Động cơ tuốc bin khí
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Động cơ tuốc bin khí hay động cơ tua bin khí là loại động cơ nhiệt, dạng rotor trong đó chất giãn nở sinh công là không khí. Động cơ gồm ba bộ phận chính là khối máy nén khí (tiếng Anh: compressor) dạng rotor (chuyển động quay); buồng đốt đẳng áp loại hở; và khối tuốc bin khí rotor. Khối máy nén và khối tuốc bin có trục được nối với nhau để tuốc bin làm quay máy nén.
So với một loại động cơ nhiệt khác rất thông dụng là động cơ piston điển hình là động cơ Diesel thì động cơ tuốc bin khí có nhiều điểm yếu hơn: công nghệ chế tạo rất cao nên rất đắt (chỉ một vài nước có công nghệ tiên tiến chế tạo được động cơ này), có hiệu suất nhiệt động lực học thấp hơn (khoảng 2/3 so với động cơ Diesel) dẫn đến tính kinh tế kém hơn, hiệu suất giảm sút nhanh khi chạy ở chế độ thấp tải. Nhưng ưu điểm nổi bật của động cơ tuốc bin khí là cho công suất cực mạnh với một khối lượng và kích thước nhỏ gọn: chỉ số công suất riêng (mã lực/kg) của loại động cơ này lớn gấp hàng chục lần động cơ diesel. Do vậy loại động cơ này có vị trí áp đảo trong ngành hàng không, nó được lắp cho hầu hết các loại máy bay và trực thăng.
Mục lục |
[sửa] Nguyên tắc hoạt động
P - Áp suất; v - thể tích; q - nhiệt lượng; T - Nhiệt độ K°; s - Entropy
1-2: Nén đẳng Entropy tại máy nén; 2-3: Gia nhiệt đẳng áp tại buồng đốt; 3-4: Giãn nở sinh công đẳng entropy tại tuốc bin; 4-1: khép kín chu trình đẳng áp bên ngoài môi trường
Máy nén khí quay làm không khí từ cửa hút của máy nén được nén lại để tăng áp suất, trong quá trình đó không chỉ áp suất tăng mà nhiệt độ cũng tăng (ngoài ý muốn). Đây là quá trình tăng nội năng không khí trong máy nén. Sau đó không khí chảy qua buồng đốt tại đây nhiên liệu (dầu) được đưa vào để trộn và đốt một phần không khí, quá trình cháy là quá trình gia nhiệt đẳng áp trong đó không khí bị gia nhiệt tăng nhiệt độ và thể tích mà không tăng áp suất. Thể tích không 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 không khí tiến hành giãn nở sinh công: Nội năng biến thành cơ năng: áp suất, nhiệt độ và vận tốc không 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 còn lại của dòng khí nóng chuyển động với vận tốc cao tiếp tục sinh công 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 công năng hữu dụng đối với các loại động cơ tuốc bin khí khác.
Các đặc điểm của động cơ tuốc bin khí:
- Động cơ rotor: trong động cơ này các khối công năng chính là máy nén và tuốc bin chỉ có chuyển động quay một chiều, khác với động cơ piston có khối công năng chính là piston của xi lanh chuyển động tịnh tiến.
- Động cơ loại hở (tuyến khí hở): không khí từ lối vào của máy nén qua buồng đốt và ra khỏi tuốc bin đều chảy qua khoảng không gian hở không có vùng không gian bị đóng kín (ví dụ như ở động cơ piston: không khí sinh công trong xi lanh là vùng không gian kín ngăn cách với bên ngoài 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 không gian kín quá trình cháy sẽ làm tăng áp suất không khí làm áp suất trong buồng đốt cao hơn áp suất tại máy nén, không 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, quá trình như vậy là quá trình gián đoạn. Còn tại động cơ tuốc bin khí các quá 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 quá trình giãn nở sinh công, chính yếu tố này quyết định tính công suất cao của loại động cơ này.
[sửa] Khối nén khí
Khối nén khí là một trong các khối công năng chính của động cơ tuốc bin khí có chức năng làm tăng nội năng (áp suất) không 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 đòi 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 tắc dùng rãnh diffuser (thiết diện rãnh khí nở ra) để biến động năng (vận tốc) của dòng không khí thành nội năng (áp suất).
Khối nén khí của động cơ tuốc bin khí có thể gồm các loại như:
- Ly tâm: không 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 không 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 không 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 hoá năng lượng). Loại máy nén này có hiệu suất cao và một loạt ưu điểm khác. Tuy nhiên, với động cơ công suất lớn thì sẽ có kích thước theo bán kính lớn nên không 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.
- Loại máy nén khí thông dụng nhất trong các động cơ tuốc bin khí hàng không là loại máy nén dọc trục (tiếng Anh: axial-flow compressor) về mặt khối lượng, hiệu suất loại dọc trục đều kém hơn máy nén khí ly tâm nhưng có hình dạng thon dài hình xì gà rất thích hợp cho động cơ máy bay. Trong loại máy nén này không khí bị các đĩa cánh quạt gia tăng vận tốc tuyệt đối và lùa không khí chảy dọc trục trong các rãnh khí giữa các cánh quạt. Các rãnh khí này có hình dạng thiết diện nở ra (diffuser) và làm giảm vận tốc tương đối của không khí đồng thời làm tăng áp suất. Vì hiệu suất nén của loại cánh quạt dọc trục không cao nên máy nén phải có nhiều tầng cánh quạt: không khí bị nén tại một tầng được dẫn hướng và nén tiếp trong tầng kế tiếp. Động cơ tuốc bin khí hiện đại thường có từ 10-20 tầng nén khí, giữa các tầng cánh quạt nén là các tầng cánh dẫn hướng trung gian được gắn cố định vào stator.
- Máy nén ly tâm dọc trục: kết hợp tính chất của hai loại máy nén cơ bản trên.
[sửa] 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.
[sửa] 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.
[sửa] 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.
[sửa] 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.
[sửa] 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.
[sửa] Động cơ tuốc bin cánh quạt
1: Cánh quạt đẩy chính; 2: Hộp số giảm tốc; 3: động cơ tuốc bin khí
Đây là loại động cơ tuốc bin khí để lai cánh quạt tạo lực đẩy cho máy bay (tiếng Anh: Turbo Propeller viết tắt Turboprop). 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).
[sửa] Động cơ tuốc bin phản lực
1: Cửa thu khí; 2: Máy nén; 3: buồng đốt; 4: Tuốc bin; 5: Phễu phụt
Động cơ tuốc bin phản lực (tiếng Anh: turbo-Jet 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 âm. 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).
[sửa] 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.
[sửa] Động cơ tuốc bin hai viền khí
1: Cánh quạt ngoài; 2: động cơ tuốc bin khí; 3: dòng khí đi bên trong động cơ; 4: dòng khí đi bên ngoài động cơ
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.
[sửa] Động cơ phản lực cánh quạt
1: cánh quạt ngoài; 2: capote (vỏ) ngoài; 3: động cơ tuốc bin khí; 4: luồng khí phản lực qua bên trong động cơ; 5: luồng khí tạo lực đẩy từ cánh quạt không qua lõi động cơ
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.
Động cơ tuốc bin 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.
[sửa] 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.
