52 Thái Doãn Tường, Nguyễn Bá Thảo
VCM 2012
Khảo sát quá trình điều khiển tự động ống thoát khí của
động cơ phản lực tuabin khí hàng không
Research process of automatic controlling exhaust pipe of
aviation turbine jet engine
Thái Doãn Tường, Nguyễn Bá Thảo
Quân chủng PK-KQ, e-Mail:
Tóm tắt:
Bài báo này giới thiệu vấn đề nghiên cứu điều khiển ống thoát khí (ống phun) của động cơ tuabin phản lực
hàng không. Trên cơ sở tính toán sự thay đổi tiết diện ống thoát khí theo chế độ bay và chế độ làm việc của
động cơ xây dựng quy luật và kỹ thuật điều khiển ống thoát khí của một loại động cơ hiện đang sử dụng trong
ngành hàng không quân sự.
Abstract:
This paper introduces the research problem of controlling the exhaust pipe (nozzle) of aviation jet turbine
engine. On the basis of the calculation of change of the exhaust pipe section in flight mode and work mode of
the engine to build rules and technical controls the exhaust pipe of an engine currently used in aviation
military. Ký hiệu
Ký hi
ệu

Đơn v
ị

Ý ngh
ĩa

P

T
th
T
5
T

K
nhiệt độ tại cửa vào
nhiệt độ sau máy nén
nhiệt độ trước tuabin
nhiệt độ sau tuabin
nhiệt độ tới hạn
nhiệt độ cửa ra
*
T
*
k
π
π1
t
ỷ số nén của máy nén

tỷ số dãn nở của tuabin
k
m/s

V
ận tốc tức thời

Vận tốc tới hạn
Vận tốc cửa ra
*
1
p
*
1
p
*
1
p
*
1
p MPa
áp suất cửa vào
áp suất cửa vào
áp suất cửa vào
áp suất cửa vào
Ký hi
ệu

kg/m
3
m
ật độ không khí

mật độ khí cháy cửa ra

5

q(
5
)

th1
v
ận tốc t
ương đ
ối cửa ra

hàm khí động cửa ra
hệ số dãn nở
G

G
K
G
nl

xuống dưới. Ví dụ, khi tăng F
th
thì mức giãn nở
của dòng khí trên tua bin tăng, mô men của tua bin
và máy nén cân bằng với nhau khi G
nl
và nhiệt độ
T
3
nhỏ hơn, đường làm việc dịch chuyển xuống
phía dưới.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 53

Mã bài: 14
Khi thay đổi F
th
, ta có thể nhận được giá trị lớn
nhất của lực đẩy động cơ ở chế độ “max”, còn lực
đẩy ở chế độ vòng quay nhỏ có giá trị nhỏ hơn so
với trường hợp miệng phun không điều chỉnh.
Khi tăng F
th
, độ dự trữ ổn định làm việc
y
Δk của
động cơ tăng lên, nên độ tin cậy làm việc của
chúng cũng tăng lên và tính tăng tốc tốt hơn.
Trong các loại động cơ tua bin phản lực có ống
phun điều chỉnh, có thể giảm lực đẩy của động cơ
không những bằng cách giảm vòng quay mà còn

2.1. Quy luật thay đôit tiết diện ống thoát khí
động cơ tuabin phản lực
Xét sơ đồ nguyên lí của ống thoát phản lực được
biểu diễn trên H. 1. Dòng hỗn hợp khí cháy nsau
tuabin được thoát ra ngoài qua loa phụt tạo thành
lực đẩy, là phản lực làm động cơ chuyển động về
phía trước. Trên sơ đồ trên, chỉ số “1” ký hiệu tiết
cửa vào, "2" là tiết diện sau máy nén, "3" là tiết
diện sau tuabin, “th” là tiết diện tới hạn, “5” là tiết
diện cửa ra của ống thoát khí. Các tham số khí-
nhiệt động học và hình học tại các tiết diện cũng
được ký hiệu bằng các chỉ số tương ứng. Ngoài
các tiết diện trên, tiết diện xa vô cùng được ký
hiệu là “H”. H. 1 Sơ đồ nguyên lí động cơ phản lực

Lực đẩy F của động cơ phản lực bao gồm hai phần [3]:
- Phản lực do luồng phụt có lưu lượng
m

với
vận tốc V

- Nhiệt dung của hỗn hợp khí không thay đổi
theo nhiệt độ và áp suất;
- Dòng khí là dòng có tham số chỉ thay đổi
theo một chiều (không đổi trong từng tiết diện),
dòng có tham số không thay đổi theo thời gian
(dòng ổn lập) và là dòng đẳng entropy và quá trình
xảy ra là quá trình đoạn nhiệt.
Tính toán các tham số của quá trình nhiệt động
học của động cơ dựa trên cơ sở các phương trình
nhiệt động học của động cơ [1], [2], [3], [4] gồm:
- Phương trình cân bằng công của máy nén
và tuabin:

T
k
1-k
*
T
3
*
p
k
1-k
*
k
2
*
p
).η
π

, p
th
,
T
th

V
th

p
*
1
, T
*
1 p
*
3
, T
*
3

p
*
2
, T
*
2

ρ
p
k


(6)


T
– hiệu suất của tuabin.
Trong quá trình động cơ hoạt động với sự thay đổi
độ cao và tốc độ bay của máy bay và chế độ làm
việc của động cơ, ống thoát khí cũng được điểu
chỉnh thay đổi tương ứng phù hợp với quy luật
điều khiển.
Từ các phương trình nhiệt động học, có thể xác
định tiết diện của ống thoát khí đặc trưng bởi tiết
diện tới hạn (F
th
) và tiết diện cửa ra (F
5
) của nó.
Giá trị các tiết diện trên thay đổi phụ thuộc vào các
tham số nhiệt động học của động cơ:
- Tại tiết diện tới hạn:
th
th
th
p
TG.

