فن در موتور توربوفن (توربین گاز قسمت ۳)

widechordfanbladesهدف اصلی فن، جابجایی جرم مشخصی از گاز با یک سرعت مطلوب است. در واقع فن این کار را با افزایش خیلی کم در فشار هوای عبوری از خودش انجام میدهد… فنها کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف و حتی زندگی روزمره ما دارند اما در اینجا قصد توضیح این موارد را نداریم… یک راست میرویم سر اصل مطلب یعنی فن هایی که در موتورهای توربوفن به کار میروند.

 

در واقع فن يك كمپرسور فشار پايين يك طبقه اي است كه عمده كاري كه مي كند دادن ممنتوم به سيال و افزايش تراست مي باشد و از اين نظر نيازي نيست كه خيلي نسبت فشار بالايي داشته باشد بلكه هر چقدر حجم بيشتري از سيال را جابجا كند به رسالت خود عمل كرده است.

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

جریانی  که از فن عبور می کند به دو قسمت تقسیم می شود قسمتی از آن وارد هسته موتور(core)  می شود و قسمتی از ان هم به صورت جت سرد از داخل پوشش و مجرایی که فن را احاطه کرده عبور می کند. جالب است بدانید که در موتور های توربوفن چیزی در حدود ۸۰ درصد از نیروی تراست توسط همین جت سرد تامین می شود!

در توربوفن ها همه قسمت ها با سرعت برابری دوران نمی کنند. گاهی لازم است که بعضی قسمت ها آرام تر از سایر قسمت ها حرکت کنند! و این تفاوت در حرکت، با چند محوره کردن موتور حاصل می شود. بعد از پیشرفتهای اولیه در زمینه توربین گاز، صنعت پشرانش توربینی به سمت موتورهای دو محوره و سه محوره روی آورد. در جدیدترین نمونه ها (مثل موتور trent)  از سه محور استفاده شده است.

موتورهای توربوفن دو  و سه محوره

طراحی چند محوره تطبيق پذيري بيشتري با شرايط كاري موتور دارد. براي مثال اين طرح اجازه مي دهد كه فن و هسته موتور به صورت جداگانه عمل كنند و از اين طريق مي توان قطر پره هاي فن را بيشتر كرد زيرا در اين حالت سرعت دوراني فن قابل كنترل است. در زير شماتيكي از طراحي سه محوره موتور را مشاهده مي كنيد:

Untitled

همانطور كه در پيكربندي فوق مشهود است، فن توسط محور آبي رنگ به توربين كم فشار متصل شده است. به عبارتي ۶ طبقه توربين كم فشار براي به گردش درآوردن فن به كار گرفته شده است. محور نارنجي، اتصال دهنده توربين و كمپرسور فشار متوسط است. كه در اينجا نيز يك طبقه توربين فشار متوسط معادل ۸ طبقه كمپرسور فشار متوسط مي باشد.  و در نهايت محور قرمز رنگ اتصال دهنده توربين و كمپرسور پرفشار هستند كه به ازاي يك طبقه توربين پرفشار، ۶ طبقه كمپرسور پرفشار لحاظ شده است

مزيتهاي موتور سه محوره نسبته به دو محوره را مي توان در نكات زير دانست:

– طول شفت در اين پيكربندي كوتاه تر و محكم تر است و اين امر باعث عملكرد بهتر شفت خواهد بود.

– فن مي تواند در يك سرعت بهينه كار كند و در نتيجه راندمان موتور افزايش مي يابد.

– كاهش وزن كه يكي از اهداف مهم در طراحي هواپيما و موتور است و صرفه اقتصادي زيادي به همراه دارد.

– تعمیرات راحت تر صورت می گیرد.

ss d

انواع فن در توربوفن ها

موتور های توربو فن بر اساس نوع فنی که دارند به انواع مختلفی تقسیم می شوند.

