:: Flying Way :: - هندسة محركات (2)

مقارنة لأنواع المحركات

https://upload.wikimedia.org/wikipedi...ion_arabic.png
محرك عمود دوران توربينى Turboshaft

https://upload.wikimedia.org/wikipedi...al_flow_ar.png
محرك توربين نفاث Turbojet

حركة اندفاع المحرك تساوي كتلة الهواء × سرعة النفث الذي يخرجه المحرك.
I = m c
حيث:
m = هي كتلة الهواء بالثانية.
c = سرعة العادم.
بمعنى آخر الطائرة ستكون أسرع إذا ازداد انبعاث كمية الهواء بالثانية من المحرك أو اذا ازدادت سرعة الهواء المنبعث فكليهما نفس الشيء. مع ذلك فالطائرة التي بسرعة معينة(v), والهواء يتحرك باتجاهها سينتج احتكاك عنيف ينعكس على سحب الهواء.
m v
المحركات النفاثة لها مدخل هواء air intake والتي تمكن كمية كبيرة من الغازات بالخروج من العادم, محرك الصاروخ العادي ليس له مدخل هواء, الوقود والمؤكسدات سيكونون محمولين على الهيكل, لذلك تلك المحركات ليس لديها احتكاك قوي, الدفع الإجمالي على الخرطوش هو نفسه صافي الدفع للمحرك. لذا خصائص دفع المحرك الصاروخي تختلف تماما عن المحركات النفاثة.

https://upload.wikimedia.org/wikipedi...nozzle.svg.png

خرطوش دي لافال ويرى أنه ضيق بالوسط ليزيد من سرعة الهواء الخارج من الأخضر إلى الأحمر

محرك شفط الهواء يصبح مفيدا فقط في حالة سرعة الغاز الخارج من العادم (c) يكون أكثر من سرعة الطائرة (v). صافي دفع المحرك يعادل أو يكون نفس الغاز المنبعث مع السرعة (c) - (v), لذلك الدفع فعلا يعادل:
(S = m(c - v
محرك العمود التوربيني Turboshaft لديها مراوح دوارة كبيرة بإمكانها سحب وتسريع كمية كبيرة من الهواء ولكن لسرعة محدودة, وهذا لجميع الطائرات ذات المراوح, لذلك فهي لاتعطي أي دفع إضافي إذا تعدت الطائرة السرعة القصوى. (c-v < 0)
التوربين النفاث turbojet والمحركات المشابهة له تسحب وتسرع كميات أقل من الهواء وتحرق الوقود, ولكن تبعث ذلك بأعلى سرعة ممكنة بواسطة خرطوش يسمى دي لافال. لهذا السبب هي ملائمة للسرعات الفوق صوتية.
من جهة أخرى كفاء الدفع أو مايسمىكفاءة استخدام الطاقة ستكون القصوى عندما يتساوى سرعة الغاز المنبعث من العادم مع سرعة الطائرة, المروحة التوربينية ذات التحويلة الجانبية البسيطة يكون العادم مخلوط بسرعتين لتيار الهواء يتحركون بسرعتين مختلفتين(c1 و c2) والدفع بتلك الحالة سيكون
(S = m1(c1 - v1) + m2(c2 - v2

https://upload.wikimedia.org/wikipedi...yEn_arabic.png
مقارنة بين 3أنواع من المحركات وكفائتها على سرعات مختلفة

حيث m1 و m2 هما كتلة الهواء الذان يخرجان من العوادم. تلك المحركات لها تأثير أقوى من النفاثة بالسرعات المنخفضة, ولكن بالسرعة العالية هي أفضل من عمود الدوران التوربينى (طائرة مروحية) والمراوح بشكل عام. فمثلا على وجهة 10 كم, محرك عمود الدوران التوربينى يكون أقوى فعالية على 0.4 ماك, المروحة التوربينية ذات التحويلة الجانبية البسيطة low bypass turbofans تكون أكثر فاعلية على 0.75 ماك, والمحركات النفاثة تكون أفضل عندما تصل السرعة إلى 1ماك وهي سرعة الصوت.
أفضل مايكون لمحركات الصورايخ هو السرعة والارتفاع العاليين, الدفع وكفاءة محرك الصاروخ تتحسن تدريجيا مع الإرتفاع (بسبب انخفاض الضغط الخلفي وهكذا سيزداد صافي الدفع من على خرطوش العادم), بينما التوربين النفاث أو التوربين المروحي فإن انخفاض الكثافة للهواء الداخل للمسرب (وكذلك انخفاض الهواء الساخن الخارج من الخرطوش) سيسبب بانخفاض صافي الدفع بزيادة الإرتفاع. محركات الصواريخ أكثر كفاءة حتى من اكس 45على السرعة 15ماك

محرك التوربين النفاث

محرك التوربين النفاث هو محرك الاحتراق الداخلى ويستخدملدفع الطائرة. يشفط الهواء خلال مدخل المحرك إلى داخل الكمبريسور ثم يضغطه, وخلال مراحل من الضغط الشديد يدخل إلى غرفة الاحتراق. بتلك الغرفة يخلط الوقود مع الهواء المضغوط ويشعل بين دوامة من مقابض اللهب. عملية الاحتراق تلك ترفع درجة الحرارة وحجم الهواء بسرعة ملحوظة, الغازات الحارة من عملية الإحتراق تخرج من الغرفة بقوة إلى التوربين الغازى حيث تنزع منها طاقة لتشغيل الضاغط . عملية التمدد الحراري تلك تخفض درجة حرارةالغاز والضغط, ولكن طالما هناك وقود يحترق فسوف تبقى درجة الحرارة والضغط أعلى من الجو المحيط بها لحظة خروجها من التوربين. بعدها يتمدد دفق الغاز إلى الضغط المحيط خلال الخرطوش الدافع للخارج, مما ينتج نفث هواء عالي السرعة, فإن كانت سرعة النفث أعلى من سرعة الطائرة خلال الرحلة, فسيكون هناك صافي دفع للأمام لهيكل الطائرة.
في الظروف العادية فإن عمل الضخ للضاغط يمنع أي دفق خلفي, لذلك تسهل عملية التدفق المستمر للمحرك. تلك العملية بكاملها تشبهدورة الاحتراق رباعية الاشواط ولكن السحب والضغط والإشعال والتمدد إلى العادم تحصل بآن واحد وباجزاء مختلفة من المحرك. كفاءة المحرك النفاث تعتمد بقوة على معدل الضغط الكلي (الضغط الداخل لغرفة الاحتراق\ ضغط الهواء الداخل) و حرارة فتحة التوربين في الدورة الكاملة.
من المفيد ايضا عمل مقارنة بين محرك التوربين النفاث ومحرك المراوح. فالتوربين النفاث يأخذ كمية قليلة من الهواء ويضغطها إلى كمية ضخمة, بينما المراوح تسحب كميات ضخمة من الهواء وتضغطها إلى كمية صغيرة. عادم التوربين النفاث العالي السرعة يجعلها ذات كفاءة بالسرعات العالية (خاصة بالسرعات الفوق صوتية) وبالإرتفاعات العالية. بالطائرات ذات السرعات المنخفضة وتلك التي تطير مسافات قصيرة, محركات المراوح التي تدار بالتوربين الغازي والمعروفة بإسم محرك مروحة توربينية, هي الأكثر شعبية وأكثر كفاءة. الطائرات الصغيرة جدا تستخدم محركات مكبس لإدارة المراوح.
التوربين النفاث الذي شرحناه مصمم ببكرة واحدة, بمعنى عمود مفرد موصول من التوربين إلى الضاغط. التصاميم ذات معدل ضغط كلي عالي يكون لها عمودين متحدي المركز, لتحسين ثبات الضاغط خلال تحريك داعس الوقود throttle بالمحرك. تلك بكرة الضغط العالي(HP) تحتوي على عمود ضغط عالي خارجي موصل الضاغط عالي الضغط بتوربين عالي الضغط. بكرة الضغط العالي مع غرفة الاحتراق تشكل النواة أو الغاز المولد للمحرك. العمود الداخل بعمود ضغط عالي يوصل الضاغط المنخفض الضغط(LP) بتوربين منخفض الضغط(LP) لينتج بكرة ضغط منخفض. كلا البكرتين تكونا حرتين بالعمل على سرعة العمود الأمثل. طائراتالكونكورد تستخدم تلك الطريقة.

