مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست مطالب

عنوان صفحه

موتور جت... 1

اساس كار. 1

یافتن راهی برای بهبود موتورهای پیستونی و افزایش بازده آنها 2

قاعده کلی موتورهای جت... 3

منبع. 9

 

موتور جت

 

اساس كار

يـك موتور جــت موتوري است كه با فوران (تخليه سريع) سيال بر طبق قانون سوم نيوتن مي تواند نيروي زيادي ايجاد كند كه به آن تراست مي گويند. اين تعريف از جت انواع : توربوجت ها ، توربوفن ها ، توربوپراپ ها رم جت‌ها ، جتهاي ضربه‌اي و موشكها وانواع دیگر را در بر مي گيرد . اما استفاده از اين مكانيزم درنقاط ديگري از صنعت نظير توربين هاي گاز در نيروگاه‌هاي گازي نيز معمول است .

 

توربين‌هاي گازوموتورهاي جت ، پديده نام آشنايي كه سالهاي پاياني قرن گذشته به تكامل نسبي رسيدند امروزه يكي از اصلي منابع توليد انر‍ژي محسوب مي شوند.

 

تفکربهره برداری از نیروی رانش گازها هنگام فواران بسیار قدیم است ، اولین کسی که به این فکرافتاد هروالکساندریا(Hero Alesoandria) دانشمند قرن اوّل میلادی دریونان بود.

 

دستگاه ساده او Aeoliple نام داشت . طرز کارماشین چنین بود:

«دركاسه‌اي سربسته آب وجود داشت كه بوسيله حرارت زير آن بخار مي شد. بخار بخار يه وسيله دو لوله كه نقش ستون را هم بازي مي كردند به سر دو نازل انرژی حاصل ازخروج بخارآب ازدونازل روبه‌روی هم باعث چرخش كره‌ای حول محورافقی می شد. » البته بسیاربعید بود که این مکانیزم ساده بتواند ماشین مولد نیرو باشد.

 

واقعاً امروزبعد از2000 سال بسیارسخت است که باورکنیم دستگاههای پیچیده و اتوماتیک امروزی نوادگان همین ابتکارات ابتدایی است. درحاليكه از اجداد اين نسل نمی توان انتظارکاربری قابل قبولی برای خلق صنایع امروزی ازجمله موتورجت را داشت . دستگاههای آن روزگار تنها نتایج آزمایشگاهی کنجکاویهای ساده فنی و علمی بود.

 

در ابتدا نیروی فواران گاز(جت) فقط برای پرتاب موشکهای آتشبازی استفاده می شد. چینیها دربرگزاری جشنها و مراسم آتشبازی ، تا قرن یازدهم میلادی ازانرژی حاصل ازرانش گازها بهره می بردند.

 

از قرن یازدهم، بعد ازکمی پیشرفت ، باعث ساخت جنگ افزارهای وحشتناکی شد و دراین نقطه درحدود 100 سال توقف کرد. در تركيه عثماني به سال 1633 حسن چلبي توانست يك موشك مخروطي شكل را توصيف كند كه مي توانست پس از پرواز به كمك بالهاي متقارن با موفقيت به زمين بنشيند اين يك پيروزي براي ارتش عثمانی و يك شاهكار علمي واقعي بود.

 

يک مساله مهم در كاربردي نبودن اين كشف بزرگ سرعت كم پرتابه بود. البته حقیقت این بود که ساختارهای جت و مکانیزم آنها برای برطرف کردن نیازهای عمومی هوانوردی کامل نبود. بازده كم ،آنهارا برای برآوردن آرزوی پرواز، دورازکانون توجه اندیشمندان و دانشمندان قرارداده بود. البته خلق موتورهای درون‌سوز خطی، و اینکه بسیاری ازنیازها را پاسخ می دادند نیز به بی بها بودن موتورهای جت دامن می زد .

 

درحدود سالهای 1930 موتورهای پیستونی با شکل های متفاوت خطی و شعاعی با انواع سیستم های خنک کننده آبی – یا هوا- برای تولید انرژی نقطه اتکای مناسبی بودند. و دراین زمان تنها تولید کنندگان انرژی درنیروگاهها و هواپیماها، موتورهای پیستونی بودند. تا سال 1930 این موتورها نیاز را برطرف می کردند وقابل قبول بودند به شرطی که کارکمی ازموتورهای مولد انرژی در زمین و هوا انتظارمی رفت. و البته شرایط قابل تحمل بود.

 

مهندسان و طراحان با انجام تحقیقات و محاسبات درموتورهای خطی به اطلاعات و تجربیات جدید و البته محدودی دست یافتند. حداکثراین تلاشها ساخت یک موتورملخی بود،با اسنادي كه در اختيار است به نظرمی رسد این تلاشها برای رسیدن به سرعت صوت انجام می شد. و اگراین نقطه برای انسان به سهولتی که می انگاشت قابل دسترسی بود، ترقی بسیارمحدودی در علوم انسان اتفاق مي افتاد. امّا با توجه به اینکه موتورهای سنگین و حجیم پیستونی با آلیاژهای آن زمان نیاز دستیابی به سرعت صوت را تأمین نمی کرد ، برای ادامه اين تحقيقات 2راه وجود داشت:

 

یافتن راهی برای بهبود موتورهای پیستونی و افزایش بازده آنها .

یک روش متفاوت برای تولید انرژی .

درحقیقت انگیزه دوم باعث پیشرفت و توسعه توربین گازو موتورجت شد. موتورهایی که امروز جت خوانده می شوند و نیروی رانش آنها توانسته انقلابی درصنعت هوانوردی و آرزوی پرواز ایجاد کند در نيمه هاي سال 1930 هنوز بيش از افسانه نبود اما پس از ان توانست همه چيز را متحول كند مانند تحولی که برادران رایت ایجاد کردند .

 

امتیاز اختراع یک توربین ثابت گاز به ژان باربر(Jan Barbar) انگلیسی درسال 1791 اهدا شده بود، امّا به دلائلی که ذکرشد، درسال 1930 ایده توربین گاز نظریه‌ای رشد یافته نبود. با اینکه برخی ازدانشمندان پیشرو از 1900 به آن پرداخته بودند، امّا آنچه مانع بزرگ آنها بود، این بود که بسیاری ازدانشمندان هنوز مطمئن نبودند که موتورهای پیستونی نتواند ، نیازهای بشررا پاسخ دهد، و به همین ترتیب درسال 1930 مباحث مربوط به موتورجت و توربین گاز مجموعه ای بود ازقوانین بعضاً صحیح علمی و البته مقداربسیارزیادی تجربیات ناموفق، درحقیقت نقطه آغازعلمی موتورهای سازمانی شروع شد که دانشمندان توانستند برای استحصال انرژی ، هوا را با کمپرسوری که با توربین هم محوربود متراکم کنند. البته این کاررا روی کاغذ انجام داده بودند ولی تا سالها بعد یعنی زمانیکه عدم توانایی موتورهای خطی در تأمین نیازها محرز شد، کوچکترین اثری ازموفقیت بشر در بهره گیری از جت به چشم نمی خورد. زمانی که حرکت سریع به سمت پیشرفت موتورهای جت شروع شد، چیززیادی دردست نبود، امّا طراحی‌ها ، چه پیچیده و چه مرکب و چه ساده یک قاعده کلی داشت:

 

قاعده کلی موتورهای جت

قاعده کلی موتورهای جت ، تامین نیروی مورد نیاز( تراست) با بهره گیری ازتراکم و فواران گازبود. نخستین موتورجتی که توانست تا حدود زیادی این انتظارات را برآورده نماید ترموجت سکندرکامپنی نام گرفت ، هرچند این موفقیتها فقط روی کاغذ بود، امّا طرز کارآن چنین بود:

 

درمرکز این نوع جت یک موتورپیستونی معمولی قرارداد امّا تفاوت آن با سایرموتورهای زمینی این بود که موتوریک پروانه را به چرخش درمی آورد و این پروانه درحقیقت ابزاری بود برای تراکم هوا، هوای متراکم توسط یک کانال به محفظه ای منتقل می شد که به آن محفظه احتراق می گفتند . و براثرتراکم، حرارت گاز بالا می رفت و وقتی که سوخت به آن تزریق می شد، انفجار صورت می گرفت بنابراین، انفجار و انبساط گازها و خروج هوای داغ ازاگزوز موتور،موجب ایجاد نیروی عکس العمل درمحیط اطراف می شد و هواپیما را به جلو می راند ترموجت تراست مورد نیاز خود را ازیک پروانه تأمین می کرد که روی یک موتور پیستونی ساده نصب شده بود، ترموجت و تحقیقات او درسالهای پایانی جنگ اول جهانی فراموش شد.

 

نخستین استفاده ازترموجت توسط هنری کواندا Henri coanda انجام شد ، برای طرح هواپیمای کوانای 1910- این درسال 1910 اتفاق افتاد و مدتی بعد درسال 1920 سکندوکامپینی Secendo Cacpini برمبنای همان طراحی هواپیمای کامپنی کاپورنی سی سی 2 را اختراع کرد.

 

با استفاده ازطراحی کواندا، در سالهای پایانی جنگ دوم جهانی هواپیماهای ohka در ژاپن تولید شد. هرچند این هواپیماها نیز بعد ها تکامل یافت امّا از 850 هواپیمایی که به منظورعملیات کامیکازه تولید شد، 800 فروند آن برمبنای طراحی کواندا بود که اکنون نیز تعداد 10 فروند ازآن درموزه های مختلف وجود دارد . مشخصات فنی هواپیمایی که با آن عملیات انتحاری انجام می شد به شکل زیربود:

 

سرنشین : 1نفر

طول : 6 مترو 10 سانتی متر( 20 فوت)

طول بال : 510 سانتی متر( 16 فوت و 18 اینچ )

ارتفاع : 120 سانتی متر( 3 فوت و 11 اینچ )

سطح بال : m2 6 ، (65ft2)

وزن پر: kgr 140/2 ، 4720 پوند

نیروی محرکه (مولد نیرو) سه عدد موتور رانش KN60/2

حداکثرسرعت km/h :630(mph390)

وزن جنگ افزارها : kg 1200

برد : km36

نسبت تراست به وزن : 38%

سرعت شیرجه : gm/h 40/10

 

و باید پذیرفت هیچکدام ازاین انواع، انواع موفقی نبودند ، و رشد تحقیقاتی که به cc.2 منتهي شد درحقیقت استفاده ازسوپرشارژر به منظورایجاد تراست بود امّا مولد نیرو همچنان یک موتورخطی (پیستونی) بود. نخستین توربین گازموفق که خودکاربود ( یعنی هوای مورد نیاز را خود متراكم مي كرد) درسال 1903 توسط آگودیس الیگ Aegidius Elling دانشمند نروژی طراحی شد . و نخستین بارتفکرایجاد فواران (جت ) و نیروی رانش (تراست) ازتوربین گاز درسال 1917 بدست آمد. محدودیت درعلوم طراحی و عدم اطلاعات کامل ازفرآیندهای علمی و نا آشنایی با علوم و مهندسی خصوصاً متالوژی مانع رشد و تولید این نوع موتورشد. مسائل اصلی این صنعت شامل : ایمنی، قابلیت اعتماد ، نسبت وزن به تراست و خصوصاً به عنوان بزرگترین و پیچیده ترین امتداد و تداوم عملکرد بود.

 

درحقیقت بهره گیری ازتوربین گاز برای ایجاد تراست و خلق جت درسال 1930 براي تخستين بار درطرحی از سرفرانك ویتل مطرح شد ( sir frank whittle) تا سال 1929 مسیر تکامل توربین گاز و موتورهای هواپیما مسیرهای متفاوتی داشتند، و از سال 1930 آرزوي پرواز با سرعت صوت و تكامل توربينهاي گاز باطرح ويتيل به هم پيوست و سرنوشت مشتركي يافت .

 

بنابراین با توجه به اینکه به نیازدانشمندان به ایده ای نوین برای ایجاد تراست درهواپیما اشاره کردیم ، خالی ازلطف نخواهد بود اگرفهرست وار به سیرتکامل توربین گازتا سال 1930 نیزاشاره کنیم:

 

درقرن پانزدهم میلادی لئونارد داوینچی دانشمند ایتالیایی ، یک دودکش یک سوکننده طراحی کرد، البته او ساخت یک جوجه سرخ کن بود که با هدایت حرارت جوجه را کباب کند، نه با آتش مستقیم .

درسال 1629: خلق توربین بخارتوسط جیوانی برانساسه برای استفاده ازنازل و پا شش بخار.

درسال 1678 : فردینیاند ورتبیس یک مدل ازوسیله ای ساخت که با تکیه برفوران نیروی بخار آب حرکت می کرد.

درسال 1791: نخستین موتورتوربینی ، همه مشخصات توربینهای امروزی ثبت شد. این توربین برای جایگزینی اسب طراحی شد.

درسال 1872 : نخستین توربین گاز داخلی توسط دکتراف – استولز طراحی شد. اما این موتوربه دلیل نا مناسب بودن آلیاژها هیچگاه نتوانست برنیروی بازدارنده خود غالب شود . و هیچگاه کارنکرد.

درسال 1897 : یک توربین بخاربرای نیروی پیش برنده کشتی ، ثبت شد ، اینکاربه نام چارلزپارسونس انجام شد، که هنوز هم ادامه دارد.

درسال 1903: آگودیوس النیگ ، به فکرایجاد نیروی محوری با استفاده ازتغییرحجم ناگهانی گازها (انفجار) افتاد. او ازموتوری استفاده کرد که شامل توربین و کمپرسوربود و نیرویی معادل hp11 تولید می کرد، درحالیکه وزن 3 اسب داشت و حجم آن نیز کمی بیشترازدو اسب بود.

درسال 17- 1918 با بهره گیری ازابداع الیگ شرکت آمریکائی GE اقدام به تحقیق و برنامه ریزی درمورد توربین گازکرد.

درسال 1920 : حرکت و قوانین تئوری جریان گازها توسط دکترآ .آگرهیت با توجیهات کامل آئرودینامیکي انجام شد.

درسال 1930 : به سرفرانک ویتیل ، حق امتیاز طراحی یک توربین گازبرای استفاده ازفوران و نیروی پیش برنده اعطاشد . او با تکیه براین فرض که می تواند ازنیروی رانش حاصل ازخروج گازها ازتوربین استفاده کند، به تمرکز روی طرح اليگ پرداخت . او درآوریل 1937 موفق شد .

بنابراین همانطورکه پیشترذکرشد دردهه سوم قرن بيستم با ارائه طرح سر فرانک ویتیل درسال 1929 پیشهاد استفاده از توربین گاز برای ایجاد تراست درهواپیما مطرح شد. دراین سال ، سرفرانک ویتیل که یک کارآموز هواپیما بود رسماً ایده توربوجت را ارائه داد و با کمک رئیس خودش در16 ژانویه 1930 نامزد ثبت اختراع شد. امّا درسال 1932 این اختراع ثبت شد. درطرح ویتیل ، هدف اصلی تمرکز قوای کمپرسوربود او به عنوان یک راه حل عملی به این نتیجه رسید که با استفاده ازکانالهای همگرا گاز را به یک نقطه هدایت کند تا بدينوسيله همه ذرات گازرا دریک نقطه متمرکز کنند.

 

درسال 1937 ویتیل نخستین موتورش را استارت کرد. این موتوربا سوخت مایع کارمی کرد و خودکاربود، یعنی هوای مورد نیاز خود را درکمپرسورفشرده می کرد . این موتوریک پمپ سوخت هم داشت که سوخت را به نقطه تمرکزگازها تزریق می کرد. تیم کارآزموده و متخصص ویتیل درپایان آزمایش بسیارمضطرب و وجشتزده بودند . چرا که حتی بعد ازتوقف سوئیچ سوخت موتوربدون سوخت می چرخید و البته نشت سوخت هم مشکل ترسناک دیگری بود و آنقدرموتورتوقف نکرد تا سوخت را ازمخزن مکید و مصرف کرد.

 

ازسوي ديگر در آلمان درسال 1935 هانس اوهاین نس آلمانی کاری مشابه ویتیل آغاز کرد، والبته به نظرمی رسید که ازکارویتیل بی اطلاع بود. اوهاین 5 ماه بعد ازویتیل به نتیجه رسید، موتوراوهاین خودکارنبود، یعنی هوای مورد نیاز خود را ازیک کمپرسورخارجي تامین می کرد.

 

متاسفانه ویتیل شکست خورد. او درایمن سازی دستگاه بسیارناموفق بود و بنابراین اوهاین اوراپشت سرگذاشت . اوهاین به ارنست هاین کسل صاحب کارخانه بزرگ هواپیما سازی نزدیک شد. ، فوراً قول همکاری به او داد هان کسل که به تازگی کارخانه هواپیما سازی Hirith را خریداری کرده بود و اوهاین را به اتفاق مدیرماشین کاری خود ماکس هاهن با تقسیم و طبقه بندی جدیدی درکارخانه به کارگمارد.

 

درسپتامبر1937 آنها درکارخانجات Hirith موتورHes.1 را طراحی کردند وساختند، او دراین موتوربرخلاف ویتیل ازهیدروژن مایع به عنوان سوخت استفاده کرد. درطراحی بعدی درسال 1939 او به اوج توانمندی رسیده و موتوری را با سوخت گازوئیل خلق کرد و Hes.3 نام گذاشت.

 

نیروی رانش این موتور(پوند- نيرو ) lbf 100/1 (یا حدود 500kgf) بود که با بدنه ای به نام He178 درسحرگاه 27 آگوست 1939 ازفرودگاه مارینه، با خلبانی اریک وارستین پروازکرد . و این اولین هواپیمای جت دنیا بود. ضمناً موتورویتیل برای بهره برداری و آغاز فعالیت ازوزارت هوانوردی پول گرفت و درسال 941 قابل پرواز شد. درنسخه آزمایشی که با آن w.1 می گفتند ، نیروی معادل (پوند- نيرو) lbf 1000 (450 kgf) تولید می شد. بدنه مخصوصی که برای این موتورجت طراحی شد E28/29 نام داشت و دراولین پروازدر15 می 1961 با خلبانی راف کراندول تماس با آسمان را تجربه کرد.

 

معما و مشکل هردو طراحی مشکلی بود به نام جریان گریزازمرکز . شکل این مسئله به این ترتیب بود که وقتی کمپرسورمی چرخید و کارمی کرد، هوا را به خارج ازمجرای مرکزی (محل تزریق سوخت) پرتاب می کرد. البته هرچند کارویتیل سعی کرده بود به نوعی با قراردادن محفظه های احتراق درفاصله دورتری نسبت به مرکز کمپرسور، این مشکل را برطرف کند، امّا این راه حل دو مشکل اساسی داشت.

 

درمحاسبات تئوریک هدایت گازهایی که توسط کمپرسورچرخان، پراکنده می شدند کارعادی به نظرمی رسید به این ترتیب که دراین کانالها شتاب سرعت زاویه ای کمپرسوربه تراکم گازدرداخل کانالها منتهی می شد، با توجه به اینکه خروجی کوچک و پره ای شکل انتهای کانالهادبي بسیارکمتری ازورودی کانالها داشت خود به خود فشارمورد نیازفراهم می شد. این تئوری برمبنای آنچه پیش از این درسوپرشارژرانجام شده بود و کاملاً منطقی بود، و بنابراین ویتیل و اوهاین با الگو برداری از سوپرشارژر این ابداع را پیش بردند. امّا تفاوتهای آشکاربین این دو سیستم (توربين گازو سوپرشارژر) باعث بروز بزرگترین مشکل شده بود و آن این بود که طبق تئوری برای براثرافزایش دورکمپرسورباید تراکم بالا می رفت. امّا کاهش می یافت ، علت این مسئله افزایش نیروی گریز ازمرکز بود براثرافزایش سرعت زاویه ای سرعت و شتاب خطی گازها افزایش می یافت و طبعاً به شعاعی دورترازورودی کانالها پرتاب می شد، این مسئله باعث می شد، برای تحمل فشارناشی ازاین پاشش گاز نیازمند پوسته ای قوی ترو محکم باشند، این پوسته وزن موتوررا افزایش میداد. به این ترتیب نسبت توان به وزن بسمت صفرمیل می کرد و هرچه انتظارتوان بیشتری داشتیم، باید به ساخت موتوری با وزن بسیارزیادترمی اندیشیدیم و بنابراین کم کم رشد و توسعه متوقف شد. امّا مشکل دیگراین بود جریان هوا به عقب سرازیر می شد یعنی به سمت توربین و لوله انتهایی. و می توان گفت این مشکل به نوعی درامتداد مشکل اوّل پدید آمده بود ، چرا که نبودن فشارکافی درمرکز باعث نشت گازها به انتهای موتورمی شد.

 

آنس لم فرانتس اطریشی اربخش موتوری کارخانجات پانکررموتور با ابداع کمپرسورجریان محوری به حل این مشکل پرداخت البته واقعاً آن یک توربین گازوارونه بود ، هوا ازجلو می آمد ، به داخل موتور، دمیده می شد، و نزدیک قسمت عقب موتوربه وسیله یک مرحله فن ( پروانه) با پره هاي همگرا و سپس درمقابل تعدادی پره ثابت که به آنها استاتورمی گفتند فشرده می شد این استاتورها کانالهای واگرا داشتند.

 

در اين زمان با این ابداع با وجود پیچیدگیها و قطعات زیادی كه به موتور افزوده شد، امّا به دلیل کاسته شدن فشارهوا به پوسته، فاصله پوسته با شفت به شدت کاهش یافت محفظه های احتراق با شفت موازی شدند وبه این ترتیب دانشمندان توانستند هوا را درحجمی کوچکتربه اندازه مورد نیاز فشرده کنند. بنابراین حجم موتورها بسیارکوچک شد و قطرآنها کاهش یافت. یک جفت فن و استاتوررا یک مرحله یا stage نامیدند که یکبارهوا را فشرده می کرد و هرچه تعداد این مرحله ها بیشترمی شد هوا بیشترفشرده می گردید. ازاین سالها به بعد که سالهای پایانی جنگ دوم جهانی است، هرچه دورموتورافزایش یافت فشردگی هوا بیشترشد، و ازاین لحظه بازده موتورهای جت برمبنای نسبت تراست به وزن تعیین شد . و این نسبت به سمت بی نهایت میل کرد.

 

وقتی کاربه پایان رسید ماه ژوئن بود که به تلفظ آلمانی Jumoگفته می شود، ازطرفی چون این چهارمین موتورجت دنیا محسوب می شد ، بنابراین Jrmo004 نام گرفت. بعد ازمدت کوتاهی مشکلات تکنیکی حل شد و گروه ساخت این موتوردرسال 1944 اولین جنگنده را به نام Messerschmitt. Me22 و بعد ازمدتی اولین بمب افکن دنیا به نام Arado Ar234 را ساختند. علت ساخت این بمب افکن این بود که هیتلراصرارداشت Me22 بمب حمل کند. بدلیل اینکه نسخه جنگنده دیرتروارد خط تولید شد صدورضربه قطعی ازجانب آلمان به تأخیرافتاد. و این نخستین باربود که موتورجت با مشخصات امروزی به کارگرفته می شد. اگرچه جريان آئروديناميكي و قوانين ديناميك گازها در مدل آلماني به خوبي رعايت شده بود اما مدل انگليسي از نظر متالوژي قابليت اعتماد بيشتري نسبت به همتاي آلماني خودداشت .

 

درپایان جنگ دوم جهانی نیروی های ارتش سرخ زود ترازنیروهای متفقین غربی به برلین رسیدند . بنابراین اسناد فنی و طراحی های ساخت به دست روسها افتاد ولی دانشمندان به غرب مهاجرت کردند مدتی نگذشت که موتورهای روسی Nene در هواپيماهاي معروف MIG-15 وموتورJ47 GE درهواپيماي امریکایی F-86 Sabre درسال 1950 ساخته شد. این میراث بزرگ ( کمپرسورهای جریان محوری) که برمبنای کنترل جریان گریزازمرکز، اختراع جت را تکمیل کردند بعدها با پیشرفتهای تکنولوژیکی ، متالوژیکی وساخت ياتاقانها سرعتشان افزایش یافت . کم کم قطرآنها کاسته شد ، و طول آنها کاهش یافت و به همین ترتیب درسایرپرندگان صنعتی مانند هلی کوپتراستفاده شد.

 

 

 

 

 

 

 

منبع

برگرفته از «http://fa.wikipedia.org »