مكونات محركات الطائرات النفاثة

يُحدد حجم الهواء مقدار الشغل اللازم لضغطه أو الناتج عن تمدده. لذا، يُمكن الحصول على شغل أكبر بعد تسخين الهواء المضغوط (نتيجةً لزيادة حجم سائل التشغيل ) عن طريق تمديده (في التوربين) مقارنةً بالشغل اللازم لضغطه. تُسخّن غرفة الاحتراق الهواء، ومع تشغيل التوربين للضاغط، يتوفر فائض لتكوين تيار دافع (أو لتشغيل توربين إضافي). ^{[ 14 ]}

يؤدي إبطاء تدفق الهواء إلى تقليل فقدان الضغط في غرفة الاحتراق (انخفاض فقدان الضغط، انخفاض استهلاك الوقود). كما أن انخفاض فقدان الضغط يعني حدوث الاحتراق عند ضغط أعلى، مما يزيد من كفاءة الاحتراق (انخفاض استهلاك الوقود). ^{[ 15 ]} يتباطأ تدفق الهواء الخارج من الضاغط في البداية عند دخوله حيزًا حلقيًا أكبر (انظر الصورة المرفقة لمحرك أدور). لا يزال الهواء الداخل إلى غرفة الاحتراق مع رذاذ الوقود يتحرك بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا تسمح بتكوين لهب. لا تتحرك جبهة اللهب بسرعة كافية للبقاء داخل غرفة الاحتراق في مواجهة تدفق الهواء الداخل. لذلك، يجب إنشاء منطقة احتراق محمية ذات تدفق عكسي (باستخدام دوامة هوائية حول رذاذ الوقود وفتحات في جدار غرفة الاحتراق). يُمكّن هذا اللهب من البقاء في موقع مستقر (المنطقة الأساسية) بالقرب من فوهات الوقود، ويُشكّل مصدر اشتعال مستمر للهواء والوقود الداخلين. ^{[ 16 ]}

بعد دخول الهواء اللازم للاحتراق إلى مقدمة غرفة الاحتراق، يدخل المزيد من الهواء عبر العديد من الفتحات في جدار غرفة الاحتراق لتوفير تبريد للجدار بطبقة من الهواء البارد لعزل الأسطح المعدنية التي تحتوي على حاجز حراري واقٍ. ^{[ 17 ]}

بما أن التوربين لا يستطيع تحمل درجات الحرارة المتكافئة (نسبة خليط تبلغ حوالي 15:1) في منطقة الاحتراق، فإن هواء الضاغط المتبقي بعد تزويد المنطقة الأولية وفيلم تبريد الجدار، والمعروف باسم هواء التخفيف، يستخدم لتقليل درجة حرارة الغاز عند دخوله إلى التوربين إلى مستوى مقبول (يتم استخدام نسبة خليط إجمالية تتراوح بين 45:1 و130:1 ^{[ 18 ]} ).

تحتوي التوربينات الغازية على نظام هواء ثانوي يُعدّ أساسياً لتشغيل المحرك. فهو يوفر هواء التبريد للتوربينات، وتدفق الهواء إلى تجاويف المحامل لمنع تسرب الزيت، وضغط التجويف لضمان أن أحمال دفع الدوار توفر عمرًا مقبولًا لمحامل الدفع.

يمر الهواء المسحوب من مخرج الضاغط حول غرفة الاحتراق ويُحقن في حافة قرص التوربين الدوار. ثم يمر هواء التبريد عبر قنوات معقدة داخل شفرات التوربين. بعد إزالة الحرارة من مادة الشفرات، يُصرّف الهواء (الذي أصبح ساخنًا نسبيًا) عبر فتحات التبريد إلى تيار الغاز الرئيسي. ويخضع هواء تبريد ريش التوربين لعملية مماثلة.

