الشواحن التوربينية والمعززة الأرضية على الطائرة

تم تصميم الشواحن التوربينية الفائقة التي تُدار خارجيًا لتوصيل الهواء المضغوط إلى مدخل المكربن ​​أو وحدة التحكم في الوقود والهواء في المحرك على الطائرة، حيث تستمد الشواحن الفائقة التي يتم دفعها خارجيًا قوتها من الطاقة الناتجة من غازات عادم المحرك الموجهة للتوربينات، والتي تقود دولابًا يضغط الهواء الداخل ولهذا السبب، يطلق عليها عادة الشواحن التوربينية الفائقة، ولكي يكون شاحنًا فائقًا حقيقيًا، يجب أن يعزز الضغط المتشعب فوق الـ30 زئبق.

مكونات الشاحن التوربيني النموذجي

يتكون الشاحن التوربيني النموذجي، من ثلاثة أجزاء رئيسية:

• مجموعة الضاغط (Compressor assembly).

• مجموعة عجلة التوربينات (Turbine wheel assembly).

• مجموعة تحمل عمود الدوران العائم بالكامل (A full floating shaft bearing assembly).

أمثلة تفصيلية للمكونات الرئيسية للشاحن التوربيني

سيتم عرض أمثلة تفصيلية لشاحن توربيني، بالإضافة إلى التجمعات الرئيسية له، حيث أن هناك حاجز بين غلاف الضاغط وتوربين غاز العادم الذي يوجه هواء التبريد إلى المضخة وغطاء المحمل، كما يحمي الضاغط من الحرارة التي يشعها التوربين، وفي المنشآت التي يكون فيها هواء التبريد محدودًا، يتم استبدال الحاجز بغطاء تبريد منتظم يتلقى الهواء مباشرة من نظام الحث.

تتكون مجموعة الضاغط من دافعة ميكانيكي وموزع وأغلفة، حيث يدخل الهواء الخاص بنظام الحث من خلال فتحة دائرية في وسط غلاف الضاغط، ويتم التقاطه بواسطة شفرات الدافعة الميكانيكية، مما يمنحه سرعة عالية أثناء انتقاله إلى الخارج باتجاه الموزع وتقوم ريش الموزع بتوجيه تدفق الهواء، حيث تترك الدافعة الميكانيكية وتحول أيضًا السرعة العالية للهواء إلى ضغط مرتفع.

يتم توفير القوة الدافعة للدافعة الميكانيكية من خلال ربطها بعمود عجلة التوربينات لتوربينات غاز العادم، ويشار إلى هذا التجميع الكامل بالدوار الذي يدور على محامل تغذية الزيت، وتتكون مجموعة توربينات غاز العادم من شاحن توربيني وصمام بوابة الفاقد، وتقوم بدفع عجلة التوربين مصحوبة بغازات العادم، ويجمع غلاف التوربو غازات العادم ويوجهها إلى عجلة التوربين، وتقوم على تنظيم بوابة الفاقد كمية غازات العادم الموجهة إلى التوربين، كما تتحكم بوابة الفاقد في حجم غاز العادم الموجه إلى التوربين وبالتالي تنظم سرعة الدوار.

إذا كانت بوابة الفاقد مغلقة تمامًا، يتم دعم جميع غازات العادم وإدخالها  عبر عجلة التوربين وإذا كانت بوابة الفاقد مغلقة جزئيًا، يتم توجيه الكمية المقابلة من غاز العادم إلى التوربين وتصطدم غازات العادم التي يتم توجيهها بشفرات التوربينات، وتكون مرتبة بشكل شعاعي حول الحافة الخارجية للتوربين، وتتسبب في دوران الدوار، وبعد أن استنفدت الغازات معظم طاقتها، وعندما تكون بوابة الفاقد مفتوحة بالكامل، فإن جميع غازات العادم تقريبًا تمر في الخارج مما يوفر دفعة قليلة أو معدومة.

الشاحن التوربيني المعزز

بعض المحركات المستخدمة في الطائرات الخفيفة مجهزة بنظام تطبيع دفع من الخارج، حيث يتم تشغيل هذه الأنظمة بواسطة طاقة غازات العادم، وعادة ما يشار إليها باسم أنظمة “دفع الشاحن التوربيني”، حيث لم يتم تصميم هذه الأنظمة لاستخدامها كشاحن فائق حقيقي، أي (زيادة الضغط المتشعب بأكثر من 30 زئبق)، ولكن تعوض الطاقة المفقودة بسبب انخفاض الضغط الناتج عن زيادة الارتفاع.

وفي العديد من محركات الطائرات الصغيرة، تم تصميم نظام الشاحن التوربيني (الدافع) ليتم تشغيله فقط فوق ارتفاع معين، 5000 قدم على سبيل المثال، وذلك لأن الطاقة القصوى دون الدفع متوفرة أسفل هذا الارتفاع.

نظام الشاحن التوربيني المعزز الأرضي

تم تصميم بعض أنظمة الشحن التوربيني المعزز من الأرض أي على (مستوى سطح البحر) للعمل من هذا المستوى إلى ارتفاعها الحرج، حيث يمكن لهذه المحركات التي يشار إليها أحيانًا بالمحركات المعززة بمستوى سطح البحر تطوير طاقة أكبر عند هذا المستوى مقارنة بالمحرك، بدون شحن توربيني، كما يجب تعزيز المحرك بما يزيد عن 30 زئبق حتى يتم شحنه بشكل فائق، ويحقق هذا النوع من الشاحن التوربيني ذلك عن طريق زيادة الضغط المتشعب فوق 30 زئبق إلى حوالي 40 زئبق.

نظام الحث الهوائي بالشاحن التوربيني

يتكون نظام تحريض الهواء الشاحن التوربيني من مدخل هواء مصفى يقع على جانب هيكل المحرك، حيث يسمح باب الهواء البديل داخل الهيكل بامتصاص الضاغط تلقائيًا للسماح بدخول الهواء البديل أي (هواء حجرة المحرك المسخن) في حالة انسداد فلتر الهواء التعريفي في كثير من الحالات، يمكن تشغيل باب الهواء البديل يدويًا في حالة انسداد هذا الفلتر.

تستخدم جميع أنظمة الشاحن التوربيني تقريبًا زيت المحرك كسائل تحكم للتحكم في مقدار التعزيز، أي (الضغط المتشعب الإضافي) المقدم للمحرك، كما يستخدم مشغل بوابة الفاقد ووحدات التحكم زيت المحرك المضغوط لتزويدهم بالطاقة، أيضًا يتم التحكم في الشاحن التوربيني بواسطة بوابة الفاقد والمشغل الخاص فيها، حيث يتحكم مشغل بوابة الفاقد، المتصل فعليًا بالبوابة عن طريق وصلة ميكانيكية.

بوابة الفاقد تتجاوز غازات عادم المحرك حول مدخل توربين الشاحن التوربيني، ومن خلال التحكم في كمية غازات العادم التي تمر عبر توربين الشاحن التوربيني، يتم التحكم في سرعة الضاغط وكمية زيادة السحب، أي (ضغط السطح العلوي)، حيث يستخدم زيت المحرك أيضًا لتبريد وتزييت المحامل التي تدعم الضاغط والتوربين في الشاحن التوربيني، كما زيت تشحيم الشاحن التوربيني هو زيت محرك يتم توفيره من خلال نظام زيت المحرك.

يوجه خرطوم إمداد الزيت من الجزء الخلفي لمبرد الزيت إلى أغطية ومحامل مركز الشاحن التوربيني، حيث تعيد الخراطيم الزيت من الشواحن التوربينية إلى مضخة تنظيف الزيت الموجودة في الجزء الخلفي من المحرك، كما يمنع صمام الفحص أحادي الاتجاه الموجود في خط إمداد الزيت تصريفه في الشاحن التوربيني أثناء عدم تشغيل المحرك، وتستخدم الزيوت التي تشبه حلقة المكبس على عمود عجلة الضاغط؛ لمنع زيت التشحيم من دخول التوربين وأغلفة الضاغط من بيت المركز.

يتم التحكم في موضع بوابة الفاقد عن طريق تعديل ضغط الزيت في مشغل بوابة الفاقد، كما يتم استخدام عدة أنواع مختلفة من وحدات التحكم لتوفير الضغط الصحيح في مشغل بوابة الفاقد، حيث يتم ذلك إما عن طريق تقييد تدفق الزيت أو السماح للزيت بالعودة إلى المحرك، وكلما زاد تقييد الزيت، زاد الضغط في مشغل بوابة النفايات وكلما كانت بوابة النفايات مغلقة، سيؤدي هذا إلى مرور غازات العادم عبر التوربين، مما يزيد من سرعة الضاغط الذي يرفع ضغط المدخل، أيضًا يحدث العكس إذا لم يتم تقييد الزيت بواسطة وحدات التحكم ويتم تقليل التعزيز، ويتم تسمية الضغط الخارج من مخرج ضاغط الشاحن التوربيني إلى الخانق بضغط السطح أو ضغط السطح العلوي.