موتورهاي توربيني

بیشتر هواپیماهای مدرن امروزی جهت تولید نیروی تراست لازم برای حرکت ، از موتورهای توربین گازی استفاده می کنند.

اصطلاح “Gas Turbine” به عنوان یک واژه ی عمومی برای انواع موتورهای توربینی مورد استفاده قرار می گیرد ودرمحدوده ی موتورهای جت شامل: توربوجت، توربوفن، توربوپراپ، توربوشفت و کلیه موتورهای توربینی که با مکانیزم جت کار می کنند می شود . از سایر سیستم های پیش رانشی که با شتاب سیال ، تراست تولید می کنندولی توربینی نیستند می توان به: رمجت، اسکرمجت،پالس جت، پرشرجت، واترجت و موتورهای راکتی اشاره کرد که هر کدام با مکانیزم و اصولی جدا کار میکنند و ساختمانی متفاوت از یکدیگر دارند.

 

موتورهای توربینی گونه های مختلفی دارند و با وجود اینکه هر یک از آنها متفاوت از دیگری است اما دارای قســمت های مشترکــی هستند. همـه ی مــوتورهای توربینــی دارای یک مجرای ورود هوا ، یک کمپــرسور

یا متراکم کننده، یک بخش احتراق ، یک توربین و یک مجرای خروجی هستند . همـه ی این موتورها با یک اصول اساسی کار می کنند ولی هر کدام از آن ها دارای مزایا و اشکالات مجزایی هستند . در بالا شکل بسیار ساده ای از یک موتور توربین گازی مشاهده می شود . همه موتورهای توربینی جت با این قاعده کار می کنند: هوا به داخل لوله مانندی کشیده و فشرده شده ، با سوخت مخلوط و سوخته شده با سرعت بالایی خارج میشود.

کلید ساختن یک موتور جتی که کار کند در فشرده سازی هوای ورودی آن است. چنان چه کمپرس صورت
نگیرد ، مخلوط هوا و سوخت قادر نخواهد بود هیچ ازدیاد حجـم و تراستی تولید کند. بیشـتر جت ها دارای کمپرسوری هستند شامل پره های گردنده و در قسمتی که کمپرس صورت میگیرد حرکت هوا جهت ایجاد فشار زیاد، کند میشود.

این هوای کمپرس شده به داخل محفظه ای که در آن احتراق صورت میگیرد رانده شده و با سوخت مخلوط شده و سوزانده می شود. در حین این که گازهای پرفشار در حال خارج شدن هستند از میان توربینی شامل پره های قوس دار زیادی میگذرند .

در اینجا گازهای خروجی پره های توربین را به حرکت در می آورند و این توربین نیز از طریق یک شفت (محور) به کمپرسور در قسمت جلوی موتور متصل است و باعث گرداندن پره های کمپرسور میشود .

به این طریق گازهای خروجی محفظه ی احتراق، توربین را و توربین نیز کمپرسور را گردانده تا هوای بیشتری گرفته و فشرده شود و موتور به سیکل کاری خود ادامه دهد. کارکرد موتورهای توربینی مداوم است یعنی بدون وقفه کار میکنند و هیچ وقفه ای ندارند.
انواع موتورهای جت توربینی

توربوجت
توربوجت اولین و ساده ترین شکل از یک موتور جت جهت تولید تراست است. همانطوری که در تصویر شماتیک آن دیده می شود دارای کمپرسور، محفظه ی احتراق، توربین و سایر قسمت های استاندارد یک موتور توربین گازی میباشد. تفاوت بارزی که بین یک توربوجت و یک موتور توربین گازی ساده وجود دارد در کمپرسور توربوجت است

که دارای ضریب تراکم بسیار بالاتری نسبت به یک توربین گاز ساده است. تفاوت اساسی دیگر در توربین آن است که در توربوجت توربین تنها به کمپرسور متصل است و تنها میزان بسیارکمی از قدرت همان توربین جهت سایر موارد فرعی مانند پمپ ها استفاده میشود و در توربوجت پر انرژی بودن گازهای خروجی یک موضوع بسیار مهم و قابل توجه است ،

در حالی که در یک موتور توربین گازی به غیراز توربینی که به کمپرسور متصل است توربین دیگری نیز جدا از آن در قسمت خروجی محفظه ی احتراق قرار دارد که در واقع به شفت خروجی موتور متصل است و جهت استفاده در مواردی از قبیل تولید برق و سایر موارد مشابه مورد استفاده قرار میگیرد. نکته ی قابل توجهی که در مورد موتورهای توربین گازی وجود دارد این است که از گازهای خروجی آنها هیچ استفاده ای نمیشود به همین جهت سعی میشود که تمام حرارت و انرژی قابل استفاده ی گازهای محترق قبل از خروج جهت بازدهی بیشتر گرفته شود.

نسبت سوخت به هوا در یک توربوجت خیلی کم است. طبق خبرگذاری ناسا ، بطور میانگین در یک توبوجت مقدار ۱۰۰ pound هوا در ثانیه با ۲ pounds سوخت در ثانیه ترکیب میشود ولی این نسبت در هر موتوری متفاوت است.

توربوفن
بسیاری از هواپیماهای مسافربری مدرن از موتور های توربوفن استفاده میکنند بخاطر این که آن ها بازده بیشتری نسبت به سوخت دارند . اگر میزان مصرف سوخت یک توربوجت با تورفن و میزان تراست تولیدی آن ها را مقایسه کنید می بینید

که توربوفن با همان میزان مصرف سوخت، مقدار تراست خیلی بیشتری تولید میکند. یک موتور توربوفن شکل تغییریافته وپیشرفته ی یک موتورتوربین گازی ساده است. همانند سایر موتورهای جت ، توربوفن هم دارای هسته ی موتوری توربوجت است.

در یک توربوفن مرکز موتور توسط یک لایه شامل یک فن در جـلو و توربین اضــافی در کنـــار آن احــــاطه شده است. فــن و توربین فن از تعــدا د زیادی تیغـــه همانندکمپرسوروتوربین هسته تشکیل شده اندکه به یک شفت اضافی متصل اند.

شفتی که به فن متصل است از وسط هسته ی شفت مرکزی عبور می کند و به این صورت اگر موتور دارای سه شفت باشد ، فن جلویی به درونی ترین شفت و آن نیز به آخرین طبقه ی توربین در انتهای موتور (مرکز) متصل است.

توبوفن ها به دو دسته شامل توربوفن با نسبت گذرگاهی پایین و با نسبت گذرگاهی بالا تقسیم میشوند. دسته ی اول نسبتا کوچکتر هستند و مقداری بیشتر از یک توربوجت ، تراست تولید میکنند ولی توربوفن با نسبت گذرگاهی بالا، تراست خیلی بیشتری تولید میکنند و نسبت به سوخت کارآمد تر هستند و صدای کمتری تولید میکنند.

اصلی ترین هدف و وظیفه ی فن راندن مقدار زیادی هوا از میان گذرگاه خارجی است که از اطراف هسته ی موتور می گذرد. با اینکه در این گذرگاه جانبی جریان هوا با سرعت خیلی کمتری جریان میابد، ولی حجم بالایی از هوا با این فن شتاب و سرعت میگیرند و این فن، به غیر از تراستی که هسته ی توربوجت دارد،

تراست مهم و عمده ای را بدون سوزاندن هیچ سوخت اضافی تولید میکند. بدینگونه توربوفن نسبت به توربوجت استفاده ی بیشتری از سوخت میکند، در نتیجه بازده آن بیشتر از توربوجت است. در حقیقت موتورهای توربوفن با نسبت گذرگاهی بالا در بازدهی تقریبا با توربوپراپ برابر هستند. به علاوه، هوای کم سرعت باعث لایه گذاری صدای مرکز موتور میشود و موتور را کم صدا تر میکند.

فن به دلیل اینکه در میان داکت یا مجرای ورودی قرار گرفته است و از تعداد زیادی پره تشکیل شده است میتواند بطور کارآمد با سرعتی بیشتر از یک ملخ ساده کار کند. به همین دلیل توربوفن ها در نقل و انتقالات پر سرعت به کار میروند

ولی ملخ دارها در نقل و انتقالات سرعت پایین بکار میروند. تعداد زیادی از هواپیماهای جنگنده از موتورهای توربوفن با نسبت گذرگاهی پایین مجهز شده به پس سوز استفاده میکنند. آنها میتوانند بطور کارآمد به گشت زنی بپردازند و در جنگهای هوایی نیز، تراست خیلی بالایی دارند.

توربوپراپ
بسیاری از هواپیماهای ترابری و پر مصرف کوچک از پیش رانش توربوپراپ استفاده می کنند. موتورهای توربوپراپ از هسته ی یک موتور توربین گازی برای گرداندن ملخ استفاده می کنند. موتورهای ملخ دار با حرکت دادن حجم بالایی از هوا و تغییر کمی در سرعت آن ، تراست تولید می کنند . این پیش رانش ها بسیار کارآمد هستند و از هر نوع نیروی محرکه ای (موتور) برای به گردش در آوردن ملخ می توانند استفاده کنند.

