Động cơ phản lực trên máy bay hoạt động như thế nào?
Động cơ phản lực là một phép màu của ngành hàng không. Chúng giúp máy bay vượt qua tốc độ âm thanh, leo cao hàng trăm mét mỗi giây, vượt qua tốc độ âm thanh, thay đổi bộ mặt của chiến trường và kết nối các châu lục lại với nhau. Trong bài viết này, mời các bạn cùng GVN 360 tìm hiểu về loại động cơ kỳ diệu này xem nó hoạt động như thế nào nhé.
Nguyên lý của động cơ phản lực
Khi bạn thả một cái bong bóng được bơm căng thì nó sẽ phụt ra một dòng khí về phía sau và bay về phía trước. Chúng ta có thể giải thích hiện tượng này thông qua định luật thứ 3 về chuyển động của Newton, rằng “Khi một vật tác dụng lực lên vật thể thứ hai, vật thứ hai sẽ tác dụng một lực cùng độ lớn và ngược chiều về phía vật thứ nhất”. Cái bong bóng đã tác động một lực lên không khí bên trong nó và đẩy không khí về phía sau, đồng thời lượng không khí đó cũng tác động lên cái bong bóng một lực đẩy nó về phía trước.
Động cơ phản lực cũng tương tự như cái bong bóng đó vậy, khi nó đẩy vật chất (nước, không khí nóng, sản phẩm cháy từ nhiên liệu…) về phía sau thì lượng vật chất đó cũng đẩy động cơ về phía trước. Khi gắn khối động cơ phản lực này lên các phương tiện như máy bay, xe, tàu thủy… thì nó cũng đẩy cả phương tiện đi về phía trước luôn.
Động cơ Pratt & Whitney F119 trên máy bay tiêm kích tàng hình thế hệ 5 F-22
Đến nay thì con người đã phát minh ra được nhiều dạng động cơ có thể tạo ra phản lực, ví dụ như turbojet, turbofan, ramjet, scramjet, pulse, rocket… Tuy nhiên trong bài viết này thì chúng ta sẽ chỉ tìm hiểu 2 loại động cơ phản lực là turbojet và biến thể tiết kiệm nhiên liệu của nó là turbofan thôi nha. Đây là 2 dạng động cơ được sử dụng rộng rãi nhất trên máy bay phản lực hiện đại.
Động cơ phản lực dạng turbojet thổi không khí nóng về phía sau, giúp máy bay tiến về phía trước
Để giải thích một cách dễ hiểu thì chúng ta có thể chia động cơ phản lực kiểu turbojet làm 4 phần chính là khoang máy nén, buồng đốt, khoang turbine và ống xả.
Máy nén
Máy nén có nhiều dạng, dạng phổ biến nhất trên máy bay phản lực hiện nay dùng nhiều tầng cánh quạt để nén khí. Đầu tiên thì không khí sẽ bị các cánh quạt của máy nén quay ở tốc độ cao hút vào, sau đó nó sẽ đi qua nhiều tầng cánh quạt nén khí. Qua mỗi một tầng như thế thì không khí sẽ bị nén xuống thể tích nhỏ hơn, đạt áp suất cao hơn và nhiệt độ nóng hơn. Sau khi đi qua hết khoang nén khí thì thể tích không khí lúc này đã bị thu nhỏ đến mức cực đại và tràn sang khoang tiếp theo là buồng đốt.
Máy nén dạng nhiều tầng cánh quạt
Một dạng máy nén khác, nén khí bằng quạt ly tâm. Thay vì dùng nhiều lớp cánh quạt để nén khí thì nó dùng một (hoặc vài) cái quạt ly tâm để nén khí. Kiểu động cơ này được sử dụng rộng rãi trên các mẫu máy bay phản lực chiến đấu thời kỳ hậu thế chiến thứ 2, tiêu biểu là Gloster Meteor và MiG-15. Kiểu máy nén này hiệu quả hơn là kiểu dùng nhiều lớp cánh quạt nhưng nhược điểm là làm cho động cơ có đường kính lớn khiến nó trở nên cồng kềnh. Vì thế mà nó đã không còn phổ biến trên các mẫu máy bay phản lực hiện đại nữa. Hiện tại nó chỉ còn phổ biến trên máy bay phản lực điều khiển từ xa vì đơn giản và dễ sản xuất.
Máy nén quạt ly tâm
Ngoài ra thì còn có một dạng máy nén khác kết hợp cả 2 dạng trên, vừa có sự nhỏ gọn của máy nén nhiều tầng cánh quạt, vừa có độ hiệu quả của quạt ly tâm. Điển hình có thể kể đến dàn máy nén của động cơ turbofan GE Honda HF120 đến từ Honda với một quạt nén ly tâm kết hợp với các cánh quạt thông thường.
Tại khu vực buồng đốt sẽ có các vòi phun nhiên liệu để hòa trộn nhiên liệu với không khí rồi đốt hỗn hợp này lên. Không khí bị nhiên liệu cháy đốt nóng lên và giãn nở thể tích nhanh chóng, sau đó lại tràn đến khoang tiếp theo, nơi chứa các cánh turbine.
