نحوه عملکرد موتور های جت

وقتی سوار یک پرواز خطوط هوایی می شوید، ممکن است زمان زیادی را صرف فکر کردن به موتورها نکنید، اما موتورها تنها دلیلی هستند که 700000 پوند آلومینیوم و مسافران می توانند با سرعت - معادل 80 درصد سرعت صوت - در هوا حرکت کنند.

خب آنها چگونه کار میکنند؟

موتورهای جت که به آنها توربین گاز نیز می گویند، با مکش هوا به جلوی موتور با استفاده از فن کار می کنند و از آنجا، موتور هوا را فشرده می کند، سوخت را با آن مخلوط می کند، مخلوط سوخت/هوا را مشتعل می کند و آن را از پشت موتور (با فشار) خارج می کند و نیروی رانش ایجاد را می کند.

موتورهای جت هواپیما را با نیروی زیادی به جلو می برند که در اثر یک رانش فوق العاده ایجاد می شود و باعث می شود هواپیما با سرعت بسیار بالایی پرواز کند.

همه موتورهای جت که به آنها توربین گاز نیز می گویند، بر اساس یک اصل کار می کنند. موتور با یک فن هوا را در جلو می مکد. کمپرسور فشار هوا را افزایش می دهد. کمپرسور با تیغه های زیادی که به یک شفت متصل هستند ساخته شده است.

تیغه ها با سرعت زیاد می چرخند و هوا را فشرده یا فشرده می کنند. سپس هوای فشرده با سوخت پاشیده می شود و یک جرقه الکتریکی مخلوط را روشن می کند. گازهای سوزاننده منبسط می شوند و از طریق نازل، در پشت موتور، منفجر می شوند.

همانطور که جت های گاز به سمت عقب شلیک می کنند، موتور و هواپیما به جلو رانده می شوند. همانطور که هوای گرم به سمت نازل می رود، از گروه دیگری از پره ها به نام توربین عبور می کند. توربین به همان شفت کمپرسور متصل است.

چرخش توربین باعث چرخش کمپرسور می شود.

تصویر زیر نحوه عبور هوا در موتور را نشان می دهد. هوا از هسته موتور و همچنین در اطراف هسته عبور می کند. این باعث می شود که بخشی از هوا بسیار گرم و برخی خنک تر شود. سپس هوای سردتر با هوای گرم در ناحیه خروجی موتور مخلوط می شود.

Thrust چیست؟

تراست نیرویی به جلو است که موتور و در نتیجه هواپیما را به جلو می راند.

اسحاق نیوتن کشف کرد که برای هر عملی یک واکنش برابر و مخالف وجود دارد؛ یک موتور از این اصل استفاده می کند. موتور حجم زیادی از هوا را می گیرد.

هوا گرم و فشرده می شود و کند می شود.

هوا از طریق تیغه های چرخان زیادی عبور می کند و با اختلاط این هوا با سوخت جت، دمای هوا به سه هزار درجه می رسد. از نیروی هوا برای چرخاندن توربین استفاده می شود. در نهایت، هنگامی که هوا خارج می شود، از موتور به عقب رانده می شود. این باعث می شود هواپیما به جلو حرکت کند.

قطعات یک موتور جت

Fan - فن اولین جزء یک توربوفن است. فن چرخان بزرگ مقدار زیادی هوا را می مکد. بیشتر تیغه های فن از تیتانیوم ساخته شده اند. سپس این هوا را سرعت می بخشد و آن را به دو قسمت تقسیم می کند. یک قسمت از طریق "هسته" یا مرکز موتور ادامه می یابد، جایی که توسط سایر اجزای موتور بر روی آن اثر می گذارد.

قسمت دوم هسته موتور را دور می زند. از طریق مجرای که هسته را احاطه کرده به پشت موتور می رود، جایی که نیروی زیادی را تولید می کند که هواپیما را به جلو می راند. این هوای خنک تر به آرام کردن موتور و همچنین افزایش نیروی رانش به موتور کمک می کند.