)q(λ























 (9)
+ Vận tốc tương đối:

th
5
5

.TC2V (11)
+ Nhiệt độ cửa ra:

Rρ
p
T
5
H
5

 (12)
+ Mật độ dòng khí cửa ra:

k
1
th
H
k
th
5
p
.pρ
ρ








T ) sau tuabin. Trong khi đó, áp suất và
nhiệt độ sau tuabin trong mối quan hệ với các
tham số ở cửa vào và tham số máy nén của động
cơ (
*
2
T , 
*
k
) nên chúng cũng phụ thuộc vào chế độ
bay của máy bay (độ cao H và tốc độ M) và chế độ
làm việc của động cơ (vòng quay). Có thể biểu
diễn mối quan hệ như sau:
n)M,f(H,F
th

Và n)M,f(H,F
5
 (15)
2.2. Nguyên lý điều khiển diện tích ống thoát khí
của động cơ
Vì tiết diện cửa ra phụ thuộc vào tiết diện tới hạn
theo quan hệ (15) nên hệ thống điều khiển ống
thoát khí động cơ chỉ áp dụng cho tiết diện tới hạn
(F
th
).
Ở các chế độ hoạt động không tăng lực, đối với
động cơ có ống thoát khí điều chỉnh thì chương
trình điều khiển thường chọn là:

miệng phun, đảm bảo chương trình điều khiển:

n = n
max
= const;
*
T
π = const. (17)
Điều khiển diện tích ống thoát khí của động cơ có
thể thực hiện bằng nguyên lý kiểu hở hoặc nguyên
lý kiểu kín kín.
Trong nguyên lý điểu khiển kiểu hở, các tín hiệu
ban đầu sử dụng có thể là những tác động từ người
lái (thông qua tay ga, qua các công tắc…), cũng
như tín hiệu từ truyền cảm các thông số trong động
cơ (n,
*
2
p

,
*
4
T …) và các thông số môi trường bên
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 55

Mã bài: 14
ngoài (số M, T
H
…). Sơ đồ chức năng nguyên lý

máy nén (T
*
1
).
H. 2 Sơ đồ chức năng điểu khiển diện tích ống thoát khí của động cơ theo kiểu hở

Khác với nguyên lý điều khiển kiểu hở, trong
nguyên lý điều khiển kiểu kín, sự thay đổi của F
th

sẽ tác động tới các quá trình xảy ra bên trong động
cơ, làm triệt tiêu sự sai lệch của thông số điều
khiển đã lựa chọn so với giá trị quy định của nó.
Thí dụ nguyên lý điều khiển theo sai tỷ số nén của
máy nén
*
k1
π

Thông s
ố điều
khiển
Động cơ

F
th
B
ộ điều
chỉnh
F
th

ΔF
th
F
t
h

F
th
Tổ hợp các
thiết bị phát
l
ệnh

n, n
qc
, π
*

Đối với động cơ tuabin phản lực hàng không có
hai yếu tố điều khiển là nhiên liệu (G
nl
) và tiết
diện tới hạn của ống thoát khí (F
th
), từ điều kiện
quy định chế độ làm việc của động cơ, thông
thường lựa chọn tốc độ vòng quay n và nhiệt độ
T
3
làm các thông số điều khiển. Trong đó, sự
thay đổi diện tích tiết diện tới hạn của ống thoát
khí sẽ điều khiển nhiệt độ T
3
, còn sự thay đổi lưu
lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng đốt chính
của động cơ sẽ điều khiển tốc độ vòng quay n.
Sự sai lệch bất kỳ của tốc độ vòng quay n và nhiệt
độ
*
3
T so với giá trị quy định được loại trừ nhờ sự
thay đổi tương ứng của G
nl
và F
th
. Có thể lấy 
*
T

*
kt
=3.54
- Tỷ số giãn nở của tuabin: 
*
3
= 6,7
- Nhiệt độ trước tuabin: T
*
3
= 1665 K (1392
0
C)
- Nhiệt độ sau tuabin (max):
*
4
T =1036 K (763
0
C)
- Vòng quay động cơ: n
max
= 13300 v/ph=100
+0.5
%
- Lực đẩy động cơ:
+ Lớn nhất: P
max
= 740 kN
+ Tăng lực: P
f

