طراحي موتورها
ترجمه و نوشته: مهندس طيبه فهيمي والا
يکي از اجزايي که در تعيين بهينه بودن مصرف سوخت هواپيما مهمترين نقش را بازي مي کند موتور آن است. در آغازين روزها، صنعت هوانوردي از موتورهاي ملخي که تفاوت چنداني با موتورهاي خودرو نداشتند بهره مي برد. امروزه موتورهاي هواپيما جزء تخصصي ترين و پربازده ترين ماشين هاي موجود روي کره زمين به شمار مي روند.در تحولات طراحي موتورهاي هواپيما پيشرفت هاي بيشمار و چشمگيري وجود دارد که امروزه اين موتورها را به ماشين هايي بهينه تبديل کرده است.
به زبان ساده يک موتور توربوپراپ از يک توربين گازي تشکيل شده است که توان خروجي آن يک ملخ را به گردش در مي آورد. موتورهاي توربوجت خالص (که در مدل هاي اوليه جت هاي تجاري به کار رفتند و هنوز در هواپيماهاي نظامي کاربرد دارند) شما را قادر مي سازند تا سريعتر پرواز کنيد اما در عين حال سوخت بيشتري نسبت به موتورهاي توربوپراپ مصرف مي کنند. نوع مصرف سوخت موتورهاي توربوپراپ آنها را براي استفاده در هواپيماهايي که سرعت سير آنها بين 480 تا 650 کيلومتر بر ساعت است مناسب ساخته است. حال آنکه هواپيماهاي توربوفن سرعتي برابر با 800 کيلومتر بر ساعت دارند.
در سال هاي اخير علاقه وافري خصوصاً از طرف سازندگان جت هاي منطقه اي نسبت به موتورهاي توربوپراپ نشان داده شده است که دليل آن نقطه قوت اين موتورها در کارآيي اقتصادي و مزاياي کارآيي زيست محيطي آنها است. مصرف سوخت يک موتور توربوپراپ در مقايسه با يک موتور توربوفن مشابه و با در نظر گرفتن مسيرهاي کوتاه پروازي، بين 25 تا 40 درصد کمتر است.
دو تغييري که در طراحي موتورهاي توربوفن استفاده شد، ارائه يک فن بزرگ در جلوي کمپرسور و افزودن يک بخش توربين کم فشار بود. نقش فن در اينجا مکش حجم بزرگي از هوا به درون موتور است که قسمتي از داخل هسته موتور عبور کرده و پس از فشرده سازي مشتعل مي شود و بخش ديگر از بيرون هسته موتور عبور مي کند و سهم بيشتري در توليد رانش دارد. اگر حجم هواي عبور از بيرون هسته موتور دو برابر هواي عبور کننده از داخل هسته باشد، آنگاه نسبت کنار گذر اين موتور 2:1به 2 به 1 خواهد بود. هر چه اين نسبت بيشتر باشد مصرف سوخت موتور بهينه تر خواهد بود چرا که نيروي رانش بيشتري بدون مصرف سوخت بوجود آمده است.
سرمايه گذاري هاي يکنواخت و ممتد در حوزه فناوري هاي پيشرفته و موتورهاي جت موجب شد تا روند بهينه سازي اين موتورها سالي يک درصد رشد داشته باشد به گونه اي که مي توان انتظار داشت موتورهايي که در سال هاي 2020 عرضه خواهند شد نسبت به موتورهايي که امروزه توليد مي شوند حداقل 10 درصد بهينه تر شوند. سازندگان موتور و محققين بنحوي روي طرح هاي خود کار مي کنند تا اين روند تا دهه هاي آتي نيز ادامه داشته باشد.
به منظور فراهم کردن موتورهايي براي نسل آينده هواپيماها، سازندگان هواپيما و همچنين موتور سرگرم بررسي و ارزيابي راه هاي مختلفي براي بهبود روند کنوني پيشرفت موتورها و طراحي هواپيما هستند. در اين بين 3 راه حل و به بيان بهتر سه نوع موتور بيش از هر طرح ديگري مورد توجه قرار گرفته است.
اين موتور که پيش بيني مي شود براي سال 2016 قابل عرضه به بازار باشد در مقايسه با موتورهاي فعلي مصرف سوخت آن 16 درصد کمتر و سروصداي آن نيز تا 75 درصد کاهش مي يابد. اين پيشرفت ها ممکن نبود مگر با استفاده از نوآوري هاي متعدد در زمينه آيروديناميک، مواد (از جمله کامپوزيت ها براي قسمت هاي داغ و سرد موتور)، پوشش هاي صنعتي، فناوري هاي احتراق و خنک کاري، همزمان با يکپارچه سازي پيشرفته پوسته موتور با خود موتور و بدنه.
سيستم چرخ دنده (مشابه آنچه در خودرو وجود دارد) موجب مي شود تا سرعت فن اين موتور نسبت به کمپرسور و توربين کم فشار کمتر باشد که اين خود موجب افزايش بازدهي موتور و کاهش مصرف سوخت، تشعشات موتور و سروصداي آن مي شود. اين موتور که اساسا براي هواپيماهاي باريک پيکر طراحي شده، نسبت به موتورهاي مشابه داراي 15 تا 20 درصد بازدهي بيشتري است. همچنين اين موتورها سروصداي کمتري روي زمين خواهند داشت. به محض آنکه اين موتورها مورد کاربري تجاري قرار بگيرند مدل هاي جديد آن بايد يک درصد در سال رشد داشته باشند.
طرح مفهومي اين موتور براي اولين بار در سال هاي اوليه دهه 80 ميلادي مطرح شد اما به دليل ارزان بودن سوخت هواپيما مورد توجه قرار نگرفت. حال با افزايش روز افزون و افسار گسيخته هزينه هاي سوخت و همچنين تکنيک هاي پيشرفته طراحي موتور، اين طرح ممکن است باعث بوجود آمدن رنسانسي در عرصه طراحي و تولد موتورهاي هواپيما شود.
آزمايش هاي تونل باد روي مدل اوليه اين موتور حاکي از 25 تا 30 درصد بهبود در مصرف سوخت است که نتيجه طراحي کاملا جديد و پيشرفته ملخ هاي آن است که همزمان استانداردهاي کاهش آلودگي صوتي را نيز برآورده مي کند. تحقيقات بيشتر روي اين موتور در جريان است و اولين آزمايش پرواز آن احتمالا در سال 2015 انجام خواهد شد. تا سال 2020 از اين موتورها مي توان روي برخي هواپيماهاي نو ظهور استفاده کرد.
منبع: ماهنامه نوآور-شماره 89.
موتورهاي توربوپراپ
به زبان ساده يک موتور توربوپراپ از يک توربين گازي تشکيل شده است که توان خروجي آن يک ملخ را به گردش در مي آورد. موتورهاي توربوجت خالص (که در مدل هاي اوليه جت هاي تجاري به کار رفتند و هنوز در هواپيماهاي نظامي کاربرد دارند) شما را قادر مي سازند تا سريعتر پرواز کنيد اما در عين حال سوخت بيشتري نسبت به موتورهاي توربوپراپ مصرف مي کنند. نوع مصرف سوخت موتورهاي توربوپراپ آنها را براي استفاده در هواپيماهايي که سرعت سير آنها بين 480 تا 650 کيلومتر بر ساعت است مناسب ساخته است. حال آنکه هواپيماهاي توربوفن سرعتي برابر با 800 کيلومتر بر ساعت دارند.
در سال هاي اخير علاقه وافري خصوصاً از طرف سازندگان جت هاي منطقه اي نسبت به موتورهاي توربوپراپ نشان داده شده است که دليل آن نقطه قوت اين موتورها در کارآيي اقتصادي و مزاياي کارآيي زيست محيطي آنها است. مصرف سوخت يک موتور توربوپراپ در مقايسه با يک موتور توربوفن مشابه و با در نظر گرفتن مسيرهاي کوتاه پروازي، بين 25 تا 40 درصد کمتر است.
موتور توربوفن با کنار گذر بالا
دو تغييري که در طراحي موتورهاي توربوفن استفاده شد، ارائه يک فن بزرگ در جلوي کمپرسور و افزودن يک بخش توربين کم فشار بود. نقش فن در اينجا مکش حجم بزرگي از هوا به درون موتور است که قسمتي از داخل هسته موتور عبور کرده و پس از فشرده سازي مشتعل مي شود و بخش ديگر از بيرون هسته موتور عبور مي کند و سهم بيشتري در توليد رانش دارد. اگر حجم هواي عبور از بيرون هسته موتور دو برابر هواي عبور کننده از داخل هسته باشد، آنگاه نسبت کنار گذر اين موتور 2:1به 2 به 1 خواهد بود. هر چه اين نسبت بيشتر باشد مصرف سوخت موتور بهينه تر خواهد بود چرا که نيروي رانش بيشتري بدون مصرف سوخت بوجود آمده است.
از نظر سر و صدا نيز موتورهاي توربوفن کنار گذر بالا بسيار آرام و ساکت هستند، چرا که جريان هواي سرد در انتهاي موتور با جريان گازهاي خروجي ترکيب شده و باعث کاهش سر و صداي ناشي از گازهاي خروجي موتور مي شود.
اولين نمونه تجاري اين موتورها، نسبت کنار گذر 5 به 1 داشتند يعني در ازاي يک واحد هواي عبوري از هسته موتور، 5 برابر آن از بيرون موتور گذر مي کرد. آخرين مدل هاي موتورهاي توربوفن با کنارگذر بالا از نسبت کنار گذر 11 به 1 برخوردارند. جالب است بدانيم که پيشرفته ترين نمونه اين موتورها نزديک به 115 هزار پوند نيروهاي رانش توليد مي کند که بيش از توان 4 موتور توربوفن اوليه از نسل دهه 60 است! و همزمان مصرف سوخت، تشعشات و سروصداي کمتري نيز دارد.سرمايه گذاري هاي يکنواخت و ممتد در حوزه فناوري هاي پيشرفته و موتورهاي جت موجب شد تا روند بهينه سازي اين موتورها سالي يک درصد رشد داشته باشد به گونه اي که مي توان انتظار داشت موتورهايي که در سال هاي 2020 عرضه خواهند شد نسبت به موتورهايي که امروزه توليد مي شوند حداقل 10 درصد بهينه تر شوند. سازندگان موتور و محققين بنحوي روي طرح هاي خود کار مي کنند تا اين روند تا دهه هاي آتي نيز ادامه داشته باشد.
به منظور فراهم کردن موتورهايي براي نسل آينده هواپيماها، سازندگان هواپيما و همچنين موتور سرگرم بررسي و ارزيابي راه هاي مختلفي براي بهبود روند کنوني پيشرفت موتورها و طراحي هواپيما هستند. در اين بين 3 راه حل و به بيان بهتر سه نوع موتور بيش از هر طرح ديگري مورد توجه قرار گرفته است.
توربوفن پيشرفته با کنار گذر بالا
اين موتور که پيش بيني مي شود براي سال 2016 قابل عرضه به بازار باشد در مقايسه با موتورهاي فعلي مصرف سوخت آن 16 درصد کمتر و سروصداي آن نيز تا 75 درصد کاهش مي يابد. اين پيشرفت ها ممکن نبود مگر با استفاده از نوآوري هاي متعدد در زمينه آيروديناميک، مواد (از جمله کامپوزيت ها براي قسمت هاي داغ و سرد موتور)، پوشش هاي صنعتي، فناوري هاي احتراق و خنک کاري، همزمان با يکپارچه سازي پيشرفته پوسته موتور با خود موتور و بدنه.
توربوفن دنده اي
سيستم چرخ دنده (مشابه آنچه در خودرو وجود دارد) موجب مي شود تا سرعت فن اين موتور نسبت به کمپرسور و توربين کم فشار کمتر باشد که اين خود موجب افزايش بازدهي موتور و کاهش مصرف سوخت، تشعشات موتور و سروصداي آن مي شود. اين موتور که اساسا براي هواپيماهاي باريک پيکر طراحي شده، نسبت به موتورهاي مشابه داراي 15 تا 20 درصد بازدهي بيشتري است. همچنين اين موتورها سروصداي کمتري روي زمين خواهند داشت. به محض آنکه اين موتورها مورد کاربري تجاري قرار بگيرند مدل هاي جديد آن بايد يک درصد در سال رشد داشته باشند.
موتور با فن باز
طرح مفهومي اين موتور براي اولين بار در سال هاي اوليه دهه 80 ميلادي مطرح شد اما به دليل ارزان بودن سوخت هواپيما مورد توجه قرار نگرفت. حال با افزايش روز افزون و افسار گسيخته هزينه هاي سوخت و همچنين تکنيک هاي پيشرفته طراحي موتور، اين طرح ممکن است باعث بوجود آمدن رنسانسي در عرصه طراحي و تولد موتورهاي هواپيما شود.
آزمايش هاي تونل باد روي مدل اوليه اين موتور حاکي از 25 تا 30 درصد بهبود در مصرف سوخت است که نتيجه طراحي کاملا جديد و پيشرفته ملخ هاي آن است که همزمان استانداردهاي کاهش آلودگي صوتي را نيز برآورده مي کند. تحقيقات بيشتر روي اين موتور در جريان است و اولين آزمايش پرواز آن احتمالا در سال 2015 انجام خواهد شد. تا سال 2020 از اين موتورها مي توان روي برخي هواپيماهاي نو ظهور استفاده کرد.
