محرك نفاث توربيني

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 19 صور
الموسوعة الحرة
يونكرز جومو 004 ، أول محرك توربيني نفاث إنتاجي قيد الاستخدام التشغيلي، يظهر مقبض بدء التشغيل الموجود في مركز مقدمة مدخل الهواء.
رسم تخطيطي لمحرك نفاث توربيني غازي نموذجي
فرانك ويتل
هانز فون أوهين

المحرك النفاث التوربيني هو محرك نفاث يعمل بالهواء، ويُستخدم عادةً في الطائرات. يتكون من توربين غازي مزود بفوهة دافعة . يحتوي التوربين الغازي على مدخل هواء يتضمن ريش توجيه، وضاغط، وغرفة احتراق، وتوربين ( يُشغل الضاغط). يُسخن الهواء المضغوط الخارج من الضاغط عن طريق حرق الوقود في غرفة الاحتراق، ثم يُترك ليتمدد عبر التوربين. بعد ذلك، يتمدد عادم التوربين في الفوهة الدافعة حيث يُسرّع إلى سرعة عالية لتوليد قوة الدفع. [ 1 ] قام مهندسان، فرانك ويتل في المملكة المتحدة وهانز فون أوهين في ألمانيا ، بتطوير هذا المفهوم بشكل مستقل إلى محركات عملية خلال أواخر ثلاثينيات القرن العشرين. [ 2 ]

تتميز المحركات النفاثة التوربينية بكفاءة منخفضة عند السرعات المنخفضة، مما يحد من استخدامها في المركبات غير الطائرات. وقد استُخدمت هذه المحركات في حالات نادرة لتشغيل مركبات أخرى غير الطائرات، عادةً في محاولات تحطيم الأرقام القياسية للسرعة البرية . أما المركبات التي تعمل بالتوربينات، فغالباً ما يكون ذلك باستخدام محرك توربيني عمودي ، وهو تطوير لمحرك التوربينات الغازية حيث يُستخدم توربين إضافي لتشغيل عمود إخراج دوار. وتُعد هذه المحركات شائعة في المروحيات والمركبات الهوائية.

استُخدمت المحركات النفاثة التوربينية على نطاق واسع في المقاتلات الأسرع من الصوت في بداياتها ، وصولاً إلى العديد من مقاتلات الجيل الثالث ، حيث تُعدّ طائرة ميغ-25 أحدث مقاتلة تعمل بمحرك نفاث توربيني. ولأن معظم المقاتلات لا تقضي وقتًا طويلاً في التحليق بسرعة تفوق سرعة الصوت، فإن مقاتلات الجيل الرابع (وكذلك بعض مقاتلات الجيل الثالث المتأخرة مثل إف-111 وهوكر سيدلي هارير ) والتصاميم اللاحقة تُزوّد ​​بمحركات توربينية مروحية ذات نسبة تجاوز منخفضة أكثر كفاءة، وتستخدم حارقًا لاحقًا لزيادة سرعة العادم لفترات قصيرة من التحليق بسرعة تفوق سرعة الصوت. استُخدمت المحركات النفاثة التوربينية في طائرة الكونكورد والنسخ ذات المدى الأطول من طائرة تو-144 التي كان يُشترط عليها التحليق لفترة طويلة بسرعة تفوق سرعة الصوت. ولا تزال المحركات النفاثة التوربينية شائعة في صواريخ كروز متوسطة المدى ، نظرًا لسرعة عادمها العالية، ومساحة سطحها الأمامية الصغيرة، وبساطتها النسبية.

تاريخ

هاينكل هي 178 ، أول طائرة في العالم تحلق بالكامل باستخدام محرك نفاث توربيني، باستخدام محرك هي إس 3

سُجِّل أول براءة اختراع لاستخدام التوربينات الغازية لتشغيل الطائرات عام 1921 من قِبَل الفرنسي ماكسيم غيوم . [ 3 ] كان من المفترض أن يكون محركه توربينيًا نفاثًا محوريًا، لكنه لم يُبنَ قط، إذ كان سيتطلب تطورات كبيرة مقارنةً بأحدث التقنيات في مجال الضواغط. [ 4 ]

تم استخدام محرك Whittle W.2 /700 في طائرة Gloster E.28/39 ، وهي أول طائرة بريطانية تحلق بمحرك نفاث توربيني، وطائرة Gloster Meteor.

في عام ١٩٢٨، قدّم فرانك ويتل، وهو طالب في كلية سلاح الجو الملكي البريطاني في كرانول [ ٥ ]، أفكاره المتعلقة بالمحرك النفاث التوربيني رسميًا إلى رؤسائه. وفي أكتوبر ١٩٢٩، طوّر أفكاره بشكل أكبر. [ ٦ ] وفي ١٦ يناير ١٩٣٠ في إنجلترا، قدّم ويتل أول براءة اختراع له (مُنحت له عام ١٩٣٢). [ ٧ ] أظهرت براءة الاختراع ضاغطًا محوريًا ثنائي المراحل يُغذي ضاغطًا طرديًا أحادي الجانب . وقد أصبحت الضواغط المحورية العملية ممكنة بفضل أفكار أ . أ. غريفيث في ورقة بحثية رائدة عام ١٩٢٦ ("نظرية ديناميكية هوائية لتصميم التوربينات"). ركّز ويتل لاحقًا على الضاغط الطردي الأبسط فقط، لأسباب عملية متعددة. وكان محرك ويتل أول محرك نفاث توربيني يعمل، وهو محرك باور جيتس WU ، في ١٢ أبريل ١٩٣٧. وكان يعمل بالوقود السائل. كاد فريق ويتل أن يصاب بالذعر خلال محاولات التشغيل الأولى عندما تسارع المحرك بشكل خارج عن السيطرة إلى سرعة عالية نسبيًا على الرغم من قطع إمداد الوقود. وتبين لاحقًا أن الوقود قد تسرب إلى غرفة الاحتراق أثناء فحوصات ما قبل التشغيل وتراكم في برك، مما جعل المحرك يستمر في التسارع حتى احتراق كل الوقود المتسرب. لم يتمكن ويتل من إقناع الحكومة باختراعه، واستمر التطوير بوتيرة بطيئة.

في ألمانيا، حصل هانز فون أوهين على براءة اختراع لمحرك مماثل في عام 1935. وقد تم اعتماد تصميمه، وهو محرك ذو تدفق محوري، على عكس محرك ويتل ذي التدفق المركزي، من قبل معظم المصنعين بحلول الخمسينيات من القرن العشرين. [ 8 ] [ 9 ]

في 27 أغسطس 1939، أصبحت طائرة هاينكل هي 178 ، المصممة من قبل فون أوهين، أول طائرة في العالم تحلق باستخدام قوة دفع محرك نفاث توربيني. وقد قادها الطيار التجريبي إريك وارسيتز . [ 10 ] أما طائرة غلوستر إي.28/39 (المعروفة أيضًا باسم "غلوستر ويتل" أو "غلوستر بايونير" أو "غلوستر جي.40") فقد قامت بأول رحلة بريطانية بمحرك نفاث في عام 1941. وقد صُممت لاختبار محرك ويتل النفاث أثناء الطيران، وأدت إلى تطوير طائرة غلوستر ميتيور. [ 11 ]

دخلت أول طائرتين نفاثتين عاملتين، وهما ميسرشميت مي 262 ثم غلوستر ميتيور ، الخدمة عام 1944، قرب نهاية الحرب العالمية الثانية ، حيث دخلت مي 262 الخدمة في أبريل، وغلوستر ميتيور في يوليو. لم تشارك سوى 15 طائرة ميتيور تقريبًا في الحرب العالمية الثانية، بينما تم إنتاج ما يصل إلى 1400 طائرة مي 262، دخلت 300 منها القتال، محققةً أولى الهجمات الأرضية والانتصارات الجوية للطائرات النفاثة. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

يُسحب الهواء إلى الضاغط الدوار عبر المدخل، ويُضغط إلى ضغط أعلى قبل دخوله غرفة الاحتراق. يُخلط الوقود مع الهواء المضغوط ويحترق في غرفة الاحتراق. تخرج نواتج الاحتراق من غرفة الاحتراق وتتمدد عبر التوربين حيث تُستخرج الطاقة لتشغيل الضاغط. لا تزال غازات مخرج التوربين تحتوي على طاقة كبيرة تُحوّل في فوهة الدفع إلى تيار نفاث عالي السرعة.

استخدمت المحركات النفاثة التوربينية الأولى إما ضاغطًا طاردًا مركزيًا (كما في محرك هاينكل HeS 3 )، أو ضاغطًا محوريًا (كما في محرك يونكرز Jumo 004 )، مما أدى إلى محرك أصغر قطرًا، وإن كان أطول. وباستبدال المروحة المستخدمة في المحركات المكبسية بنفث عادم عالي السرعة، أصبح من الممكن تحقيق سرعات أعلى للطائرات.

كانت طائرة الكونكورد، التي استخدمت محرك أوليمبوس 593 ، من آخر التطبيقات لمحرك نفاث توربيني . مع ذلك، أُجريت دراسات مشتركة بين رولز رويس وسنيكما لجيل ثانٍ من محركات الطائرات الأسرع من الصوت باستخدام المحرك الأساسي 593، وذلك قبل أكثر من ثلاث سنوات من دخول الكونكورد الخدمة. قيّمت هذه الدراسات محركات ذات نسبة تجاوز تتراوح بين 0.1 و1.0 لتحسين أداء الإقلاع والتحليق. [ 15 ] ومع ذلك، فقد استوفى المحرك 593 جميع متطلبات برنامج الكونكورد. [ 16 ] أظهرت التقديرات التي أُجريت عام 1964 لتصميم الكونكورد بسرعة 2.2 ماخ أن انخفاض مدى الطائرة الأسرع من الصوت، من حيث الأميال لكل جالون، مقارنةً بالطائرات الأسرع من الصوت بسرعة 0.85 ماخ (بوينغ 707، دي سي-8) كان ضئيلاً نسبيًا. ويرجع ذلك إلى أن الزيادة الكبيرة في مقاومة الهواء تُعوض إلى حد كبير بزيادة كفاءة المحرك (تزداد كفاءة المحرك بسبب ارتفاع ضغط الهواء الذي يُضاف إلى ارتفاع ضغط الضاغط، وتقترب سرعة الطائرة العالية من سرعة نفث العادم مما يزيد من كفاءة الدفع). [ 17 ]

كان لمحركات التوربينات النفاثة تأثير كبير على الطيران التجاري . فإلى جانب توفير سرعات طيران أعلى، تميزت هذه المحركات بموثوقية أكبر من محركات المكابس، حيث حققت بعض الطرازات معدلات موثوقية تشغيلية تتجاوز 99.9%. صُممت الطائرات التجارية قبل عصر المحركات النفاثة بأربعة محركات كحد أقصى، ويعود ذلك جزئيًا إلى المخاوف من الأعطال أثناء الطيران. رُسمت مسارات الرحلات البحرية بحيث تبقى الطائرات على بُعد ساعة واحدة من مهبط الطائرات، مما أدى إلى إطالة مدة الرحلات. وقد مكّنت زيادة الموثوقية التي وفرتها محركات التوربينات النفاثة من تصميم طائرات بثلاثة محركات وطائرات بمحركين، بالإضافة إلى رحلات أطول وأكثر مباشرة. [ 18 ]

كانت سبائك درجات الحرارة العالية نقطة ضعف ، إذ شكلت تقنية أساسية أدى عدم اكتمال تطويرها إلى إبطاء التقدم في مجال المحركات النفاثة. فقد كانت المحركات النفاثة غير البريطانية التي صُنعت في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين تخضع للصيانة كل 10 أو 20 ساعة بسبب التآكل التدريجي وأنواع أخرى من تلف الشفرات. في المقابل، استخدمت المحركات البريطانية سبائك النيمونيك التي سمحت باستخدامها لفترات طويلة دون الحاجة إلى الصيانة، مثل محركات رولز رويس ويلاند ورولز رويس ديروينت ، [ 19 ] وبحلول عام 1949، خضعت طائرة دي هافيلاند غوبلين لاختبارات النوع لمدة 500 ساعة دون صيانة. [ 20 ] ولم يتسنَّ للدول الأخرى إنتاج محركات مجدية اقتصاديًا إلا في خمسينيات القرن العشرين بفضل تقنية السبائك الفائقة . [ 21 ]

التصاميم الأولية

واجهت المحركات النفاثة الألمانية المبكرة قيودًا شديدة على مدة تشغيلها بسبب نقص المواد المناسبة لتحمل درجات الحرارة العالية المستخدمة في صناعة التوربينات. أما المحركات البريطانية، مثل محرك رولز رويس ويلاند، فقد استخدمت مواد أفضل، مما أدى إلى تحسين متانتها. وقد حصل محرك ويلاند على شهادة اعتماد لمدة 80 ساعة في البداية، ثم مُدِّدت هذه المدة لاحقًا إلى 150 ساعة بين عمليات الصيانة، وذلك نتيجةً لتحقيقه مدة تشغيل ممتدة بلغت 500 ساعة في الاختبارات. [ 22 ]

محرك توربيني نفاث J85-GE-17A من شركة جنرال إلكتريك (1970)

كانت شركة جنرال إلكتريك في الولايات المتحدة في وضع جيد لدخول مجال محركات الطائرات النفاثة بفضل خبرتها في المواد ذات درجات الحرارة العالية المستخدمة في شواحن التوربينات الخاصة بها خلال الحرب العالمية الثانية. [ 23 ]

كان حقن الماء أسلوبًا شائعًا لزيادة قوة الدفع، عادةً أثناء الإقلاع، في المحركات النفاثة التوربينية المبكرة التي كانت قوة دفعها محدودة بدرجة حرارة دخول التوربين المسموح بها. يزيد الماء من قوة الدفع عند الحد الأقصى لدرجة الحرارة، ولكنه يمنع الاحتراق الكامل، وغالبًا ما يترك أثرًا دخانيًا واضحًا جدًا. [ 24 ]

ارتفعت درجات حرارة دخول التوربينات المسموح بها بشكل مطرد مع مرور الوقت، وذلك بفضل استخدام سبائك وطلاءات فائقة الجودة، بالإضافة إلى تطوير تصاميم تبريد الشفرات وتحسين فعاليتها. في المحركات القديمة، كان على الطيار مراقبة درجة حرارة التوربينات وتجنب تجاوزها، عادةً أثناء بدء التشغيل وعند استخدام أقصى قوة دفع. وقد تم إدخال نظام تحديد درجة الحرارة التلقائي لتقليل عبء العمل على الطيار والحد من احتمالية تلف التوربينات نتيجة ارتفاع درجة الحرارة.

عناصر

رسم متحرك لضاغط محوري .
رسم تخطيطي يوضح آلية عمل محرك توربيني نفاث ذي تدفق طرد مركزي. يتم تشغيل الضاغط بواسطة مرحلة التوربين، ويقوم بدفع الهواء إلى الخارج، مما يستلزم إعادة توجيهه بالتوازي مع محور الدفع.
رسم تخطيطي يوضح آلية عمل محرك توربيني نفاث ذي تدفق محوري. هنا، يتم تشغيل الضاغط بواسطة التوربين، لكن تدفق الهواء يظل موازياً لمحور الدفع.

رصاصة الأنف

الرصاصة الأنفية هي أحد مكونات المحرك النفاث التوربيني المستخدم لتحويل الهواء إلى مدخل الهواء، أمام محرك الملحقات، ولإيواء محرك التشغيل.

مدخل الهواء

يلزم وجود مدخل، أو أنبوب، أمام الضاغط لتوجيه الهواء الداخل بسلاسة إلى شفرات الضاغط الدوارة. كانت المحركات القديمة مزودة بريش ثابتة أمام الشفرات المتحركة، والتي ساعدت بدورها في توجيه الهواء نحو الشفرات. ويكون الهواء المتدفق إلى محرك التوربين النفاث دائمًا دون سرعة الصوت، بغض النظر عن سرعة الطائرة نفسها.

يجب أن يزود مدخل الهواء المحرك بالهواء مع تفاوت طفيف مقبول في الضغط (يُعرف بالتشوه) وبأقل قدر ممكن من فقدان الطاقة أثناء تدفق الهواء (يُعرف باستعادة الضغط). ويُمثل ارتفاع ضغط الهواء في المدخل مساهمة المدخل في نسبة الضغط الكلية والكفاءة الحرارية لنظام الدفع .

يكتسب مدخل الهواء أهمية بالغة عند السرعات العالية عندما يولّد ضغطًا أكبر من مرحلة الضاغط. ومن الأمثلة المعروفة أنظمة الدفع في طائرتي كونكورد ولوكهيد إس آر-71 بلاكبيرد، حيث بلغت مساهمة مدخل الهواء والمحرك في الضغط الكلي 63%/8% [ 25 ] عند سرعة ماخ 2، و54%/17% [ 26 ] عند سرعة ماخ 3 فأكثر. وتراوحت أحجام مداخل الهواء من "صفرية الطول" [ 27 ] في محرك برات آند ويتني تي إف 33 التوربيني المروحي في طائرة لوكهيد سي-141 ستارليفت ، إلى مدخلي هواء مزدوجين بطول 20 مترًا (65 قدمًا) في طائرة نورث أمريكان إكس بي-70 فالكيري ، حيث يغذي كل منهما ثلاثة محركات بتدفق هواء يبلغ حوالي 360 كيلوغرامًا في الثانية (800 رطل في الثانية) .  

ضاغط

تُدير التوربينة الضاغط بسرعة عالية، مما يُضيف طاقةً إلى تدفق الهواء بينما يضغطه في حيز أصغر. يؤدي ضغط الهواء إلى زيادة ضغطه ودرجة حرارته. كلما صغر حجم الضاغط، زادت سرعة دورانه. تدور مروحة GE90-115B (الكبيرة) بسرعة 2500 دورة في الدقيقة تقريبًا، بينما يدور ضاغط محرك طائرة هليكوبتر صغيرة بسرعة 50000 دورة في الدقيقة تقريبًا.

تُزوّد ​​المحركات النفاثة التوربينية الطائرة بالهواء المسحوب من الضاغط لتشغيل مختلف الأنظمة الفرعية، مثل نظام التحكم البيئي ، ونظام منع التجمد ، ونظام ضغط خزان الوقود. يحتاج المحرك نفسه إلى هواء بضغوط ومعدلات تدفق مختلفة لضمان استمرارية عمله. يأتي هذا الهواء من الضاغط، وبدونه، سترتفع درجة حرارة التوربينات، وسيتسرب زيت التشحيم من تجاويف المحامل، وستنزلق محامل دفع الدوار أو تتعرض لحمل زائد، وسيتكون الجليد على مقدمة الطائرة. يُستخدم الهواء الخارج من الضاغط، والذي يُسمى الهواء الثانوي، لتبريد التوربينات، وإحكام إغلاق تجاويف المحامل، ومنع التجمد، وضمان عدم تآكل محمل الدفع الناتج عن الحمل المحوري للدوار قبل الأوان. يؤدي تزويد الطائرة بالهواء المسحوب إلى انخفاض كفاءة المحرك لأنه مضغوط، ولكنه لا يُساهم في توليد قوة الدفع.

كانت أنواع الضواغط المستخدمة في المحركات النفاثة التوربينية عادةً محورية أو طاردة مركزية. تميزت ضواغط المحركات النفاثة التوربينية الأولى بنسب ضغط منخفضة تصل إلى حوالي 5:1. وقد مكّنت التحسينات الديناميكية الهوائية، بما في ذلك تقسيم الضاغط إلى جزأين يدوران بشكل منفصل، واستخدام زوايا شفرات متغيرة لريش التوجيه الداخلة والأجزاء الثابتة، وتفريغ الهواء من الضاغط، المحركات النفاثة التوربينية اللاحقة من الوصول إلى نسب ضغط إجمالية تبلغ 15:1 أو أكثر. بعد خروج الهواء من الضاغط، يدخل إلى غرفة الاحتراق.

غرفة الاحتراق

تختلف عملية الاحتراق في غرفة الاحتراق اختلافًا كبيرًا عن تلك التي تحدث في محرك المكبس . ففي محرك المكبس، تنحصر الغازات المحترقة في حجم صغير، ومع احتراق الوقود، يزداد الضغط. أما في المحرك النفاث التوربيني، فيحترق خليط الهواء والوقود في غرفة الاحتراق، ثم ينتقل إلى التوربين في عملية تدفق مستمر دون تراكم للضغط. وبدلًا من ذلك، يحدث انخفاض طفيف في الضغط داخل غرفة الاحتراق.

لا يحترق خليط الوقود والهواء إلا في الهواء البطيء الحركة، لذا تحافظ فوهات الوقود على منطقة تدفق عكسي لضمان احتراق شبه متكافئ في المنطقة الأولية. يُضخ المزيد من الهواء المضغوط لإتمام عملية الاحتراق وخفض درجة حرارة نواتج الاحتراق إلى مستوى مناسب للتوربين. عادةً ما يُستخدم أقل من 25% من الهواء للاحتراق، إذ يتطلب الأمر خليطًا فقيرًا للحفاظ على درجة حرارة التوربين ضمن الحدود المسموح بها.

توربين

تتمدد الغازات الساخنة الخارجة من غرفة الاحتراق عبر التوربين. تشمل المواد الشائعة المستخدمة في صناعة التوربينات الإنكونيل والنيمونيك . [ 28 ] تحتوي ريش التوربين الأكثر سخونة في المحرك على قنوات تبريد داخلية. يمر الهواء القادم من الضاغط عبر هذه القنوات للحفاظ على درجة حرارة المعدن ضمن الحدود المسموح بها. أما المراحل الأخرى فلا تحتاج إلى تبريد.

في المرحلة الأولى، يكون التوربين في الغالب توربينًا دافعًا (شبيهًا بعجلة بيلتون ) ويدور بفعل اصطدام تيار الغاز الساخن. أما المراحل اللاحقة فهي عبارة عن قنوات متقاربة تعمل على تسريع الغاز. تُنقل الطاقة إلى العمود عبر تبادل الزخم بطريقة معاكسة لانتقال الطاقة في الضاغط. وتُشغل الطاقة المتولدة من التوربين الضاغط وملحقاته، مثل مضخات الوقود والزيت والهيدروليكية التي تُدار بواسطة علبة تروس الملحقات.

فوهة

بعد التوربين، تتمدد الغازات عبر فوهة العادم مُنتجةً تيارًا عالي السرعة. في الفوهة المتقاربة، يضيق مجرى الهواء تدريجيًا حتى يصل إلى عنق الفوهة. وتكون نسبة ضغط الفوهة في المحرك النفاث التوربيني عالية بما يكفي عند مستويات الدفع العالية للتسبب في انسداد الفوهة.

أما إذا تم تركيب فوهة دي لافال متقاربة-متباعدة ، فإن الجزء المتباعد (الذي يزيد من مساحة التدفق) يسمح للغازات بالوصول إلى سرعة تفوق سرعة الصوت داخل هذا الجزء. وينتج عن ذلك قوة دفع إضافية بفضل سرعة العادم الأعلى.

الاحتراق اللاحق

الحارق اللاحق، أو "أنبوب إعادة التسخين"، عبارة عن غرفة احتراق تُضاف لإعادة تسخين غازات عادم التوربين. يستهلك هذا النوع من المحركات كمية كبيرة من الوقود، تصل عادةً إلى أربعة أضعاف استهلاك المحرك الرئيسي. تُستخدم الحارقات اللاحقة بشكل شبه حصري في الطائرات الأسرع من الصوت ، ومعظمها طائرات عسكرية. كما استخدمت طائرتان ركاب أسرع من الصوت، وهما الكونكورد وتو -144 ، الحارقات اللاحقة، وكذلك طائرة "وايت نايت" من شركة "سكيلد كومبوزيتس" ، وهي طائرة حاملة للمركبة الفضائية التجريبية "سبيس شيب وان" شبه المدارية، وطائرة " بوم إكس بي-1" التجريبية الأسرع من الصوت.

تم إجراء تجارب الطيران لتقنية إعادة التسخين في عام 1944 على محركات W.2/700 في طائرة Gloster Meteor I. [ 29 ]

قوة الدفع

زيادة الدفع

كانت زيادة قوة الدفع شائعة في المحركات النفاثة التوربينية عن طريق حقن الماء/الميثانول أو الاحتراق اللاحق . وقد استخدمت بعض المحركات كلا الطريقتين.

تم اختبار حقن السوائل على محركات Power Jets W.1 في عام 1941 باستخدام الأمونيا في البداية، ثم تم التحول إلى الماء، ثم إلى خليط الماء والميثانول. وتم تصميم نظام لتجربة هذه التقنية في محركات Gloster E.28/39، لكنه لم يُركّب قط. [ 30 ]

قوة الدفع الصافية

قوة الدفع الصافيةFشمال{\displaystyle F_{N}\;}يتم تحديد خصائص المحرك النفاث التوربيني من خلال: [ 31 ] [ 32 ]

Fشمال=(م˙أأنار+م˙و)Vج-م˙أأنارV{\displaystyle F_{N}=({\dot {m}}_{air}+{\dot {m}}_{f})V_{j}-{\dot {m}}_{air}V}

أين:

م˙أأنار{\displaystyle {\dot {m}}_{air}}معدل تدفق الهواء عبر المحرك
م˙و{\displaystyle {\dot {m}}_{f}}معدل تدفق الوقود الداخل إلى المحرك
Vج{\displaystyle V_{j}\;}هي سرعة النفث (عمود العادم) ويُفترض أنها أقل من سرعة الصوت.
V{\displaystyle V\;}هي السرعة الجوية الحقيقية للطائرة
(م˙أأنار+م˙و)Vج{\displaystyle ({\dot {m}}_{air}+{\dot {m}}_{f})V_{j}}يمثل قوة الدفع الإجمالية للفوهة
م˙أأنارV{\displaystyle {\dot {m}}_{air}V}يمثل مقاومة السحب للمدخل

إذا كانت سرعة النفث مساوية لسرعة الصوت، يُقال إن الفوهة " مختنقة ". في حالة اختناق الفوهة، يكون الضغط عند مستوى خروجها أكبر من الضغط الجوي، ويجب إضافة حدود إضافية إلى المعادلة المذكورة أعلاه لحساب قوة الدفع الناتجة عن الضغط. [ 33 ]

معدل تدفق الوقود الداخل إلى المحرك ضئيل جدًا مقارنةً بمعدل تدفق الهواء. [ 31 ] إذا تم تجاهل مساهمة الوقود في قوة الدفع الإجمالية للفوهة، فإن قوة الدفع الصافية هي:

Fشمال=م˙أأنار(Vج-V){\displaystyle F_{N}={\dot {m}}_{air}(V_{j}-V)}

سرعة الطائرة النفاثةVج{\displaystyle V_{j}\;}يجب أن تتجاوز السرعة الجوية الحقيقية للطائرةV{\displaystyle V\;}إذا كان من المقرر وجود قوة دفع أمامية صافية على هيكل الطائرة. السرعةVج{\displaystyle V_{j}\;}يمكن حسابها ديناميكيًا حراريًا بناءً على التمدد الأديباتي . [ 34 ]

تحسينات الدورة

يتم نمذجة تشغيل المحرك النفاث التوربيني تقريبًا بواسطة دورة برايتون .

تزداد كفاءة التوربينات الغازية برفع نسبة الضغط الكلية، مما يستلزم استخدام مواد ضاغط تتحمل درجات حرارة أعلى، ورفع درجة حرارة مدخل التوربين، مما يستلزم استخدام مواد توربينية أفضل و/أو تحسين تبريد الريش/الشفرات. كما تزداد الكفاءة بتقليل الفاقد أثناء انتقال التدفق من المدخل إلى فوهة الدفع. ويُقاس هذا الفاقد بكفاءة الضاغط والتوربين، بالإضافة إلى فاقد الضغط في القنوات. عند استخدامها في تطبيقات المحركات النفاثة، حيث يُستخدم ناتج التوربين الغازي في فوهة الدفع، يؤدي رفع درجة حرارة التوربين إلى زيادة سرعة النفث. عند السرعات دون الصوتية العادية، يُقلل هذا من كفاءة الدفع، مما يُسبب فاقدًا إجماليًا، كما يتضح من ارتفاع استهلاك الوقود النوعي (SFC). [ 35 ] مع ذلك، قد يكون هذا مفيدًا للطائرات الأسرع من الصوت، وهو أحد أسباب استخدام طائرة الكونكورد للمحركات النفاثة. تُعدّ أنظمة المحركات النفاثة أنظمة معقدة، ولذلك، ولضمان الأداء الأمثل لهذه الأنظمة، ثمة حاجة إلى تطوير النماذج الأحدث لتعزيز أنظمة التحكم فيها، وتطبيق أحدث المعارف في مجالات الأتمتة، وبالتالي زيادة سلامتها وفعاليتها. [ 36 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "محرك توربيني نفاث" . مركز أبحاث ناسا جلين . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 مايو 2009 .
  2. ↑ براون، آلان. "المسارات المتقاربة لويتل وفون أوهين" . مجلة القوات الجوية والفضائية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 أبريل 2026 .
  3. ↑ براءة اختراع FR رقم 534801 ، ماكسيم غيوم، "Propulseur par réaction sur l'air"، الصادرة في 13 يناير 1922 
  4. ↑ إليس، غاي (15 فبراير 2016). عصر الطائرات النفاثة في بريطانيا: من ميتيور إلى سي فيكسن . أمبرلي. ISBN 978-1-44564901-6.
  5. ↑ "مطاردة الشمس - فرانك ويتل" . بي بي إس. مؤرشف من الأصل في 10 يوليو 2001. تم الاطلاع عليه في 26 مارس 2010 .
  6. ↑ "التاريخ - فرانك ويتل (1907-1996)" . بي بي سي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 مارس 2010 .
  7. ↑ براءة اختراع بريطانية رقم 347206 ، فرانك ويتل، "تحسينات تتعلق بدفع الطائرات والمركبات الأخرى"، صدرت في 16 أبريل 1931 
  8. ↑ جينكينز، دينيس ر.؛ لانديس، توني ر. (2008). طائرات مقاتلة نفاثة تجريبية ونماذج أولية تابعة لسلاح الجو الأمريكي . دار النشر المتخصصة. رقم ISBN 978-1-58007-111-6.
  9. ↑ فوديرارو، ليزا دبليو. (10 أغسطس 1996). "وفاة فرانك ويتل، 89 عامًا؛ محركه النفاث دفع عجلة التقدم" . صحيفة نيويورك تايمز .
  10. ↑ وارسيتز، لوتز (2009). أول طيار نفاث - قصة الطيار التجريبي الألماني إريك وارسيتز . إنجلترا: دار بن آند سورد للنشر. ص 125. ISBN  978-1-84415-818-8.
  11. ↑ ليستمان، فيل هـ. (6 سبتمبر 2016). نيزك غلوستر FI وF.III . دار نشر فيل. ص 3. ISBN  978-2-918590-95-8.
  12. ↑ هيتون، كولين د.؛ لويس، آن ماريين؛ تيلمان، باريت (15 مايو 2012). طائرة ميسرشميت 262 ستورمبيرد: من الطيارين الذين قادوها وقاتلوا ونجوا منها . دار فويجر للنشر. رقم ISBN 978-1-61058434-0.
  13. ↑ ليستمان 2016 ، ص 5 . 
  14. ↑ "اليوم الذي حلّقت فيه أول طائرة مقاتلة نفاثة ألمانية في التاريخ" .
  15. ↑ يونغ؛ ديفريز (11 مايو 1972). "قوة الجيل الثاني من الطائرات الأسرع من الصوت". مقتطفات من محاضرة لويس بليريو الخامسة والعشرين. مجلة فلايت إنترناشونال . ص 659. 
  16. ↑ جيه دي راج (1998). "محرك TSR2". في: هنتر، ألكسندر فريلاند كيرنز (محرر). TSR2 مع نظرة إلى الماضي . الجمعية التاريخية لسلاح الجو الملكي. ص 120. ISBN  0951982486.
  17. ↑ هوكر، إس جي (1963). "محطات توليد الطاقة لطائرة كونكورد المدنية الأسرع من الصوت" . وقائع مؤسسة المهندسين الميكانيكيين . 178 (1): 1224-1237 . doi : 10.1177/0020348363178001159 . ISSN 0020-3483 . 
  18. ↑ لارسون، جورج سي. (أبريل-مايو 2010). "النافورة القديمة الموثوقة". مجلة الطيران والفضاء . المجلد 25، العدد 1. ص 80.   
  19. ↑ بيل غانستون (2006). الموسوعة العالمية لمحركات الطائرات ( الطبعة الخامسة). دار نشر ساتون. ص 192.  
  20. ↑ "السيد أليك | أنابيب اللهب | مارشال سير | 1949 | 0598 | أرشيف الطيران" .
  21. ↑ سيمز، سي تي (1984). "تاريخ علم المعادن للسبائك الفائقة لعلماء المعادن للسبائك الفائقة". السبائك الفائقة 1984 (الندوة الدولية الخامسة) . جمعية المعادن والتعدين. الصفحات 399-419 . doi : 10.7449/1984/Superalloys_1984_399_419 . 
  22. ↑ "رولز رويس ديروينت | 1945" . فلايت . Flightglobal.com: 448. 25 أكتوبر 1945. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 ديسمبر 2013 .
  23. ↑ غارفين، روبرت ف. (1998). بدء شيء كبير . ص 5. ISBN  978-1-56347-289-3.
  24. ↑ "تحسينات المحركات النفاثة التوربينية" . مركز أبحاث غلين التابع لناسا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 أبريل 2026 .
  25. ↑ تروبشو، برايان؛ إدموندسون، سالي (1999). برايان تروبشو: طيار اختبار . دار ساتون للنشر. الملحق الثامن ب. رقم ISBN 0750918381.
  26. ↑ ج. توماس أندرسون (19 أغسطس 2013). كيف تعمل مداخل الهواء فوق الصوتية: تفاصيل هندسة وتشغيل مدخل الضغط المختلط للطائرة SR-71 (ملف PDF) (تقرير). لوكهيد مارتن سكونك ووركس. الشكل 26. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 9 مايو 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 مايو 2016 .
  27. ↑ سوبستر، أندراس (2007). "المفاضلات في تصميم مدخل الهواء النفاث: منظور تاريخي" (ملف PDF) . مجلة الطائرات . 44 (3): 705-717 . doi : 10.2514/1.26830 . ISSN 0021-8669 . 
  28. ↑ "1960 | رحلة | أرشيف" .
  29. ↑ بيل غانستون (2006). الموسوعة العالمية لمحركات الطائرات ( الطبعة الخامسة). دار نشر ساتون. ص 160.  
  30. ↑ "1947 | 1359 | أرشيف الرحلات الجوية" .
  31. 1 2 كمبستي، نيكولاس (2003). "3.1". الدفع النفاث ( الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN  0-521-54144-1.
  32. ↑ "قوة الدفع التوربيني النفاث" . مركز أبحاث غلين التابع لناسا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 مايو 2009 .
  33. ↑ كومبستي، الدفع النفاث ، القسم 6.3
  34. ↑ "11.6 أداء المحركات النفاثة" . web.mit.edu .
  35. ↑ كوهين، هنري؛ روجرز، جوردون فريدريك كريشتون؛ سارافاناموتو، إتش آي إتش (1972). نظرية التوربينات الغازية . لندن: لونجمان. الصفحات 72-73، الشكل 3.11. ISBN 0-582-44927-8.
  36. ↑ أندوغا، ر.؛ فوزو، ل.؛ ماداراس، ل.؛ جوديكاك، ج. (2010). "أساليب متقدمة للتحكم في محركات التوربينات النفاثة". المؤتمر الدولي الثامن لعام 2010 حول الذكاء الآلي التطبيقي والمعلوماتية (SAMI) . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 141-144 . doi : 10.1109/SAMI.2010.5423749 . ISBN  978-1-4244-6422-7.

للمزيد من القراءة

  • سبرينغر، إدوين هـ. (2001). بناء محرك توربيني نفاث مزود بشاحن توربيني . تقنيات التوربينات النفاثة.