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.