صفحه اصلی    تازه ها    ادبیات    تاریخ و سیاست    روانشناسی و جامعه شناسی    علوم    کودک و نوجوان    متفرقه

ناشر:سبزان
تاريخ چاپ: 1390
نوبت چاپ:اول
تيراژ:1000 نسخه
قيمت:4500 تومان
شابک: 9-040-117-600-978

 

آشنایی با موتور جت و میکروجت

 

ترجمه و تألیف: علیرضا علی حسینی

با پیشگفتاری از: دکتر مسعود برومند

فهرست

عنوان                                     صفحه

پیشگفتاری از دکتر مسعود برومند .............  7

مقدمه‌ای بر ساختار کتاب ......................  8

بخش نخست: موتور جت ..........................  9
فصل اول: مکانیک پایه ....................  11
فصل دوم: سیال و چرخة کاری ...............  21
فصل سوم: کمپرسور .........................  29
فصل چهارم: محفظة احتراق .................  45
فصل پنجم: توربین .........................  57
فصل ششم: سیستم خروجی ....................  69
فصل هفتم: سیستم‌های جانبی ................  75

بخش دوم: موتور میکرو جت ....................  99
فصل اول: موتورهای میکروجت، شیوة کار و کاربردها  101
فصل دوم: تاریخچه‌ای از موتورهای میکروجت  109
فصل سوم: اجزای یک موتور میکروجت .......  145
فصل چهارم: سیستم‌های تست موتور میکروجت .  171

واژه‌نامه ....................................  179

مراجع ........................................  181

پیوست ........................................  183

پیشگفتار

توربین گاز در زمره‌ی محصولات مهندسی پیشرفته‌ای است که با سرعت زیاد توسعه یافته است. کمی مشکل به نظر می‌آید که موتوری که در سال‌های آخرین جنگ جهانی دوم به صورت نمونه‌ی اولیه در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی بر روی سکوهای آزمایش قرار داشت در کمتر از 20 سال تبدیل به نیروی محرکه‌ی هواپیماهای مافوق صوت شود.
ارتقاء توربین‌های گاز هوایی و ارائه‌ی انواع جدید آن مانند توربوفن و توربوپراپ نیز باعث شد که این موتورها به سرعت به بازار حمل و نقل هوایی که تشنه‌ی راندمان جلوبرندگی بیشتر و کاهش هزینه‌ی سفرهای هوایی بود، عرضه شوند. با پیشرفت ابزارهای تولید در سه دهه‌ی اخیر و با توجه به روند کوچک‌سازی موتورها، طراحی و ساخت موتورهای پرقدرت با وزن پایین و حجم کم شتاب گرفته است. این شتاب آنقدر بالا بوده است که امروزه نمونه‌سازی توربین گاز به اندازه‌ی یک دکمه‌ی پیراهن با استفاده از فناوری به کار رفته در سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS ) امکان‌پذیر شده است. بنابراین می‌توان انتظار داشت که عنوان «آشنایی با موتور جت و میکروجت» مطالب جالب و آموزنده‌ای را برای خوانندگان ارائه نماید.
کتاب حاضر را که آقای مهندس علیرضا علی‌حسینی تدوین نموده است به خوانندگانی که مایل هستند مطالب خوبی را در زمینه‌ی موتورهای هوایی به دست آورند توصیه می‌نمایم. ایشان در این کتاب ساختمان و اجزای این موتورها را با زبانی ساده و روان ارائه کرده‌است. در بخش موتور میکروجت، تلاش وی در ارائه‌ی مطالب و تصاویر جدید و به روز کاملا مشهود است و این امر موجب شده است که حتی نتایج و گزارش‌های علمی سال‌های اخیر ایران و جهان نیز در این بخش از کتاب به اطلاع خواننده رسانده شود. در بخش موتور میکروجت همچنین تاریخچه‌ی مناسبی از چگونگی توسعه‌ی این موتورها، اندازه‌گیری عملکرد و سکوهای آزمایش ارائه شده است. همت نویسنده‌ی کتاب در جلب توجه جوانان به این حوزه‌ی راهبردی و مهم و ایجاد انگیزه و علاقه‌مندی در مهندسین جوان قابل تقدیر است. امید است که این گونه کتاب‌ها در توسعه‌ی صنعت موتور در کشور عزیزمان ایران نقش ارزنده‌ای را ایفا کند.

