روتور و استاتور

در کل، کمپرسورهای محوری گذشته از جزئیات آنها از دو قسمت بسیار مهم و اساسی تشکیل میشوند که یکی شامل روتورها یا توربینهای گردنده است و دیگری را استاتورها تشکیل میدهند که در دید ظاهری کاملا مشابه روتورها هستند ولی تفاوتهای کاری و محاسباتی دارند. در شکل زیر مجموع کل توربینها و قسمتهای ثابت نشان داده شده است.

همانطوریکه میدانید در کمپرسور محوری حرکت جریان هوا موازی با محور چرخش است. این کمپرسور از تعدادی سطرهای (ردیف های مدور) ایرفویل آبشاری شکل تشکیل شده است. به سطرهایی که به شفت مرکزی متصل هستند و با سرعت بسیار بالایی میچرخند روتور گفته میشود که مجموعه ی توربینهای کمپرسور را در بر میگیرد.

به سطرهای دیگر که ثابت هستند و مانند روتور نمی چرخند استاتور گفته میشود. وظیفه ی استاتور افزایش فشار هوا و جلوگیری از حرکت مارپیچی آن حول محور طولی با یکسوسازی جریان موازی با محور طولی میباشد. شکل بالا فقط روتورها را نشان داده و استاتورهای آن بر روی بدنه کمپرسور نصب شده اند. در پست های پیش تصاویری از آنها را مشاهده کردید ولی در آنجا من آنها را معرفی نکردم. استاتورهای امروزی که در اکثر موتورهای جت مورد استفاده قرار میگیرد استاتورهای متغیر هستند. به این صورت که همه ی پره های استاتور بطور مساوی و موازی با یکدیگر تغییر زاویه داده و میزان کاهش سرعت را تغییر میدهند و با این مکانیزم امکان کاهش سریع دور موتور میسر شده است. در شکل زیر میزان تغییر زاویه را در یک استاتور مشاهده میکنید.

چون در گذشته امکان کاهش سریع دور و تغییر گشتاور در زمان کوتاهی نبود و یک نقطه ضعف برای این موتورها محسوب میشد این مکانیزم ساخته شد. از سمت دیگر عامل مهمتری که باعث ایجاد این مکانیزم شد نیاز به کاهش بیشتر سرعت جریان هوا بود که در سرعتهای بالا به آن نیاز بود. چون در سرعت های بالا که جریان هوا با سرعت وارد موتور میشود باید سرعت آن به قدری پایین بیاید که احتراق پذیر باشد. این مکانیزم این امکان را فراهم میکرد که با تغییر زاویه ی تیغه های استاتور به میزان بیشتری از سرعت هوا کاسته شود. در شکل زیر نمونه ی این مکانیزم مشاهده میشود که دارای بازوهای هیدرولیکی است.

پره های هادی (نازل)Nozzle vanesاین دسته شامل سطرهایی از پره های ثابت مشابه استاتور است که دقیقا قبل از هر چرخ توربین قرار میگیرد و وظیفه ی آن همسوسازی با جهت بخشیدن به جریان هوای محترق محفظه ی احتراق است که باعث افزایش بازده یک موتور به میزان بسیار بالایی میشود بطوریکه امروزه همه ی موتورهای توربینی از آن بهره میبرند. این پره های هادی باعث تعادل توربین های قدرت میشوند و در واقع کنترل جریان محفظه ی احتراق دست آنهاست.

Rotor (توربین)این دسته نیز همان توربینهای قدرت را تشکیل میدهند که به شفت متصل میباشند و بخاطر جذب نیروی جنبشی مولکولها با سرعت بسیار بالایی میچرخند و همراه خود روتور کمپرسور را نیز میچرخانند. در شکل زیر مجموعه ی پره های هادی و روتورهای توربین را مشاهده میکنید.

---

معرفی Airfoilهمانطوریکه قبلا عرض کردم بطور کلی طراحی و ساخت توربین دشوارترین مرحله از مراحل ساخت یک موتور جت است. این مسئله از دو جهت دشوار است، اولی طراحی آن است که نیاز به محاسبات و آزمایشهای پیچیده دارد تا طرح کلی یک توربین مشخص شود و دومی ساخت و تولید توربین است که کاری دشوار، وقت گیر و بسیار پرهزینه است. در این پست فقط یک توضیح کوتاه درباره ی مراحل ساخت مینویسم. در حالت کلی برای ساخت تیغه ی توربین یا کمپرسور ابتدا ماده خام را به یکی از روشهای آهنگری یا ریخته‌گری دقیق به شکل اولیه موردنظر در می‌آورند. بعد برای اینکه قسمتهای مختلف تیغه را به اندازه نهایی برسانند از روشهای مختلف ماشین‌کاری استفاده می‌کنند. دقیق‌ترین قسمت یک تیغه به لحاظ ابعادی، قسمت ریشه آن می‌باشد که معمولاً از روش سنگ‌زنی خزشی برای ماشین‌کاری آن استفاده می‌شود. قابل توجه است که ریشه ی تیغه با توجه به نیروهایی که به آن وارد می‌شود نسبت به بقیه قسمتهای تیغه دارای کیفیت سطح و دقت ابعادی بالایی است. در مورد جنس فلز های مورد استفاده در آینده مطالبی خواهم نوشت. این مطالب در مورد توربینهای چند تکه و مربوط به موتورهای پرقدرت و بزرگ است ولی در موتورهای کوچک که توربین یکپارچه است دیگر خیلی از این مراحل طی نمیشود. یک تیغه یا پره ی توربین از قسمت های مختلفی تشکیل میشود که مشکلترین آن به لحاظ ساخت ریشه و مشکلترین به لحاظ طراحی ایرفویل میباشد. موضوع مورد بحث ما مربوط به ایرفویل میشود.

به مقطع خاصی که با عبور هوا از اطراف آن ایجاد اختلاف فشار در بالا و پایین مقطع مینماید، ایرفویل گفته میشود و نیروی ایجاد شده نیروی آیرودینامیکی خوانده میشود. این شکل یک شکل کشیده ی دراز و باریک به شکل ماهی یا دوک است که جلوی آن گرد و عقب آن با زاویه کمی شکل مخروط می یابد. ایرفویل با مشخصات ذکر شده در مقطع عرضی یک جسم شکل داده شده تعریف و مورد بحث قرار میگیرد. ساده ترین مثال از یک ایرفویل مقطع عرضی یک بال هواپیماست که در شکل زیر قسمت های مختلف آنرا مشاهده میکنید.

خصوصیات ایرفویل گذشته از بال هواپیماها، اهمیت به سزایی در کاربردهای مهندسی و علمی در هواپیماها و کشتی ها، بالگردها، کمپرسورها، توربینها، فنها، پمپها، تونلهای باد کانالهای هیدرولیکی و آسیابها و خیلی کارها و صنایع و وسایل دیگر دارد. بیشتر مسائلی که در مورد ایرفویل با آن برخورد کردید مربوط به بال هواپیما میشود. یک کاربرد مهم و اساسی دیگر ایرفویل درتیغه ی توربین است و مربوط است به موتورهای توربینی و جت که دارای توربین و یا فن هستند. لازم به ذکر است که محاسبات ایرفویلهای توربینها به جهت اندازه ی مورد و شکل پیچیده تر و رفتارهای بیشتر به مراتب پیچیده تر و سخت تر از بال هواپیما میباشد. پیش از ارائه ی فرمولها(در پست بعدی) برخی تعاریف لازمند.
قسمت جلویی ایرفویل که لبه ی حمله (Leading Edge)نامیده میشود و اولین محل تماس با هوا میباشد و از نظر طراحی ظرافت و حساسیت بالایی دارد. قسمت انتهایی که لبه ی فرار (Trailing Edge)نامیده میشود و مانند یک لبه ی تیز است و در انتهای این محل هوای قسمت بالایی و قسمت پایینی به یکدیگر میرسند. روی آن که "سطح زبرین" یا "انحنایی رویی" (Upper Camber)نامیده میشود و زیر آن که "سطح زیرین" یا "انحنای زیرین" (Lower Camber)نامیده میشود. این مقطع، نسبت به یک خط مبنا که "خط وتر" نامیده میشود و لبه ی حمله را به لبه ی فرار متصل میکند تعریف میگردد.

Chord Line
خط مستقیمی که لبه ی حمله را به لبه ی فرار وصل میکند خط وتر نامیده میشود. تعاریف متعددی برای مکان این خط وجود دارد. در ایرفویل های خمیده (قوس دار) که سطح زیرین مقعری دارند، خط مناسب خطی است که بطور مماسی در زیر انحنای زیرین قرار گیرد و در قسمت زیرین لبه ی حمله و لبه ی فرار با آن سطح تماس داشته باشد. تصویر مقطع ایرفویل بر روی این خط، وتر نامیده میشود و طول وتر را با حرف c نشان میدهند. ایرفویل هایی که بیشتر در ملخ ها و فن ها مورد استفاده قرار میگیرند، غالبا از سطح زیرین صاف و تختی برخوردارند و نظر به اینکه قسمت اعظم خط وتر با انحنای زیرین تماس دارد، لبه ی حمله (مدور) تنها قسمتی است که از این خط جداست. در صورتی که مقاطع (ایرفویل) مورد استفاده از نوع متقارن یا کم انحنا باشند خط وتر بصورت خطی تعریف میگردد که مرکز انحنای لبه ی حمله را به مرکز انحنای لبه ی فرار متصل میکند. به محض آنکه خط وتر طرح شود، انحنای فوقانی یا رویی بوسیله ی مختصات انحنایی که در درصد های مختلف ترسیم شده اند، مشخص میشود و انحنای زیرین را ترسیم مختصات زیرین در همان جایگاه مشخص میکند.
Mean Camberخطی است که هر نقطه آن به یک اندازه از مرزهای سطوح زیرین و رویی فاصله دارد و این فاصله ها عمود بر خط مرکزی اندازه گیری میشود. به بیان ساده تر خط میانی خطی است که شکل ایر فویل را به دو قسمت مساوی در جهت طول ایرفویل تقسیم میکند. در اکثر کاربردهای ایرفویل این خط با فاصله ی کمی بر بالای خط وتر انحنا میابد و در تیغه های توربین نیز به میزان بیشتر انحنا میابد.
نسبت وتر/ضخامتحداکثر ضخامت کل بنام t خوانده میشود و نسبت t بر وتر(c) به عنوان نسبت ضخامت بر وتر نامیده میشود و به عنوان درصد % t/c بیان میشود. موقعیت حداکثر ضخامت بسیار مهم است . در جنگنده های سریع امروزی از بال بسیار نازکی همراه با t/c برابر 6% برخوردار هستند. برای وسایل نقلیه ی پرنده ی بزرگ و کم سرعت میزان 20% در این نسبت امری عادی است. برخی از ایرفویل های مکشی حتی نسبت 40% یا 50% را دارا هستند.
انحنای خط مرکزی یا حداکثر انحناء
این مسئله بعنوان حداکثر ارتفاع خط مرکزی بر بالای خط وتر تعریف میگردد که طول وتر آنرا تقسیم میکند. ایرفویل های عادی هواپیما از منحنی های 2% یا 4% برخوردار هستند که عدد نخست اشاره به مقاطع ایرفویل متقارن دارد که در دم ها مورد استفاده قرار میگیرند.بطور کلی هر چه میزان انحناء بیشتر باشد مقدار بیشتری از ایرفویل در بالای خط وتر قرار میگیرد و نیروی برآ ی بیشتری تولید میشود، اما در همین زمان نیروی پسا نیز به تندی بر روی مقطع ایرفویل افزایش میابد.
زاویه ی حملهزاویه ای است بین خط وتر و باد یا جریانی که به ایرفویل برخورد میکند و آنرا با علامت بر حسب درجه یا رادیان مورد استفاده قرار میدهند. توجه کنید که نباید این زاویه را با زاویه ی قرار گرفتن تیغه روی دیسک توربین اشتباه بگیرید. چون زاویه نصب زاویه ای است بین خط طولی موتور و خط وتر ایرفویل.
ادامه مطلب را در پست بعدی دنبال کنید...

---

پاسخ به سوالات شما
آقا مجید پرسیده است:"ببخشید اگه میشه چند تا کتاب مفید رو هم در همین زمینه (موتور جت) معرفی کن."
چون کتابهای تخصصی درباره ی موتورهای جت در سطح دانشگاه میباشد و علاوه بر مشکل بودن ترجمه ی آن قیمت بالایی نیز دارند از معرفی آنها صرف نظر میکنم ولی از کتابهایی که برای شما مناسب هستند دو کتاب انتخاب کردم که هر دو درباره ی میکروجت نوشته اند و قیمت مناسبی نیز دارند ولی در مورد تهیه آنها در ایران شک دارم.
یکی از آنها با عنوان Gas Turbine Engines for Model Aircraft میباشد که مولفان آن Kurt Schreckling و  Keith Thomas هستند و از طریق این لینک در سایت آمازون قابل خریداری است.
دیگری کتابی با عنوان Model Jet Engines است که مولفان این کتاب Thomas Kamps, Keith Thomas هستند و آن طور که من تعریف این کتابها را شنیده ام کتابهای خوبی هستند و محاسبات مربوط به طراحی یک میکروجت در آنها موجود است. این کتاب را نیز میتوانید از طریق این لینک خریداری یا مشاهده کنید.

چنانچه کسی توانست این کتابها را در ایران تهیه کند لطفا اطلاع دهد تا دیگران نیز در صورت تمایل آنها را خریداری کنند. و یا اگر دوستانی در خارج از کشور هستند که بتوانند این کتابها را تهیه کنند بسیار متشکر میشوم که اطلاع دهند تا علاقمندان سفارش خرید این کتابها را به شما بدهند.
آقا فرشاد پرسیده است: "شما جایی رو تو تهران می شناسین که موتور جت یا لوازم مربوط به اون رو بفروشه؟ "
در تهران مکانی برای فروش لوازم موتور جت یا خود آن وجود ندارد. اگر هم مکانی برای سفارش آنها باشد قیمت بسیار بالاست و فکر نمیکنم کسی در ایران برای یک موتور جت کوچک یک میلیون ونیم (حداقل این قدر تا الی ماشاءالله 100 و بالاتر) بپردازد. در واقع اگر بخواهید این قطعات را در ایران تهیه کنید باید ابتدا نقشه ی آن را داشته باشید و سپس بسته به حساسیت آنرا به تراشکار بسپارید یا اگر راحت باشد و به ابزارهای زیادی نیاز نداشته باشد خودتان آنرا بسازید.
دوستمان آقا آرش تعدادی سوال پرسیدند که به آنها میپردازم. "می خواستم بپرسم که سوختی که در موتورهای میکروجت یا پالس جتی که در هواپیمای مدل یا مینی اتوموبیل ها استفاده می شود چیست؟".
بسیاری از موتورهای توربین گازی کوچک از نفت سفید به عنوان سوخت مایع و از پروپان به عنوان سوخت گازی برای گرم کردن و همچنین استارت، قبل از سوخت مایع استفاده میکنند. بعضی موتورها هم متفاوت از آنها هستند؛ مثلا موتور JPX که فقط از سوخت پروپان استفاده میکند. راحت ترین انتخاب برای سوخت گاز پروپان است که نیازی به سوزن انژکتور و پمپ و... ندارد و فقط از طریق یک دریچه کنترل میشود و کار استارت را هم میکند.

"آیا این جتها با قدرت تولیدی خود می توانند هوپیمای مدل حاوی مخزن سوخت را به پرواز در آورند؟".
البته. بیشتر این موتورها به قدری قوی هستند که میتوانند هواپیما را بطور عمودی هم بلند کنند و بعضی دیگر با همان اندازه ی کوچک در هواپیماهای شخصی یک نفره بکار میروند مانند موتور کبرا که با اینکه کمپرسور آن محوری نیست ولی به خاطر طراحی پیشرفته ی آن، قدرت بسیار بالایی دارد.
"وسایل توربو شارژر (کمپرسور گریز از مرکز و توربین و شفت ) را از کجا میتوان تهیه کرد و آیا اطلاعی از قیمت آنها دارید یا نه؟ "
تا آنجایی که من اطلاع دارم میتوانید توربوشارژر را در تهران تهیه کنید ولی آنرا بطور کل به شما میدهند و قطعات را در ایران نمیتوانید به تفکیک بخرید. آن هم چون توربوشارژر آکبند است قیمت بالایی دارد(از 200 تا 900 هزار تومان). اگر کسی خواست که بخرد توصیه من این است که یک دست دوم آنرا از تعمیرگاه های کامیون و باری، پیدا کند(بیشتر از 40 هزار تومان پول ندهید).

"هزینه لازم برای ساخت موتور جتی که شما قصد آموزش ساخت آن را دارید در چه حدی است و همچنین تعداد دور در دقیقه لازم برای استارت موتور میکرو جت وکمی توضیحات بیشتر در خصوص نحوه مونتاژ استارت روی موتور ؟ "
موتور میکروجتی که نحوه ساخت آن به همراه نقشه ها را خواهم داد چیزی بین 250 تا 300 هزار تومان هزینه دارد و این مقدار نسبت به قیمت فروشی همان موتور که یک میلیون و 300 هزار تومان است قیمت بسیار پایین و مناسبی است. همچنین خود نقشه ها نیز گران هستند که من آنها را مجانی در اختیار شما قرار خواهم داد. پس توصیه میکنم اگر میخواهید که یک توربوجت کوچک بسازید از حالا به جمع کردن پول آن همت کنید. اگر هم بخواهید پالس جت بسازید هزینه ی پایین تری را متحمل میشوید.

RPM لازم برای استارت هر موتوری به کمپرسور و توربین آن بستگی دارد و حساسیت استارت نیز در موتورها متفاوت است؛ به این صورت که موتورهای بزرگتر و در واقع جت هواپیما حساسیت بیشتری دارند ولی در میکروجت آنقدر هم حساسیت وجود ندارد و میتوان با یک استارت دور پایین هم این کار را انجام داد. نحوه ی مونتاژ هم بستگی به نوع استارت دارد که فکر میکنم منظور شما الکتریکی است. در استارت الکتریکی باید شفت از قسمت جلوی موتور کمی امتداد پیدا کند و از طریق یک کلاچ کوچک به استارت متصل شود و برای سوار کردن استارت الکتریکی حداقل به سه پایه نیاز است و اتصال به شفت میتواند متفاوت از نوع کلاچ دار هم باشد. در کل برای کاهش هزینه ها و راحتی در ساخت بهتر است (البته برای ما در ایران) که از این نوع استارت استفاده نشود. توجه کنید در صورتی سوخت مایع باشد مجبورید از این استارت استفاده کنید.
آقا محمود پرسیده است: "از قسمت سیستم جرقه و چگونه گی انتقال سوخت و هوا به موتور مرا راهنمایی کنید ایا جرقه باید مداوم باشد؟"
برای جرقه میتوانید از یک شمع پایه کوتاه استفاده کنید و جرقه بعد از شروع احتراق دیگر لازم نیست، گرچه در بعضی موتورها در دور آرام برای جلوگیری از خاموش شدن در زمانهای معینی جرقه زده میشود. حتی من موتوری را دیدم که اصلا شمع نداشت. نحوه ی انتقال سوخت به محفظه ی احتراق از طریق مانیفولد سوخت است که بر روی آن انژکتور ها نصب شده اند و در سوخت گاز ها انژکتور غیر قابل تصور و بسیار ساده است. هوا نیز از لای سوراخ های روی محفظه ی احتراق وارد آن شده و با سوخت مخلوط شده و بلافاصله میسوزد...

---