علوم پایهموتورهای هوایی

معرفی مدل های مختلف موتور جت

معرفی مدل های مختلف موتور جت

نویسنده:مسعود بهادری

به نام خدا

با توجه به کاربرد گسترده توربین گاز در صنعت بویژه صنایع نظامی  بر آن شدیم تا مقاله ای نیمه تخصصی درباره توربین گاز و موتور جت داشته باشیم سابقه تولید توربین گاز به سال 1870 برمیگردد زمانی که جرج برایتون که یک مهندس مکانیک بود یک موتور محفظه داخلی را طراحی کرد. در واقع او را میتوان پیشگام توسعه توربین گاز به حساب آورد هرچند موفق نبود ولی پایه و اساسی برای طراحی توربین گاز شد. اولین کوشش جدی در ساخت این توربین در اوایل قرن بیست توسط یک کمپانی فرانسوی بود که موتوری با قدرت 400 اسب بخار را طراحی کرد. با گسترش جنگ جهانی و نیاز به هواپیماهای سریع تر فرانک ویتل و هانس ون توربین گاز را برای استفاده در هواگردها مناسب تشخیص دادند و در نهایت اولین موتور جت در سال 1941 توسط فرانک ویتل  بر روی یک هواپیمای گلاستر نصب و به پرواز درآمد

تصویر منتسب به فرانک ویتل و اولین موتور جت جهان

امروزه توربین های گاز در دو دسته عمده صنعتی و هوایی طبقه بندی میشوند. توربین های هوایی از سه نقطه دید اصلی از نوع صنعتی متمایز میشوند.

۱)طول عمر صنعتی بدون تعمیرات اساسی حدود 120000 ساعت و برای هوایی بین 500تا1200 ساعت است

۲)توربین هوایی از نظر حجم و اندازه بسیار کوچک تر است

۳) در توربین هوایی انرژی جنبشی اهمیت زیادی دارد درحال که در صنعتی انرژی به هدر رفته و باید در حد امکان در حداقل نگه داشته شود.

هرچند تمایزات فوق اثر قابل توجهی در طراحی این دو دسته دارد ولی قوانین حاکم بر دو دسته یکسان میباشد

یک توربین گاز ساده به ترتیب دارای بخش های کمپرسور محفظه احتراق و توربین میباشد هوای ورودی وارد کمپرسور شده پس از فشرده شدن(۴-۳۰برابر فشار هوای معمولی) تحویل محفظه احتراق میشود و پس از مخلوط شدن با سوخت و اشتعال حرارت آن به شدت افزایش می یابد به طوری که گاز ورودی به توربین  به حدود 1830 درجه فارنهایت میرسد. گاز حاصل پس از ورود به تو‌ربین منبسط میشود و از طریق نازل خارج میشود همچنین این گاز باعث حرکت دورانی توربین میشود که توربین نیز به واسطه میله ای به نام شفت  کمپرسور را به حرکت درآمرده و ادامه کار موتور را تضمین میکند.

کاربردهای اصلی توربین گاز:استفاده در صنایع هوایی و کشتی ها به عنوان پیشران٬پمپاژ نفت و گاز طبیعی٬تولید نیروی برق٬استفاده در نیروگاه های سیکل ترکیبی و احتمالا در آینده استفاده در قطارها.

البته در این مقاله از معرفی تمام توربین های گازی صرف نظر کرده و صرفا توربین های مورد استفاده در صنایع نظامی معرفی میگردد که در دو دسته توربین گاز دریایی و موتور جت طبقه بندی میشود

توربین های گازی هر روز جای بیشتری در کشتی های جنگی پیدا میکنند فریگیت ها کوروت ها دیسترویر ها ‌ حتی کریرهای هواپیمابر برای حرکت کردن از این نوع پیشرانه ها استفاده میکنند نیروی حاصل از این توربین ها از طریق شفت به پروانه ها منتقل شده وآن را به حرکت درمی آورد از جمله کشورهای پیشرو در زمینه توربین گاز دریایی ایالات متحده است که برای نیروی دریایی عظیمش توربین گاز موفقlm2500 ساخت جنرال الکتریک را که بر پایه موتور جت TF-39 طراحی شده را ارائه کرده است

