به طور کلی هر موتور از چهار جزء ضروری تشکیل شده است: کمپرسور، محفظه احتراق، توربین و نازل . کمپرسور فشار هوای ورودی را قبل از احتراق افزایش می دهد و توربین که کار را از احتراق تحت فشار گرم استخراج می کند. محصولات، در قلب موتور قرار دارند. نقش توربین قدرت تامین نیروی رانش نیست بلکه به حرکت در آوردن کمپرسور است. محصولات احتراق تحت فشار داغ از طریق یک نازل منبسط می شوند تا نیروی رانش تولید کنند. در برخی از موتورهای توربوجت نظامی، سرعت اگزوز و در نتیجه رانش ممکن است با "بعد سوزاندن" در مجرای اگزوز افزایش یابد.
نمودار یک موتور جت توربین گاز معمولی. هوا هنگام ورود به موتور توسط پره های فن فشرده شده و در قسمت احتراق با سوخت مخلوط و می سوزد. گازهای داغ خروجی، نیروی رانش به جلو را فراهم می کنند و توربین ها را می چرخانند که پره های فن کمپرسور را به حرکت در می آورند.
. نمودار یک موتور جت توربین گازی معمولی. هوا هنگام ورود به موتور توسط پره های فن فشرده شده و در قسمت احتراق با سوخت مخلوط و می سوزد. گازهای داغ خروجی، نیروی رانش به جلو را فراهم می کنند و توربین ها را می چرخانند که پره های فن کمپرسور را به حرکت در می آورند.
توربوجت
توربوجت اولین نوع موتور جت است که توسط سر فرانک ویتل و هانس فون اوهاین در طول جنگ جهانی دوم ساخته شد. این دیگر برای هواپیماهای غیرنظامی استفاده نمی شود، اما عمدتاً برای رانش با سرعت بالا در هواپیماهای نظامی استفاده می شود. یک طرح مقطعی از یک موتور توربوجت معمولی را نشان میدهد و طرح معمولی یک موتور توربوجت را با یک کمپرسور محوری که توسط یک توربین محوری هدایت میشود، همه روی یک شفت نشان میدهد. این مجموعه از شفت، کمپرسور و توربین اغلب به عنوان "قرقره" نامیده می شود. موتورهای جدیدتر معمولاً دارای دو یا سه قرقره هستند که فرآیند فشرده سازی و انبساط در کمپرسور و توربین در قسمت های مختلف پخش می شود. به این ترتیب یک کمپرسور کم فشار (LP) و توربین LP روی یک شفت نصب می‌شوند تا قرقره LP را تشکیل دهند. شفت LP از داخل شفت پرفشار توخالی (HP) عبور می کند که کمپرسور HP و توربین HP روی آن نصب شده است. کمپرسور و توربین به قسمت‌های جداگانه تقسیم می‌شوند تا تنش‌های گریز از مرکز در کمپرسور و پره‌های توربین را کاهش دهند و به قسمت‌های مختلف کمپرسور و توربین اجازه می‌دهند تا با سرعتهای مختلف کار کنند تا راندمان کار بهینه شود.
برای سرعت های مافوق صوت پایدار، یک موتور توربوجت باقی می ماند و گزینه ای جذاب برای پیشرانه هواپیما است.
راندمان پیشرانه یا فرود h_p موتور جت با تقسیم توان خروجی بر نرخ تغییر انرژی جنبشی هوا تعریف می شود. انرژی جنبشی هوا نشان دهنده توان ورودی به سیستم است. توان خروجی P حاصل ضرب نیروی خروجی است، یعنی رانش F و سرعت هوای حاصل U_a. اگرچه این یک تقریب است، این معادله اصطلاحات اساسی را که نیروی محرکه هواپیما را تعریف می کنند، خلاصه می کند. نیروی F مورد نیاز برای شتاب دادن به سیال با معادله تکانه داده می شود.
