معرفي موتور جت

این مقاله آموزشی جهت آشنایی  دانشجویان  آموزش مجازی در رابطه با معرفي موتور جت ارائه گردیده است، امیدوار است کلاس های مجازی، آموزش های از راه دور، مقالات آموزشی، کتاب های معرفی شده و کلیه ی فعالیت های خدماتی ما برای شما عزیزان مفید واقع گردد.
نگاه كلي به موتور جت
موتور جت نوعی موتور است که از شتاب دادن و تخلیه شاره برای ایجاد پیش‌رانش برپایه قانون سوم نیوتن استفاده می‌کند.
با این تعریف گسترده موتورهائی مانند توربوجت و توربوفن و رم‌جت و موتور موشک، گونه‌ای موتور جت به‌شمار می‌روند. ولی معمولاً منظور از موتور جت توربینی است که با بیرون‌دادن گاز داغ برای پیشرانش به‌کار می‌رود.
اصول پایهٔ کارکرد این نوع موتورها تقریباً ساده است، هوا از طریق یک مجرای ورودی به بخش کمپرسور وارد شده و متراکم می‌شود، سپس هوای متراکم وارد محفظهٔ احتراق شده و با اضافه شدن سوخت مشتعل می‌شود. گرمای ناشی از احتراق مخلوط هوا و سوخت باعث منبسط شدن و جریان یافتن آن به سمت انتهای موتور می‌گردد، این جریان منبسط شونده از میان یک سری پره‌های توربین عبور می‌کند که از طریق یک شفت به کمپرسور متصل شده‌اند. هوای منبسط شده توربین را به گردش در می‌آورد که در نتیجه باعث به حرکت در آمدن کمپرسور نیز می‌شوند.
زمانی که هوای منبسط شونده بخش توربین را نیز پشت سر گذاشت با سرعتی بسیار بیشتر از زمانی که وارد موتور شده از آن خارج می‌شود که این تفاوت سرعت بین هوای ورودی و خروجی رانش مورد نیاز را ایجاد می‌کند. در واقع موتورهای توربو جت شتاب بسیار زیادی به حجم کمی از هوا می‌دهند.
موتورهایی که از اصول کار موتورجت بهره‌می‌برند ولی پیشرانش در آن‌ها با ملخ انجام می‌گیرد توربوپراپ نام دارند و نوعی موتور جت به‌شمار نمی‌روند.
انواع موتورجت
موتورهای جت دارای چند دسته اساسی می باشند:
توربوفن Turbo Fan
توربوجت Turbo Jet
توربوپراپ Turbo Prop
پالس جت Pulse Jet
رم جت Ram Jet
توربو رم جت Turbo Ram Jet
اسکرم جت Scram Jet
توربوشفت Turbo Shaft
موتورهای توربوفن Turbo Fan
موتور توربوفن GE90 محصول شرکت جنرال الکتریک امریکا
موتورهای توربوفن در حقیقت چیزی میان موتورهای توربوجت و توربو پراپ هستند. بازده موتورهای توربوفن بسیار زیاد است، و به همین علت هم در بسیاری از هواپیماهای مسافربری و ترابری در سرعت های ساب سونیک Sub Sonic از آن ها استفاده می شود. در موتورهای توربوفن، ابتدا هوا کمپرس شده سپس وارد اتاقک احتراق می شود و بعد از احتراق از طریق شیپوره یا نازل خروجی خارج شده و در طی این فرایند، نیروی تراست لازم را جهت رانش هواپیما به جلو تامین می نماید. البته در موتورهای توربوفن، مقادیر دیگری از هوا از طریق کنارگذر نیز عبور داده می شود که در نهایت به گازهای خروجی داغ پیوسته و نیروی تراست را افزایش می دهد. تفاوت موتورهای توربوفن با توربوپراپ در این است که موتورهای توربوپراپ، فن یا ملخ ایجاد کننده تراستشان در خارج از پوسته موتور قرار گرفته اما در موتورهای توربوفن، ملخ یا فن تولید کننده تراست کاملاً در درون پوسته موتور قرار گرفته است.
