Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Hình 2.9: Sự phân bố khí trong buồng đốt Hình 2.10: Sự cháy trong buồng đốt Yêu cầu của một hệ thống buồng đốt là hòa trộn nhiên liệu và không khí ở một tỷ lệ thích hợp, đốt được tối đa hỗn hợp nhiên liệu-không khí, làm mát khí nóng xuống nhiệt độ mà các lá cánh turbine có thể chòu được, và phân phối một cách đồng đều khí nóng đến turbine. 20% khí từ ống tăng áp có vận tốc khá cao đi thẳng vào ống đốt, qua các van tạo xoáy (swirl vane) tạo thành dòng khí xoáy, 20% khí xuyên qua thành ống đốt vào vùng cháy (primary zone) tương tác với dòng khí xoáy tạo thành một vùng Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D tuần hoàn vận tốc thấp (low velocity recirculation) có tác dụng giữ ổn đònh ngọn lửa. Tác dụng của việc tạo xoáy là giúp việc hòa trộn nhiên liệu có hiệu quả đồng thời làm cho vận tốc dọc trục của dòng khí giảm đáng kể để sự cháy có thể xảy ra. 40% khí qua các lỗ của vùng giảm nhiệt (dilution air hole) vào ống đốt để làm mát ống đốt bằng cách tạo ra một màng khí có nhiệt độ thấp chuyển động bao quanh thành trong ống đốt, ngăn cách ngọn lửa và thành ống đốt. Phần khí còn lại khoảng 20% dùng làm mát dòng khí nóng trước khi dòng khí ra khỏi buồng đốt vào turbine. Phần sau của buồng đốt có tiết diện co hẹp dần làm tăng vận tốc của dòng khí, thông thường dòng khí ra khỏi buồng đốt vào turbine có số Mach = 1. Có 3 kiểu buồng đốt điển hình: buồng đốt nhiều ống đốt (multiple-can), buồng đốt dạng vòng (annular), và dạng kết hợp giữa hai dạng này. Hình 2.11: Buồng đốt dạng multiple-can Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Hình 2.12: Buồng đốt dạng annular d. Turbine Turbine lấy một phần động năng của khí giãn nở từ buồng đốt. Động năng này chuyển đổi thành năng lượng quay máy nén. Năng lượng này khoảng ¾ năng lượng khí cháy của buồng đốt. Turbine hướng trục (axial-flow turbine) bao gồm hai phần: bộ các lá cánh động gắn vào trục quay và bộ các lá cánh tónh gắn vào khung tónh. Giống như máy nén hướng trục, turbine hướng trục cũng có nhiều tầng, nhưng số tầng ít hơn, bởi vì dòng khí chuyển động qua turbine theo chiều giảm áp xuất. Turbine hướng trục có hai dạng cơ bản: turbine xung lực và turbine phản lực. Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Hình 2.13 : Tubine hướng trục  Turbine xung lực  Tầng lá cánh tónh: có cấu tạo phần tiết diện lưu thông giữa hai lá cánh giảm dần nhằm mục đích chuyển đổi áp năng của dòng khí từ buồng đốt thành động năng. Ngoài ra tầng lá cánh tónh còn có tác dụng đònh hướng dòng khí sao cho chúng vào các lá cánh động ở một góc tới thích hợp.  Tầng lá cánh động: lá turbine kiểu xung lực có tiết diện lưu thông giữa hai lá cánh không thay đổi, nghóa là vận tốc tương đối dòng khí vào và ra khỏi các lá này không bò thay đổi độ lớn nhưng hướng đi của dòng khí bò thay đổi. Chính sự đổi hướng của vận tốc là nguyên nhân gây ra xung lực tác dụng làm turbine quay.  Turbine phản lực So với turbine xung lực thì các lá cánh động của turbine phản lực được thiết kế sao cho phần tiết diện lưu thông giữa hai lá cánh là giảm dần. Với cấu tạo như vậy vận tốc tương đối của dòng khí đi qua lá cánh động của turbine tăng lên. Về phương diện lực do dòng khí tác động lên cánh động turbine, ngoài tác dụng xung lực, cánh turbine còn nhận một phản lực do sự chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới của lá cánh. Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Hình 2.14: Dòng khí qua turbine dạng xung lực ở gốc lá cánh và dạng phản lực ở mũi lá cánh Vận tốc quay U tăng dần theo vò trí bán kính, để phân bố tải đồng đều trên lá cánh turbine người ta thiết kế lá cánh có dạng xung lực ở phần gốc và dạng phản lực ở phần mũi. Thiết kế này tạo ra sự giảm đồng đều vận tốc và áp suất trên toàn bộ chiều dài lá cánh. Khí thoát ra từ buồng đốt có nhiệt độ rất cao nên, cùng với việc cải tiến vật liệu chế tạo, việc làm mát bằng khí lấy từ máy nén ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất làm việc của turbine. Các nhà chế tạo cố gắng nâng cao khả năng chòu nhiệt của turbnine bằng việc cải tiến vật liệu. Với trình độ công nghệ hiện nay, nhiệt độ giới hạn mà turbine có thể chòu được là khoảng 1500 0 C. e. Ống xả Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Hình 2.15: Ống xả Công dụng của ống xả là tập trung, làm thẳng, và đồng thời tăng vận tốc dòng khí trước khi ra khỏi ống xả. Động cơ phản lực chuyển đổi nội năng của nhiên liệu thành động năng của dòng khí xả, muốn tạo ra lực đẩy lớn thì động năng này phải lớn, tức là vận tốc dòng khí xả phải lớn. Hệ thống ống xả gồm 3 phần chính nối tiếp nhau là: exhaust cone, exhaust duct, exhaust nozzle. Exhaust cone nằm ngay sau turbine, bao gồm phần ống bao bọc (outer duct), ốp hình cone (inner cone/tail cone) và các thanh chống nối ốp hình cone và ống bao bọc. Mục đích của ốp hình cone là tập trung và hướng dòng khí từ turbine thành một dòng duy nhất. Vận tốc dòng khí ra khỏi turbine khá lớn (750 – 1250 ft/s), vận tốc lớn này gây ra tổn thất ma sát. Tiết diện tăng dần của phần exhaust cone phần nào làm giảm vận tốc và tăng áp suất của dòng khí, vì thế làm giảm tổn thất ma sát. Các thanh chống nối ốp hình cone và ống bao bọc còn có tác dụng làm thẳng dòng khí bò xoáy thoát ra từ turbine. Exhaust duct là thành phần trung gian nối giữa exhaust cone và exhaust nozzle. Exhaust duct chỉ được sử dụng cho các động cơ gắn vào thân máy bay để bảo vệ phần khung máy bay. Như đã nói ở trên, vận tốc khí thoát lớn sẽ gây ra Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D tổn thất ma sát lớn trên đường ống, làm giảm vận tốc dòng khí và dẫn tới giảm lực đẩy. Do đó các động cơ được gắn trong vỏ bọc thì không sử dụng exhaust duct. Exhaust nozzle nằm ở phần cuối cùng của hệ thống ống xả, bộ phận này có tác dụng giãn nở tăng tốc dòng khí tới giá trò lớn nhất trước khí thoát ra ngoài môi trường. Có hai dạng exhaust nozzle là: ống xả hội tụ và ống xả hội tụ–phân kì. • Ống xả hội tụ được sử dụng khi tỷ số áp suất của ống xả – tỷ lệ giữa áp suất dừng của ống xả và áp suất tónh của môi trường – nhỏ )3/( 9 < at PP , ống xả loại này dùng cho các động cơ máy bay dưới âm. (TLTK 2, trang 109). • Ống xả hội tụ–phân kỳ được sử dụng khi tỷ số áp suất của ống xả cao )3/( 9 > at PP , ống xả loại này dùng cho các động cơ máy bay vượt âm. 2.1.2. Các thông số hoạt động của động cơ turbofan Với một động cơ phản lực nói chung cần quan tâm đến lực đẩy do nó tạo ra, mức tiêu hao nhiên liệu riêng và hiệu suất.  