موتورهای توربین گازی، قلب هوانوردی

موتورهای توربین گازی، قلب هوانوردی | Kalkan Endüstri

Kalkan Endüstri از سال ۲۰۲۰ در بخش‌های صنایع دفاعی، فناوری‌های رباتیک، اتوماسیون و ماشین‌آلات و تجهیزات صنعتی، تأمین محصولات و راهکارها را بر عهده دارد.

در مجموعه مقالات ما دربارهٔ موتورهای توربین گازی، از اصول کارکرد، بخش‌ها و فرایندهایی که در این موتورها انجام می‌شود سخن خواهیم گفت. به گمانم برای درک بهتر این نوشته و نوشته‌هایی که در آینده خواهم نوشت، بهتر است از مبانی آغاز کنیم. نخست ببینیم موتورهای توربین گازی چیستند و در کجا به کار می‌روند.

فرانک ویتل در سال ۱۹۳۰ با ثبت اختراع خود، بنیان موتورهای توربین گازی را که در شمار مهم‌ترین موتورهای هواپیما در سراسر تاریخ هوانوردی‌اند، پی‌ریزی کرد. اما پیشرفت‌های اصلی پس از جنگ جهانی دوم و با ورود آلمانی‌ها به این عرصه آغاز شد. میان موتور شکل ۱٫۱ و موتور شکل ۱٫۲ از نظر منطق کارکرد تفاوتی وجود ندارد. اصل کلی کارکرد موتور، تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی است. مهم‌ترین قانون فیزیکی به‌کاررفته در موتورهای توربین گازی، اصل کنش و واکنش، یعنی قانون سوم حرکت نیوتن است. در توربین‌های گازی که بر اساس چرخهٔ برایتون کار می‌کنند، چرخه با فشرده‌سازی هوا، سوزاندن آن همراه با سوخت و تبدیل انرژی بسیار زیاد حاصل به توان مکانیکی به کمک توربین‌ها کامل می‌شود. موتورهای توربین گازی را می‌توان بر اساس کاربردشان به چهار گروه اصلی تقسیم کرد: توربوجت، توربوپراپ، توربوفن و توربوشفت.

۱. موتورهای توربوجت

موتورهای توربوجت گاز پرانرژی حاصل را با نیرویی بسیار زیاد به سمت عقب خارج می‌کنند. این موتورها عمدتاً در حوزهٔ نظامی به کار می‌روند، بسیار پرسروصدا هستند و در سرعت‌های بالا بازده خوبی دارند. بهترین نمونه‌های موتور توربوجت، موتورهای توربوجت KTJ-3200 ساخت شرکت KALE-ARGE و TJ-90 ساخت شرکت TEI در کشور ما هستند.

۲. موتورهای توربوپراپ

موتورهای دیگر به‌جز توربوجت، مشتقات توربوجت به شمار می‌روند. تنها تفاوت موتورهای توربوپراپ، به بیان ساده، داشتن ملخ (پروانه) و جعبه‌دنده است؛ یعنی انرژی به‌دست‌آمده از توربین را به کمک جعبه‌دنده و محور به ملخ منتقل می‌کنند و پیشرانش لازم بدین ترتیب ایجاد می‌شود. در تصویر، موتور توربوپراپ PT6A-68T به‌کاررفته در هواپیمای آموزش پایهٔ HÜRKUŞ را می‌بینید.

۳. موتورهای توربوفن

در موتورهای توربوفن که عمدتاً در هواپیماهای مسافربری به کار می‌روند، برای تولید پیشرانش اضافی یک فن در جلوی موتور قرار داده شده است. می‌توان گفت که تنها با قرار دادن یک فن در جلوی موتور توربوجت، موتور توربوفن ساخته‌ایم. به موتورهای توربوفن موتورهای کنارگذر (by-pass) نیز گفته می‌شود. در شکل ۱٫۳ موتور F-135، موتور جنگندهٔ F-35، را می‌بینید.

۴. موتورهای توربوشفت

موتور توربوشفت که اساساً به‌عنوان موتور بالگرد به کار می‌رود، برخلاف توربوجت، یک سامانهٔ انتقال قدرت شبیه به گیربکس دارد که پره‌های روتور را می‌چرخاند. این موتور انرژی مکانیکی دریافتی از توربین را به‌وسیلهٔ گیربکس به پره‌های روتور منتقل می‌کند و آن‌ها را می‌چرخاند. در مقایسه با موتورهای پیستونی، نسبت پیشرانش به وزن بسیار خوبی ارائه می‌دهد. در بالگرد ساخت TAI که به‌تازگی به موجودی نیروهای مسلح ترکیه (TSK) پیوسته است، یعنی بالگرد تهاجمی T129 ATAK، موتور توربوشفت CTS800 ساخت شرکت LHTEC، سرمایه‌گذاری مشترک Honeywell و Rolls-Royce، به کار رفته است.

موتورهای توربین گازی به‌طور کلی از پنج بخش تشکیل می‌شوند: ورودی هوا، کمپرسور، محفظهٔ احتراق، توربین و اگزوز (نازل). در نوشته‌های بعدی به بخش‌های تخصصی‌تری مانند طراحی کمپرسور، محفظهٔ احتراق، توربین و اگزوز خواهم پرداخت. از این رو فعلاً برای درک موضوع، تعریف‌هایی ساده ارائه می‌کنیم.

ورودی هوا (Air intake):

بخشی است که هوا از آن وارد موتور می‌شود. با وجود سادگی بسیار، طراحی آن اهمیت زیادی دارد تا هوا در همان ابتدای موتور خفه نشود و کمبود هوا پیش نیاید.

کمپرسور:

کمپرسور هوای دریافتی از ورودی هوا را ابتدا به کمپرسور کم‌فشار (LPC) و سپس به کمپرسور پرفشار (HPC) می‌فرستد و آن را فشرده می‌کند. کمپرسورها دارای روتور و استاتور هستند. به هر جفت روتور و استاتور یک طبقه گفته می‌شود. در هر طبقهٔ کمپرسور، هوا بیشتر فشرده می‌شود. پره‌های کمپرسور (blade) از LPC به سمت HPC به‌تدریج کوچک‌تر می‌شوند.

محفظهٔ احتراق:

هوایی که با انرژی بسیار زیاد به محفظهٔ احتراق می‌رسد، همراه با سوخت سوزانده می‌شود. هوای سوخته در طول موتور حرکت می‌کند و از توربین عبور می‌کند و هنگام عبور، بخشی از انرژی خود را در آنجا بر جای می‌گذارد. در موتورهای توربوجت نسبت سوخت به هوا معمولاً ۱ به ۴۰ است؛ یعنی برای مصرف ۱ واحد سوخت به ۴۰ واحد هوا نیاز است. به‌عنوان سوخت نیز بیشتر از نفت سفید (کروسین، JP-8) استفاده می‌شود.

توربین:

اصل کارکرد توربین در واقع عکس کمپرسور است. کمپرسور برای افزایش فشار، کار مصرف می‌کند، در حالی که توربین هوای پرانرژی را به کار، یعنی انرژی مکانیکی، تبدیل می‌کند. طراحی توربین نیز مشابه طراحی کمپرسور است و روی آن پره‌هایی (تیغه/blade) قرار دارد. توربین انرژی مکانیکی دریافتی را به کمک محوری (شفت) که از میانه عبور می‌کند، برای چرخاندن کمپرسور به کار می‌برد.

اگزوز:

هوای سوخته و پرانرژی هنگام خروج از اگزوز، پیشرانش تولید می‌کند. قانون سوم نیوتن که در آغاز بحث به آن اشاره کردیم، در اینجا صدق می‌کند. هوایی که با نیرویی بسیار زیاد به سمت عقب خارج می‌شود، در واکنش، هواپیما را به جلو می‌راند.

اصول کارکرد:

موتورهای توربین گازی در واقع موتورهایی گرمایی‌اند که برای تولید پیشرانش، هوا را به‌عنوان سیال کاری به کار می‌برند. برای تولید این پیشرانش، هوای عبوری از موتور باید شتاب بگیرد؛ یعنی افزایش سرعت یا انرژی جنبشی هوا ضروری است. اصل کارکرد موتورهای توربین گازی مشابه موتورهای پیستونی چهارزمانه است. اگر از دیدگاه قوانین ترمودینامیک بنگریم، در موتورهای توربین گازی احتراق در فشار ثابت و در موتورهای پیستونی در حجم ثابت رخ می‌دهد. اصل کارکرد ترمودینامیکی موتورهای توربین گازی در شکل ۲٫۲ (نمودار P-V چرخهٔ برایتون) نشان داده شده است.

اگر به چرخه در نمودار فشار-حجم نگاه کنیم، نقطهٔ A نمایانگر جو است. در امتداد خط AB، فشار هوای فشرده‌شده افزایش می‌یابد. با سوزاندن هوا در فشار ثابت، میان B و C به هوا گرما افزوده می‌شود و بدین ترتیب حجم هوا افزایش می‌یابد. دلیل اینکه احتراق در محفظهٔ احتراق را فشار ثابت می‌نامیم، این است که شرایط محیط را ایدئال فرض می‌کنیم. برای به دست آوردن دما، فشار و حجم در شرایط واقعی، باید مقادیر در شرایط ایدئال را بدانیم. از این رو، برای سهولت توضیح، باید شرایط را ایدئال فرض کنیم و افت فشار را در نظر نگیریم. در شرایط واقعی، بی‌تردید در هنگام احتراق مقداری افت فشار رخ خواهد داد. اگر به نمودار بازگردیم، گازهای حاصل از احتراق میان C و D، از توربین آغاز کرده، منبسط می‌شوند. در این هنگام، به‌عنوان بخشی از چرخه، بخشی از انرژی گازها توسط توربین به توان مکانیکی تبدیل می‌شود و گازهای باقی‌مانده نیروی پیشرانش را در جو فراهم می‌کنند. از آنجا که موتورهای توربین گازی موتور گرمایی‌اند، هرچه دمای احتراق بالاتر باشد، انبساط گازها در توربین و توان تولیدی آن‌ها بیشتر خواهد بود. اما عامل محدودکننده در اینجا مواد به‌کاررفته در طراحی محفظهٔ احتراق و توربین و ویژگی‌های مکانیکی سامانه است. دمای احتراق نباید از این ویژگی‌های یادشده فراتر رود.

رابطهٔ فشار، دما و حجم

در هنگام کارکرد موتور توربینی، جریان هوا یا سیال کاری (هوا) گرما می‌گیرد و گرما پس می‌دهد. از این رو در دما، حجم و فشار تغییراتی رخ می‌دهد. این تغییرات ارتباط نزدیکی با قوانین شارل و بویل دارند که از درس‌های شیمی نیز به‌خوبی با آن‌ها آشناییم. برای رخ دادن این تغییرات در چرخهٔ کاری موتور، سه شرط اصلی وجود دارد:

1. فشرده‌سازی: هنگامی که فرایند فشرده‌سازی به کمک کمپرسورها به پایان می‌رسد، فشار هوا افزایش و حجم آن کاهش یافته است. نسبت افزایش و کاهش فشار و حجم، هم‌ارز نسبت افزایش دمای آن است.
2. احتراق: پس از افزودن سوخت به هوا و سوزاندن آن، دما افزایش می‌یابد. این افزایش با افزایش حجم هم‌ارز است. نباید فراموش کنیم که در این مرحله فشار تقریباً ثابت می‌ماند.
3. انبساط: از آنجا که در هنگام انبساط، توربین از بخشی از جریان گاز کار می‌گیرد، دما و فشار کاهش خواهد یافت. این کاهش با افزایش حجم هم‌ارز است.
   برای تفسیر این اصول (فشار-حجم و دما) بر روی نمودار، می‌توان به نمودارهای P-V و T-S چرخهٔ برایتون مراجعه کرد.

بازده نیز در موتورهای توربینی اهمیت بسیاری دارد. افزایش فشار کمپرسور با صرف مقدار معینی کار، و برعکس، کاهش فشار برای تولید مقدار معینی کار در توربین، بسیار مهم است. در هر ماشینی می‌کوشیم با کمترین توان مصرفی، بیشترین توان را تولید کنیم؛ موتورهای توربینی نیز به همین شکل کار می‌کنند. اگر در فشرده‌سازی و انبساط هوا بازده ۱۰۰ درصد به دست آوریم، این فرایند را فرایند بی‌دررو (آدیاباتیک) می‌نامند. در فرایند بی‌دررو، با نادیده گرفتن پدیده‌هایی که موجب اتلاف می‌شوند، مانند اصطکاک، همرفت و آشفتگی (توربولانس)، حالتی را در نظر می‌گیریم که در آن اتلاف انرژی وجود ندارد. البته روشن است که چنین فرایندی در واقعیت وجود ندارد؛ اما برای دستیابی به حداکثر بازده از کمپرسور، محفظهٔ احتراق و توربین، در نظر گرفتن حالت ایدئال ضروری است. در شرکت‌های مهندسی سازندهٔ موتور هواپیما، بازده ۹۰ درصد و بالاتر موفق تلقی می‌شود.

توزیع سرعت و فشار

سرعت و فشار جریان هوا در طول موتور، بر اساس نیازهای آیرودینامیکی و انرژی تغییر می‌کند. برای نمونه، در هنگام فرایند فشرده‌سازی در کمپرسور، در حالی که فشار افزایش می‌یابد، نیازی به افزایش سرعت نیست. پس از آنکه هوا گرم شد و انرژی درونی آن در اثر احتراق افزایش یافت، گاز برای چرخاندن توربین به نیرو و در نتیجه به سرعت نیاز دارد. در اگزوز خروجی نیز به سرعت خروجی بالا نیاز داریم.

آنچه پیشرانش را فراهم می‌کند، تغییر تکانهٔ (مومنتوم) هواست. در برخی نواحی نیز می‌خواهیم سرعت هوا بسیار کاهش یابد. بهترین نمونهٔ آن، سوختن شعله در محفظهٔ احتراق است. ناحیه‌ای که آن را ناحیهٔ اولیه (Primary Zone) می‌نامیم، ناحیه‌ای است که در آن سرعت کم می‌خواهیم. این جزئیات را در مبحث محفظهٔ احتراق و فرایند احتراق به‌تفصیل بررسی خواهیم کرد.

برای ایجاد این تغییرات سرعت، به اندازه و شکل مجراهایی که هوا در داخل موتور از آن‌ها عبور می‌کند توجه می‌شود. اگر بخواهیم انرژی جنبشی را به فشار تبدیل کنیم، از مجرای واگرا، و اگر بخواهیم انرژی ذخیره‌شده در گازهای احتراق را به انرژی جنبشی تبدیل کنیم، از مجرای همگرا استفاده می‌کنیم. طراحی این گذرگاه‌ها و نازل‌ها (شیپوره‌ها) بسیار مهم است، زیرا از نظر بازده انرژی اهمیت زیادی دارد.

جریان هوا

پیش از پرداختن به جریان هوا در موتور، می‌خواهم تعریف کنارگذر (by-pass) را ارائه کنم؛ در نوشته‌های آینده بارها از آن سخن خواهیم گفت. برای تعریف کنارگذر، در زیر برش مقطع موتور F119-PW100 را می‌بینید. در موتورهای کنارگذر، هوا پس از خروج از فن به دو مسیر تقسیم می‌شود: بخشی از آن مسیر کمپرسور، محفظهٔ احتراق، توربین و اگزوز را طی می‌کند (که می‌توان آن را موتور هسته یا core engine نیز نامید) و بخشی دیگر میان بدنهٔ کمپرسور و پوستهٔ محافظ جریان می‌یابد. به نسبت مقدار هوای عبوری از بخش بیرونی به مقدار هوای عبوری از موتور هسته (core engine)، نسبت کنارگذر (by-pass ratio) گفته می‌شود. می‌توان از آن با عنوان پیشرانش خشک (dry thrust) و پیشرانش تر (wet thrust) نیز یاد کرد. اگر نسبت کنارگذر میان ۰٫۲ تا ۱ باشد، موتور را کم‌کنارگذر و اگر ۵ و بیشتر باشد، پرکنارگذر می‌نامیم.

اوغوز کیلیچ (Oğuz Kılıç)

منبع: The Jet Engine | Rolls Royce