مكونات الدوار في توربين الطائرات

يتكون الجزء الدوار في قسم التوربين بشكل أساسي من عمود وعجلة، حيث أن عجلة التوربين عبارة عن وحدة متوازنة ديناميكيًا تتكون من ريش مرتبطة بقرص دوار، القرص بدوره متصل بعمود نقل الطاقة الرئيسي للمحرك، كما تعمل غازات العادم الخارجة من ريش فوهة مدخل التوربين على ريش عجلة التوربين ممّا يتسبب في دوران التجميع بمعدل سرعة مرتفع للغاية.

أساسيات الدوار في توربين الطائرات

تفرض سرعة الدوران العالية أحمال طرد مركزي شديدة على عجلة التوربين، وفي نفس الوقت تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى انخفاض قوة المادة، بالتالي يجب التحكم في سرعة المحرك ودرجة الحرارة للحفاظ على عمل التوربينات ضمن حدود آمنة، كما يشار إلى قرص التوربين على هذا النحو بدون ريش.

عندما يتم تثبيت ريش التوربينات يتكون  القرص بعد ذلك تظهر عجلة التوربين، كما يعمل القرص كعنصر تثبيت لشفرات التوربين، ونظراً لأنّ القرص مثبت بمسامير أو ملحومة في العمود يمكن للشفرات أن تنقل إلى عمود الدوران الطاقة التي تستخرجها من غازات العادم، حيث تتعرض حافة القرص للغازات الساخنة التي تمر عبر الشفرات وتمتص حرارة كبيرة من هذه الغازات.

وبالإضافة إلى ذلك تمتص الحافة أيضًا الحرارة من ريش التوربينات عن طريق التوصيل، ومن ثم فإنّ درجات حرارة حافة القرص تكون عادة مرتفعة وتتجاوز درجات حرارة الجزء الداخلي البعيد من القرص، نتيجة لهذه التدرجات في درجات الحرارة تضاف الضغوط الحرارية إلى ضغوط الدوران، هناك طرق مختلفة لتخفيف الضغوط وجزئيًا على الأقل، بحيث تتمثل إحدى هذه الطرق في نزف هواء التبريد مرة أخرى على وجه القرص.

هناك طريقة أخرى لتخفيف الضغوط الحرارية للقرص، وهي عرضية لتركيب الشفرة، حيث تكون سلسلة من الأخاديد أو الشقوق التي تتوافق مع تصميم جذر الشفرة ويتم طرحها في حافة القرص، كما تسمح هذه الأخاديد بربط شفرات التوربين بالقرص وفي الوقت نفسه يتم توفير مساحة من خلال الشقوق للتمدد الحراري للقرص، كما يوجد خلوص كافٍ بين أساس الشفرة والشق للسماح بحركة ريشة التوربين عندما يكون القرص باردًا.

مبدأ عمل الدوار في توربين الطائرات

أثناء تشغيل المحرك يؤدي تمدد القرص إلى تقليل الخلوص، بحيث يؤدي هذا إلى احتواء أساس الشفرة بإحكام في حافة القرص، وعادة ما يتم تصنيع عمود التوربين من سبائك الصلب، ويجب أن تكون قادرة على امتصاص أحمال عزم الدوران العالية التي تمارس عليها، كما تختلف طرق توصيل العمود بقرص التوربين وفي إحدى الطرق يتم لحام العمود بالقرص، والذي يحتوي على مؤخرة أو نتوء يتم توفيره للمفصل.

وطريقة أخرى هي عن طريق الاغلاق، حيث تتطلب هذه الطريقة أن يكون للعمود محور يلائم السطح المُشغل آليًا على وجه القرص، بعد ذلك يتم إدخال البراغي من خلال الفتحات الموجودة في محور العمود وتثبيتها في فتحات مثقوبة في القرص، من بين طريقتين الاتصال يُعد التثبيت أكثر شيوعًا ويجب أن يحتوي عمود التوربين على بعض الوسائل للتوصيل بمحور دوار الضاغط، كما يتم تحقيق ذلك عادةً عن طريق قطع شريحة على الطرف الأمامي من العمود.

يلائم المحور جهاز اقتران بين الضاغط وأعمدة التوربين وإذا لم يتم استخدام أداة اقتران فقد تتلاءم النهاية المخططة لعمود التوربين مع تجويف محدد في محور دوار الضاغط، كما يتم استخدام ترتيب الاقتران المحوري هذا بشكل حصري تقريبًا مع محركات ضاغط الطرد المركزي، بينما قد تستخدم محركات الضاغط المحوري أيًا من هاتين الطريقتين الموصوفتين، هناك طرق مختلفة لربط شفرات التوربينات وبعضها يشبه ملحقات شفرات الضاغط.

