Động cơ turbin phản lực là kiểu đơn giản nhất và cổ nhất của động cơ phản lực nói chung. Hai kỹ sư, Frank Whittle ở Anh Quốc và Hans von Ohain ở Đức, đã độc lập phát triển khái niệm về loại động cơ này từ cuối thập kỷ 1930. Máy bay chiến đấu, được trang bị động cơ phản lực, lần đầu tiên được đưa vào sử dụng năm 1944, giai đoạn cuối Chiến tranh thế giới thứ hai.
Một động cơ turbin phản lực thường được dùng làm động cơ đẩy cho máy bay.
Không khí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút
khí và được nén tới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt. Ở đây không
khí trộn với nhiên liệu và được đốt cháy. Quá trình cháy này khiến nhiệt độ khí tăng lên rất nhiều. Các sản phẩm cháy nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng đốt và chạy qua turbin
để làm quay máy nén. Dù quá trình này làm giảm nhiệt độ và áp suất khí
thoát ra khỏi turbin, thì những tham số của chúng vẫn vượt cao hơn so
với điều kiện bên ngoài. Luồng khí bên trong turbin thoát ra ngoài
thông qua ống thoát khí, tạo ra một lực đẩy phản lực ngược chiều. Nếu
tốc độ phản lực vượt quá tốc độ bay, máy bay sẽ có được lực đẩy tiến về phía trước.
Dù các động cơ phản lực nói chung có thiết kế đơn giản (hầu như không có bộ phận chuyển động) nhưng chúng không thể hoạt động ở tốc độ bay thấp.
Cửa hút gió
Biểu đồ thể hiện hoạt động luồng li tâm của một động cơ turbin phản
lực. Máy nén hoạt động nhờ giai đoạn turbin và đẩy khí đi nhanh hơn,
buộc nó phải chạy song song với trục đẩy.
Biểu đồ thể hiện hoạt động của dòng khí quanh trục trong động cơ turbin
phản lực. Ở đây, máy nén cũng hoạt động nhờ turbin, nhưng dòng khí vẫn
song song với trục đẩy.
Phía trước máy nén là cửa hút gió (hay cửa vào), nó được thiết kế để
hút được càng nhiều không khí càng tốt. Sau khi qua cửa hút gió, không
khí đi vào hệ thống nén.
Máy nén Máy nén quay ở tốc độ rất cao, làm tăng năng lượng cho dòng khí, cùng lúc nén khí lại khiến nó tăng áp suất và nhiệt độ.
Đối với hầu hết các máy bay dùng động cơ phản lực turbin, không khí nén
được lấy từ máy nén trong nhiều giai đoạn để phục vụ các mục đích khác
như điều hòa không khí/điều hòa áp suất, chống đóng băng cửa hút khí,
và nhiều việc khác.
Có nhiều kiểu máy nén được dùng cho máy bay động cơ phản lực turbin và turbin khí nói chung: trục, ly tâm, trục-ly tâm, ly tâm đôi, vân vân.
Các máy nén giai đoạn đầu có tỷ lệ nén tổng thể ở mức thấp 5:1 (tương tự mức của đa số các động cơ phụ
và máy bay động cơ turbin phản lực loại nhỏ ngày nay). Những cải tiến
khí độc lực sau này cho phép các máy bay dùng động cơ turbin phản lực
ngày nay đạt tỷ lệ nén tổng thể ở mức 15:1 hay cao hơn. So sánh với các
động cơ phản lực cánh quạt đẩy) dân dụng hiện nay có tỷ lệ nén tổng thể lên tới 44:1 hay cao hơn.
Sau khi đi ra khỏi bộ phận nén, không khí nén vào trong buồng đốt.
Buồng đốt Quá trình đốt bên trong buồng đốt khác rất nhiều so với quá trình đốt trong động cơ piston.
Trong một động cơ piston khí cháy bị hạn chế ở khối lượng nhỏ, khi
nhiên liệu cháy, áp suất tăng lên đột ngột. Trong một động cơ turbin
phản lực, hỗn hợp không khí và nhiên liệu, không hạn chế, đi qua buồng đốt. Khi hỗn hợp cháy, nhiệt độ của nó tăng đột ngột, áp lực trên thực tế giảm đi vài phần trăm.
