اصول پیشرانش

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami

محل اقامت: Tehran, Qeytariyeh

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 925

سپاس: 595

جنسیت:

تماس:

اصول پیشرانش

پست توسط rohamjpl »

اصول پیشرانش
یک توربوجت بر اساس همان اصل عمل می کند که یک موتور پیستونی با ملخ حرکت می کند. هر دو هواپیما را با هل دادن حجم زیادی از هوا به عقب هدایت می کنند. تفاوت اصلی این است که توربوجت با استفاده از جرم نسبتاً کمی هوا شتاب بزرگی تولید می کند در حالی که ترکیب پروانه و موتور پیستونی شتاب نسبتاً کمی را به حجم بیشتری از هوا تولید می کند.
تولید رانشتصویر
حرکت هواپیما با استفاده از جت هوا ، کاربرد قانون سوم نیوتن است که توضیح می دهد برای هر نیرویی که به جسم وارد می شود ، عکس العمل مساوی و مخالف وجود دارد. در این حالت ، بدن جرم هوایی است که مجبور به شتاب از طریق سیستم محرکه می شود. در نتیجه ، این شتاب (تغییر در انرژی جنبشی) به مقداری انرژی ورودی از موتور به هوا نیاز دارد و جت حاصله نیروی مساوی و مخالف را بر روی موتور در جهت حرکت مطلوب ایجاد می کند.
با توجه به اینکه همه هواپیماها از شتاب دهنده هوا در جهت مخالف تغذیه می کنند ، به سرعت مشخص می شود که پیشرانه جت برای همه هواپیماها و فضاپیماها بدون در نظر گرفتن نوع موتور قابل استفاده است. با این حال ، آنها را می توان به طور گسترده به انواع تولید کننده شتاب داخلی (توربوفن ، توربوجت و غیره) و تولید کننده شتاب خارجی (توربوپراپ و غیره) طبقه بندی کرد. معمولاً هنگام مراجعه به موتورهای جت ، توربوپراپ ها حذف می شوند ، زیرا پیشرانش جت ذاتاً یک پدیده شتاب داخلی است که بر اساس شتاب جرم هوا و نه فقط افزایش فشار آن است.
تولید رانش
موتور جت مقدار مشخصی از هوا را در واحد زمان با سرعتی معین دریافت می کند. هنگامی که هوا از طریق موتور عبور می کند ، سوخت تزریق می شود ، می سوزد و آزاد شدن انرژی سرعت گازهای خروجی را که به جو برمی گردند افزایش می دهد. با توجه به اینکه:تصویر
$V_0$ سرعت هوای ورودی است
Ma جرم هوای ورودی در واحد زمان است
MF جرم سوخت تزریق شده در واحد زمان است
Vj سرعت هوای خروجی است
می توانیم تعریف کنیم:
$M_a \cdot V_0$ به عنوان حرکت هوای ورودی
$(M_a+M_F) \cdot V_j$ به عنوان حرکت هوای خروجی و
$(M_a+M_F) \cdot V_j-M_a \cdot V_0$ به عنوان تغییر حرکت
با این حال ، ما می دانیم که تغییر حرکت در واحد زمان برابر است با نیرویی که در وهله اول آن را ایجاد کرده است ، به طوری که:
$F=(M_a+M_F) \cdot V_j-M_a \cdot V_0$
به یاد داشته باشید که قانون دوم حرکت نیوتن بیان می کند که سرعت تغییر حرکت یک جسم برابر با نیروی خالص وارد شده بر آن است. در این مثال ، این بدان معناست که نیرو باید برابر نیروی رانش تولید شده باشد:
T = F
همانطور که در ادامه بحث خواهد شد ، جرم سوخت تزریق شده به میزان قابل توجهی کمتر از جرم هوا است ، بنابراین می توان معادله را بدون خطای قابل توجه به موارد زیر کاهش داد:
$T=M_a \cdot (V_j-V_0)$ یا $T=M_a \cdot V_j-M_a \cdot V_0$
از این رو ، آشکار می شود که نیروی رانش تولید شده متناسب با جرم هوای ورودی به موتور و تغییر سرعت حاصل شده بین ورودی و خروجی است. البته این یک رابطه ساده شده است و بعداً بحث خواهیم کرد که چگونه اختلاف فشار گازهای خروجی نیز در ایجاد نیروی محرک موثر است.
