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...

---

شرحی مختصر از پس سوز

برای حرکت یک هواپیما به جلو یک نیروی جلوبرنده بنام "تراست" که من بارها ازاین نام استفاده کردم باید توسط یک پیشران تولید شود. بیشتر هواپیماهای جنگنده ی مدرن از یک پس سوز در موتور خود(چه توربوجت و چه توربوفن با ضریب گذرگاهی پایین ) استفاده میکنند. اما در این پست میخواهم که مسائل اولیه ی مربوط به توربوجتهای پس سوز دار را بنویسم.

طبق قانون طبیعت، هواپیماهای جنگنده برای پرواز در سرعتی بالاتر از سرعت صوت (supersonic)، مجبورند به یک نیروی drag یا همان نیروی پسا که در جهت مخالف حرکت است، غلبه کنند. در طول کل پرواز از ابتدا تا انتها پای این نیرو در کار است ولی در سرعت صوت این نیرو تغییرهایی دارد. در سرعت صوت این نیرو با شتابی افزایش پیدا کرده و مانع از افزایش بیشتر سرعت هواپیما میشود. پس برای غلبه بر این نیرو به نیروی تراست بیشتری احتیاج است. یک راه ساده برای بالابردن تراست به میزان قابل توجه، اضافه کردن یک پس سوز به هسته ی توربوجت است. در یک توربوجت اساسا مقداری از انرژی گازهای محترق و خروجی برای چرخاندن توربین یا توربینها مورد استفاده قرار میگیرد. در واقع پس سوز برای بالا بردن نیروی تراست تولیدی، از طریق تزریق سوخت به این گازهای محترق استفاده میکند. در شکل بنیادی توربوجت پس سوزدار شما متوجه خواهید شد که بخش نازل کمی طویل شده و حلقه هایی از نگه دارنده ی شعله با رنگ نارنجی را در کنار نازل خواهید دید. در پس سوزها وقتی بخش پس سوز روشن است، سوخت اضافی از میان حلقه ها به گازهای محترق اگزوز تزریق میشود. سوخت میسوزد و با افزایش حرارت و انبساط، تراست بیشتری را تولید مینماید ولی این سوخت با بازدهی که سوخت در محفظه ی احتراق میسوزد، نمیسوزد. شما تراست بیشتری با یک پس سوز خواهید داشت ولی مقدار خیلی بیشتری سوخت خواهید سوزاند. نکته ی دیگر اینکه هنگامیکه پس سوز خاموش است کارایی موتور، به همان میزان کارایی ثابت توربوجت است. در تصویر زیر نمونه ی یک پس سوز دست ساز را میبینید که سوخت پاش و حلقه ی نگه دارنده ی شعله به وضوح دیده میشود. 

گازهایی که به قسمت پس سوز میرسند هنوز مقدار زیادی اکسیژن مصرف نشده دارند. بطور میانگین چیزی در حدود 25 درصد از اکسیژن هوای مورد استفاده ی موتور، در محفظه ی احتراق به مصرف میرسد. پس اگر به مقدار اکسیژن باقیمانده (تقریبا 75 درصد) مقداری سوخت اضافه شود توانایی احتراق آنرا را دارد که نتیجه ی آن بالاتر رفتن حرارت و افزایش سرعت گازهای اگزوز و در نهایت افزایش تراست خواهد بود. بیشتر پس سوزها در حدود 50 درصد نیروی تراست را، افزایش میدهند. قابل توجه است، پس سوز فقط در مدت زمان محدودی قابل استفاده است چون هیچ فلزی توان تحمل دماهای بسیار بالا را ندارد. به همین خاطر فقط در زمان برخاستن هواپیما از زمین یا در هنگام گذر از دیوار صوتی یا در هنگام صعود به بالا با زاویه ی زیاد و یا سایر حالت های ویژه مورد استفاده قرار میگیرد. البته میتوان این مدت محدود را افزایش داد و حتی آنرا دائمی کرد. برای این منظور میتوان با یک خنک کاری ویژه ی مداوم یا گاه به گاه آنرا متعادل نگاه داشت. یک راه برای افزایش زمان استفاده از پس سوز این است که دیواره ی انتهایی موتور را دو جداره کنیم و یک انشعاب از هوای کمپرس شده را که از خنک کننده (دستگاهی است برای جذب گرمای هوا به میزان بالا) عبور کرده، از آن میگذرانیم که باعث کاهش پیشرفت حرارت دیواره ی موتور به میزان زیادی میشود و در نهایت این هوا به گازهای داخلی و داغ ملحق میشود. امروزه در بیشتر موتورهای توربوجت مختص جنگنده ها این فناوری وجود دارد. راه دیگر استفاده از گازهای خنک کننده ی قوی است که به میزان خیلی خیلی زیادی دمای موتور را کاهش میدهند، اما به هر حال این روش و روشهای دیگر معایب زیادی دارند و گذشته از معایب هزینه ی بسیار بالایی نیز دارند.

استارت موتورهای جت وتوربینی

برای روشن شدن یک موتور توربینی یقینا به یک آغازگر و راه انداز نیاز میباشد همانطور که برای روشن شدن یک موتور پیستونی نیاز است. ولی بین استارت یک موتور پیستونی و یک موتور توربینی تفاوت زیادی وجود دارد که به تعدادی از آنها اشاره میکنم:
یک تفاوت اساسی استارت موتورهای جت با استارت موتورهای پیستونی در این است که در موتورهای پیستونی بیشترین فشار و بار وارد بر روی استارت در لحظات اول است و آن به دلیل این است که در این موتورها کافی است میل لنگ با دور متوسطی بچرخد و پیستون ها بتوانند هوا را به اندازه کمپرس کنند و موتور با قدرت خود به کار ادامه دهد. و چنانچه استارت در این موتورها خراب شود میتوان آنرا به طرق دیگر روشن کرد . یعنی استارت در این موتورها ارزش حیاتی پایینی دارد چون میتوان با هل دادن یک ماشین آنرا روشن کرد.
و اما در موتورهای توربینی استارت از اهمیت بسیار بالایی برخوردار میباشد بطوریکه به هیچ وجه نمیتوان این موتورها را بدون داشتن یک استارت بکار گرفت. نکته ی مهم اینجاست که در موتورهای جت برخلاف موتورهای پیستونی بیشترین فشار و بار بر استارت قبل از قطع جرقه، زمانی است که بار وارد بر کمپرسور افزایش میابد. تفاوت اساسی دیگر که در ظاهر خود را نشان میدهد مدت زمان استارت خوردن است.در موتورهای پیستونی مدت زمان استاندارد استارت خوردن حدود 1.8 ثانیه است و در موتورهای سرحال این مقدار کمتر نیز هست که البته در مورد موتورهای قدیمی بحث نمیکنم. این درحالی است که مقدار زمان لازم برای استارت خوردن یک موتور توربینی معمولی با قدرت نسبی hp 120 حدود 100 ثانیه است. البته این زمان در هر موتوری متفاوت است ولی موتور هر چه قدر کوچکتر باشد به زمان کمتری احتیاج دارد و برعکس.

---

هدف از سیستم استارت شتاب دادن به موتوراست تا لحظه ای که توربین ها بتوانند قدرت کافی برای ادامه ی سیکل کاری موتور را تهیه کنند. به این نقطه از سرعت توربین ها "سرعت خودکفایی" میگویند. استارترها انواع مختلفی را دارند ولی همان طور که گفته شد هدف همه ی استارترها یکی است و آن رساندن دور موتور به سرعت خودکفایی و در موتورهای بدون توربین رساندن موتور به نقطه ی خودکفایی است. تهیه، انتخاب یا استفاده از استارت ها به عواملی بستگی دارد که در زیر به آنها اشاره کردم.
یکی زمان استارت است که در هواپیماهای جنگی بسیار مهم است و حتی پس از رسیدن موتور به دور هرزگرد درجه حرارت گازهای اگزوز بالا میرود ولی پس از اینکه دور به 40% Max رسید درجه حرارت گازهای اگزوز باید پایین بیاید، در غیر اینصورت خلبان باید موتور را خاموش کند تا اشکال آن برطرف گردد.علت بالا رفتن درجه حرارت اگزوز در حین استارت زدن عدم وجود هوای خنک کننده بخاطر کم بودن دور کمپرسور است. زمانی که استارت زده میشود شمع ها قبل از ورود سوخت به محفظه ی احتراق شروع به جرقه زدن میکنند. چون اگر مانند موتورهای پیستونی اول مخلوط هوا و سوخت وارد شود ممکن است به"Hot start" بینجامد.
Hot start استارتی است که در آن حرارت گازهای اگزوز از حد مجاز تجاوز میکند. چنانچه در زمان استارت زدن موتور روشن نشود، سوخت نسبتا زیادی (در موتورهای بزرگ) وارد محفظه ی احتراق میگردد. در اینحالت اگر دوباره استارت زده شود میتواند منجر به Hot start شود. برای جلوگیری از Hot start سیستمی کار گذاشته است که سیستم تخلیه یا Drain نامیده میشود و چنانچه موتور در استارتهای اولیه روشن نشود این سیستم سوخت داخل محفظه ی احتراق را تخلیه میکند.
عامل دیگر امکان دسترسی به نیروی محرکه ی استارت است. حتی موتورهای جت کوچک مقدار جریان الکتریسیته ی زیادی برای روشن شدن احتیاج دارند. به همین نسبت موتورهای بزرگتر نیرویی بیشتر برای روشن شدن احتیاج دارند. بعضی از استارتها از جهت نیروی محرکه خودکفا هستند. به این صورت که اکثر هواپیماهای جت انرژی لازمه استارت (دور بالای موتور) را از موتورهای جت کوچکتری که برق تولید میکنند میگیرند. یا ممکن است قدرت لازم برای استارت در یک هواپیمای چند موتوره از یک موتور که روشن است گرفته شود تا بقیه ی موتورها روشن شوند ، در چنین حالتی میتوان یکی از موتورهای هواپیما را با یکی از انواع استارتها روشن کرد سپس بقیه موتورها را با نیروی این موتور روشن کرد.
سومین عامل مواردی است از قبیل وزن مخصوص (نسبت وزن به گشتاور یا قدرت تولیدی)، سادگی، قابلیت اطمینان، قیمت و قابلیت تعمیر مجدد.
انواع استارت برای موتورهای توربینی عبارتند از:
1. استارت الکتریکی
2. استارت الکتریکی که بعد از استارت زدن آلترناتور شود
3. استارت فشنگی یا استارت با سوخت جامد
4. استارت بادی
5. استارت با احتراق هوا و سوخت
6. استارتر با موتور هیدرولیکی
7. استارت دستی یا هندلی
8. استارتر با سوخت یک پایه

چون پرداختن به توضیح تمام استارتها هم وقت گیر و هم حجیم است به اصلی ترین استارتها میپردازم و درمورد بقیه توضیح کوتاهی میدهم . چنانچه در مورد هر کدام سوال داشتید یا توضیح بیشتری خواستید آنرا در بخش نظرات بیان کنید.

---

تصویر یک استارت الکتریکی میکروجت

---

استارت الکتریکی
منبع این نوع استارت همان طور که از نامش پیداست موتور الکتریکی است. موتور الکتریکی که در این نوع موتورها استفاده میشود دارای RPM زیادی میباشد.RPM در حالت کلی به معنای تعداد دور در دقیقه میباشد و این یکایی است که برای نشان دادن دور موتورها چه پیستونی و چه توربینی به کار برده میشود. قدرت این استارت برای گرداندن کمپرسور صرف می شود تا کمپرسور هوا را به میزان لازم کمپرس کرده و به محفظه ی احتراق بفرستد. چنانچه در استارت یک موتور توربینی قدرت و سرعت کافی موجود نباشد RPM موتور در هنگام استارت کم خواهد بود و چون دور کمپرسور کم است آن مقدار که باید هوا را فشرده کند نمیکند لذا به سرعت خودکفایی نمیرسد و موتور روشن نمیشود (راه نمی افتد). برخلاف استارت موتورهای پیستونی که پس از روشن شدن موتور از مدار اتصال به فلایویل توسط اتومات استارت جدا میشود، در این نوع از استارت موتورهای توربینی استارت تا رساندن RPM موتور به اندازه ی RPM حالت خودکفایی کار میکند. این نوع استارت توان مصرفی بسیار بالایی دارد بطوریکه بر صفحات باطریها فشار بسیاری وارد میکند لذا از این استارت در موتورهای توربینی که تعداد توربین کمتری دارند استفاده میشود. از این استارت در بیشتر موتورهایی که کاربرد صنعتی دارند به عنوان بهترین استارت استفاده میشود.

شمایل نمای داخلی یک موتور که یک استارت الکتریکی بر روی آن با واسطه ی تغییر گشتاور نصب شده است.

---

استارت فشنگی بکار رفته در موتور t58

---

استارت فشنگی
این استارت یک استوانه فشنگی شکل است که درون آن ماده ی انفجاری که ازدیاد حجم و انبساط زیادی مینماید قرار میدهند. این استارت در قسمت قبل از کمپرسور نصب میشود، مانند آنچه در شکل زیر دیده میشود. تصویر زیر یک استارت فشنگی را بطور جدا از موتور نشان میدهد.

---

استارت بادیدر این نوع استارت هوای کمپرس شده در مخزن اکسیژن که معمولا مایع میباشد همزمان با سوخت به داخل محفظه ی احتراق تزریق و محترق شده که باعث حرکت سریع توربینها میشود و بعد از دور خودکفایی سیکل کاری توسط خود موتور انجام میشود. متاسفانه به دلیل استفاده و کاربرد غلط از نام " استارت بادی" از آن تعابیر مختلفی میشود مانند: استارت بادی استارتی است که هوا را با سرعت به توربینها ( یا کمپرسورها) میزند و آنها را به گردش در می آورد که با تحقیق مطلع شدم که این تعبیر از استارت بادی در واقع استارتی است به نام استارت هیدرولیکی و در کل اینکه به نام بعضی از آنها زیاد توجه نکنید، فقط طریقه ی کار و عملکرد آنها را خوب به خاطر بسپارید چون زمانی برایتان لازم میشود.

---

سایر استارتهااستارت با احتراق هوا و سوخت در موتورهایی بکار میرود که از سوخت های مخصوصی استفاده میکنند و در این نوع استارت موتور با اینحالت که در حال سیکل عادی است کار میکند و نمونه ی استفاده از این نوع استارت میکروجتی است که از سوخت گازی استفاده میکند. در استارت با موتور هیدرولیکی نیز هوای کمپرس شده توسط موتور هیدرولیکی به داخل محفظه ی احتراق راه میابد و در استارت هندلی نیز یک هندل با واسطه ی تغییر گشتاور به شفت اصلی متصل میشود و کمپرسور را به حرکت در می آورد. تصویر زیر یک استارتر هیدرولیکی خیلی کوچک و دست ساز را نشان میدهد که شامل یک موتور الکتریکی و یک توربین گریز از مرکز دقیقا مشابه کمپرسور گریز از مرکز میباشد و از توربین کمپرسور ساخته شده است که لوله ی خروجی آن به ورودی موتوری که قرار روشن شود وصل میشود.
 

استارت الکتریکی هم که کاربرد زیادی در بین موتورهای صنعتی دارد اینطور است که بعد از استارت به حالت آلترناتور تغییر میکند و با نیروی موتور برق تولید میکند.استارتهایی هم وجود دارند که با تزریق سوختی مخصوص مانند هیدروژن روشن میشوند و بعد از استارت از سوخت عادی استفاده میکنند.
استارتهایی که امروزه بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند شامل استارتهای زمینی برای هواپیماها میباشند که به چند طریق عمل میکنند. یکدسته مانند استارتهای هیدرولیکی عمل می کنند و دسته ی دیگر شامل یک موتور جت کوچک تولید کننده ی برق میباشند که برق تولیدی آنها در استارت الکتریکی موتور اصلی استفاده میشود. در بعضی هواپیما ها نیز از یک موتور جت کوچک و مجزا استفاده میشود که خودش با استارت الکتریکی روشن شده و با نیروی شفت خود یا با برق تولیدی خود سایر موتورهای اصلی را روشن میکند. این هم تصویر نمای داخلی یک موتور است که متعلق به تولید کننده ی BMWاست و اگر دقت کنید میبینید که این موتور دارای استارت دستی (هندلی)است.

---

به خاطر بسپارید که کلید ساخت یک موتور جت در استارت آن است. اگر استارت موتور شما خوب نباشد یا درست عمل نکند شما به هیچ وجه قادر به روشن کردن موتورتان نخواهید بود و دلیل آن در این است که نیروی لازم برای سیکل کاری توسط استارت تامین میشود.

نازل موتورهای جت

همان طوری که میدانید بیشتر هواپیماهای مدرن مسافربری و جنگنده از موتورهای توربین گازی که جت نامیده میشوند به عنوان پیشران استفاده میکنند و بین این موتورهای توربین گازی تفاوت های زیادی وجود دارد ولی همه ی آنها قسمت های مشترکی دارند که تا کنون چند واحد اصلی آنها را در مطالب قبلی معرفی کردم . همه ی موتورهای توبین گازی یا همان جت یک نازل یا شیپوره دارند که با هدایت گازهای اگزوز به عقب، به جریان آزاد، تراست تولید میکنند. مکان قرار گرفتن نازل در موتورهای جت بعد از توربین قدرت و چنانچه موتور دارای پس سوز باشد بعد از آن قرار میگیرد و در حالت کلی در انتهای موتور جایی که گازهای اگزوز به هوا برخورد میکنند قرار دارد.

نازل یک دستگاه بسیار ساده است، تنها لوله ای است که شکل مخصوصی داده شده است و گازهای گرم درون آن جریان دارند.به هر حال ریاضیات است که نظر و استدلال دقیقی درباره ی عملکرد و شکل نازل میدهد تا بازده و عملکرد خوبی داشته باشد.
همانطوریکه در شکلهای زیر میبینید نازل ها دارای گوناگونی شکلی و اندازه میباشند که به کاربرد موتورها در هواپیماها بستگی دارند، مانند توربوجت و توبوپراپ. اغلب موتورها یک نازل ثابت همگرا (convergent) دارند که این مدل در سمت چپ شکل زیر دیده میشود و بیشتر با نام axisymmetric شناخته شده است. این نازل مانند آنهایی که در زیر توضیح داده شده فقط در جهت محور موتور تراست تولید میکند و به همین خاطر axisymmetric نامیده شده است. موتورهای توربوفن اغلب از نازل co-annular که در بالای شکل زیر سمت چپ دیده میشود استفاده میکنند. جریان درونی موتور و گازهای داغ از خروجی میانی و جریان هوای فن از خروجی حلقه مانند خارج میشود. مخلوط این دو جریان باعث افزایش تراست میشود و همچنین باعث کم صدایی و تولید صدای کمتری نسبت به نازل همگرا میشود.

توربوجت های پس سوز دار و توربوفن ها به شکلی از نازل همگرا-واگرا (CD) که تغییر پذیر باشد احتیاج دارند. نازل CD یا (convergent-divergent) در سمت چپ شکل نشان داده شده است.در این نازل جریان هوا ابتدا در باریکترین ناحیه که گلوگاه نامیده میشود به مرکز همگرا شده سپس در قسمت واگرا انبساط یافته و خارج میشود. شکل تغییر پذیر نازل باعث میشود که این نازل ها رفتار بیشتری نسبت به شکل ساده و ثابت نازل داشته باشند. اما شکل تغییر پذیر نازل زمانی کارآمد خواهد شد که در موتوری با جریان هوای عریض تر از موتوری با یک نازل ثابت معمولی استفاده شود. همچنین موتورهای راکتی از نازل برای سرعت دادن به گازهای خروجی و تولید تراست استفاده میکنند. موتورهای راکتی معمولا  یک نازل ثابت CD دارند که قسمت واگرای آن بزرگتر از نوعی است که در موتورهای جت استفاده میشود. در مطالب آینده  درباره ی موتورهای راکتی مطالب بیشتری در اختیارتان قرار خواهم داد.
همه ی نازل هایی که ما در باره ی آنها صحبت و بحث میکنید و دانشجویان رشته ی هواوفضا و سایر دانشجویانی که در این مورد واحد درسی میگذرانند و با آنها آشنا هستند، همه یک لوله ی گرد و یکپارچه هستند. اما اخیرا مهندسین نازلی را طراحی و آزمایش کردند که خروجی مستطیلی دارد. این خروجی اجازه میدهد که جریان اگزوز راحتتر منحرف شود یا به بیانی کنترل شود که در شکل بالا سمت چپ دیده میشود. تغییر مسیر تراست با نازل، هواپیما را مانوری تر میکند.این نازل ها که به نازلهای دو بعدی یا 2Dمعروفند علاوه بر تولید تراست در جهت محور موتور قادر به تغییر جهت تراست و قادر به تولید نیرویی در جهتی دیگر میباشند که به قسمت دم هواپیما (یا به جایی که نازل در آنجاست) وارد میشود. این نوع نازل که در شکل زیر نشان داده شده است قادر به تغییر جهت تراست به بالا و پایین میباشد. با تغییر جهت تراست به سمت بالا قسمت دم هواپیما به سمت پایین منحرف شده و در سرعت های مختلف اجازه ی تغییر جهت فوری در بعد vertical یا عموری را میدهد و تغییر جهت تراست به سمت پایین برعکس نوشته بالا عمل میکند. به علاوه دو نازل دوبعدی در یک هواپیما قادر به چرخش هواپیما (یکی از نازلها رو به بالا و دیگری رو به پایین) نسبت به محور طولی هواپیما میباشند.

بواسطه ی اینکه نازل گازهای داغ اگزوز را به هوای آزاد هدایت میکند ممکن است اثر متقابل سختی بین جریان اگزوز موتور و جریان هوای اطراف هواپیما وجود آید. بخصوص در هواپیماهای جنگنده در کنار خروجی نازل نیری کشنده یا Drag بزرگی روی میدهد. نوعی نازل در تصویر اول قسمت بالای تصویر سمت راست نشان داده شده است که متعلق به یک F-15 با نازل آزمایشی مانوری میباشد. این نازل سه بعدی است و قادر است در تمامی جهت ها بچرخد.به هر حال فقط تعدادی معدودی از هواپیماهایی که ساخته شدند از نازل های دو بعدی یا سه بعدی استفاده میکنند. شاید معروفترین اینها هواپیمای F-22 Raptor  آمریکایی و هواپیمای Su-37 روسی باشد که هر دو از نازل دوبعدی بخاطر افزایش قدرت مانوری استفاده میکنند. همانند طراحی ورودی موتورها، شکل و پیکربندی نازل خارجی اغلب متناسب با بدنه ی هواپیما طراحی میشود.

کمپرسور موتورهای جت

کمپرسور واحدی در موتور جت است که هوا را فشرده میکند و آنرا به محفظه ی احتراق میفرستد.اکنون قسمت کمپرسور را به طور کامل شرح میدهم.
در حالت کلی سه نوع کمپرسور در موتورهای جت استفاده میشود :
1. کمپرسور گریز از مرکز(Centrifugal)
2. کمپرسور محوری(Axial)
3. کمپرسور ترکیبی محوری-گریز از مرکز

کمپرسور گریز از مرکزدر این نوع  کمپرسور هوا از مقابل مکیده  شده  و به شعاع  بزرگتری  درجهت عمود بر شفت(محور اصلی) رانده میشود.یک کمپرسور گریز از مرکز در شکل زیر نشان داده شده است.
این کمپرسور بصورت یک مرحله ای و دومرحله ای در موتورها استفاده میشود ودر موتور های استاندارد بعد از این کمپرسور یک قسمت قرار میگیرد که دیفیوژر نام دارد و وظیفه ی آن  کاستن سرعت هوا و در بعضی منظم کردن حرکت هوا میباشد.معمولا در تمام کمپرسور هایی که دارای دیفیوژر میباشند دو دیفیوژر قرار میگیرد که یکی در جهت گریز از مرکز و بعدی در جهت افقی قرار میگیرد.چنانچه دارای  یک دیفیوژر باشد آن دیفیوژرL شکل خواهد بود(دید از نمای بغل) و طوری روی موتور قرار میگیرد که نیمساز زاویه داخلی آن با شفت زاویه ی ˚45 بسازد.مزایای استفاده از این کمپرسور وزن سبک ؛سادگی وقیمت کم میباشد.

طریقه ی اتصال این نوع کمپرسور در شکل زیر به وضوح مشاهده میشود.البته نوع اتصال دیگری نیز وجود دارد بطوریکه دو کمپرسور از سمت پشت (قسمت بدون پره) به یکدیگر متصل هستند و پرهای آندو مخالف یکدیگر است.

 

کمپرسور محوری این نوع کمپرسور از آن جهت که هوا را در جهت محوری فشرده میکند کمپرسور محوری نامیده میشود.کمپرسور محوری در موتورهایی با ؛یک شفت ؛ دو شفت و سه شفت بکار میرود.این بدان معناست که توربین های این نوع کمپرسور ممکن است حرکت جداگانه از یکدیگر داشته باشند و توربینهایی که این کمپرسورها را به حرکت درمی آورند هم از یکدیگر جدا هستند ولی در جهت مخالف یکدیگر گردش نمیکنند(تا جایی که من اطلاع دارم) و دلیلی هم برای گردش مخالف وجود ندارد. در موتورهای چند شفته (1,2,3) درونی ترین شفت مربوط  به کمپرسور فشار ضعیف  بوده و به همین ترتیب شفت میانی  یا  بیرونی (در موتور دو شفته) دارای کمپرس  فشار متوسط (در موتور سه شفته) ودارای کمپرس فشار قوی (در موتور دو شفته) میباشد.بیرونی ترین  شفت هم در موتور سه شفته دارای قویترین فشار میباشد.

معمولا در اکثراین کمپرسورها برای هر چرخ توربین یک کنترل کننده(یا هدایت کننده) هوا که مانند یک چرخ توربین است قرار میدهند و معمولا هم این هدایت کننده ها متحرک میباشد.در این مورد بعدا توضیحاتی به همراه عکس  در صفحه قرار میدهم.
 مطلب دیگری که در مورد کمپرسور محوری است این است که در این نوع کمپرسور تعداد مراحل توربین زیادی قرار میدهند(نسبت به قدرت) و در صورتی که دارای هدایت کننده ی هوا نباشد با پیش رفتن به مرکز موتور از زاویه ورودی و خروجی نسبت به محور توربین کاسته میشود.از مزایای این کمپرسور قدرت بسیار بالایی است که این کمپرسور دارا میباشد ودر تمام موتورهای جت پر قدرت استفاده میشود.از معایب این کمپرسور میتوان به سنگینی و حساسیت زیاد به عوامل مخرب بیرونی و قیمت بالا برای ساختن آن اشاره کرد.البته از این نوع کمپرسور در موتورهای توربینی کوچک استفاده نمیشود.

کمپرسور ترکیبی(Axial-Centrifugal)
کمپرسور گریز از مرکز در موتورهای جت قدیمی استفاده میشد.بازده کمپرسور گریز از مرکز یک مرحله ای نسبتا کم است اما کمپرسور گریز از مرکز چند مرحله ای بهتر از یک مرحله ای آن است. ولی با کمپرسور محوری برابری نمیکند.بعضی از موتورهای پیشرفته ی توربوپراپ و توربوشفت نتیجه ی مطلوبی از کاربرد ترکیبی این دو نوع  کمپرسور کسب کردند مانند PT6 Pratt و Whitney ازکانادا که امروزه خیلی محبوب بازار است.در زیر موتور PT6 Pratt به شکل برش خورده نشان داده شده است.

در اینجا قسمت کمپرسور را به پایان میرسانم و در مطلب بعدی در باره ی محفظه ی احتراق توضیح خواهم نوشت.در صورت داشتن هر گونه سوال در مورد کمپرسور و سایر قسمت های موتورهای توربینی وجت من در خدمت شما هستم .