Nói chi tiết, hỗn hợp không khí-nhiên liệu phải được ngăn lại ở mức hầu như dừng hẳn để đảm bảo tồn tại một ngọn lửa cháy ổn định, quá trình này diễn ra ngay đầu buồng đốt. Phần đuôi
của ngọn lửa này cũng có thể phun ra ở phần cuối động cơ. Điều đó đảm
bảo rằng phần còn lại của nhiên liệu được đốt cháy khi lửa trở nên nóng
hơn và khi nó phun ra ngoài, và vì bị hạn chế bởi hình dáng buồng đốt
dòng không khí nóng chạy ra phía sau. Vì thế gây ra sụt áp suất, và nó
là lý do tại sao khí nở ra chạy ra phía sau chứ không phải ra phía
trước động cơ. Chưa tới 25% không khí tham gia vào quá trình cháy, ỏ
một số loại động cơ tỷ lệ này chỉ đạt mức 12%, phần còn lại đóng vai
trò dự trữ để hấp thu nhiệt tỏa ra từ quá trình đốt nhiên liệu.
Một
khác biệt nữa giữa động cơ piston và động cơ phản lực là nhiệt độ đỉnh
điểm trong động cơ piston chỉ diễn ra trong khoảnh khắc, trong một phần
nhỏ của toàn bộ quá trình. Buồng đốt trong một động cơ phản lực luôn
đạt mức nhiệt độ đỉnh và có thể làm chảy lớp vỏ ngoài. Vì thế chỉ một
lõi ở giữa của dòng khí được trộn với đủ nhiên liệu đảm bảo cháy thực
sự. Vỏ ngoài được thiết kế hình dạng để luôn có một lớp không khí sạch
không cháy nằm giữa bề mặt kim loại và nhân giữa. Lớp không khí không
cháy này được trộn với các khí cháy làm nhiệt độ giảm xuống ở mức
turbin có thể chịu đựng được.
Turbin Khí nóng ra khỏi buồng đốt được hướng chạy qua các lá turbine làm
quay turbine. Về mặt khí động các lá turbine có có cấu tạo gần giống
như các lá máy nén nhưng chỉ có hai hoặc ba tầng và bản chất hoàn toàn
ngược với máy nén. Khí nóng qua turbine giản nở sinh công làm quay các
tầng turbine. Turbine quay sẽ kéo quay máy nén. Một phần năng lượng
quay của turbine được tách ra để cung cấp cho các phụ kiện như bơm
nhiên liệu, dầu, thủy lực...
Ống thoát khí Sau turbin, khí cháy thoát ra ngoài qua ống thoát khí tạo ra một
tốc độ phản lực lớn. Ở ống thoát khí hội tụ, các ống dẫn hẹp dần dẫn
tới miệng thoát. Tỷ lệ áp lực ống thoát khí của một động cơ phản lực
thường đủ lớn để khiến khí đạt tốc độ Mach 1.0.
Tuy nhiên, nếu có lắp một ống thoát khí kiểu hội tụ-phân rã "de Laval",
vùng phân rã cho phép khí nóng đạt tới tốc độ siêu thanh (vượt âm) ngay
bên trong chính ống thoát khí. Cách này có hiệu suất lực đẩy hơi lớn
hơn sử dụng ống thoát khí hội tụ. Tuy nhiên, nó lại làm tăng trọng
lượng và độ phức tạp của động cơ.
Lực đẩy thực Dưới đây là một phương trình gần đúng để tính toán lực đẩy thực của một động cơ phản lực:
khi:
khối lượng dòng khí vào
tốc độ phản lực phát triển hết cỡ (in the exhaust plume)
tốc độ bay của máy bay
Trong khi
thể hiện tổng lực đẩy của ống thoát khí,
thể hiện the ram drag của cửa hút gió. Rõ ràng tốc độ phản lực phải
vượt quá tốc độ bay nếu có một lực đẩy thực vào thân máy bay.
Tỷ lệ lực đẩy trên năng lượng Một động cơ turbin phản lực đơn giản tạo ra lực đẩy gần: 2.5
pounds lực trên sức ngựa (15 mN/W). Dưới đây là một phương trình gần
đúng để tính toán lực đẩy thực của một động cơ phản lực:
khi:
khối lượng dòng khí vào
tốc độ phản lực phát triển hết cỡ (in the exhaust plume)
tốc độ bay của máy bay
Trong khi thể hiện tổng lực đẩy của ống thoát khí, thể hiện the ram
drag của cửa hút gió. Rõ ràng tốc độ phản lực phải vượt quá tốc độ bay
MỚI có một lực đẩy thực vào thân máy bay
Những cải tiến chu trình hoạt động Việc tăng tỉ số nén chung của hệ thống nén làm tăng nhiệt độ đầu
vào buồng đốt. Vì vậy, với một lưu lượng khí và nhiên liệu cố định,
cũng làm tăng nhiệt độ đầu vào tua-bin. Tuy nhiệt độ tăng lên cao hơn
qua máy nén, nhưng dẫn đến việc rơi nhiệt độ lớn hơn trên hệ thống
tua-bin, nhiệt độ vòi phun không bị ảnh hưởng bởi vì lượng nhiệt như
nhau được thêm vào hệ thống. Tuy nhiên việc đó làm tăng áp suất vòi
phun, bởi vì tỉ số áp suất chung tăng nhanh hơn tỉ số giãn nở của
tua-bin. Kết quả là tăng lực đẩy trong khi thiêu hao nhiên liệu (nhiên
liệu/lực đẩy) giảm.
Do động cơ phản lực tăng áp (turbojets) có thể chế tạo để sử dụng nhiên
liệu hiệu quả hơn bằng cách tăng tương ứng cả tỉ số áp suất chung và
nhiệt độ đầu vào tua-bin. Tuy vậy, vật liệu tua bin phải tốt hơn
và/hoặc phải cải thiện làm mát cánh quạt/cánh lòng máng tua bin để phù
hợp với việc tăng cả nhiệt độ đầu vào tua bin và nhiệt độ khí nén đầu
ra của máy nén. Cuối cùng việc tăng áp đòi hỏi vật liệu chế tạo máy nén
phải tốt hơn.
Các động cơ ban đầu của người Đức gặp các vấn đề nghiêm trọng về điều
khiển nhiệt độ đầu vào tua-bin. Các động cơ ban đầu của họ trung bình
chỉ hoạt động khoảng 10 giờ là hỏng; Thường là các cánh lòng máng bằng
kim loại bay ra phía sau động cơ khi tua-bin bị quá nhiệt. Các động cơ
của Anh chịu đựng tốt hơn bởi vì vật liệu tốt hơn. Người Mỹ có vật liệu
tốt hơn bởi vì họ có độ tin cậy vào bộ tăng áp siêu nạp dùng cho động
cơ máy bay ném bom ở độ cao lớn trong Thế chiến hai. Thời gian đầu, một
số động cơ phản lực của Mỹ đã kết hợp khả năng phun nước vào động cơ để
làm lạnh luồng khí nén trước khi đốt, thường là khi cất cánh. Nước làm
cho việc đốt cháy không được hoàn toàn và kết quả là động cơ lại hoạt
động làm mát lần nữa, nhưng máy bay cất cánh sẽ để lại một luồng khói
lớn.
Ngày nay, các vấn đề như vậy được kiểm soát tốt hơn, nhưng nhiệt độ vẫn
giới hạn tốc độ không khí trong các máy bay vượt tiếng động (máy bay có
tốc độ vượt tiếng động “Quán thanh” hoặc gọi sai lầm là “Máy bay siêu
âm”). Tại tốc độ rất cao, việc nén không khí đầu vào làm tăng nhiệt độ
đến mức mà các cánh nén có thể bị nung chảy. Tại tốc độ thấp hơn, vật
liệu tốt nhất được tăng tới nhiệt độ tới hạn, và việc kiểm soát điều
chỉnh nhiên liệu tự động làm cho việc động cơ bị quá nhiệt gần như được
loại trừ.
Trang Chính 
