سیکل کاری و انواع موتورهای توربین گازی جت

بیشتر هواپیماهای مدرن امروزی جهت تولید نیروی تراست لازم برای حرکت، از موتورهای توربین گازی استفاده میکنند.
اصطلاح "Gas Turbine" به عنوان یک واژه ی عمومی برای انواع موتورهای توربینی مورد استفاده قرار میگیرد و در محدوده ی موتورهای جت شامل: توربوجت، توربوفن، توربوپراپ، توربوشفت و کلیه موتورهای توربینی که با مکانیزم جت کار میکنند میشود. از سایر سیستم های پیشرانشی که با شتاب سیال، تراست تولید میکنند ولی توربینی نیستند میتوان به: رمجت، اسکرمجت، پالس جت، پرشرجت، واترجت و موتورهای راکتی اشاره کرد که هر کدام با مکانیزم و اصولی جدا کار میکنند و ساختمانی متفاوت از یکدیگر دارند.
http://sites.google.com/site/samplic/18.jpg
موتورهای توربینی گونه های مختلفی دارند و با وجود اینکه هر یک از آنها متفاوت از دیگری است اما دارای قسمتهای مشترکی هستند. همه ی موتورهای توربینی دارای یک مجرای ورود هوا، یک کمپرسور یا متراکم کننده، یک بخش احتراق، یک توربین و یک مجرای خروجی هستند. همه ی این موتورها با یک اصول اساسی کار میکنند ولی هر کدام از آنها دارای مزایا و اشکالات مجزایی هستند. در بالا شکل بسیار ساده ای از یک موتور توربین گازی مشاهده میشود. همه موتورهای توربینی جت با این قاعده کار میکنند :هوا به داخل لوله مانندی کشیده و فشرده شده، با سوخت مخلوط و سوخته شده با سرعت بالایی خارج میشود.
کلید ساختن یک موتور جتی که کار کند در فشرده سازی هوای ورودی آن است. چنانچه کمپرس صورت نگیرد، مخلوط هوا و سوخت قادر نخواهد بود هیچ ازدیاد حجم و تراستی تولید کند. بیشتر جت ها دارای کمپرسوری هستند شامل پره های گردنده و در قسمتی که کمپرس صورت میگیرد حرکت هوا جهت ایجاد فشار زیاد، کند میشود. این هوای کمپرس شده به داخل محفظه ای که در آن احتراق صورت میگیرد رانده شده و با سوخت مخلوط شده و سوزانده میشود. در حین اینکه گازهای پرفشار در حال خارج شدن هستند از میان توربینی شامل پره های قوس دار زیادی میگذرند. در اینجا گازهای خروجی پره های توربین را به حرکت در می آورند و این توربین نیز از طریق یک شفت (محور) به کمپرسور در قسمت جلوی موتور متصل است و باعث گرداندن پره های کمپرسور میشود. به این طریق گازهای خروجی محفظه ی احتراق، توربین را و توربین نیز کمپرسور را گردانده تا هوای بیشتری گرفته و فشرده شود و موتور به سیکل کاری خود ادامه دهد. کارکرد موتورهای توربینی مداوم است یعنی بدون وقفه کار میکنند و هیچ وقفه ای ندارند.
انواع موتورهای جت توربینی
http://sites.google.com/site/samplic/23.gif

توربوجت
توربوجت اولین و ساده ترین شکل از یک موتور جت جهت تولید تراست است. همانطوری که در تصویر شماتیک آن دیده می شود دارای کمپرسور، محفظه ی احتراق، توربین و سایر قسمت های استاندارد یک موتور توربین گازی میباشد. تفاوت بارزی که بین یک توربوجت و یک موتور توربین گازی ساده وجود دارد در کمپرسور توربوجت است که دارای ضریب تراکم بسیار بالاتری نسبت به یک توربین گاز ساده است. تفاوت اساسی دیگر در توربین آن است که در توربوجت توربین تنها به کمپرسور متصل است و تنها میزان بسیار کمی از قدرت همان توربین جهت سایر موارد فرعی مانند پمپ ها استفاده میشود و در توربوجت پر انرژی بودن گازهای خروجی یک موضوع بسیار مهم و قابل توجه است، در حالی که در یک موتور توربین گازی به غیر از توربینی که به کمپرسور متصل است توربین دیگری نیز جدا از آن در قسمت خروجی محفظه ی احتراق قرار دارد که در واقع به شفت خروجی موتور متصل است و جهت استفاده در مواردی از قبیل تولید برق و سایر موارد مشابه مورد استفاده قرار میگیرد. نکته ی قابل توجهی که در مورد موتورهای توربین گازی وجود دارد این است که از گازهای خروجی آنها هیچ استفاده ای نمیشود به همین جهت سعی میشود که تمام حرارت و انرژی قابل استفاده ی گازهای محترق قبل از خروج جهت بازدهی بیشتر گرفته شود.
http://sites.google.com/site/samplic/26.gif
نسبت سوخت به هوا در یک توربوجت خیلی کم است. طبق خبرگذاری ناسا، بطور میانگین در یک توبوجت مقدار 100 pounds هوا در ثانیه با 2 pounds سوخت در ثانیه ترکیب میشود ولی این نسبت در هر موتوری متفاوت است.
http://sites.google.com/site/samplic/23.gif
توربوفن
بسیاری از هواپیماهای مسافربری مدرن از موتور های توربوفن استفاده میکنند بخاطر اینکه آنها بازده بیشتری نسبت به سوخت دارند. اگر میزان مصرف سوخت یک توربوجت با تورفن و میزان تراست تولیدی آنها را مقایسه کنید میبینید که توربوفن با همان میزان مصرف سوخت، مقدار تراست خیلی بیشتری تولید میکند. یک موتور توربوفن شکل تغییریافته و پیشرفته ی یک موتور توربین گازی ساده است. همانند سایر موتورهای جت، توربوفن هم دارای هسته ی موتوری توربوجت است. در یک توربوفن مرکز موتور توسط یک لایه شامل یک فن در جلو و توربین اضافی درکنار آن احاطه شده است. فن و توربین فن از تعداد زیادی تیغه همانند کمپرسور و توربین هسته تشکیل شده اند که به یک شفت اضافی متصل اند. شفتی که به فن متصل است از وسط هسته ی شفت مرکزی عبور میکند و به این صورت اگر موتور دارای سه شفت باشد، فن جلویی به درونی ترین شفت و آن نیز به آخرین طبقه ی توربین در انتهای موتور (مرکز) متصل است.
http://sites.google.com/site/samplic/22.jpg
توبوفن ها به دو دسته شامل توربوفن با نسبت گذرگاهی پایین و با نسبت گذرگاهی بالا تقسیم میشوند. دسته ی اول نسبتا کوچکتر هستند و مقداری بیشتر از یک توربوجت، تراست تولید میکنند ولی توربوفن با نسبت گذرگاهی بالا، تراست خیلی بیشتری تولید میکنند و نسبت به سوخت کارآمد تر هستند و صدای کمتری تولید میکنند. اصلی ترین هدف و وظیفه ی فن راندن مقدار زیادی هوا از میان گذرگاه خارجی است که از اطراف هسته ی موتور می گذرد. با اینکه در این گذرگاه جانبی جریان هوا با سرعت خیلی کمتری جریان میابد، ولی حجم بالایی از هوا با این فن شتاب و سرعت میگیرند و این فن، به غیر از تراستی که هسته ی توربوجت دارد، تراست مهم و عمده ای را بدون سوزاندن هیچ سوخت اضافی تولید میکند. بدینگونه توربوفن نسبت به توربوجت استفاده ی بیشتری از سوخت میکند، در نتیجه بازده آن بیشتر از توربوجت است. در حقیقت موتورهای توربوفن با نسبت گذرگاهی بالا در بازدهی تقریبا با توربوپراپ برابر هستند. به علاوه، هوای کم سرعت باعث لایه گذاری صدای مرکز موتور میشود و موتور را کم صدا تر میکند. فن به دلیل اینکه در میان داکت یا مجرای ورودی قرار گرفته است و از تعداد زیادی پره تشکیل شده است میتواند بطور کارآمد با سرعتی بیشتر از یک ملخ ساده کار کند. به همین دلیل توربوفن ها در نقل و انتقالات پر سرعت به کار میروند ولی ملخ دارها در نقل و انتقالات سرعت پایین بکار میروند. تعداد زیادی از هواپیماهای جنگنده از موتورهای توربوفن با نسبت گذرگاهی پایین مجهز شده به پس سوز استفاده میکنند. آنها میتوانند بطور کارآمد به گشت زنی بپردازند و در جنگهای هوایی نیز، تراست خیلی بالایی دارند.

http://sites.google.com/site/samplic/24.gif

توربوپراپ
بسیاری از هواپیماهای ترابری و پر مصرف کوچک از پیشرانش توربوپراپ استفاده میکنند. موتورهای توربوپراپ از هسته ی یک موتور توربین گازی برای گرداندن ملخ استفاده میکنند. موتورهای ملخ دار با حرکت دادن حجم بالایی از هوا و تغییر کمی در سرعت آن، تراست تولید میکنند. این پیشرانشها بسیار کارآمد هستند و از هر نوع نیروی محرکه ای (موتور) برای به گردش در آوردن ملخ میتوانند استفاده کنند.
در پیشرانش توربوپراپ دو قسمت اصلی و برجسته وجود دارند؛ یکی موتور و دیگری ملخ یا پروانه. هسته ی موتور در این نوع پیشرانش بسیار مشابه یک توربوجت ساده است، با این تفاوت که به جای رانش قوی گازهای خروجی به بیرون برای تولید تراست، بیشتر انرژی گازهای خروجی صرف گرداندن توربین میشود. این قسمت در بیشتر موتورها شامل چند طبقه از توربینهای کاملا مجزا است که نیروی آنها از طریق یک شفت دیگر به جعبه دنده و بعد به ملخ انتقال میابد. سرعت گازهای اگزوز در یک توربوپراپ پایین است و تراست کمی تولید میکند، چون بیشتر انرژی گازهای اگزوز صرف به گردش در آوردن توربین میشود. بطور میانگین در یک توربوپراپ، تراست تولیدی توسط هسته ی جت حدود 15% است درحالی که تراست تولیدی توسط ملخ آن مقدار باقیمانده یعنی 85% است.
http://sites.google.com/site/samplic/20.gif
در تصور توربوفن و توبوپراپ مشابه یکدیگرند، اما توربوفن دقیقا خاصیت یک جت را داراست به این معنا که برای تولید تراست از گازهای خروجی استفاده میکند و همچنانکه در شکل مشاهده میشود یک داکت یا مجرا دارد و قسمت فن دارای نازل نیز میباشد، ولی توربوپراپ فقط از موتور جت استفاده میکند و تولید عمده ی، تراست توسط ملخ انجام میشود. توربوپراپ از بازدهی بالاتری ازسوخت نسبت به توربوفن برخوردار است اما به هر حال صدا و ارتعاش تولیدی توسط ملخ توربوپراپ یک اشکال عمده است و از طرفی توربوپراپ به سرعت ساب سونیک محدود شده است.
http://sites.google.com/site/samplic/25.gif
توربوشفت
توبوشفت گونه ای از موتورهای جت است که تقریبا تمام بالگرد هایی که امروزه ساخته میشوند، از آن نیرو میگیرند. همانطور که در تصویر مشاهده میشود توربوشفت از بسیاری قسمتهای توربوجت استفاده میکند. یک تفاوت
اساسی بین توربوشفت و سایر موتورهایی که در بالا معرفی شدند این است که توربین تنها به کمپرسور متصل نیست. البته همانند توربوپراپ در اکثر موتورهای توربوشفت چند طبقه از توربینهای مجزا از کمپرسور، وجود دارند که انرژی آنها از طریق شفتی مجزا به جعبه دنده جهت تغییر به گشتاور مناسب انتقال میابد و بعد مورد استفاده قرار میگیرد. بطور نمونه تیغه های روتور بالگرد را میچرخاند. از طرفی بالگردها در ارتفاعی بسیار پایین تر از هواپیماها جایی که گرد وخاک، ماسه و دیگر آشغالهای ریز به راحتی میتوانند به داخل موتور مکیده شوند، کار میکنند. جهت برطرف کردن این مشکل، بیشتر موتورهای توربوشفت به یک دستگاه تجزیه ی ذره ها که جریان ورودی را صاف کرده و قبل از رسیدن آن به کمپرسور، گرد و خاک را بیرون میریزد، مجهزند.
http://sites.google.com/site/samplic/19.jpg