موتور جت چیست؟ – تعریف، انواع و کارکرد
موتور جت چیست؟
کارموند: موتور جت نوعی موتور واکنشی است که یک جت سریع السیر را تخلیه می کند که توسط نیروی محرکه جت نیروی رانش ایجاد می کند. در حالی که این تعریف گسترده می تواند شامل موشک، جت آب و نیروی محرکه هیبریدی باشد، اصطلاح موتور جت معمولاً به یک موتور جت تنفس هوای احتراق داخلی مانند توربوجت، توربوفن، رم جت یا جت پالس اشاره دارد. به طور کلی موتورهای جت موتورهای احتراق داخلی هستند.
موتورهای جت تنفس هوا معمولاً دارای یک کمپرسور هوای چرخشی هستند که توسط یک توربین نیرو می گیرد، با نیروی باقیمانده که نیروی رانش را از طریق نازل پیشران فراهم می کند، این فرآیند به عنوان چرخه ترمودینامیکی برایتون شناخته می شود.
هواپیماهای جت از چنین موتورهایی برای سفرهای طولانی مدت استفاده می کنند. هواپیماهای جت اولیه از موتورهای توربوجت استفاده می کردند که برای پرواز زیر صوت نسبتاً ناکارآمد بودند. اکثر هواپیماهای جت مادون صوت مدرن از موتورهای توربوفن پیچیده تری استفاده می کنند.
آنها سرعت بالاتر و بازده سوخت بیشتری نسبت به موتورهای پیستونی و پروانه ای در فواصل طولانی دارند. تعداد کمی از موتورهای تنفس هوا که برای کاربردهای پرسرعت ساخته شده‌اند (رم جت‌ها و اسکرام‌جت‌ها) به‌جای کمپرسور مکانیکی از اثر سرعت خودرو استفاده می‌کنند.
موتور جت چگونه کار 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. سر آیزاک 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. 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
1. فن
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.
2. کمپرسور
کمپرسور اولین جزء در هسته موتور است. کمپرسور از فن هایی با پره های زیاد تشکیل شده و به یک شفت متصل می شود. 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.
3. احتراق
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.
4. 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.
5. نازل
نازل مجرای اگزوز موتور است. این قسمت موتور است که در واقع نیروی رانش هواپیما را تولید می کند. جریان هوای کم انرژی که از توربین عبور می کند، علاوه بر هوای سردتر که از هسته موتور عبور می کند، در هنگام خروج از نازل نیرویی ایجاد می کند که موتور و در نتیجه هواپیما را به جلو می راند.
ترکیب هوای گرم و هوای سرد خارج شده و یک اگزوز تولید می کند 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. میکسر به بی صدا شدن موتور کمک می کند.
انواع موتورهای جت
5 نوع اصلی موتور جت هواپیما
- موتور جت توربوپراپ
- موتور جت توربوجت
- موتور جت توربوشفت
- موتور جت توربوفن
- موتور جت رمجت
1. موتور جت توربوجت
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 را از حدود 1100 درجه فارنهایت به 1300 درجه فارنهایت افزایش دهد. 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 نزدیک به دو برابر فشار اتمسفر خواهد بود و این فشار اضافی به نازل فرستاده می شود تا یک جریان گاز با سرعت بالا تولید کند که یک رانش ایجاد می کند. 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 آن را به چرخش تبدیل می کنند. این گازها به عقب برگشته و از قسمت پشتی اگزوز به بیرون پرتاب می‌شوند و هواپیما را به جلو می‌رانند.
2. موتور جت توربوپراپ
موتور توربوپراپ یک موتور جت است که به پروانه متصل است. توربین در پشت توسط گازهای داغ می چرخد و این به شفتی تبدیل می شود 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 قدرت را برای حرکت کمپرسور ایجاد می‌کند.
در مقایسه با موتورهای توربوجت، این توربوپراپ در سرعت های پروازی کمتر از 500 مایل در ساعت راندمان پیشرانه بهتری دارد. 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.
3. موتور جت توربوفن
موتور توربوفن دارای یک فن بزرگ در جلو است که هوا را می مکد. بیشتر جریان هوا در اطراف بیرون موتور، آن را ساکت‌تر می‌کند و در سرعت‌های پایین نیروی رانش بیشتری ایجاد می‌کند. اکثر هواپیماهای مسافربری امروزی از توربوفن استفاده می کنند.
در یک توربوجت، تمام هوای ورودی به ورودی از 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.
4. موتورهای جت توربوشفت
این شکل دیگری از موتور توربین گازی است که بسیار شبیه به یک سیستم توربوپراپ عمل می کند. پروانه نمی راند. 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.
5. موتورهای Ramjets
ساده ترین موتور جت هیچ قطعه متحرکی ندارد. سرعت جت “قوچ” یا فشار هوا به موتور. 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 حمل و نقل 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.
