Động cơ phản lực đạt hiệu suất cao hơn với công nghệ in 3D

Một thế hệ động cơ mới được phát triển bởi nhà sản xuất động cơ phản lực lớn nhất thế giới, CFM (công ty liên doanh giữa GE Aviation và Snecma của Pháp), sẽ giúp máy bay hạ mức tiêu thụ nhiên liệu đi khoảng 15% – đủ để tiết kiệm được 1 triệu đô la Mỹ một năm cho mỗi máy bay và giảm đáng kể lượng khí thải carbon.

Các bộ phận chính của một động cơ phản lực thông thường (Nguồn: wikipedia).

Động cơ đầu tiên của dòng này, LEAP, sẽ mang công nghệ mới nhất được sử dụng trong việc sản xuất động cơ phản lực quy mô lớn trước đây. Đó là sử dụng vật liệu hợp chất gốm, nhẹ hơn và chịu nhiệt tốt hơn nhiều so với các hợp kim vẫn được sử dụng từ trước đến nay. Động cơ này còn sử dụng các bộ phận được chế tạo bằng công nghệ in 3 chiều (3D), một phương thức sản xuất có thể tạo ra các hình dạng phức tạp rất khó hoặc thậm chí không thể chế tạo được bằng các kĩ thuật thông thường. (Xem “10 công nghê đột phá năm 2013: Công nghệ in 3D“). Gareth Richards, quản lý dự án LEAP của GE Aviation, cho biết những công nghệ này có thể sẽ được dùng để chế tạo nhiều bộ phận khác của động cơ, giúp cải thiện hiệu năng hơn nữa.

Dù động cơ đầu tiên được bắt đầu chế tạo cách đây chưa đầy hai tuần, công ty đã có 4500 đơn đặt hàng. Động cơ này sẽ được sử dụng trên chiếc Airbus A320neo, Boeing 737 Max và chiếc Comac C919, một dòng máy bay mới của Trung Quốc. Bên cạnh việc tiết kiệm nhiên liệu, động cơ mới giúp các nhà sản xuất tuân thủ các quy định hiện hành cũng như các quy định dự đoán là sẽ có hiệu lực trong tương lại về việc giảm lượng khí thải CO₂ và các chất ô nhiễm khác như oxit nitơ, khí gây ra hiện tượng khói-lẫn-sương [một hiện tượng ô nhiễm không khí bắt nguồn từ khí thải xe cộ và khói công nghiệp phản ứng trong bầu khí quyển dưới ánh nắng mặt trời, người dịch].

Một trong những cải tiến quan trọng là việc sử dụng hợp chất gốm do GE phát triển. Gốm chịu được nhiệt độ cao, nhưng lại quá dễ vỡ để sử dụng trong động cơ. Các nhà nghiên cứu của GE đã phát minh ra cách dùng sợi silicon carbide để gia cố cho vật liệu này khiến cho chúng bền bỉ như kim loại.

Gốm giúp làm giảm mức năng lượng dùng để làm mát các bộ phận của động cơ. Động cơ hiện thời hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ nóng chảy của hợp kim niken được dùng ở bên trong động cơ, do đó để giữ cho những hợp kim này khỏi tan chảy, động cơ hướng không khí từ một máy nén ở bên trong nó qua các lỗ nhỏ trong các bộ phận của động cơ để tạo nên một lớp làm mát. Các hỗn hợp gốm không cần tới cơ chế làm mát này, thế nên thay vì đó không khí có thể được sử dụng để tạo ra lực đẩy.

Trong động cơ LEAP, các vật liệu gốm tổng hợp (ceramic matrix composite) chỉ thay thế một số bộ phận làm bằng hợp kim niken. Nhưng trong tương lai, chúng có thể được sử dụng để thay thế các bộ phận khác nữa, góp phần làm giảm hao phí do việc làm mát. Sự thay đổi này cũng cho phép động cơ hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, làm cho nó có thể sinh ra nhiều lực đẩy hơn từ cùng một lượng nhiên liệu. Không những thế, vật liệu tổng hợp có thể làm cho động cơ nhẹ hơn do các bộ phận làm từ chúng có trọng lượng chỉ bằng một phần ba so với các bộ phận tương tự từ hợp kim niken.

CFM thử nghiệm các cánh quạt được làm tử vật liệu gốm tổng hợp. Chúng được gắn vào một trong các động cơ cũ của công ty này.

Động cơ cũng sẽ có các bộ phận được chế tạo bằng phương pháp in 3D giúp cải thiện hiệu suất và  giảm lượng khí thải. Hệ thống in 3D này tinh vi và mạnh mẽ hơn so với loại máy in 3D để bàn vốn đang được chú ý gần đây. Thay vì bơm vật liệu ra, loại máy in 3D này sử dụng tia laser để biến bột kim loại thành các hình dạng rắn, từng lớp một. Phương pháp này đơn giản hoá việc sản xuất các ống dẫn nhiên liệu có hình dạng chuẩn xác giúp chạy động cơ ở nhiệt độ cao mà không tạo ra các oxit nitơ (xem “Additive Manufacturing” và “GE and EADS to Print Parts for Airplanes”).

Một công ty sản xuất động cơ khác, Pratt & Whitney, đang phát triển động cơ tiên tiến có thể làm giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ khoảng 15 phần trăm. Khách hàng của Airbus A320neo có thể chọn động cơ Pratt & Whitney hoặc động cơ CFM. Nhưng động cơ Pratt & Whitney có cách tiếp cận khác hẳn để nâng cao hiệu năng. Thay vì sử dụng vật liệu tổng hợp, Pratt & Whitney dùng các bộ phận truyền động có thể giúp các bộ phận động cơ di chuyển ở tốc độ tối ưu (xem “More Efficient Jet Engine Gets in Gear và “Hybrid Wing Uses Half the Fuel of a Standard Airplane“).

• Nguyên bản tiếng Anh: “A More Efficient Jet Engine Is Made from Lighter Parts, Some 3-D Printed,” Kelvin Bullis, MIT Technology Review, 14/05/2013
• Người dịch: Nguyễn Công Thành
• Biên tập: Phạm Duy Đông, Tạ Minh Chiến