موتورهای توربوفن موتورهای مهم مبتنی بر توربین گازی- هستند. آنها نیروبخش بسیاری از هواپیماها و پهپادها (پهپادها) هستند. بیایید به نحوه کار، کارایی، مقایسه و بخش های اصلی آنها نگاه کنیم.
اجزای اصلیاز یک موتور توربین
یک موتور توربوفن چندین بخش کلیدی دارد:
- فن: با افزایش سرعت هوا به رانش کمک می کند.
- کمپرسور: فشار و دمای هوای ورودی را افزایش می دهد.
- محفظه احتراق: جایی که هوا با سوخت مخلوط شده و مشتعل می شود.
- توربین: انرژی را از گازهای داغ برای به حرکت درآوردن کمپرسور و فن می گیرد.
- شفت: قطعات دوار را به هم متصل می کند.
- نازل: سرعت گازهای خروجی را برای ایجاد نیروی رانش افزایش می دهد.
فن نیروی رانش اضافی را اضافه می کند. کمپرسور و توربین ها موتور را روشن نگه می دارند. در نهایت، نازل گازها را با سرعت بالا به بیرون پرتاب می کند تا پهپاد را به جلو حرکت دهد.
نحوه عملکرد موتورهای توربوفن
موتورهای توربوفن بسیار شبیه موتورهای توربوپراپ عمل می کنند. در اینجا نحوه کار، مرحله به مرحله آمده است:
- ورودی و تقسیم هوا: یک فن هوا را به داخل موتور می کشد. هوا به دو مسیر تقسیم می شود. یکی برای سوزاندن به هسته موتور می رود. دیگری (هوای بای پس) از طریق یک مجرا در اطراف هسته جریان دارد.
- فرآیند فشرده سازی: هوای ورودی به هسته ابتدا از یک کمپرسور-کمپرسور (LPC) عبور می کند. LPC فشار هوا را افزایش می دهد. سپس هوا به سمت کمپرسور فشار قوی (HPC) حرکت می کند. HPC هوا را بیشتر فشرده می کند و آن را بسیار تحت فشار و گرم می کند.
- احتراق و عمل توربین: در محفظه احتراق هوای فشرده با سوخت مخلوط شده و خود به خود مشتعل می شود. پس از سوزاندن، گاز پرانرژی-به توربین فشار قوی-(HPT) و سپس به توربین{3}}فشار پایین (LPT) جریان می یابد. این توربین ها انرژی را از گاز می گیرند: مقداری انرژی کمپرسورها و فن را به حرکت در می آورد. بقیه به عنوان یک جت سریع از طریق نازل اگزوز خارج می شود.
- نسل رانش: گازهای خروجی سریع به هوا شلیک می کنند و نیروی رانش را برای حرکت پهپاد به جلو ایجاد می کنند. جریان هوای بای پس از فن به جریان اگزوز می پیوندد و به طور کلی نیروی رانش بیشتری را ایجاد می کند. جریان هوای بای پس کمی سریعتر از جریان هوای آزاد است. بنابراین، یک توربوفن هم از هسته و هم از فن نیرو می گیرد.
کارایی و کاربردهای موتور توربین
مزایای بهره وری
موتورهای توربوفن به لطف طراحی نوآورانه بای پس خود، راندمان برجسته ای را ارائه می دهند. در قلب این عملکرد نسبت بای پس است-نسبت هوایی که در اطراف هسته موتور جریان دارد (هوای بای پس) به هوایی که برای احتراق وارد هسته می شود. برخلاف توربوجتها که برای تولید نیروی رانش کاملاً به سوخت-سوخت جریان هوای هستهای وابسته هستند، توربوفنها از یک فن جلویی بزرگ برای تسریع حجم عظیمی از هوای عبوری استفاده میکنند. این هوای عبوری بدون مصرف سوخت اضافی به رانش کمک میکند، به این معنی که توربوفنها نیروی رانش بیشتری تولید میکنند در حالی که تقریباً همان مقدار سوخت را بهاندازه هسته یک توربوجت مصرف میکنند.
شکاف راندمان با پیکربندیهای مختلف بایپس بیشتر میشود: توربوفنهای بایپس بالا{{0} (با نسبتهای بایپس 5:1 یا بالاتر) نزدیک به مطابقت با راندمان سوخت توربوپراپها هستند، اما با مزیت اصلی کار در سرعتهای زیر صوت بسیار بالاتر (ایدهآل برای پرواز تجاری). حتی-توربوفنهای بای پس پایین-طراحیشده برای مصارف نظامی-از توربوجتهای سنتی بهتر عمل میکنند و تعادل بهتری بین خروجی رانش و مصرف سوخت ایجاد میکنند، به ویژه
در مراحل طولانی سفر دریایی
سناریوهای استفاده
طراحی انعطافپذیر توربوفنها با پیکربندیهای متناسب با نیازهای خاص، آنها را در هوانوردی غیرنظامی و نظامی ضروری میسازد. در هوانوردی غیرنظامی، تقریباً همه هواپیماهای مسافربری تجاری (از-جت های باریک بدنه مانند بوئینگ 737 تا هواپیماهای عریض-مانند ایرباس A350) بر-توربوفن های بای پس بالا متکی هستند. ترکیبی از راندمان سوخت و سرعت آنها به خطوط هوایی اجازه می دهد تا مسیرهای مسافت طولانی-را به صورت اقتصادی انجام دهند و در عین حال زمان پرواز را رقابتی نگه دارند.