), m
2
0,2946 đến 0,6316 0,2688 đến 0,5945

0,3183 đến 0,4100

0,2688 đến 0,5945

Cửa ra (F5),m
2
0,3302 đến 0,9679 0,2781 đến 0,9820

0,3371 đến 0,4149

0,2781 đến 0,6280

Tỷ lệ diện tích (F
5
/F
th
) 1,1208 đến 1,532 1,0345 đến 1,6518

1,0590 đến 1,0119

1,0345 đến 1,0563
5
F
th

H. 5 Sự phụ thuộc tiết diện tới hạn F
th
và cửa ra F
5
theo chế độ động cơ Từ kết quả tính toán và nhìn vào đồ thị trên hình ta
có nhận xét:
1. Đối với động cơ AL-31F ở chế độ max có
chương trình điều khiển n

bảo sự làm việc phối hợp tối ưu giữa các phần tử
máy nén, buồng đốt, tua bin và ống phun động cơ.
2. So sánh với cùng một giá trị tốc độ, khi
động cơ làm việc ở độ cao lớn do mật độ không
khí và nhiệt độ T
*
1
nhỏ hơn, ảnh hưởng đến việc
giảm vòng quay n
1
và tăng nhiệt độ T
*
3
ít hơn so
với bay ở độ cao nhỏ. Vì vậy khi bay với cùng tốc
độ, diện tích tiết diện tới hạn của ống thoát khí ở
độ cao nhỏ sẽ có giá trị lớn hơn diện tích tiết diện
tới hạn của ống thoát khí ở độ cao lớn.
3. Khi thay đổi chế độ làm việc của động cơ
(thay đổi vòng quay) chương trình điều khiển cũng
thay đổi, lúc này nhiệt độ khí cháy T
*
4
sau tua bin
cũng bị thay đổi theo vòng quay động cơ (vị trí tay
ga). 3.3. Kỹ thuật điều khiển diện tích ống thoát khí của
động cơ AL-31F

diễn ra bằng cách nghiêng các lá 1 nhờ các xi lanh
58 Thái Doãn Tường, Nguyễn Bá Thảo
VCM 2012
thuỷ lực. Vị trí của các lá 3 và 4 được xác định bởi
tỷ lệ các áp suất tác động lên chúng. Khi bay với
tốc độ dưới âm ở chế độ làm việc không tăng lực
của động cơ, áp suất các xi lanh khí tăng vượt áp
suất luồng khí cháy và các lá 3 nằm ở điểm tì dưới,
có nghĩa là các lá 3 và 4 thu lại. Khi bay ở chế độ
tăng lực nhỏ với tốc độ lớn vượt âm (M>1,5), áp
suất của luồng khí thoát tăng vượt áp suất từ các xi
lanh khí và các lá 3 nằm ở điểm tì trên, có nghĩa là
miệng phun mở hoàn toàn (đường đứt trên hình
1.14). Khi bay ở chế độ tăng lực từng phần, cũng
như khi bay ở chế độ tăng lực toàn phần với tốc độ
nhỏ vượt âm các lá 3 và 4 nằm ở vị trí trung gian
giữa các điểm tì trên và dưới.
Nhận xét:
1) Nguyên lý điều khiển ống thoát khí động cơ
AL-31F theo kiểu kín vì tín hiệu điều khiển có
liên hệ với tham số điều khiển;
2) Tín hiệu điều khiển ống thoát khí là áp suất
sau máy nén (
*
2
p ), áp suất sau tua bin (
*
4
p ) và
áp suất môi trường (p
H. 6 Sơ đồ ống thoát khí động cơ AL-31F
1-vành các lá profil; 2-ống kéo dài; 3-các lá vượt âm;
4-các tấm phủ ngoài tạo thành vành ngoài của miệng phun; 5-khoang động cơ; 6-bản lề di động 4. Kết luận
Qua khảo sát ống thoát khí của một loại động cơ
phản lực hàng không có thể thấy kết quả tính toán
bằng lý thuyết về sự thay đổi tiết diện tới hạn của
ống thoát khí của động cơ khá phù hợp với kế quả
thực tế. Kết quả khảo sát về lý thuyết và kỹ thuật
sử dụng hệ thống điều khiển ống thoát khí là cơ sở
về lâu dài phục vụ tính toán thiết kế chế tạo và
khai thác có hiệu quả động cơ tuabin phản lực
hàng không.
Hướng nghiên cứu tiếp theo của nhóm nghiên cứu

th
p
5
, F
5
p
2
, p
H

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 59

Mã bài: 14
 AL-31F on LeteckeMotory.cz,
www. LeteckeMotory.cz , 2002

Thái Doãn Tường, tốt
nghiệp Học viện quân sự
VAAZ, Tiệp Khắc (cũ) năm
1980. Nhận bằng Thạc sĩ
năm 2000 tại Học viện Kỹ
thuật quân sự. Nhận bằng
Tiến sĩ kỹ thuật năm 2008
tại Viện Khoa học và Công
nghệ quân sự/BQP. Hiện là
cán bộ nghiên cứu tại Viện
Kỹ thuật quân sự PK-KQ.

Lĩnh vực nghiên cứu chính: Khí động lực học các
khí cụ bay và động cơ hàng không-vũ trụ.