فن عبارت است از یک پروانه یا پنکه بزرگ که در اثر چرخش ، جریان هوای زیادی را ایجاد می کند.با اتصال یک فن به یک موتورجت ، موتور توربوفن حاصل می شود . فن، یک جت سرد ایجاد می کند، بنابراین در موتورهای توربوفن دو جت وجود دارد که یکی جت گرم که از انتهای موتور خارج می شود و دیگری جت سرد که از داخل پوشش و مجرایی که فن را احاطه کرده است خارج می شود . اولین بار در سال 1936 فرانک ویذل طرح موتور توربوفن را به ثبت رسانید و اولین هواپیما با موتور توربوفن ، یک هواپیمای مسافربری با نام وی.سی-10 بود که در سال 1959 پرواز کرد.
موتورهای توربوجت Turbo Jet
موتورهای توربو جت، بیشتر بر نیروی تولیدی از گازهای خروجی اتکا دارند. در موتورهای توربوجت، ابتدا، هوا وارد کمپرسور شده و متراکم می گردد. اما چون این هوا با سرعت نسبتاً زیادی وارد موتور گردیده برای احتراق مناسب نمی‌باشد و بیشتر سوخت مصرف شده، بدون اشتعال هدر می رود. به همین دلیل هوا به قسمت دیفیوزر یا همان کاهنده سرعت فرستاده می شود تا از سرعت آن کاسته شود. در دیفیوزر، ابتدا از سرعت هوا کاسته و بر دما و فشار آن افزوده می شود. سپس این هوای آماده برای احتراق، به اتاقک احتراق فرستاده می شود. در اتاقک احتراق یا Combaustion Chamber، هوا ابتدا وارد لوله احتراق گشته، با سوخت مخلوط شده سپس محترق می گردد. قسمتی از نیروی حاصله از این احتراق صرف گرداندن توربین شده و مابقی برای تولید نیروی رانش به کار می رود. گاهی در هواپیماهای توربوجت، بعد از شیپوره خروجی یا نازل، قسمتی به نام پس سوز یا After Burner قرار می دهند که بر نیروی تراست می افزاید.
توربوجت
توربوجت از انواع موتورهای پیشران در صنعت هوایی است که از پنج قسمت اصلی تشکیل شده است :
1- ورودی یا مدخل
2- کمپرسور یا متراکم کننده
3- محفظه احتراق
4- توربین
5- نازل یا خروجی
اولین هواپیما مجهز به موتور جت و توربوجت اچ.ایی-178 ساخت آلمانی ها بود ، با بکارگیری هواپیما بوئینگ 707 و دی.سی.هشت ساخت مگ دانل داگلاس ، خطوط مسافربری با هواپیما جت نیز آغاز بکار کردند .
ورودی یا مدخل
این قسمت اولین بخش است که هوای ورودی به موتور از آن می گذرد . این بخش یک مجرای همگرا با واگرا است و وظیفه آن کاهش سرعت و یکنواخت کردن جربان هوای ورودی به موتور است . اگر سرعت هوای ورودی به کمپرسور زیاد باشد ، سرعت هوا در نوک پره های آن به سرعت صوت می رسد و برای گردش کمپرسور نیروی زبادی صرف خواهد شد. اگر سرعت هوای ورودی زیر صوت بود، این مدخل واگرا خواهد بود . اگر سرعت بالای سرعت صوت بود ( ما فوق صوت) باشد ، این مجرا همگرا خواهد بود.زیرا رفتار جریان ما فوق صوت و زیر صوت بر عکس هم است . در یک جریان ما فوق صوت هوا در عبور از یک مجرای همگرا سرعتش کم می شود و در سرعت های زیر صوت بر عکس .بنابراین مدخل هواپیماهای زیر صوت واگرا است تا سرعت را کاهش دهد و کمکی نیز برای کمپرسور باشد .
