ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI
2. Phương pháp cân bằng ngược
6.3. Chu trình động cơ phản lực và tên lửa
Khi tăng công suất của động cơ đốt trong pittông sẽ kéo theo tăng khối lượng của thiết bị, điều này sẽ gây khó khăn cho việc tăng tốc độ của máy bay (tên lửa). Nhưng động cơ phản lực lại có công suất lớn, thiết bị gọn nhẹ nên ít gây ảnh hưởng đến việc tăng tốc độ. Do đó được sử dụng rộng rãi trong hàng không và vũ trụ.
Nguyên lý làm việc của động cơ phản lực và tên lửa: là biến hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của quá trình cháy, rồi biến thành động năng của dòng môi chất, tạo nên lực đẩy động cơ về phía trước.
Nếu trong quãng thời gian Δτ , khối lượng sản phẩm cháy tạo ra là G , vận tốc tăng lên từ ωo đến ω . Theo định luật Newton xung của phản lực động cơ:
F. Δτ = G.Δω (6-44)
→ F = G τ
∆ .( ω - ωo) ≈ g.ω Phân loại:
v Động cơ máy bay: khí oxy dùng cho quá trình cháy được lấy ngay từ môi trường. Động cơ máy bay có hai loại:
- Động có máy bay không có máy nén: việc tăng áp suất nhờ ống tăng áp. Quá trình cháy có thể là cháy đẳng áp hoặc cháy đẳng tích.
- Động cơ máy bay có máy nén: việc tăng áp suất ở đây một phần vẫn nhờ ống tăng áp nhưng phần chủ yếu nhờ máy nén. Quá trình cháy ở đây là đẳng áp.
v Động cơ tên lửa: nhiên liệu (acid nitric, hydrôgen perôxide), khí oxy dùng cho quá trình cháy được mang theo dưới dạng lỏng và nạp trong động cơ. Vì vậy tên lửa có thể bay ra ngoài không gian vũ trụ.
6.3.1. Động cơ phản lực (máy bay)
a. Chu trình động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng áp (có máy nén)
Sơ đồ chu trình động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị p-v và T-s:
Các quá trình trong chu trình:
1-1' : quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong ống tăng áp.
1'-2: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén.
2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt, nhận nhiệt lượng q1 . 3' 1'
1' 3'
v
1 2
3
4 2
4 3
s1=s2 s3=s4 s
1
p T
Hình 6-9. Động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng áp
3-3': quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong tuabin khí, sinh công để chạy máy nén .
3'-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong ống tăng tốc.
4-1: quá trình thải nhiệt q2 đẳng áp cho môi trường.
Ta thấy về mặt chu trình, nó hoàn toàn giống với chu trình của tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp, nếu vẫn dùng tỷ số tăng áp khi nén β = p2/p1 thì ta có hiệu suất của chu trình:
ηt = 1 -
1 2
q
q = 1 -
2 3
1 4
T T
T T
−
− =
k 1 k
1 β −
(6-45) Để tăng hiệu suất của chu trình phải tăng tỷ số nén β . b. Chu trình động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng tích
Sơ đồ chu trình động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng tích trên đồ thị p-v và T-s:
Các quá trình trong chu trình:
1-2 : quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong ống tăng áp.
2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng tích trong buồng đốt, nhận nhiệt lượng q1 . 3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong ống tăng tốc.
4-1: quá trình thải nhiệt q2 đẳng áp cho môi trường.
Ta thấy về mặt chu trình, nó hoàn toàn giống với chu trình của tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích, nếu vẫn dùng tỷ số tăng áp khi nén β = p2/p1 và tỷ số tăng áp λ = p3/p2 khi cấp nhiệt thì ta có hiệu suất của chu trình:
ηt = 1 -
1 2
q
q = 1 - k 1
k
k β −
.
1
1 1 λk
λ
−
− (6-46)
v
1 2
3
4 2
4 3
s1=s2 s3=s4 s
1
p T
Hình 6-10. Động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng tích
6.4.2. Chu trình tên lửa
Ngày nay, tên lửa được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Trong khoa học và dân sự tên lửa được dùng để phóng các loại vệ tinh và tàu thăm do vũ trụ, còn trong quốc phòng tên lửa được sử dụng để mang các đầu đạn hạt nhân.
Phân loại tên lửa theo nguồn cấp năng lượng:
- Tên lửa sử dụng nhiên liệu hóa học: loại nhiên liệu lỏng và rắn.
- Tên lửa sử dụng nhiên liệu hạt nhân.
Sơ đồ nguyên lí động cơ phản lực tên lửa:
Động cơ tên lửa bao gồm các bộ phận chính: Bình chứa nhiên liệu lỏng A, bình chứa oxy lỏng B, bơm nhiên liệu lỏng C, bơm oxy lỏng D, buồng đốt E, ống tăng tốc F.
Sơ đồ chu trình động cơ tên lửa trên đồ thị p-v và T-s:
Các quá trình trong chu trình:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt nhiên liệu và oxy trong bơm (vì là chất lỏng nên có thể coi là quá trình nén đẳng tích)
2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt, nhận nhiệt lượng q1. 3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong ống tăng tốc.
4-1: quá trình thải nhiệt đẳng áp q2 vào môi trường (thải sản phẩm cháy).
Hiệu suất nhiệt của chu trình được xác định như sau:
v
1 2
3
4 2
4 3
s1=s2 s3=s4 s
1
p T
Hình 6-12. Chu trình động cơ phản lực tên lửa cấp nhiệt đẳng áp C
D
F
1 2
2
2
3
4 A
B
E
Hình 6-11. Sơ động cơ phản lực tên lửa đồ nguyên lý
ηt = 0
1
l
q (6-47)
Công chu trình l0 tính theo công kỹ thuật (bỏ qua công của bơm) l0 = lkt12 + lkt34 = lkt34 - lkt21 ≈ lkt34 (6-48) Mặt khác công kỹ thuật trong một quá trình:
lkt = ln +
2
2 ω
∆ (6-49)
Quá trình 3-4 không thực hiện công ngoài (ln = 0) nên:
lkt34 =
2 2
4 3
2 ω −ω
=
2 4
2
ω (bỏ qua ω3 vì rất nhỏ so với ω4) Nhiệt cấp cho chu trình: q1 = q23 = Cp.(T3 - T2) (6-50)
ηt = 0
1
l q =
2 4
3 2
2C Tp( T ) ω
− (6-51)
Hiệu suất của động cơ tăng khi tốc độ ω4 tăng, tốc độ của dòng sản phẩm cháy ra khỏi tên lửa ω4 có thể tính theo công thức ống tăng tốc hỗn hợp.
ω4 =
1 1 3
2
2 1
1
k
P k
k RT
k P
−
−
−
(6-52) Trong đó:
T3 - nhiệt độ ra khỏi buồng đốt vào ống tăng tốc;
p1 - áp suất tại tiết diện ra của ống tăng tốc (p1 = p4);
p2 - áp suất tại tiết diện vào của ống tăng tốc (p2 = p3).