هر آنچه باید در مورد سازوکار موتور جت بدانیم

وقتی‌که وارد فرودگاه می‌شوید و هواپیماهای مختلف را می‌بینید، یکی از مواردی که توجه شما را به خود جلب می‌کند، موتورهای بزرگ آن‌ها است. اکثر هواپیماهای مسافربری نیروی پیشران خود را از موتورهای توربوفن می‌گیرند که این موتورها جزو خانواده‌ی بزرگی به نام موتورهای توربین گازی هستند.

ممکن است نام موتور توربین گاز برای شما ناآشنا باشد؛ اما این موتورها کاربردهای فراوانی دارند. به‌طور مثال در اکثر بالگردها، نیروگاه‌ها و حتی در تانک M-1 هم از توربین‌های گاز استفاده می‌کنند.

انواع مختلفی از توربین‌ها وجود دارند:

• احتمالاً اسم توربین بخار به گوشتان خورده است. اکثر نیروگاه‌های بخار از زغال‌سنگ، گاز طبیعی و نفت گرفته تا راکتورهای هسته‌ای برای تأمین بخار موردنیاز خود، از توربین‌های بخار استفاده می‌کنند. بخار، از میان توربین‌هایی بزرگی که با دقت و مهارت بالا، مهندسی و ساخته‌شده‌اند عبور می‌کند. این توربین‌ها در چند طبقه در پشت یکدیگر قرار دارند که باعث چرخش یک شفت متصل به ژنراتور می‌شوند.
• نیروگاه‌های برق‌آبی نظیر سدها نیز از توربین‌های آبی برای تولید برق استفاده می‌کنند. توربین‌های آبی موجود در این نیروگاه‌ها نسبت به توربین‌های بخار کاملاً متفاوت هستند؛ زیرا آب نسبت به هوا بسیار چگال‌تر است و با سرعت کمتری نیز حرکت می‌کند، اما ازنظر عملکرد، هر دوی این توربین‌ها از یک قاعده برای تولید توان استفاده می‌کنند.
• توربین‌های بادی که به آسیاب‌های بادی نیز معروف‌اند، از باد به‌عنوان نیروی محرک استفاده می‌کنند. توربین باد کاملا متمایز از توربین‌های بخار و آبی هستند زیرا باد بسیار سبک است و با سرعت کمی حرکت می‌کند؛ اما مجددا اساس کار این توربین مشابه سایر توربین‌ها است.

اساس توسعه‌ی توربین‌های گازی یکی است. در توربین گاز، هوای پرفشار باعث چرخش توربین می‌شود. در تمام موتورهای توربین گاز، این هوای پرفشار به‌وسیله‌ی سوختن پروپان، گاز طبیعی، نفت سفید یا سوخت موشک تأمین می‌شود. حرارت تولیدشده از طریق احتراق باعث انبساط هوا و افزایش سرعت آن می‌شود و این هوای داغ و پرسرعت، توربین را به چرخش درمی‌آورد.

اما چرا تانک M-1 از یک موتور توربین گاز با توان خروجی ۱۵۰۰ اسب بخار به‌جای یک موتور دیزلی استفاده می‌کند؟ دلیل آن دو مزیت عمده این موتورها نسبت به موتورهای دیزلی است:­

• موتورهای توربین گاز نسبت به موتورهای رفت و برگشتی، از نسبت توان به وزن بالایی برخوردار هستند. به این معنا که مقدار توان خروجی موتور نسبت به وزن آن بسیار بالا است.
• موتورهای توربین گاز نسبت به موتورهای رفت و برگشتی همتای خود با توان برابر، ابعاد کوچک‌تری دارند.

اما عمده‌ترین عیب این دسته از موتورها نسبت به موتورهای رفت و برگشتی با ابعاد یکسان، قیمت بالای آن‌ها است. علت این امر، سرعت چرخش بالای این موتورها و همچنین دمای بالای عملکردی آن‌ها است که طراحی و ساخت آن‌ها را از نظر مهندسی و مواد با مشکلاتی روبه‌رو می‌کند. همچنین این موتورها در حالت درجا مصرف سوخت بیشتری دارند و بهترین عملکرد آن‌ها در شرایط کاری ثابت است. از طرفی در بارگذاری‌های نوسانی راندمان بالایی ندارند که این امر دلیل استفاده از این دسته از موتورها در هواپیماهای بزرگ قاره‌پیما و نیروگاه‌ها و عدم استفاده از آن‌ها در خودروها را نشان می‌دهد.

موتورهای توربین گازی، ازنظر تئوری بسیار ساده هستند. تمام آن‌ها از سه بخش اصلی تشکیل‌ شده‌اند:

• کمپرسور: هوای ورودی به موتور را فشرده می‌کند و فشار آن را افزایش می‌دهد.
• اتاق احتراق: با اضافه کردن سوخت و احتراق مخلوط هوا و سوخت، گاز با فشار و سرعت‌ بالا تولید می‌شود.
• توربین: انرژی جنبشی موجود در گاز خروجی از اتاق احتراق را جذب می‌کند.

به‌طور مثال در موتور بالگرد، ابتدا هوا به‌وسیله کمپرسور به داخل کشیده می‌شود. کمپرسور در واقع یک سیلندر مخروطی شکل است که در آن تعدادی پره در یک ردیف به یکدیگر متصل شده‌اند و یک طبقه را تشکیل می‌دهند. هوای ورودی با عبور از چند طبقه، فشرده می‌شود. در بعضی موتورهای هوایی، فشار هوای ورودی با عبور از کمپرسور تا ۳۰ برابر افزایش می‌یابد.

سپس هوا وارد اتاق احتراق می‌شود و در ابتدا با عبور از انژکتورها، سوخت با نسبت مشخص با هوا ترکیب می‌شود. نوع سوخت عموماً پروپان، گاز طبیعی، سوخت جت یا نفت سفید (کروسین) است.

هوای ورودی به اتاق احتراق، سرعت‌ بالایی در حدود چند صد کیلومتر بر ساعت دارد؛ لذا مسئله‌ی مهم و اساسی در طراحی اتاق احتراق، ثابت و پایدار نگه‌داشتن شعله‌ی احتراق در آن است. این امر به‌وسیله‌ی قطعه‌ای به نام پایدارکننده‌ی شعله که یک محفظه فلزی توخالی است و سوراخ‌هایی روی آن تعبیه‌ شده است، تأمین می‌شود.

در بخش انتهای موتور، توربین قرار دارد. توربین دو وظیفه عمده را بر عهده دارد: یکی تأمین نیروی لازم برای چرخش کمپرسور و دیگری که در موتورهای صنعتی دیده می‌شود، تأمین خروجی لازم برای به چرخش درآوردن ژنراتور.

توربین همانند کمپرسور از چندین طبقه تشکیل‌ شده است. تعدادی از طبقات که به‌وسیله یک شفت به یکدیگر و به کمپرسور متصل هستند، کار تأمین توان لازم برای چرخش کمپرسور را بر عهده‌ دارند و طبقات آخر که به آن‌ها توربین آزاد می‌گویند، توان مورد نیاز خروجی موتور را تأمین می‌کنند. این توان خروجی به‌قدری است که می‌تواند ۱۵۰۰ اسب بخار توان برای به حرکت درآوردن تانک M-1 با جرم ۶۳ تن را تولید کند.

در اکثر نیروگاه‌ها، هوای خروجی به‌وسیله لوله‌هایی به محیط منتقل می‌شود. اما در پاره‌ای از موارد، هوای داغ خروجی را به یک مبدل حرارتی برای استفاده در مصارف گوناگون یا پیش‌گرمایش هوا قبل از ورود به اتاق احتراق، منتقل می‌کنند. موتورهای توربینی از قطعات و سامانه‌های زیاد دیگری نظیر سیستم روغن‌کاری، یاتاقان‌ها و... تشکیل‌ شده‌اند که در این مطلب به آن‌ها اشاره نمی‌کنیم.

اما در هواپیماهای امروزی از دسته دیگری از موتورهای توربینی بانام موتور توربوفن استفاده می‌شود. دلیل این نام‌گذاری به خاطر فن بزرگی است که در ورودی موتور تعبیه‌ شده است. این فن درواقع همان قسمتی از موتور است که شما در ورودی آن مشاهده می‌کنید و در موتورهای بزرگ قطری در حدود ۱۰ متر دارد.

اساس کار موتورهای توربوفن همانند سایر موتورهای توربینی است؛ با این تفاوت که در این موتور نیروی لازم برای به حرکت درآوردن فن، از طبقات آخر توربین تأمین می‌شود.

در موتورهای توربوفن بزرگ، کمپرسور به دو بخش پرفشار و کم‌فشار تقسیم می‌شود که هر بخش به‌وسیله تعدادی از طبقات توربین به چرخش درمی‌آید. هدف از این کار، افزایش چشمگیر مقدار هوای عبوری از موتور است که درنتیجه‌ی آن، نیروی پیشران یا تراست افزایش می‌یابد. مقدار زیادی از هوای تأمین‌شده به‌وسیله‌ی فن مستقیماً وارد توربین و با عبور از میان آن، از انتهای موتور خارج‌ می‌شود و نیروی پیشران را تولید می‌کند. به این هوا، هوای کنارگذر می‌گویند.

اساس کار موتور جت برای تأمین نیروی پیشران، قانون سوم نیوتن است. این قانون بیان می‌کند برای هر عملی، عکس‌العملی برابر با آن و در جهت عکس آن وجود دارد.

به موتور توربوفن حجم زیادی هوا وارد می‌شود که موتور با سرعت بخشیدن به آن نیروی لازم برای حرکت هواپیما را تولید می‌کند. عمل سرعت بخشیدن به هوای ورودی در دو بخش انجام می‌شود:

• توربین گاز که به‌وسیله نازلی که در انتهای موتور قرار دارد، گاز خروجی را با سرعت بسیار بالایی به محیط وارد می‌کند. به‌طورمعمول سرعت هوا در خروجی نازل در حدود ۲۰۰۰ کیلومتر بر ساعت است.
• هوای کنارگذر که با عبور از فن در ورودی موتور سرعت‌بالایی پیدا کرده است، از انتهای موتور خارج می‌شود. هوای عبوری از فن سرعت کمتری نسبت به هوای عبوری از توربین گاز دارد؛ اما فن مقدار هوای بیشتری به حرکت درمی‌آورد.

همان‌طور که مشاهده کردید، موتورهای توربین گازی بسیار متداول هستند. این موتورها از نظر علم مکانیک سیالات و مکانیک مواد بسیار پیچیده هستند؛ اما ازنظر عملکردی مکانیسم ساده‌ای دارند.