توربین گاز lm2500 با قدرت تولیدی47هزار اسب بخار مورد استفاده در شناورهای چندین کشور دنیا

همچنین شرکت رولزرویس انگلیس نیز توربین های گازی را برای استفاده در ناوشکن های تایپ45 و ناوهای هواپیمابر کلاس الیزابت ساخته است .روسیه نیز اگرچه از قدیم موتورهای هوایی و توربین های صنعتی می سازد ولی در زمینه توربین های دریایی دچار مشکل است به طوری که ساخت تعدادبیشتری از ناوچه های گریگورویچ با وقفه مواجه شده است. دلیل اصلی آن هم این است که زیرساخت های تولید این توربین ها در اوکراین مانده بود و پس از فروپاشی شوروی و نیز تیره شدن رابطه با اوکراین دسترسی روسیه به این توربین ها غیرممکن شده است البته روس ها اعلام کرده اند که تا سال2020 این نوع موتورها را میسازند ولی با توجه به محدودیت بودجه ای روسیه و نیز طولانی بودن پروسه طراحی ساخت و عملیاتی کردن این توربین ها بازه زمانی گفته شده ممکن نیست.چندین کشور دیگر از جمله چین و کره جنوبی موتورهای تحت لیسانس اوکراین و آمریکا را میسازند.

موتورهای جت:

موتورهای جت بزرگ ترین دسته توربین های گازی را تشکیل میدهند. هرساله هزاران موتور جت برای استفاده در هواپیماهای غیرنظامی نظامی و انواع موشک های کروز ساخته میشود پایه موتور جت همان توربین گاز است.طبق قانون سوم نیوتون هدایت گازهای خروجی از توربین به عقب باعث حرکت هواگرد به جلو میشود ساختار موتور جت ساده عبارت است از کمپرسور محفظه احتراق توربین و نازل

ساختار موتور جت ساده

کمپرسور:نقش فشرده کردن هوا به منظور مخلوط شدن حجم بیشتری ازهوا با سوخت و در نتیجه تولید نیروی بیشتر را بر عهده دارد. سه نوع کمپرسور وجود دارد. کمپرسور گریز از مرکز کمپرسور محوری یا تیغه ای و کمپرسور ترکیبی محوری-گریز از مرکز. کمپرسور های نوع اول برای کارهای خشن تر مانند پمپاژ گاز طبیعی و در هواگردهای کوچک مورد استفاده قرار میگیرد. علم آیرودینامیک کمپرسور تیغه ای را به دلیل بازده بالاتر برای استفاده در موتور جت ترجیح میدهد. البته یک موتور استاندارد از ترکیب این دو کمپرسور یعنی کمپرسور نوع سوم استفاده میکند ولی نقش اصلی در فشرده کردن هوا را کمپرسور تیغه ای بر عهده دارد

کمپرسور تیغه ای در بالا و کمپرسور گریز از مرکز در پایین تصویر

کمپرسور تیغه ای شامل یک ردیف تیغه های متحرک  به دیسک و نیز ردیفی از تیغه های ساکن میباشد و ممکن است جهت رسیدن  به فشار مطلوب از چندین مرحله استفاده شود. مهم ترین مسأله در طراحی کمپرسور بحث تکنولوژی تیغه های آن است که بسیار حساس بوده و با محاسبات صدم میلیمتری طراحی میشود همچنین آلیاژهای مورد استفاده در آن بسیار حساس و با تکنولوژی بالا میباشد. به طور کلی از فولاد آلیاژی و سوپر آلیاژهای تیتانیوم در تیغه هاو از آلومینیوم در پوسته کمپرسور استفاده میشود.

محفظاه احتراق:پس از آن که هوا به نسبت مورد نظر فشرده شد به محفظه احتراق تحویل شده و پس از مخلوط شدن با سوخت مشتعل میشود. بنابر این باید از موادی با توانایی تحمل حرارت بالا مانندآلیاژهای آهن  و پایه کبالت و یا سوپرآلیاژهای پایه نیکل دما بالا مانند. Hastelly-x استفاده کرد.

