Động cơ turbin cánh quạt Turboprop kết hợp độ tin cậy của máy bay phản lực, với hiệu quả của máy bay điều khiển bằng cánh quạt ở độ cao từ thấp đến trung bình. Được tìm thấy trên nhiều loại máy bay khác nhau, từ máy bay chở khách có nhiều hơn 50 chỗ ngồi cho đến máy bay nhỏ một phi công, động cơ phản lực cánh quạt hoàn hảo cho việc di chuyển trong khu vực an toàn và hiệu quả.
Trong tất cả các động cơ phản lực cánh quạt, một trong những động cơ phổ biến nhất là Pratt & Whitney PT6. Hơn 41.000 động cơ PT6A đã được sản xuất kể từ khi dòng động cơ này đi vào hoạt động vào những năm 1960, tích lũy hơn 335 triệu giờ bay. 69 mẫu PT6 có công suất từ 500 mã lực trục (shaft-horsepower SHP) đến hơn 2.000 SHP. Mặc dù không phải tất cả các động cơ phản lực cánh quạt đều hoạt động chính xác giống như PT6, nhưng tất cả chúng đều tuân theo các khái niệm cơ bản giống nhau. Vì sự phổ biến rộng rãi của nó, bài viết này sẽ tập trung vào động cơ này.
Xem thêm bài viết: Các loại động cơ phản lực
Dòng chảy luồng khí ngược – Reverse Flow
Không giống như động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt (Turbofan) hoặc động cơ tuốc bin phản lực luồng (Turbojet), không khí di chuyển qua động cơ Turboprop như PT6 bằng dòng chảy ngược.
Các cửa hút không khí lớn bên dưới hoặc bên cạnh cánh quạt hút không khí vào các cửa hút, nơi nó di chuyển ngược về phía tường lửa của động cơ. Khi đạt đến giới hạn phía sau của cửa hút, không khí sẽ quay ngược 180 độ về phía trước máy bay.
Thêm vào đó, không khí sẽ đảo hướng một lần nữa khi nó đến bộ đốt, cho phép động cơ ngắn hơn, nhỏ gọn hơn.
Nén – Compression
Giai đoạn đầu tiên của máy nén, là ‘dòng hướng trục’, sử dụng một loạt các cánh quay hình biên dạng cánh Airfoil để tăng tốc độ và nén không khí. Nó được gọi là dòng chảy dọc trục, bởi vì không khí đi qua động cơ theo hướng song song với trục của động cơ. Khi không khí di chuyển qua máy nén, mỗi bộ cánh nhỏ hơn một chút, bổ sung thêm năng lượng và sức nén cho không khí.
Ở giữa mỗi bộ cánh máy nén là các cánh airfoil không chuyển động được gọi là ‘stator’. Các stator này (còn được gọi là cánh gạt), làm tăng áp suất của không khí bằng cách chuyển đổi năng lượng quay thành áp suất tĩnh. Các stator cũng chuẩn bị không khí để đi vào bộ cánh quay tiếp theo. Nói cách khác, chúng làm thẳng và ổn định luồng không khí.
Sau khi đi qua công đoạn nén dòng hướng trục cuối cùng, không khí chuyển sang công đoạn nén dòng ly tâm. Không khí được tống ra bên ngoài, ra khỏi lõi động cơ và hướng vào các buồng đốt. Không khí đã chuyển sang một góc 90 độ khác.
Đốt cháy – Combustion
Buồng đốt là nơi xảy ra sự cháy. Khi không khí thoát ra khỏi máy nén và đi vào buồng đốt, nó được trộn với nhiên liệu và bốc cháy. Nghe thì có vẻ đơn giản nhưng thực ra đó là một quá trình rất phức tạp. Đó là bởi vì buồng đốt cần duy trì sự đốt cháy ổn định, liên tục của hỗn hợp nhiên liệu/không khí, trong khi không khí di chuyển qua buồng đốt với tốc độ cực nhanh.
Bộ khuếch tán làm chậm không khí từ máy nén, dễ bắt lửa hơn. Mái vòm (dome) và bộ xoáy (swirler) tạo thêm sự hỗn loạn cho không khí để nó có thể dễ dàng hòa trộn với nhiên liệu hơn. Và các vòi phun nhiên liệu sẽ phun nhiên liệu vào không khí, tạo ra một hỗn hợp nhiên liệu/không khí có thể được đánh lửa và bốc cháy. Từ đó, ống lót buồng đốt (Liner) là nơi xảy ra quá trình đốt cháy thực sự. Liner có một số cửa hút gió, cho phép không khí đi vào ở nhiều điểm trong vùng đốt.
Bộ đốt/đánh lửa Igniter là bộ phận cuối cùng của giai đoạn đốt cháy; chúng rất giống với bugi trên ô tô hoặc máy bay động cơ piston. Khi bộ đốt cháy sáng thì ngọn lửa sẽ tự duy trì trong buồng đốt và bộ đốt cháy sẽ tắt (và nó thường được sử dụng như một vật dự phòng trong điều kiện thời tiết xấu và đóng băng).
