التوربينات الغازية في مراوح الطائرات

يتم استخدام المروحة مع محرك لتوفير قوة الدفع، حيث يقوم المحرك بتزويد (bhp) من خلال عمود دوار وتقوم المروحة بامتصاص (bhp) وتحويلها إلى قوة دفع عالية، وفي هذا التحويل يتم إهدار بعض الطاقة؛ نظرًا لأن كفاءة أي آلة هي نسبة خرج القدرة المفيدة إلى مدخلات الطاقة، وتعتبر الكفاءة الدافعة في هذه الحالة كفاءة المروحة، وهي نسبة قوة الدفع إلى القدرة الحصانية في المتوسط، وتشكل قوة الدفع حوالي 80 في المائة من الحصان والـ 20٪ الباقية تضيع في الاحتكاك والانزلاق، كما يعد التحكم في زاوية ريشة المروحة أفضل طريقة للحصول على أقصى كفاءة دفع لجميع الظروف التي تواجهها أثناء الطيران.

الكفاءة الدافعة أثناء الإقلاع

أثناء الإقلاع عندما تتحرك الطائرة بسرعات منخفضة وعندما تكون هناك حاجة إلى أقصى قوة ودفع، تعطي زاوية ريشة المروحة المنخفضة أقصى قوة دفع، وبالنسبة للطيران أو الغوص في الهواء بسرعة عالية فإنه يتم زيادة زاوية الشفرة للحصول على أقصى قوة دفع وكفاءة، كما يتم استخدام المروحة ذات السرعة الثابتة لإعطاء الدفع المطلوب بأقصى قدر من الكفاءة لجميع ظروف الطيران.

أنواع التوربينات الغازية

في المحرك الترددي تتم وظائف السحب والضغط والاحتراق والعادم في نفس غرفة الاحتراق، وبالتالي يجب أن يكون لكل منها إشغال حصري للغرفة خلال الجزء الخاص بها من دورة الاحتراق، ومن السمات المهمة لمحرك التوربينات الغازية أنه يتم تخصيص أقسام منفصلة لكل وظيفة، ويتم تنفيذ جميع الوظائف في وقت واحد دون انقطاع.

يتكون المحرك التوربيني الغازي النموذجي من:

1. مدخل هواء.
2. قسم الضاغط.
3. قسم الاحتراق.
4. قسم التوربينات.
5. قسم العادم.
6. قسم الملحقات والأنظمة اللازمة لبدء التشغيل والتشحيم وإمداد الوقود والأغراض المساعدة مثل: مقاومة التجمد والتبريد والضغط.

المكونات الرئيسية لكل محركات التوربينات الغازية هي نفسها بشكل أساسي، ومع ذلك فإن تسمية الأجزاء المكونة للمحركات المختلفة المستخدمة حاليًا تختلف اختلافًا طفيفًا بسبب الاختلاف في مصطلحات كل مصنع، حيث تنعكس هذه الاختلافات في كتيبات الصيانة المعمول بها، ويعتبر أحد أكبر العوامل الفردية التي تؤثر على ميزات البناء لأي محرك توربيني غازي هو نوع الضاغط أو الضواغط التي تم تصميم المحرك من أجلها.

أنواع من المحركات التوربينية الغازية

تُستخدم أربعة أنواع من المحركات التوربينية الغازية لدفع الطائرات وتزويدها بالطاقة؛ وهي المروحي والمحرك التوربيني  والعمود التوربيني والنفاث التوربيني، كما تم استخدام المصطلح (turbojet) لوصف أي محرك توربيني غازي مستخدم في الطائرات، ومع تطور تكنولوجيا التوربينات الغازية، تم تطوير هذه الأنواع الأخرى من المحركات لتحل محل محرك التوربينات النفاثة الخالصة، حيث يواجه المحرك التوربيني النفاث مشاكل في الضوضاء واستهلاك الوقود في نطاق السرعة الذي تطير به الطائرات (8 Mach)، وبسبب هذه المشاكل، فإن استخدام المحركات النفاثة النقية محدود للغاية.

لذلك تستخدم جميع الطائرات تقريبًا محركًا توربينيًا، حيث تم تطويره لتشغيل مروحة كبيرة أو مجموعة من المراوح في مقدمة المحرك، وتنتج حوالي 80 بالمائة من قوة الدفع من المحرك، حيث يكون هذا المحرك أكثر هدوء ولديه استهلاك أفضل للوقود في نطاق السرعة هذا، كما تحتوي المحركات المروحية على أكثر من عمود واحد في المحرك، ويوجد العديد من المحركات ذات محورين، هذا يعني أن هناك ضاغطًا وتوربينًا يقودها، كما يستخدمان هذان المحركان المحوريان بكرتين، البكرة عبارة عن ضاغط وعمود وتوربينات تقود هذا الضاغط، وفي محرك ثنائي البكرة، يوجد بكرة ضغط عالي وبكرة ضغط منخفض.

تحتوي البكرة ذات الضغط المنخفض بشكل عام على المروحة ومراحل التوربينات اللازمة لقيادتها، وبكرة الضغط العالي هي عبارة عن ضاغط للضغط العالي والعمود والتوربينات، كما تشكل هذه البكرة جوهر المحرك، وهذا هو المكان الذي يوجد فيه قسم الاحتراق، حيث يشار إلى التخزين المؤقت عالي الضغط أيضًا باسم مولد الغاز؛ لأنه يحتوي على قسم الاحتراق.

المحركات المروحية

يمكن أن تكون المحركات المروحية قليلة الالتفافية أو عالية الالتفافية، حيث أن كمية الهواء التي يتم تعديلها حول قلب المحرك تحدد نسبة التجاوز، ولا يمر الهواء الذي تحركه المروحة بشكل عام عبر قلب العمل الداخلي للمحرك، ويكون مقدار تدفق الهواء في عبارة عن (lb/sec) من تجاوز المروحة إلى التدفق الأساسي للمحرك وهو نسبة الالتفافية.

تُستمل بعض المحركات المروحية ذات الالتفافية القليلة في نطاقات السرعة التي تزيد عن (0.8 Mach) في الطائرات العسكرية، كما تستخدم هذه المحركات مكبرات أو حواجز لاحقة لزيادة قوة الدفع؛ وذلك من خلال إضافة المزيد من فوهات الوقود وحامل اللهب في نظام العادم، كما يمكن رش الوقود الإضافي وحرقه؛ مما قد يؤدي إلى زيادات كبيرة في الدفع لفترات قصيرة من الوقت.

المحرك التوربيني

أما المحرك التوربيني هو محرك توربيني غازي يدير المروحة من خلال صندوق تروس لخفض السرعة، هذا النوع من المحركات هو الأكثر كفاءة في نطاق سرعة 300 إلى 400 ميل في الساعة، ويمكنه استخدام مدارج أقصر من الطائرات الأخرى، كما يتم استخدام ما يقرب من 80 إلى 85 بالمائة من الطاقة التي طورها المحرك التوربيني الغازي لقيادة المروحة، حيث تخرج بقية الطاقة المتاحة من العادم كدفع، وذلك من خلال إضافة القدرة الحصانية التي طورها عمود المحرك والقدرة الحصانية في الدفع الخارج.

فيما يتعلق بالطائرات، فإن المحرك التوربيني هو محرك توربيني غازي مصنوع لنقل القدرة الحصانية إلى عمود يقوم بتحويل ناقل الحركة بطائرة هليكوبتر أو وحدة طاقة إضافية على متن الطائرة (APU)، حيث يتم استخدام (APU) في الطائرات التي تعمل بالطاقة التوربينية لتوفير الطاقة الكهربائية وهواء الضغط على الأرض ومولد احتياطي خلال الطيران، كما يمكن أن تأتي محركات العمود التوربيني في العديد من الأنماط والأشكال ونطاقات القدرة الحصانية المختلفة.

مدخل الهواء في محركات توربينات الغاز

تم تصميم مدخل الهواء لتوصيل الهواء الداخل إلى الضاغط مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة الناتج عن السحب أو فقدان ضغط الكبس أي أنه، يجب أن يكون تدفق الهواء إلى الضاغط خاليًا من الاضطرابات لتحقيق أقصى قدر من كفاءة التشغيل، كما أنه يساهم تصميم المدخل المناسب ماديًا في أداء الطائرة، وذلك عن طريق زيادة نسبة ضغط تفريغ الضاغط إلى ضغط مدخل القناة.

يشار إلى هذا أيضًا باسم نسبة ضغط الضاغط وتعتبر هذه النسبة هي ضغط المخرج مقسومًا على ضغط المدخل، وتكون كمية الهواء التي تمر عبر المحرك تعتمد على ثلاثة عوامل:

1. سرعة الضاغط (rpm).
2.  السرعة الأمامية للطائرة.
3.  كثافة الهواء المحيط.

ملاحظة: 

• “BHP” اختصار لـ “Break Horsepower”.

•  “APU” اختصار لـ “Auxiliary Power Unit”.

•  “RPM” اختصار لـ “Revolutions Per Minute”.

•  Mach” هي لـ “the ratio of flow velocity after a certain limit of the sounds speed”.