Bàn luận một chút về động cơ phản lực

Bắt đầu ạ

I. Lịch sử phát triển của động cơ hàng không
1. Vai trò của động cơ phản lực trong lịch sử hàng không
Lịch sử hơn 100 năm phát triển của động cơ hàng không bắt đầu bởi chuyến bay thử thành công của anh em nhà Wright vào ngày 17 tháng 12 năm 1903, từ đó đến nay chia làm 2 giai đoạn lớn:
- 40 năm đầu tiên với sự ?othống trị? của động cơ piston đốt trong
- 60 năm sau với kỷ nguyên của động cơ phản lực
Năm 1903 đánh dấu sự ra đời của kỷ nguyên hàng không và song song với sự phát triển của nó động cơ piston cũng tiến những bước dài trong sự phát triển của mình. Đến những năm 40 động cơ piston đã đạt tới mức hoàn thiện cao về cấu trúc và công suất.
Nhưng với đòi hỏi không ngừng về tăng vận tốc và độ cao của máy bay, đặc biệt là sau chiến tranh thế giới II, động cơ piston đã bộc lộ nhiều hạn chế. VD vận tốc tối đa máy bay đạt được chỉ là 700?750 km/h trên độ cao khoảng 10 km. Những hạn chế đó do những nguyên nhân sau gây ra:
- Lực đẩy cánh quạt giảm theo vận tốc máy bay
- Công suất tối đa khoảng 3000 kW
- Khối lượng và kích thước lớn do sự phức tạp của cấu trúc, do chuyển động của piston trong xilanh?.
- v?v
Động cơ phản lực (ĐCPL) ra đời đã khắc phục tất cả những nhược điểm trên.
Khác với động cơ piston, ĐCPL làm việc theo 1 chu trình liên tục, luồng không khí với lưu lượng lớn đi theo đi theo đường ?othẳng?, cấu trúc rotor đơn giản và tạo luồng phản lực mà không cần sự giúp đỡ của cánh quạt (ở đây là propeller chứ không phải là blade trong máy nén hoặc turbin). Nhờ đó khối lượng và kích thước ĐC giảm mạnh, công suất tăng (công suất của AL-31F vào khoảng 16-20 MW), lực đẩy động cơ tăng theo vận tốc máy bay?Hàng không thế giới tiến thêm 1 bước dài, đặc biệt trong lĩnh vực chế tạo máy bay với vận tốc lớn hơn vận tốc âm thanh

Tiếp ạ
2. Lịch sử những năm đầu kỷ nguyên phản lực

Ý tưởng chế tạo ĐCPL xuất hiện vào những năm 20-30 ở Anh, Đức, Liên Xô? và ngay sau đó là những thử nghiệm ĐCPL. Đầu tiên là ĐCPL chất lỏng, sau đó là ĐCPL không khí.
Ý tưởng về ĐCPL thời đó chỉ đơn giản là những ống nén khí. Không khí được hút vào trong ống, chuyển động chậm lại, áp suất tăng lên. Nhiên liệu được phụt vào để đốt cháy không khí dưới áp suất ?ocao? và phụt ra sau đẩy máy bay tiến về phía trước. Nguyên tắc hoạt động đơn giản như vậy nhưng vấn đề đặt ra là để nén không khí tới mức cần thiết máy bay phải bay với vận tốc gấp vài lần vận tốc âm thanh! Ngay cả đạn pháo thời bấy giờ cũng chưa đạt tới vận tốc đó! Vậy phải đặt vào trong ống 1 máy nén khí. Nhưng ?ođặt? thế nào, và máy nén khí đó hoạt động như thế nào?
Vấn đề đó đã được Frank Whittle giải quyết vào năm 1929. Lúc đó ông mới có 22 tuổi. Cách giải quyết của ông là: nối trục của máy nén khí (compressor) với trục của 1 turbin dẫn động cho máy nén khí. Hi sinh 1 phần năng lượng luồng khí để động cơ tự nó làm việc liên tục. ?oMỡ nó rán nó?-1 nguyên tắc đơn giản. Ngày 30 tháng 1 năm 1930 Whittle gửi báo cáo và 18 tháng sau nhận bằng sáng chế ?o Cấu trúc Động cơ turbin khí?. Vì lẽ đó Whittle được coi là cha đẻ của ĐCPL.