توربین:وظیفه انبساط گاز داغ حاصل از احتراق و بازتر کردن مسیر گاز برای ثابت نگه داشتن سرعت گاز را دارد. دو نوع توربین وجود دارد. نوع شعاعی که از نظر ظاهری شبیه کمپرسور گریز از مرکز میباشد و نوع دوم توربین جریان محوری است که به دلیل بازده بالا در موتور جت مورد استفاده قرار میگیرد مواد به کار رفته در توربین شامل آهن نیکل کبالت همراه با کروم که به عنوان آلیاژ اصلی باعث مقاومت در برابر اکسیده شدن و حرارت میشود.آخرین بخش نازل است که گاز های خروجی از آن به سمت خارج هدایت میشوند و نیاز است از موادی با توانایی تحمل حرارت بالا مثل تیتانیوم استفاده شود در هواگردهای مافوق صوت در این قسمت بخشی به نام پس سوز(afterburner) وجود دارد که با تزریق سوخت به گازهای داغ در حال خروج باعث تولید نیروی بیشتر و در نتیجه سرعت مافوق صوت میشود البته به دلیل افزایش شدید مصرف سوخت و داغ شدن موتور از پس سوز در شرایط خاص مثل تیک آف از ناو هواپیمابر و یا در مواقعی که نیاز به سرعت زیاد است استفاده میشود.بخش های دیگری در موتور وجود دارد مانند گیربکس به منظور تنظیم قدرت موتور  ژنراتور برای تولید برق مورد نیاز هواپیما و سامانه کنترل موتور(نوع دیجیتال در موتورهای مدرن امروزی)

انواع موتورجت:موتورهای هوایی انواع مختلفی از قبیل توربوجت توربوفن توربوپراپ توربوشفت پراپ فن رمجت اسکرمجت توربورمجت و پالس جت دارند که از معرفی توع آخر به این دلیل که دیگر استفاده ای در هواگردها ندارد و نیز طولانی شدن مقاله صرف نظر میشود.

توربوجت: پایه موتورهای دیگر مثل توربوفن توربوپراپ و توربوشفت است و امروزه بیشتر در موشک های کروز و جت های آموزشی استفاده میشود موتور j85 جنگنده اف۵ که در ایران با نام اوج بومی سازی شده یک توربوجت است

توربوفن:در این نوع موتور یک فن بزرگ در جلوی کمپرسور وجود دارد که هوا را به داخل می مکد مقداری از هوا صرف ورود به کمپرسور محفظه احتراق و نهایتا توربین شده و از شیپوره  خارج میشود بقیه هوا که از فن عبور میکند یا مستقیما وارد جو میشود یا این که از طریق یک مجرای حلقوی از اطراف موتور به عقب هدایت شده و با  سرعت زیاد از شیپوره خارج و نیروی رانش اضافی را تامین میکند توربوفن ها از توربوجت ها صدا و حرارت و مصرف سوخت کمتری دارند در عین اینکه قدرت بیشتری تولید میکنند موتور موفق اف100 که بر روی جنگنده های F-15وF-16 نصب شده و پایه موتورهای فوق پیشرفته F119 جنگنده رپتور و F135 جنگنده F-35 است یک موتور توربوفن است

تصویر پایین ساختار توربوفن و تصویر بالا موتورf135جنگنده لایتنیگ که قدرتمندترین توربوفن نصب شده بر روی یک جنگنده است

توربوپراپ:شبیه توربوفن است با این تفاوت که فن(ملخ) در بیرون موتور قرار دارد در توربوپراپ ها دور موتور ثابت است و زاویه ملخ هوای ورودی به موتوررا تنظیم میکند موتورTV3-117 ساخت روسیه یک موتور توربوپراپ است

ساختار یک موتور توربوشفت

پراپ فن:نوع تکامل یافته توربوپراپ میباشد که به منظور دستیابی به سرعت بال طراحی شده است.در پراپ فن دو ملخ پادگرد وجود دارد که توسط دو توربین جداگانه به حرکت در می آیند موتور NK-12 بمب افکنTu-95 روسیه قدرتمندترین موتور پراپ فن ساخته شده تاکنون است

توربوشفت:شبیه توربوپراپ است با این تفاوت که به جای چرخاندن ملخ هواپیما صرف چرخاندن ملخ بالگرد فن یک تونل باد و یا چرخ های لوکوموتیو میشود  موتور TV3 که در قسمت قبل به عنوان توربوپراپ معرفی شد میتواند به عنوان توربوشفت در بالگرد مورد استفاده قرار گیرد