کمپرسور یا متراکم کننده
هوا بعد از مدخل وارد کمپرسور می شود . وظیفه کمپرسور فشرده کردن هوا است .کمپرسورها یه دو گروه اصلی تفسیم می شوند، کمپرسورهای گریز از مرکز و کمپرسورهای جریان محور
محفظه احتراق
هوای فشرده به سمت محفظه احتراق رانده شده و بعد از تزریق سوخت توسط سوخت پاش ها ( انژکتورها ) ، به دمای بین 800 تا 1200 سانتیگراد می رسد. این بخش را با آلیاژی مقاوم در برابر دمای ( دمای حاصل از احتراق ) و فشار بالا می پوشانند .
توربین
قدرت و توان مورد نیاز برای گردش کمپرسور توسط توربین تامین می شود . شکب توربین شبیه به کمپرسور است اما با این تفاوت که به کمپرسور کار داده می شود تا هوا را فشرده کند ولی در توربین از جریان گازهای گرم عبوری کار گرفته می شود. به مجموعه کمپرسور ، توربین و محور رابط ( محور انتقال دهنده نیرو جهت گردش ، از توربین به کمپرسور ) اسپول می گویند . هر موتور توربوجت دارای یک اسپول می باشد اما بعضی از موتورها ، دارای دو یا چند اسپول می باشند .
نازل یا خروجی
محل خروج گازهای عبوری از توربین است. در نهایت این نازل است که نیروی پیشرانه موتور توربوجت را تولید می کند.
پس سوز After Burner
یک هواپیمای FA18 بر روی ناو هواپیما بر در حال استفاده از سیستم پس سوز
هنگامی که گازهای خروجی از موتور خارج می شوند، دارای حرارت بسیار بالایی میباشند که از طریق نازل های سوخت پاش به آن سوخت تزریق میشود که در قسمت پس سوز، با مشتعل ساختن دوباره گازهای خروجی به طور قابل توجهی بر نیروی تراست می افزایند. البته استفاده از پس سوز فقط در شرایط اضطراری و شرایط جنگی مجاز است در غیر این صورت به علت مصرف بسیار بالای سوخت از آن استفاده نمی‌گردد. تنها هواپیمای مسافربری با سیستم پس سوز، هواپیمای کنکورد Concord ساخت مشترک آلمان، انگلیس و فرانسه بود که به علت ایجاد آلودگی صوتی زیاد و مصرف سوخت بالا، از کار برکنار شد.
موتورهای توربوپراپ Turbo Prop
موتورهای توربو پراپ، در حقیقت از نیروی ملخ برای تولید تراست استفاده می کنند و تنها وجه جت بودن آنها، تولید نیروی لازم برای این چرخش توسط موتور جت است. طرز کار موتورهای توربوپراپ عیناً مانند موتورهای جت توربینی دیگر است و تنها وجه تمایز آنها این است که نیروی تولید توسط توربین بیشتر صرف چرخاندن ملخ می شود تا کمپرسور، به همین دلیل برای تولید نیروی بیشتر، تغییراتی هم در توربین موتورهای توربوپراپ داده می شود.در این موتورها حدود 90 درصد از تراست توسط ملخ فراهم میشود.
موتورهای پالس جت Pulse Jet
موتورهای پالس جت دارای توربین، کمپرسور، یا شفت نمی‌باشند و تنها قطعه متحرک البته در نوع دریچه دار، دریچه آن می باشد. در این گونه موتورها، ابتدا توده بزرگی از احتراق در داخل موتور صورت می پذیرد که سبب بسته ماندن دریچه می شود. چون تنها راه فرار هوا از موتور قسمت انتهای آن می باشد هوا به طرف آنجا هجوم می آورد. در نتیجه تر ک هوا، خلا یا حالت مکشی به وجود آمده که باعث بازشدن دریچه و ورود هوای تازه می شود. در این حالت، مقداری هوای محترق شده از خروج بازمانده و صرف تراکم و احتراق گاز تازه وارد می گردد و سیکل به همین ترتیب ادامه پیدا می کند.البته این نوع از موتور جت کاربرد زیادی ندارند اما در بعضی از هلیکوپتر ها جهت افزایش سرغت خطی آنها استفاده میگردد.