Turbine
Như lúc bạn thổi cái chong chóng cho nó quay, khi không khí nóng thổi với tốc độ cao qua các cánh turbine thì chúng sẽ làm cho các cánh turbine quay. Các cánh turbine này lại truyền động trục với với các cánh quạt nén và làm cho các cánh quạt nén quay, giúp động cơ turbojet có thể hoạt động liên tục.
Ống xả
Sau khi đi qua các cánh turbine và làm chúng quay thì dòng khí nóng vẫn có áp suất và tốc độ rất lớn. Chúng sẽ tiếp tục giãn nở và tăng tốc trong ống xả trước khi thoát ra khỏi động cơ, trở thành luồng khí phản lực và đẩy máy bay tiến về phía trước. Một số mẫu máy bay, đặc biệt là máy bay tiêm kích có tính năng xả nhiên liệu vào trong phần ống xả để đốt không khí thêm lần thứ 2, gọi là “đốt tăng lực”.
Việc này là để làm không khí nóng hơn, giãn nở nhiều hơn, phụt ra khỏi động cơ với tốc độ cao hơn và tăng cường sức đẩy cho động cơ. Ngoài ra thì các mẫu máy bay tiêm kích hiện đại còn có loa phụt có thể chuyển động để chuyển hướng luồng phụt, giúp chúng cơ động hơn.
Tóm lại thì không khí sẽ được động cơ turbojet hút vào, nén lại rồi đốt để không khí giãn nở và sinh công. Một phần công suất này dùng để quay các lá turbine và giữ cho động cơ tiếp tục chạy, phần còn lại thì phụt thẳng vào không khí tạo ra sức đẩy. Nhờ nguyên lý này mà động cơ phản lực có thể tạo ra sức đẩy lớn hơn rất nhiều so với cánh quạt truyền thống, từ đó nó mở ra một chương mới cho ngành hàng không.
Động cơ turbofan trên máy bay thương mại về căn bản là động cơ turbojet nhưng có thêm cái quạt to
Động cơ turbojet cực kỳ mạnh mẽ, đến nỗi có thể giúp máy bay đạt tốc độ siêu âm nhưng có một nhược điểm cố hữu là rất hao nhiên nhiên liệu. Vì thế mà đối với các mẫu máy bay thương mại vốn không cần tốc độ quá cao, người ta thường dùng phiên bản tiết kiệm nhiên liệu của động cơ turbojet là động cơ turbofan.
Về cơ bản thì động cơ turbofan là động cơ turbojet nhưng có thêm cái quạt to phía trước. Tất cả không khí đi qua động cơ đều phải đi qua cái quạt lớn này. Sau đó không khí được chia làm 2 phần. Một phần sẽ đi vào động cơ, được nén lại, hòa trộn với nhiên liệu rồi đốt lên để sinh công như trong động cơ turbojet thông thường. Phần không khí còn lại sẽ được thổi qua ống dẫn khí ra thẳng phía sau động cơ để tạo lực đẩy luôn. Chính vì chia không khí ra thành 2 phần và chỉ có một phần nhỏ đi qua buồng đốt nên động cơ turbofan có ít không khí phải đốt nóng hơn, từ đó tiết kiệm nhiên liệu hơn. Ngoài các lá turbine lấy năng lượng cho máy nén khí thì động cơ turbofan còn có các lá turbine lấy năng lượng cho cái quạt nữa.
Trong khi tất cả lực đẩy của động cơ turbojet là từ dòng khí nóng đi qua buồng đốt tạo ra thì có từ 30-70% lực đẩy của động cơ turbofan được tạo ra từ dòng khí mát không đi qua buồng đốt. Và việc không phải đốt nóng tất cả không khí là điều khiến turbofan là loại động cơ hiệu quả nhất trong dải tốc độ 500-1000km/h – dải tốc độ của đa số các mẫu máy bay phản lực thương mại. Các mẫu máy bay thương mại phổ biến như Airbus A320, Airbus A380, Boeing 747…, thậm chí máy bay chiến đấu như cường kích A-10 cũng đều sử dụng động cơ turbofan.
Trên đây là bài viết về cách thức hoạt động của turbojet và turbofan, 2 dạng động cơ phổ biến nhất trên máy bay phản lực hiện đại. Mong rằng các bạn nó đã mang đến cho các bạn những thông tin thú vị. Cảm ơn các bạn vì đã đọc và chúc các bạn có một ngày vui vẻ nhé.
Tham khảo: Wikipedia – Turbojet, Turbofan
*Thông tin thêm:
Máy nén ly tâm ngày nay tuy không còn phổ biến trên máy bay phản lực vẫn được ứng dụng rộng rãi trong các mẫu động cơ dành cho máy bay điều khiển từ xa vì tính hiệu quả và sự đơn giản của nó cũng như để tiết kiệm chi phí sản xuất.
Mời các bạn tham khảo thêm một số thông tin liên quan tại GVN 360 như:
