در حال بررسی...جلوگیری از گرم شدن موتور توربوفن
از آنجایی که موتور توربوفن یک موتور احتراقی است، به همین دلیل گرما تولید می‌کند. بنابراین، برای حصول اطمینان از کارکرد صحیح، میزان گرم شدن موتور توربوفن باید کنترل شود. در این موتور، مانند هر موتور دیگری، برای خنککاری و روانکاری قطعات متحرک، روغن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
با این حال، یک بخش بسیار مهم در موتور توربوفن وجود دارد که به شدت به گرما حساس است. این بخش مهم توربین است. قرار گرفتن پره‌های توربین در معرض حرارت فراتر از دمای حد مجاز خود حتی برای چند ثانیه می‌تواند آنها را غیرقابل استفاده کند و میلیون‌ها دلار هزینه برای بهره‌بردار موتور به همراه داشته باشد. بنابراین، احتراق باید به گونه‌ای کنترل شود که دما بالاتر و فراتر از ظرفیت توربین‌ها نرود.
چگونگی عملکرد سامانه روغن برای خنککاری موتور
در سامانه روغن موتور توربوفن همانند اتومبیل، یک مخزن روغن و پمپ وجود دارد که روغن را در اطراف موتور پمپاژ می‌کند. در موتور توربوفن، یک شفت، کمپرسور و توربین را به چرخش درمی‌آورد که توسط یاتاقان‌های توپی انجام می‌شود. این امر باعث کاهش اصطکاک شده و ساخت آن را آسان می‌کند. از آنجایی که این یاتاقان‌های توپی بارهای زیادی را تحمل می‌کنند، می‌توانند به راحتی گرم شده و تحت فشار قرار گیرند. بنابراین، برای انتقال گرما از یاتاقان‌ها، روغن از داخل محفظه یاتاقان توپی عبور می‌کند. روغن ابتدا از مخزن روغن به فیلتر روغن پمپاژ می‌شود. این فیلتر تضمین‌کننده عدم عبور هیچ ذره کربن یا ناخالصی دیگری از آن است. روغن از فیلتر از طریق خطوط تغذیه فشار به محفظه‌های یاتاقان وارد می‌شود.
سپس روغن به طور مستقیم توسط جت‌های روغن بر روی یاتاقان‌ها پاشیده می‌شود. سپس این روغن پس از فرآیند خنک‌سازی با کمک پمپ‌های جداکننده به مخزن روغن بازگردانده می‌شود. قبل از ورود آن به مخزن، از یک خنک‌کننده روغن که در آن از سوخت بعنوان ماده خنک‌کننده استفاده می‌شود (FCOC)، عبور می‌کند. در FCOC، سوخت از طریق لوله‌هایی که روغن از روی آنها عبور می‌کند، می‌گذرد. این فرآیند، به سوخت گرما اضافه کرده و گرما را از روغن دور می‌کند. این یک وضعیت برد-برد است، زیرا سوخت به گرما نیاز دارد، در حالی که روغن نیاز به برداشتن آن دارد.
” بخوانید: هدایت روغن در زیر سامانه های موتور هواپیما “
نحوه کنترل دمای احتراق
نسبت شیمیایی صحیح (استوکیومتری) مخلوط هوا و سوخت ۱۵ است. سوزاندن در این نسبت می‌تواند گرمای بیش از ۲ هزار درجه سانتیگراد ایجاد کند که برای پره‌های توربین دمای بسیار زیادی است. به همین دلیل، احتراق به صورت مکانیکی کنترل می‌شود تا از سوزاندن در دمای مناسب اطمینان حاصل شود.
در محفظه احتراق موتور توربوفن، هوایی که از طبقه‌های کمپرسور وارد شده، به سه قسمت تقسیم می‌شود. یکی هوای اولیه، دومی هوای ثانویه و سومی هوای ثالث نام دارد. از این میان، فقط هوای اولیه مستقیما برای احتراق وارد محفظه می‌شود. جالب اینجا است که تنها ۲۰ درصد هوایی که از کمپرسور آمده، همین هوای اولیه است. هوای اولیه با سوخت ترکیب شده و با نسبت استوکیومتری ۱۵ سوزانده می‌شود.
هوای ثانویه و هوای ثالث به اطراف محفظه احتراق هدایت می‌شوند. سپس اولی به آهستگی از طریق سوراخ‌هایی که روی محفظه ایجادشده، به نام سوراخ‌های هوای ثانویه، وارد محفظه احتراق می‌شود. این امر باعث کاهش دمای سوزاندن و افزایش مولکول‌های هوایی و ترکیب آن با سوخت می‌شود. هوای ثانویه نیز تنها ۲۰ درصد از کل جریان هوا را تشکیل می‌دهد. هوای ثانویه نیز نقش مهم دیگری را ایفا می‌کند. از طریق پره‌های چرخشی به داخل محفظه احتراق جریان می‌یابد که به آن در تشکیل گرداب کمک می‌کند. با ترکیب هوای ثانویه با هوای اولیه، یک گرداب حلقوی شکل می‌گیرد که شعله را در نزدیکی نازل‌های تزریق سوخت نگه می‌دارد و از خارج‌شدن آن جلوگیری می‌کند.
مابقی جریان هوا که ۶۰ درصد آن باقی مانده، هوای ثالث نامیده می‌شود. این هوا نیز وارد محفظه احتراق شده و برای خنک‌کردن مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین بدنه محفظه را خنک می‌کند. با ترکیب‌شدن هوای ثانویه و هوای ثالث با هوای اولیه، ترکیب هوا و سوخت بسیار ضعیف می‌شود. در پایان احتراق، نسبت استوکیومتری این ترکیب در محدوده ۱۰۰ قرار می‌گیرد که با نسبت ۱۵ فاصله دارد. این امر، میزان خنککاری دمای هوایی که به توربین‌ها منتقل می‌شود را تضمین می‌کند تا از آسیب جلوگیری شده و تحت فشار قرار نگیرند.
نحوه خنککاری پره‌های توربین و مجموعه توربین
هنگامی که پره‌های توربین در معرض گرما هستند، تحت خزش قرار می‌گیرند. خزش نوعی تنش است که پره را منبسط می‌کند. این تنش خزشی ممکن است تا حدی باشد که پره با بدنه موتور برخورد کند که این ممکن است باعث خرابی فاجعه‌بار شود. بنابراین، پره‌های توربین و مجموعه آنها نیاز به سامانه خنککاری دارند. پره‌های توربین توسط هوای زیرکش‌شده موتور خنک می‌شوند. هوا از طبقه‌های کمپرسور موتور خارج می‌شود و به پرهها برای خنک‌کردن آنها می‌رسد. روی پرهها سوراخ‌هایی ایجاد شده که هوا از آنها عبور می‌کند.
در موتورهای توربوفن اولیه، فقط هوای کم‌فشار از پرهها عبور می‌کرد. این نوع خنککاری به عنوان مسیر یگانه باخنک‌کاری داخلی شناخته می‌شود. با بزرگ‌تر شدن اندازه موتورها و نیاز به نیروی پیشران بیشتر، پره‌های توربین می‌بایست ظرفیت تحمل آن را داشته باشند و در نتیجه گرم شدن موتور توربوفن باید تحت کنترل باشد. بنابراین مسئله مسیر یگانه خنککاری داخلی با تغذیه از چند منبع به همراه خنککاری لایه‌ای مطرح شد.
در این نوع خنککاری، هوای کم‌فشار و پرفشار از پرهها عبور می‌کند که باعث کارآمدتر شدن خنککاری می‌شود. همچنین در این نوع سامانه خنککاری، سوراخ‌ها به‌صورت استراتژیک حفر می‌شوند که لایه‌ای از هوا در اطراف پرهها پوشانده می‌شود. این یک لایه مرزی را تشکیل می‌دهد که خود پره را خنک می‌کند.
این نوع خنککاری بسیار کارآمد بود، اما بیشتر توسعه یافت. مهندسان پی بردند که عبور هوا از طریق پره بیش از یکبار می‌تواند باعث بهینه‌سازی بیشتر خنککاری شود. همچنین مشخص شد که عبور هوا از طریق پره، حدود پنج برابر می‌تواند بهره‌وری خنککاری را تا حد قابل‌توجهی افزایش دهد.
در روش‌های جدید، هوای پرفشار چهار بار از پره عبور می‌کند، در حالی که برای هوای کم‌فشار یک بار است. همانند نوع قبلی خنککاری، سوراخ‌ها به گونه‌ای حفر می‌شوند که یک لایه هوا در اطراف پرهها شکل گیرد و آنها را خنک کند. پره‌های توربین به دیسک‌های آن متصل می‌شوند و این دیسک‌ها نیز نیاز به خنککاری پیدا می‌کنند. دیسک‌های توربین مشابه پره‌های توربین، با عبور هوای پرفشار از روی آنها خنک می‌شوند.
منبع:
