المحرك المروحي النفاث والتوربيني

محرك المروحة التوربينية عبارة عن مزيج من محرك توربيني غازي وصندوق تروس للتخفيض ومروحة، حيث أن المحركات التوربينية هي في الأساس محركات توربينية غازية تحتوي على ضاغط وغرفة احتراق وتوربين وفوهة عادم (مولد غاز) وكلها تعمل بنفس الطريقة مثل أي محرك غاز آخر، ومع ذلك فإن الاختلاف هو أن التوربين في المحرك التوربيني عادة ما يكون له مراحل إضافية لاستخراج الطاقة لدفع المروحة، بالإضافة إلى تشغيل الضاغط والملحقات، فإن توربين المروحة التوربينية ينقل طاقة متزايدة إلى الأمام من خلال عمود وقطار تروس لقيادة المروحة، كما يتم توليد الطاقة المتزايدة من غازات العادم التي تمر عبر مراحل إضافية من التوربين.

علاقة غازات العادم بالمحركات

تساهم غازات العادم في إنتاج طاقة المحرك من خلال إنتاج الدفع، على الرغم من تقليل كمية الطاقة المتاحة للدفع بشكل كبير، وهناك نوعان أساسيان من المحركات التوربينية قيد الاستخدام: التوربينات الثابتة والتوربينات الحر، حيث يحتوي التوربين الثابت على اتصال ميكانيكي من مولد الغاز (محرك توربيني غازي) إلى صندوق تروس الاختزال والمروحة ويحتوي التوربين الحر على رابط هوائي فقط من مولد الغاز إلى توربينات الطاقة، كما لا يوجد رابط ميكانيكي من المروحة إلى محرك التوربينات الغازية (مولد الغاز).

هناك مزايا وعيوب لكل نظام، حيث يحدد هيكل الطائرة بشكل عام النظام المستخدم، ونظرًا لأن المحتويات الأساسية لمحركات التوربينات الغازية العادية والمحركات التوربينية تختلف قليلاً فقط في ميزات التصميم، فيجب أن يكون من السهل إلى حد ما تطبيق المعرفة المكتسبة عن التوربينات الغازية الأساسية على المحرك التوربيني.

أقسام المحرك التوربيني النموذجي

• مجموعة قسم الطاقة: تتضمن على المكونات الرئيسية المعتادة لمحرك التوربينات الغازية (أي الضاغط وغرفة الاحتراق والتوربين وأقسام العادم).

• مجموعة تروس التخفيض أو علبة التروس: تحتوي على تلك الأقسام الفريدة لتكوينات المروحة التوربينية.

• مجموعة مقياس العزم: تنقل عزم الدوران من المحرك إلى علبة التروس الخاصة بقسم التخفيض.

• مجموعة مبيت محرك الملحقات: مُركبة على الجزء السفلي من مبيت مدخل الهواء للضاغط، وهي تتضمن قطارات التروس اللازمة لقيادة جميع الملحقات التي يحركها قسم الطاقة عند عدد دوراتها المناسبة في الدقيقة فيما يتعلق بعدد دورات المحرك في الدقيقة.

محركات العمود التوربيني

يُشار إلى المحرك التوربيني الغازي الذي يوفر الطاقة من خلال عمود لتشغيل شيء آخر غير المروحة بمحرك توربيني، وقد يقترن عمود الخرج مباشرة بتوربين المحرك، أو قد يتم تشغيل العمود بواسطة توربين خاص به (توربين حر) موجود في تيار العادم، وكما هو مع المحرك التوربيني، فإن التوربين الحر يدور بشكل مستقل، حيث يستخدم هذا المبدأ على نطاق واسع في الإنتاج الحالي لمحركات العمود التوربيني، كما يتم قياس ناتج محرك العمود التوربيني بالقدرة الحصانية بدلاً من قوة الدفع لأن خرج الطاقة عبارة عن عمود دوران.

المحرك التوربيني المروحي

المحرك التوربيني الغازي المروحي هو من حيث المبدأ نفس المحرك التوربيني، باستثناء أن المروحة يتم استبدالها بمروحة تدفق محوري مغلقة، ويمكن أن تكون المروحة جزءًا من شفرات ضاغط المرحلة الأولى أو يمكن تركيبها كمجموعة منفصلة من ريش المروحة، أيضًا يمكن تركيب الشفرات أمام الضاغط.

المبدأ العام لمحرك المروحة هو تحويل المزيد من طاقة الوقود إلى ضغط، حيث إنه يمتاز بإنتاج المروحة التوربينية لهذا الدفع الإضافي دون زيادة تدفق الوقود، والنتيجة النهائية هي الاقتصاد في استهلاك الوقود مع ما يترتب على ذلك من زيادة في النطاق، ونظرًا لأن المزيد من طاقة الوقود يتم تحويلها إلى ضغط في المحرك التوربيني، فإنه يجب زيادة مراحل إضافية في قسم التوربينات لتوفير الطاقة اللازمة لتشغيل المروحة.