موتورهای رم جت Ram Jet
موتورهای رم جت، هیچ قطعه ی متحرکی ندارند و در نگاه اول، مانند یک لوله توخالی به نظر می رسند که بیشتر در سرعت های مافوق صوت به کار می روند. موتورهای رم جت نیز مانند پالس جت، دارای توربین، کمپرسور یا … نمی‌باشند استفاده از آنها به عنوان موتور دوم معمول است که بیشتر در موشکها به کار می روند. در این گونه موتورها، برای روشن شدن موتور ابتدا باید سرعت هوا به مقدار لازم برسد در صورت رخداد چنین حالتی، موتور جت به طور خودکار خود را روشن می کند. در موتور رم جت، هوا با سرعت زیاد وارد موتور شده و به علت سرعت بیش از حد، در قسمت دیفیوزر به خوبی کمپرس و متراکم شده و دما و فشار آن بسیار بالا می رود. در این حالت مخلوط هوا و سوخت محترق گشته و با خروج از موتور، نیروی تراست بسیار زیادی را آزاد می کنند. این موتورها قدرت بسیار زیادی را دارا می باشند اما برای شروع پرواز و برخاست مناسب نمی‌باشند.
به این دلیل که این نوع موتور ها در ابتدا سرعت زیادی ایجاد میکنند در نسل جدید موشک های هوا به هوای شرکتMBDA یعنی موشک مترو (Metro) بجای استفاده از موتور های موشکی از این موتور های جت استفاده میکنند که هم سرعت بالایی دارند و هم قدرت مانور فوق العاده ای به موشک میدهند.
موتور های توربو رم جت Turbo Ram Jet
این موتور، موتور بسیار جالبی‌ست. به طوریکه از دو جزء ساخته میشود:1-موتور رم جت 2- توربو فن در این نوع موتورها ابتدا برای شروع پرواز خلبان موتور توربوفن را روشن میکند تا انرژی لازم برای برخاست بوجود آید. سپس بعد از این که موتور وهواپیما به سرعتت 1 ماخ یا نزدیک به آن رسید خود به خود موتور توربوفن خاموش شده و دریچه ی آن بسته می‌شود. سپس باد موجود وارد همان موتور گشته ولی بجای ورود به داخل توربو فن، از کنار آن عبور و به داخل موتور رم جت میرود و همام حال است که با فشار موجود در هوا، موتور روشن شده و در عرض 15 ثانیه هواپیما از یک ماخ به 3.5 الی 7 ماخ می‌رسد. گفتنی است که این موتور فقط در 2 هواپیما ساخته شده است. 1-SR-71 و2-RQ-170 یا همان هواپیمای آمریکایی که توسط نیروی هوایی سپاه ایران به زمین نشانده شد.
موتورهای اسکرم جت Scram Jet
نام این موتورها از واژه (supersonic combustion ramjet) گرفته شده که به معنای احتراق در سرعت مافوق صوت است. این گونه موتور ها در سرعت های هایپر سونیک Hyper Sonic به کار می روند و طرز کار آنها بسیار مشابه موتورهای رم جت با تغییراتی می باشد. این نکته قابل توجه است که مشتعل ساختن مولکول های هوا در حالی که هوا با سرعت بالای 4 ماخ وارد موتور می گردد، مانند روشن کردن کبریت در گردباداست! اولین هواپیمای دارای موتور اسکرم جت، هواپیمای X-43 است که سرعت آن بالای 7 ماخ می باشد.
موتورهای shcram jet نوع توسعه یافته ی موتور های اسکرمجت است که دارای حالت خاصی از پس سوز در نازل خروجی است و احتراق در ان قسمت هایپر سونیک است. ا.م
موتورهای توربوشفت Turbo Shaft
این نوع از موتور توربینی در هم صنعت هوایی هم در زمینه نیروگاهی و تولید انرژی کاربرد دارند. کاربرد هوایی این موتورها استفاده در هلیکوپتر هاست .اجزای این موتور ها با سایر موتورهای توربینی تفاوتی ندارد اما در مکانیسم آنها تراست ایجاد نمی‌گردد بلکه توربو شفت ها برای ما ایجاد گشتاور و Torque مینمایند که منجر به چرخاندن ملخ هلیکوپتر میگردد.
اجزای موتورهای جت توربینی
کمپرسور
کمپرسورها وظیفه متراکم کردن هوای ورودی را بر عهده دارند. کمپرسورها بر دو نوع هستند: 1- کمپرسورهای محوری(اکسیال) 2- کمپرسورهای شعاعی یا گریز از مرکز(سنتریفیوگال). کمپرسورهای محوری که در اکثر موتورهای جت امروزی استفاده می شود، از چند ردیف فن یا پنکه به تعداد مشخص (دو یا بیشتر) تشکیل شده است و همچنین توسط همین تیغه ها یا پره ها، به سیال جهت حرکت داده شده و با کاهش زاویه پره ها، به فشار سیال یا هوا افزوده و از سرعتش کم شده و در نتیجه متراکم می گردد. اما در کمپرسورهای شعاعی یا گریز از مرکز، که بیشتر در موتورهای گازی ساده یا قدیمی کاربرد داشته است، در اصل هوا به یک مانع برخورد کرده و سپس توسط پره های آن به قسمت دیفیوزر یا کاهنده سرعت منحرف می شود که این فرایند با ازدیاد فشار همراه است، در نتیجه هوا متراکم می گردد.
سیستم احتراق
سیستم احتراق، شامل سوخت پاش یا FUEL NOZZLE، جرقه زن یا IGNITERو اتاقک و لوله احتراق یا COMBUSTION CHAMBER می باشد. فرایند احتراق در درون لوله های احتراق صورت می پذیرد که این عمل با وارد شدن هوا به اتاقک و مخلوط شدن آن با سوخت سپس احتراق آن به وسیله شمع جرقه زن انجام می شود. محفظه های احتراق در موتورهای توربینی انواع گوناگونی دارند که هر کدام محاسن و معایب خود را دارند. از انواع آنها میتوان CAN TYPE ,ANNULAR TYPE و ترکیبی از این دو را نام برد .
سیستم توربین
در اینجا، ابتدا گازهای پرحرارت ناشی از احتراق به پره های توربین برخورد کرده و نیروی لازم جهت گرداندن کمپرسور و مکش هوا برای سیکل بعدی تولید می شود که این نیرو به وسیله میله (شفت)ی به کمپرسور انتقال داده شده و باعث حرکت آن می شود.استاتور توربین که به آن NOZZLE GUIDE VANE نیز میگویند و برای تنظیم جهت حرکت سیال (هوا) برای ادامه حرکت به کار می رود. توربین ها نیز به دو دسته محوری و شعاعی تقسیم می شوند که نوع محوری پر کاربرد است. چون دمای کارکرد توربین بسیار بالا می باشد، در ساخت آن از آلیاژهای مخصوصی استفاده می شود.
سیستم خروج گازهای داغ
این سیستم، در حقیقت تولید تراست واقعی را برای رانش هواپیما به جلو می کند ایجاد میکند. در مدل های متحرک، زاویه پره های شیپوره انتهایی موتور برای میزان کردن فشار قابل تنظیم است. گفتنی است سیستم پس سوز یا After Burner بعد از این بخش نصب می شود. به این قسمت، نازل Nozzle هم گفته می شود.