برای کاربردهای نظامی، جتهای جنگنده مدرن (مانند F{2}}16 و F{4}}35) از توربوفنهای بای پس کم-استفاده میکنند. این موتورها اندازه جمع و جور و نسبت رانش بالا به وزن-به وزن را در اولویت قرار میدهند و مهمتر از همه، آنها میتوانند دستگاههای پس سوز- که سوخت اضافی را به اگزوز تزریق میکنند تا سرعت درگیریهای سگی یا رهگیری را افزایش دهند، ادغام کنند. در مقابل، توربوفنهای بای پس بالا، به دلیل مجرای بایپس بزرگ، نمیتوانند پسسوز را در خود جای دهند و مدلهای بایپس پایین را برای جتهای سریع نظامی مورد استفاده قرار میدهند. فراتر از جنگنده ها، هواپیماهای ترابری نظامی نیز از توربوفن ها استفاده می کنند و از کارایی آنها برای حمل محموله های سنگین در مسافت های طولانی استفاده می کنند. این سازگاری، توربوفن ها را به عنوان چندمنظوره ترین انتخاب پیشرانه در هوانوردی مدرن معرفی می کند.
موتورهای توربوجت در مقابل موتورهای توربوفن: مقایسه
- تولید رانش و راندمان سوخت: توربوجتها برای ایجاد نیروی رانش کاملاً به فشردهسازی، سوزاندن و بیرون راندن حجم کمی از هوا در سرعتهای مافوق صوت متکی هستند-که باعث هدر رفتن سوخت قابل توجهی، بهویژه در سرعتهای زیر صوت میشود. با این حال، توربوفن ها از یک فن بزرگ جلویی برای کشیدن و شتاب بخشیدن به مقدار عظیمی از هوای بای پس در اطراف هسته موتور استفاده می کنند. این هوای عبوری بدون سوخت اضافی به رانش کمک می کند، در حالی که تنها بخش کوچکی از هوا برای احتراق وارد هسته می شود. نتیجه: توربوفنها نیروی رانش بیشتری به ازای هر واحد سوخت تولید میکنند و مدلهای بایپس بالا (برای هواپیماهای مسافربری) بسیار کارآمدتر از هر توربوجت هستند.
- سطوح نویز: توربوجتها به دلیل-گازهای خروجی با سرعت بالا، صدای شدیدی تولید میکنند. توربوفن ها بسیار آرام تر هستند زیرا هوای بای پس با خروجی اگزوز هسته داغ مخلوط می شود و باعث کاهش تلاطم و صدا می شود. این برای فرودگاههای تجاری بسیار مهم است، جایی که محدودیتهای نویز باعث میشود توربوفنها تنها گزینه مناسب باشند.
- تطبیق پذیری در برنامه ها: موتورهای توربوجت زمانی در جت های جنگنده اولیه به دلیل توانایی آنها در دستیابی به سرعت های بالا مورد استفاده قرار می گرفتند، اما اکنون در اکثر هواپیماها تا حد زیادی با توربوفن ها جایگزین شده اند. موتورهای توربوفن به طور گسترده ای در هوانوردی غیرنظامی (مانند هواپیماهای مسافربری تجاری) و هوانوردی نظامی (مانند جت های جنگنده مدرن و هواپیماهای ترابری) استفاده می شوند.
- هزینه عملیاتی: به لطف بهره وری بهتر سوخت و سایش کمتر (به دلیل کاهش استرس هسته)، توربوفن ها هزینه های عملیاتی خطوط هوایی و ارتش را کاهش می دهند. مصرف سوخت بالا و نیازهای تعمیر و نگهداری توربوجت ها باعث می شود آنها برای استفاده منظم به صرفه تر باشند.
نتیجه گیری
موتورهای توربوفن امروزه بر هوانوردی تسلط دارند زیرا قدرتمند، کارآمد و انعطاف پذیر هستند. آنها سوخت کمتری نسبت به توربوجت مصرف می کنند، صدای کمتری تولید می کنند و می توانند هم برای هواپیماهای مسافربری و هم برای جت های نظامی طراحی شوند. این ترکیب از عملکرد و کارایی، توربوفن ها را به بهترین انتخاب برای اکثر هواپیماهای مدرن تبدیل می کند و احتمالاً تا سال های آینده نوع اصلی موتور در آسمان ها باقی خواهند ماند.