                                                                                                       دکتر مسعود برومند
                                                                                       دانشیار دانشکده مهندسی هوافضا
                                                                         دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)
                                                                                                              فروردین 1390


مقدمه‌ای بر ساختار کتاب

کتابی که پیش روی شما است از دو بخش تشکیل شده است. بخش نخست در رابطه با موتورهای جت است. این بخش ترجمه‌ای است از ویرایش پنجم کتاب «The Jet Engine » که توسط شرکت رولز رویس انتشار یافته است. این بخش مطالبی را در رابطه با اجزای اصلی یک موتور جت و مطالب مختصری در رابطه با سیستم‌های جانبی آن ارائه می‌دهد. اصل این کتاب مطالب بسیار بیشتری را در رابطه با موتورهای جت ارائه کرده است اما از آنجا که هدف، ارائه‌ی مطالب مهم‌تر و ساده‌تر برای خوانندگان است بنابراین برخی از مطالب این کتاب در اینجا ارائه نشده است.
بخش دوم در رابطه با موتورهای میکروجت است. این بخش به صورت ساده به توصیف موتورهای میکروجت، اجزای آن، شیوة کار و سایر موضوعات مرتبط با این موتورها می‌پردازد. در واقع، این کتاب یک دید کلی در رابطه با موتورهای میکروجت به خواننده می‌دهد و به جزییات مربوط به این موتورها نمی‌پردازد.
موتورهای میکروجت موتورهای جت کوچکی هستند که معمولا به عنوان نیروی پیشران هواپیماهای بدون سرنشین استفاده می‌شوند. این موتورهای کاربردهای دیگری نیز دارند که در این کتاب مورد بحث قرار می‌گیرد. نام‌هایی دیگری نیز برای این موتورها به کار می‌رود. موتورهای جت مدل، موتورهای میکروتوربوجت و موتورهای جت بسیار کوچک برخی از نام‌هایی است که به این موتورها اطلاق می‌شود. در کاربرد غیرهوایی نیز این موتورها با عنوان میکروتوربین شناخته می‌شوند.
شرکت‌های بسیاری در سطح جهان وجود دارند که در زمینة طراحی، ساخت و توسعة موتورهای میکروجت در حال فعالیت هستند. در این میان، سهم شرکت‌های آمریکایی و آلمانی در تولیدات موتور میکروجت قابل توجه است. در این کتاب در حدود 100 موتور میکروجت ساخته شده مورد بررسی قرار می‌گیرد.
در پایان این بخش نیز در مورد سیستم‌های تست موتور میکروجت، اهمیت آن‌ها و مراکزی که از این سیستم‌ها استفاده می‌کنند مطالبی کوتاه ارائه خواهد شد.
                                                                                                     علیرضا علی‌حسینی
                                                                     دانش‌آموخته‌ی کارشناسی ارشد مهندسی هوافضا
                                                                     دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)


بخش نخست

موتور جت

 

 

 

 

 

  • فصل اول: مکانیک پایه
  • فصل دوم: سیال و چرخة کاری
  • فصل سوم: کمپرسور
  • فصل چهارم: محفظة احتراق
  • فصل پنجم: توربین
  • فصل ششم: سیستم خروجی
  • فصل هفتم: سیستم‌های جانبی

 

 

 


  مکانیک پایه

مقدمه

توسعة موتور توربین گاز به عنوان نیروی محرّکة هواپیما از چنان شتابی برخوردار بوده است که به سختی می‌توان باور کرد که تا پیش از دهة 1950، افراد بسیار اندکی با این سازوکار پیشرانشی هواپیما آشنا بودند. امکان استفاده از واکنش جت توجه طراحان هواپیما را برای زمانی دراز به خود جلب کرده بود، امّا به خاطر سرعت‌های کم هواپیماهای نخستین و نامناسب بودن یک موتور پیستونی برای تولید جریان هوای بسیار پرسرعت مورد نیاز برای واکنش «جت»، موانعی ایجاد شده بود.
یک مهندس فرانسوی به نام رنه لُرین یک موتور پیشرانش جت (شکل 1) را در سال 1913 به نام خود به ثبت رساند ولی در آن دوره، امکان ساخت و به کاربردن طرح او که در واقع، یک مجرای آیروترمودینامیکی2 بود وجود نداشت چون از یک سو مواد مناسب مقاوم در برابر گرما تا آن زمان توسعه نیافته بودند و از سوی دیگر، پیشرانش جت در سرعت‌های کمی که هواپیماهای آن زمان داشتند بسیار ناکارآمد بود. با این حال، رم‌جت‌های امروزی همانندی بسیاری با طرح مفهومی لُرین دارند.

1.jpg

1.jpg

شکل 1 موتور جت لرین

در سال 1930 فرانک وایتل نخستین اختراع خود را در رابطه با استفاده از یک موتور توربین گاز برای تولید یک جت پیشران به ثبت رساند. این رخداد یازده سال پیش از  نخستین پرواز کامل موتورش به وقوع پیوسته بود. موتور وایتل پایه‌های موتور توربین گاز امروزی را شکل داد.

2.jpg

شکل 2 یک موتور توربوجت نوع وایت

موتور جت (شکل 2)، اگرچه متفاوت از ترکیب موتور پیستونی-ملخ به نظر می‌رسد ولی همان اصول پایه را برای تولید نیروی پیشران به کار می‌برد. همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است، هر دو سامانه، نیروی پیشرانش هواپیما را از راه به عقب راندن هوای بسیار زیاد تامین می‌کنند.

3_2.bmp

3_1.bmp

شکل 3 پیشرانش ملخی و جت

اگرچه امروزه پیشرانش جت عموما با موتور توربین گاز پیوند خورده است امّا سایر گونه‌های موتورهای جت همانند موتور رم‌جت، پالس‌جت، راکت، توربورم‌جت و توربوراکت نیز وجود دارد.

اصول پیشرانش جت

پیشرانش جت، کاربرد عملی قانون سوّم حرکت نیوتن است. این قانون بیان می‌دارد که «برای هر کنش وارد بر یک جسم، یک واکنش برابر و در جهت مخالف وجود دارد». برای پیشرانش هواپیما، «جسم» همان هوای جو است که به هنگام گذر از موتور شتاب می‌گیرد. نیروی مورد نیاز برای ایجاد چنین شتابی، تاثیری برابر در جهت مخالف بر روی دستگاه تولیدکنندة شتاب دارد. یک موتور جت نیروی پیشران را با همان روش ترکیب موتور پیستونی/ملخ تولید می‌کند. در هر دو روش، جلوراندن هواپیما از راه به عقب راندن میزان بسیار زیادی هوا صورت می‌گیرد (شکل 3) با این تفاوت که در موتور پیستونی ملخی هوای بسیار زیاد در سرعت نسبتا کم به عقب رانده می‌شود ولی در

موتور جت، هوا با سرعت بسیار زیاد به عقب رانده می‌شود.
اصل واکنش همسان در همة شکل‌های حرکت رخ می‌دهد و در بسیاری از موارد به کار برده شده است. نمونة نخستین از واکنش جت، ماشین بخار هیرو است (شکل 4) که به عنوان یک اسباب‌بازی در سال 120 پیش از میلاد ساخته شد. این اسباب‌بازی نشان داد که چگونه اندازه حرکت بخار بیرون آمده از تعدادی دهانة خروجی (جت) می‌تواند واکنشی برابر و درجهت مخالف بر خود دهانه وارد کرده و منجر به چرخش ماشین شود.
4.bmpفوّارة گردندة آب‌پاشی باغ (شکل 5) یک نمونة کاربردی‌تر از این اصل است که گردش آن به واسطة ویژگی واکنش به جت خروجی آب است. جت خروجی پرفشار تجهیزات آتش‌نشانی امروزی نیز نمونه‌ای از «واکنش جت» است که معمولا به خاطر واکنش جت آب خروجی، شلنگ نمی‌تواند توسط یک نفر آتش‌نشان کنترل شود. شاید ساده‌ترین شکل این اصل، بادکنک پر از باد است. هنگامی که باد

بادکنک خالی می‌شود، به سرعت در جهت مخالف جت باد خروجی از بادکنک حرکت می‌کند.

