آشنایی مقدماتی با توربوفن + فیلم (سلسله مباحث توربین گاز)

قصد داریم در سلسله مباحث آموزشی سایت، در زمینه توربین گاز به طور تخصصی وارد بشیم. در مرحله اول نیز می خواهیم یکم با توربوفن اشنا شیم و بعد در پست های بعدی به صورت جزیی به قسمت های مخلتفش بپردازیم…

جت چیست؟ جت اصطلاحا به هر سیالی با سرعت و انرژِی زیاد گفته می‌شود. هنگامی که جتی از یک جسم خارج می‌شود به ان جسم در خلاف جهت خروجش نیرو وارد می کند. مثلا وقتی که یک بادکنک را باد می‌کنیم و یک دفعه رهایش می‌کنیم یا وقتی که سه نفر آتشنشان شلنگ را با زحمت توی دستشان نگه داشته اند نیرویی در مقابل وارد خواهد شد.

از سال ها پیش انسان به این پدیده پی پرده بود مثل این چرخ دوار که در چین ساخته شده است!

توربوماشین های پیشرانشی در واقع وسایلی هستند که به وسیله جتی که خودشان تولید کرده اند، کار می‌کنند. اساس کارهمه توربوماشین ها ورود هوا به یک محفظه احتراق و خروج ان با سرعت و فشار بیشتر است (جت) که بسته به نوع استفاده ای که از این جت گاز می شود به انواع مختلفی تقسیم می گردد. مثلا:

۱٫ایجاد نیروی پیشرانش به وسیله خود جت (توربوجت)

۲٫چرخاندن یک شفت (توربوشفت)

۳٫چرخاندن یک فن و تولید جت سرد (توربوفن)

۴٫چرخاندن یک ملخ (توربوپراپ)

 و همچنین رمجت، اسکرم جت، پالس جت و… که فاقد قطعات دوار میباشند. ما در اینجا می خواهیم فقط به توربوفن بپردازیم که اگر کسی با توربوفن اشنا شود انگار با بقیه اشنا شده است. موتور توربوفن در واقع یک توربوجت هست که کمپرسور جلویی آن به فن تبدیل شده است.

از مزیت های این نوع موتور می توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱٫صدای کم

۲٫مصرف سوخت کم

۳٫سردتر بودن جت خروجی در کاربرد های نظامی و رادارگریزی

۴٫قطر کمتر موتور نسبت به توربوپراپ

۵٫تراست زیاد هنگام تیک اف

تمام این مزیت ها باعث شده که این نوع موتور به پر کاربردترین موتور تبدیل شود به خصوص در هواپیماهای مسافربری و باری که هزینه سوخت در مسافت های طولانی بسیار اهمیت دارد.

در واقع توربوفن از دو قسمت تشکیل شده یکی هسته که وظیفه تولید انرژی مکانیکی را بر عهده دارد و دیگری فن که توسط شفت متصل به توربین میگردد و قسمت اعظم تراست را تولید میکند.

نیروی جلوبرنده در توربوفن از دو راه تامین می شود. قسمت اعظم ان توسط جت سرد تولید شده به وسیله فن (۸۰%) و قسمتی از ان هم به وسیله جت داغ خروجی از هسته. در واقع هوایی که توسط فن به داخل کشیده می شود قسمتی از آن وارد هسته شده و اکسیژن هسته را تامین می کند و قسمتی از ان هم با خروج از موتور تراست تولید می نماید حالا بسته به این که چه قسمتی از هوا ورودی از پوسته خارج می شود(bypass) موتور های توربوفن را به انواع مختلف تقسیم می کنند.

۱٫کنارگذر با نسبت بالا

۲٫ کنارگذر با نسبت متوسط

۳٫ کنارگذر با نسبت پایین

Bypass در واقع نسبت جرمی هوای عبوری از پوسته به هوایی است که وارد هسته می شود.

۱) کنار گذر بالا (high bypass)

این نوع از موتور ها که بای پس انها بین ۴ تا ۱۵ است بیشتر در هواپیما های مسافری، باری و تجاری کاربرد دارند. دلیل ان هم بازده بالای انها است. در واقع نسبت نیروی تراست به جرم سوخت مصرفی در این موتورها بالاترین مقدار است پس در هواپیماهایی که به مدت طولانی پرواز میکنند و مصرف سوخت ان ها اهمیت زیادی دارد، استفاده می شوند، هواپیماهایی مثل B747 یا A340

موتور با bypass بالا، آلودگی صوتی کمتری دارد زیرا هوای سردی که از نازل خروجی آن بیرون می آید همانند یک عایق صدا، از انتشار نویزهای صوتی جلوگیری می کند. همانطور که میدانید کاهش نویز صوتی در صنعت هوانوردی یکی از دغدغه های طراحان پیشرانش  و سازندگان هواپیماست.

