هر آنچه باید در مورد سازوکار موتور جت بدانیم

وقتی که وارد فرودگاه می شوید و هواپیماهای مختلف را می بینید، یکی از مواردی که توجه شما را به خود جلب می کند، موتورهای بزرگ آن ها است. اکثر هواپیماهای مسافربری نیروی پیشران خود را از موتورهای توربوفن می گیرند که این موتورها جزوخانواده ی بزرگی به نام موتورهای توربین گازی هستند.

ممکن است نام موتور توربین گاز برای شما ناآشنا باشد؛ اما این موتورها کاربردهای فراوانی دارند. به طور مثال در اکثر بالگردها، نیروگاه ها و حتی درتانک M-1هم از توربین های گاز استفاده می کنند.

انواع توربین

انواع مختلفی از توربین ها وجود دارند:

• احتمالاً اسمتوربین بخاربه گوشتان خورده است. اکثر نیروگاه های بخار از زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت گرفته تا راکتورهای هسته ای برای تأمین بخار موردنیاز خود، از توربین های بخار استفاده می کنند. بخار، از میان توربین هایی بزرگی که با دقت و مهارت بالا، مهندسی و ساخته شده اند عبور می کند. این توربین ها در چند طبقه در پشت یکدیگر قرار دارند که باعث چرخش یک شفت متصل به ژنراتور می شوند.
• نیروگاه های برق آبینظیر سدها نیز از توربین های آبی برای تولید برق استفاده می کنند. توربین های آبی موجود در این نیروگاه ها نسبت به توربین های بخار کاملاً متفاوت هستند؛ زیرا آب نسبت به هوا بسیار چگال تر است و با سرعت کمتری نیز حرکت می کند، اما ازنظر عملکرد، هر دوی این توربین ها از یک قاعده برای تولید توان استفاده می کنند.
• توربین های بادیکه به آسیاب های بادی نیز معروف اند، از باد به عنوان نیروی محرک استفاده می کنند. توربین باد کاملا متمایز از توربین های بخار و آبی هستند زیرا باد بسیار سبک است و با سرعت کمی حرکت می کند؛ اما مجددا اساس کار این توربین مشابه سایر توربین ها است.

اساس توسعه ی توربین های گازی یکی است. در توربین گاز، هوای پرفشار باعث چرخش توربین می شود. در تمام موتورهای توربین گاز، این هوای پرفشار به وسیله ی سوختن پروپان، گاز طبیعی، نفت سفید یا سوخت موشک تأمین می شود. حرارت تولیدشده از طریق احتراق باعث انبساط هوا و افزایش سرعت آنمی شودو این هوای داغ و پرسرعت، توربین را بهچرخشدرمی آورد.

مزایا و معایب موتور جت

اما چرا تانک M-1از یک موتور توربین گاز با توان خروجی ۱۵۰۰اسب بخار به جای یک موتور دیزلی استفاده می کند؟ دلیل آن دو مزیت عمده این موتورها نسبت به موتورهای دیزلی است:shy;

• موتورهای توربین گاز نسبت به موتورهای رفت و برگشتی، از نسبت توان به وزن بالایی برخوردار هستند. به این معنا که مقدار توان خروجی موتور نسبت به وزن آن بسیار بالا است.
• موتورهای توربین گاز نسبت به موتورهای رفت و برگشتی همتای خود با توان برابر، ابعاد کوچک تری دارند.

اما عمده ترین عیب این دسته از موتورها نسبت به موتورهای رفت و برگشتی با ابعاد یکسان، قیمت بالای آن ها است. علت این امر، سرعت چرخش بالای این موتورها و همچنین دمای بالای عملکردی آن ها است که طراحی و ساخت آن ها را از نظر مهندسی و مواد با مشکلاتی روبه رو می کند. همچنین این موتورها در حالت درجا مصرف سوخت بیشتری دارند و بهترین عملکرد آن ها در شرایط کاری ثابت است. از طرفی در بارگذاری های نوسانی راندمان بالایی ندارند که این امر دلیل استفاده از این دسته از موتورها در هواپیماهای بزرگ قاره پیما و نیروگاه ها و عدم استفاده از آن ها در خودروها را نشان می دهد.

سازوکار عملکردی توربین گاز

موتورهای توربین گازی، ازنظر تئوری بسیار ساده هستند. تمام آن ها از سه بخش اصلی تشکیل شده اند:

• کمپرسور: هوای ورودی به موتور را فشردهمی کندو فشار آن را افزایش می دهد.
• اتاق احتراق: با اضافه کردن سوخت واحتراقمخلوط هوا و سوخت، گاز با فشار و سرعت بالا تولید می شود.
• توربین: انرژی جنبشی موجود در گاز خروجی از اتاق احتراق را جذب می کند.

به طور مثال در موتور بالگرد، ابتدا هوا به وسیله کمپرسور به داخل کشیده می شود. کمپرسور در واقع یک سیلندر مخروطی شکل است که در آن تعدادی پره در یک ردیف به یکدیگر متصل شده اند و یک طبقه را تشکیل می دهند. هوای ورودی با عبور از چند طبقه، فشرده می شود. در بعضی موتورهای هوایی، فشار هوای ورودی با عبور از کمپرسور تا ۳۰ برابر افزایش می یابد.