قد يكون تبريد الحافة الأمامية للشفرة صعبًا، لأن ضغط هواء التبريد داخل فتحة التبريد قد لا يختلف كثيرًا عن ضغط تيار الغاز الداخل. يتمثل أحد الحلول في تركيب غطاء على القرص، يعمل كضاغط طرد مركزي لضغط هواء التبريد قبل دخوله إلى الشفرة. حل آخر هو استخدام مانع تسرب حافة التوربين عالي الكفاءة لضغط المنطقة التي يمر عبرها هواء التبريد إلى القرص الدوار.

تُستخدم موانع التسرب لمنع تسرب الزيت، والتحكم في الهواء للتبريد، ومنع تدفقات الهواء الشارد إلى تجاويف التوربينات.

تسمح سلسلة من موانع التسرب (مثل موانع التسرب المتاهية) بتدفق كمية صغيرة من هواء التنفيس لغسل قرص التوربين لاستخلاص الحرارة، وفي الوقت نفسه، تضغط على مانع تسرب حافة التوربين لمنع دخول الغازات الساخنة إلى الجزء الداخلي من المحرك. ومن أنواع موانع التسرب الأخرى: الهيدروليكية، والفرشية، والكربونية، وغيرها.

تُستخدم كميات صغيرة من هواء التنفيس من الضاغط لتبريد العمود وأغطية التوربينات، وما إلى ذلك. كما يُستخدم بعض الهواء للحفاظ على درجة حرارة جدران غرفة الاحتراق دون المستوى الحرج. ويتم ذلك باستخدام فتحات تهوية أولية وثانوية تسمح بتغطية الجدران الداخلية للغرفة بطبقة رقيقة من الهواء، مما يمنع ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط.

تعتمد درجة حرارة مخرج التوربين على الحد الأقصى لدرجة حرارته، وذلك بحسب نوع المادة المصنوع منها. كما أن خفض درجة الحرارة يمنع الإجهاد الحراري وبالتالي الأعطال. وقد تحتاج الملحقات أيضاً إلى أنظمة تبريد خاصة بها، باستخدام الهواء من الضاغط أو الهواء الخارجي.

يُستخدم الهواء الخارج من مراحل الضاغط أيضًا لتسخين المروحة، ومنع تجمد هيكل الطائرة، وتدفئة المقصورة. وتعتمد المرحلة التي يُسحب منها الهواء على الظروف الجوية عند ذلك الارتفاع.

المصدر: ^{[ 22 ]}

• التخزين - في خزان الزيت،
• نظام التوزيع - يزود المحامل والتروس بالزيت المضغوط، ويزيل الحرارة والحطام، ويقوم بتصفية الحطام وتبريد الزيت باستخدام الوقود والهواء الجانبي.
• عملية التنظيف - تزيل الزيت من حجرات المحامل وتعيده إلى الخزان،
• نظام التهوية - يزيل الهواء ورذاذ الزيت من حجرات المحامل، ويفصل الزيت إلى الخزان، ويطرد الهواء إلى الخارج من خلال فتحة تهوية.
• يشير إلى كمية الزيت في الخزان، وضغط الزيت، ودرجة حرارة الزيت، ووجود جزيئات على أجهزة الكشف عن الرقائق، والحطام في المرشح الذي يظهر على شكل انسداد متطور.

يبدأ الزيت رحلته من خزان الزيت. تقوم مضخة ضغط بدفع الزيت عبر جميع الأنابيب المتجهة إلى المحامل والتروس. يندفع الزيت من فتحات صغيرة (فوهات) موجهة نحوها داخل حجراتها المغلقة (غرف أو أحواض). يعمل الزيت على تزييت وتبريد هذه الأجزاء، ثم يسخن بدوره. كما يتسرب إلى الفجوة الصغيرة المحيطة بالمحمل، حيث ينضغط عندما يحاول المحمل الحركة شعاعيًا. تعمل طبقة الزيت هذه على تخفيف حدة اهتزاز المحرك الناتج عن العمود المدعوم (في حال وجود أي اختلال في التوازن).

إن رذاذ الزيت الذي يدور حول المحمل "يرى" مسارات هروب ضيقة للغاية حول العمود حيث يمر عبر جدران الحوض، ولكن يتم إيقافه في الغالب بواسطة الهواء المتدفق (المانع للتسرب).

يُصرّف الزيت من حوض الزيت ويمرّ بمغناطيس (كاشف الرقائق) الذي يجذب أي شوائب مغناطيسية. ثم يُضخّ الزيت، مع الهواء الذي كان يحفظه في حوض الزيت، بواسطة مضخات شفط، ثم يمرّ عبر مرشح يحجز أي شوائب قد تكون موجودة.

يتم تبريد الزيت الساخن بتمريره عبر أنابيب تحتوي على وقود بارد من الجهة الأخرى (مبادل حراري للوقود/الزيت). إذا كان الزيت لا يزال ساخنًا جدًا، فإنه يمر عبر أنابيب تحتوي على هواء بارد من الجهة الأخرى (مبادل حراري للهواء/الزيت) في قناة جانبية.

يجب التخلص من هواء الغلق، مع الحرص على تقليل رذاذ الزيت قدر الإمكان. يُفصل معظم الزيت عن الهواء (بالطرد المركزي) ويعود إلى الخزان. يخرج الهواء من المحرك عبر فتحة تهوية. يُعد الزيت المتسرب من فتحة التهوية أحد عوامل استهلاك زيت المحرك. ^{[ 23 ]}

توجد فتحات التهوية على علبة التروس في محركات رولز رويس وبرات آند ويتني. يستخدم هواء التهوية عمود المروحة المجوف في محركات CFM. ^{[ 24 ]} يمر الهواء عبر مانع اللهب قبل أن يخرج من المحرك عند طرف مخروط العادم.

تُعدّ تسريبات الزيت من موانع تسرب عمود إدارة الملحقات سببًا آخر لاستهلاك الزيت. على سبيل المثال، الحد الأقصى المسموح به هو 3 قطرات في الدقيقة من موانع التسرب الكربونية.

يحتوي أحد أحواض المحامل أيضًا على التروس (التي تسمى أحيانًا علبة التروس الداخلية) والتي تأخذ الطاقة من البكرة لتشغيل علبة تروس ملحقة على الجزء الخارجي من المحرك.

يُعدّ مأخذ الطاقة لمحرك الملحقات عبارة عن ترس مخروطي يقع تحديدًا بجوار محمل الدفع (الكرات) الخاص بالعمود لتقليل الحركة غير المرغوب فيها بالنسبة للترس المخروطي المقابل له في عمود الإدارة الشعاعي. ^{[ 26 ]}

قد يشتمل هذا الحوض على محامل الدفع لجميع الأعمدة بالإضافة إلى محرك الملحقات الشعاعي. على سبيل المثال، 3 محامل كروية في محرك رولز رويس ترينت ثلاثي الأعمدة الذي يستخدم عمود الضغط المتوسط ​​لعلبة التروس الخارجية، ومحملان كرويان في محرك سي إف إم إنترناشونال ليب ثنائي الأعمدة مع محرك الملحقات من عمود الضغط العالي.

تُستخدم فتحات بيتوت في الطائرات التي تقل سرعتها عن سرعة الصوت. وفتحة بيتوت عبارة عن أنبوب محاط بغطاء انسيابي ديناميكي هوائي.

عندما لا تتحرك الطائرة، ولا توجد رياح، يقترب الهواء من المدخل من جميع الاتجاهات: مباشرة من الأمام، ومن الجانب، ومن الخلف.

عند السرعات الجوية المنخفضة، يكون مقطع أنبوب التدفق المقترب من الحافة أكبر من مساحة تدفق الحافة، بينما عند رقم ماخ التصميمي للرحلة، تتساوى مساحتا التدفق. أما عند السرعات الجوية العالية، فيكون مقطع أنبوب التدفق أصغر، مع تسرب الهواء الزائد حول الحافة.

يمنع تقويس الحافة انفصال التدفق وتشوه مدخل الضاغط عند السرعات المنخفضة أثناء التشغيل في وجود رياح جانبية ودوران الإقلاع.

تستغل مداخل الهواء فوق الصوتية موجات الصدمة لإبطاء تدفق الهواء إلى حالة دون سرعة الصوت عند مدخل الضاغط.

يوجد نوعان أساسيان من الموجات الصدمية:

1. تتشكل موجات الصدمة العمودية بشكل متعامد مع اتجاه التدفق. وتميل هذه الموجات إلى التسبب في انخفاض كبير في ضغط الركود . وكلما زاد عدد ماخ عند دخول موجة الصدمة العمودية فوق الصوتية، انخفض عدد ماخ عند خروجها دون الصوتية، وازدادت قوة الصدمة (أي زاد فقدان ضغط الركود عبر موجة الصدمة).
2. تتجه الموجات الصدمية المخروطية (ثلاثية الأبعاد) والمائلة (ثنائية الأبعاد) نحو الخلف، مثل موجة مقدمة السفينة أو القارب، وتنشأ من اضطراب في التدفق كالمخروط أو المنحدر. عند قيمة معينة لعدد ماخ عند المدخل، تكون هذه الموجات أضعف من الموجة الصدمية العمودية المكافئة، وعلى الرغم من تباطؤ التدفق، إلا أنه يبقى فوق صوتي. تعمل الموجات الصدمية المخروطية والمائلة على تغيير اتجاه التدفق، الذي يستمر في الاتجاه الجديد، حتى يصادف اضطرابًا آخر في اتجاه المصب. ملاحظة: تنطبق الملاحظات المتعلقة بالموجات الصدمية المخروطية ثلاثية الأبعاد عمومًا على الموجات الصدمية المائلة ثنائية الأبعاد أيضًا.

يُظهر مدخل بيتوت ذو الحافة الحادة، الموصوف أعلاه للتطبيقات دون الصوتية، أداءً جيدًا عند سرعات الطيران فوق الصوتية المتوسطة. تتشكل موجة صدمية عادية منفصلة أمام حافة المدخل مباشرةً، مما يؤدي إلى خفض سرعة التدفق إلى سرعة دون صوتية. مع ذلك، كلما زادت سرعة الطيران إلى أرقام ماخ أعلى، تزداد قوة الموجة الصدمية، مما يتسبب في انخفاض أكبر في نسبة ضغط الركود (أي ضعف استعادة الضغط). استخدمت طائرة إف-100 سوبر سيبر ، وهي طائرة مقاتلة أمريكية مبكرة أسرع من الصوت، مدخلًا مشابهًا. كما توجد هذه المداخل في تصاميم طائرات قتالية أحدث، مثل إف-16 فايتينغ فالكون وإف /إيه-18 هورنت، التي تعمل بشكل أساسي بسرعات دون صوتية وفوق صوتية مع اندفاعات فوق صوتية عابرة، ولذلك تم اختيارها لخفة وزنها وبساطتها نظرًا لتصميمها الهندسي الثابت.

مداخل هواء أكثر تطوراً تفوق سرعة الصوت، باستثناء أنابيب بيتوت:

أ) استغلال مزيج من موجة/موجات الصدمة المخروطية وموجة الصدمة العادية لتحسين استعادة الضغط عند سرعات الطيران فوق الصوتية العالية. تُستخدم موجة/موجات الصدمة المخروطية لتقليل عدد ماخ فوق الصوتي عند دخول موجة الصدمة العادية، مما يقلل من إجمالي خسائر الصدمة الناتجة.

ب) تتميز هذه المحركات برقم ماخ طيران مناسب لتأثير الصدمة على حافة غطاء المحرك، حيث تتقاطع موجة الصدمة المخروطية/المائلة مع حافة غطاء المحرك، مما يسمح بأن تتساوى مساحة التقاط أنبوب التدفق مع مساحة حافة المدخل. مع ذلك، عند أرقام ماخ طيران أقل من رقم ماخ لتأثير الصدمة على حافة غطاء المحرك، تكون زاوية موجة الصدمة أقل ميلًا، مما يؤدي إلى انحراف خط الانسياب المقترب من الحافة بفعل وجود المخروط/المنحدر. ونتيجة لذلك، تصبح مساحة التقاط المدخل أقل من مساحة حافة المدخل، مما يقلل من تدفق هواء السحب. وبناءً على خصائص تدفق هواء المحرك، قد يكون من المستحسن تقليل زاوية المنحدر أو تحريك المخروط للخلف لإعادة تركيز موجات الصدمة على حافة غطاء المحرك لزيادة تدفق هواء السحب إلى أقصى حد.

ج) صُممت هذه المداخل بحيث يكون للموجة الصدمية العمودية في مجرى الهواء أسفل حافة المدخل، مما يجعل تدفق الهواء عند مدخل الضاغط/المروحة دون سرعة الصوت دائمًا. يُعرف هذا المدخل بمدخل الضغط المختلط. مع ذلك، تظهر صعوبتان في هذه المداخل: الأولى تحدث أثناء خفض قوة المحرك، والأخرى عند تغير سرعة الطائرة (أو عدد ماخ). عند خفض قوة المحرك، ينخفض ​​تدفق الهواء المصحح (أو غير البُعدي) لضاغط/مروحة الضغط المنخفض، ولكن (في ظروف السرعة فوق الصوتية) يظل تدفق الهواء المصحح عند حافة المدخل ثابتًا، لأنه يتحدد بعدد ماخ للطيران وزاوية/انحراف المدخل. يُتغلب على هذا التباين بانتقال الموجة الصدمية العمودية إلى مساحة مقطع عرضي أصغر في مجرى الهواء، مما يقلل عدد ماخ عند دخول الموجة الصدمية. هذا يُضعف الموجة الصدمية، ويُحسّن استعادة ضغط المدخل الكلي. لذا، يظل تدفق الهواء المطلق ثابتًا، بينما ينخفض ​​تدفق الهواء المصحح عند مدخل الضاغط (بسبب ارتفاع ضغط الدخول). يمكن أيضًا التخلص من تدفق الهواء الزائد في الخارج أو في نظام العادم، لمنع اضطراب موجات الصدمة المخروطية/المائلة بسبب الصدمة العادية التي يتم دفعها إلى الأمام بشكل كبير عن طريق خنق المحرك.

تظهر الصعوبة الثانية عند تغير رقم ماخ للطائرة. يجب أن يكون تدفق الهواء متساوياً عند حافة المدخل، وعند عنق المحرك، وعند المحرك نفسه. هذا شرط أساسي لقانون حفظ الكتلة . مع ذلك، لا يكون تدفق الهواء متساوياً عادةً عند تغير سرعة الطائرة فوق الصوتية. تُعرف هذه الصعوبة بمشكلة مطابقة تدفق الهواء، والتي تُحل بتصاميم مداخل أكثر تعقيداً من تلك المستخدمة في مداخل الطائرات دون الصوتية. على سبيل المثال، لمطابقة تدفق الهواء، يمكن جعل عنق مدخل الطائرة فوق الصوتية متغيراً، ويمكن تجاوز جزء من الهواء حول المحرك ثم ضخه كهواء ثانوي بواسطة فوهة قاذفة. ^{[ 29 ]} إذا لم تتم مطابقة تدفق المدخل، فقد يصبح غير مستقر، حيث تتحرك موجة الصدمة العمودية في عنق المحرك فجأةً إلى الأمام متجاوزةً الحافة، وهو ما يُعرف بعدم بدء تشغيل المدخل . ^{[ 30 ]} يكون سحب الانسكاب عالياً، واستعادة الضغط منخفضة، مع وجود موجة صدمة مستوية فقط بدلاً من مجموعة موجات الصدمة المائلة المعتادة. في طائرة SR-71، كان المحرك يستمر في العمل على الرغم من حدوث انفجار في غرفة الاحتراق اللاحق أحياناً. ^{[ 31 ]}