موتور توربوجت یك توربین گازی است كه از قسمت هایی چون كمپرسور ؛ محفظه ی احتراق ؛ توربین و خروجی (nozzle) تشكیل شده است.
Turbo jet engine
هوا در ورودی موتور توسط كمپرسور فشرده شده و به محفظه ی احتراق وارد می شود. این هوای فشرده با سوخت جت مخلوط شده و توسط جرقه مشتعل می شود كه محصول این احتراق یا بهتر است بگوییم انفجار گازهای داغ و پر فشار است كه به توربین خورده و آن را می چرخاند. این گاز ها از طریق خروجی یا اگزوز تخلیه می شوند.
Turbo jet schematic
موتور جت انرژی پتانسیل موجود در سوخت را به انرژی جنبشی در اگزوز تبدیل می كند كه از این رو نیروی تراست به وجود می آید. تمام هوای ورودی به موتور و برخلاف نوع توربوفن ؛ از داخل كمپرسور، محفظه ی احتراق، توربین و اگزوز عبور می كند.
موتور توربوفن
موتور توربوفن نیز یك توربین گازی است كه شباهت بسیار زیادی به موتور توربوجت دارد. به مانند توربوجت از سه بخش اصلی كمپرسور ؛ محفظه ی احتراق و توربین گازی تشكیل شده است. تنها تفاوت این دو نوع موتور جت (توربوفن ؛ توربوجت) در این است كه در موتور توربوفن یك فن اضافی هم وجود دارد كه مانند كمپرسور توسط قسمت توربینی موتور چرخانده می شود.
Turbofan shcematic
مقداری از هوای تولیدی (شتاب داده شده) از كنار هسته ی موتور عبور كرده و به داخل موتور نشده و از اگزوز خارج می شود. این هوای بایپس (Bypass) شده كه از كنار هسته ی موتور عبور می كند سرعت بسیار كمتری نسبت به هوای تولیدی در مركز موتور دارد با این تفاوت كه مقدار آن بسیار زیاد تر است.
Turbofan Bypass and jet exhasust
از این رو تولید نیرو در این موتورها در دورها و سرعت های پایین و كمتر از سرعت صوت (Subsonic) بسیار بهتر از موتورهای توربوجت انجام می پذیرد و هواپیماهای مسافربری غالبا از این نوع موتور استفاده می كنند. اما به دلیل ورودی هوای بسیار بزگتر نسبت به موتورهای توربوجت درگ (Drag) بیشتری تولید می كنند.
Turbofan Engine
دو نوع موتور توربوفن به طور عمده وجود دارد :
موتور توربوفن (Low Bypass)
موتور توربوفن (High Bypass)
در موتورهای لوبایپس مقدار بایپس تقریبا دو برابر است. این بدین معنی است كه برای مثال اگر مقدار یك كیلوگرم هوا وارد هسته ی موتور شود ؛ مقدار دو كیلوگرم هوا از كنار موتور بایپس شده و از اگزوز خارج می شود. موتورهای لوبایپس معمولا از یك خروجی (nozzle) اگزوز استفاده می كنند. به این معنی كه هم هوای تولیدی هسته ی موتور و هم هوای تولیدی بایپس شده از یك خروجی خارج می شوند.
Turbofan
High Bypass Turbofan
موتورهای بایپس بالا معمولا مقدار بیشتری از هوا را بایپس می كنند و این مقدار تا 6 برابر هوای ورودی به مركز موتور افزایش می یابد. این نوع توربوفن ها معمولا مقدار بسیار زیادتری از نیروی تراست (thrust) را نسبت به لوبایپس ها ایجاد می كنند و این موضوع به خاطر حجم بسیار زیادتر هوایی است كه فن به آن شتاب می دهد. این موتورها همچنین بسیار كارامد تر از موتورهای لوبایپس (Low Bypass) هستند.
توربوپراپ و توربوشفت (Turboprop and turboshaft)
موتورهای توربوپراپ نیز از مشتقات موتورهای جت هستند و از اساس كار مشابهی پيروی مي كنند (توربين گازی) و نيروی گاز را به گردش شفت تبديل می كنند و بعد از اين مرحله توسط ملخ (Propller)نیروی چرخشی را به نيروی تراست تبديل مي كنند.
Turboprop
در حالی كه اين موتورها كاملا موتور جت نيستند و براي توليد تراست از مكانيزم كمكي استفاده می كنند ؛ موتورهای توربوپرآپ بسيار به موتورهای توربينی جت شبيهند و معمولا به نوعی موتور جت تشبيه می شوند.
در موتورهای توربوپراپ توليد تراست ؛ به جای اينكه به طور خاص وابسته به توليد گازهای پرفشار و پرسرعت باشد بيشتر توسط چرخش ملخ (Propeller) صورت مي پذيرد. به خاطر كم بودن تراست جت نسبت به ملخ ؛ موتورهای توربوپراپ گاها به نام موتورهای جت هيبريدی ناميده می شوند. اين موتورها از تمام جهات شبيه موتورهای توربوفن می باشند.
Pratt & Whitney turboprop engine
هم فن و هم ملخ توسط مكانيزم مشابهی توليد توان می كنند تنها تفاوت موجود بین آنها اين است كه، اكثر توربوپراپ ها از چرخ دنده برای كم كردن دور ملخ استفاده می كنند.
با وجود اینکه توربوپراپ ها ، اكثر تراست تولیدی خوب را توسط چرخش ملخ توليد می كنند با این حال ؛ حجم گازهای خروجی از اگزوز در طراحی بسیار مهم و هائز اهمیت می باشد. حداكثر تراست وقتی بدست مي آيد كه مقدار تراست توليدی توسط ملخ و گازهای داغ با هم همخوانی داشته باشند.
Turboprop schematic
توربوپراپ ها در سرعت های پايين كه ملخ دارای بازده بالايی است از موتورهای توربوفن و توربوجت بازدهی به مراتب بهتری دارند. ولی در سرعت های بالاتر به طرز چشمگيری پرسرو صداتر و كم بازده تر می شوند. در صورت گردش پروانه با سرعت بسیار بالا ؛ ممکن است لبه های ملخ سرعتی بالاتر از سرعت صوت پیدا کند که باعث به وجود آمدن صدای بسیار زیاد می شود.
توربوپراپ ها بسيار به توربوفن ها شبيه هستند با اين تفاوت كه تقريبا تمام نيروی توليدی از توربين گازی به چرخش شفت تبديل می شود. اين قابليت باعث شده كه از اين نوع موتورها در چرخاندن تجهیزات دیگر نیز به طرز گسترده ای استفاده شود. عدم توليد يا توليد بسيار كم گازهای پرسرعت توسط اين نوع موتورها ؛ باعث شده كه در هلیكوپترها نیز مورد استفاده قرار گيرند.
فن تر اپ فن (Propfan)
یک موتور پراپ فن (Propfan or Unducted fan or open rotor or Ultra-high bypass) نوعی موتور جت است که از ژنراتور گازی برای نیرو بخشی به فن مربوطه استفاده می کند و بسیار شبیه موتور توربوپرآپ است. مانند توربوپرآپ ؛ پراپ فن اکسر نیروی تولیدی خود را از چرخاندن ملخ بدست می آورد نه گازهای پرسرعت.
تنها تفاوت پراپ فن با توربوپراپ در این است که پره ها تا جای ممکن به سمت عقب کشیده شده تا اجازه ی کار در سرعت های نزدیک صوت و تا 0.8 برابر آن را بدهد که در این حال قابلیت رقابت با جت های تجاری مدرن و مجهز به موتور توربوفن را پیدا می کند. این نوع موتورها به اندازه ی توربوپراپ ها در مصرف سوخت به صرفه هستند و در این حال قابلیت و پرفرمنس موتورهای توربوفن تجاری را نیز دارا هستند. در حالی که تحقیقات گسترده (شامل تست پروازی) برای تست پراپ فن ها انجام شده ؛ هنوز هیچ موتوری با این ساختار وارد تولید انبوه نگردیده است.
موتورهای (Ram Powered)
موتورهای جت رم پاور نوعی از موتورهایی هستند که مانند توربین های گازی از تنفس هوا استفاده کرده و از چرخه ی برایتون (Brayton Cycle) پیروی می کنند. تفاوت موتورهای رم پاور و توربین های گازی در روش کمپرس کردن هوای ورودی می باشد. درحالی که توربین های گازی از کمپرسورهای افقی و یا سانتریفیوژی (centrifugal) برای کمپرس هوا استفاده می کنند ؛ موتورهای رم (Ram) فقط هوا را در وردی خود کمپرس می کنند. موتورهای رم به خاطر عدم وجود هیچ قطعه ی متحرک در ساختار موتور جزء ساده ترین نوع موتور جت به حساب می آیند.
موتورهای رم جت (Ramjet)
موتورهای رم جت ساده ترین نوع موتورهای جت هستند و از سه بخش اصلی شامل :
ورودی. برای کمپرس کردن هوا
سوزاننده. برای تزریق سوخت و سوزاندن آن
خروجی (Nozzle). برای خارج کردن گازهای داغ و پرسرعت حاصله از احتراق سوخت.
موتورهای رم جت برای کمپرس کردن هوای ورودی و بازدهی بالاتر، نیاز به سرعت تقریبا بالایی دارند. پس رم جت ها نمی توانند در هنگام ایستادن هواپیما کار کنند ؛ در حالی که این نوع موتورها در سرعت های مافوق صوت (Supersonic) بیشترین بازدهی را دارا هستند. شاخصه ی این نوع موتورها این است که سوختن گاز درون آنها در سرعت های پایین تر از صوت انجام می پذیرم. جریان پرسرعت هوا ( Supersonic) از طریق ورودی وارد موتور شده و این سرعت به طرز زیادی گرفته می شود و بعد از این مرحله احتراق در سرعت مادون صوت انجام می پذیرد. درست است که هر چه سرعت هوای ورودی بیشتر باشد ؛ انرژی بیشتری در ورودی هوا تلف می شود ؛ اما موتورهای رم جت قابلیت دسترسی به سرعت هایی تا پنج برابر سرعت صوت را دارا هستند.
اسکرم جت (Scramjets)
موتورهای اسکرم جت بسیار شبیه رم جت هستند و هیچ گونه قطعه ی متحرکی ندارند و از بخش های ورودی ؛ اتاق احتراق و خروجی تشکیل شده اند. تفاوت اصلی این دو نوع موتور (Ramjet & Scramjet) در این است که در موتور اسکرم جت سرعت هوای ورودی به پایین تر از سرعت صوت تقلیل پیدا نمی کند و از احتراق مافوق صوت استفاده می کنند. نام اسکرم جت از سه کلمه ی موتور احتراق مافوق صوت رم جت (Supersonic Combusting Ramjet) بر گرفته شده است. به خاطر اینکه موتورهای اسکرم جت از جریان مافوق صوت هوا برای انفجار و سوزاندن سوخت استفاده می کنند ؛ قابلیت رسیده به سرعت های بالای 6 برابر سرعت صوت ؛ جایی که موتورهای رم جت قدیمی بسیار کم بازده هستند ؛ را دارا هستند. تفاوت دیگر این دو موتور در روش کمپرس کردن هوا در هر دو است. در حالی که اکثر هوای کمپرس شده در رم جت توسط ورودی کمپرس می شوند ؛ در اسکرم جت(Scramjet) از شاک ویوهای(Shock wave) به وجود آمده به خاطر سرعت مافوق صوت برای احتراق مافوق صوت استفاده می شود (oblique shocks). تعداد بسیار کمی از این نوع موتور تا به حال ساخته و مورد آزمایش قرار گرفته است. در ماه می ، سال 2010 نوع آزمایشی هواپیمای (Boeing X-51) بیشترین مدت زمان کار این نوع موتور را با زمان 200 ثانیه رقم زد.
رهام حسامی دانشجوی ترم سوم هوافضا
برای پیشرانه جت هواپیما به طور کلی چهار طرح مشخص وجود دارد: توربوجت ، توربوفن (یا موتور بای پس) ، توربوپراپ و توربوشفت. این پست به طرح و طراحی دو موتور متداول مورد استفاده در هواپیماهای مدرن ، توربوجت و توربوفن می پردازد و توضیح می دهد که چگونه مشخصات آنها هر موتور را برای یک کار خاص قابل استفاده می کند. به طور خاص ، دو موضوع مهم پرداخته شده است. اولی موتور چند شافت با قرقره های کم فشار و فشار زیاد و دوم موتور بای پس است که در آن بیشتر هوای فشرده شده توسط فن از احتراق هسته و توربین موتور عبور می کند.
. تکامل خنک کننده پره توربین در دهه های گذشته را نشان می دهد. در روزهای ابتدایی دوران جت از خنک کننده همرفت در جایی که تیغه چرخان به عنوان یک مبدل حرارتی جریان متقابل تک عبور عمل می کند ، بسیار استفاده می شد. این بدان معنی است که هوای فشرده خون جریان شعاعی از طریق معابر خنک کننده در یک جهت از ریشه تا نوک، رانده شده توسط افت فشار و نیروهای گریز از مرکز، در نتیجه از بین بردن حرارت از گازهای جریان اصلی به تیغه convected از محوری. پیشرفت در فن آوری مدرن ساخت به این معنی است که اکنون می توان یک هزارتوی مارپیچی از معابر خنک کننده درون تیغه را ایجاد کرد تا سیستم به مبدل حرارتی چند پاس با قابلیت خنک سازی بالاتر تبدیل شود. به طور معمول این گذرگاه ها دارای دنده ها و باله های داخلی نیز هستند تا ناحیه داخلی خنک شده موجود برای خنک سازی را افزایش دهند. بعلاوه ، هوای خنک کننده نیز از طریق سوراخهای ریزی روی سطح آیفوئل تیغه ، به ویژه نزدیک لبه جلویی ، تخلیه می شود. در حالت ایده آل ، هوای خنک کننده با سرعت کم خارج می شود و یک فیلم خنک کننده محافظ در اطراف تیغه تشکیل می دهد ، از این رو خنک کننده فیلم نامیده می شود .