Lực đẩy chủ yếu được tạo ra do sự gia tăng động lượng, ngoài ra còn phần lực đẩy áp suất do sự chênh giữa áp suất khí thoát và áp suất môi trường. ( ) ( ) ( ) ( ) FaeFCaeCjFFjCC APPAPPVVmVVmF − + − + − +−= 00 && FC mm && , là lưu lượng khối lượng dòng khí qua phần lõi và phần fan của động cơ 0 V là vận tốc dòng khí đi vào động cơ, cũng là vận tốc bay của máy bay jFjC VV , là vận tốc dòng khí ra khỏi phần lõi và phần fan của động cơ aeFeC PPP ,, là áp suất khí thoát của phần lõi, phần fan, và môi trường FC AA , là diện tích mặt thoát của phần lõi và phần fan  Hiệu suất Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D Hiệu suất đẩy của động cơ đánh giá mức độ công suất đẩy hữu dụng d P được tạo ra từ sự gia tăng động năng E K & ∆ của dòng khí qua động cơ. E K P d P & ∆ = η 0 FVP d = () ( ) 2 0 22 0 2 2 1 2 1 VVmVVmEK jFFjCC −+−=∆ && & Hiệu suất nhiệt của động cơ đánh giá mức độ gia tăng động năng của dòng khí qua động cơ E K & ∆ so với lượng nhiệt năng Q & dòng khí nhận vào. Q EK T & & ∆ = η PRf hmQ & & = f m & là lưu lượng khối lượng nhiên liệu vào động cơ PR h là nhiệt trò của một đơn vò khối lượng nhiên liệu Hiệu suất nhiệt của động cơ phụ thuộc vào tỷ số nén của máy nén, còn hiệu suất đẩy của động cơ phụ thuộc vào tỷ số bypass – tỷ số giữa lưu lượng dòng khí đi qua phần fan và lưu lượng dòng khí đi qua phần lõi của động cơ. Hiệu suất toàn thể đánh giá mức độ công suất đẩy hữu dụng d P được tạo ra từ lượng nhiệt năng Q & mà dòng khí nhận vào. Việc chế tạo được các máy nén hướng trục có tỷ số nén ngày càng cao và việc gia tăng tỷ số bypass làm gia tăng hiệu suất toàn thể của động cơ turbofan. PRPRf d h V SFChm FV Q P 00 0 1 === & & η  Mức tiêu hao nhiên liệu riêng F m SFC f & ≡ gọi là mức tiêu hao nhiên liệu riêng (specific fuel consumption), tức là lượng nhiên liệu tiêu hao trong một đơn vò thời gian cho một đơn vò lực đẩy. Ở một cao độ nhất đònh, SFC tăng khi vận tốc bay tăng lên, giá trò SFC càng nhỏ thì máy bay càng ở được lâu trong không khí; nhưng đối với các máy bay Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D thương mại thì mục tiêu là “best specific range”, có nghóa là quãng đường bay được lớn nhất trên một đơn vò khối lượng nhiên liệu, và nói chung là điều đó đạt được ở tốc độ bay lớn hơn tốc độ bay cho giá trò SFC nhỏ nhất. 2.2. Động cơ PW4084D Họ động cơ PW4000 do tập đoàn động cơ Pratt & Whitney sản xuất, là loại động cơ turbofan có tỷ số bypass cao, hai guồng và được sử dụng cho các máy bay thân rộng. Họ động cơ này cung cấp lực đẩy trong khoảng 50000 – 98000 lb. Kiểu động cơ đường kính fan 94 inch được sử dụng cho máy bay Airbus A310/A300, Boeing 767/747, và Boeing MD11. Kiểu động cơ lực đẩy cao (high thrust) đường kính fan 100 inch được sử dụng cho máy bay Airbus A300. Kiểu động cơ lực đẩy cực cao (ultra-high thrust) đường kính fan 112 inch được sử dụng cho máy bay Boeing 777 hai động cơ. Động cơ PW4084D thuộc kiểu động cơ 112” fan, hiện tại được sử dụng cho các máy bay Boeing 777 của Tổng Công Ty Hàng Không Việt Nam. . cho máy bay Airbus A300. Kiểu động cơ lực đẩy cực cao (ultra-high thrust) đường kính fan 1 12 inch được sử dụng cho máy bay Boeing 777 hai động cơ. Động cơ PW4084D thuộc kiểu động cơ 1 12 fan,. động cơ. E K P d P & ∆ = η 0 FVP d = () ( ) 2 0 22 0 2 2 1 2 1 VVmVVmEK jFFjCC −+−=∆ && & Hiệu suất nhiệt của động cơ đánh giá mức độ gia tăng động năng của dòng khí qua động. được sử dụng cho các động cơ gắn vào thân máy bay để bảo vệ phần khung máy bay. Như đã nói ở trên, vận tốc khí thoát lớn sẽ gây ra Chương 2: Giới Thiệu Động Cơ Turbofan – Động Cơ PW4084D tổn thất