موتور توربوفن و طرز کار آن

موتور توربوفن، مدرن ترین نوع موتور پایه توربین گاز می باشد. موتورهای جت در سراسر جهان برای انواع مختلف هواپیما استفاده می شوند. این موتورها انواع مختلفی دارند که توربوفن یکی از آنهاست. از این موتور در ساخت انواع پهپادها نیز استفاده می شود.

توربوفن یکی از انواع موتورهای پهپاد می باشد. توربوفن در واقع نوعی موتور جت به حساب می آید. این نوع موتور هوای زیادی را به درونش مکش کرده و در نتیجه هوا را بدون عبور از محفظه احتراق از روزنه انتهایی خارج می ‌کند. در جلوی این موتور یک کمپرسور هوای خیلی قوی قرار دارد. هوای وارد شده از بین فن و پوسته عبور کرده و با گاز داغ خروجی از انتهای موتور ترکیب شده و سبب ایجاد نیروی پیشرانه می‌ شود.

در بین انواع مختلف موتور پهپاد توربوفن کارایی بالاتری نسبت به موتور جت دارد. زیرا نیروی پیشرانه بیشتری را نسبت به حجم هوای وارد شده به آن ایجاد می کند.

در موتور توربوفن، موتور هسته توسط یک فن در جلو و یک توربین اضافی در عقب احاطه شده است. فن و توربین فن، از پره های زیادی مانند کمپرسور هسته و توربین هسته تشکیل شده اند و به یک شفت اضافی متصل می شوند. مانند کمپرسور هسته و توربین، برخی از پره های فن با شفت می چرخند و برخی از پره ها ثابت می مانند. شفت فن به دلایل مکانیکی از شفت هسته عبور می کند. این نوع چیدمان موتور، دو قرقره ای نامیده می شود (یک “قرقره” برای فن، یک “قرقره” برای هسته.) برخی از موتورهای پیشرفته، برای کارایی بهتر دارای قرقره های اضافی هستند.

این موتورها از طریق یک سیستم محرکه (فن) نیروی رانش تولید می کنند و پهپاد را از طریق هوا به حرکت در می آورند. جدیدترین پهپادها دارای موتور توربوفن هستند، زیرا این موتورها راندمان سوخت خوبی دارند و نیروی رانش بالایی ایجاد می کنند. در ادامه ی این مقاله با طرز کار این موتورها و مزیت های آنها بیشتر آشنا می شوید.

طرز کار موتور توربوفن

عملکرد موتور توربوفن بسیار شبیه به موتور توربوپراپ است. در مجموع، هوای ورودی توسط ورودی موتور توربوفن به داخل کشیده می شود. مقداری از هوای ورودی از فن عبور کرده و به داخل کمپرسور هسته و سپس مشعل راه پیدا می کند. در آنجا این هوا با سوخت مخلوط شده و احتراق رخ می‌دهد. اگزوز داغ از میان هسته و توربین های فن عبور می کند و سپس از نازل خارج می شود. بقیه هوای ورودی از فن عبور می کند و پروانه دور موتور را دور می زند. هوای عبوری از فن دارای سرعت کمی از جریان آزاد است. بنابراین یک موتور توربوفن، بخشی از نیروی رانش خود را از هسته و مقداری از نیروی رانش خود را از فن می گیرد.

حال به جزئیات طرز کار موتور توربوفن می پردازیم:

ابتدا هوا از طریق یک فن به داخل موتور توربوفن مکیده شده و به دو مسیر مختلف تقسیم می شود. بخشی از هوا وارد هسته موتور می شود که در آن احتراق اتفاق می افتد. قسمتی دیگر از هوا (هوای بای پس) توسط یک مجرا به خارج از هسته موتور حرکت می کند. هوا پس از مکش، وارد یک کمپرسور کم فشار می شود که فشار هوا را برحسب نیاز افزایش داده و به داخل کمپرسور فشار قوی می فرستد.

طرز کار موتور توربوفن

هنگامی که هوای کم فشار وارد کمپرسور پرفشار می شود، هوا را تا فشار بسیار بالا فشرده تر می کند و همچنین دمای آن را افزایش می دهد. کمپرسور پرفشار باعث می شود دمای هوا به قدری افزایش پیدا کند که وقتی با سوخت در محفظه احتراق تماس می گیرد، فرآیند احتراق خود به خود شروع شود.

پس از احتراق مخلوط هوا و سوخت، گاز احتراق وارد توربین کم فشار و پر فشار می شود. پس از ورود به توربین، گازهای داغ در داخل توربین منبسط شده و با پره های توربین برخورد می کنند. پره های توربین، نیروی مورد نیاز برای حرکت کمپرسور کم فشار و فن را از مخلوط احتراقی به دست می آورند. نیروی باقیمانده از مخلوط احتراقی، به سمت نازل اگزوز فرستاده می شود. وقتی گازهای خروجی وارد نازل می شوند، نازل انرژی فشاری آنها را به سرعت تغییر داده و آنها را به گازهایی با سرعت بسیار بالا تبدیل می کند.