در پیش رانش توربوپراپ دو قسمت اصلی و برجسته وجود دارند ؛ یکی موتور ودیگری ملخ یا پروانه هسته ی موتور در این نوع پیش رانش بسیار مشــابه یک توربوجت ساده است ، با این تفـــاوت که به جای رانش قوی گازهای خروجی به بیرون برای تولید تراست ، بیشتر انرژی گازهای خروجی صرف گرداندن توربین میشود. این قسمت در بیشتر موتورها شامل چند طبقه از توربین های کاملا مجزا است که نیروی آن ها از طریق یک شفت دیگر به جعبه دنده و بعد به ملخ انتقال میابد. سرعت گازهای اگزوز در یک توربوپراپ پایین است و تراست کمی تولید می کند، چون بیشتر انرژی گازهای اگزوز صرف به گردش در آوردن توربین می شود. بطور میانگین در یک توربوپراپ، تراست تولیدی توسط هسته ی جت حدود ۱۵% است درحالی که تراست تولیدی توسط ملخ آن مقدار باقیمانده یعنی ۸۵% است.

در تصور توربوفن و توبوپراپ مشابه یکدیگرند، اما توربوفن دقیقا خاصیت یک جت را داراست به این معنا که برای تولید تراست از گازهای خروجی استفاده می کند و هم چنان که در شکل مشاهده می شود یک داکت یا مجرا دارد وقسمت فن دارای نازل نیز می باشد، ولی توربوپراپ فقط ازموتورجت استفاده میکند وتولید عمده ی، تراست توســط ملخ انجام می شود توربوپراپ از بازدهی بالاتری ازسوخت نسبت به توربوفن برخوردار است اما به هر حال صـدا و ارتعاش تولیدی توسـط ملخ توربوپراپ یک اشکال عمده است و از طرفی توربوپراپ به سرعت ساب سونیک محدود شده است.

توربوشفت
توبوشفت گونه ای از موتورهای جت است که تقریبا تمام بالگرد هایی که امروزه ساخته می شوند، از آن نیرو میگیرند. همان طور که در تصویر مشاهده میشود توربوشفت از بسیاری قسمتهای توربوجت استفاده میکند.

یک تفاوت اساسی بین توربوشفت و سایر موتورهایی که در بالا معرفی شدند این است که توربین تنها به کمپرسور متصل نیست. البته همانند توربوپراپ در اکثر موتورهای توربوشفت چند طبقه از توربین های مجزا از کمپرسور ، وجود دارند که انرژی آن ها از طریق شفتی مجزا به جعبه دنده جهت تغییر به گشتاور مناسب انتقال میابد و بعد مورد استفاده قرار می گیرد

. بطور نمونه تیغه های روتور بالگرد را می چرخاند . از طرفی بالگردها در ارتفاعی بسیار پایین تر از هواپیماها جایی که گرد وخاک، ماسه و دیگر آشغال های ریز به راحتی می توانند به داخل موتور مکیده شوند، کار می کنند. جهت برطرف کردن این مشکل، بیشتر موتورهای توربوشفت به یک دستگا ه تجزیه ی ذره ها که جریان ورودی را صاف کرده وقبل از رسیدن آن به کمپرسور، گرد وخاک را بیرون میریزد، مجهزند.

برای روشن شدن یک موتور توربینی یقینا به یک آغازگر و راه انداز نیاز میباشد همان طور که برای روشن شدن یک موتور پیستونی نیاز است . ولی بین استارت یک موتور پیستونی و یک موتور توربینی تفاوت زیادی وجود دارد که به تعدادی از آنها اشاره میکنم:

یک تفاوت اساسی استارت موتورهای جت با استارت موتورهای پیستونی در این است که در موتورهای پیستونی بیشترین فشار و بار وارد بر روی استارت در لحظات اول است و آن به دلیل این است که در این موتورها کافی است میل لنگ با دور متوسطی بچرخد و پیستون ها بتوانند هوا را به اندازه کمپرس کنند و موتور با قدرت خود به کار ادامه دهد. و چنان چه استارت در این موتورها خراب شود می توان آن را به طرق دیگر روشن کرد . یعنی استارت در این موتورها ارزش حیاتی پایینی دارد چون میتوان با هل دادن یک ماشین آنرا روشن کرد.

و اما در موتورهای توربینی استارت از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد بطوریکه به هیچ وجه نمی توان این موتورها را بدون داشتن یک استارت بکار گرفت . نکته ی مهم این جاست که در موتورهای جت برخلاف موتورهای پیستونی بیشترین فشار وبار بر استارت قبل از قطع جرقه، زمانی است که بار وارد بر کمپرسور افزایش میابد

. تفاوت اساسی دیگر که در ظاهـــر خود را نشان می دهد مدت زمان استارت خوردن است. در موتورهای پیستونی مدت زمان استاندارد استارت خوردن حدود ۱٫۸ ثانیه است و در موتورهای سرحال این مقدار کمتر نیز هست که البته در مورد موتورهای قدیمی بحث نمی کنم. این درحــــالی است که مقدار زمان لازم برای استارت خوردن یک موتور توربینی معمولی با قدرت نسبی hp 120 حدود ۱۰۰ ثانیه است. البته این زمان در هر موتوری متفاوت است ولی موتور هر چقدر کوچکتر باشد به زمان کمتری احتیاج دارد و برعکس.

هدف از سیستم استارت شتاب دادن به موتوراست تا لحظه ای که توربیــن ها بتوانند قدرت کافی برای ادامه ی سیکل کاری موتور را تهیه کنند. به این نقطه از سرعت توربین ها “سرعت خودکفایی” میگویند. استارترها انواع مختلفی را دارند ولی همان طورکه گفته شد هدف همه ی استارتــرها یکی است و آن رساندن دور موتور به سرعت خودکفایی و در موتـورهای بدون توربین رساندن موتور به نقطه ی خودکفایی است. تهیه، انتخاب یا استفاده از استارت ها به عواملی بستگی دارد که در زیر به آنها اشاره کردم.

یکی زمان استارت است که در هواپیماهای جنگی بسیــار مهم است و حتی پس از رسیدن موتور به دور هرز گرد درجه حرارت گازهای اگزوز بالا می رود ولی پس از اینکه دور به ۴۰% Max رسید درجــه حرارت گازهای اگزوز باید پایین بیاید، در غیر این صورت خلبان باید موتور را خاموش کند تا اشکال آن برطرف گردد. علت بالا رفتن درجه حرارت اگزوز در حین استارت زدن عدم وجود هوای خنک کننده به خاطر کم بودن دور کمپرسور است. زمانی که استارت زده می شود شمع ها قبل از ورود سوخت به محفظه ی احتراق شروع به جرقه زدن می کنند. چون اگر مانند موتورهای پیستــونی اول مخلوط هوا و ســوخت وارد شود ممکن است به”Hot start” بینجامد.

Hot start استارتــی است که در آن حرارت گازهای اگزوز از حد مجاز تجاوز می کند. چنان چه در زمان استــارت زدن موتور روشن نشود ، ســوخت نسبتا زیادی (در موتـــورهای بزرگ) وارد محفظه ی احتراق می گردد. در این حالت اگر دوباره استارت زده شود می تواند منجر به Hot start شود. برای جلوگیری از Hot start سیستمی کار گذاشته است که سیستم تخلیه یا Drain نامیده می شود و چنان چه موتور در استارت های اولیه روشن نشود این سیستم سوخت داخل محفظه ی احتراق را تخلیه می کند.

عامل دیگر امکان دستــرسی به نیروی محرکه ی استارت است. حتی موتورهای جت کوچک مقدار جریان الکتریسیته ی زیادی برای روشن شدن احتیاج دارند. به همین نسبت موتورهای بزرگتــر نیرویی بیشتر برای روشن شدن احتیاج دارند. بعضی از استارت ها از جهت نیروی محرکه خودکفا هستند. به این صورت که اکثر هواپیماهای جت انرژی لازمه استارت (دور بالای موتور) را از موتورهای جت کوچک تری که برق تولید می کنند می گیرند. یا ممکن است قدرت لازم برای استارت در یک هواپیمای چنــد موتوره از یک موتـور که روشن است گرفته شود تا بقیه ی موتورها روشن شوند ، در چنین حالتی میتوان یکی از موتورهای هواپیما را با یکی از انواع استارتها روشن کرد سپس بقیه موتورها را با نیروی این موتور روشن کرد.

سومیـن عامل مواردی است از قبیل وزن مخصـوص (نسبت وزن به گشتاور یا قدرت تولیدی) سادگی، قابلیت اطمینان، قیمت و قابلیت تعمیر مجدد.