Frank Whittle (wikipedia.org)

1 người nữa cũng được coi là cha đẻ của ĐCPL là Hans von Ohain, người Đức. Ông cũng chạy thành công chiếc ĐCPL của mình vào năm 1935. Chiếc ĐC này được cấu tạo từ 1 máy nén khí ly tâm và 1 turbin ly tâm. Chiếc máy bay Heinkel He 178 với ĐC của ông được coi là máy bay đầu tiên với ĐCPL không khí (bay thành công vào 27 tháng 8 năm 1939)

Hans von Ohain năm 25 tuổi

và chiếc động cơ đầu tiên của ông

Động cơ đầu tiên của Whittle

Whittle và Hans von Ohain

Ở Anh, chiếc máy bay PL với ĐC của Whittle mang tên Gloster E.28/39 bay thành công vào năm 1941 và tới năm 1943 Anh đã SX hàng loạt máy bay tiêm kích phản lực Gloster Meteor. Những chiếc máy bay này đã tham ra rất hiệu quả vào Chiến tranh TG II. ĐC của Whittle dùng turbin dọc trục chứ không dùng turbin ly tâm như ĐC của Hans von Ohain. Rất nhiều hãng lớn bấy giờ như Roll-Royce, Briston cũng tham gia SX động cơ này.

Gloster E.28/39
Như vậy Hans von Ohain chậm hơn Frank Whittle 5 năm trong việc chế tạo ĐCPL nhưng lại cho ra đời chiếc máy bay phản lực đầu tiên sớm hơn Whittle 2 năm. Điều đó cũng dễ hiểu bởi vì thời điểm đó Hans von Ohain nhận được sự ủng hộ mạnh mẽ từ chính phủ Đức.

He-178, máy bay phản lực đầu tiên

Ở Đức các hãng như Junkers và BMW đã chế tạo những ĐCPL đầu tiên với máy nén khí dọc trục và vào năm 1944 đã sx hàng loạt tiêm kích Messerschmitt Me-262. Me-262 đã lập kỷ lục vận tốc thời bấy giờ 848 km/h
Ở Mỹ thời bấy giờ tất cả các ĐCPL đều được sx theo nguyên mẫu của Anh. Sau đó việc chế tạo các động cơ mới đc các hãng lớn đảm nhiệm như GE, Pratt & Whitney?.
Ở Liên Xô nhắc đến ĐCPL là phải nhắc đến Arhip Lyulka (OKB mang tên ông đã chế tạo ra AL-31F. AL chính là Arkhip Lyulka).
Vào năm 1941 Lyulka đã nghĩ ra sơ đồ động cơ phản lực 2 luồng khí (turbofan). Rất tiếc ông phải chuyển sang nghiên cứu động cơ trang bị cho những chiếc xe tăng phục vụ chiến tranh. Mãi đến khi LX thấy máy bay phản lực của Đức tham chiến mới ra lệnh cho Lyulka tiếp tục những nghiên cứu của mình. Năm 1947 ông đã chế tạo thành công ĐCPL đầu tiên của LX mang tên TR-1. ĐC có thiết kế máy nén khí dọc trục 8 tầng, buồng đốt dạng vòng, turbin dọc trục với 1 tầng cánh quạt. Đây là thiết kế của rất nhiều ĐCPL sau đó. TR-1 đc trang bị trên các máy bay Su-11 và IL-22

Luylka

TR-1

1 trong những ĐCPL xuất sắc nhất thời kỳ đó là Jumo 109-004 do công ty Junker sx (ĐC của Me-262)

Messerschmitt Me-262

Jumo 109-004
Jumo 109-004 được phát triển bởi 38 kỹ sư của Junker, đứng đầu là Anselm Franz. Jumo 109-004 dùng máy nén dọc trục (axial compressor), buồng đốt gồm 6 ống đốt riêng rẽ. Franz rất quan tâm đến việc đơn giản hóa cấu trúc động cơ để tạo điều kiện cho việc sx hàng loạt. Nhờ thế Jumo 109-004 của Junker đã chiến thắng BMW 109-003 trong dự án chế tạo động cơ cho Me-262.
Sau thất bại của phát xít Đức, quân đồng minh đã thu được rất nhiều chiến lợi phẩm, trong đó có các động cơ Jumo 109-004. Các chuyên gia của Bristish Power Jets khẳng định: không tìm thấy cái gì hay ho trong đó cả. Người Mỹ cũng nghĩ như vậy. Chỉ có Pháp và Liên Xô, những nước, có thể nói, chưa có 1 chút thành tựu nào trong việc chế tạo ĐCPL quan tâm và bắt đầu nghiên cứu, copy những động cơ này. Máy bay phản lực đầu tiên của Pháp Sud-Ouest Triton bay thành công vào ngày 11 tháng 11 năm 1946 được trang bị Jumo 109-004.
Nhưng người Xô-viết làm được nhiều hơn thế. Vào năm 1946 họ chuyển được hầu như toàn bộ nhà máy của Junker cùng với các kỹ sư Đức và Australia về thành phố GAZ-19 trên bờ sông Volga. Dưới sự chỉ đạo của tổng công trình sư Kuznhetsop họ đã chế tạo thành công động cơ RD-10, 1 bản sao của Jumo 109-004 vào mùa đông năm 1946-1947. Động cơ này được trang bị cho những chiếc tiêm kích Xô-viết đầu tiên Yak-15, Yak-17, Yak-19, Su-9 v?v
Như vậy Jumo 109-004 không những trở thành động cơ đầu tiên của những chiếc máy bay phản lực Đức mà còn của cả Pháp, Liên Xô.
Nhưng Jumo 109-004 cũng chấm dứt kỷ nguyên động cơ phản lực của người Đức. Không biết bằng cách nào đó LX đã mua được những ĐC của Roll-Royce nguyên mẫu Derwent và Nene vào những năm cuối chiến tranh. 1 năm sau đó RD-500, bản sao của Derwent và RD-45, bản sao của Nene ra đời . Tiếp theo đó, tổng công trình sư Xô viết Vladimia Klimov đã hoàn thiện Nene lên ?oNene ver.2.0? dưới cái tên VK-1. So với Nene, VK-1 có buồng đốt và cánh quạt turbin lớn hơn+cửa hút gió đầu vào. Điều này giúp làm tăng lưu lượng không khí qua động cơ lên nhiều lần. VK-1 đi vào sx hàng loạt năm 1958, với số lượng 20 nghìn chiếc!

Động cơ VK-1
VK-1 được trang bị cho các huyền thoại MiG-15, MiG-17, những tiêm kích đứng vào hàng xuất sắc trong thế hệ máy bay chiến đấu đời thứ 2 của thế giới.
Và cũng kể từ đây không ai đi copy động cơ của người khác nữa. Các nước tự nghiên cứu và chế tạo động cơ cho riêng mình. Sự ganh đua quyết liệt thời kì chiến tranh lạnh đã tạo ra nhiều thành quả to lớn trong lĩnh vực chế tạo ĐCPL. Cho đến nay những AL-31F, F-100-PW?vẫn là niềm tự hào của nghành chế tạo động cơ toàn nhân loại

hay quá, vote cho bác dtdmos 5 sao.
Bác poste tiếp nhé

Cảm ơn bác đã động viên!
Tiếp ạ
Người ta tính rằng cứ khoảng 10 năm lại có 1 thế hệ động cơ mới ra đời với thông số vượt
trội với thế hệ trước đó. Cụ thể như sau:
- ĐCPL thế hệ thứ nhất: ra đời vào những năm 40 (TR-1, VK-1, J-35, J-47)
Các thông số cơ bản của ĐC thế hệ này:
+Tỉ số nén (TSN) trong compressor 3-5 lần
+ Nhiệt độ dòng khí trước turbin T = 1000?1150 K

- ĐCPL thế hệ thứ 2: ra đời vào những năm 50 (RD-9B, R-11F-300, J-57, J-79, Olim )

