turbin power 3
آشنایی با توربین گازی 3
هدف اصلی فن، جابجایی جرم مشخصی از گاز با یک سرعت مطلوب است. در واقع فن این کار را با افزایش خیلی کم در فشار هوای عبوری از خودش انجام میدهد… فنها کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف و حتی زندگی روزمره ما دارند اما در اینجا قصد توضیح این موارد را نداریم… یک راست میرویم سر اصل مطلب یعنی فن هایی که در موتورهای توربوفن به کار میروند.
در واقع فن یک کمپرسور فشار پایین یک طبقه ای است که عمده کاری که می کند دادن ممنتوم به سیال و افزایش تراست می باشد و از این نظر نیازی نیست که خیلی نسبت فشار بالایی داشته باشد بلکه هر چقدر حجم بیشتری از سیال را جابجا کند به رسالت خود عمل کرده است.
جریانی که از فن عبور می کند به دو قسمت تقسیم می شود قسمتی از آن وارد هسته موتور(core) می شود و قسمتی از ان هم به صورت جت سرد از داخل پوشش و مجرایی که فن را احاطه کرده عبور می کند. جالب است بدانید که در موتور های توربوفن چیزی در حدود ۸۰ درصد از نیروی تراست توسط همین جت سرد تامین می شود!
در توربوفن ها همه قسمت ها با سرعت برابری دوران نمی کنند. گاهی لازم است که بعضی قسمت ها آرام تر از سایر قسمت ها حرکت کنند! و این تفاوت در حرکت، با چند محوره کردن موتور حاصل می شود. بعد از پیشرفتهای اولیه در زمینه توربین گاز، صنعت پشرانش توربینی به سمت موتورهای دو محوره و سه محوره روی آورد. در جدیدترین نمونه ها (مثل موتور trent) از سه محور استفاده شده است.
موتورهای توربوفن دو و سه محوره
طراحی چند محوره تطبیق پذیری بیشتری با شرایط کاری موتور دارد. برای مثال این طرح اجازه می دهد که فن و هسته موتور به صورت جداگانه عمل کنند و از این طریق می توان قطر پره های فن را بیشتر کرد زیرا در این حالت سرعت دورانی فن قابل کنترل است. در زیر شماتیکی از طراحی سه محوره موتور را مشاهده می کنید:
همانطور که در پیکربندی فوق مشهود است، فن توسط محور آبی رنگ به توربین کم فشار متصل شده است. به عبارتی ۶ طبقه توربین کم فشار برای به گردش درآوردن فن به کار گرفته شده است. محور نارنجی، اتصال دهنده توربین و کمپرسور فشار متوسط است. که در اینجا نیز یک طبقه توربین فشار متوسط معادل ۸ طبقه کمپرسور فشار متوسط می باشد. و در نهایت محور قرمز رنگ اتصال دهنده توربین و کمپرسور پرفشار هستند که به ازای یک طبقه توربین پرفشار، ۶ طبقه کمپرسور پرفشار لحاظ شده است
مزیتهای موتور سه محوره نسبته به دو محوره را می توان در نکات زیر دانست:
– طول شفت در این پیکربندی کوتاه تر و محکم تر است و این امر باعث عملکرد بهتر شفت خواهد بود.
– فن می تواند در یک سرعت بهینه کار کند و در نتیجه راندمان موتور افزایش می یابد.
– کاهش وزن که یکی از اهداف مهم در طراحی هواپیما و موتور است و صرفه اقتصادی زیادی به همراه دارد.
– تعمیرات راحت تر صورت می گیرد.
انواع فن در توربوفن ها
موتور های توربو فن بر اساس نوع فنی که دارند به انواع مختلفی تقسیم می شوند.
۱) یک روتور
۲) یک روتور یک استاتور
۳) دو روتور دوران معکوس
۴) فن ملخی
پارامترهای مهم در فن
پارامترهای مهمی که باید در مورد فن بدانیم عبارتند از:
۱) شکل پره ها
۲) نیروهای وارد بر فن
۳) مواد به کار رفته در ساخت فن
شکل پره ها
۱) حتما در مورد شکسته شدن دیوار صوتی و موج مهیبی که توسط هواپیما ایجاد میشود شنیده اید. هنگامی که سرعت هواپیما به نزدیکی سرعت صوت می رسد دیوار پر فشاری از هوا جلوی دماغه هواپیما تشکیل می شود و وقتی که سرعت هواپیما بیشر شود انرژی زیادی به صورت یک موج ضربه ای ازاد می شود. حالا فرض کنید این اتفاق در پره ی یک فن بیافتد!
در هواپیما برای این که این اتفاق در بال به تعویق بیافتد از sweep back استفاده می کنند، که باعث می شود سرعت برخورد هوا با لبه حمله کمتر از سرعت هواپیما شود
در پره های فن نیز از روشی مشابه استفاده می کنند. در یک فن هرچه از مرکز به سمت خارج می رویم سرعت پره زیاد میشود . پس در شعاع بیشتر یعنی هر قدر که به سمت نوک فن پیش می رویم، احتمال رسیدن به سرعت فراصوت بیشتر می شود.
اگر به شکل بالا کمی موشکافانه نگاه کرده باشید می بینید که در نوک پره این روند ادامه پیدا نمی کند! دلیل آن این است که نوک پره ها بسیار به پوسته نزدیک است و سرعت جریان در این ناحیه به دلیل وجود لایه مرزی کمتر می شود.
در قسمت قبل فهمیدیم که هر چه از مرکز فن دور بشویم سرعت خطی پره افزایش پیدا می کند حالا بحثی که در این جا مطرح می شود این است که یک ایرفویل بسته به سرعتی که در سیال حرکت می کند و زاویه حمله ای که نسبت به جریان دارد بازده متفاوتی را به ما میدهد. به عبارتی برای هر سرعتی زاویه حمله ای وجود دارد که بیشترین بازده را به ما می دهد و هرچه سرعت زیادتر شود این زاویه نیز کمتر می شود.به همین دلیل از زاویه twist در بلید استفاده میکنند
نیروهای وارد بر فن
در مجموع به فن سه نیرو وارد می شود:
۱) از دوران دبیرستان به خاطر دارید که به یک جسم دوار به سمت بیرون نیرویی برابر وارد می شود که به ان نیروی گریز از مرکز می گفتیم. حالا فرض کنید در یک پره فن به شعاع ۳ متر که با سرعت ۵۰۰۰ دور بر دقیقه در حال دوران است چه اتفاقی می افتد. به هر بلید فن یک موتور توربوفن trent در حالت take off نیرویی برابر وزن یک لوکوموتیو وارد میشود(۱۰۰tons) یا ۱۰۰۰kN!
۲) دومین ، نیروی عکس العمل هوایی است که به داخل کشیده می شود. درواقع تغییرات ممنتومی است که در هوای ورودی ایجاد می شود. حالا بد نیست بدانید که دبی جرمی عبوری از یک فن در حالت take off چیزی در حدود ۱٫۲ton/s است!
۳) سومین ،گشتاوری است که سعی دارد پره های فن را در جهت زاویه حمله شان دوران دهد. برای این که بهتر متوجه بشوید یک تیکه چوب نسبتا پهن را به نخی با طول مناسب وصل کنید حالا سعی کنید چوب را طوری دور خود بچرخانید که وجه پهن تر آن رو به مسیر دوران باشد،زود متوجه می شوید که چوب دوران می کند و لبه ان رو به جریان هوا قرار میگیرد.در بلید نیز همین پدیده اتفاق میافتد. شکل زیر به بهترین نحو، گویای این سه نیرو و گشتاور است:
مواد به کاررفته در فن
با توضیحاتی که در قسمت قبل در مورد نیروهای وارد بر فن دادیم.، باید ببینیم که چه موادی باید در ساخت فن به کار رود که بتواند این نیروها و تنش های زیاد را تحمل کند و در عین حال وزن کمی هم داشته باشند. اولین نکته ای که باید بدا نید این هست که فن هایی که اخیرا ساخته شدند تو خالی هستند و در عوض دارای پهنای بیشتری هستند تا نیروهای وارده را بهتر تحمل کنند.
خب در ابتدا بهترین ماده ای که می توانست این ماموریت را انجام دهد عنصر گرانبهای تیتانیوم بود که هم تنش زیادی را می توانست تحمل کند و هم چگالی کمی داشت و به علاوه با دارا بودن خواص سوپر پلاستیک به درست کردن یک پره تو خالی که در طی بیش از ۸۰ مرحله عملیات به وجود می امد کمک می کرد.
ولی به مرور زمان که فن ها بزرگ و بزرگ تر شدند و بر حجم و وزن آنها افزوده شد، مهندسین به فکر استفاده از کامپوزیت الیاف کربن در فن ها افتادند، که هم مقاومت بسیار بالا و هم وزن بسیار کمی داشت. ولی مشکل این نوع پره ها این بود که در مقابل برخورد پرنده ها و اجسام، مقاومت کمتری داشتند که مشکل را با پوششی از تیتانیوم در لبه ی حمله حل کردند.
