเครื่องยนต์กังหันก๊าซ, พัดลม, คอมเพรสเซอร์, เตาเผา, กังหันและตัวขับเจ็ท.
เครื่องยนต์เจ็ทผลิตเสียงที่เกิดจากการผสมที่รุนแรงของเจ็ทความเร็วสูงกับอากาศโดยรอบ. ในกรณีที่ความเร็วต่ำกว่าเสียง, เสียงรบกวนมีการผลิตโดยกระแสอากาศไหลวนและในกรณีที่ความเร็วเหนือเสียงโดยคลื่นมัค (). พลังเสียงที่แผ่ออกมาจากเจ็ทแปรตามความเร็วของเจ็ทยกกำลังแปดสำหรับความเร็วสูงถึง 2,000 ฟุต/วินาทีและแปรตามความเร็ว cubed ที่สูงกว่า 2,000 ฟุต/วินาที. ดังนั้นไอพ่นความเร็วต่ำกว่าจะปล่อยเสียงออกมาจากเครื่องยนต์เช่น turbofans แบบบายพาสสูงจะเงียบที่สุด, ในขณะที่เจ็ทที่เร็วที่สุดเช่นจรวด, turbojets, และ ramjets จะดังที่สุด. สำหรับเครื่องบินเจ็ทเชิงพาณิชย์, เสียงรบกวนจากไอพ่นได้ลดลงจาก turbojet ผ่านทางเครื่องยนต์บายพาสไปที่ turbofans เป็นผลมาจากการลดอย่างก้าวหน้าในความเร็วของเครื่องเจ็ท. ตัวอย่างเช่น JT8D, เครื่องยนต์บายพาส, มีความเร็วเจ็ทที่ 1,450 ฟุต/วินาทีในขณะที่ JT9D, turbofan, มีความเร็วของเจ็ทที่ 885 ฟุต/วินาที (แบบเย็น) และ 1,190 ฟุต/วินาที (แบบร้อน).
การปรากฏตัวของ turbofan มาแทนที่เสียงไอพ่นที่โดดเด่นมากด้วยเสียงอื่นที่รู้จักกันว่าเป็นเสียงรบกวนแบบ "เสียงเลื่อย" (). ที่มาของมันเป็นคลื่นกระแทกที่เกิดขึ้นที่ใบพัดลมที่มีความเร็วเหนือเสียงในขณะ takeoff.