محرك توربين مروحي

معظم محركات الطائرات النفاثة هي من نوع توربينى مروحى, حيث كمبريسور الضغط المنخفض LP يعمل كمروحة ويعطي شحنة زيادة من الهواء لقلب المحرك وللمجرى الجانبي bypass duct المحيط بالقلب . تيار الهواء الجانبي يمر باتجاهين: الخرطوش البارد الخارجي أو يختلط مع الغازات الخارجة من عادم التوربين ذو ضغط منخفض LP قبل التمدد خلال خرطوش التيار المختلط.
شركات الطيران ترغب بتلك المحركات بسبب سرعة العادم التحت صوتية تلائم سرعة الطيران والتي تريدها تلك الشركات, فمحركات التوربين النفاث تنتج العادم يسبب بإنهاء رحلة الطيران بطريقة عكسية سريعة مما يسبب بهدر للطاقة. لكن طريقة انبعاث العادم هنا الذي ينهي الرحلة ببطئ بعض الشيء مما يسهم بتوفير للوقود, بالإضافة إلى أن العادم نفسه له سرعة منخفضة فتعطي ضوضاء أقل.

https://upload.wikimedia.org/wikipedi...-GE90-115B.jpg
محرك نوع GE90 وقد ازيح عنه غطائه للصيانة

بالستينات من القرن الماضي كان هناك بعض الفروقات مابين محركات النفاثة المدنية والعسكرية, بغض النظر عن نظام إعادة الإحراق afterburning لبعض التطبيقات الفوق صوتية (وتستخدمها الطائرات العسكرية لزيادة السرعة). حاليا التوربين المروحي المدني له سرعة عادم منخفضة (الدفع الرباعى منخفض) للمحافظة على تقليل ضوضاء النفاث إلى أقل مايمكن ورفع كفاءة التوفير بالوقود, من ثم المعدل الجانبي bypass ratio (التيار الجانبي مقسوما على تيار القلب) يكون مرتفعا بعض الشيء (المعدلات من 4:1 إلى 8:1 هي معدلات عادية). لذلك سيحتاج فقط إلى مروحة مفردة لأن انخفاض معدل الدفع النوعى يشمل انخفاض بمعدل ضغط مروحي.
أما محركات التوربين المروحي العسكرية حاليا فلها دفع نوعى مرتفع نوعا ما, حتى يمكن زيادة الدفع أقصى مايمكن فقد خفضت الواجهة الأمامية للطائرة, بالمجال العسكري ضوضاء المحركات ليس بالأهمية كما بالمجال المدني, لذلك فهم يستخدمون مراوح متعددة المراحل لإعطاء معدل ضغط مروحي عال للوصول إلى دفع نوعي مرتفع. بالرغم من حرارة مدخل التوربين إلا أن المعدل الجانبي يكون منخفضا, وعادة أقل من 2:1.

[عدل] المكونات الرئيسة

https://upload.wikimedia.org/wikipedi...arabic.svg.png

تتشابه المكونات الأساسية عند معظم أنواع المحركات النفاثة وإن كانت جميعها لاتحتوي كل القطع. فالقطع الأساسية تتكون من:

المقطع البارد:

مدخل الهواء Air intake : إطار المرجع القياسي للمحرك النفاث هي االطائرة نفسها. فمحرك الطائرات النفاث التي تطير بسرعة تحت الصوت لايوجد بها أي صعوبات محددة لمدخل الهواء, وهي أساسا تتكون من شكل الفتحة (فتحة المحرك) الذي صمم لتقليل مقاومة الإيرودينامك, كما هو الحال لجميع القطع بالطائرة. مع مراعاة أن الهواء الواصل للضاغط أو الكمبريسور بالمحرك النفاث العادي يجب أن تكون سرعته تحت سرعة الصوت حتى وإن كانت الطائرة فوق الصوتية حتى يمكنه المحافظة على ميكانيكية الدفق للضاغط وشفرات التوربين. بحالة الطيران بسرعة فوق الصوت, موجات الصدمة Shockwave تتشكل في نظام المدخل وستقلل الضغط المستخلص من المدخل إلى الضاغط. لذلك فبعض الفتحات فوق الصوتية تستخدم قطع داخلية تكون ناتئة أو تشبه الصنوبر, لزيادة استخلاص الضغط ولجعل استعمالها أكثر كفاءة مع الموجة الصدمية.

https://upload.wikimedia.org/wikipedi...hock_waves.jpg
موجة الصدمة

الضاغط: الضاغط مكون من عدة مراحل, وكل مرحلة تحتوي على إسطوانة ريش دوارة وأخرى ثابتة. بماأن الهواء يشفط بقوة شديدة خلال الضاغط, فسوف تزداد الحرارة والضغط لذلك فالطاقة ستجلب من التوربين مرورا خلال العمود.

المشترك:

عمود الدوران Shaft: هذا العمود يصل مابين التوربين والضاغط, ويدور خلال معظم المحرك, وقد يكون هناك 3 من أعمدة الدوران المتداخلة مع بعض ولكن لكل منهم له سرعته الخاصة به المتصلة بمجموعته الخاصة من التوربينات والضواغط. وهناك أشياء مشتركة مثل تصريف الهواء البارد الذي يفرغ على العمود.

المقطع الحار:

غرفة الاحتراق: هي الغرفة التي يختلط بها الوقود مع الهواء المضغط فيحترقان وسط اللهب
التوربين : التوربين هو سلسلة إسطوانات من الريش الدائرية تعمل كدولاب طاحونة تكتسب الطاقة من الهواء الحار وتبقي بعضا من تلك الطاقة بغرفة الإحتراق لكي يدير الضاغط. بعض محركات التوربين مثل (المروحة التوربينية وعمود الدوران التوربيني وحتى التوربين المروحي) تستخلص الطاقة بواسطة أقراص توربينية إضافية للتحكم وإدارة االمراوح الخارجية أو مراوح التيار الجانبي أو عمود التدوير للمروحية. نوع واحد فقط به توربين حر مصمم بحيث قرص التوربين الذي يدير الضاغط منفصل عن القرص الذي يغذي المكونات الخارجية. وهواء التبريد يأتي من الضاغط لتبريد شفرات التوربين والريش حتى لاتذوب من شدة الحرارة.
جهاز غرفة الإحتراق المساعد: (استخداماته بالطائرات العسكرية) ينتج دفع إضافي بواسطة حرق وقود إضافي, عادة ليست بالفعالية المرجوة, وترفع درجة حرارة الخرطوش بشكل قوي جدا عند نفث العادم. بسبب ضخامة حجم الدفع الذي يخرج عند إعادة الإحراق, لذلك يفضل بزيادة مساحة فتحة الخرطوش للحصول على أفضل االنتائج عند تشغيل إعادة الحرق.
الخرطوش: الغازات الحارة تخرج من المحرك خلال الخرطوش إلى الهواء الجوي, والهدف من ذلك هو إنتاج سرعة نفاثة عالية. الخرطوش بمعظم الأحوال هو مجمع للهواء الخارج.

مدخل الهواء

مدخل تحت صوتي

https://upload.wikimedia.org/wikipedi...ake_arabic.png
طرق عمل مدخل البيتوت

فتحة بيتوت Pitot intake (نسبة إلى مخترعه الفرنسي هنري بيتوت) هي الطريقة المثلى لتطبيقات تحت الصوت., ففتحة البيتوت التحت صوتي تعتبر كإنبوب مضخم ذو شكل إيرودينامي انسيابي.
في حالة السرعة تساوي صفر (حالة الوقوف) فإن الهواء الداخل يأتي من عدة اتجاهات, مباشر ومنحني والآتي من الخلف فيمتصه مقدمة المدخل.
بالسرعة المنخفضة, فإن حزمة خط تيار الهواء الذي يصل طرف المدخل هو أكبر بالمقطع العرضي من نطاق تيار الطرف نفسه, بينما تصميم الفتحة بالسرعة 1ماك يكون كلا النطاقين متساويين. بالسرعة العالية يصبح تيار الهواء أصغر وقد يخرج التيار الزائد من حول الطرف.
موجة الصدمة تبدأ بالظهور عندما يبدأ الهواء بالتسارع حول طرف المدخل بداية من السرعة 0.85 ماك.
الدقة بعمل محور نطاق الطرف هو الأمثل للمحافظة على ضغط المدخل طوال الرحلة وعدم تعرضه لتشويه.

مدخل فوق صوتي

يستغل المدخل الفوق صوتي موجات الصدمة لكي يخفف سرعة تيار الهواءإلى وضع تحت صوتي بمدخل الضاغط. هناك شكلين من أشكال موجات الصدمة:
أ- موجات صدمة طبيعية: وتكون عمودية على اتجاه التيار. هذا الشكل يكون حاد المقدمة ويؤثر على التيار بالسرعة تحت الصوتية, بالتدقيق بالمجهر نرى أن جزيئات الهواء تتحطم إلى مجموعة من جزيئات تحت صوتية مثل موجات ألفا.الموجة الصدمية تميل إلى إحداث هبوط قوي بمنطقة ضغط الركود, ببساطة كلما ازداد سرعة الماك على مدخل موجة الصدمة العادية, كلما قل خروج سرعة التحت صوتي منها وتزداد قوة, بمعنى يزداد فقدان ضغط الركود خلال تلك الموجة.
ب- الموجات الصدمية إما مخروطية(ثلاثية الأبعاد) أو مائلة (ببعدين) وزواياها متجهة للخلف, تشبه اصطدام موجات الماء بمقدمة السفينة كما بالصورة فوق, ثم ينتشر تيارها مثل المخروط أو منحدر. وللسرعة المعطاة سيكون التيار أضعف من الموجة الصدمية العادية المشابهة لها, ولكن وعلى الرغم من تناقص سرعتها إلا إنها لاتزال فوق صوتية.
شكل الطرف الحاد من فتحة البيتوت - كما بالشرح فوق بالتطبيق التحت صوتي - تعمل بشكل جيد بالطيران الفوق صوتي المنخفض. الموجة الصدمية العادية التي تتشكل بمقابل طرف الفتحة وتصطدم بالتيار لتنزل سرعته إلى مادون سرعة الصوت, ومع ذلك كلما ازدادت السرعة فإن الموجة الصدمية ستزداد مسببة هبوط قوي لضغط الركود.
هناك مداخل أو فتحات فوق صوتية متطورة تشبه نظام البيتوت:
1- الاستفادة من اندماج الموجة الصدميةالمخروطية والعادية لتحسين مستوى الضغط بالسرعات الفوق صوتية العالية. الموجة المخروطية تستخدم لتقليل رقم الماك للسرعة الفوق صوتية عند الدخول للموجة الصدمية العادية, وهكذا يقل الناتج العام لمضار الصدمة.
2- تصميم (صدمة على الطرف) للسرعة الفوق صوتي, حيث الموجات الصدمية المخروطية والمائلة تضرب بغطاء الطرف, مما يجعل نطاق مسك حزام التيار يساوي نطاق طرف المدخل, وعندما تقل عن سرعة الصدمة على الطرف الفوق صوتية, ستكون زاوية الموجة الصدمية أقل ميلان مسببة لخط التيار الداخل للطرف بالإنكسار بواسطة المنحدر المخروطي. بنفس الوقت منطقة مسك المدخل يكون أصغر من نطاق طرف الفتحة مما يقلل تيار هواء المدخل Air intake. بالإعتماد على خصائص تيار الهواء للمحرك فإنه يكون مرغوبا تقليل زاوية النتوء أو تحريك المخروط للوراء لإعادة تركيز الموجات الصدمية على غطاء الفتحة لزيادة تيار هواء المدخل.
3- مصممة ليكون الصدمة العادية تنتشر باتجاه تيار طرف المدخل, لذلك فالدفق على مراوح الضاغط يكون تحت صوتي, مع الأخذ بالحساب إذا قل داعس الوقود على المحرك فسيقل تدفق الهواء المعدل على مراوح الضاغط, لكن بحالة الفوق صوتي فإن التيار المعدل عند طرف المدخل سيكون ثابتا, لأنها محددة بواسطة رقم الماك ودرجة انعراج \ سقوط المدخل. هذا التقطع ممكن التغلب عليه بأن الصدمة العادية تتحرك إلى ماتحت مساحة المقطع العرضي للمجرى ليقل رقم الماك للموجة الصدمية على المدخل.

https://upload.wikimedia.org/wikipedi..._Blackbird.jpg
طائرة SR-71 ويرى المدخل المخروطي للمحرك على الجناح