معرض المتعلقات الشخصية للرسول، ص  *  إني الإيطالية ترسل أكبر حفار بالعالم، سايپم 10000 (عمق مائي 10,000 قدم)، لمياه قبرص التي فرطت فيها مصر  *   مجلس الوزراء المصري يقرر السماح باستخدام الفحم الحجري في توليد الطاقة  *   الجيش اللبناني يواصل تفكيك محاور القتال على محور باب التبانة-جبل محسن  *   كيم كارداشيان تنضم لحملة إنقاذ قرية كسب الأرمنية بساحل اللاذقية من ارهابيي جبهة النصرة-القاعدة  *   فوز حزب الحرية والعدالة التركي في الانتخابات البلدية  *   زيارة جون كري للجزائر قبيل الانتخابات الرئاسية يثير لغطاً في الشارع الجزائري  *   التعرف على الجين المسؤول عن أحد أنماط الصلع. وهو مثبط أيضاً للأورام في الجلد  *   حمل مجاناً من معرفة المخطوطات   *   هل انهارت مبادرة حوض النيل؟  *   ثروات مصر الضائعة في البحر المتوسط  *   شاهد أحدث التسجيلات  *  تابع المعرفة على فيسبوك  *  تابع مقال نائل الشافعي على جريدة الحياة: تطورات غاز المتوسط في أربع مشاهد  *   تشغيل منفذ قسطل-حلفا البري بين مصر والسودان في أبريل  *      

محرك نفاث

صورة أمامية لمحرك نفاث GE90 لطائرة بوينج 777
صورة جانبية لمحرك رولز رويس ترنت 900 لطائرة ايرباص A380

المحرك النفاث هو محرك ينفث الموائع (الماء أو الهواء) بسرعة فائقة لينتج قوة دافعة اعتماداً على مبدأ قانون نيوتن الثالث للحركة. هذا التعريف الواسع للمحركات النفاثة يتضمن أيضا التوربين النفاث، والتوربين المروحي، والصواريخ، والنفاث التضاغطي، والنفاث النبضي، وأيضا المضخات النفاثة. ولكن بالاستخدام الشائع فالمحرك النفاث يقصد به محرك بريتون لدورة التوربين الغازي أو اختصاراً التوربين الغازي ، ويكون به ضاغط غاز مدعوم من دفع الهواء أو الماء له والطاقة المتبقية تنتج الدفع أو القوة الدافعة. ألف الناس بأن التوربين الغازي يعرف بأنه أحد التطبيقات المنفصلة عن المحرك نفاث، بدلاً من القول وبطريقة أصح بأنه جزء من المحركات النفاثة التي هي محركات احتراق داخلي ولكن لايظهر أي شكل من أشكال الإحتراق خارج المحرك.

المحركات النفاثة تستخدم بالأساس للطائرات ذات المدى الطويل، فالطائرات القديمة كانت تستخدم محرك توربين نفاث الذي لم يكن بذات الكفاءة المطلوبة مما حدا للطرز الحديثة من تلك الطائرات النفاثة باستخدام محركات توربين مروحي ذات تحويلة جانبية كبيرة مما ساعد على زيادة بالسرعة ومدى أطول وكفاءة أفضل لاستهلاك الوقود من غيرها من مركبات النقل. حتى أن كمية استهلاك تلك المحركات النفاثة من الاستهلاك العالمي يبلغ 7.2% عام 2004[1]

فهرست

التسلسل الزمني لتاريخ المحرك النفاث

رسم تصويري لجهاز هيرون

ماقبل النفاث

تاريخ المحركات النفاثة يمكن أن تعود إلى القرن الأول الميلادي, عندما اخترع هيرون الإسكندري محرك بخاري بسيط أسماه aeolipile ومعناه كرة إيولوس[2][3] (إله الرياح عند الإغريق)، وهي تستخدم قوة البخار من خلال فتحتين نفاثتين متعاكستين مما يجعلان الكرة تدور بسرعة شديدة حول محورها. كما هو معلوم هو بداية استخدام القوة الميكانيكية. بساطة الإمكانيات للتطبيقات العملية لاختراع هيرون لم يمكن التعرف على المحرك النفاث بالشكل المطلوب فكان مجرد فضول لا غير.

الدفع النفاث بدأ مجازياً مع ظهور الصواريخ عند الصينين بالقرن ال11, بدأت الصواريخ بطريقة متواضعة للاستعمال بالألعاب النارية ثم تطور بسرعة ليصبح شكل من أشكال الاسلحة ولكن تلك التقنية توقفت ولم تتطور[3]. عام 1633 العالم العثماني لاجاري حسن جلبي أقلع مع ماوصف بصاروخ مخروطي الشكل ونزل بأجنحة بهبوط رائع على الأرض مما كوفئ على ذلك بحصوله على منصب رفيع بالجيش العثماني[4], ولكن ذلك كان نوع من الألعاب البهلوانية لا أكثر.

المشكلة في أن تلك الصواريخ من بساطة الصنع أنها غير فعالة بالسرعات المنخفضة ولايمكن استخدامها بالطيران. وعوض عن ذلك بالمحرك المكبس عام 1930 وبأشكاله المختلفة (القطر الثابت والقطر الدوار, المبرد بالماء أو بالهواء) وهو كان الشكل الوحيد المتوفر للطائرات وكان مقبولا لإنخفاض كفاءة الطائرات ذاك الوقت, وهذا ماكان متوفرا.

لكن بدأ المهندسون يعون أن محرك المكبس محدود القدرة في حالة الوصول للحد الأقصى من الأداء الذي يمكن الحصول عليه، والحد يكمن أساسا بكفاءة المروحة[5] التي كما يرى أنها تصل الذروة القصوى عندما يقترب طرف المروحة من سرعة الصوت. فإذا أردنا تطوير كفاءة المحرك وكذا الطائرة فلابد للكفاءة أن تزداد وأن تتخطى الحواجز. فالطريقة هي تطوير تصاميم محركات المكبس، أو إنتاج شكل جديد ومختلف تماما من مكائن الطاقة، تلك الحركة التطويرية قد تعدت مرحلة محرك التوربين الغازي وأنتجت ما يسمى بالمحرك النفاث، وهي الثورة الثانية في عالم الطيران منذ طيران أخوان رايت الأولى.

بدايات النفاث الأولى

الأجزاء الرئيسية من محرك thermojet أو الماطور النفاث

المحاولات الأولى لمحركات نفاثة كانت التصاميم هجينة، حيث مصادر الطاقة تستخلص أولا بضغط الهواء ثم يخلط مع الوقود للإحتراق لعمل دفع نفاث للمحرك. وهي تسمى نفث حراري thermojet صممت بواسطة سكندو كامبيني[6], الهواء المضغوط عن طريق المروحة يقاد بواسطة محرك المكبس التقليدي. أمثلة من تلك الأنواع هو تصميم قديم لهنري كواندا لمحرك طائرته كواندا [7][8]1910, ثم كامبيني كابروني سي سي 2[9] عام 1940 والمحرك الياباني (Tsu-11) الذي يستخدم لطائرات الكاميكاز اوكا حتى نهاية الحرب العالمية الثانية جميعهم لم يكن بذلك النجاح المطلوب وحتى الأخيرة سي سي2 كانت أبطأ من بعض التصاميم والمزودة بمحركات التوربين الغازي مع المراوح.

التوربين الغازي هو المفتاح العملي للمحرك النفاث، فهو يستخدم لاستخلاص الطاقة من المحرك نفسه لإدارة الضاغط . أعطيت أول براءة اختراع للتربين الثابت لجون باربر بإنجلترا عام [10]1791. واول توربين غازي ذاتي الدفع كان قد صنع عام 1903 بواسطة المهندس النرويجي ايجيديوس ايلنج ثم أول براءة اختراع للدفع النفاث كان عام 1917[11]. التوربين الغازي كان بدائيا حتى الثلاثينات من القرن الماضي, حيث محدودية التصميم وقلة الخبرة بالمعادن التي تدخل بصنع المحرك والمشاكل الحقيقية كانت بالأمان ووزن المحرك ومدى القدرة على الاعتماد عليه ومن ثم تمكنها باستمرارية العمل.

في عام 1923 كتب ادجار بكنجهام من المكتب الوطني الأمريكي للمقاييس تقريرا شكك فيه أن المحرك النفاث يمكنه اقتصاديا أن ينافس الطائرات ذات المراوح بالارتفاعات أو السرعات المنخفضة وقال فيه:" أنه لايوجد فرصة حاليا تمكن المحركات ذات المراوح النفاثة من النوع الحالي أن تكون عملية وفعالة حتى بالمجال العسكري"[12].

تنافس بريطانيا وألمانيا

عام 1929 قدم فرانك ويتل المتدرب بالطيران أفكاره عن التوربين النفاث turbo-jet بشكل رسمي إلى رؤسائه، بعدها بسنة قدم براءة اختراعه بإنجلترا فاعتمدت عام 1932[13]. اختراعه يظهر ضاغط دفع محوري ذو مرحلتين يغذي ضاغط الطرد المركزي أحادي الطرف, كان يركز على أبسط ضاغط بالطرد المركزي فقط، فعمل أول محرك بوقود سائل عام 1937 ويحتوي على مضخة خاصة به، صعق فريق وتل عندما لم يتوقف المحرك حتى عندما منع الوقود عنه, فتبين أن الوقود يتسرب داخل المحرك ولم يتوقف حتى احترق جميع الوقود الذي بداخله، لذلك لم يستطع وتل أن يقنع الحكومة بجدوى اختراعه وهكذا استمر تطوير المحرك النفاث بوتيرة بطيئة[14].

طائرةGloster E.28/39 بمحرك W.1 من إنتاج فرانك ويتل
طائرة Heinkel He 178 أول طائرة بمحرك نفاث

في عام 1935 بدأ هانز فون اوهين العمل بتصميم مشابه بألمانيا[15]، المحرك التجريبي الأول كان أكثر تكاملا ويعمل بطاقة خارجية، واستطاع اثبات المفهوم الأساسي للمحرك. بعد ذلك قابل ارنست هنكل أحد كبار مصنعي الطائرات ذاك الوقت وأراه التصميم الموعود للمحرك. وقد كان هنكل للتو اشترى مصنع هيرث للمحركات فخصص قسما خاصا لأوهين ومسؤول الميكانيك ماكس هان اللذان شرعا بإنتاج وتشغيل الطراز الأول لمحركات HeS 1 في سبتمبر 1937 مستخدما الهيدروجين كوقود ويضخ تحت ضغط خارجي. التصاميم اللاحقة HeS 3 بقدرة (5 كيلونيوتن) استخدمت البنزين كوقود، وجهز إحداهن لطائرة تجريبية اسمها He 178 طار بها الطيار ايريك وارسيز في صباح 27 اغسطس 1939 وكانت تلك أول طائرة بمحرك نفاث كما بالصورة[16].

بذلك الوقت بدأ النظر إلى محرك فرانك ويتل بنظرة ايجابية، وبدأت شركته المسماة Power Jets Ltd باستلام الدعم من وزارة الدفاع لإكمال مشروعه، بتاريخ 15 مايو 1941 طارت أول طائرة اسمها Gloster E.28/39 بمحرك من إنتاج شركة ويتل بقوة دفع (4 كيلونيوتن) سمي المحرك ب W.1. المشكلة الرئيسة التي واجهت كلا المحركين هي ماتسمى الدفق بالطرد المركزي، وهو الضاغط الذي يدفع الهواء بقوة من المدخل الرئيسي إلى المحيط الخارجي للمحرك، حيث يُضغط الهواء مرة أخرى بواسطة تشكيله مجرى متباعدا محولا سرعتها إلى ضغط. الفائدة من ذلك التصميم أنه أصبح مفهوما جيدا ومزودا بشاحن ذو طرد مركزي فائق للهواء، حتى يستخدم بقوة على محركات المكبس.

ضاغط دفع محوري ويرى المراوح الثابتة والمتحركة
نظام مطور لكرسي التحميل للعمود الرئيسي للمحرك النفاث
محرك مروحي نفاث ذو تحويلة كبيرة للهواء حول المحرك high bypass

لكن محدودية التقنية المعطاة عن سرعة العمود الدوار للمحرك shaft speed of the engine، فالضاغط يحتاج إلى قطر كبير حتى ينتج الطاقة المطلوبة, وهذا يعني أن المحركات تحتاج واجهة أمامية كبيرة نوعا ما، وهذا غير مفيد لقدرة الطائرة حيث سيزداد الاحتكاك، وأيضا مجرى الهواء سينحني عكسيا خلال مقطع الاحتراق ثم التوربين ومن ثم مجرى الذيل, يجعل الأمر أكثر تعقيدا وأقل كفاءة، ومع ذلك فمحركات ويتل لها مزايا مهمة كخفة الوزن وبساطة التصنيع والقدرة على الاعتماد عليها، وقد تطورت بسرعة لتواكب التصميمات الصالحة للطيران. النمساوي انسيلم فرانز من شركة جنكر الألمانية حل تلك المشكلات بعرضه ضاغط دفع محوري. بالأساس هو محرك توربين ولكن معكوس, فالهواء ينفخ بقوة من الأمام نحو مؤخرة المحرك عن طريق منصة المراوح أو قنوات التقارب، حيث تكون قد تبددت أمام مجموعة مراوح ثابتة قنوات التباعد، تلك العملية ليست بقوة ضاغط الطرد المركزي، لذلك وضع عدد من تلك المراوح الثابتة والمتحركة بالتسلسل للحصول على الضغط المطلوب، ومع تلك الإضافات المعقدة فإن قطر المحرك ظل صغير نوعا ما وهو المطلوب مما يعطي ديناميكية أفضل للطائرة فسمى المحرك بجامو 004 Jumo 004، وبعد حل الكثير من الإشكالات الفنية فقد تم إنتاج الكثير من تلك المحركات ابتداءا من 1944 وجهزت على طائرات مسرشميدت وهي أول طائرة نفاثة مقاتلة[17]، ثم جهزت لأول طائرة قاذفة قنابل نفاثة. هناك عدة عوامل تعمدت تأخير توفير تلك المحركات وهذا التعطيل آخر المقاتلات الألمانية لوقف الضربات القاتلة على ألمانيا أواخر الحرب العالمية الثانية، وبعد الحرب أخذ الحلفاء المنتصرون تلك التقنية الفنية إليهم وعملوا بها وطوروها للطائرات النفاثة لدى الولايات المتحدة والإتحاد السوفيتي. مايستفاد من إرث محركات الدفق المحوري هو بالواقع أن جميع المحركات النفاثة على الطائرات ثابتة الأجنحة قد استلهمت من ذلك التصميم الأم.

مابعد الحرب

طورت محركات دفق الطرد المركزي من تقنية الارتكاز (كما بالصورة) فازدادت سرعة عمود الدوران الرئيسي بالمحرك, وقلص قطر ضاغط الطرد المركزي. المحرك الأقصر يعتبر من مميزات التصميم, خصوصا باستعمالات الهليوكبتر حيث حجم المحرك أكثر أهمية من الواجهة الأمامية, وأيضا مكونات المحرك أقوى وأمتن, فضاغط الدفق المحوري أكثر عرضة للأجسام الغريبة المخربة. لم يأتي الخمسينيات من القرن الماضي إلا والمحرك النفاث أصبح استعماله واسع النطاق للطائرات العسكرية, ولم يدخل في نطاق الطائرات المدنية بشكل عام إلا باالستينيات, اصابت حمى التطوير محركات المراوح التوربينية فأخرجت المحرك المكبس من النظام باكمله وجعلته يعمل بالطائرات الصغيرة ذات تصميم خاص للخدمات العامة.

لكن القصة لم تنته بعد, فلاتزال كفاءة محرك النفاث أحيانا سيئة جدا ومع السبعينات حلت الكثير من المشاكل مع استخدام مكائن نفاثة ذات التحويلة الجانبية العالية high bypass كما بالصورة, وتغلبوا على محركات المكبس والمروحي في مشاكل الارتفاع والسرعة العاليين وتغلبوا أيضا بكفاءة الوقود[18] ولكن لم يتغلبوا عليهم بتوفير كمية الوقود.

قدرة المحركات النفاثة. تتولد هذه القدرة من قوة دفع النفاث، أي من دفع الغازات التي ينتجها احتراق الوقود في الهواء داخل غرفة الاحتراق والتي تنطلق من خلال فوهة المحرك فتعطيه قوة الاندفاع إلى الأمام. ويدخل الهواء إلى المحرك النفاث من خلال فتحة دخول في مقدمة المحرك ثم يتم ضغطه حتى يصل إلى ما بين 3 و 30 ضعف ضغط الهواء الجوي. ثم يندفع جزء من هذا الهواء إلى داخل غرفة الاحتراق حيث يتم خلطه بالوقود واحتراقه فيه. وتستخدم معظم المحركات النفاثة مستخلصات النفط السائلة المشابهة للكيروسين كوقود لها. ويصاحب اشتعال الوقود في الهواء المضغوط خروج كمٍ كبيرٍ من الطاقة التي تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الغازات الناتجة عن هذا الاشتعال إلى 1,800 – 2,000 درجة مئوية. ويمكن أن تؤدي هذه الدرجة المرتفعة إلى تدمير أجزاء المحرك، إلا أن خلط هذه الغازات مع باقي الهواء المضغوط يؤدي إلى خفض هذه الدرجة إلى الحدود المناسبة، كما يقوم جزء آخر من الهواء بتبريد جدران غرفة الاحتراق. وتتجه هذه الغازات إلى نهاية المحرك حيث تنطلق من فوهته بأقصى سرعة فتنتج الدفع المطلوب.

يتضح من هذا أن إنتاج الدفع في المحركات النفاثة يعتمد على زيادة سرعة كمية من الغازات داخل المحرك، ولكن هناك كمية كبيرة من الطاقة الحرارية في غازات العادم لا يتم استغلالها. ويفقد المحرك هذه الطاقة نتيجة خروج تلك الغازات من فوهة المحرك بدرجة حرارة عالية. أما إنتاج الدفع بوساطة المراوح، فيعتمد على حركة كمية كبيرة من الهواء بسرعة قليلة، ولا يدع مجالا لفقد كمية كبيرة من الطاقة في الهواء. وبهذا فإن استخدام المراوح يقلل من كمية الطاقة المفقودة ويحقق كفاءة أعلى في إنتاج قوة الدفع.

وبالنظر إلى قوة الدفع التي نحصل عليها من المحركات النفاثة فسنجد أن لها قيمة ثابتة تقريبا مهما تغيرت سرعة الطيران. أما قدرة الدفع الناتجة من المراوح فإنها تتعرض لهبوط حاد عند زيادة سرعة الطيران، وعليه فإن الطائرات التي تسير بالدفع النفاث تفوق في سرعتها الطائرات المروحية.

ويتم قياس قوة دفع المحركات النفاثة في غرفة قياس ذات تجهيز خاص يسمح بضبط الظروف المحيطة بالمحركات بحيث تحاكي خصائص الهواء في طبقات الجو العليا التي يطير إليها المحرك، كما يندفع الهواء في هذه الغرفة إلى المحرك بطريقة مماثلة لما يحدث أثناء الطيران عند سرعات وارتفاعات مختلفة، وتقاس قوة دفع المحرك بوحدة الرطل أو النيوتن، وكمثال فإن المحركات الأربعة النفاثة التي تعمل في الطائرة البوينج 747 ينتج كل منها قوة دفع قدرها 51,600 رطل (230,000 نيوتن).

أنوع المحركات النفاثة

تقسم المحركات النفاثة إلى أربعة أنواع أساسية: 1- محرك توربيني نفاث، 2- محرك توربيني مروحي، 3- محرك توربيني تضاغطي مروحي، 4- محرك نفاث تضاغطي. ووجه الاختلاف بين المحركات السابقة يعتمد على مدى إسهام الدفع النفاث؛ أي دفع تيار الغازات المنطلقة من فوهة المحرك بالنسبة للدفع الكلي للمحرك. ففي المحرك التوربيني المروحي تنشأ معظم قوة الدفع من دفع مروحي، ولا تمثل قوة الدفع النفاث أيضًا النصيب الأكبر من الدفع الكلي للمحرك التوربيني التضاغطي المروحي. وهناك أيضا أوجه أخرى للاختلاف بين تلك المحركات مثل طريقة زيادة ضغط الهواء بداخل كل منها.

أنواع المحركات

هناك أنواع عديدة من المحركات النفاثة, جميعها تحصل على الدفع من السرعة العالية للعادم النفاث. الجدول المبين أدناه يوضح بعضاً من تلك المحركات.

نوع المحرك الوصف المميزات المساوئ
نفث بالماء أو مضخة مياه Water jet النافورات المائية من خلال الخراطيم إمكانه العمل بالمياه الضحلة, قوي, قليل الضرر للحياة البرية (الحبار أكثر الحيوانات استعمالاً له) أقل كفاءة من المراوح, وسهل التحطيم
الماطور النفاث أو النفاث الحراري نظام بدائي للمحرك النفاث لشفط الهواء, أساسه مكبس مضغوط بالاكسجين داخل المحرك مع مخرج عادم نفاث سرعة العادم أعلى من المراوح مما يعطي دفع أفضل بالسرعة العالية ثقيل وقليل الكفاءة ويعطي طاقة أقل من المطلوب.
توربين نفاثturbo jet هو المصطلح العام للمحركات التوربينية المبسطة بساطة بالتصميم كفاءة للسرعات الفوق صوتية (2 ماخ) تصميم مبسط يفتقد للكثير من التصميمات المطورة للسرعات ماتحت سرعة الصوت, مزعج نوعا ما.
التوربين المروحي كمبريسور المرحلة الأولى ضخم بشكل قوي حتى يعطي تيار جانبي high bypass حول قلب المحرك للتبريد ولإعطاء كمية قوية من الدفع, معظم أشكال محركات النفاثة تستخدم هذا النظام مثل بوينج 747 وأيضا المحركات العسكرية التي تستخدم نظام الاحتراق للطيران الفوق صوتي. أقل ازعاجا مع الكمية القوية من التيار المار به وأقل سرعة إجمالية للغازات العادمة, كفاءة أفضل للسرعة ماتحت الصوت عند المسافات الطويلة, أبرد لدرجة حرارة العادم بها تعقيدات كثيرة (كثرة قنوات الهواء وعادة متعددة الفتحات واالمخارج), محرك ذو قطر كبير نوعا ما, ويحتاج إلى شفرات ثقيلة, سريع التأثر بالأجسام المرتطمة به وبالثلج, السرعة القصوى له محدودة بسبب إمكانية التعرض لموجات الصدمة التي تضر المحرك.
الصاروخ تحمل كل الوقود والمؤكسد على متنها, وينبع النفث منها تحت ليدفعها للأعلى قلة القطع المتحركة ولها كفاءة عالية بالسرعات من 0ماخ حتى 25 ماك, نسبة الدفع/ الوزن فوق ال100,لايوجد تعقيدات لمداخل الهواء, معدل الضغط عالي جدا وسرعة العادم عالية وتتعدى خمس أضعاف سرعة الصوت وتسمى hypersonic فوق صوتي هائل, سهلة لعمل الفحص والإختبارات عليها, تعمل بالفراغ والأفضل له خارج الغلاف الجوي لأنه يخفف الضغط على الهيكل بالسرعات القصوى, حجمها الإجمالي صغير نوعا ما للمحافظة على البرودة, ولا يوجد توربين في مجرى هواء العادم الحار كما هو بالمحرك التوربين المروحي. الحاجة للوقود مستمرة وبكثرة, انخفاض الدفع النوعي specific impulse لوحدة الوقود الصاروخي يعني 100إلى 450 ثانية, ضغط حراري شديد جدا على غرفة الاحتراق مما يصعب استعمالها مرة أخرى, تحتاج إلى حمل مواد المؤكسدة على متنها مما يزيد من احتمال خطورة ذلك. مزعج بشكل غير معقول.
النفاث الضغطي الهواء الداخل مضغوط بأكمله بسبب سرعة الهواء الداخل وشكل القناة (متباعد) قلة الأجزاء المتحركة, ماك0,8 إلى ماك 5, كفاءة بالسرعات العالية (من 2ماك وفوق) أخف قطعة نفاث من الباقي, نسبة الدفع\ الوزن يصل إلى 30 بالسرعة المطلوبة, نظام التبريد أسهل من التوربين النفاث حيث لايوجد شفرات توربينية للتبريد يجب أن تكون سرعتها الابتدائية عالية حتى تستطيع العمل, ليست لها كفاءة بالسرعة المنخفضة بسبب ضعف معدل الضغط, من الصعب تنظيم عمود القدرة للملحقات ومحدود القدرة للسرعات المنخفضة. دفق الهواء يجب أن يخفض للسرعات دون الصوتية, من الصعوبة عمل اختبارات عليها.
المروحة التوربينية و عمود دوران توربيني كلا المحركين ليسا بنفاث. ولكن يستخدمان التوربين الغازي لإمداد القوة لتحريك عمود المراوح أو العمود الدوار كالهليوكبتر. كفاءة عالية بالسرعات المنخفضة (تحت الصوتية), قدرة عمود الدوران Shaft بالنسبة للوزن عالية السرعة القصوى محددة للطائرات, صاخبة نوعا ما, لها تعقيدات بنقل السرعات لوجود صندوق التروس بالمروحة.
محرك مراوح Propfan محرك توربيني مروحي يقاد بواسطة مراوح خارجية, مشابه للتوربين المروحي ولكن بدون غطاء للمراوح كفاءة عالية للوقود, أقل صخبا من المحرك التوربيني المروحي, مفيد للطائرات التجارية العالية السرعة, استعمل بالثمانينات من القرن الماضي خلال فترة نقص بالوقود لايمكن تطويره, أكثر صخبا من التوربين المروحي, معقد.

مقارنة لأنواع المحركات

محرك توربين نفاث Turbojet

حركة اندفاع المحرك تساوي كتلة الهواء × سرعة النفث الذي يخرجه المحرك.

I = m c

حيث:

m = هي كتلة الهواء بالثانية.

c = سرعة العادم.

بمعنى آخر الطائرة ستكون أسرع إذا ازداد انبعاث كمية الهواء بالثانية من المحرك أو إذا ازدادت سرعة الهواء المنبعث فكليهما نفس الشيء. مع ذلك فالطائرة التي بسرعة معينة(v), والهواء يتحرك باتجاهها سينتج احتكاك عنيف ينعكس على سحب الهواء.

m v

المحركات النفاثة لها مدخل هواء air intake والتي تمكن كمية كبيرة من الغازات بالخروج من العادم, محرك الصاروخ العادي ليس له مدخل هواء, الوقود والمؤكسدات سيكونون محمولين على الهيكل, لذلك تلك المحركات ليس لديها احتكاك قوي, الدفع الإجمالي على الخرطوش هو نفسه صافي الدفع للمحرك. لذا خصائص دفع المحرك الصاروخي تختلف تماما عن المحركات النفاثة.

خرطوش دي لافال ويرى أنه ضيق بالوسط ليزيد من سرعة الهواء الخارج من الأخضر إلى الأحمر

محرك شفط الهواء يصبح مفيدا فقط في حالة سرعة الغاز الخارج من العادم (c) يكون أكثر من سرعة الطائرة (v). صافي دفع المحرك يعادل أو يكون نفس الغاز المنبعث مع السرعة (c) - (v), لذلك الدفع فعلا يعادل:

(S = m(c - v

محرك العمود التوربيني Turboshaft لديها مراوح دوارة كبيرة بإمكانها سحب وتسريع كمية كبيرة من الهواء ولكن لسرعة محدودة, وهذا لجميع الطائرات ذات المراوح, لذلك فهي لاتعطي أي دفع إضافي إذا تعدت الطائرة السرعة القصوى. (c-v < 0)

التوربين النفاث turbojet والمحركات المشابهة له تسحب وتسرع كميات أقل من الهواء وتحرق الوقود, ولكن تبعث ذلك بأعلى سرعة ممكنة بواسطة خرطوش يسمى دي لافال. لهذا السبب هي ملائمة للسرعات الفوق صوتية.

من جهة أخرى كفاء الدفع أو مايسمى كفاءة استخدام الطاقة ستكون القصوى عندما يتساوى سرعة الغاز المنبعث من العادم مع سرعة الطائرة, المروحة التوربينية ذات التحويلة الجانبية البسيطة يكون العادم مخلوط بسرعتين لتيار الهواء يتحركون بسرعتين مختلفتين(c1 و c2) والدفع بتلك الحالة سيكون

(S = m1(c1 - v1) + m2(c2 - v2

مقارنة بين 3أنواع من المحركات وكفائتها على سرعات مختلفة

حيث m1 و m2 هما كتلة الهواء الذان يخرجان من العوادم. تلك المحركات لها تأثير أقوى من النفاثة بالسرعات المنخفضة, ولكن بالسرعة العالية هي أفضل من عمود الدوران التوربيني (طائرة مروحية) والمراوح بشكل عام. فمثلا على وجهة 10 كم, محرك عمود الدوران التوربيني يكون أقوى فعالية على 0.4 ماك, المروحة التوربينية ذات التحويلة الجانبية البسيطة low bypass turbofans تكون أكثر فاعلية على 0.75 ماك, والمحركات النفاثة تكون أفضل عندما تصل السرعة إلى 1ماك وهي سرعة الصوت.

أفضل مايكون لمحركات الصواريخ هو السرعة والارتفاع العاليين, الدفع وكفاءة محرك الصاروخ تتحسن تدريجيا مع الارتفاع (بسبب انخفاض الضغط الخلفي وهكذا سيزداد صافي الدفع من على خرطوش العادم), بينما التوربين النفاث أو التوربين المروحي فإن انخفاض الكثافة للهواء الداخل للمسرب (وكذلك انخفاض الهواء الساخن الخارج من الخرطوش) سيسبب بانخفاض صافي الدفع بزيادة الارتفاع. محركات الصواريخ أكثر كفاءة حتى من إكس 45 على السرعة 15ماك[19].

محرك التوربين النفاث

محرك التوربين النفاث هو محرك الاحتراق الداخلي ويستخدم لدفع الطائرة. يشفط الهواء خلال مدخل المحرك إلى داخل الكمبريسور ثم يضغطه, وخلال مراحل من الضغط الشديد يدخل إلى غرفة الإحتراق. بتلك الغرفة يخلط الوقود مع الهواء المضغوط ويشعل بين دوامة من مقابض اللهب. عملية الاحتراق تلك ترفع درجة الحرارة وحجم الهواء بسرعة ملحوظة, الغازات الحارة من عملية الاحتراق تخرج من الغرفة بقوة إلى التوربين الغازي حيث تنزع منها طاقة لتشغيل الضاغط . عملية التمدد الحراري تلك تخفض درجة حرارة الغاز والضغط, ولكن طالما هناك وقود يحترق فسوف تبقى درجة الحرارة والضغط أعلى من الجو المحيط بها لحظة خروجها من التوربين. بعدها يتمدد دفق الغاز إلى الضغط المحيط خلال الخرطوش الدافع للخارج, مما ينتج نفث هواء عالي السرعة, فإن كانت سرعة النفث أعلى من سرعة الطائرة خلال الرحلة, فسيكون هناك صافي دفع للأمام لهيكل الطائرة.

في الظروف العادية فإن عمل الضخ للضاغط يمنع أي دفق خلفي, لذلك تسهل عملية التدفق المستمر للمحرك. تلك العملية بكاملها تشبه دورة احتراق رباعية الأشواط ولكن السحب والضغط والإشعال والتمدد إلى العادم تحصل بآن واحد وبأجزاء مختلفة من المحرك. كفاءة المحرك النفاث تعتمد بقوة على معدل الضغط الكلي (الضغط الداخل لغرفة الإحتراق \ ضغط الهواء الداخل) و حرارة فتحة التوربين في الدورة الكاملة.

من المفيد أيضا عمل مقارنة بين محرك التوربين النفاث ومحرك المراوح. فالتوربين النفاث يأخذ كمية قليلة من الهواء ويضغطها إلى كمية ضخمة, بينما المراوح تسحب كميات ضخمة من الهواء وتضغطها إلى كمية صغيرة. عادم التوربين النفاث العالي السرعة يجعلها ذات كفاءة بالسرعات العالية (خاصة بالسرعات الفوق صوتية) وبالارتفاعات العالية. بالطائرات ذات السرعات المنخفضة وتلك التي تطير مسافات قصيرة, محركات المراوح التي تدار بالتوربين الغازي والمعروفة باسم محرك مروحة توربينية, هي الأكثر شعبية وأكثر كفاءة. الطائرات الصغيرة جدا تستخدم محركات مكبس لإدارة المراوح.

التوربين النفاث الذي شرحناه مصمم ببكرة واحدة, بمعنى عمود مفرد موصول من التوربين إلى الضاغط. التصاميم ذات معدل ضغط كلي عالي يكون لها عمودين متحدي المركز, لتحسين ثبات الضاغط خلال تحريك داعس الوقود throttle بالمحرك. تلك بكرة الضغط العالي(HP) تحتوي على عمود ضغط عالي خارجي موصل الضاغط عالي الضغط بتوربين عالي الضغط. بكرة الضغط العالي مع غرفة الإحتراق تشكل النواة أو الغاز المولد للمحرك. العمود الداخل بعمود ضغط عالي يوصل الضاغط المنخفض الضغط(LP) بتوربين منخفض الضغط(LP) لينتج بكرة ضغط منخفض. كلا البكرتين تكونا حرتين بالعمل على سرعة العمود الأمثل. طائرات الكونكورد تستخدم تلك الطريقة.

محرك توربين مروحي

معظم محركات الطائرات النفاثة هي من نوع توربين مروحي, حيث كمبريسور الضغط المنخفض LP يعمل كمروحة ويعطي شحنة زيادة من الهواء لقلب المحرك وللمجرى الجانبي bypass duct المحيط بالقلب . تيار الهواء الجانبي يمر باتجاهين: الخرطوش البارد الخارجي أو يختلط مع الغازات الخارجة من عادم التوربين ذو ضغط منخفض LP قبل التمدد خلال خرطوش التيار المختلط.

شركات الطيران ترغب بتلك المحركات بسبب سرعة العادم التحت صوتية تلائم سرعة الطيران والتي تريدها تلك الشركات, فمحركات التوربين النفاث تنتج العادم يسبب بإنهاء رحلة الطيران بطريقة عكسية سريعة مما يسبب بهدر للطاقة. لكن طريقة انبعاث العادم هنا الذي ينهي الرحلة ببطئ بعض الشيء مما يسهم بتوفير للوقود, بالإضافة إلى أن العادم نفسه له سرعة منخفضة فتعطي ضوضاء أقل.

محرك نوع GE90 وقد ازيح عنه غطائه للصيانة

بالستينات من القرن الماضي كان هناك بعض الفروقات مابين محركات النفاثة المدنية والعسكرية, بغض النظر عن نظام إعادة الإحراق afterburning لبعض التطبيقات الفوق صوتية (وتستخدمها الطائرات العسكرية لزيادة السرعة). حاليا التوربين المروحي المدني له سرعة عادم منخفضة (الدفع النوعي منخفض) للمحافظة على تقليل ضوضاء النفاث إلى أقل مايمكن ورفع كفاءة التوفير بالوقود, من ثم المعدل الجانبي bypass ratio (التيار الجانبي مقسوما على تيار القلب) يكون مرتفعا بعض الشيء (المعدلات من 4:1 إلى 8:1 هي معدلات عادية). لذلك سيحتاج فقط إلى مروحة مفردة لأن انخفاض معدل الدفع النوعي يشمل انخفاض بمعدل ضغط مروحي.

أما محركات التوربين المروحي العسكرية حاليا فلها دفع نوعي مرتفع نوعا ما, حتى يمكن زيادة الدفع أقصى مايمكن فقد خفضت الواجهة الأمامية للطائرة, بالمجال العسكري ضوضاء المحركات ليس بالأهمية كما بالمجال المدني, لذلك فهم يستخدمون مراوح متعددة المراحل لإعطاء معدل ضغط مروحي عال للوصول إلى دفع نوعي مرتفع. بالرغم من حرارة مدخل التوربين إلا أن المعدل الجانبي يكون منخفضا, وعادة أقل من 2:1.

المكونات الرئيسة

المكونات الأساسية للمحرك النفاث(مقطع محوري)

تتشابه المكونات الأساسية عند معظم أنواع المحركات النفاثة وإن كانت جميعها لاتحتوي كل القطع. فالقطع الأساسية تتكون من:

  • المقطع البارد:
  • مدخل الهواء Air intake : إطار المرجع القياسي للمحرك النفاث هي الطائرة نفسها. فمحرك الطائرات النفاث التي تطير بسرعة تحت الصوت لايوجد بها أي صعوبات محددة لمدخل الهواء, وهي أساساً تتكون من شكل الفتحة (فتحة المحرك) الذي صمم لتقليل مقاومة الإيرودينامك, كما هو الحال لجميع القطع بالطائرة. مع مراعاة أن الهواء الواصل للضاغط أو الكمبريسور بالمحرك النفاث العادي يجب أن تكون سرعته تحت سرعة الصوت حتى وإن كانت الطائرة فوق الصوتية حتى يمكنه المحافظة على ميكانيكية الدفق للضاغط وشفرات التوربين. بحالة الطيران بسرعة فوق الصوت, موجات الصدمة Shockwave تتشكل في نظام المدخل وستقلل الضغط المستخلص من المدخل إلى الضاغط. لذلك فبعض الفتحات فوق الصوتية تستخدم قطع داخلية تكون ناتئة أو تشبه الصنوبر, لزيادة استخلاص الضغط ولجعل استعمالها أكثر كفاءة مع الموجة الصدمية.
موجة الصدمة
  • الضاغط: الضاغط مكون من عدة مراحل, وكل مرحلة تحتوي على إسطوانة ريش دوارة وأخرى ثابتة. بماأن الهواء يشفط بقوة شديدة خلال الضاغط, فسوف تزداد الحرارة والضغط لذلك فالطاقة ستجلب من التوربين مروراً خلال العمود.
  • المشترك:
  • عمود الدوران Shaft: هذا العمود يصل مابين التوربين والضاغط, ويدور خلال معظم المحرك, وقد يكون هناك 3 من أعمدة الدوران المتداخلة مع بعض ولكن لكل منهم له سرعته الخاصة به المتصلة بمجموعته الخاصة من التوربينات والضواغط. وهناك أشياء مشتركة مثل تصريف الهواء البارد الذي يفرغ على العمود.
  • المقطع الحار:
  • غرفة الإحتراق: هي الغرفة التي يختلط بها الوقود مع الهواء المضغط فيحترقان وسط اللهب
  • التوربين: التوربين هو سلسلة إسطوانات من الريش الدائرية تعمل كدولاب طاحونة تكتسب الطاقة من الهواء الحار وتبقي بعضا من تلك الطاقة بغرفة الإحتراق لكي يدير الضاغط. بعض محركات التوربين مثل (المروحة التوربينية وعمود الدوران التوربيني وحتى التوربين المروحي) تستخلص الطاقة بواسطة أقراص توربينية إضافية للتحكم وإدارة المراوح الخارجية أو مراوح التيار الجانبي أو عمود التدوير للمروحية. نوع واحد فقط به توربين حر مصمم بحيث قرص التوربين الذي يدير الضاغط منفصل عن القرص الذي يغذي المكونات الخارجية. وهواء التبريد يأتي من الضاغط لتبريد شفرات التوربين والريش حتى لاتذوب من شدة الحرارة.
  • جهاز غرفة الإحتراق المساعد: (استخداماته بالطائرات العسكرية) ينتج دفع إضافي بواسطة حرق وقود إضافي, عادة ليست بالفعالية المرجوة, وترفع درجة حرارة الخرطوش بشكل قوي جدا عند نفث العادم. بسبب ضخامة حجم الدفع الذي يخرج عند إعادة الإحراق, لذلك يفضل بزيادة مساحة فتحة الخرطوش للحصول على أفضل االنتائج عند تشغيل إعادة الحرق.
  • الخرطوش: الغازات الحارة تخرج من المحرك خلال الخرطوش إلى الهواء الجوي, والهدف من ذلك هو إنتاج سرعة نفاثة عالية. الخرطوش بمعظم الأحوال هو مجمع للهواء الخارج.

مدخل الهواء

مدخل تحت صوتي

طرق عمل مدخل البيتوت

فتحة بيتوت Pitot intake (نسبة إلى مخترعه الفرنسي هنري بيتوت) هي الطريقة المثلى لتطبيقات تحت الصوت., ففتحة البيتوت التحت صوتي تعتبر كإنبوب مضخم ذو شكل إيرودينامي انسيابي.

في حالة السرعة تساوي صفر (حالة الوقوف) فإن الهواء الداخل يأتي من عدة اتجاهات, مباشر ومنحني والآتي من الخلف فيمتصه مقدمة المدخل.

بالسرعة المنخفضة, فإن حزمة خط تيار الهواء الذي يصل طرف المدخل هو أكبر بالمقطع العرضي من نطاق تيار الطرف نفسه, بينما تصميم الفتحة بالسرعة 1ماك يكون كلا النطاقين متساويين. بالسرعة العالية يصبح تيار الهواء أصغر وقد يخرج التيار الزائد من حول الطرف.

موجة الصدمة تبدأ بالظهور عندما يبدأ الهواء بالتسارع حول طرف المدخل بداية من السرعة 0.85 ماك.

الدقة بعمل محور نطاق الطرف هو الأمثل للمحافظة على ضغط المدخل طوال الرحلة وعدم تعرضه لتشويه.

مدخل فوق صوتي

يستغل المدخل الفوق صوتي موجات الصدمة لكي يخفف سرعة تيار الهواءإلى وضع تحت صوتي بمدخل الضاغط. هناك شكلين من أشكال موجات الصدمة:

أ- موجات صدمة طبيعية: وتكون عمودية على اتجاه التيار. هذا الشكل يكون حاد المقدمة ويؤثر على التيار بالسرعة تحت الصوتية, بالتدقيق بالمجهر نرى أن جزيئات الهواء تتحطم إلى مجموعة من جزيئات تحت صوتية مثل موجات ألفا.الموجة الصدمية تميل إلى إحداث هبوط قوي بمنطقة ضغط الركود, ببساطة كلما ازداد سرعة الماك على مدخل موجة الصدمة العادية, كلما قل خروج سرعة التحت صوتي منها وتزداد قوة, بمعنى يزداد فقدان ضغط الركود خلال تلك الموجة.

ب- الموجات الصدمية إما مخروطية (ثلاثية الأبعاد) أو مائلة (ببعدين) وزواياها متجهة للخلف, تشبه اصطدام موجات الماء بمقدمة السفينة كما بالصورة فوق, ثم ينتشر تيارها مثل المخروط أو منحدر. وللسرعة المعطاة سيكون التيار أضعف من الموجة الصدمية العادية المشابهة لها, ولكن وعلى الرغم من تناقص سرعتها إلا أنها لاتزال فوق صوتية.

شكل الطرف الحاد من فتحة البيتوت - كما بالشرح فوق بالتطبيق التحت صوتي - تعمل بشكل جيد بالطيران الفوق صوتي المنخفض. الموجة الصدمية العادية التي تتشكل بمقابل طرف الفتحة وتصطدم بالتيار لتنزل سرعته إلى مادون سرعة الصوت, ومع ذلك كلما ازدادت السرعة فإن الموجة الصدمية ستزداد مسببة هبوط قوي لضغط الركود.

هناك مداخل أو فتحات فوق صوتية متطورة تشبه نظام البيتوت:

1- الاستفادة من اندماج الموجة الصدمية المخروطية والعادية لتحسين مستوى الضغط بالسرعات الفوق صوتية العالية. الموجة المخروطية تستخدم لتقليل رقم الماك للسرعة الفوق صوتية عند الدخول للموجة الصدمية العادية, وهكذا يقل الناتج العام لمضار الصدمة.

2- تصميم (صدمة على الطرف) للسرعة الفوق صوتي, حيث الموجات الصدمية المخروطية والمائلة تضرب بغطاء الطرف, مما يجعل نطاق مسك حزام التيار يساوي نطاق طرف المدخل, وعندما تقل عن سرعة الصدمة على الطرف الفوق صوتية, ستكون زاوية الموجة الصدمية أقل ميلان مسببة لخط التيار الداخل للطرف بالإنكسار بواسطة المنحدر المخروطي. بنفس الوقت منطقة مسك المدخل يكون أصغر من نطاق طرف الفتحة مما يقلل تيار هواء المدخل Air intake. بالإعتماد على خصائص تيار الهواء للمحرك فإنه يكون مرغوبا تقليل زاوية النتوء أو تحريك المخروط للوراء لإعادة تركيز الموجات الصدمية على غطاء الفتحة لزيادة تيار هواء المدخل.

3- مصممة ليكون الصدمة العادية تنتشر باتجاه تيار طرف المدخل, لذلك فالدفق على مراوح الضاغط يكون تحت صوتي, مع الأخذ بالحساب إذا قل داعس الوقود على المحرك فسيقل تدفق الهواء المعدل على مراوح الضاغط, لكن بحالة الفوق صوتي فإن التيار المعدل عند طرف المدخل سيكون ثابتا, لأنها محددة بواسطة رقم الماك ودرجة انعراج \ سقوط المدخل. هذا التقطع ممكن التغلب عليه بأن الصدمة العادية تتحرك إلى ماتحت مساحة المقطع العرضي للمجرى ليقل رقم الماك للموجة الصدمية على المدخل.

طائرة SR-71 ويرى المدخل المخروطي للمحرك على الجناح

العديد من طائرات الجيل الثاني من الفوق صوتي تستعمل المدخل المخروطي, الذي يستخدم لتشكيل الصدمة الموجية المخروطية, وهو موجود بطائرات الميغ 21 ويكون بالمقدمة, أو مع المحرك بجنبي الطائرة كما بطائرة ف 104 F 104 وطائرات BAC TSR-2.

بعدها استحدثت مداخل ثنائي المخروط, أحدهما فوق الآخر بشكل هرمي وهذا يساعد لإعطاء موجة مخروطية اضافية تنتشر بالوصلة مابين المخروطين. المدخل ثنائي المخروط يعتبر أكثر كفاءة من الأحادي لأن رقم الماك الداخل على الموجة العادية يقل بسبب وجود المخروط الثاني. وتظهر جلياً على طائرات SR-71 Blackbird بمحركات برات & وتني 58 التي تجعل المقدمة والمؤخرة مخروطية الشكل بداخل غرفة المحرك لكي تمنع الموجات الصدمة المشكلة كمسامير من الدخول إلى المحرك مسببة بتوقف المحرك عن العمل. ولكن إبقائها قريبة بما فيه الكفاية لإعطاء ضغط هواء مناسب. عموما الموجة المخروطية لا تتحرك أو أن تحركت فهو شيء غير اعتيادي.

التصاميم الأحدث تطوراً من المخروطي هو جعل المدخل بزاوية بحيث يكون أحد حوافه له نتوء. الموجة الصدمية المائلة ستتشكل على حافة النتوء. هذا الشكل موجود بالمقاتلات الأمريكية بأشكال متعددة, وعادة النتوء يكون الحافة العمودية الخارجية من المدخل ثم يدخل بزاوية داخلية إلى جسم الطائرة الطائرات التي تحمل هذا الشكل هي ف 105 و ف 4 فانتوم.

مداخل المتعددة على محرك كونكورد ونلاحظ النتوءات موجودة

بعد ذلك تطورت بحيث النتوء يكون بقمة الحافة الأفقية بدلاً من الحافة العمودية الخارجية وبزاوية واضحة للأسفل و للخلف. هذا التصميم بسط تشكيل المداخل وسمح بوجود نتوءات مختلفة للتحكم بتيار الهواء الداخل للمحرك. هذا التصميم موجود بطائرات الستينات وإلى اليوم ومثال عليها: طائرة أف 14توم كات والتورنادو والكونكورد.

هناك وجهة نظر أخرى, كالخرطوش الفوق صوتي فالتيار المعدل يجب أن يكون نفسه عند طرف مدخل وعند عنق المدخل وعند التوربين. أحد تلك الثلاثة ممكن أن يكون ثابت. للمدخل فالعنق يكون متغير وبحيث بعض الهواء يمر جانبيا حول التوربين ويذهب مباشرة ليغذي مابعد الاحتراق. خلافا لذلك فخرطوش المدخل إما غير ثابت أو غير ذا كفاءة, لأن الموجة الصدمة العادية بالعنق قد تتحرك فجأة إلى الطرف مما يسبب برفع الضغط بالطرف مما يؤدي إلى احتكاك ويقلل الإستفادة من الضغط فيؤدي إلى اضطراب بالتوربين مما يصيب المحرك الشلل وقد سقطت طائرة أس 71 بلاك بيرد SR-71 Blackbird عام 89 بذات السبب.

ضاغط الغاز

مرحلة الضاغط لمحرك GE J79

الضاغط المحوري يعتمد على شفرات ذات الدوران السريع ولها مقطع ايرودينامي مشابه لأجنحة الطائرة. وكما أن أجنحة الطائرة تنهار فإن شفرات الضاغط يصيبها الانهيار والتوقف عند بعض الحالات, تيار الهواء المحيط بالضاغط المتوقف بإمكانه أن يعكس الاتجاه وبعنف. كل ضاغط وله تصميم لخريطة تشغيل سرعة دوران الهواء المعكوس وهي خصائص ينفرد بها كل نوع.

بحالة الدفع لكمية الوقود المعطاة, يكون خط عمل الضاغط ثابت ومستقر. ولكنه سيزاح عند أي حالة إنتقالية. لذلك هناك أجهزة عديدة مرتبطة بنظام منع التوقف المفاجئ anti-stall system في شكل مناطق التصريف أو الثوابت Stators ذات أشكال هندسية لتقليل احتمال أي طفرة بالدوران. هناك طريقة أخرى وهي تقسيم الضاغط إلى وحدتين أو أكثر, ويعملون على أعمدة مختلفة ومتحدة المركز.

هناك تصميم هو معدل تحميل المرحلة. أي ابقاءها بمجال محسوس إما بزيادة عدد المراحل الضاغطة (زيادة بالوزن مما يؤدي إلى زيادة الكلفة), أو بزيادة سرعة الشفرات (يؤدي إلى زيادة الإجهاد عليها وبالتالي إجهاد الإسطوانة). ضواغط الدفق الضخم تكون محورية كلها, المراحل الخلفية بالوحدات الأصغر غير قادرة على الإجهاد القوي بسبب صغر حجمها. لذلك تستبدل تلك المراحل بوحدة مفردة للطرد مركزي. الضواغط الصغيرة عادة تستخدم ضاغطين للطرد المركزي مرتبطين على التوالي. بالرغم من عزلة ضواغط الطرد المركزي فإنها قادرة على العمل بمعدلات ضغط عالية (10:1), نأخذ بالإعتبار أن اجهاد الدفاعة يحد من معدل الضغط الذي يعمل في دورات المحرك ذات معدلات ضغط عالية.

الزيادة بمعدل العام للضغط سيؤدي إلى زيادة الحرارة الخارجة من الضاغط. وهذا يؤدي إلى زيادة الضغط على سرعة العمود, للمحافظة على سرعة رقم الماك على طرف الشفرة بالمرحلة الخلفية للضاغط. اعتبارات الإجهاد تحد من زيادة سرعة عمود الدوران مسببة للضاغط الأساسي ايروديناميكيا إلى الدفع للخلف إلى أقل من معدل ضغط المعطاة.

غرفة احتراق لمحرك نفاث نوع جنرال الكتريك GE

غرفة الإحتراق

يجب أن تكون هناك احتياطات كافية لجعل اللهب مستمرا مع سرعة تيار دفق الهواء بجميع أحوال دعس الوقود وبالكفاءة الممكنة. بما أن التوربين لا يمكنه تحمل درجات حرارة دمج العناصر الناتجة من المحرقة فإن الضاغط يرسل الهواء ليخفف حرارة النواتج من غرفة الاحتراق إلى مستوى معقول. هواء الضاغط المتجه للحارق يسمى دفق الأساسي وأما الهواء الذي يستخدم لتبريد نواتج الحارق فيسمى دفق ثانوي.

التوربين

منظر جانبي لمنصة توربين محرك نفاث نوع جنرال الكتريك GE J79

بما أن التوربين يتمدد من ضغط عالي إلى ضغط منخفض, فإنه لايوجد مايضاهي انهيار أو طفرة للتوربين. عموما التوربين يحتاج إلى منصات أقل من الضاغط والسبب الرئيسي هوالحرارة العالية الداخلة إليه ستخفض معدل الضغط وبالتالي عملية التمدد. الشفرات ستكون أكثر انبعاجا لذلك فسرعة دفق الغاز ستكون أقوى.

التوربين يجب أن يكون مصمما بحيث يمنع انصهار الشفرات والريش عند درجات الحرارة العالية وبيئة الإجهاد. لذلك يخرج من نظام الضاغط انبوب لتسريب الهواء يدخل التوربين لتبريد الشفرات والريش الداخلية. وهناك حلول أخرى مشابهة مثل, تحسين المواد الخام والتكسية لتلك الإسطوانات بحيث تتحمل الإجهاد الشديد الناتج من دوران القوي للشفرات. التي تأخذ شكل الاندفاع أو ردة فعل وربما الإثنين (الاندفاع وردة الفعل معا). وأيضا تحسين تلك المواد لتقليل وزن الإسطوانات.

الخرطوش

خرطوش عادم متغير على محرك GE F404-400 على طائرة أف\أي-18 هورنت

الهدف الرئيسي للخرطوش هو إخراج تيار العادم إلى الضغط الجوي العادي, وتشكيلها إلى نفث عالي السرعة يدفع الطائرة أو المركبة للأمام. بعض المحركات النفاثة تستخدم الخراطيش المقربة البسيطة.

العديد من محركات الطائرات العسكرية تحتوي على جهاز غرفة الاحتراق المساعد Afterburner أو Reheat داخل نظام العادم للمحرك. فعندما يعمل النظام فإن مساحة رقبة الخرطوش ستزداد حتى تلائم حجم تمدد الدفق الزائد للخرطوش. لذلك فالتوربين لايرتبط بعمل تلك الغرفة. هناك العديد من أشكال رقبة الخرطوش تأتى من تحريك سلسلة من البتلات المتداخلة والتي تشبه الشكل الدائري للمقطع العرضي للخرطوش. بعض المحركات النفاثة كالصاروخ تستخدم خرطوش (متقارب - متباعد) للسماح بأكبر قدر من الهواء المتمدد للخروج لإعطاء أكبر كمية من الدفع, فلذلك فإن الخرطوش المستخدم بالمحركات التوربين النفاث تكون البتلات متحركة هندسيا حتى يسهل تعاملها مع التغير الكبير لمعدل الضغط الخارج من الخرطوش خلال الطيران أو دعس الوقود للمحرك, وهذا الشيء يسبب بزيادة للوزن وكلفة التركيب.

الأبسط من ذلك هو الخرطوش القاذف, والذي يجعل الخرطوش أكثر كفاءة خلال جريان الهوائي الجانبي وبوجود بتلات مرنة الحركة. بالسرعة التحت صوتية دفق الهواء يقلص العادم إلى شكل متقارب وكلما ازدادت السرعة يتوسع الخرطوشين مما يجعل العادم يظهر بشكل متقارب - متباعد إن تعدت السرعة رقم الماك1. مميزات الخرطوش القاذف هي بساطة التصميم و الثبات وعيوبه هو أدائه المتوسط (مقارنة مع نوع آخر من النظام الخرطوش) ثم زيادة عامل المقاومة الإيردينامية خلال تيار الدفق الثانوي. الطائرات التي تستخدم هذا النوع من الخرطوش هي: SR-71, الكونكورد, F-111, ومحرك ساب.

خرطوش نظام iris nozzle لها خاصية توجيه الدفع

لرفع جودة الخرطوش يتطلب استخدام نوع آخر يسمى iris nozzle وتعني بالعربية خرطوش زهرة السوسن. هذا النوع يستخدم بتلات متداخلة ويمكن تحريكها هيدروليكيا. فهي أكثر تعقيدا وأفضل جودة وأسهل لمرور التيار من الخرطوش القاذف. لذلك فهي تجهز للطائرات ذات كفاءة أفضل مثل المقاتلات أف 14, إف 15، أف 16 وأيضا لقاذفات القنابل الإستراتيجية عالية السرعة مثل B-1 Lancer. الأنواع الحديثة من تلك الخراطيش لها خاصية تغيير زاوية(توجيه) الدفع (طائرة الهارير أول طائرة استخدمت نظام توجيه الدفع).

محركات الصواريخ تستخدم أيضا فوهات أو خراطيش التقارب - التباعد, وتكون البتلات ثابتة لتقليل الوزن. مساحة الفوهة لدى الصواريخ أضخم بكثير من مساحة فوهات محركات الطائرة النفاثة لأن معدلات الضغط للخرطوش عالية جدا مقارنة مع محركات الطائرات.

بالجانب الآخر فإن بعض محركات التربين المروحي ذات تحويلة جانبية العالية تستخدم خرطوش له فوهة صغيرة جدا (أقل من 1.01 نسبة المساحة), خرطوش التقارب التباعد بتيار التحويلة الجانبية أو العادم المختلط يستخدم للتحكم بخط عمل المروحة.

عاكس الدفع خلف غطاء المحرك على طائرة777

جهاز عاكس الدفع

تحتوي على أقداح تدور حول نهاية فوهة الخرطوش وتعكس دفع النفاث كما بطائرات دي سي 9. أو تحتوي على صفائح خلف غطاء المحرك تنزلق للخلف مما تؤدي إلى معاكسة دفع المروحة فتنخفض سرعة الطائرة بشدة (المروحة تنتج معظم الدفع) وهذه موجودة عند معظم الطائرات الضخمة ك بوينغ 747.

نظام التبريد

لجعل المحركات النفاثة أكثر كفاءة فهي تتطلب غازات حارة جدا ويحصل ذلك عن طريق حرق وقود هيدروكربون أو وقود هيدروجيني, لذا تصل درجات حرارة الاحتراق إلى 3500 كالفن أو 3227 مئوي, وهذا أعلى من درجة ذوبان معظم المعادن. لذلك يستخدم نظام التبريد لجعل درجة حرارة المعادن أقل من درجة ذوبانها.

نظام التهوية

يحيط نظام التهوية بغرفة الاحتراق ويضخ على أطراف صفائح التوربين الدوارة, هواء التبريد يمر من خلال فتحات التنظيم إلى شفرات التوربين فتخفف عنه الحرارة العالية ثم يخرج مع تصريف الهواء إلى تيار الغاز الخارج.

هناك بعض من تيار التبريد قادم من الضاغط ويمر على عمود الدوران وغطاء التوربين للتبريد, ويوجد انبوب هواء يمر على جدار غرفة الاحتراق للمحافظة على عدم وصول درجة حرارته للدرجة القصوى. يستخدم لذلك أنابيب رئيسية وثانوية والتي تسمح بمرور طبقة بسيطة من الهواء للمرور على جدار الحارق لمنع زيادة درجة الحرارة. الحرارة الخارجة تعتمد على الدرجة القصوى التي يتحملها التوربين وهو يعتمد على مادة الصنع. تقليل الحرارة سيمنع الكلل الحراري ومن ثم يمنع الفشل الحراري.

يستخدم هواء الضاغط أيضا لتدفئة المراوح الخارجية ويستخدم في نظام منع الجليد على الهيكل وتدفئة مقصورة الركاب.

نظام الوقود

بعيداً عن ضخ الوقود للمحرك, فإن نظام الوقود يستخدم للتحكم بسرعة دسر المراوح الخارجية وبدفق الهواء للضاغط وتبريد زيت التشحيم. يدخل الوقود على شكل رذاذ طيار داخل غرفة الاحتراق والكمية يتم التحكم بها تلقائيا اعتمادا على معدل دفق الهواء.

تسلسل الأحداث لزيادة الدفع هي: داعس الوقود يرتفع فيزداد رذاذ الوقود إلى غرفة الاحتراق فتزداد كمية الاحتراق وهذا يعني أن غازات العادم ستكون أكثر سخونة ويصبح خروجها أسرع مما يعطي مزيد من القوة وهذا يؤدي لزيادة دفع المحرك مباشرة. وأيضا زيادة الطاقة المستخرجة بواسطة التوربين والتي ترفع من سرعة الضاغط مما يؤدي لزيادة تيار الهواء الداخل للمحرك أيضاً.

بوضوح نرى أن هذا هو معدل كتلة دفق الهواء يتغير بتغير عزم الحركة momentum (كتلة X السرعة) التي تنتج القوة FORCE وبما أن الكثافة تتغير مع الارتفاع لذلك فكتلة الهواء الداخل أيضا سيتغير مع تغير الارتفاع والحرارة مما يعني أن مقياس داعس الوقود سيختلف تبعا لتلك التغييرات. لذلك نرى أن التحكم بدفق الوقود مستحب أن يكون ذاتي التشغيل. عادة يكون هناك نظامين, أحدهما للتحكم بضغط الوقود والآخر بكمية الدفق. فالبيانات المطلوبة التي تؤثر على قدرة مضخة الوقود ذات الضغط العالي هي الضغط والحرارة من المدخل ومن نقاط معينة داخل المحرك, وبيانات الداعس وسرعة المحرك الخ.

وحدة التحكم الوقود

تلك الوحدة أشبه بحاسوب ميكانيكي. يقرر الخارج من الطرمبة بواسطة منظومة من الصمامات التي تتحكم بضغط الوقود فتسبب التغير بالكمية. فمثلاً الزيادة بالارتفاع يقلل ضغط الهواء الداخل فيتمدد الهواء داخل غرفة الإحتراق بسرعة أكثر مما يسبب بخروج وقود زائد عن الحاجة عن طريق صمام الوقود الفائض, فتقلل الطرمبة الرئيسية من ضخ الوقود حتى يتعادل الضغط داخل الغرفة مع الضغط هواء الخارجي فيتوقف خروج الوقود الزائد. يمنع زيادة سرعة المحرك بواسطة منظم السرعة الذي له القدرة على تخطي وحدة تحكم الوقود عن طريق حاجز يستشعر سرعة المحرك من حيث الضغط المركزي المتسبب من دوران المضخة. فعند الوصول للمعدل الحرج فإن صمام الوقود الفائض سيفتح بواسطة الحاجز ويخرج الوقود الزائد مما يخفف سرعة المحرك. ضخ الوقود يتأثر بالمعطيات الخارجية مثل الارتفاع وتغير الضغط الخارجي والتغير بسرعة الطائرة.

مضخة الوقود

مفهوم مبسط لمضخات أو طرمبات الوقود هو لجعل ضغط الوقود أعلى من الضغط الموجود بغرفة الاحتراق حتى يمكن ضخه بسهولة.

نظام تشغيل المحرك

يعتمد نظام التشغيل على نظام الوقود وعملية اشتعال خليط الهواء مع الوقود داخل غرفة الاحتراق. عادة يكون هناك محرك خاص اسمه وحدة الطاقة الاحتياطية (APU) وتستخدم لتشغيل المحرك من خلال تدوير الضاغط إلى سرعة تمكنه من تشغيل التوربين, هناك عدة أنواع من نظم التشغيل: كهربي وهيدروليك وهوائي.

معظم الطائرات المدنية مثل البوينج 737 والإيرباص والطائرات العسكرية الكبيرة تستعمل هذا النظام ويكون بمؤخرة الطائرة بمعظم الطائرات الحديثة أو بأماكن أخرى عند الطائرات الأقدم قليلا, وهو عبارة عن توربين غازي صغير يعمل لإمداد الطائرة بالكهرباء في حالة اطفاء المحركات وتستخدم أيضا لتشغيل المحركات عبر إمدادها بالهواء لتدوير الضاغط ومن ثم تشغيل غرفة الاحتراق لكي يعمل التوربين الذي يشغل المحرك, عند ذلك يمكن اطفاء المحرك الاحتياطي لعدم الحاجة له.

بعض الطائرات كالأف\أي-18 هورنت تستخدم مضخات هيدروليك لتشغيل المحركات من خلال التروس أو الجيرات, وتلك المضخات يتم التحكم بها كهربيا كما أسلفنا سابقا فالمحرك الإضافي يستخدم بالإضافة إلى مهمته الرئيسة وهي تشغيل المحرك, فإنه يمد الطائرة بالكهرباء والضغط اللازم والتبريد عند حالة اطفاء المحرك لأن التحكم بصمامات الهواء يكون كهربائيا.

الإشعال

يوجد هناك شمعتي اشعال بأماكن مختلفة داخل غرفة الاحتراق. وتظل مستمرة بإصدار الشرارة داخل الغرفة حتى تمنع إطفاء الشعلة. هناك حدود للارتفاع وسرعة الهواء لكي يتمكن المحرك من الحصول على عادة اشعال المطلوبة فمثلا تستخدم محركات جنرال الكتريك 404-400 شاعلا واحدا بغرفة الاحتراق وواحدا بغرفة الاحتراق المساعدة. أما طائرات الإيرباص تستخدم استشعارا فوق بنفسجي لتشغيل الشعلة. الموديلات الحديثة من نظام الإشعال تعطي طاقة من القوة بحيث تكون قاتلة، لذلك يجب الأخذ بالاحتياطات عند التعامل مع التوصيلات الكهربية عندما يعمل النظام.

نظام التشحيم

يستخدم نظام التشحيم للمحافظة على وجود الشحم في أماكن التحميل والإرتكاز لمنع الاحتكاك والتأكد من عدم ارتفاع درجة حرارة تلك الأماكن, وأيضا يمنع التشحيم دخول الأجسام غريبة إلى أي من القطع المتحركة داخل المحرك ككراسي التحميل والتروس والمسننات.

مكونات هذا النظام هي: خزان الزيت به جهاز تفريغ من الهواء, مضخة زيت رئيسية, مرشح رئيسي مع صمام مرشح جانبي, صمام تعديل الضغط, ومبرد زيت. طريق مرور الزيت يبدأ من الخزان فالمضخة الرئيسية ثم المعدل فالمرشح الرئيسي ثم مبرد الزيت حتى يصل للمحرك حيث نقاط التحميل والإرتكاز.

عندما ترتفع سرعة المحرك, يزداد ضغط على مناطق التحميل والارتكاز مما يعني يقلل فرق الضغط ما بين تغذية التشحيم والغرفة مما يخفض من المعدل الزيت المطلوب ولذلك فوجود صمام تعديل الضغط لكي يعدل فارق الضغط حتى يستمر تيار ضغط التشحيم ثابتاً.

المصادر

المراجع

  • John Golley (1997). Genesis of the Jet: Frank Whittle and the Invention of the Jet Engine. Crowood Press. ISBN 1-85310-860-X. كتاب نشأة النفاث: فرانك ويتل واختراع المحرك النفاث. المؤلف جون غولي (1997)
  • David S Brooks (1997). Vikings at Waterloo: Wartime Work on the Whittle Jet Engine by the Rover Company. Rolls-Royce Heritage Trust. ISBN 1-872922-08-2. كتاب: فايكنج بواترلو. العمل في زمن الحرب لمحرك ويتل من قبل مصنع روفر. المؤلف: دافيد س بروك (1997)
  • "Gas Turbine Theory" by H.I.H. Saravanamuttoo, G.F.C. Rogers and H. Cohen, Pearson Education, 2001, 5th ed., ISBN 0-13-015847-X. كتاب نظرية التوربين الغازي. المؤلف: سارافاناموتو وروجرز وكوهين بيرسون (2001)

طالع أيضا

وصلات خارجية