سپس هوا وارد اتاق احتراقمی شودو در ابتدا با عبور از انژکتورها، سوخت با نسبت مشخص با هوا ترکیب می شود. نوع سوخت عموماً پروپان، گاز طبیعی، سوخت جت یا نفت سفید (کروسین) است.

هوای ورودی به اتاق احتراق، سرعت بالایی در حدود چند صد کیلومتر بر ساعت دارد؛ لذا مسئله ی مهم و اساسی در طراحی اتاق احتراق، ثابت و پایدار نگه داشتن شعله ی احتراق در آن است. این امر به وسیله ی قطعه ای به نامپایدارکننده ی شعلهکه یک محفظه فلزی توخالی است و سوراخ هایی روی آن تعبیه شده است، تأمین می شود.

در بخش انتهای موتور، توربین قرار دارد. توربین دو وظیفه عمده را بر عهده دارد: یکی تأمین نیروی لازم برای چرخش کمپرسور و دیگری که در موتورهای صنعتی دیده می شود، تأمین خروجی لازم برای به چرخش درآوردن ژنراتور.

توربین همانند کمپرسور از چندین طبقه تشکیل شده است. تعدادی از طبقات که به وسیله یک شفت به یکدیگر و به کمپرسور متصل هستند، کار تأمین توان لازم برای چرخش کمپرسور را بر عهده دارند و طبقات آخر که به آن هاتوربین آزادمی گویند، توان مورد نیاز خروجی موتور را تأمین می کنند. این توان خروجی به قدری است که می تواند ۱۵۰۰ اسب بخار توان برای به حرکت درآوردن تانک M-1 با جرم۶۳تن را تولید کند.

در اکثر نیروگاه ها، هوای خروجی به وسیله لوله هایی به محیط منتقل می شود. اما در پاره ای از موارد، هوای داغ خروجی را به یک مبدل حرارتی برای استفاده در مصارف گوناگون یا پیش گرمایش هوا قبل از ورود به اتاق احتراق، منتقل می کنند. موتورهای توربینی از قطعات و سامانه های زیاد دیگری نظیر سیستم روغن کاری، یاتاقان ها و... تشکیل شده اند که در این مطلب به آن ها اشاره نمی کنیم.

انواع موتورهای توربینی هوایی

اما در هواپیماهای امروزی از دسته دیگری از موتورهای توربینی بانامموتور توربوفناستفاده می شود. دلیل این نام گذاری به خاطر فن بزرگی است که در ورودی موتور تعبیه شده است. این فن درواقع همان قسمتی از موتور است که شما در ورودی آن مشاهده می کنید و در موتورهای بزرگ قطری در حدود ۱۰متر دارد.

اساس کار موتورهای توربوفن همانند سایر موتورهای توربینی است؛ با این تفاوت که در این موتور نیروی لازم برای به حرکت درآوردن فن، از طبقات آخر توربین تأمین می شود.

در موتورهای توربوفن بزرگ، کمپرسور به دو بخش پرفشار و کم فشار تقسیم می شود که هر بخش به وسیله تعدادی از طبقات توربین به چرخش درمی آید. هدف از این کار، افزایش چشمگیر مقدار هوای عبوری از موتور است که درنتیجه ی آن،نیروی پیشرانیا تراست افزایش می یابد. مقدار زیادی از هوای تأمین شده به وسیله ی فن مستقیماً وارد توربین و با عبور از میان آن، از انتهای موتور خارج می شود و نیروی پیشران را تولید می کند. به این هوا،هوای کنارگذرمی گویند.

نیروی پیشران موتور جت

اساس کار موتور جت برای تأمین نیروی پیشران، قانون سوم نیوتن است. این قانون بیان می کند برای هر عملی، عکس العملی برابر با آن و در جهت عکس آن وجود دارد.

به موتور توربوفن حجم زیادی هوا وارد می شود که موتور با سرعت بخشیدن به آن نیروی لازم برای حرکت هواپیما را تولید می کند. عمل سرعت بخشیدن به هوای ورودی در دو بخش انجام می شود:

• توربین گاز که به وسیله نازلی که در انتهای موتور قرار دارد، گاز خروجی را با سرعت بسیار بالایی به محیط وارد می کند. به طورمعمول سرعت هوا در خروجی نازل در حدود ۲۰۰۰ کیلومتر بر ساعت است.
• هوای کنارگذر که با عبور از فن در ورودی موتور سرعت بالایی پیدا کرده است، از انتهای موتور خارج می شود. هوای عبوری از فن سرعت کمتری نسبت به هوای عبوری از توربین گاز دارد؛ اما فن مقدار هوای بیشتری به حرکت درمی آورد.

همان طور که مشاهده کردید، موتورهای توربین گازی بسیار متداول هستند. این موتورها از نظر علم مکانیک سیالات و مکانیک مواد بسیار پیچیده هستند؛ اما ازنظر عملکردی مکانیسم ساده ای دارند.