+ TSN=5?8
+ T=1150?1250 K
- ĐCPL thế hệ thứ 3: ra đời vào những năm 60 (D-30, NK-144, Olim 593, JT9D, TF-30)

+ TSN=14?20
+ T=1300?1450 K

- ĐCPL thế hệ thứ 4: ra đời vào những năm 70-80 (D-36, PS-90A, AL-31F, RD-33, Trent-700, Trent-800, F-100, F-104)
+ TSN=20?35
+ T=1500?1650 K
- ĐCPL thế hệ thứ 5: ra đời vào những năm 1990-2010 (GE-90, Trent-900, F-119, M.88, EJ200)
+ TSN=25?50
+ T=1850?1900 K
GE-90 115B hiện đang giữ kỷ lục thế giới với sức đẩy 127 900 pounds of thrust, tức là khoảng 568.9 kN, 58 tấn lực!
Nó đây



Cắt ngang GE-90
Nhìn lại hơn 60 năm phát triển ĐCPL đã đạt đc những tiến bộ sau:
- Giảm trọng lượng riêng (tỉ số trọnglượng/lựcđẩy) 10 lần
- Giảm suất tiêu hao nhiên liệu (3600xlượngnhiênliệu/lựcđẩy) 2,5 lần
- Tăng nhiệt độ dòng khí trước turbin từ 900 K lên 1950 K
- Tăng tỉ số nén của máy nén khí từ 3 lên 50 lần
- Lực đẩy tối đa tăng lên đến 400?600 kN
- v?v
1 sơ đồ cấu trúc động cơ thế hệ mới trong tương lai (dự án VAATE của Mỹ). Chúng ta có thể thấy số tầng nén giảm đáng kể 1+2=1+1 (so sánh với động cơ F-100 chế tạo năm 1974 với sơ đồ 3+6=2+2, F-119 chế tạo năm 1997 với sơ đồ 3+6=1+1 ). Điều này dẫn tới kích thước và khối lượng động cơ giảm mạnh. Còn rất nhiều cải tiến ở vòng bi (bearing), buồng đốt, các hệ thống làm mát? Chúng ta sẽ nói kỹ hơn về những cải tiến này ở những phần sau.

Nga cũng đang hướng tới 1 thế hệ động cơ mới. Thiết kế trưởng của NPO Saturn- Mikhail Kuzmenko nhận định ?o Nếu được sự ủng hộ mạnh mẽ từ phía chính phủ, chúng ta (Nga) sẽ chế tạo thành công ĐCPL thế hệ thứ 5 trong khoảng 10 năm nữa. Chiếc động cơ mới sẽ đạt tới mức độ gần như hoàn thiện về lý thuyết ĐCPL. ĐCPL thế hệ thứ 6 sẽ đc chế tạo trên nguyên tắc và vật liệu hoàn toàn mới??

AL-31F tại MAKS-2007

Post tiếp. Phần này trở đi sẽ tương đối khô khan do thuần tuý về kỹ thuật. Em sẽ cố gắng tìm ảnh minh hoạ cho hấp dẫn
II. Các loại động cơ turbine dùng cho máy bay

Phần này sẽ trình bày về các loại động cơ phổ biến dùng cho máy bay phản lực
Tất cả các tranh ảnh minh họa đều lấy từ www.wikipedia.org có chỉnh sửa những chỗ em cho là chưa đúng
1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của ĐCPL
Động cơ phản lực làm việc theo chu trình kín Brayton. Dưới đây là chu trình Brayton lý tưởng trong 2 hệ tọa độ Thể tích-Áp suất (p-v) và Nhiệt độ-Entropy (T-S)