يتم استخدام تصميمين مختلفين لفوهة العادم مع المحركات المروحية، حيث يمكن أن يمر الهواء الخارج من المروحة في الخارج بواسطة فوهة مروحة منفصلة، أو يمكن أن يتم تمريره على طول الغلاف الخارجي للمحرك الأساسي ليتم تفريغه من خلال الفوهة المختلطة (عادم القلب والمروحة معًا)، كما يتم خلط هواء المروحة بغازات العادم قبل تصريفه (فوهة مختلطة أو مشتركة)، أو يمر مباشرة إلى الغلاف الجوي دون خلط مسبق (فوهة منفصلة) وتكون المراوح التوربينية هي المحرك التوربيني الغازي الأكثر استخدامًا لطائرات النقل الجوي، والمروحة التوربينية هي حل وسط بين كفاءة التشغيل الجيدة وقدرة الدفع العالية لمحرك توربيني والقدرة العالية للسرعة والارتفاع العالي للمحرك النفاث التوربيني.

مبادئ تشغيل محرك التوربينات الدفع

إذا كان تدفق الهواء الجماعي في الثانية والاختلاف في سرعة الهواء من المدخل إلى العادم معروفين، فمن السهل حساب القوة اللازمة لإحداث التغيير في السرعة، لذلك يجب أن يكون دفع المحرك مساويًا للقوة المطلوبة لتسريع كتلة الهواء عبر المحرك.

يمكن زيادة قوة دفع المحرك التوربيني الغازي بطريقتين: زيادة تدفق كتلة الهواء عبر المحرك أو زيادة سرعة الغاز، وإذا بقيت سرعة المحرك النفاث ثابتة بالنسبة للطائرة، فإن الدفع ينخفض ​​إذا زادت سرعة الطائرة، وهذا بسبب زيادة قيمة السرعة، ومع ذلك فإن هذا لا يمثل مشكلة خطيرة، لأنه مع زيادة سرعة الطائرة، كما يدخل المزيد من الهواء إلى المحرك وتزداد سرعة الطائرة، حيث يكون الدفع الصافي الناتج ثابتًا تقريبًا مع زيادة سرعة الهواء.

دورة برايتون

دورة برايتون هي الاسم الذي يطلق على الدورة الديناميكية الحرارية لمحرك توربيني غازي لإنتاج قوة الدفع، هذه دورة أحداث ذات ضغط ثابت متغير الحجم، وتسمى عادة دورة الضغط الثابت والمصطلح الأحدث هو “دورة الاحتراق المستمر”، حيث أن الأحداث الأربعة المستمرة هي السحب والضغط والتوسع (بما في ذلك الطاقة) والعادم، حيث تم مناقشة هذه الدورات لأنها تنطبق على محرك توربيني غازي في دورة السحب، يدخل الهواء عند ضغط محيط وحجم ثابت، كما يترك المدخول عند ضغط متزايد وانخفاض في الحجم في قسم الضاغط، يتم استقبال الهواء من المدخول عند ضغط متزايد، يكون أعلى بقليل من المحيط ويتم انخفاض طفيف في الحجم.

يدخل الهواء إلى الضاغط حيث يتم ضغطه، إذ إنه يترك الضاغط مع زيادة كبيرة في الضغط وانخفاض في الحجم، حيث ينتج عن العمل الميكانيكي للضاغط الخطوة التالية وهي التمدد والذي يتم في غرفة الاحتراق عن طريق حرق الوقود، مما يوسع الهواء عن طريق تسخينه، كما يظل الضغط ثابتًا نسبيًا، ولكن تحدث زيادة ملحوظة في الحجم وتتحرك الغازات المتوسعة للخلف خلال مجموعة التوربينات، ويتم تحويلها من طاقة السرعة إلى طاقة ميكانيكية بواسطة التوربين.

أما قسم العادم فهو عبارة عن مجرى متقارب، يحول الحجم المتوسع وضغط الغازات المتناقص إلى سرعة نهائية عالية، تكون القوة المتكونة داخل المحرك للحفاظ على استمرار هذه الدورة لها رد فعل مساوٍ ومعاكس أي (دفع) لتحريك الطائرة للأمام ويتم تطبيق مبدأ برنولي على محركات التوربينات الغازية من خلال تصميم مجاري الهواء المتقاربة والمتباعدة، حيث تزيد القناة المتقاربة السرعة وتقلل الضغط والقناة المتباعدة تقلل السرعة وتزيد الضغط، وعادة ما يستخدم مبدأ التقارب لفوهة العادم، كما يتم استخدام مبدأ التباعد في الضاغط والناشر حيث يتباطأ الهواء ويضغط.