پریسا عباسی– موتور جت بخش بسیار پیچیده ای از صنعت است که وظیفه ساده ای دارد: تامین نیروی محرکه مورد نیاز هواپیما برای پرواز. هنگامی که هواپیما از باند فرود می آید و سپس به آسمان می رود، مردم احساس می کنند که کمی در صندلی هایشان فرو می روند، احتمالاً می توانید دلیل آن را حدس بزنید. زیر هر بال هواپیما موتورهای توربوفن قرار دارند که هوا را به داخل خود می کشند و موتورها آن هوا را به سمت عقب شتاب می دهند تا نیروی رانش مورد نیاز برای پرواز ایجاد شود.

جزئیات داخلی موتورهای تجاری شرکت هایی مانند جنرال الکتریک، رولز رویس و پرت اند ویتنی ممکن است متفاوت باشد، اما اصول اولیه آنچه در داخل آنها می گذرد یکسان است.

اما بوث، مدیر زیرسیستم های رولز رویس می گوید: «موتور جت توربوفن مدرن بر اساس قانون سوم نیوتن کار می کند. هر کنشی واکنشی به همان مقدار و در جهت مخالف دارد.

در حالی که توصیف فنی سطح بالا ممکن است ساده به نظر برسد، فرآیند درون خود موتور هم پیچیده و هم جذاب است. در این مقاله، عملکرد داخلی موتور هواپیما، از فشرده سازی هوا تا احتراق سوخت و افزایش دما را مورد بحث قرار دادیم.

فن های جلوی موتور هوا را می کشند

اگر از گیت های فرودگاه به موتور هواپیما نگاه کنید، تیغه های فن را می بینید که در داخل و جلوی بدنه موتور قرار دارند. قطر این تیغه ها واقعا بزرگ است. به عنوان مثال موتور GE9X جنرال الکتریک دارای یک فن 16 پره است که قطر آن تقریباً 5 متر است. یکی از این موتورها می تواند 470000 نیوتن نیروی رانش تولید کند، اگرچه طبق رکوردی که در سال 2017 ثبت شده است، این موتور می تواند حتی قدرت بیشتری را به یکباره تولید کند.

کریستوفر لارنس، مهندس ارشد در GE Aerospace می‌گوید: «یک فن بزرگ در جلوی هواپیما وجود دارد که در واقع حدود 90 درصد نیروی رانش را تأمین می‌کند.

موتور GE90 را در نظر بگیرید که زیر بال های هواپیماهایی مانند بوئینگ 777 آویزان است. سازنده این موتور می گوید: هر یک از موتورهای این هواپیما در هر ثانیه در زمان برخاستن حدود 1600 کیلوگرم هوا را به داخل می کشد.

فن در هوا می چرخد ​​و با عبور هوا از موتور، مقدار نسبتاً کمتری از هوا در یک جهت جریان می یابد و به سمت مرکز و هسته دستگاه می رود. اما بیشتر هوا از کناره هسته عبور می کند (یا آن را دور می زند) و مستقیماً از آن عبور می کند و از پشت خارج می شود. هوای بای پس در واقع هوایی است که از هسته عبور نمی کند و بیشتر کار را برای به حرکت درآوردن هواپیما انجام می دهد.

تفاوت بین حجم هوای عبوری از هسته و حجم هوای بای پس شده به هسته موتور به عنوان «نسبت بای پس موتور» شناخته می شود. سازندگان موتور می خواهند نسبت بای پس موتور تا حد امکان کارآمد باشد. لارنس می گوید: «موثرترین راه برای انجام این کار، جذب هوای زیاد و افزایش اندکی فشار است. موتورهای اولیه هواپیما نسبت بای پس بسیار پایینی داشتند. بنابراین بیشتر هوا از هسته عبور می کند و فقط مقدار کمی هوا با سرعت نسبتاً بالایی از کنارگذر عبور می کند.» اما موتورهای توربوفن امروزی نسبت بای پس بسیار بالایی دارند.

البته استثنا در اینجا موتورهای جت در هواپیماهای نظامی است، مثلاً موتورهای جت جنگنده که نسبت بای پس زیادی نسبت به موتورهای هواپیماهای تجاری ندارند. علاوه بر صرفه جویی در مصرف سوخت، این هواپیماها دارای مزایای دیگری هستند – مانند مانورپذیری بالا، رسیدن به سرعت مافوق صوت و عدم دید، به دلیل ادغام نزدیک آنها با بدنه. و امکان استفاده از پس سوز به انگلیسی بعد از سوختنبخشی است که به موتور جت هواپیماها سونوگرافی اضافه شده است. استفاده از این مود می تواند تا 70% رانش را افزایش دهد.).

فشرده سازی و احتراق هوای هسته

تیغه های فن در جلو برای چرخش نیاز به قدرت دارند و اینجاست که هسته موتور وارد عمل می شود. درصد کمی از هوایی که از هسته عبور می کند (حدود 10٪ به عنوان 90٪ دیگر دور زده می شود) از یک فرآیند چند مرحله ای عبور می کند.

اولین قسمت هسته کمپرسور است و همانطور که از نامش پیداست، هوا در آنجا فشرده می شود. در این قسمت هوا متراکم تر و گرم می شود. بوث می‌گوید: پره‌های کمپرسور از چندین بخش پلکانی چرخان تشکیل شده‌اند و محورهای کمپرسور ساکن هستند. به تدریج که پره های کمپرسور کوچکتر و کوچکتر می شوند، هوا بیشتر و بیشتر فشرده می شود.

البته هوا نمی‌خواهد فشرده شود و این کار بر عهده کاربر است. به گفته بوث، «مثل اینکه بخواهی آب را در سربالایی جاری کنی!»

پس از مرحله کمپرسور، زمان سوختن است. سوخت جت مشتعل شده و هوا را بیشتر گرم می کند. لارنس، مهندس ارشد جنرال الکتریک، می گوید: اگر دمای هوا در دم کمپرسور حدود 650-700 درجه سانتیگراد باشد، می تواند پس از عبور از محفظه احتراق به 1650 درجه سانتیگراد یا بیشتر برسد. برای مقایسه باید بگوییم که دمای گدازه یک آتشفشان در هاوایی حدود 1170 درجه است.

به گفته لارنس، هوای سوزانی که از محفظه احتراق خارج می‌شود، به طرز شگفت‌انگیزی «بالاتر از نقطه ذوب پره‌های توربین در پشت آن‌ها» بود. در واقع باید هوا را از طریق این باله ها پمپاژ کنیم تا از ذوب شدن باله ها جلوگیری کنیم. این هوای نسبتاً سردتر از کمپرسور می آید. رولزرویس برای جلوگیری از ذوب شدن پره های توربین خود کاری مشابه انجام می دهد.

سازندگان موتور هواپیما هم نسبت بای پس بالا و هم فضای داخلی بسیار گرم می خواهند. لورنس می گوید: «هرچه دما را بالاتر ببرید، هسته کارآمدتر می شود.

تولید برق توسط توربین ها در هسته موتور

وقتی هوا گرم شد، یک کار نهایی وجود دارد: چرخاندن تعدادی توربین. دو توربین در موتور جنرال الکتریک وجود دارد، یک توربین فشار قوی و یک توربین فشار پایین. لارنس می گوید: «شما حجم مشخصی از هوای پرانرژی دارید. دلیل اینکه ما همه این کارها را انجام می دهیم این است که انرژی را در آن مرحله از طریق توربین آزاد کنیم.

هر کدام از این دو توربین وظیفه خاصی دارند. لارنس می‌گوید اول، توربین فشار بالا «آن انرژی را می‌گیرد و کمپرسور را می‌چرخاند، که در واقع هسته را راه‌اندازی می‌کند». ». و سپس در توربین فشار پایین این انرژی گرفته می شود و شفت که فن را می چرخاند (در جلوی موتور) می چرخاند.

موتورهای ترنت رولزرویس، مانند موتور ایرباس A350، دارای یک توربین فشار متوسط ​​بین توربین های فشار قوی و پایین هستند. در این حالت دو توربین اول کمپرسور را به حرکت در می‌آورند و آخرین توربین پره‌های بزرگ فن جلویی را نیرو می‌دهد.

به طور خلاصه: هوای ورودی به هسته فشرده شده و با سوختن سوخت داغتر می شود. این هوای گرم فشرده سپس توربین ها را به حرکت در می آورد و یکی از این توربین ها پره های فنی واقع در جلوی موتور را به حرکت در می آورد. به یاد داشته باشید، این بای پس هوا به هسته است، در مقایسه با اگزوز هسته (که وظیفه آن دفع گاز داغ به جو است) بیشترین نیروی رانش موتور را می دهد.

بوث می‌گوید: «هوای دور زده کندتر از هوایی است که از هسته موتور عبور می‌کند، و همچنان جرم کافی برای ایجاد نیروی رانش زیادی دارد. به لطف این رانش است که هواپیما می تواند به آسمان پرواز کند.

منبع: popsci

5858