۱) یک روتور

۲) یک روتور یک استاتور

۳) دو روتور دوران معکوس

۴) فن ملخی

پارامترهای مهم در فن

پارامترهای مهمی که باید در مورد فن بدانیم عبارتند از:

۱) شکل پره ها

۲) نیروهای وارد بر فن

۳) مواد به کار رفته در ساخت فن

شکل پره ها

۱) حتما در مورد شکسته شدن دیوار صوتی و موج مهیبی که توسط هواپیما ایجاد میشود شنیده اید. هنگامی که سرعت هواپیما به نزدیکی سرعت صوت می رسد دیوار پر فشاری از هوا جلوی دماغه هواپیما تشکیل می شود و وقتی که سرعت هواپیما بیشر شود انرژی زیادی به صورت یک موج ضربه ای ازاد می شود. حالا فرض کنید این اتفاق در پره ی یک فن بیافتد!

15

در هواپیما برای این که این اتفاق در بال به تعویق بیافتد از sweep back استفاده می کنند، که باعث می شود سرعت برخورد هوا با لبه حمله کمتر از سرعت هواپیما شود

spanwise-flow

 

در پره های فن نیز از روشی مشابه استفاده می کنند. در یک فن هرچه از مرکز به سمت خارج می رویم سرعت پره زیاد میشود . پس در شعاع بیشتر یعنی هر قدر که به سمت نوک فن پیش می رویم، احتمال رسیدن به سرعت فراصوت بیشتر می شود.

2013-07-july-rr-001-280x480

اگر به شکل بالا کمی موشکافانه نگاه کرده باشید می بینید که در نوک پره این روند ادامه پیدا نمی کند! دلیل آن این است که نوک پره ها بسیار به پوسته نزدیک است و سرعت جریان در این ناحیه به دلیل وجود لایه مرزی کمتر می شود.

در قسمت قبل فهمیدیم که هر چه از مرکز فن دور بشویم سرعت خطی پره افزایش پیدا می کند حالا بحثی که در این جا مطرح می شود این است که یک ایرفویل بسته به سرعتی که در سیال حرکت می کند و زاویه حمله ای که نسبت به جریان دارد بازده متفاوتی را به ما میدهد. به عبارتی برای هر سرعتی زاویه حمله ای وجود دارد که بیشترین بازده را به ما می دهد و هرچه سرعت زیادتر شود این زاویه نیز کمتر می شود.به همین دلیل از زاویه twist در بلید استفاده میکنند

rolls-royce-blade

19

نیروهای وارد بر فن

در مجموع به فن سه نیرو وارد می شود:

۱)   از دوران دبیرستان به خاطر دارید که به یک جسم دوار به سمت بیرون نیرویی برابر وارد می شود که به ان نیروی گریز از مرکز می گفتیم. حالا فرض کنید در یک  پره فن به شعاع ۳ متر که با سرعت ۵۰۰۰ دور بر دقیقه در حال دوران است چه اتفاقی می افتد. به هر بلید فن یک موتور توربوفن trent در حالت take off نیرویی برابر وزن یک لوکوموتیو وارد میشود(۱۰۰tons) یا ۱۰۰۰kN!

۲)  دومین ، نیروی عکس العمل هوایی است که به داخل کشیده می شود. درواقع تغییرات ممنتومی است که در هوای ورودی ایجاد می شود. حالا بد نیست بدانید که دبی جرمی عبوری  از یک فن در حالت take off چیزی در حدود ۱.۲ton/s  است!

۳) سومین ،گشتاوری است که سعی دارد پره های فن را در جهت زاویه حمله شان دوران دهد. برای این که بهتر متوجه بشوید یک تیکه چوب نسبتا پهن را به نخی با طول مناسب وصل کنید حالا سعی کنید چوب را طوری دور خود بچرخانید که وجه پهن تر آن رو به مسیر دوران باشد،زود متوجه می شوید که چوب دوران می کند و لبه ان رو به جریان هوا قرار میگیرد.در بلید نیز همین پدیده اتفاق میافتد. شکل زیر به بهترین نحو، گویای این سه نیرو و گشتاور است:

20

مواد به کاررفته در فن

با توضیحاتی که در قسمت قبل در مورد نیروهای وارد بر فن دادیم.، باید ببینیم که چه موادی باید در ساخت فن به کار رود که بتواند این نیروها و تنش های زیاد را تحمل کند و در عین حال وزن کمی هم داشته باشند. اولین نکته ای که باید بدا نید این هست که  فن هایی که اخیرا ساخته شدند تو خالی هستند و در عوض دارای پهنای بیشتری هستند تا نیروهای وارده را بهتر تحمل کنند.