ساختار یک موتور توربوشفت

رم جت: موتوری است که کمپرسور و توربین ندارد و فقط شامل پخش کننده٬اتاق احتراق و شیپوره خروجی میباشد. در حالت سکون نمیتواند به کار بیفتد زیرا نیاز به هوای فشرده دارد و در سرعت مشخصی کار میکند بنابراین به عنوان موتور دوم مورد استفاده قرار میگیرد .کون در این موتورها توربین وجود ندارد گاز خرومی دمایی در حدود 4000 درجه دارد به طور کلی در سرعت های بالای دو ماخ مزیت بیشتری نسبت به توربوجت دارد

اسکرم جت:دارای طرز کاری بسیار شبیه رم جت میباشد در این موتورها احتراق در حالی صورت میگیرد که سرعت اولیه دو تا چهار ماخ است. به دلیل سرعت بالای هوای ورودی به موتور سوخت باید در حدود یک هزارم ثانیه پاشیده شده و مشتعل شود تا امواج مخرب ضربه ای ایجاد نشود اولین هواپیمایی که از اسکرم جت استفاده کرد هواپیمای X-43 بود

توربو رمجت:در قسمت قبل گفته شد که رمجت ها نمیتوانند از حالت سکون به پرواز در آیند در توربورمجت این مشکل رفع شده این توربورمجت در واقع یک توربوجت است که بر روی یک رمجت سوار شده است از حالت سکون موتور به حالت توربوجت است و پس از رسیدن به سرعت مناسب یک دریچه راه هوای ورودی به توربوجت را بسته و موتور رم جت شروع به کار میکند  معروف ترین هواپیمایی که از توربورمجت استفاده میکند SR-71 بلک برد است

ساختار موتور رم جت. اسکرم جت نیز بسیار شبیه رمجت است

یکی از مشکلات توربین های گاز حساسیت بالا و تعمیرات پیچیده و سخت آن است حوادثی مانند واماندگی پره های توربین پره های کمپرسور برخورد قطعات آزاد ضعف روغنکاری و یاتاقان ها میتوانند موتور را از رده خارج کنند حتی یک لپ پریدگی یک تیغه کمپرسور به دلیل دور بالای موتور میتواند باعث از هم پاشیدن موتور و بروز فاجعه شود و به همین دلیل تعمیرات این موتورها نیازمند تجهیزات و مواد پیشرفته دارد.جالب است بدانید برای رفع جرم کمپرسور از ساییده پوست گردو هسته زردآلو برنج خورد شده و ماسه نرم استفاده میشود که به موتور در حال کار تزریق میشود.

در این مقاله اهمیت و پیچیدگی توربین های گاز مورد بررسی قرار گرفت البته این موتور ها با وجود تمام مزایا مشکلاتی نیز دارند قیمت بالایی دارند آلیاژها عناصر و مواد به کار رفته در آن کمیاب گران و بسیار پیچیده اند تعمیرات آن بسیار سخت و دشوار است به همین دلایل است که تنها چند کشور در دنیا مانند امریکا روسیه انگلیس و … این موتورها را میسازند. کشوری مثل آمریکا یک شبه به این زیرساخت های تکنولوژی نرسیده اند و از موتورهایی مثل ویتل شروع کرده اند .کشوری مثل ایران هم که به فناوری ساخت پیچیده ترین ساخته بشر دست پیدا کرده تلاشی فوق العاده ‌و تحسین برانگیز را انجام داده اما نباید انتظار داشت ره صد ساله ای را که کشورهای صنعتی با آن زیرساخت عظیم تکنولوژیکی و اقتصادی طی کرده اند  یک یا دو ساله طی کند امید است که با مدیریت قوی٬تخصیص بودجه مناسب و یک اراده جمعی قوی و دقیق و با شناختی که از فرزندان این مرز و بوم داریم شاهد تولید موتورهای توربین گاز و توربوفن با کیفیت و قدرت مناسب باشیم

پاینده باد ایران

برچسب ها

نوشته های مشابه

بستن