$F=\dot{m}(U_j-U_a)$
جایی که \dot{m} نرخ جریان جرمی هوا از طریق موتور است، $U_a$ سرعت هوای ورودی و $U_j $سرعت هوای خروج از موتور است. بنابراین نیرویی برابر و مخالف بر روی موتور اعمال می شود که تراست خالص نامیده می شود. اصطلاح$ \dot{m} U_j$ را نیروی حرکتی ناخالص و $\dot{m} U_a $را کشش ram می‌گویند. بنابراین، برای یک توربوجت توان خروجی برابر است با
$P=F U_a = \dot{m} U_a (U_j - U_a) و KE = 0.5 \dot{m} (U_j^2 - U_a^2)$
به طوری که،
$N_p = \frac{\dot{m} U_a (U_j-U_a)}{0.5\dot{m} (U_j^2 - U_a^2)} = \frac{2Ua}{Ua + Uj}$
برای سرعت ثابت $U_a، N_p $را می توان با کاهش$ U_j $افزایش داد. با این حال، کاهش U_j نیروی رانش را کاهش می دهد مگر اینکه $\dot{m}$ افزایش یابد. بنابراین، برای هواپیماهای غیرنظامی زمانی که اقتصاد مهم است، $\dot{m}$ با استفاده از نسبت‌های بای‌پس بالا توربوفن افزایش می‌یابد، در حالی که برای موتورهای نظامی که رانش مهم است، از موتورهای کم‌گذر با سرعتهای خروجی زیاد استفاده میشود.
بهینه سازی توربوجت
هنگام بهینه سازی عملکرد موتور جت معمولاً دو پارامتر در نظر گرفته می شود: نیروی رانش خاص (ST) موتور و مصرف سوخت خاص (SFCنرخ جریان جرمی سوخت مورد نیاز برای تولید یک واحد رانش. به طور کلی طراح توربین دو متغیر ترمودینامیکی برای بهینه سازی این دو موجودیت دارد: نسبت فشار کمپرسور (R) و دمای ورودی توربین (TET). اثرات این دو متغیر بر SFC و ST به نوبه خود در نظر گرفته خواهد شد.
ST به شدت به TET وابسته است و TET باید حداکثر شود تا موتور تا حد امکان برای مقدار خاصی از رانش کوچک نگه داشته شود. با این حال، افزایش TET منجر به SFC بزرگتر در یک R ثابت می شود. از طرف دیگر افزایش در ST به طور کلی مهم تر از جریمه SFC بالاتر است، به خصوص در سرعت های پرواز بالا که یک موتور کوچک برای به حداقل رساندن وزن و کاهش وزن بسیار مهم است. بکشید.
افزایش R همیشه باعث کاهش SFC می شود و از این رو اطمینان از مراحل تراکم کارآمد برای یک موتور اقتصادی بسیار مهم است. برای یک مقدار ثابت TET افزایش R در ابتدا منجر به ST بیشتر می شود اما در نهایت باعث کاهش مجدد ST می شود. بنابراین، یک مقدار بهینه از R وجود دارد که نقش مهندس برای تعیین آن است. علاوه بر این، نسبت فشار بهینه برای حداکثر ST با افزایش TET افزایش می‌یابد.
البته این بهینه سازی R و TET را نمی توان از طراحی مکانیکی موتور جدا کرد. راندن TET مستلزم استفاده از آلیاژهای بسیار گران‌تر و پره‌های توربین خنک‌شده است که همواره منجر به افزایش هزینه، پیچیدگی مکانیکی یا کاهش عمر موتور میشود. افزایش R به کمپرسورها و توربین‌های بزرگ‌تری نیاز دارد که جریمه‌های وزن، هزینه و پیچیدگی مکانیکی را متحمل می‌شوند.
در نهایت برای سرعت های مختلف پرواز و ارتفاع پرواز، عملکرد توربوجت متفاوت خواهد بود، زیرا سرعت جریان جرمی و کشش حرکتی با چگالی هوا و سرعت رو به جلو متفاوت است. رانش ناخالص به طور قابل توجهی با افزایش ارتفاع به دلیل کاهش چگالی و فشار محیط کاهش می یابد، اما رانش خاص ممکن است به دلیل کاهش دمای ورودی موتور افزایش یابد. اما SFC برای افزایش ارتفاع کاهش می یابد، نتیجه ای که فرانک ویتل به عنوان یک دانشجوی مهندسی محاسبه کرد و به انگیزه او برای توسعه موتور جت منجر شد.
توربوفن
همانطور که در بالا گفتم، سرعت خروجی بالای موتورهای توربوجت اجازه نمی دهد که راندمان پیشرانه بالایی برای هواپیماهای غیرنظامی مورد نیاز باشد. برای افزایش راندمان پیشرانه از یک موتور بای پس که اغلب به عنوان موتور توربوفن شناخته می شود، استفاده می شود.
هسته موتور توربوفن اساساً همان توربوجت است که دارای کمپرسور، محفظه احتراق و توربین قدرت است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. با این حال موتور دارای یک توربین دوم است که یک فن بزرگ را در جلوی موتور به حرکت در می آورد. این فن هوا را به یک مجرای بای پس می رساند که هوا را بدون عبور از محفظه احتراق به نازل اگزوز هدایت می کند. به همین دلیل طراحان اغلب به جریان سرد در مجرای بای پس و جریان گرم از طریق هسته اشاره می کنند. مخلوط کردن هوای سردتر با گازهای خروجی داغ از هسته منجر به راندمان پیشرانه بالاتر و سطح سر و صدای کمتری می شود. موتورهای بای پس اولیه معمولاً دارای نسبت بای پس (نرخ جریان جرمی هوای بای پس تقسیم بر سرعت جریان جرمی هوای عبوری از هسته) حدود 0.3 تا 1.5 بودند. ترتیبات هواپیماهای مسافربری مدرن موتورهای با نسبت بای پس بالا (HBR) با نسبت بای پس 5 یا حتی بیشتر است. در خانواده‌های رولز رویس RB211 و ترنت، فن با سرعت کم توسط یک توربین به حرکت در می‌آید و دو کمپرسور داخلی که توسط دو توربین جداگانه به حرکت در می‌آیند، موتور سه‌قرن‌ه‌ای ایجاد میکنند.
بهینه سازی توربوفن
برای مهندسین طراحی توربوفن چهار متغیر اصلی باید در نظر گرفته شود: نسبت بای پس (BR)، نسبت فشار کلی (OR)، نسبت فشار فن (FR) و TET. مشابه توربوجت TET بالا برای افزایش رانش مورد نیاز است. با افزایش FR، رانش ناشی از جریان سرد افزایش می‌یابد در حالی که جریان گرم کاهش می‌یابد زیرا برای به حرکت درآوردن فن به نیروی بیشتری نیاز است. یک مقدار بهینه FR وجود دارد که برای آن رانش کل $F = F_c + F_h$ حداکثر است. در واقع مقدار بهینه FR هنگامی که F یک حداکثر است به طور خودکار حداقل SFC را تولید می کند اگر OR و BR ثابت باشند.
با افزایش BR راندمان پیشرانه افزایش می یابد و SFC کاهش می یابد. برای هواپیماهای زیر صوت لانگ-حول، SFC برای کاهش هزینه مهم است. برای این موتورها BR معمولاً بین 4 تا 6 است و OP و TET بالا هستند. تراست برای هواپیماهای نظامی مهمتر است به طوری که BR معمولاً به 0.5 تا 1 کاهش می یابد. BR به طور قابل توجهی بر راندمان موتور، ظاهر، اندازه و وزن موتور تأثیر می گذارد. با افزایش وزن موتور می توان بار کمتری به هواپیما اضافه کرد تا درآمد خطوط هوایی کاهش یابد. دوم، افزایش نیروی بالابر تولید شده توسط بالها برای حمل موتورهای بزرگتر به طور خودکار باعث درگ بیشتر می شود. در نهایت، به دلایل عملی، BR > 10 با فناوری فعلی کاربردی نیست، زیرا لازم است یک جعبه دنده بین توربین نیروی محرکه و فن نصب شود تا توربین سریعتر کار کند. مثلطراحی مطمئناً مستلزم زمان توسعه قابل توجهی است و احتمالاً جریمه وزنی را متحمل خواهد شد که بیشتر از مزایای افزایش BR است.