خب در ابتدا بهترین ماده ای که می توانست این ماموریت را انجام دهد عنصر گرانبهای تیتانیوم بود که هم تنش زیادی را می توانست تحمل کند و هم چگالی کمی داشت و به علاوه با دارا بودن خواص سوپر پلاستیک به درست کردن یک پره تو خالی که در طی بیش از ۸۰ مرحله عملیات به وجود می امد کمک می کرد.

ولی به مرور زمان که فن ها بزرگ و بزرگ تر شدند و بر حجم و وزن آنها افزوده شد، مهندسین به فکر استفاده از کامپوزیت الیاف کربن در فن ها افتادند، که هم مقاومت بسیار بالا و هم وزن بسیار کمی داشت. ولی مشکل این نوع پره ها  این بود که در مقابل برخورد پرنده ها و اجسام، مقاومت کمتری داشتند که مشکل را با پوششی از تیتانیوم در لبه ی حمله حل کردند.

VKI_CC_CompFan_text2

22

 

در اینجا فیلمی کوتاه درمورد فن برای شما قرار دادیم:

تهیه و تنظیم: معین نیکپور

5 دیدگاه درباره “فن در موتور توربوفن (توربین گاز قسمت ۳)

  1. محمد سپه وند

    سلام بسیار ممنون و سپاسگزارم از این همه جهاد علمی و آموزشی پر ثمر شما من در این مقاله به چند سوال بر خوردم اگه جوابشو بدید خیلی لطف کردید باتشکر اول اینکه چه تفاوتی در تیغه های مختلف است که هر کدام فشاری متفاوت ایجاد می کنند با توجه به نکته اول مقاله درمورد فن و فشار جزیی که در هوا ایجاد میکنه و مقایسه با تیغه های کمپرسور موتور که فشار بالا ایجاد می کنند سوال بعد اینکه در تصویر نشان داده شده از بال هواپیما معنای عبارات spanwise componentو chordwis compont چیست و اگر امکان داره در مورد این که چه اتفاقی در بال های عقب گردsweep back میوفته که سرعت برخورد هوا به لبه حمله کمتر از سرعت هواپیما کمتره و رسیدن به سرعت صوت رو طبق گفته خودتون به تاخیر میندازه در آخر طول عمر با عزت و برکت برای شما و عزیزانتان دارم و نیز توفیق علمی و عملی برای شما ممنون.

    پاسخ
    • admin نویسنده پست

      سلام… بهتره که سوالات شمابه صورت تفکیک شده در بخش انجمن سایت، در موضوعات مربوط به خودش مطرح بشه تا پاسخ های بهتری دریافت کنید… برای ثبت نام در انجمن اینجا کلیک کنید: http://asec.ir/froum/register.php

      پاسخ
  2. محمد سپه وند

    من الان در قسمت آیرودینامیک انجمن مطرح کردم سوالاتو فقط خودتون جواب میدین یا کسی دیگه ممنون از تلاشتون و لطفتون فقط سوالا یادتون نره ممنون در پناه خدا

    پاسخ
  3. اکبر حامی طلب

    سلام. خسته نباشید. من دنبال دو تا موتور جت میگردم که حداقل بتونن وزنی معادل ۲۰۰ کیلو را بلند کرده و با سرعت ۶۰ کیلومتر بر ساعت ببره لطفا اگر اطلاعاتی داشتید به من کمک کنید خیلی ممنون

    پاسخ

پاسخ دهید

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