Tua bin
Khi không khí đi qua buồng đốt, nó sẽ đi qua tuabin máy nén. Tuabin là một loạt các cánh quạt có hình dạng cánh gió airfoil rất giống với các cánh quạt trong máy nén. Khi dòng khí nóng, tốc độ cao chạy qua các cánh tuabin, chúng sẽ chiết xuất năng lượng từ không khí, làm quay tuabin máy nén theo một vòng tròn và làm quay trục động cơ mà nó được kết nối. Đây là cùng một trục mà phần máy nén và tất cả các phụ kiện dẫn động động cơ được kết nối. Đó là một chu kỳ năng lượng tự duy trì miễn là có ngọn lửa trong buồng đốt. Khoảng 70% tổng công suất động cơ được dành để quay phần máy nén và các phụ kiện dẫn động động cơ trong PT6.
Mặc dù tuabin máy nén có thể đang quay phần phía sau của trục động cơ (phần máy nén và các phụ kiện dẫn động động cơ) với tốc độ hơn 37.000 vòng/phút, nó KHÔNG quay cánh quạt đẩy. Một trục động cơ thứ hai hoàn toàn riêng biệt nằm ngay phía trước của tuabin máy nén.
Luồng không khí di chuyển qua tuabin máy nén tiếp theo chạm vào các tuabin công suất của động cơ. Các tuabin công suất này quay giống như tuabin máy nén, với các cánh quạt hình cánh gió airfoil. Trục động cơ chuyển tiếp này được nối trực tiếp với cánh quạt đẩy, cung cấp năng lượng cho nó quay. Khoảng 30% tổng công suất động cơ được dành để quay cánh quạt trong PT6.
Sự thật thú vị: Bởi vì PT6 là động cơ tua-bin tự do, về lý thuyết, bạn có thể giữ yên cánh quạt trong tay khi động cơ khởi động. Điều duy nhất quay cánh quạt là không khí đi qua các bánh tua-bin công suất. Bởi vì các tuabin này được kết nối với trục động cơ riêng của chúng, tách biệt với phần máy nén, có thể tưởng tượng rằng ở thiết lập công suất cực thấp, cánh quạt đẩy có thể đứng yên khi luồng không khí di chuyển qua các tuabin … Nhưng xin đừng thử điều đó!
Hộp giảm tốc
Cánh quạt đẩy ở mặt trước của một động cơ phản lực cánh quạt không quay với tốc độ khoảng 33.000 vòng/phút của các tuabin công suất. Có một loạt các bánh răng giảm tốc (hộp giảm tốc) được lắp đặt để giảm RPM xuống giới hạn 1900 RPM (1,900 đến 2,200 RPM), vì nó được giới hạn trong hầu hết các động cơ PT6.
Xả thải – Exhaust
Ttrong động cơ PT6 thì không có công dụng thực tế nào đối với dòng khí thải khi nó đi qua các tuabin công suất. Nó chỉ đơn giản là chuyển hướng khỏi động cơ và thoát ra ngoài qua ống xả. Trong một số máy bay, POH cung cấp một con số cho thấy lực đẩy được tạo ra trực tiếp bởi khí thải. Nó thường chỉ là một vài phần trăm tổng lực đẩy được tạo ra. Rất nhỏ so với cánh quạt đẩy.
Ưu điểm của động cơ phản lực Turboprop
Mặc dù động cơ phản lực cánh quạt Turboprop nhìn chung có trần phục vụ thấp hơn so với tuốc bin phản lực cánh quạt (Turbofan) hoặc động cơ tuốc bin phản lực luồng (Turbojet), nhưng chúng đốt cháy ít nhiên liệu hơn đáng kể khi tính trên mỗi hành khách. Do đường cong hiệu suất lực đẩy, chúng hoạt động hiệu quả nhất ở tốc độ chậm hơn 400 hải lý/giờ. Mặc dù đắt tiền nhưng chúng cực kỳ đáng tin cậy.
Điều này khiến động cơ phản lực cánh quạt turboprop trở thành loại động cơ hoàn hảo cho các chuyến bay tương đối ngắn trong khu vực. Đó là lý do tại sao bạn sẽ tìm thấy chúng trên các máy bay như Dash-8-Q400, Cessna Caravan, Pilatus PC-12 và Beechcraft King Air.
Trang bị một máy bay với động cơ phản lực cánh quạt Turboprop là điều tốt nhất đối với các chuyến bay trong khu vực ở độ cao thấp. Không khí được nén, đốt cháy và chuyển thành năng lượng làm quay cánh quạt đẩy. So với động cơ piston, chúng có tương đối ít bộ phận chuyển động với độ rung ít hơn nhiều, khiến chúng trở nên cực kỳ đáng tin cậy.
EnterKnow
