مراوح المحركات النفاثة في الطائرة

إن السبب الرئيسي لوجود مروحة كبيرة مجوفة في مدخل المحرك هو لزيادة كفاءة الوقود وتقليل الضوضاء الناتجة، ومنها يدخل الهواء.

المروحة في مقدمة المحرك في الطائرة

في مقدمة المحرك يوجد قسم المروحة، هذا هو المكان الذي يدخل فيه الهواء البارد الذي يتراوح من -50 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية إلى المحرك من الخارج، ونطاق درجة الحرارة هذا ليس هو التحدي في هذه الحالة، ولكن يجب وضع في الاعتبار ما تواجهه هذه المكونات أيضًا، ونظرًا لكونها موجودة في مدخل المحرك، تتعرض شفرات المروحة والأقراص لأجسام غريبة مثل الغبار والمطر وحتى الطيور.

وهذا يعني أن قسم المروحة يجب أن يكون مقاومًا للتآكل ومقاوم للصدمات عند الدوران، وعادة ما تكون قوة الجاذبية المركزية على شفرات المراوح حوالي 100 طن، ثم يجب أيضًا مراعاة الاهتزازات، وهذا يعني أن قسم المروحة يجب أن يكون قادرًا على التعامل مع إجهاد الدورة المنخفض والعالي (LCF & HCF)، علاوة على ذلك، عندما يتم النظر إلى محرك نفاث، فإن شفرات المروحة تكون كبيرة.

والكبير والقوي يعني بشكل عام ثقيلًا، وثقيلًا يعني محركًا نفاثًا أقل كفاءة، لذا من المهم أيضًا جعل قسم المروحة خفيف الوزن، ولتصميم المكونات التي تعمل بفعالية في ظل هذه الظروف، يتم استخدام طريقتين.

طرق تصميم المكونات التي تعمل بفعالية في شفرة محرك الطائرة

• تتمثل الطريقة الأولى في تطوير وصقل المواد التي يتكون منها قسم المروحة حاليًا، المادة السائدة المستخدمة في قسم المروحة هي (Ti 64) أو (Ti-6Al-4V)، والتي تستمد أدائها من بنية مجهرية ثنائية النسق.

وتم استخدام هذه المواد منذ الخمسينيات من القرن الماضي وما زالت قيد البحث والتطوير من أجل أداء أفضل، في بعض الشفرات الحديثة مصنوعة من مواد مركبة لكن الغالبية لا تزال من سبائك التيتانيوم.

• وتتمثل الطريقة الثانية لتحسين أداء قسم المروحة في تحسين تصميم شفرة المروحة، حيث يمكن تقليل وزن الشفرة ببساطة عن طريق استخدام مواد أقل، وهذا له تحدياته الخاصة، حيث كلما أصبح المكون أرق، قل تكامله الهيكلي، وليست القوة فقط هي التي يجب أخذها في الاعتبار، ولكن أيضًا الإجهاد والتآكل وإدخال نقاط الضعف بسبب التصميم.

تطور شفرة محرك الطائرة

حصل هناك قفزات في التصميم التكنولوجي تم تحقيقها بدءًا من شفرات الجيل الأول الصلبة المستخدمة في الخمسينيات، وحتى الجيل الرابع من شفرات DBSPF “العارضة”، حيث تستخدم شفرات الجيل الأول مصدات تبرز من الشفرة لمنعها من الالتواء، ونظرًا لأن المحركات أصبحت أكثر قوة وأسرع، فإن هذا التصميم يعني أن شفرة المروحة كانت مرنة للغاية.

لذا تم استبدالها بشفرة مجوفة بهيكل يكون على شكل قرص العسل (honeycomb)، ولا تعمل الشفرات المجوفة على تقليل الوزن مع الحفاظ على الصلابة والقوة، ولتقليل الوزن بشكل أكبر، تم استبدالها بهيكل عارض في شفرات الجيل الثالث، حيث يتميز أحدث جيل من الشفرات، بتصميم إضافي مجسَّم نابع من فهم أكبر للديناميكا الهوائية من خلال تحسين الحوسبة والمحاكاة.

قسم المروحة ليس فقط الشفرة ولكن أيضًا القرص الذي تتصل به الشفرات، حيث ينقل قرص المروحة التدويرات من العمود إلى الشفرات، وبالتالي لديه وظيفة مهمة يمكن أن ينتج عنها ضغوط تعادل ما يصل إلى 100 طن، وعندما نفكر في رحلة واحدة، يتم تشغيل المحرك ويتعرض قرص المروحة للإجهاد الذي يتم إزالته بعد ذلك عند إيقاف تشغيل المحرك بعد الهبوط.

الجزء الأخير من قسم المروحة والذي هو في الحقيقة الجزء الأول هو مخروط المقدمة، ويتكون مخروط المقدمة للمحرك النفاث من ألياف زجاجية مركبة عادة مرتبطة، ويجب أن تكون قادرة على التعامل مع الغبار والحطام والطيور، والميزة الأكثر إثارة للاهتمام لهذا المكون هي طرف المخروط.

لأنه يحلق في الهواء عالياً في الغلاف الجوي، ويكون الجو باردًا، وبالتالي فإن طرف مخروط الأنف يبني الجليد، ولإيقاف هذا فإن نهاية مخروط الأنف مصنوعة من المطاط لأنها تنثني وتكسر الجليد أثناء تشكله.

نسبة التجاوز أو الالتفافية في الطائرة

يجب أن يكون أي شخص طار على متن طائرة نفاثة حديثة قد رأى مروحة كبيرة في مقدمة محركات الطائرة، وإن وجود مروحة كبيرة في المدخل يجعل المحرك محركًا له نسبة تجاوز عالية، ونسبة التجاوز هي النسبة بين معدل تدفق الكتلة للهواء الذي يتجاوز قلب المحرك (التدفق الثانوي) إلى معدل تدفق كتلة الهواء الداخل إلى قلب المحرك (التدفق الأساسي).

على سبيل المثال، تعني نسبة التجاوز أو الالتفافية 5:1 أنه لكل خمس وحدات من تدفق الهواء الثانوي، تدخل وحدة واحدة من تدفق الهواء الأساسي إلى قلب المحرك، ويدخل تدفق الهواء الأساسي إلى قسم الضغط، ويتم حرقه بالوقود لتوفير الطاقة للمروحة، ونتيجة لذلك، تدور المروحة وتنتج غالبية الدفع من خلال تدفق الهواء الثانوي (الالتفافي).

محركات الطائرة نوع Turbojet

في محرك نفاث نموذجي، يمر كل الهواء القادم عبر قلب المحرك قبل استخدامه للاحتراق والتوسع، بينما يجب أن يظل تدفق الهواء الداخل بسرعات دون سرعة الصوت، وإن تصميم المحرك النفاث مثالي للطائرات الأسرع من الصوت.

وتتمتع هذه المحركات باستهلاك وقود مرتفع للغاية وهي غالية جدًا علاوة على ذلك، ينخفض أداء المحرك بشكل كبير عند السرعات المنخفضة بسبب فقدان تدفق الهواء داخل النظام.

محركات الطائرة المروحية Turbofan

تتطلب السرعات دون سرعة الصوت التي تطير بها الطائرات التجارية تحسين كفاءة الوقود عند سرعات التشغيل، حيث يعتبر تصميم المروحة أكثر ملاءمة للسرعات دون سرعة الصوت؛ نظرًا لقدرتها على إنتاج قوة دفع أكبر من خلال المروحة الأنبوبية، وعلى الرغم من كونها أثقل من المحركات التوربينية، إلا أن المحركات المروحية أكثر كفاءة في استهلاك الوقود.

ونظرًا لأن عمود الضغط المنخفض (مع المروحة المرفقة به) يدور بسرعة أقل بكثير من عمود الضغط العالي، فإن استهلاك الوقود المحدد ومستويات الضوضاء تظل منخفضة، بالإضافة إلى ذلك يعمل الهواء الالتفافي (الأكثر برودة) على تبريد المحرك من الخارج أثناء التشغيل، ويسمح تصميم المحركات المروحية بمزيد من الكفاءة من خلال توجيه جزء صغير فقط من الهواء الداخل ليتم ضغطه وخلطه بالوقود من أجل الاحتراق.

وفي المحركات ذات النسبة الالتفافية الكبيرة، يدخل ما يقرب من 10 – 20٪ من الهواء الوارد إلى قلب المحرك، بينما يتجاوز 80-90٪ من الهواء قلب المحرك مع إضافة قوة الدفع الإجمالية التي ينتجها المحرك، ويتمتع محرك (CFM International LEAP-1A)، الذي يشغل عائلة طائرات ايرباص A320neo، بنسبة تجاوز مذهلة تبلغ 11:1 وعلى هذا النحو، يتم ضغط ما يقرب من 9٪ من الهواء واستخدامه للاحتراق.

بينما تنتقل نسبة 91٪ المتبقية للخلف عبر تيار الالتفافية، وتميل المحركات ذات النسب الالتفافية العالية جدًا إلى أن تكون أكثر كفاءة من حيث استهلاك الوقود المحدد نظرًا لقدرتها على استخدام الحد الأدنى من الهواء للتوسع، وداخل نظام الضغط المنخفض، تزداد سرعة طرف المروحة بالنسبة لسرعة ريش التوربينات منخفضة الضغط.

وفي تصميم المروحة التوربينية المجهزة يتم استخدام علبة تروس تخفيض كوكبية في نظام الضغط المنخفض بين المروحة والعمود، حيث يحافظ صندوق التروس على سرعات طرف المروحة أقل من المستويات فوق الصوتية مع الحفاظ على الكفاءة الإجمالية للوقود عند مستوى مقبول.