موتورهای جت چگونه کار می کنند؟ / بخش دوم

موتورهای توربو جت turbojet

اولین نمونه از موتورهای جت که بعد ها گسترش یافته و کاملتر شدند و امروزه نیز کاربرد فراوان دارند، موتورهای توربوجت هستند. این نوع موتور توسط فرانک ویتل Frank whittle در انگلستان و به طور جداگانه توسط هانس ون اهین hans von ohain در آلمان اختراع شد.هوا به وسیله کمپرسور که به صورت پایه ای یک پره fan بزرگ چرخان است به داخل موتور توربوجت کشیده می شود. کمپرسور سرعت ورود هوا به داخل را کم می کند، فشار را بالا می برد و آن را به طرف محفظه احتراق هدایت می کند. در محفظه سوخت به هوای فشرده اضافه و مخلوط می شود. نتیجه اینکه هوای داغ، شروع به انبساط می کند، از بین پره های توربین عبور کرده و از نازل nozzle خارج می شود با اینکار نیروی پیشران به وجود می آید. قبل از این که گازها از اگزوز موتور خارج شوند به سمت پره های توربین هدایت می شوند و آنها را با سرعت زیاد به چرخش در می آورند. هدف از چرخاندن توربین ، به حرکت در آوردن کمپرسور است که با شفت به یکدیگر متصل هستند و باعث می شود که کشیدن هوا به داخل موتور ادامه یابد.
در حقیقت عاملی که باعث حرکت می شود تفاوت فشار در عقب و جلوی موتور است.همانطور که توضیح داده شد هوای خروجی از موتور بسیار فشرده و داغ است در حالی که هوای ورودی به موتور این طور نیست. پس مسئله ای که باعث حرکت می شود تفاوت فشار در عقبو جلوی موتور است. هر چقدر که این فشار بیشتر باشد نیروی تولیدی توسط موتور بیشتر است. انرژی که توسط توربین برای چرخیدن گرفته می شود باعث می شود که این تفاوت کم شود بنابر این یکی از اهداف اصلی طvاحان این است که انرژی مودر نیاز توربین را به حداقل برسانند که خود باعث به حداکثر رساندن نیروی پیشران می شود.
بهترین گزینه پیش رو برای افزایش قدرت موتور به خصوص در موارد نظامی ، اضافه کردن امکان پس سوز after burner به موتور است.

فن های دوتایی

موتورهای جت ابتدایی مانند مسراشمیت 262 Messerschmidt ، موتورهای پر مصرفی به حساب می آمدند. بنابر این اولین مشکل پیش روی طراحان ، طراحی موتورهایی بود که بتوانند با مصرف سوخت کمتر، نیروی بیشتری حاصل کنند. راه حل این مشکل توسط شرکت آمریکایی پرات اند ویتنی pratt & whitney در سال 1948 تحت عنوان فن های دوتایی Dual spool ارائه شد. موتورها به وسیله دو عدد کمپرسور مستقل به جای تک کمپرسور ، مسلح شدند تا نسبت فشار را بیشتر کنند. این دو سیستم یاد شده به طور جداگانه به توربین هایی در انتهای موتور وصل شدند. کمپرسوری که به ورودی نزدیکتر است تحت عنوان کمپرسور کم فشار low-pressure compressor به وسیله یک شفت تو پر solid به خارج ترین توربین وصل شد و البته کمپرسور درونی تر که به کمپرسور پر فشار high-pressure compressor معروف است به وسیله یک شفت تو خالی hollow (شفت تو پر از درون این شفت عبور می کند) به توربین داخلی متصل می شود. 

 

تمامی این امکانات باعث شد تا موتور j-57 که پیشران f-100 نیروی هوایی آمریکا بود بتواند در سال 1953 ، اولین هواپیمایی باشد که بدون شیرجه رفتن، به سرعت صوت دست پیدا کرده است. این موتور همچنین بر روی بمب افکن معروف آمریکایی b-52 و همچنین هواپیمای شناسایی u-2 نیز نصب شد. در میان هواپیماهای غیرنظامی نیز بوئینگ 707 و داگلاس DC-8 از این موتور بهره می برند. تکنولوژی dual spool راه را برای رسیدن به موتور های توربو فن turbofan باز کرده بود.

تیغه های غیر چرخان متحرک variable stator

هم زمان با بهبود عملکرد این موتورهای جت، طراحان با مشکل جدیدی مواجه شدند به اسم واماندگی کمپرسور compressor stall . به این معنا که : در سرعت معینی در هنگام پرواز، کمپرسور مقدار هوایی بیشتر از توانایی موتور برای استفاده به داخل می کشید. واماندگی کمپرسور باعث به وجود آمدن یک توده هوا می شد که با شدت بیشتری از حد معمول به داخل موتور وارد می شد. نتیجه اینکه موتور تمام نیروی پیشران خود را از دست می داد و حتی در مواقعی هم باعث از بین رفتن تیغه های کمپرسور می شد. راه حل این مشکل توسط جرهارد نیومن، یکی از مهندسان شرکت جنرال الکتریک به دست آمد. نیومن تیغه های جدیدی اختراع کرد که مانند بقیه تیغه های کمپرسور بر روی آن نصب می شدند ولی مانند آنها نمی چرخیدند و فقط می توانستند که زاویه خود را در مقابل جریان ورودی هوا تغییر دهند. در مواقعی که جریان هوا به میزان معمول است این پره ها با کمترین زاویه خود نسبت به مسیر هوا قرار می گیرند تا جریان هوا بدون مزاحمت بتواند عبور کند ولی در هنگامی که امکان واماندگی کمپرسور وجود دارد، این تیغه ها با قسمت پهن خود در مقابل هوا قرار می گیرند تا جلوی ورود هوای اضافی را به درون موتور بگیرد. این تکنولوژی در موتور j-79 شرکت جنرال الکتریک به کار گرفته شد تا شاهد به وجود آمدن یک موتور واقعی برای پرواز فراصوت باشیم. این موتور در هواپیمای F-4 فانتوم استفاده شده است. در تصویر زیر پره های ثابت همان variable stator هستند

از هواپیماهایی که در ایران هستند و از موتور های توربو جت استفاده می کنند می توان به mig-29 با موتور RD-33 اشاره کرد که از دو شفت twin-shaft استفاده می کند. در حالی که موتور f-5 که همان j-85 است از تکنولوژی یک شفت single-shaft استفاده می کند.

rd-33 یکی از قوی ترین موتورهای توربو جت
 

در قسمت بعد به توضیح موتورهای توربوپراپ خواهیم پرداخت