Hình 1. Chu trình lý tưởng Brayton
Chúng ta xét 4 vị trí cơ bản của động cơ.
Vị trí 1 trước compressor
Vị trí 2 sau compressor
Vị trí 3 sau buồng đốt
Vị trí 4 sau turbine
Vị trí 5 sau ống phụt
Tại các vị trí này luồng khí có trạng thái tương ứng với tọa độ các điểm 1-2-3-4-5 trên chu trình Brayton.
Luồng khí có áp suất P1 thể tích V1 đi qua compressor bị nén đến thể tích V2, áp suất tăng lên P2. Qua buồng đốt, do bị đốt nóng luồng khí giãn nở đẳng áp (P=const) tới thể tích V3. Qua turbine tiếp tục giãn nở đoạn nhiệt tới P4 (điểm 4) và giãn nở hoàn toàn sau ống phụt (điểm 5) tới áp suất P5=P1 ban đầu. Vì thế chu trình này còn được gọi là ?oChu trình đẳng áp giãn hoàn toàn? khác với chu trình làm việc của động cơ đốt trong là ?oChu trình đẳng áp giãn không hoàn toàn? (Hình 2) (P4>P1).

Chu trình làm việc của ĐC piston

So sánh 2 chu kì làm việc ta thấy nếu không khí bị nén tới cùng áp suất (P2) và được đốt nóng đến cùng 1 nhiệt độ (T3) thì công của chu trình do ĐCPL tạo ra (diện tích nằm trong 1-2-3-4-5 hình 1) sẽ lớn hơn công của do ĐC đốt trong tạo ra (diện tích 1-2-3-4 trên hình 2 nhỏ hơn).
Để hỗn hợp khí trong động cơ đốt trong giãn hoàn toàn tới P=P1 cần 1 xilanh rất dài! Đây chính là nhược điểm lớn nhất của ĐC đốt trong so với ĐCPL xét về phương diện nhiệt động lực học.
Cũng theo chu trình Brayton ta thấy: để tăng công của quá trình có 2 cách chính. Tăng áp suất P2 (nhìn theo diagram p-v) hoặc tăng nhiệt độ T3 (nhìn theo T-S).
Vì thế người ta luôn luôn tìm cách tăng tỉ số nén của Compressor và tăng Nhiệt độ buồng đốt lên càng cao càng tốt (Cụ thể xem bài trước). Tất nhiên điều này không hề dễ dàng.
Như vậy chức năng của các bộ phận trong động cơ đều đã rõ ràng. Compressor dùng để tăng áp suất luồng khí. Buồng đốt để tăng nhiệt độ giúp khí giãn nở. Ống phụt giúp khí giãn nở hoàn toàn tới áp suất ban đầu (áp suất khí quyển). Vậy turbin dùng để làm gì? Câu trả lời là : để quay compressor. Đây là ý tưởng tuyệt vời của Sir Frank Whittle.
Ở 1 số động cơ luồng khí giãn nở hoàn toàn tại turbine. Turbine gồm 2 tầng. Tầng 1 dùng để quay Compressor, tầng còn lại đc gọi là turbine tự do. Nối gì với turbine này là tùy mục đích sử dụng. VD nối với cánh quạt trong sơ đồ ĐC turboprop (Nhìn Tu-95), turboshaft (cho trực thăng), nối với máy phát điện, máy bơm. Chính nhờ turbine tự do mà động cơ turbine không khí có 1 ứng dụng rộng rãi không chỉ trong nghành hàng không mà còn những nghành khác đòi hỏi động cơ có công suất lớn. VD dầu từ Nga được bơm qua Châu Âu là nhờ những động cơ AL-31 ST. 1 phiên bản của AL-31. ST-tiếng Nga là СТ viết tắt của С,ан?ия

1 ví dụ sinh động cho việc sử dụng turbine tự do trong phiên bản động cơ F-135 dùng cho máy bay chiến đấu lên thẳng đời mới nhất của Mỹ F-35. Turbine tự do được nối với 1 tầng cánh quạt tạo lực đẩy khoảng 14 tấn giúp máy bay cất cánh thẳng đứng. Luồng phản lực còn lại nhờ ống phụt có thể hướng xuống dưới cũng tạo được lực đẩy 14 tấn.
Đây là 1 ý tưởng khá thú vị của người Mỹ, khác hoàn toàn với người Nga trong thiết kế Yak-141. Nhưng cũng cho thấy rõ người Mỹ nói riêng và nhân loại nói chung vẫn chưa tìm được lời giải tối ưu nhất cho bài toán lên thẳng. Bản thân tôi cũng rất thích động cơ F-135 này. Các bạn có thể vào youtube để xem các clip về F-35