در حال بررسی...فناوری های موتور هواپیما
عملکرد موتورهای توربوفن، بر اساس میزان نیروی پیشران تولید‌شده در هر واحد سوخت اندازه‌گیری می‌شود. به عبارتی دیگر، یک موتور توربوفن معمولا با توجه به بهره‌وری سوخت آن به بازار معرفی می‌شود. مقدار نیروی پیشران بطور مستقیم با نسبت فشار هوای ورودی به موتور، به هوای خروجی از موتور متناسب است. در نتیجه، رقابت سازندگان بر سر توسعه فناوری های موتور هواپیما با سوخت کارآمد است تا بتوان نیروی پیشران فزاینده‌ای تولید کرد.
یک موتور توربوفن سالم با نیروی پیشران بیشینه، تقریبا دمای ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد را در بخش داغ تجربه می‌کند. دمای گاز خروجی (EGT) که در برخی مواقع به عنوان دمای خروجی توربین نیز شناخته می‌شود، دمای خروجی از اگزوز توربین را اندازه‌گیری می‌کند. محدوده EGT، تفاوت بین EGT برخاست و حد بیشینه EGT را محاسبه می‌کند. محدوده EGT نیز تعیین‌کننده زمان باقی‌مانده عملیاتی و سلامت موتور است.
افزایش ظرفیت حرارتی یک موتور، گزینه‌هایی را برای مشتریان فراهم می‌کند. سوزاندن سوخت در دماهای بالاتر، میزان حداکثر نیروی پیشران را افزایش می‌دهد. بنابر اعلام شرکت پرت‌اندویتنی، در برخی از موتورها، حداکثر نیروی پیشران را می‌توان با بالا بردن دمای داخلی تا ۵ درصد افزایش داد. با این فرض که موتور مجهز به مواد مقاوم حرارتی کارآمد باشد، مشتریان یکی از دو انتخاب را دارند.
برای دستیابی به حداکثر نیروی پیشران، می‌توان موتور را با حداکثر دمای مجاز راه‌اندازی کرد. از طرفی دیگر، مشتریان می‌توانند عملکرد نیروی پیشران کم‌تر معمولی را انتخاب کنند، در نتیجه راه‌اندازی موتور طولانی‌تر است. در حالی که میزان نیروی پیشران عملیاتی بر اساس مشتریان و نیازهای آنها متفاوت است، تولیدکنندگان اصلی (OEM) تمایل دارند موتورهای خود را برای عملیات در دمای بالا در صورت لزوم تجهیز کنند.
دستیابی به EGT بیشتر به معنای استفاده از مواد کارآمدی است که می‌توانند گرما را به طور موثرتری دفع کرده و در عین حال نیروی پیشران موردنیاز را تولید کنند. نیاز به فرآیند دمای داخلی با درجه حرارت بالاتر، محدودیت‌های فناوری‌های موجود موتور را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
با این حال، با استفاده از مواد کارآمد دمایی، تولیدکنندگان اصلی، راه‌های منحصر به فردی را برای بهبود عملکرد موتورهای جدید توسعه می‌دهند. علاوه بر این، فرآیندها و روش‌هایی که در آنها چنین موادی تولید می‌شوند، نقش حیاتی در ظرفیت دمایی آن موتورها ایفا می‌کنند.
بخش‌های داغ موتور
بخش‌های هسته موتور و توربین، جز داغ‌ترین بخش‌های موتور توربوفن بشمار می‌روند. این بخش‌ها، با مواد مقاوم در برابر درجه حرارت بالا ساخته می‌شوند تا جریان گازهای داغ در طول انبساط را تضمین کنند. بازده حرارتی توربین پرفشار بطور قابل توجهی از طریق مواد پیشرفته و روش‌های پوشش‌دهی بهبود یافته‌است.
بنابر اعلام رولزرویس، برای به دست‌آوردن عملکرد و کارآیی از این ماشین، باید قابلیت دمای توربین را به سطحی بالاتر از هر موتور بزرگ هوایی دیگر در گذشته افزایش داد. حفظ بازده حرارتی در دماهای بالاتر بسیار مهم است. بنابراین رولزرویس بر روی مواد و پوشش‌های جدید برای پره‌های توربین پرفشار سرمایه‌گذاری کرده و همچنین از یک سامانه خنک‌کاری هوشمند استفاده می‌کند که مقدار مناسبی از هوای خنک‌کننده را در طول سیکل پروازی برای پره فراهم می‌کند.
پره‌های توربین دارای مجموعه‌ای پیچیده از مسیرهای داخلی هستند که اجازه می‌دهد هوای خنک‌کاری از آن عبور کند. هوای خنک‌کاری از هوای زیرکش‌شده کمپرسور پرفشار بر روی سطح عبور کرده و بیرون و داخل پره‌ها را خنک می‌کند. پره‌ها دارای طراحی شیاردار هستند که باعث می‌شود داخل آن خالی باشد. هوای خنک‌کاری با دمیدن از درون و روی سطح، نقطه ذوب فلزات مبتنی بر آلیاژ نیکل را در محدوده طراحی نگه می‌دارد.
پرت‌اندویتنی با توسعه یک فرآیند ریخته‌گری جدید، برای ایجاد مسیرهای عبوری در داخل پره، با تلرانس حرارتی مقابله می‌کند. قابل ذکر است، سامانه‌های خنک‌کاری کارآمد، نیازی به هوای اضافی از هوای‌زیرکش‌شده کمپرسور ندارند. در عوض، خنک‌کاری حرارتی از همان مقدار هوای زیرکش‌شده استفاده کرده و آن را برای اهداف خنک‌کاری بکار می‌گیرد.
مواد کارآمد مانند سوپرآلیاژهای فلزی، کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی (CMC) و مواد مبتنی بر کربن در قسمت‌های مختلف موتور مورداستفاده قرار می‌گیرند. این مواد مقاومت حرارتی بسیار بالایی دارند. مقاومت حرارتی مقیاسی برای نشان‌دادن سطح دشواری مواد برای هدایت گرما است. مقاومت حرارتی تفاوت دمایی بین دو نقطه داده‌شده توسط جریان گرما بین دو نقطه است. جریان گرما بر حسب واحد در یک زمان مشخص اندازه‌گیری می‌شود.
روش‌های خنک‌کاری منحصر به فرد برای بهبود کارآیی موتور و در عین حال کاهش سایش استفاده می‌شوند. علاوه بر این، روش‌های خنک‌کاری بهینه‌شده، عمر عملیاتی پره‌های توربین را افزایش می‌دهند. بنابر اعلام رولزرویس، روش خنک‌کاری بهبودیافته در پره‌های توربین پرفشار، عمر عملیاتی پره‌ها را دو برابر می‌کند. در حالی که دمای داخلی بیشتر موتور، عملکرد آن را افزایش می‌دهد، سامانه‌های خنک‌کاری کارآمد نیز سایش را به حداقل می‌رساند.
افزایش طول عمر پره همچنین به معنای زمان عملیاتی بیشتر آن است. تولیدکنندگان اصلی همچنین پوشش‌دهی حرارتی کارآمد در بخش‌های داغ مختلف را مورداستفاده قرار می‌دهند تا به عنوان مانع گرما عمل کنند. این پوشش‌ها از مواد اصلی در برابر دمای بالا محافظت می‌کنند. بدون مانع حرارتی، حداکثر دمای مجاز به دلیل آستانه نقطه ذوب سوپرآلیاژها بطور قابل توجهی محدود می‌شود.
استفاده از کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی
کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی (CMC) به‌عنوان جایگزین‌های سبک‌وزن برای آلیاژهای فلزی در نظر گرفته می‌شوند که تقریبا با یک سوم چگالی این مواد، دارای خواص فیزیکی و حرارتی برتری هستند. استفاده از این کامپوزیت‌ها در موتورهای توربوفن بطور قابل توجهی رایج شده‌است. این مواد، تولیدکنندگان اصلی و کاربران را قادر می‌سازد تا محدودیت‌های دمایی موتور را به حداکثر برسانند.
این مواد ترکیبی از الیاف سرامیکی هستند که در ماتریس‌های سرامیکی تعبیه شده‌اند. مواد CMC بسته به کاربرد، از کربن-کربن گرفته تا کاربید کربن-سیلیکون و آلومینیوم، دارای اشکال مختلفی هستند. در طول ساخت این کامپوزیت‌ها، الیاف قبل از نفوذ به مواد ماتریس به شکل یا فرم موردنظر لایه‌گذاری می‌شوند.
بنابر اعلام جنرال الکتریک، شراود‌های توربین جنرال الکتریک ساخته‌شده از CMC، در حال حاضر با موفقیت در داغ‌ترین بخش موتور توربوفن لیپ محصول شرکت CFM اینترنشنال عملیاتی هستند و نیروی پیشران صدها هواپیمای تجاری را تامین می‌کنند.
اداره هوانوردی فدرال آمریکا با هدف کاهش مصرف انرژی، آلایندگی و نویز، به دنبال استفاده از مواد کارآمد در موتورهای توربوفن است. هدف تولیدکنندگان اصلی، استفاده از کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی در بخش‌های داغ موتور جت تجاری است. به این ترتیب، پتانسیل فناوری موتور جت موجود را می‌توان گسترش داد.
منبع:
