موتور جت چگونه کار می کند؟
به گزارش وبلاگ کلشی ها، اگر نگاهی دقیق به عملکرد داخلی پیچیده یک موتور توربوفن مدرن بیندازید، نحوه عملکرد آن شما را متحیر خواهد کرد.
به گزارش خبرآنلاین به نقل از popsci، موتور جت یک قطعه صنعتی بسیار پیچیده است که وظیفه ای ساده به عهده دارد: تامین نیروی محرکه ای که هواپیما برای پرواز به آن نیاز دارد. زمانی که هواپیما روی باند حرکت می کند و سپس به آسمان می رود، افراد احساس می کنند که کمی به داخل صندلی خود فرو می روند، شاید بتوانید دلیل آن را حدس بزنید. در زیر هر بال هواپیما، موتور های توربوفن قرار دارند، که هوا وارد آن ها شده، و موتور ها این هوا را به سمت عقب شتاب می دهند تا نیروی رانش مورد نیاز برای پرواز را تولید کنند.
ممکن است جزئیات داخلی موتور های تجاری شرکت هایی نظیر: جنرال الکتریک، رولز رویس، و پرت اند ویتنی با هم متفاوت باشند، اما اصول اولیه آنچه در آن ها اتفاق می افتد یکسان است.
اما بوث، یکی از مدیران زیر سیستم در رولز رویس می گوید: یک موتور جت توربوفن مدرن بر اساس قانون سوم نیوتن کار می کند. هر کنشی واکنشی دارد به همان مقدار و در جهت مخالف آن.
در حالی که توضیحات فنی سطح بالا، ممکن است ساده به نظر برسد، اما فرآیند درون خود موتور، هم پیچیده و هم مجذوب کننده است. در این مقاله به عملکرد داخلی موتور هواپیما، از فشرده شدن هوا تا احتراق سوخت و بالا رفتن دما، پرداخته ایم.
فن های جلوی موتور، هوا را به داخل می کشند
اگر از گیت های فرودگاه به موتور یک هواپیما نگاه کنید می توانید پره های فن که در داخل بدنه موتور، و در جلو آن قرار دارند را ببینید. قطر این پره ها واقعا بزرگ هستند. مثلا موتور GE9X جنرال الکتریک دارای یک فن با 16 پره است که قطر آن تقریبا 5 متر است. یکی از این موتور ها می تواند 470 هزار نیوتن، نیروی رانش تولید کند، اگرچه طبق رکورد ثبت شده در سال 2017، این موتور حتی می تواند به یکباره انرژی بیشتری نیز تولید کنید.
کریستوفر لورنس، مهندس ارشد در GE Aerospace می گوید: یک فن بزرگ در جلو هواپیما وجود دارد که در واقع حدود 90 درصد نیروی رانش را تأمین می کند.
موتور GE90 را در نظر بگیرید که در هواپیما هایی مانند بوئینگ 777 در زیر بال های هواپیما ها آویزان است. شرکت سازنده این موتور می گوید: هر یک از موتور های این هواپیما، در هنگام بلند شدن، در هر ثانیه حدود 1600 کیلوگرم هوا را به داخل می کشند.
فن در هوا می چرخد و با عبور هوا از موتور، مقدار نسبتاً کمتری از هوا در یک مسیر به جریان می افتد و به سمت مرکز و هسته دستگاه می رود. اما بیشتر هوا از کنارهسته عبور می کرده (یا اصطلاحا بای پس می شود) و از آن عبور می کند و مستقیماً از پشت خارج می شود. هوای بای پس شده در واقع هوایی است که از هسته عبور نمی کند و برای به حرکت درآوردن هواپیما، بیشترین کار را انجام می دهد.
تفاوت بین حجم هوایی که از هسته عبور می کند و حجم هوای بای پس شده در هسته موتور، با عنوان نسبت بای پس موتور شناخته می شود. سازندگان موتور می خواهند که نسبت بای پس موتور در بالاترین راندمان ممکن باشد. لورنس می گوید: کارآمدترین راه برای انجام این کار، گرفتن هوای زیاد و کمی افزایش فشار است. موتور های اولیه هواپیماها، نسبت بای پس بسیار پایینی داشتند؛ بنابراین بیشتر هوا از هسته عبور می کرد، و تنها مقدار کمی از هوا از طریق بای پس و با سرعت نسبتا بالایی از آن عبور می کرد. ، اما امروزه موتور های توربوفن نسبت بای پس بسیار بالایی پیدا کرده اند.
البته استثنایی که در اینجا وجود دارد موتور های جت در هواپیما های نظامی هستند، مثلا موتور جت های جنگنده که نسبت به موتور هواپیما های تجاری، نسبت بای پس بزرگی ندارند. این هواپیما ها علاوه بر صرفه جویی در مصرف سوخت، مزیت های دیگری نیز دارند - مانند توانایی مانورپذیری بالا، رسیدن به سرعت های مافوق صوت و قرار نگرفتن آن ها در دیدرس، به دلیل یکپارچگی نزدیک آن ها با بدنه؛ و امکان استفاده از پس سوزها. (پس سوز به انگلیسی Afterburne، جزئی است که به موتور جت هواپیما های مافوق صوت اضافه می شود. استفاده از این حالت می تواند رانش را تا 70٪ افزایش دهد.).
فشرده شدن هوا در هسته و احتراق
پره های فن در جلو برای چرخش نیاز به نیرو دارند و اینجاست که هسته موتور وارد عمل می شود. درصد کمی از هوایی که از هسته عبور می کند (حدود 10 درصد، زیرا 90 درصد دیگر بای پس می شوند) یک فرآیند چند مرحله ای را تجربه می کند.
اولین بخش هسته، کمپرسور است، و همانطور که از اسمش پیداست، جایی است که هوا در آن فشرده می شود. در این قسمت هوا متراکم تر شده و گرم می شود. بوث می گوید: پره های کمپرسور شامل چندین قسمت پله ای شکل چرخان، و محور های کمپرسور که ساکن هستند، می باشد. به تدریج با کوچک تر شدن و کوچک تر شدن تیغه های کمپرسور، هوا فشرده و فشرده تر می شود.
البته هوا نمی خواهد که فشرده شود، و انجام فشرده سازی آن روندی کاربر است. به گفته بوث: این کار مثل این است که بخواهیم آب را در یک سربالایی به جریان بیاندازیم!
پس از مرحله کمپرسور، نوبت به احتراق می رسد. سوخت جت مشتعل می شود و هوا را بیشتر گرم می کند. لورنس که یک سرمهندس در جنرال الکتریک است می گوید: اگر دمای هوا در انتهای دم کمپرسور، در حدود 650 تا 700 درجه سانتیگراد باشد، ممکن است پس از عبور از محفظه احتراق به 1650 درجه سانتیگراد یا بیشتر برسد. برای مقایسه، باید بگوییم که دمای گدازه های یک آتشفشان در هاوایی در حدود 1170درجه است.
به گفته لورنس: هوای سوزانی که از محفظه احتراق خارج می شود، به طرز شگفت انگیزی، بالاتر از نقطه ذوب پره های توربین های پشت سر آن ها هستند. در واقع ما باید هوا را از طریق آن پره ها پمپاژ کنیم تا از ذوب شدن پره ها جلوگیری کنیم. این هوای نسبتاً خنک تر از قسمت کمپرسور می آید. رولز رویس نیز برای جلوگیری از ذوب شدن پره های توربین خود، کاری مشابه این را انجام می دهد.
سازندگان موتور هواپیما می خواهند تا هم نسبت بای پس بزرگی داشته باشند، و هم داخل موتور بسیار داغ باشد. لورنس می گوید: هرچه دما را بالاتر ببرید، کارآیی هسته بیشتر می شود.
تولید انرژی از طریق توربین ها در هسته موتور
بعد از اینکه هوا بسیار گرم شد، بعنوان آخرین وظیفه یک کار مهم وجود دارد: چرخاندن تعدادی توربین. در یک موتور جنرال الکتریک دو توربین وجود دارد، یک توربین فشار قوی و یک توربین کم فشار. لورنس می گوید: شما حجم مشخصی از هوا را دارید که انرژی بالایی دارد. دلیل انجام همه این کار ها این است که انرژی در این مرحله از طریق توربین آزاد شود.
هریک از این دو توربین وظیفه خاصی بر عهده دارند. لورنس می گوید اول اینکه توربین فشار قوی این انرژی را گرفته و کمپرسور را می چرخاند، که این کار اساساً باعث راه اندازی هسته می شود.؛ و سپس در توربین کم فشار، آن انرژی دریافت شده و شفت را می چرخاند که باعث چرخش فن (در جلوی موتور) می شود.
در موتور های ترنت رولز رویس، نظیر آنچه در ایرباس A350 وجود دارد، یک توربین فشار میانه نیز بین توربین های فشار قوی و کم فشار وجود دارد. در این صورت، دو توربین اول باعث می شوند تا کمپرسور کار کند و توربین آخری، به پره های بزرگ جلو فن نیرو می دهند.
به طور خلاصه: هوایی که وارد هسته می شود، فشرده شده و با احتراق سوخت، داغ تر می شود. سپس این هوای فشرده داغ توربین ها را به حرکت در آورده و یکی از آن توربین ها، به پره های فنی که در جلوی موتور قرار گرفته است، نیرو می دهد. به یاد داشته باشید، این بای پس هوا در کنار هسته است که در مقایسه با اگزاست هسته (که وظیفه آن تخلیه گاز داغ به درون اتمسفر است)، بیشترین نیروی رانش را به موتور می دهد.
بوث می گوید: سرعت هوای بای پس شده، نسبت به آنچه از هسته موتور عبور می کند کمتر است و این هوا همچنان آنقدر جرم دارد که تولید نیروی رانش زیادی کند. به خاطر این نیروی رانش است که هواپیما می تواند به سمت آسمان پرواز کند.
منبع: فرارو