در زمانیکه مشغول مطالعه این نوشتار هستید، احتمالا 68 عدد پره توربین پرفشار داخل موتور توربوفن ترنت XWB محصول رولزرویس با سرعت 12500 دور در دقیقه بصورت بیوقفه میچرخند تا نیروی پیشران یک جت مسافربری ایرباس ای 350 در حال پرواز را تامین کنند. نوک هر یک از این پرهها با سرعت 1930 کیلومتر بر ساعت معادل 1.6 برابر سرعت صوت (ماخ) حرکت میکند.
فاصله خالی بین نوک این پرهها تا پوشش داخلی موتور کمتر از ضخامت تار موی انسان است. دمای هوای عبوری از این پرهها بالاتر از دمای ذوب آنهاست. این همه جزئیات بخشی از اعجاز مهندسی در بالاترین سطح فناوری است که در موتور توربوفن ترنت XWB متبلور شده است. بدون تردید موتور هوایی را میتوان یکی از پیچیدهترین و پیشرفتهترین تجهیزات دستساز بشر برشمرد.
مشخصات کلی این موتور در ادامه ارائه شده است:
سازنده: رولزرویس
نوع: توربوفن سه محوره با گذردهی بالا
نیروی پیشران: 84200 تا 97000 پاوند معادل 375 تا 431 کیلونیوتن
قطر دهانه فن: 3 متر با 22 عدد پره
نسبت گذردهی: 9.6
نسبت فشار کلی: 50
کاربرد: بطور اختصاصی نصب برروی جت مسافربری پهنپیکر ایرباس ای350
تولد از تک کریستال
پره ردیف اول توربین پرفشار پیچیدهترین قطعه موتور توربوفن است که سختترین شرایط کارکردی را تجربه میکند. این قطعه بلافاصله بعد از محفظه احتراق نصبشده و در معرض عبور گاز داغ با دمای حدود 1700 درجه سانتیگراد قرار دارد. این در حالی است که دمای ذوب سوپرآلیاژ نیکل که ماده اصلی تشکیل دهنده این پره است به کمی بیشاز 1350 درجه سانتیگراد میرسد. ترکیب سه معجزه مهندسی شامل ماده اولیه و فرآیند ساخت، خنککاری و پوششدهی این امر را میسر میکند.
هر پره با ریختهگری یک کریستال با ساختاری بلوری و پیوسته با لبه ناشکسته و بدون مرزدانه تولید میشود. این فرآیند را ریختهگری دقیق مینامند. در رولزرویس مدل مومی هر پره ایجاد میشود، سپس قالب سرامیکی بر اساس آن شکل میگیرد و پس از ذوب موم، جای خالی داخل قالب با سوپرآلیاژ نیکل پایه مذاب پر میشود. بحرانیترین مرحله در این فرآیند زمانی است که از پایه قالب تنها یک کریستال فرصت رشد و گسترش پیدا کرده و کل ساختار پره را شکل میدهد. نتیجه اعجاب انگیز است و یک قطعه یکپارچه ایجاد میشود که هیچ مرزدانه داخلی ندارد. در ساختارهای فلزی متعارف این مرزدانهها بعنوان نقطه ضعف اصلی و محل آغاز ترک خوردگی تحت تنش شناخته میشوند.
رولزرویس یک مرکز اختصاصی ریختهگری دقیق پره داغ موتور هوایی را در روترهام انگلستان با بودجه 170 میلیون دلاری راهاندازی کردهاست. این مرکز ظرفیت تولید 100 هزار پره تک کریستال در سال را با استفادهاز خطوط روباتیک خود داشته و به دستگاههای بازرسی 3 بعدی و توموگرافی رایانهای مجهز است.
بقا بالاتر از دمای ذوب
ساختار تک کریستال به تنهایی حلال چالش کارکردی پره ردیف اول توربین پرفشار نیست و بکارگیری دو فناوری کلیدی دیگر الزامی است. اولی شامل استفاده از شبکه خنککاری داخلی است که امکان عبور هوای زیرکش شده از کمپرسور را از داخل کانالهای سوراخکاری شده در پره فراهم میآورد. هوای مورداستفاده برای خنککاری در نهایت از صدها حفره بسیار ریز ایجاد شده روی سطح پره خارج میشود و نوعی خنککاری لایهای اضافی را نیز مهیا میکند که دمای سطح پره را به میزان چندصد درجه کاهش میدهد.
فناوری کلیدی دوم پوششدهی سد حرارتی موسوم به TBC است. در این روش یک پوشش سرامیکی روی سطح پره قرار داده میشود که عموما از جنس زیرکونیا تثبیت شده با ایتریا تهیه شده است. برای اعمال پوششدهی از روش پاشش پلاسمای اتمسفری APS یا پاشش حرارتی HVOF استفاده میشود. ترکیب استفاده از ساختار تک کریستال، خنککاری داخلی و پوششدهی سد حرارتی به پره امکان میدهد در دمای محیطی 200 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای ذوب خود کار کند. این رویا برای نسلهای قبلی دست نیافتنی بود.
چالش فاصله نوک پره تا پوسته؛ مهندسی در ضخامت تار مو
فاصله بین نوک پره تا پوسته داخلی یکی از مهمترین پارامترهای موثر در بهرهوری موتور است. اگر این فاصله بیش از حد زیاد باشد گاز داغ در اطراف نوک پره بدون تبدیل انرژی به کار مفید، هدر میرود و با تلف شدن بخشیاز نیروی پیشران عملا سوخت نیز بیفایده مصرف شده است. اگر این فاصله بیش از حد نزدیک باشد، خطر ساییده شدن نوک پره به پوسته میتواند منجر به نتایج آسیبزا و بسیار خطرناک شوند.
در موتور توربوفن ترنت XWB این فاصله به میزان کمتر از یک میلیمتر و معادل ضخامت تار موی انسان نگه داشته میشود در حالیکه پره با سرعت 12500 دور در دقیقه میچرخد و سازه کل موتور در بخشهای مختلف با توجه به تغییرات قابل توجه درجه حرارت گاز عبوری منبسط و منقبض میشود. رولزرویس با استفاده از سامانه کنترل فعال، فاصله بین نوک پره و پوسته داخلی را در موتور ترنت XWB بصورت بهینه در طول پرواز مدیریت میکند. این توانمندی نقش بهسزایی در مدیریت مصرف سوخت و همچنین کاهش آلایندگی دیاکسیدکربن دارد.
نقش 68 پره داغ در تولید توان برخاست هواپیما
در زمان برخاست هواپیمای ایرباس ای 350 هر پره داغ ردیف اول ترنت XWB تقریبا توانی معادل 900 اسب بخار ایجاد میکند و مجموعه 68 پره ردیف اول توربین پرفشار این موتور توربوفن 61200 اسب بخار توان تولید مینماید که تقریبا معادل 40 دستگاه ماشین مسابقهای فرمول یک است.
در عین حال بخش تامین قدرت توربین این موتور توان لازم برای دوران 22 پره فن با قطر دهانه 3 متر در قسمت جلویی را ایجاد میکند. ساختار این موتور 3 محوره استو توربین پرفشار به کمپرسور پرفشار متصل است. توربین متوسط دو مرحلهای هشت طبقه کمپرسور فشار متوسط را میچرخاند و شش طبقه توربین کمفشار فن را به حرکت درمیآورد.
رولزرویس موتور توربوفن ترنت XWB را در سال 2006 بهعنوان تامینکننده اختصاصی نیروی پیشران هواپیمای مسافربری ایرباس ای 350 معرفی کرد. تاکنون بیش از 1600 دستگاه از این موتور به بهرهبرداران مختلف در 30 کشور دنیا فروخته شده است. مونتاژ نهایی این موتور در تاسیسات رولزرویس در دربی انگلستان و همچنین در مرکز داهلویتز آلمان انجام میشود. هماکنون رولزرویس 2 دستگاه موتور توربوفن ترنت XWB در هفته مونتاژ و عرضه میکند.
منبع:
