تحقیق مقاله موتور جت

موتور جت

 نوعی موتور است که از شتاب دادن و تخلیه شاره برای ایجاد رانش برپایه قانون سوم نیوتن استفاده می‌کند.

با این تعریف گسترده موتورهائی مانند توربوجت و توربوفن و رام‌جت و موتور موشک، گونه‌ای موتور جت به‌شمار می‌روند. ولی معمولاً منظور از موتور جت توربینی است که با بیرون‌دادن گاز داغ برای پیشرانش به‌کار می‌رود.

اصول پایهٔ کارکرد این نوع موتورها تقریباً ساده است ، هوا از طریق یک مجرای ورودی به بخش کمپرسور وارد شده و متراکم می‌شود ، سپس هوای متراکم وارد محفظهٔ احتراق شده و با اضافه شدن سوخت مشتعل می‌شود . گرمای ناشی از احتراق مخلوط هوا و سوخت باعث منبسط شدن و جریان یافتن آن به سمت انتهای موتور می‌گردد،این جریان منبسط شونده از میان یک سری پره‌های توربین عبور می‌کند که از طریق یک شفت به کمپرسور متصل شده اند . هوای منبسط شده توربین را به گردش در می‌آورد که در نتیجه باعث به حرکت در آمدن کمپرسور نیز می‌شوند.

زمانی که هوای منبسط شونده بخش توربین را نیز پشت سر گذاشت با سرعتی بسیار بیشتر از زمانی که وارد موتور شده از آن خارج می‌شود که این تفاوت سرعت بین هوای ورودی و خروجی رانش مورد نیاز را ایجاد می‌کند.در واقع موتورهای توربو جت شتاب بسیار زیادی به حجم کمی از هوا می‌دهند.

موتورهایی که از اصول کار موتورجت بهره‌می‌برند ولی پیشرانش در آن‌ها با ملخ انجام می‌گیرد توربوپراپ نام دارند و نوعی موتور جت به‌شمار نمی‌روند.

موتورهای جت چگونه کار می کنند؟

موتور جت یک موتور واکنشی است که سیال را بر اساس قانون سوم نیوتن با سرعت بالا به حرکت در می آورد. این تعریف کلی از موتورهای جت دربرگیرنده توربو جت ها، توربو فن ها و راکت هاست. به طور عمومی بیشتر موتورهای جت از نوع موتورهای احتراق درونی (internal combustion) هستند ولی انواع غیر درونی وجود دارد. در استفاده های عمومی لفظ "موتور جت" به یک توربین گازی که از داخل احتراق پیدا می کند اتلاق می شود، موتوری که با یک متراکم کننده گردشی که از یک توربین نیرو می گیرد کار می کند. این موتورها اولین ساختاری بودند که در موتورهای جت به کار رفتند.

موتورهای جت بر عکس موتورهای پیستونی که در آنها نیروی محرکه از طریق یک پیستون که در یک سیلندر بالا و پایین می شود،تأمین می شود، با چرخش مداوم یک توربین و کمپرسور نیروی محرکه را تأمین می کنند. در نتیجه بازده بالاتر و صدای کمتری نسبت به موتورهای پیستونی تولید می کنند. موتورهای جت از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند که عبارتند از کمپرسور،‌ محفظه ی احتراق و توربین .توربین در قسمت انتهایی موتور قرار دارد و نیروی محرکه کمپرسور را تأمین و از طریق یک یا چند میله(Shaft) به کمپرسور می رساند.

تاریخچه

موتور جت هواپیما که هواى داغ پرفشارى را تولید مى کرد توسط فرانک ویتل خلبان و مهندس هواپیماى انگلیسى اختراع شد و از این رو وى را پدر موتور جت مى نامند.

ویتل در سال 1907در شهر «کاونترى» به دنیا آمد. پدرش مکانیک بود. در سن 26 سالگى به عنوان خدمه پرواز در کران ول به نیروى هوایى سلطنتى انگلستان پیوست و در سال 1926با قبولى در معاینات پزشکى _ خلبانى به دانشکده نیروى هوایى سلطنتى راه یافت. او به عنوان یک خلبان بى پروا شهرتى بسزا به دست آورد و در سال 1928 تز فوق لیسانسش با عنوان «پیشرفت هاى آتى در طراحى هواپیما» که در آن راجع به امکان نفوذ راکت به هواپیما بحث شده بود را به رشته تحریر درآورد.

ویتل پس از فارغ التحصیلى از دانشکده نیروى هوایى سلطنتى، به اسکادران جنگى ملحق شد و در اوقات فراغتش به مطالعه درباره اصول طراحى موتور توربوجت مدرن مى پرداخت. یکى از اساتید پرواز که تحت تاثیر ایده او در زمینه هواپیماهاى ملخ دار قرار گرفته  بود، او را به نیروى هوایى و یک کارخانه خصوصى مهندسى توربین معرفى کرد. پس از مدتى همه به این نتیجه رسیدند که عقاید و نظریات ویتل غیرعملى است. او در سال 1930ایده موتور جت را به صورت انحصارى به ثبت رساند و در سال 1936 با تاسیس کارخانه خصوصى «پاور جت» به ساخت و آزمایش اختراعش پرداخت.