Compressor - کمپرسور اولین جزء در هسته موتور است. کمپرسور از فن هایی با پره های زیاد تشکیل شده و به یک شفت متصل است. کمپرسور هوایی را که وارد آن می شود به نواحی کوچکتر فشرده می کند و در نتیجه فشار هوا افزایش می یابد.

این منجر به افزایش پتانسیل انرژی هوا می شود. هوای له شده با فشار وارد محفظه احتراق می شود.

Combustor - در محفظه احتراق هوا با سوخت مخلوط شده و سپس مشتعل می شود.

20 نازل برای پاشیدن سوخت به جریان هوا وجود دارد. مخلوط هوا و سوخت آتش می گیرد. این یک جریان هوا با دمای بالا و انرژی بالا را فراهم می کند. سوخت با اکسیژن موجود در هوای فشرده می سوزد و گازهای داغ در حال انبساط تولید می کند. داخل محفظه احتراق اغلب از مواد سرامیکی ساخته شده است تا محفظه ای مقاوم در برابر حرارت ایجاد کند.

گرما می تواند به 2700 درجه برسد.

Turbine - توربین جریان هوای پرانرژی که از محفظه احتراق خارج می شود به داخل توربین می رود و باعث چرخش پره های توربین می شود.

توربین ها توسط یک شفت به هم متصل می شوند تا پره های کمپرسور را بچرخانند و فن ورودی را در جلو بچرخانند.

این چرخش مقداری انرژی از جریان پر انرژی که برای به حرکت درآوردن فن و کمپرسور استفاده می شود، می گیرد.

گازهای تولید شده در محفظه احتراق در داخل توربین حرکت کرده و پره های آن را می چرخانند. توربین های جت هزاران بار به دور خود می چرخند. آنها بر روی شفت هایی که چندین مجموعه بلبرینگ در بین آنها وجود دارد ثابت می شوند.

Nozzle - نازل مجرای اگزوز موتور است. این قسمت موتور است که در واقع نیروی رانش هواپیما را تولید می کند.

جریان هوای کم‌انرژی که از توربین عبور می‌کند، علاوه بر هوای سردتر که هسته موتور را دور می‌زند، در هنگام خروج از نازل نیرویی تولید می‌کند که موتور و در نتیجه هواپیما را به جلو می‌برد.

ترکیب هوای گرم و هوای سرد خارج شده از اگزوز است که باعث رانش به جلو می شود.

ممکن است قبل از نازل یک میکسر وجود داشته باشد که هوای با دمای بالا که از هسته موتور می آید را با هوای با دمای پایین تر که در فن دور زده شده است ترکیب می کند و میکسر به بی صدا شدن موتور کمک می کند.

اولین موتور جت - تاریخچه کوتاه موتورهای اولیه

اسحاق نیوتن در قرن هجدهم اولین کسی بود که این نظریه را مطرح کرد که یک انفجار کانالی به سمت عقب می تواند ماشین را با سرعت زیادی به جلو سوق دهد. این نظریه بر اساس قانون سوم حرکت او بود.

همانطور که هوای گرم از طریق نازل به سمت عقب منفجر می شود، هواپیما به سمت جلو حرکت می کند.

هانری گیفارد یک کشتی هوایی ساخت که از اولین موتور هواپیما، یک موتور بخار سه اسب بخار نیرو می گرفت. خیلی سنگین بود، برای پرواز خیلی سنگین بود.

در سال 1874، فلیکس دی تمپل، یک هواپیمای تک هواپیما ساخت که با کمک یک موتور بخار زغال‌سنگ، از یک تپه به پایین پرید.

اتو دایملر در اواخر دهه 1800 اولین موتور بنزینی را اختراع کرد.

در سال 1894، هیرام ماکسیم آمریکایی سعی کرد هواپیمای دوباله سه گانه خود را با دو موتور بخار زغال سنگ نیرو دهد و فقط چند ثانیه پرواز کرد.

موتورهای بخار اولیه با زغال سنگ گرم شده کار می کردند و به طور کلی برای پرواز بسیار سنگین بودند.

ساموئل لنگلی آمریکایی مدلی از هواپیما ساخت که با موتورهای بخار کار می کرد. او در سال 1896 موفق شد با یک هواپیمای بدون سرنشین با موتور بخار به نام Aerodrome پرواز کند. قبل از تمام شدن بخار، حدود 1 مایل پرواز کرد.

او سپس سعی کرد یک هواپیما با اندازه کامل به نام Aerodrome A با موتور گازسوز بسازد. در سال 1903، بلافاصله پس از پرتاب از یک قایق خانگی سقوط کرد.

در سال 1903، برادران رایت با یک موتور گازی 12 اسب بخاری پرواز کرد.

از سال 1903، سال اولین پرواز برادران رایت، تا اواخر دهه 1930، موتور درون‌سوز متقابل گازسوز با ملخ تنها وسیله‌ای بود که برای رانش هواپیما استفاده می‌شد.

این فرانک ویتل، یک خلبان بریتانیایی بود که اولین موتور جت توربو را در سال 1930 طراحی و ثبت اختراع کرد. موتور ویتل برای اولین بار در می 1941 با موفقیت پرواز کرد. این موتور دارای یک کمپرسور چند مرحله ای و یک محفظه احتراق، یک توربین تک مرحله ای و یک موتور بود.

در همان زمان که ویتل در انگلستان کار می کرد، هانس فون اوهاین روی طرحی مشابه در آلمان کار می کرد. اولین هواپیمایی که با موفقیت از موتور توربین گازی استفاده کرد Heinkel He 178 آلمانی در اوت 1939 بود. این اولین پرواز با موتور توربوجت در جهان بود.

جنرال الکتریک اولین موتور جت آمریکایی را برای هواپیمای جت نیروی هوایی ارتش ایالات متحده ساخت. این هواپیمای آزمایشی XP-59A بود که برای اولین بار در اکتبر 1942 پرواز کرد.

انواع موتورهای جت

توربوجت - Turbojet

ایده اصلی موتور توربوجت ساده است. هوای وارد شده از دهانه جلوی موتور به 3 تا 12 برابر فشار اولیه آن در کمپرسور فشرده می شود.

سوخت به هوا اضافه می شود و در یک محفظه احتراق سوزانده می شود تا دمای مخلوط سیال به حدود 1100 درجه فارنهایت تا 1300 درجه فارنهایت افزایش یابد. هوای گرم حاصل از یک توربین عبور داده می شود که کمپرسور را به حرکت در می آورد.

اگر توربین و کمپرسور کارآمد باشند، فشار در تخلیه توربین تقریباً دو برابر فشار اتمسفر خواهد بود و این فشار اضافی به نازل فرستاده می‌شود تا جریان گازی با سرعت بالا تولید کند که یک رانش ایجاد می‌کند.

افزایش قابل توجهی در رانش را می توان با استفاده از پس سوز به دست آورد.

این یک محفظه احتراق دوم است که بعد از توربین و قبل از نازل قرار گرفته است. پس سوز دمای گاز جلوتر از نازل را افزایش می دهد. نتیجه این افزایش دما، افزایش حدود 40 درصدی رانش در هنگام برخاستن و درصد بسیار بیشتری در سرعت های بالا هنگامی که هواپیما در هوا است، است.

موتور توربوجت یک موتور واکنشی است.

در موتور واکنش، گازهای در حال انبساط به شدت به جلوی موتور فشار می آورند. توربوجت هوا را می مکد و آن را فشرده یا فشرده می کند. گازها از طریق توربین جریان یافته و باعث چرخش آن می شوند.

این گازها به عقب برگشته و از قسمت پشتی اگزوز به بیرون پرتاب می‌شوند و هواپیما را به جلو می‌رانند.

توربوپراپ - Turboprop

موتور توربوپراپ یک موتور جت است که به پروانه متصل است.

توربین در پشت توسط گازهای داغ می چرخد و این باعث می شود شافتی که پروانه را به حرکت در می آورد. برخی از هواپیماهای کوچک و هواپیماهای ترابری با توربوپراپ نیرو می گیرند.

مانند توربوجت، موتور توربوپراپ از یک کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تشکیل شده است، از فشار هوا و گاز برای راه‌اندازی توربین استفاده می‌شود که سپس نیرویی برای به حرکت درآوردن کمپرسور ایجاد می‌کند.

در مقایسه با موتورهای توربوجت، این توربوپراپ در سرعت های پروازی کمتر از 500 مایل در ساعت راندمان پیشرانه بهتری دارد و موتورهای توربوپراپ مدرن مجهز به ملخ هایی هستند که قطر کمتری دارند اما تعداد پره های بیشتری برای عملکرد کارآمد در سرعت های پروازی بسیار بالاتر دارند.

برای تطبیق با سرعت‌های بالاتر پرواز، تیغه‌ها به شکل قیچی با لبه‌های پیشروی عقب کشیده در نوک تیغه‌ها هستند. موتورهایی که دارای چنین ملخ هایی هستند پروفن نامیده می شوند

توربوفن - Turbofan

موتور توربوفن دارای یک فن بزرگ در جلو است که هوا را می مکد. بیشتر هوا در اطراف بیرونی موتور جریان دارد و آن را ساکت‌تر می‌کند و در سرعت‌های پایین نیروی رانش بیشتری می‌دهد.

اکثر هواپیماهای مسافربری امروزی از توربوفن استفاده می کنند، در یک توربوجت تمام هوای ورودی از طریق ژنراتور گاز که از کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تشکیل شده است عبور می کند. در موتور توربوفن تنها بخشی از هوای ورودی به محفظه احتراق می رود.

باقی مانده از یک فن یا کمپرسور کم فشار عبور می کند و مستقیماً به عنوان یک جت سرد خارج می شود یا با اگزوز ژنراتور گاز مخلوط می شود تا یک جت گرم تولید کند.

هدف از این نوع سیستم بای پس افزایش نیروی رانش بدون افزایش مصرف سوخت است. این امر با افزایش کل جریان توده هوا و کاهش سرعت در همان منبع انرژی کل به دست می آید.

توربوشفت - Turboshaft

این شکل دیگری از موتورهای توربین گازی است که بسیار شبیه به یک سیستم توربوپراپ عمل می کند.

پروانه را به حرکت در نمی آورد. در عوض، انرژی مورد نیاز روتور هلیکوپتر را تامین می کند. موتور توربوشفت به گونه ای طراحی شده است که سرعت روتور هلیکوپتر مستقل از سرعت چرخش ژنراتور گاز باشد.

این اجازه می دهد تا سرعت روتور ثابت بماند حتی زمانی که سرعت ژنراتور برای تعدیل مقدار توان تولیدی تغییر می کند.

رامجت - Ramjet

رم جت ساده ترین موتور جت است و هیچ قطعه متحرکی ندارد.

این در اصل یک توربوجت است که در آن ماشین آلات دوار حذف شده است. کاربرد آن با این واقعیت محدود می شود که نسبت تراکم آن کاملاً به سرعت رو به جلو بستگی دارد.

رمجت هیچ نیروی رانش ایستا و به طور کلی رانش بسیار کمی کمتر از سرعت صوت ایجاد می کند.

در نتیجه، یک وسیله نقلیه رم جت به نوعی از برخاستن کمکی نیاز دارد، مانند هواپیمای دیگری. عمدتاً در سیستم های موشک های هدایت شونده استفاده شده است. وسایل نقلیه فضایی از این نوع جت استفاده می کنند.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.