مقاله آشنایی با عملکرد و طراحی موتور جت
مقاله آشنایی با عملکرد و طراحی موتور جت
مقاله ای که در زیر مطالعه میکنید با عنوان آشنایی با عملکرد و طراحی موتور جت از مرکز آموزش مجازی پارس گردآوری و ارائه شده است.
موتور جت هواپیما که هواى داغ پرفشارى را تولید مى کرد توسط (Sir Frank Whittle) خلبان و مهندس هواپیماى انگلیسى اختراع شد و از این رو، وى را پدر موتور جت مى نامند.. موتور جت یک موتور واکنشی است که سیال را بر اساس قانون سوم نیوتن با سرعت بالا به حرکت در می آورد. موتورهای جت بر عکس موتورهای پیستونی که در آنها نیروی محرکه از طریق یک پیستون که در یک سیلندر بالا و پایین می شود،تأمین می شود، با چرخش مداوم یک توربین و کمپرسور نیروی محرکه را تأمین می کنند. در نتیجه بازده بالاتر و صدای کمتری نسبت به موتورهای پیستونی تولید می کنند. موتورهای جت از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند که عبارتند از کمپرسور، محفظه ی احتراق و توربین .توربین در قسمت انتهایی موتور قرار دارد و نیروی محرکه کمپرسور را تأمین و از طریق یک یا چند میله(Shaft) به کمپرسور می رساند.موتور های جت دارای انواع مختلفی میباشند که متناسب با ویژگهایشان در هواپیماها ی عمومی، نظامی و باربری استفاده میشوند. دانش پذیران در این دوره اموزشی با مباحثی چون: ساختار موتور جت، انواع موتور، متعلقات موتور، انواع سیستم ها مانند سیستم سوخت رسانی، روغن و جرقه آشنا میشوند و در نهایت می آموزند چگونه یک مدل آزمایشگاهی موتور جت را بسازند
اولین موتور جت توسط دو شخص بطور همزمان ساخته شد. آقای فرانک ویتل از بریتانیای کبیر(انگلستان)وآقای هانس وان اوهین از آلمان که درسال م.1930 بطور مستقل از یکدیگر اولین موتور جت را بطور همزمان ساختند.ویتل تفکرات اولیه اش از 22 سال سابقه کاری در نیروی هوایی رویال سرچشمه گرفت. بخاطر نوآوریش درسال 1932 وهمچنین چاپ نوآوریش یک پاداش به او اعطا شد اما او انتظار توجه کمی داشت. ویتل در سال 1936 برای کار در کمپانی تحقیقی جت های قدرتمند فرا خوانده شدواقدام به توسعه کارهای مدلی موتور خود برای استفاده ی نظامی کرد. بعد از حل و فصل کردن بسیاری از مشکلات فنی سرانجام برگه ی پشتیبانی را در سال 1939 از دولت انگلیس دریافت کرد. در این میان مهندس آلمانی هانس وان اوهین مطالعات مستقل خود را در مورد پیشران جت در 1930 زمانی که دوره ی دکتری خودش را میگذارند,شروع کرد.در سال 1937بتفصیل برای طراحی و ساخت یک موتور قوی و یک بدنه مناسب تلاش کرد و موتور او اولین موتور جتی بود که بعد از ساختن هواپیمای هینکل هی 178 که ساخته ی خودش بود در 27 آگوست 1939 به پرواز درآمد. درانگلیس, وزارت هوا از آزمایش ویتل که موتورخود را بر روی هواپیمایی که توسط گلاستر ساخته شده بود سوار کرده بود خیلی تحت تاثیرقرارگرفته بود. هر چند سالهای زیادی طول کشید تا هردو کشور ارزش موتورهای جت راتشخیص دهند اماهر دو آنها درخواستی راجهت جت های قدرتمند جنگنده داشتند و نتیجه این که هر دوی آنها در جنگ جهانی دوم از این هواپیماها استفاده ی نظامی بردند. زمانی که موتور ویتل طراحی و ساخته شده بود شرکت جنرال الکتریک هم در ایالات متحده پیشرفت هایی حاصل کرده بود و ازموتور جدیدی در Bell P-59 Airacomet استفاده کرده بود.دیگر جت هایی که در جنگ جهانی دوم(W.W.2) توسعه یافتند شامل Heinkel He 162 وHe 280 که به خوبیLockheed P-80 Shooting Star بودند اشاره کرد.آلمان هم طرح هایی تدارک دید و حتی اجازه ی ساخت یک جت کامل خود(Me 262 ) را در ژاپن در جریان جنگ داد. موتور جت نوعی موتور است که از شتاب دادن و تخلیه شارهبرای ایجاد رانش برپایه قانون سوم نیوتن استفاده میکند.با این تعریف گسترده موتورهائی مانند توربوجت و توربوفن و رام‌جت وموتور موشک، گونه‌ای موتور جت به‌شمار می‌روند. ولی معمولاً منظور از موتور جت توربینی است که با بیرون‌دادن گاز داغ برایپیشرانش به‌کار می‌رود. موتورهایی که از اصول کار موتورجت بهره‌می‌برند ولی پیشرانش در آنها با ملخ انجام می‌گیردتوربوپراپ نام دارند و نوعی موتور جت به‌شمار نمی‌روند
آزمایش یک موتور جت پرات اند ویتنی که برای جنگنده اف-۱۵ساخته شده استمدت‌ها صحبت از این بود که روزی موتورهای جت با استفاده از سوخت جانشین به کار خواهند افتاد. با این حال هنوز هیچ کس نمی‌داند که چه زمانی این اتفاق رخ میدهد و جزئیات آن چگونه خواهد بود. اما در حالی که صنعت هوانوردی به آینده مبهم‌اش می‌اندیشد، سازندگان موتورهای جت هم اکنون به فکر نجات خودشان افتاده‌اند و تلاش میکنند تا موتورهایی بسازند که بتواند حمل و نقل هوایی را پاک‌تر، ساکت‌تر و کارآمد‌تر کند، البته نه در 30 سال آینده که ظرف 5 یا 6 سال. یکی از جدی‌ترین تلاش‌ها در این میان نسل بعدی موتورهای کمپانی «پرات اند ویتنی» موسوم به توربوفن دنده‌ای است که اگر همه چیز به خوبی پیش برود، شاهد آغاز فعالیت آن در سال 2013 خواهیم بود. در موتورهای جت امروزی فن غول‌پیکری در جلوی موتور قرار دارد که هوا را به درون محفظه احتراق می‌کشاند. سپس در انتهای موتور توربینی قرار دارد که هوا را با نیروی حاصل از احتراق موتور، به سمت عقب می‌دمد. مشکل اساسی اینجا است که فن، موتور و توربین به هم متصل‌اند و هر 3 با سرعت یکسان کار میکنند که به هیچ‌وجه خوب نیست. در واقع فن در سرعت پایین عملکرد بهتری دارد و توربین در سرعت بالا. همچنین عامل اصلی غرش مهیب هواپیما نیز همین حرکت سریع فن‌ها است. مهندسان پرات اند ویتنی موتور جدیدشان را به جعبه دنده بسیار پیشرفته‌ای مجهز کردند که به کمک آن فن و توربین می‌توانند با سرعتهای متفاوتی کار کنند. به این ترتیب با فعالیت فن و توربین در سرعتهای بهینه، موتور نیروی پیشران بیشتری تولید میکند و سر و صدای هواپیما نیز کمتر خواهد بود. به گفته مهندسان پرات اند ویتنی هزینه فعالیت و نگهداری این موتور در مقایسه با انواع فعلی به ترتیب 10 و 30 درصد کمتر خواهد بود که میزان صرفه‌جویی ناشی از آن برای یک جت 120 نفره به 600 هزار دلار در سال می‌رسد. انواع موتور های جت: موتور های جت کلا به هفت دسته تقسیم می شوند: ۱.توربین گاز۲.توربو فن۳.رم جت۴.پالس جت۵.پرشر جت۶.توربو جت۷.توربو پراپ ۱. توربین گاز در حقیقت تمامی موتورهای جتی که دارای توربین هستند توربین گاز نامیده می شوند ولی اصطلاح توربین گاز بیشتر به موتورهای جتی داده میشود که هدف استفاده از آنها تولید رانش نیست بلکه چرخاندن توربین و اکثرا برای تولید برق است و برخی اوقات در طراحی و نحوه قرار گرفتن توربین ها و نازل با انواع دیگر موتور جت تفاوت عمده ای دارند . در توربین های بخار برای چرخاندن توربینها ابتدا آب را توسط سوختهای فسیلی حرارت میدهند تا آب تبدیل به بخار شود و بخار سبب چرخش توربین میشود که این سیستم دارای ضعفهایی است از جمله حجیم بودن دستگاهها و تشکیلات نیروگاه ولی در توربین گاز مرحله تبدیل آب به بخار حذف شده است و گاز های داغ خروجی که در توربین بخار هدر میشوند در این حالت مستقیما سبب چرخش توربین میگردد . ۲. توربوفنموتور های توربو فن در واقع دارای فرآیندی مابین دو موتور توربوجت و توربو پراپ هستند . تفاوت این موتور با موتور توربو پراپ در این نکته است که پنکه موتور توربوپراپ کاملا خارج از پوسته و بدنه موتور قرار دارد ولی در موتور توربوفن این پنکه کاملا در داخل پوسته موتور قرار دارد . از این نوع موتور جت برای سرعت های مادون صوت استفاده میگردد .توربوفن ها دارای بازدهی نسبی زیادی هستند . بخشی از هوای ورودی توسط پنکه این موتور توسط داکتی و جدا از محفظه احتراق و توربین ولی در امتداد آنها به سمت نازل پیش برده میشود که در نهایت نیز به گاز های داغ تولیدی میپیوندد و بر نیروی رانش تولیدی میافزاید . در زیر شکلی برش خورده از یک موتور توربو فن مشاهده میشود ولی داکت هدایت هوا در شکل مشخص نیست .
3. رم جترم جتها را توربین گازی به حساب نمی آورند زیرا این نوع از موتور جت دارای کمپرسور و توربین نمیباشد موتور رم جت اکثرا به عنوان موتور دوم مورد استفاده قرار میگیرد به اینصورت که هواپیما یا راکت در ابتدا توسط موتور اصلی خود به پرواز در میاید و پس از رسیدن به سرعت معین که میزان فشار و سرعت لازم هوای ورودی برای رم جت تامین گردید موتور رم جت خود را روشن میکند . رم جتها نسبت به انواع دیگر موتورهای جت تولید رانش بیشتری میکنند ولی برای شروع پرواز مناسب نمیباشند . 4. پالس جت پالس جتها یکی از انواع قدیمی موتور جت میباشند که بعضی اوقات بدلیل مشترکاتی با رم جت یکی شمرده میشوند .پالس جت ها همانند رم جت نه دارای کمپرسور هستند و نه دارای توربین ولی از نظر کار کرد تفاوت عمده ای دارند .موتورهای پالس جت در گذشته کاربرد داشتند و در هواپیما های قدیمی به عنوان پیشران استفاده میشدند ولی هم اکنون استفاده چندانی ندارند چراکه امروزه موتور های توربو جت با بازدهی بالا جایی برای انواع دیگر باقی نگذاشتند ولی به دلیل سیستم کارکرد جالبی که این موتور دارد به تشریح دونوع از این موتور میپردازیم .در موتورهای پالس جت به خصوص نوع دریچه دار عمل احتراق با فرض ایده آل حجم ثابت است . دقت شود که پالس جت ها بر خلاف رم جت ها در سرعت صفر نیز قابلیت استارت و کار آیی هستند .( در مورد پالس جت ها این باور عمومی وجود دارد که حداکثر سرعت پرنده ای که با پیشران پالس جت حرکت میکند زیر 750 کیلومتر بر ساعت میباشد ) سیکل کارکرد پالس جت دریچه دار : احتراق : در این فاز احتراق سوخت منجر به تشکیل توده بزرگی از گرما و فشار میشود فشار حاصل منجر به بسته ماندن شیر یکطرفه که در پشت هوا و سوخت محترق میباشد میگردد در نتیجه توده محترق بناچار فقط در مسیرمورد نظر میتواند حرکت کند. انفجار:در این مرحله سوخت و هوای منبسط شده از نازل خارج میگرددو گازهای داغ خروجی منجر به تولید نیروی رانش میگردد. سوخت گیری: گازهای داغ بدلیل انعطاف پذیری و دارا بودن جرم تمایل به حفظ حرکت خود به سمت نازل را دارند حتی اگرفشار داخل موتور کمتر فشار محیط باشد خروج این گازها از محفظه احتراق موجب افت فشار در محفظه و بازشدن شیر یکطرفه میگردد و مقداری سوخت و هوا به این محفظه وارد میشود فشردگی:بدلیل فشار کم موجود بین هوا و سوخت ورودی و گازهای داغ خروجی مقداری از این گازهای داغ به محفظه احتراق باز میگرددکه این عمل موجت محترق شدن این توده هوا و سوخت میشود و سیکل به مرحله اول باز میگردد . سیکل کارکرد پالس جت بدون دریچه : در پالس جت های بدون دریچه خمی که مابین محفظه احتراق و نازل قرار دارد دقیقا کاری را انجام میدهد که دریچه در نوع دریچه دار انجام میدهد .با وجود این خم در این ناحیه کاهش فشار ایجاد شده و مقداری از گاز های در حال خروج را به محفظه احتراق باز میگرداند .و بقیه مراحل دقیقا همانند نوع دریچه دار میباشد که در بالا توضیح داده شد . ۵. پرشر جت این موتور جت امروزه کاربردی در صنایع هوایی و به عنوان پیشران جت ندارد . این موتور را میتوان طرحی ابتدایی از موتور رم جت دانست . در این پیشران جت سوخت از قسمت بالایی به داخل لوله ای چند تکه که از بالا به پایین قطور تر میگردد پاشیده میشود و از قسمت بالایی و دهانه لوله و همچنین از فواصلی که مابین این لوله چند تکه وجود دارد هوای تازه وارد لوله شده و با سوخت مخلوط میگردد . سپس مخلوط سوخت و هوا وارد محفظه احتراق شده و محترق میگردند . برای گرم کردن سوخت پیش از عمل احتراق ، لوله سوخت رسان را در محفظه احتراق و بدور جدار داخلی آن میپیچانند و به این ترتیب سوخت گرما را از توده گاز داغ محترق شده دریافت میکند و گرم میشود ، به این ترتیب عمل احتراق نیز با کیفیت بهتری انجام میگردد. ۶. توربو جتتوربو جتها از انواع متداول موتورهای جت هستند که در اکثرهواپیماهای جنگنده و پرنده هایی که با سرعتهای زیاد حرکت میکنند استفاده میگردد . در زیر به طرز کار موتور توربو جت میپردازیم 1 . در مرحله اول هوا از طریق دهانه ورودی وارد ابتدای قسمت کمپرسور میشود .2 . در مرحله بعدی هوا توسط کمپرسور فشرده شده و بطرف دیفیوژر فرستاده میشود . 3 . پس از کاسته شدن سرعت و افزایش فشار و دمای هوا در دیفیوژر هوا به محفظه احتراق و سپس لوله احتراق فرستاده میشود . 4 . پس از عملیات احتراق در موتور گاز های داغ تولیدی باعث چرخش توربین و در نتیجه محور متصل به توربین میگردد.از نکات قابل توجه در طراحی یک توربو جت طراحی بخش نازل و خروجی است چراکه هدف استفاده از توربوجت نیروی رانش پرنده میباشد . در بهترین حالت فشار ستون هوای داغی که از موتور خارج میگردد با فشار جو اطراف پرنده برابر است . توربو جت با جریان محوری (با کمپرسور محوری چند مرحله ای): توربو جت با جریان مرکزی (با کمپرسور سانتریفیوژ چند مرحله ای): ۷. توربو پراپموتور جت توربو پراپ ، موتوری است ما بین موتور توربوفن و توربو جت .طرز کارکرد این موتور با توربو جت دقیقا همسان میباشد . پروانه بزرگ که به شفت اصلی متصل است نیروی رانش یا تراست تولید میکند نیروی تراست تولیدی پروانه همراه با نیروی رانش تولیدی توسط گازهای داغ خروجی نیروی رانش برآیند را تولید میکند انقلاب در صنعت ساخت موتورهای جت توسط استاد ایرانی دانشگاه پوردو استاد ایرانی علوم مهندسی مکانیک دانشگاه پوردو آمریکا ریز حسگرهای بی سیمی ساخته است که به جهت ظرافت های فوق العاده در ساختار کلی کوچکترین نواقص فنی در موتورهای جت را که عمدتا به سقوط هواپیماها منجر می شوند بلافاصله شناسایی می کنند. پروفسور فرشید صادقی استاد علوم مهندسی مکانیک دانشگاه پوردو آمریکا با همکاری پرولیوس از دیگر محققان این دانشگاه این حسگرهای فوق پیشرفته را طراحی و ساخته است.این حسگرها مثالی روشن از سیستم های میکرو الکترومکانیکی بوده و نیروی هوایی آمریکا برای استفاده از آنها ابراز علاقه کرده است. نیروی هوایی آمریکا در نظر دارد از این فناوری مدرن و کاربردی برای جلوگیری از وقوع نواقص مرگبار فنی در موتورهای جت استفاده کند. پروفسور فرشید صادقی از دانشگاه پوردوی آمریکابه گفته کارشناسان از این ریز حسگرها همچنین می توان در هواپیماهای غیرنظامی، خودروها و سایر سیستم های حرکتی مشابه استفاده کرد.به گفته آنها هر سیستمی که دارای موتور باشد می تواند از مزایای آن استفاده کند. این برای نخستین بار است که فناوری ارایه شده از سوی پروفسور صادقی در چنین سیستم پیچیده ای (موتور جت) به کار گرفته شده است. این حسگرها هشدار اولیه و دقیق تری از نواقص فنی را ارایه می کنند چون مستقیما دمای موتور و قسمتهای مربوطه را کنترل می کند.این درحالی است که در حال حاضر از تکنیک روغن کاری حسگرها و در ادامه اندازه گیری تغییر دمای روغن برای پی بردن به نواقص فنی استفاده می شود.محققان استفاده از این فناوری نوین را به جهت اندازه کوچک تر و اطمینان بیشتر در دستور کار استفاده دارند. در حال حاضر حسگرهای فعلی قابلیت تحمل دمای تا 410 درجه فارنهایت را داشته و نیروی هوایی آمریکا به دنبال افزایش آن به 570 درجه فارنهایت است.نتایج دستاورد ارزشمند این محققان در کنفرانسی که اخیرا در آتلانتا برگزار شد ارایه شده است. پروفسور صادقی در سال 1979 مدرک کارشناسی خود را از دانشگاه تنسی دریافت کرد. وی در سال 1981 نیز کارشناسی ارشد خود را از همین دانشگاه اخذ کرد و در نهایت در سال 1985 نیز مدرک دکتری خود در رشته مهندسی مکانیک را از دانشگاه کارولینای شمالی دریافت کرد.عمده تحقیقات وی بر حوزه هایی نظیر مکانیک های تماسی و پردازش مواد متمرکز است
آنگونه که از شواهد تاریخی و نیز مطالعه زندگی اجتماعی نوع بشر استنباط می شود همواره تسهیل امور زندگی و ایجاد رفاه برای گونه خود هدفی ناگفته اما والا و جهان شمول برای تمامی قومیت ها و نژاد ها تلقی شده و می شود
در این راه اما بشریت به اقتضای زمان حیات خود دست به ابداع و اختراع وسایلی زده که ماحصل آن ایجاد شاخه ای از علم با هدف اصلی ابزار سازی است که امروزه و در جهان نوین از آن با نام که دارای اصالت یونانی است ( مکانیک ) نامبرده می شود ، با آغاز حیات بشر نخستین چالش پیش روی نوع انسان یعنی تغذیه ، موجب آن شد تا این موجود دو پا از خورده سنگ ها بهره برده و با ایجاد تغییرات فیزیکی در ظواهر آن ها ابزاری برای شکار حیوانات و تغذیه از آنان ابداع کند .
مدتی بعد اما بشریت پی برد که به تنهایی قادر به برآورده سازی همه نیازهای خود نیست بدین ترتیب انسان ها گرد هم آماده و نخستین جوامع ایلاتی و عشایری تاریخ را پایه گذاری کردند ، از آنجایی که خشونت طبیعت موجب آزردگی انسان های نخستین شده و آن ها را وادار به حرکت و سیال بودن در طبیعت کرده بوده ، مدتی بعد با توجه به نیاز به تحرک بیشتر جوامع ایجاد شده ، انسان های نخستین با اسنفاده از خورده سنگ ها دست به اختراعی بزرگ زدند که تمامی طول تاریخ بشریت و پیشرفت های جوامع بشری از ابتدا تا به حال همگی مدیون و مرحون آن بوده و هست و خواهد بود ، این اختراع چیزی نیست جز “چرخ”
پس از اختراع چرخ و با پیشرفت تدریجی جوامع انسانی موارد استفاده از چرخ و اَشکال آن هم دستخوش تغییر شده و توسعه یافت یکی از اولین اختراعات بشریت که حاصل تجمیع اجسام دوار چرخ مانند بود آسیاب های بادی قدیمی است که جد همه توربو ماشین های امروزی محسوب می شود . به جرات می توان عنوان کرد که توربوماشین ها از گذشته تا به امروز و خصوصا” حالا در عصر مدرن کلیدی ترین و مهم ترین نقش در تسیهل زندگی بشریت را ایفا کرده اند به نحوی که امروزه حضور این وسائط بشدت کاربردی در همه ابعاد زندگی انسان ها قابل روئیت است از کولر و پنکه تا خودرور و هواپیما تا نیروگاه های تولید برق و پمپ های اب و حتی
در بین توربو ماشین ها اما نقطه عطف و بالاترین جایگاه به پیچیده ترین ها آن ها یعنی موتور های توربین گازی پروازی اختصاص دارد که بصورت عامیانه به آن ها لفظ ” جت ” اطلاق می شود .
