بهرهوری موتور توربوفن بطور مستقیم با مصرف سوخت آن در ارتباط است که در قالب نسبت بین نیروی پیشران تولیدی بر حسب واحد زمان و واحد جرم سوخت مصرفی اندازهگیری میشود. این پارامتر به مصرف سوخت ویژه پیشران معروف است که آن را با عبارت TSFC نشان میدهند.
پارامترهای عملکرد موتور توربوفن
واحد اندازهگیری این پارامتر پاوند بر پاوند فورس بر ساعت یا کیلوگرم بر نیوتن بر ساعت است. بر حسب معماری موتور، نسبت حجم هوای ورودی به هسته اصلی موتور توربین هوایی که در چرخههای حرارتی مصرف میشود، به هوای کنارگذر متفاوت خواهد بود. به این پارامتر نسبت گذردهی گفته میشود. در موتور توربوفن، هوای ورودی فشرده شده و پس از ترکیب با سوخت محترق میشود تا گاز داغ موردنیاز برای چرخش توربین را فراهم کند. هوای ورودی معمولا توسط دو یا چند کمپرسور محوری فشرده میشود که با سرعتهای مختلف دوران میکنند.
هرکدام از آنها از چند مرحله شامل پرههای ثابت و پرههای متحرک تشکیل میشوند. در این پیکربندی، فشردهسازی تدریجی هوا از تجمیع فرآیند در هر مرحله از کمپرسور حاصل میشود. به این پارامتر نسبت فشار کلی گفته میشود و نسبت بین فشار سکون خروجی به ورودی کمپرسور است.
موتورهای توربوفن اولیه
امروزه اغلب هواپیماهای غیرنظامی از دو گونه موتور شامل توربوپراپ و توربوفن استفاده میکنند. در اوایل دهه 1940 شرکت دایملر بنز، اولین موتور توربوفن با گذردهی پایین موسوم به DB007 را توسعه داد. این موتور وارد مرحله تولیدی نمونههای عملیاتی نشد.
اولین موتور توربوفن عملیاتی جهان با نام کانوی توسط رولزرویس در دهه 1950 توسعه داده شد. این موتور در اوایل دهه 1960 به خدمت عملیاتی پیوست و نیروی پیشران جت مسافربری بوئینگ 707-400 را تامین میکرد. این موتور با نیروی پیشران 17500 پاوند فورس دارای دهانه فن به قطر یک متر بود.
مشخصههای عملکردی این موتور در مقایسه با نمونههای امروزی ضعیف قلمداد میشود. نسبت کلی فشار موتور مذکور 14 و نسبت گذردهی آن 0.3 اعلام شدهاست. مصرف سوخت ویژه پیشران آن در شرایط برخاست معادل 0.725 پاوند بر پاوند فورس بر ساعت بود.
نسل بعدی موتورهای توربوفن شاهد بهبود نسبت گذردهی و نسبت فشار بودند. برای مثال میتوان به موتور JT8D اشاره کرد که پرتاندویتنی آن را در نیمه دهه 1960 عرضه کرد. دهانه فن این موتور 1.25 متر است و نسبت گذردهی آن به 1.8 میرسد. همچنین نسبت فشار کلی این موتور معادل 20 گزارش شدهاست. مجموع این بهبودها در طراحی موتور منجر به تامین نیروی پیشران 21 هزار پاوند فورس و کاهش مصرف سوخت ویژه پیشران در شرایط برخاست به مقدار 0.65 پاوند بر پاوند فورس بر ساعت شد.
تولد موتور توربوفن با گذردهی بالا
توسعه کسبوکار هوانوردی در جهان، طراحان موتور را به سوی کاهش مصرف سوخت سوق داد.این تلاش منجر به تغییر بنیادین در معماری موتور توربوفن شدهاست. بهبود پارامترهای کارکردی بویژه نسبت فشار کلی نسل جدیدی از موتورهای توربوفن را به بازار معرفی کرد که از آنها بهعنوان موتور توربوفن با گذردهی بالا یاد میشود. طلایهدار این نسل خانواده موتور CFM56 است که نمونه اولیه آن در سال 1974 عرضه شد.
افزایش قابلتوجه قطر دهانه فن به 1.85 متر و نسبت فشار کلی به 33 در کنار نسبت گذردهی 6.8 منجر به کاهش مصرف سوخت ویژه پیشران تا 0.32 پاوند بر پاوند فورس بر ساعت شد. درحال حاضر، طراحان اصلی موتور توربوفن شامل شرکتهای پرتاندویتنی، رولزرویس، جنرالالکتریک و CFM اینترنشنال روند افزایش نسبت فشار کلی و گذردهی را برای برآوردن الزامات کاهش مصرف سوخت دنبال میکنند.
دو موتور توربوفن روزآمد پیشتاز
امروزه دو موتور PW1100G محصول پرتاندویتنی و LEAP-1A محصول شرکت CFM اینترنشنال بهعنوان دو نمونه با بیشترین بهرهوری شناخته میشود. هر دوی این موتورها برای نصب بر روی جت مسافربری ایرباس A320neo انتخاب شدهاند. موتور LEAP-1A براساس معماری کلاسیک دو محوره با گذردهی بالا طراحی شدهاست. نسبت گذردهی این موتور 11.3 است و نیروی پیشران بیشینه آن به 32 هزار پاوند فورس میرسد. قطر دهانه فن این موتور اندکی کمتر از دو متر است. علاوه بر این، نسبت فشار کلی این موتور به 39 میرسد. در نتیجه مصرف سوخت ویژه پیشران آن 0.25 است. پرتاندویتنی در توسعه موتور PW1100G تصمیم گرفت از معماری نوآورانه توربین دندهای استفاده کند.
بر این اساس، یک جعبهدنده کاهنده سرعت به موتور اضافه میشود که بخش کمفشار توربین را به روتور فن متصل میکند. در معماری کلاسیک موتور توربوفن، روتورفن و روتور بخش کمفشار توربین با سرعت یکنواخت دوران میکند.
در موتور توربوفن دندهای، امکان دوران فن با سرعت بیشتر وجود دارد. بر این اساس، این محصول روزآمد پرتاندویتنی با قطر دهانه فن نزدیک به 2.1 متر و نسبت گذردهی 12.7 کار میکند. نسبت فشار کلی این موتور با موتور LEAP-1A یکسان است. اما مصرف سوخت ویژه پیشران آن به 0.23 پاوند بر پاوند فورس بر ساعت کاهش یافتهاست. بنظر میرسد در آیندهای نزدیک شاهد تحولات هنجارشکن در معماری موتور توربوفن نخواهیم بود و افزایش بیسابقه تقاضا در بازار هوانوردی غیرنظامی موجب ثبت رکوردهای جدید فروش برای موتور موفق لیپ خواهد شد.
منبع:
