مبادئ تشغيل محرك التوربينات

المبدأ الذي يستخدمه المحرك التوربيني الغازي لأنه يوفر القوة لتحريك الطائرة يستند إلى قانون نيوتن للزخم، حيث ينص هذا القانون على أن لكل فعل رد فعل متساوٍ ومعاكس، لذلك إذا قام المحرك بتسريع كتلة من الهواء (الحركة)، فإنه يطبق قوة على الطائرة (رد فعل)، كما يولد المحرك التوربيني الدفع عن طريق إعطاء تسارع أبطأ نسبيًا لكمية كبيرة من الهواء، ويحقق المحرك النفاث التوربيني النقي القديم الدفع عن طريق إعطاء تسارع أكبر لكمية أقل من الهواء.

تسريع كتلة الهواء داخل المحرك

يتم تسريع كتلة الهواء داخل المحرك باستخدام دورة التدفق المستمر ويدخل الهواء المحيط إلى الناشر الداخل، حيث يتعرض لتغيرات في درجة الحرارة والضغط والسرعة بسبب هذا التأثير، ويقوم الضاغط بعد ذلك بزيادة ضغط ودرجة حرارة الهواء ميكانيكيًا، كما يستمر الهواء بضغط ثابت إلى قسم الموقد، حيث تزداد درجة حرارته عن طريق احتراق الوقود، ويتم الحصول على الطاقة من الغاز الساخن من خلال التمدد من خلال التوربينات التي تدفع الضاغط، ومن خلال التمدد من خلال فوهة العادم المصممة لتفريغ غاز العادم بسرعة عالية لإنتاج قوة الدفع.

كما يمكن اعتبار الغازات عالية السرعة من المحرك مستمرة، حيث يتم نقل هذه القوة ضد الطائرة التي تم تركيبها فيها، وبالتالي إنتاج قوة الدفع، كما يمكن اشتقاق صيغة الدفع من قانون نيوتن الثاني، الذي ينص على أن القوة متناسبة مع حاصل ضرب الكتلة والتسارع.

تكون الكتلة مشابهة للوزن، لكنها في الواقع كمية مختلفة، حيث تشير الكتلة إلى كمية المادة، بينما يشير الوزن إلى سحب الجاذبية على تلك الكمية من المادة، ولحساب تسارع كتلة معينة يتم استخدام ثابت الجاذبية كوحدة للمقارنة، حيث تبلغ قوة الجاذبية 32.2 قدمًا في الثانية المربعة (قدم/ثانية 2)، وهذا يعني أن جسمًا حرًا يبلغ وزنه رطلًا واحدًا يتسارع بمعدل 32.2 قدمًا في الثانية، ونظرًا لأن كتلة الجسم تزن رطلًا واحدًا وهي أيضًا القوة الفعلية الممنوحة لها عن طريق الجاذبية، فيمكن افتراض أن قوة مقدارها 1 باوند تسرع الجسم (بمعدل 32.2 قدم/ثانية 2).

أداء محرك التوربينات الغازية

الكفاءة الحرارية هي عامل رئيسي في أداء توربينات الغاز، وهي نسبة صافي الشغل الذي ينتجه المحرك إلى الطاقة الكيميائية التي يتم توفيرها على شكل وقود، حيث تكون العوامل الثلاثة الأكثر أهمية التي تؤثر على الكفاءة الحرارية هي درجة حرارة دخول التوربينات ونسبة الضغط وكفاءة مكونات الضاغط والتوربين، أما العوامل الأخرى التي تؤثر على الكفاءة الحرارية هي درجة حرارة مدخل الضاغط وكفاءة الاحتراق، ويكون هناك تأثير بسبب تغيير نسبة الضغط على الكفاءة الحرارية عندما تظل درجة حرارة مدخل الضاغط وكفاءة مكونات الضاغط والتوربين ثابتة، وفي التشغيل الفعلي تختلف درجة حرارة عادم محرك التوربين بشكل مباشر مع درجة حرارة مدخل التوربين عند نسبة ضغط ثابتة.

(Rpm) هو مقياس مباشر لنسبة الضغط، لذلك عند سرعة دوران ثابتة، يمكن الحصول على أعلى قدر من الكفاءة الحرارية من خلال الحفاظ على أعلى درجة حرارة ممكنة للعادم؛ ونظرًا لأن عمر المحرك ينخفض ​​بشكل كبير في درجات حرارة مدخل التوربينات العالية، فيجب ألا يتجاوز المشغل درجات حرارة العادم المحددة للتشغيل المستمر، كما يوجد تأثير لدرجة حرارة مدخل التوربين على عمر ريشة التوربين.

نظرًا لأن هذا تطبيق عملي للمحرك التوربيني، فإنه من الضروري تحليل تأثير ظروف المدخل المتغيرة على الدفع أو الطاقة المنتجة، أما المتغيرات الرئيسية الثلاثة التي تؤثر على ظروف المدخل هي سرعة الطائرة وارتفاع الطائرة ودرجة الحرارة المحيطة ولجعل التحليل أبسط، يمكن تمثيل مجموعة هذه المتغيرات الثلاثة بواسطة متغير واحد يسمى كثافة الركود.

تأثير سرعة الهواء على صافي الدفع

يوجد تأثير للسرعة الجوية على دفع المحرك التوربيني الغازي لشرح تأثير سرعة الهواء، من الضروري أن نفهم أولاً تأثير السرعة الجوية على العوامل التي تتحد لإنتاج الدفع الإجمالي: الدفع المحدد وتدفق هواء المحرك، والدفع المحدد هو الدفع الصافي الذي يتم تطويره لكل رطل من تدفق الهواء في الثانية، حيث إنه ما تبقى من الدفع الإجمالي المحدد مطروحًا منه السحب المحدد.

ومع زيادة سرعة الهواء، يزداد السحب بسرعة، كما تظل سرعة العادم ثابتة نسبيًا، وبالتالي يؤدي تأثير الزيادة في سرعة الهواء إلى انخفاض الدفع النوعي، وفي نطاق السرعة المنخفضة ينخفض ​​الدفع المحدد بشكل أسرع من زيادة تدفق الهواء ويسبب انخفاضًا في صافي الدفع، ومع زيادة سرعة الهواء إلى النطاق الأعلى، يزداد تدفق الهواء بشكل أسرع من انخفاض الدفع المحدد، ويؤدي إلى زيادة صافي الدفع حتى الوصول إلى السرعة الصوتية.

ارتفاع الضغط الجوي الخارجي

يرتفع الضغط فوق الضغط الجوي الخارجي الموجود عند مدخل المحرك، كنتيجة للسرعة الأمامية للطائرة، ونظرًا لأن أي تأثير يتسبب في زيادة ضغط دخول الضاغط فوق الغلاف الجوي، فإن ارتفاع الضغط الناتج يؤدي إلى زيادة تدفق الهواء الجماعي وسرعة الغاز وكلاهما يميل إلى زيادة الدفع، وعلى الرغم من أن التأثير يزيد من قوة دفع المحرك، إلا أن الدفع الذي ينتجه المحرك يتناقص لضبط دواسة الوقود مع زيادة سرعة الطائرة، لذلك يحدث اتجاهان متعاكسان عند زيادة سرعة الطائرة، وما يحدث في الواقع هو النتيجة النهائية لهذين التأثيرين المختلفين.