يتم الاحتفاظ بالشفرات في الأخاديد الخاصة بكل منها من خلال مجموعة متنوعة من الطرق وأكثرها شيوعًا هي الثقب واللحام وعلامات القفل والتثبيت، حيث يتم استخدام طريقة الثقب للاحتفاظ بالشفرة بشكل متكرر بطرق مختلفة، كما يتطلب أحد أكثر تطبيقات التثقيب شيوعًا وجود شق صغير في حافة جذر الداعمة ذات الشفرة قبل تثبيت الشفرة، بعد إدخال الشفرة في القرص يتم ملء الشق بمعدن القرص والذي يتدفق بداخله بواسطة علامة ثقب صغيرة مصنوعة في القرص المجاور للشق، حيث أن الأداة المستخدمة في هذه المهمة تشبه المثقاب المركزي.

تطور عمل الدوار في توربين الطائرات

هناك طريقة أخرى للاحتفاظ بالشفرة وهي بناء جذر النصل، بحيث يحتوي على جميع العناصر اللازمة للاحتفاظ بها، حيث تستخدم هذه الطريقة جذر الشفرة كمحطة توقف عند أحد طرفي الجذر، بحيث يمكن إدخال الشفرة وإزالتها في اتجاه واحد فقط، بينما يوجد تانغ في الطرف المقابل، كما قد تكون شفرات التوربينات إمّا مطروقة أو مصبوبة اعتمادًا على تكوين السبائك، ومعظم الشفرات مصبوبة بدقة وإنهاء الأرض بالشكل المطلوب، بحيث يتم صب العديد من شفرات التوربينات على شكل بلورة واحدة، ممّا يمنح الشفرات قوة وخصائص حرارية أفضل، كما يساعد طلاء الحاجز الحراري مثل طلاء السيراميك وتبريد تدفق الهواء في الحفاظ على برودة شفرات التوربينات وفوهات المدخل، حيث ان هذا يسمح برفع درجة حرارة العادم ممّا يزيد من كفاءة المحرك.

تكون معظم التوربينات مفتوحة عند المحيط الخارجي للريش، ومع ذلك في بعض الأحيان يتم استخدام نوع ثان يسمى التوربينات المغطاة، إنّ شفرات التوربينات المغطاة وتشكل شريطًا حول المحيط الخارجي لعجلة التوربين،  كما أن هذا يحسن الكفاءة وخصائص الاهتزاز ويسمح بأوزان أخف في المرحلة، ومن ناحية أخرى فإنّه يحد من سرعة التوربينات ويتطلب المزيد من الشفرات، وفي بناء دوار التوربينات يصبح من الضروري أحيانًا استخدام توربينات من أكثر من مرحلة واحدة، بحيث لا تستطيع عجلة التوربين المفردة، وفي كثير من الأحيان امتصاص طاقة كافية من غازات العادم لتشغيل المكونات المعتمدة على التوربين من أجل الطاقة الدورانية، وبالتالي من الضروري إضافة مراحل توربينية إضافية.

التوربينات

تتكون مرحلة التوربينات من صف من الريش أو الفوهات الثابتة ويليها صف من الشفرات الدوارة، وفي بعض نماذج المحركات التوربينية يتم استخدام ما يصل إلى خمس مراحل توربينية بنجاح، كما أنّه بغض النظر عن عدد العجلات اللازمة لقيادة مكونات المحرك هناك دائمًا فوهة توربينية تسبق كل عجلة، حيث إنّ الاستخدام العرضي لأكثر من عجلة توربينية واحد له ما يبرره في حالات الأحمال الدورانية الثقيلة، وتجدر الإشارة إلى أن نفس الأحمال التي تتطلب توربينات متعددة المراحل غالباً ما تجعل من المفيد دمج ضواغط دوارة متعددة.

التوربين الأحادي

في التوربين الدوار أحادي المرحلة يتم تطوير الطاقة بواسطة دوار توربيني واحد، ويتم تشغيل جميع الأجزاء التي يحركها المحرك بواسطة هذه العجلة المفردة، ويستخدم هذا الترتيب في المحركات، حيث تسود الحاجة إلى الوزن الخفيف والضغط وهذا هو أبسط نسخة من المحرك التوربيني النقي، وفي محركات البكرة المتعددة لكل بكرة مجموعتها الخاصة من مراحل التوربينات.

كل مجموعة من مراحل التوربين تقوم بتحويل الضاغط المرفق بها، حيث تحتوي معظم المحركات التوربينية على بكرتين هما الضغط المنخفض أي عمود المروحة بضع مراحل من الضغط والتوربين لقيادته، إضافة للضغط العالي أي عمود الضاغط عالي الضغط والتوربين عالي الضغط، كما يحيط غلاف التوربين بعجلة التوربين ومجموعة ريشة الفوهة، في نفس الوقت يوفر إما دعمًا مباشرًا أو غير مباشر لعناصر الجزء الثابت في قسم التوربين ودائمًا ما يكون مزودًا بحواف أمامية وخلفية لربط التجميع بغلاف غرفة الاحتراق ومجموعة مخروط العادم على التوالي.