 

 

شکل 4 ماشین بخار هیرو، نمونة نخستین از واکنش جت

5.bmp

شکل 5 فوّارة آب‌پاشی باغ توسط واکنش جت خروجی آب می‌گردد

 

واکنش جت یک پدیدة داخلی است و آنگونه که اغلب تصور می‌شود نتیجة فشار جت بر روی جو نیست. در حقیقت، موتور پیشرانش جت، چه موتور راکت باشد چه مجرای

آیروترمودینامیکی و یا موتور جت، نمونه‌ای از دستگاه طراحی شده برای شتاب دادن جریان هوا یا گاز و به عقب راندن آن با سرعت بالا است. برای این کار چندین راه وجود دارد که در فصل 2 توضیح داده می‌شود، اما در همة حالت‌ها، واکنش برآیند یا نیروی پیشران وارد بر موتور متناسب با جرم هوای به عقب رانده شده و تغییر سرعت به وجود آمده در هوا می‌باشد. به بیان دیگر، در هر کدام از این دو حالت می‌توان به نیروی پیشران برابر رسید: در حالت نخست، جرم زیادی از هوا با افزایش سرعت کم به عقب رانده می‌شود و در حالت دوم، جرم کمی از هوا با افزایش سرعت زیاد به عقب رانده می‌شود. در عمل، حالت نخست نسبت به حالت دوم برتری دارد چون هر چه سرعت جت خروجی از موتور نسبت به جو کمتر باشد راندمان پیشرانشی بیشتری به دست می‌آید.

شیوه‌های پیشرانش جت

هرکدام از گونه‌های موتور جت، اعم از رم‌جت، پالس‌جت، راکت، توربین گاز، توربورم‌جت و توربوراکت، تنها در روش تبدیل انرژی به توان مورد نیاز برای پرواز هواپیما باهم متفاوت هستند.

موتور رم‌جت (شکل 6) یک مجرای آیروترمودینامیکی است. این موتور هیچ بخش گردنده‌ای ندارد و شامل یک مجرا با یک ورودی واگرا و یک خروجی همگرا یا همگرا-واگرا است. هنگامی که یک حرکت رو به جلو توسط یک منبع خارجی به این موتور داده می‌شود، هوا به سمت دهانة ورودی موتور رانده می‌شود و در هنگام گذر از بخش واگرای ورودی، سرعت یا انرژی جنبشی آن کاهش یافته و انرژی فشاری آن افزایش می‌یابد. انرژی کل هوا با گذر از بخش محفظة احتراق به

واسطة احتراق و سوخت افزایش می‌یابد و گازهای داغ در بخش خروجی مجرا به سمت بیرون که همان جو است منبسط شده و شتاب می‌گیرند. موتور رم‌جت معمولا در موشک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد و موتور مناسبی برای یک هواپیما به شمار نمی‌رود «زیرا پیش از تولید نیروی پیشران نیازمند یک سرعت اولیه است.»

6.jpg

شکل 6 یک موتور رم‌جت

موتور جت ضربه‌ای یا پالس‌جت (شکل 7) از اصل احتراق متناوب استفاده می‌کند و برخلاف موتور رم‌جت می‌تواند در شرایط ایستا کار کند. این موتور همانند موتور رم‌جت از یک مجرای آیرودینامیکی تشکیل شده است ولی به دلیل اینکه در معرض فشار بالاتری است، از ساختمان مستحکم‌تری برخوردار است. ورودی مجرا دارای رشته‌ای از شیرهای ورودی است که حالت فنری دارند. هوا از میان شیرهای باز به سمت محفظه احتراق کشیده می شود و با پاشش سوخت درون محفظه، احتراق صورت گرفته و فشار بالا می‌رود. با بالا رفتن فشار، شیرها بسته شده و گازهای در حال انبساط به سمت بیرون رانده می شوند. با کاهش فشار ناشی از بیرون رفتن گازها، شیرهای ورودی باز شده و چرخه تکرار می‌شود. موتورهای پالس‌جت برای پیشرانش روتور بالگرد طراحی شده است. این موتورها برای هواپیما مناسب نیستند چون مصرف سوخت زیادی دارند و کارایی آن‌ها نمی‌تواند هم‌پای کارایی موتورهای توربین گاز امروزی باشد.
اگرچه یک موتور راکت (شکل 8) یک موتور جت است ولی یک تفاوت اصلی با موتور جت دارد و آن، استفاده نکردن از هوای جو به عنوان جریان سیال پیشراننده است. این موتور، سیال پیشراننده را به وسیلة احتراق مایع یا سوختی که به صورت شیمیایی تجزیه شده است با اکسیژنی که حمل می‌کند تولید می‌نماید، درنتیجه توانایی تولید نیروی پیشران در بیرون از جوّ زمین را دارد. بنابراین، این موتور تنها برای عملیات در دوره‌های کوتاه مناسب است.

7.jpg

شکل 7 یک موتور جت ضربه‌ای

8.jpg

شکل 8 یک موتور راکت

 

 

به کاربردن توربین گاز به عنوان پیشرانش هواپیما، ضعف ذاتی موتور راکت و مجرای آیروترمودینامیکی در تولید نیروی پیشران در سرعت‌های پایین را از میان بر می‌دارد. این کار با افزودن یک کمپرسور که به یک توربین متصل شده و آن را می‌گرداند صورت می‌پذیرد. موتور توربوجت

با «سیال کاری » کار می‌کند که در فصل 2 توضیح داده می‌شود. این موتور هوا را از جو می‌گیرد و پس از فشرده کردن و گرم کردن آن، فرآیند احتراق انجام می‌شود. گازهای داغ محترق شده در محفظة احتراق که انرژی و مومنتوم بالایی دارند، به هنگام خروج از موتور از یک توربین می‌گذرند و بخشی از انرژی و مومنتوم آن‌ها صرف گرداندن توربین می‌شود. کار توربین،

گرداندن کمپرسور است. گازهای داغ پس از توربین از مجرای خروجی که شیپوره نام دارد گذر کرده و با سرعتی حدود 2200 کیلومتر بر ساعت از موتور خارج می‌شوند.
موتور توربین گاز چیدمان مکانیکی ساده‌ای دارد. این موتور تنها از دو بخش گردنده که کمپرسور (فصل 3) و توربین (فصل 5) می‌باشد و از یک یا چند محفظه احتراق (فصل 4) تشکیل شده است. چیدمانی مکانیکی چند نمونه از موتورهای توربین گاز در شکل 9 نشان داده شده است. البته این سادگی شامل سایر جنبه‌های موتور نمی‌شود. به عنوان نمونه، مسائل ترمودینامیکی و آیرودینامیکی در این موتورها تا حدی پیچیده هستند.

9-2.jpg

9-1.jpg

9-3.jpg

9-4.jpg

9-5.jpg

شکل 9 چیدمان مکانیکی موتورهای توربین گاز (1)

9-7.jpg,9-8.jpg,9-9.jpg9-6.jpg


شکل 9 چیدمان مکانیکی موتورهای توربین گاز (2)

در سرعت‌های کمتر از حدود 720 کیلومتر بر ساعت، یک موتور جت خالص یا ساده راندمان کمتری نسبت به موتورهای ملخی دارد، چرا که راندمان پیشرانندة آن بسیار وابسته به سرعت رو به جلوی آن است. بنابراین، موتور توربوجت خالص برای سرعت‌های بالا بسیار مناسب‌تر است. از سویی دیگر، راندمان ملخ در سرعت‌های بالاتر از 560 کیلومتر بر ساعت به شدت کاهش می‌یابد. این به دلیل آشفتگی جریان هوای ناشی از سرعت‌های زیاد نوک پرّة ملخ است. این مشخصه‌ها باعث شده است که در سرعت‌های میانی، از ترکیب موتور توربین گاز و ملخ استفاده شود.
برتری ترکیب موتور توربین گاز و ملخ منجر به استفاده از موتورهای توربوفن (فن درون مجرا) و پراپ‌فن گردیده است. این موتورها نسبت به موتورهای جت خالص با جریان هوای نسبتا بزرگتر و سرعت‌های کمتر جت خروجی سر و کار دارند، بنابراین دارای راندمان پیشرانشی هم‌ارز با موتورهای توربوملخی و فراتر از موتور جت خالص هستند. (شکل 10)

10-1.jpg                10-2.jpg

شکل 10 مقایسة راندمان‌های پیشرانشی

موتور توربو/رم‌جت (شکل 11) ترکیبی از موتور توربوجت (که تا سرعت‌های ماخ 3 به کار می‌رود) و موتور رم‌جت (که کارایی خوبی در اعداد ماخ بالا دارد) می‌باشد.

11.jpg

شکل 11 یک موتور توربو/رم‌جت

در پیرامون یک موتور توربورم‌جت یک مجرا قرار می‌گیرد که دارای یک ورودی متغیر در جلو و یک لولة پس‌سوز با یک شیپورة متغیر در پشت موتور می‌باشد. در خلال برخاستن و شتاب‌گیری هواپیما، موتور همانند یک توربوجت معمولی، که دارای یک پس‌سوز روشن است، کار می‌کند. در سایر شرایط پرواز تا ماخ 3، پس‌سوز غیرفعال است. در هنگام شتاب‌گیری هواپیما از ماخ 3 به بالا، توربوجت خاموش شده و ورودی هوای موتور به وسیلة پرّه‌های راهنما از کمپرسور منحرف شده و یک‌راست به سمت پس‌سوز حرکت می‌کند. پس‌سوز در اینجا نقش محفظة احتراق رم‌جت را بازی می‌کند. این موتور برای هواپیمایی مناسب است که نیازمند سرعت بالا بوده و توانایی پایدار بودن در شرایط سِیر در عدد ماخ بالا را دارد.
موتور توبوراکت (شکل 12) می‌تواند به عنوان جایگزینی برای موتور توربو/رم‌جت در نظر گرفته شود. تفاوتی که در این موتورها وجود دارد این است که این موتور اکسیژن مورد نیاز خود را برای فراهم کردن احتراق به همراه خود حمل می‌کند.

12.jpg

شکل 12 یک موتور توبوراکت

این موتور دارای یک کمپرسور کم‌فشار است که توسط یک توربین چندمرحله‌ای می‌گردد. توان مورد نیاز برای گردش توربین از احتراق سوخت کروسین و اکسیژن مایع در یک محفظة احتراق از نوع راکت به دست می‌آید. از آنجا که دمای گاز به حدود 3500 درجة سانتیگراد خواهد رسید، به منظور خنک‌کاری گازهای ورودی به توربین، سوخت اضافی به محفظة احتراق پاشیده می‌شود. این مخلوط پرسوخت (گاز) سپس توسط هوای کمپرسور رقیق شده و سوخت مازاد در یک سامانة پس‌سوز سوخته می‌شود.
با وجود اینکه موتور توربوراکت کوچک‌تر و سبک‌تر از موتور توربو/رم‌جت است، مصرف سوخت بالاتری دارد. این موتور، موتوری مناسب برای هواپیماهای نوع رهگیر یا پرتاب‌گر فضایی است که نیازمند کارایی در سرعت‌ها و ارتفاعات بالا هستند و معمولا برنامة پروازی آنها به این گونه است که کاملا شتاب گرفته و دورة عملیاتی کوتاهی دارند.