در سال 1937 اولین موتور جت خود را بر روى زمین آزمایش کرد. تا آن زمان او همچنان از سرمایه و حمایت اندکى برخوردار بود. در 27 آگوست ،1939 «هانیکل اچ اى 178» که توسط «هانس یوخیم پابست فون اوهاین» آلمانى طراحى شده بود اولین پرواز موتور جت در تاریخ را به انجام رساند. مدل موتور جت آلمانى به صورت مستقل از تلاش هاى ویتل تکمیل شده بود.

یک هفته پس از پرواز «اچ اى 178»، جنگ جهانى دوم در اروپا آغاز شد. پروژه ویتل، فضایى دوباره براى تحقیق و آزمایش یافت. نیروى هوایى سفارش ساخت موتور جت جدیدى را به شرکت «پاور جت» داد و از شرکت هواپیمایى گلاستر خواستار تولید هواپیمایى آزمایشى با مشخصات یکسان به نام E28/39 شد.

در 15 مه ،1941 هواپیماى جت گلاستر ویتل E28/39 با موتور جت تکمیل شده توسط شرکت توربین انگلستان که تا آن روز به عقاید ویتل بى توجه بود، به پرواز درآمد.

هواپیماى ویتل در پروازهاى آزمایشى اولیه به خلبانى «گرى سایر» به سرعت 370مایل در ساعت در ارتفاع 25 هزار پایى رسید که سریع تر از هر هواپیماى ملخه اى تا آن زمان بود.

همچنان که شرکت هواپیمایى گلاستر در زمینه هواپیماهایى با موتور توربو جت براى جنگ تحقیق مى کردند، ویتل آمریکایى ها را در تکمیل موفقیت آمیز اولین نمونه موتور جت یارى مى داد.

کتاب وى با نام «جت، داستان یک پیشرو» در سال 1953 منتشر شد. او در سال 1977 استاد تحقیق آکادمى فنون و علوم هوایى آمریکا در آناپولیس مرى لند شد. وى در سال 1996در شهر مرى لند ایالت کلمبیا چشم از جهان فروبست.

نحوه کارکرد

انواع موتورهای جت

موتورهای جت به چند دسته اساسی تقسیم می شوند:

.توربوفن Turbo Fan

.توربوجت Turbo Jet

.توربوپراپ Turbo Prop

.پالس جت Pulse Jet

.رم جت Ram Jet

.سکرام جت Scram Jet

در حقیقت، تمام موتورهای جت که توربین دارند، نوع پیشرفته تری از همان موتورهای توریبن گازی هستند که در زمانهای دورتر استفاده می شده است. از موتورهای توربین گازی بیشتر برای تولید برق نه تولید نیروی رانش استفاده می شود. موتورهای جت کلاً بر پایه ی موارد زیر کار می کنند: هوا از مدخل وارد موتور جت شده و سپس با چرخاندن توربین نیروی لازم را برای مکش هوا برای سیکل بعدی آماده کرده و خود از مخرج خارج می شود. در این حالت فشار و سرعت هوای خروجی، بدون در نظر گرفتن اصطکاک، با سرعت و فشار هوای ورودی برابر است. سیکل کاری موتورهای جت پیوسته است، این بدین معناست که هنگامی که هوا وارد کمپرسور می گردد، به سوی توربین عقب موتور رفته و آن را نیز همراه با خروج خود به حرکت در می آورد، یعنی نیروی لازم برای مکش در حقیقت به وسیله توربین انتهایی موتور تولید شده است و بدین گونه است که همزمان با ورود هوا به کمپرسور، توربین نیز به وسیله نیروی تولید شده توسط سیکل قبلی در حال چرخش است و نیروی آن صرف چرخاندن کمپرسور می شود.

در این فرآیند، دوباره نیروی تولید شده توسط این سیکل به توربین داده شده و توربین نیروی لازم جهت ادامه کار را فراهم می آورد.

1. موتورهای توربوفن یا Turbo Fan

موتورهای توربوفن در حقیقت چیزی میان موتورهای توربوجت و توربو پراپ هستند. بازده موتورهای توربوفن بسیار زیاد است، و به همین علت هم در بسیاری از هواپیماهای مسافربری و ترابری در سرعت های ساب سونیک Sub Sonic از آن ها استفاده می شود. در موتورهای توربوفن، ابتدا هوا کمپرس شده سپس وارد اتاقک احتراق می شود و بعد از انفجار از طریق شیپوره یا نازل خروجی خارج شده و در طی این فرآیند، نیروی تراست لازم را جهت رانش هواپیما به جلو تامین می نماید. البته در موتورهای توربوفن، مقادیر دیگری از هوا از طریق کنارگذر نیز عبور داده می شود که در نهایت به گازهای خروجی داغ پیوسته و نیروی تراست را افزایش می دهد. تفاوت موتورهای توربوفن با توربوپراپ در این است که موتورهای توربوپراپ، فن یا ملخ ایجاد کننده تراستشان در خارج از پوسته موتور قرار گرفته اما در موتورهای توربوفن، ملخ یا فن تولید کننده تراست کاملاً در درون پوسته موتور قرار گرفته است.

2- موتورهای توربوجت یا Turbo Jet

موتورهای توربو جت، بیشتر بر نیروی تولیدی از گازهای خروجی اتکا دارند و در هواپیماهایی بیشتر کاربرد دارند که با سرعت های مافوق صوت حرکت می کنند. در موتورهای توربوجت، ابتدا، هوا وارد کمپرسور شده و متراکم می گردد. اما چون این هوا با سرعت نسبتاً زیادی وارد موتور گردیده برای احتراق مناسب نمی باشد و بیشتر سوخت مصرف شده، بدون اشتعال هدر می رود. به همین دلیل هوا به قسمت دیفیوژر یا همان کاهنده سرعت فرستاده می شود تا از سرعت آن کاسته شود. در دیفیوژر، ابتدا از سرعت هوا کاسته و بر دما و فشار آن افزوده می شود. سپس این هوای آماده برای احتراق، به اتاقک احتراق فرستاده می شود. در اتاقک احتراق یا Combaustion Chamber، هوا ابتدا وارد لوله احتراق گشته، با سوخت مخلوط شده سپس منفجر می گردد. قسمتی از نیروی حاصله از این انفجار صرف گرداندن توربین شده و مابقی برای تولید نیروی رانش به کار می رود. گاهی در هواپیماهای توربوجت، بعد از شیپوره خروجی یا نازل، قسمتی به نام پس سوز یا After Burner قرار می دهند که بر نیروی تراست می افزاید.

After Burner یا قسمت پس سوز چگونه کار می کند؟

هنگامی که گازهای خروجی از موتور خارج می شوند، هنوز مقداری اکسیژن و سوخت مصرف نشده دارند که در قسمت پس سوز، با مشتعل ساختن دوباره گازهای خروجی و افزایش 4 برابر سوخت معمولی به این مخلوط، به طور قابل توجهی بر نیروی تراست می افزایند. البته استفاده از پس سوز فقط در شرایط اضطراری و شرایط جنگی مجاز است در غیر این صورت مجاز نیست. تنها هواپیمای مسافربری با پس سوز، هواپیمای کنکورد Concorde ساخت مشترک آلمان، انگلیس و فرانسه است که به علت ایجاد آلودگی صوتی زیاد و مصرف سوخت بالا، بازنشست شد.

4- موتورهای پالس جت یا Pulse Jet

موتورهای پالس جت دارای توربین، کمپرسور، یا شفت نمی باشند و تنها قطعه متحرک البته در نوع دریچه دار، دریچه آن می باشد. در این گونه موتورها، ابتدا توده بزرگی از انفجار در داخل موتور صورت می پذیرد که سبب بسته ماندن دریچه می شود. چون تنها راه فرار هوا از موتور قسمت انتهای آن می باشد هوا به طرف آنجا هجوم می آورد.در نتیجه تر ک هوا، خلا یا حالت مکشی به وجود آمده که باعث باز شدن دریچه و ورود هوای تازه می شود. در این حالت، مقداری هوای محترق شده از خروج بازمانده و صرف تراکم و انفجار گاز تازه وارد می گردد و سیکل به همین ترتیب ادامه پیدا می کند.در نوع بدون دریچه، از یک خم برای ایفای نقش دریچه استفاده می شود که با انفجار گازها و بدلیل وجود این خم، کاهش فشار صورت گرفته و مقداری از گازهای خروجی باز می گردند به همین ترتیب سیکل ادامه داده می شود.

5- موتورهای رم جت یا Ram Jet:

موتورهای رم جت، هیچ قطعه ی متحرکی ندارند و در نگاه اول، مانند یک لوله توخالی به نظر می رسند که بیشتر در سرعت های مافوق صوت به کار می روند. موتورهای رم جت نیز مانند پالس جت، دارای توربین، کمپرسور یا ... نمی باشند استفاده از آنها به عنوان موتور دوم معمول است که بیشتر در موشکها به کار می روند. در این گونه موتورها، برای روشن شدن موتور ابتدا باید سرعت هوا به مقدار لازم برسد در صورت رخداد چنین حالتی، موتور جت به طور خودکار خود را روشن می کند. در موتور رم جت، هوا با سرعت زیاد وارد موتور شده و به علت سرعت بیش از حد، در قسمت دیفیوژر به خوبی کمپرس و متراکم شده و دما و فشار آن بسیار بالا می رود. در این حالت مخلوط هوا و سوخت منفجر گشته و با خروج از موتور، نیروی تراست بسیار زیادی را آزاد می کنند. این موتورها قدرت بسیار زیادی را دارا می باشند اما برای شروع پرواز و برخاست مناسب نمی باشند.