در این موتور ها همچنین به دلیل زیاد بودن بای پس  تراست معکوس بیشتری تولید می شود ولی هر چه بای پس بیشتر باشد برای trust reverse به تجهزات پیچیده تری مثل پره های متحرک نیاز هست که این خود باعث افزایش وزن می شود. از ایرادات این نوع موتورها محدودیت سرعت ان ها است (۰٫۷۵تا ۰٫۹ ماخ  ) و نمی توانند در سرعت های بالا پرواز کنند. از ایرادات دیگر این موتور ها میتوان به حجم زیاد و وزن زیاد ان ها اشاره کرد.

موتور a380

۲) کنارگذر متوسط medium bypass

دارای بای پس ۲ تا ۴ هستند. این نوع از موتورها، بیشتر در هواپیماهای مسافربری کوچکتر استفاده می شوند. برای مثال هواپیماهای تجاری و شخصی (بیزنس جت) که معمولا در حدود ۶ تا ۲۰ نفر سرنشین دارند از این نمونه موتورها بهره می برند. در تصویر زیر هواپیمای beechcraft hawker رو می بینید که از نوع بیزنس جت هست.

۳) کنارگذر پایین

این موتور بای پاس حدود ۲ دارند و برای سرعت های بالاتر طراحی شدند و دارای فن کوچکتر و در نتیجه دبی جرمی کمتری هستند. در این موتور ها معمولا از دو یا سه فن کوچک تر استفاده می شود و اندازه و وزن کمتری دارند. همچنین از afterburner در ان ها استفاده میشود که در مواقع خاص مثل برخاست سریع و افزایش زیاد سرعت از ان استفاده میشود. در واقع کاربرد موتور با کنارگذر کوچک غالبا در جنگنده هاست. مثلا اگر به موتور جنگنده F14 دقت کنید متوجه می شوید که موتور آن مدل جنرال الکتریک f 110 هست که یک موتور با نسبت کنارگذر پایین در حدود ۰٫۸۵ است.

F110-GE Turbofan Engine.jpg

در انیمیشن زیر می توانید نکات مربوط به کنارگذر را مشاهده کنید:

Why Were Old Jet Engines So Much More Smoky Than Newer Ones?

اجزای موتور توربوفن:

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می کنید، هر موتور توربوفن از قسمت های زیر تشکیل شده:

۱) فن

فن به مجموعه ای از پره های دوار گفته می شود که باعث افزایش سرعت و فشار سیال میگردد و فن با دوران خود هوا را به داخل موتور هدایت می کند. قسمتی از هوا سمت هسته مرکزی موتور به منظور تامین اکسیژن برای احتراق می رود و قسمتی از ان هم از پوسته موتور عبور می کند و علاوه بر خنک کردن موتور قسمت اعظمی از نیروی تراست را تولید میکند.

۲) کمپرسور

کمپرسور وظیفه افزایش فشار هوا را بر عهده دارد و به دو نوع محوری (axial) و مرکزی یا سانتریفیوژ (centrifugal) تقسیم می شود. کمپرسور مرکزی از چند پله یا اصطلاحا طبقه تشکیل می شود و فشار هوا را در چند مرحله افزایش می دهد. کمپرسور فشار هوا را تا چند ده برابر فشار هوا افزایش میدهد و نقش بسیار مهمی در عملکرد توربوماشین دارد چون یکی از عوامل مهم در بازده توربوماشین ها فشار هوای ورودی به محفظه احتراق است.

۳) محفظه احتراق

محفظه احتراق محل مخلوط شدن سوخت و  هوا و اشتعال ان هاست. مهم ترین مشکلی که در محفظه احتراق با ان مواجه اند فشار بالا و دمای بالای ان است که استفاده از مواد خاصی را دران میطلبد…

۴) توربین

توربین، وظیفه گرداندن اجزای موتور به وسیله جذب انرژی گاز را بر عهده دارد و مانند کمپرسور از چند طبقه تشکیل شده است و تعداد ان ها  از کمپرسور کمتر است. توربین نیز در قسمت های مختلف با سرعت های مختلفی دوران می کند و مثلا توربین پرفشار به کمپرسور پرفشار و توربین کم فشار به کمپرسور کم فشار متصل است. در بعضی طبقات توربین دمای گاز عبوری تا ۴۰۰ درجه سانتی گراد بالای نقطه ذوب فلز به کار رفته میرسد! باید در قسمت های بعد دید که چطور این پدیده ممکن شده است….

در تصویر زیر اجزای هسته موتور را می بینید:

Why Were Old Jet Engines So Much More Smoky Than Newer Ones?

در ادامه شما را دعوت می کنیم که ویدئوی زیر را ببینید که در آن چطور قطعات یک توربوفن از هم جدا شده و به طور مجزا نشان داده می شود:

Turbofan Components

 تهیه و تنظیم: معین نیکپور، کارشناس مکانیک

6 دیدگاه درباره “آشنایی مقدماتی با توربوفن + فیلم (سلسله مباحث توربین گاز)

پاسخ دادن به amir لغو پاسخ

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *