موتور جت چگونه کار می‌کند؟

هدف اصلی سیستم پیشرانش هواپیماها، ایجاد نیرویی رو به جلو است که منجر به حرکت اینگونه از وسایل شود. به نیروی ایجاد شده، «تراست» (Thrust) گفته‌ می‌شود. مبنای کاری هواپیماهای مبتنی بر جت و مدل‌های پره‌ای، همین مفهوم است. نیروی تراست در چنین وسایلی با شتاب دادن به هوا ایجاد می‌شود. این نیرو به طور مستقیم با اختلاف سرعت هوای ورودی به موتور و خروجی از آن ارتباط دارد.

هواپیماهای پره‌ای حجم زیادی از هوا را به اندازه کمی سرعت می‌دهند. این در حالی است که در جت‌ها حجم اندکی از هوا به میزان زیادی شتاب می‌گیرد. نیروی وارد شده به سیستم، که ناشی از این تغییر سرعت است را می‌توان با استفاده از قانون دوم نیوتن توضیح داد.

بنابراین موتورهای جت به نحوی طراحی می‌شوند که به ازای نرخ مشخصی از جریان هوا بیشترین شتاب ممکن را ایجاد کنند. از نظر نیروی ایجاد شده، موتورهای مبتنی بر توربین گاز نسبت به نوع پیستونی، بسیار قوی‌تر هستند.

یک موتور جت مبتنی بر توربین گاز به سیستمی گفته می‌شود که در آن، از هوا به عنوان سیال کاری بهره می‌گیرند. به منظور دست‌یابی به نیروی تراست مد‌نظر، هوای ورودی به موتور باید شتاب گرفته و یا به بیانی دیگر انرژی جنبشی آن بایستی افزایش یابد.

مراحل کاری موتور جت مبتنی بر توربین گاز به ترتیب زیر هستند:

1. کمپرسور فشار هوای ورودی را افزایش می‌دهد.
2. سوخت توسط محفظه احتراق به درون هوای ورودی پاشیده شده و با استفاده از احتراق، هوا را داغ می‌کند. در مدت زمان فرآیند احتراق، فشار تقریباً ثابت خواهد ماند؛ بنابراین با زیاد شدن دمای هوا، این سیال حجم بیشتری را اشغال خواهد کرد.
3. توربین، انرژی ذخیره شده در هوای داغ را به کار مکانیکی تبدیل خواهد کرد. این انرژی، نیروی مورد نیاز به منظور چرخش محور کمپرسور را فراهم می‌کند.
4. نازل، هوای ورودی را شتاب و سرعت آن را افزایش می‌دهد.

در ادامه هر یک از مراحل معرفی شده در بالا بررسی خواهد شد.

کمپرسور

در موتورهای توربینی، هوا در کمپرسور و به دو صورت عمده فشرده می‌شود. این فرآیند در بعضی از کمپرسورها به شکل محوری و در بعضی دیگر به صورت گریز از مرکز رخ می‌دهد. در هر دو نوع کمپرسور مورد اشاره انرژی چرخشی لازم، از طریق توربین تامین می‌شود. شایان ذکر است که معمولا در این سیستم‌ها کمپرسور و توربین روی یک محور قرار گرفته‌اند.

کمپرسورهای گریز از مرکز معمولا از پره به عنوان شتابدهنده هوا و هم‌چنین از دیفیوزر به منظور بالا بردن فشار آن استفاده می‌کنند. در این نوع از کمپرسورها، هوا به صورت شعاعی (در زاویه 90 درجه نسبت به جهت پرواز) از کمپرسور خارج می‌شود.

در کمپرسورهای محوری از مجموعه‌ای پره روی یک محور به منظور شتاب دادن هوا استفاده می‌شود. در این کمپرسورها با استفاده از ورقه‌های ثابتی (استاتور) فشار هوای ورودی افزایش می‌یابد.

توجه داشته‌ باشید که میزان فشردگی حاصل شده در یک کمپرسور گریز از مرکز، بسیار بیشتر از نوع محوری آن است. این بیان به این معنا است که به منظور افزایش فشار به یک میزان مشخص، به کمپرسوری چند مرحله‌ای از نوع محوری نیازمند هستیم و این در حالی است که احتمال دارد همان میزان افزایش فشار تنها در یک مرحله در یک کمپرسور گریز از مرکز انجام شود.

طراحی موتوری که مبتنی بر کمپرسور گریز از مرکز باشد، به نسبت موتوری که در آن از کمپرسور محوری استفاده شده باشد، به سطح ورودی بیشتری نیازمند است. این اختلاف سطح مقطع ورودی به این دلیل است که در کمپرسور محوری، جریان پس از فشرده شدن بایستی دوباره به سمت محفظه احتراق هدایت شود؛ هم‌چنین خود کمپرسور محوری نیز از حجم بیشتری برخوردار است. بنابراین موتوری که در آن از کمپرسور گریز از مرکز استفاده شده به نسبت کمپرسورهای محوری از نظر ظاهر، چاق‌تر و هم‌چنین کوتاه‌ تر به نظر می‌رسد.

محفظه احتراق

وظیفه محفظه احتراق در یک موتور، سوزاندن مقدار زیادی سوخت است. این سوخت به همراه هوایی می‌سوزد که از کمپرسور خارج شده. سوخت مد نظر نیز توسط نازل‌هایی که در محفظه قرار گرفته‌اند، درون هوای فشرده شده اسپری می‌شود. این عمل در حالت ایده‌آل با کمترین افت فشار ممکن و بیشترین انتقال حرارت انجام می‌شود.

میزان سوخت اضافه شده به هوای فشرده شده، به دمایی وابسته است که می‌خواهیم به آن دست یابیم. با این حال با توجه به محدودیت ساخت، بیشترین دمایی که می‌توان به آن رسید بین 850 تا 1700 درجه سانتی‌گراد است. توجه داشته باشید که قبل از ورود هوا به محفظه احتراق دمای هوا به میزان 650 تا 1150 درجه افزایش یافته است.

دمای گاز پس از احتراق به عددی معادل 1800 تا 2000 درجه سانتی‌گراد خواهد رسید. قریب به 60 درصد از حجم هوای ورودی، در احتراق شرکت نخواهد کرد و مستقیم به سمت مشعل حرکت خواهد کرد. مابقی هوایی که در احتراق شرکت نکرده کار خنک کردن دیواره نازل را انجام می‌دهد.

در حالت کلی سه نوع اصلی محفظه احتراق وجود دارد.

• محفظه احتراق چند بخشی
• حلقوی شکل (Annular)
• حلقوی شکل با اتاقک جدا (Can Annular)

محفظه احتراق چند بخشی

این نوع از محفظه احتراق در کمپرسورهای گریز از مرکز و مدل‌های اولیه کمپرسورهای محوری استفاده می‌شود. احتراق چند‌بخشی، الهام گرفته از محفظه احتراق Whittle است. اتاقک‌ها مطابق شکل به صورت شعاعی و دور تا دور موتور قرار گرفته‌اند، هم‌چنین هوایی که از سمت کمپرسور می‌آید مستقیما به درون آن‌ها هدایت می‌شود. هر اتاقک شامل یک مشعل است که هوای ورودی از کمپرسور، اطراف آن قرار می‌گیرد. تمامی این مشعل‌ها نیز با هم ارتباط دارند. این ویژگی به اتاقک‌ها کمک می‌کند تا در یک فشار کاری یکسان، فعالیت کنند و هم‌چنین امکان پخش مشعل اطراف موتور وجود داشته‌ باشد.

محفظه حلقوی شکل با اتاقک جدا

این نوع از محفظه احتراق در واقع پلی میان نوع چند‌بخشی و حلقوی است. در این مدل تعدادی مشعل احتراق، به صورت حلقوی و در معرض هوا قرار داده می‌شوند. هم‌چنین جریان هوا همانند مدلی است که در بخش قبل به آن اشاره شد. این ترتیب قرار‌گیری مشعل‌ها، به نگه‌داری و تعمیرات و هم‌چنین کم‌حجم‌تر کردن موتور مذکور کمک می‌کند.

محفظه حلقوی

این نوع از محفظه احتراق شامل فقط یک مشعل است که به صورت حلقوی (همانند مدل قبلی) در معرض جریان هوای ورودی قرار می‌گیرد. مهم‎‌ترین مزیت در این مدل از محفظه احتراق این است که با فرض یک توان خروجی ثابت، فقط 75 درصد از قطر مدل قبلی نیاز و درنتیجه این مدل از وزن و قیمت کم‌تری برخوردار است.

توربین

وظیفه توربین در یک موتور جت، تولید نیرو به منظور به حرکت در آوردن کمپرسور و دیگر اجزای آن است. این کار با  گرفتن انرژی از گاز داغ انجام می‌شود، به نحوی که نهایتا دما و فشار آن افت خواهد کرد. دمای گازی که در معرض توربین قرار می‌گیرد، بین 850 تا 1700 درجه است، که از دمای ذوب موادی که با تکنولوژی کنونی ساخته می‌شوند، فاصله دارد.

به منظور ایجاد گشتاور مورد نیاز کمپرسور و دیگر اجزا موتور، چندین مرحله افت فشار و دما در توربین اتفاق می‌افتد. تعداد این مراحل به توان مد نظر، سرعت دورانی توربین و قطر آن وابسته است.

از نظر تئوری، هرچه دمای ورودی به توربین بیشتر باشد، راندمان موتور افزایش می‌یابد. اما در عمل به دلیل محدودیت در مواد استفاده شده در ساخت توربین، این مهم امکان‌پذیر نیست و یک حد بالایی از دمای ورودی به توربین قابل تعریف است. در حقیقت دمای توربین تا مقداری افزایش خواهد یافت که قطعات آن به شدت داغ و سرخ خواهند شد. در این حالت مواد انتخاب شده بایستی این قدرت را داشته‌ باشند تا بتوانند گشتاور و نیروی مد نظر را بدون ذوب شدن، انتقال دهند.

سوراخ‌های کوچکی در پره‌های توربین تعبیه شده که با جریان یافتن هوا میان آن‌ها سبب خنک شدنش می‌شوند.

نازل خروجی

موتور‌های مبتنی بر توربین گاز که در هواپیماها استفاده می‌شوند، از سیستمی تحت عنوان «اگزاست» (Exhaust) بهره می‌برند که وظیفه آن تخلیه گاز داغ به درون اتمسفر است. با بهره‌گیری از این سیستم، گاز خروجی سرعت خواهد گرفت، بنابراین امکان دستیابی به تراست مد نظر وجود خواهد داشت. طراحی اگزاست می‌تواند تاثیر به‌سزایی در کارکرد توربین گاز داشته‌ باشد. عملکرد این سیستم به دمای گاز ورودی، نرخ جرمی جریان، فشار و دمای گاز خروجی مد نظر طراحی وابسته است.

وظیفه اصلی اگزاست، جلوگیری از هدایت حرارتی به بقیه اجزاء موتور و هم‌چنین تنظیم سطح مقطع مناسب برای گاز خروجی است. اضافه کردن برخی ویژگی‌ها هم‌چون «معکوس‌کننده تراست» (به منظور کاهش سرعت هواپیما هنگام فرود آمدن)، دمپر صدا و یا سطح مقطع متغیر، طراحی این سیستم را پیچیده‌تر خواهد کرد.

پس‌سوز

علاوه بر اجزا استفاده شده در توربین گاز، از جزء دیگری نیز به منظور افزایش تراست خروجی استفاده می‌شود. پس‌سوز (بازگرمایش)، سیستمی است که به منظور افزایش نیروی تراست در مواقع معینی استفاده می‌شود، از جمله این مواقع می‌توان به هنگامی که هواپیما در حال بلند شدن و یا مشغول مانورهای جنگی است اشاره کرد.

از نظر مهندسی، تعبیه سیستم پس‌سوز در یک موتور، منجر به مصرف سوخت بسیار بیشتری نسبت به حالت عادی خواهد شد؛ بنابراین از این سیستم فقط در زمانی استفاده می‌شود که مسئله سوخت در موتورها اهمیت کمتری داشته باشد.