هنگامی که گازهای پرسرعت از نازل به اتمسفر تخلیه می شوند، نیروی رانشی ایجاد می کنند که پهپاد را به جلو حرکت می دهد. سرعت جریان هوای ایجاد شده توسط فن، کمی بیشتر از سرعت جریان هوای آزاد است. به این جریان هوا، جریان هوای بای پس یا فن می گویند.

راندمان و کاربردهای موتور توربوفن

راندمان موتور توربوفن می تواند به صورت نسبت سوخت سوزانده شده برای ایجاد مقدار نیروی رانش مورد نیاز، اندازه گیری شود. معمولاً راندمان موتور توربوفن به صورت پوند سوخت در هر پوند نیروی رانش بیان می شود.

بیشتر بخوانید: سوخت پهپاد چیست؟

نسبت هوای دور موتور به هوایی که از هسته عبور می کند، را نسبت بای پس می گویند. از آنجایی که نرخ جریان سوخت برای هسته تنها با افزودن فن به مقدار کمی تغییر می کند، یک موتور توربوفن نیروی رانش بیشتری را برای تقریباً همان مقدار سوخت مصرف شده توسط هسته ایجاد می کند. یعنی یک توربوفن در مصرف سوخت، بسیار کارآمد است.

ساختار درونی موتور توربوفن

در حقیقت، توربوفن هایی با نسبت بای پس بالا، تقریباً به اندازه توربوپراپ ها، در مصرف سوخت کارآمد هستند. از آنجایی که در این نوع موتور، فن توسط ورودی محصور شده و از پره های زیادی تشکیل شده است، می تواند در سرعت های بالاتری در مقایسه با یک ملخ ساده، کار کند. به همین دلیل است که توربوفن ها در حمل و نقل هایی با سرعت بالا و ملخ ها در حمل و نقل هایی با سرعت پایین استفاده می شوند. حتی توربوفن‌هایی با نسبت بای‌پس پایین، نسبت به توربوجت ‌های معمولی، مصرف سوخت کمتری دارند. اغلب هواپیماهای جنگنده مدرن، از موتور توربوفن با نسبت بای پس پایین، مجهز به پس سوز استفاده می کنند.

امروزه، اکثر موتورهای هواپیماهای تجاری، دارای موتورهای بای پس بالا هستند، اما جدیدترین جت های جنگنده نظامی دارای موتورهای توربوفن بای پس پایین هستند. پس سوز، نمی تواند در توربوفن های بای پس بالا استفاده شود، اما می توان از آنها در موتورهای بای پس پایین استفاده کرد.

مزیت موتورهای توربوفن چیست؟

موتور توربوفن برای جلوگیری از خواص ناخواسته ی راندمان پرواز مادون صوتِ موتورهای توربوجت، طراحی شده است. یک راه حل مهم برای بهبود راندمان موتور توربوجت، افزایش دمای مشعل برای بهبود راندمان کارنو و قرار دادن نازل و کمپرسور بزرگتر است. این فرآیند نیروی رانش را افزایش می دهد، اما گازهای خروجی با سرعت بالایی از موتور خارج می شوند که باعث مصرف انرژی اضافی توسط موتور می شود. به این ترتیب، موتور جت مقدار زیادی سوخت مصرف می کند.

موتورهای جت سرعت و راندمان پایینی دارند. بنابراین، دانشمندان، توربوفن را برای جلوگیری از مصرف سوخت اضافی و در نتیجه، مصرف مقرون به صرفه ی سوخت، طراحی کردند.

اجزای اصلی موتور توربوفن

موتور توربوفن دارای اجزای زیادی است، اما از رایج ترین اجزای موتور توربوفن می توان به:
فن، کمپرسور، توربین، شفت، محفظه احتراق و نازل اشاره کرد.

اجزای موتور توربوفن

• فن به موتور کمک می کند تا نیروی رانش ایجاد کند.
• کمپرسور فشار و دمای هوای ورودی را افزایش می دهد.
• در توربین، هوای داغ با سرعت بالا از میان پره ها عبور می کند، این پره ها انرژی اضافی هوا را جذب می کنند و باعث می شوند توربین به طور کامل بچرخد و محور موتور متصل به خود را نیز بچرخاند.
• نازل نیز با بیرون راندن گازهای خروجی به داخل جو با سرعت بالا، نیروی رانش ایجاد می کند که به حرکت پهپاد به جلو کمک می کند.

همچنین بخوانید: موتور براشلس چیست؟

منابع:

How Does A Jet Engine Work? | Mechanical Boost
What Is A Turbofan Engine | How does a Turbofan work? | (mechanicalboost.com)
US6151882A – Turbofan engine construction – Google Patents
How does a turbofan engine work? | MTU AEROREPORT
Turbofan Engines – an overview | ScienceDirect Topics