نوع موتور جت
موتورهای جت و سیستم های محرکه به طور کلی را می توان در شش دسته طبقه بندی کرد که از نظر پیچیدگی و درجه رانندگی قابل دستیابی متفاوت هستند. ما فقط یک مرور سریع از هر یک از آنها را در اختیار شما قرار می دهیم تا بتوانید تفاوت های کلیدی و برخی از مزایا و معایب اصلی را درک کنید.
رمجت
رمجت ساده ترین شکل موتور جت است که هیچ قطعه چرخشی را شامل نمی شود. این به طور موثر یک لوله با مصرف واگرا و اگزوز واگرا-همگرا یا به سادگی همگرا است. هنگامی که یک رمجت با سرعت کافی به خارج حرکت می کند ، هوا مکیده می شود ، سرعت کاهش می یابد و فشار در ورودی واگرا افزایش می یابد. پس از تزریق و احتراق سوخت ، کل انرژی افزایش می یابد. گازهای خروجی تولید شده از طریق نازل شتاب می گیرند و در جو آزاد می شوند.
با وجود ساده بودن ساخت و مونتاژ ، رمجت به شتاب اولیه از طریق وسایل خارجی نیاز دارد و بنابراین برای تأمین نیروی هواپیما مورد استفاده قرار نمی گیرد. این معمولاً برای تغذیه موشک ها یا سایر دستگاه های کنترل از راه دور که از هواپیماهای در حال پرواز پرتاب می شوند ، استفاده می شود. موتور لورین نشان داده شده در فصل 1.2 به طور ساده ساده ترین شکل یک رمجت است.
با وجود اینکه امروزه با رمجت های خالص زیاد مواجه نمی شویم ، برخی از آنها دارای یک ورودی متغیر هستند که به آنها اجازه می دهد در بازه وسیع تری (<ماخ 3 و> ماخ 5) کارآمدتر عمل کنند.
پالس جت
همانطور که از نامش پیداست ، پالس جت ها با احتراق سوخت در پالس ها عمل می کنند. می توان آن را به صورت ایستا اجرا کرد و می توان آن را با چند قطعه متحرک یا بدون قطعات متحرک تولید کرد. ساختار آن تا حد زیادی شبیه به یک رمجت است اما اغلب به دلیل فشارهای عملیاتی قوی تر است. مجرای ورودی اغلب مجهز به یک سری شیرآلات با فنر است.
پالس جت
وقتی فشار داخل موتور برابر اتمسفر باشد ، دریچه ها باز هستند و اجازه ورود هوا و احتراق را می دهند. انتشار محصولات احتراق باعث افزایش فشار داخل محفظه می شود
که باعث می شود سوپاپ ها بسته شوند و اجازه خروج گازهای خروجی از پشت موتور را می دهد. پس از آن فشار کاهش می یابد و شیرها دوباره باز می شوند و چرخه تکرار می شود.
پالس جت بر روی "بمب های پروازی" آلمان در طول جنگ جهانی دوم استفاده می شد ، اما به دلیل راندمان پایین و برخی مسائل تولیدی و عملیاتی به طور کلی برای هواپیماها نامناسب است. موتورهای مبتنی بر طراحی پالس جت برای استفاده در هلیکوپترها ساخته شده اند.
موتور موشک
با وجود اینکه موتورهای موشک دارای اصول پیشرانش جت یکسانی هستند ، اما از این نظر متفاوت از سایر انواع هستند که از هوای جوی برای عملکرد خود استفاده نمی کنند. موتورهای موشکی اکسیژن و سوخت مورد نیاز را در پوسته خود ذخیره می کنند و آنها را با نسبتهای خاصی مخلوط کرده و برای تولید نیروی محرک می سوزانند. موتورهای موشکی معمولاً پیشرانه ای برای خروج از جو فراهم می کنند و حتی در چنین مواردی معمولاً عملکرد آنها کوتاه است. از موتورهای کوچک موشک برای ایجاد نیروی بیشتر در هنگام برخاستن هواپیما در شرایط شدید یا خطرناک استفاده شده است.
موتور موشک
توربین گاز (توربوفن و توربوجت)
بسیاری از اشکالات مربوط به موتورهای موشکی و رمجت ها توسط موتور توربین گازی برطرف می شود. معرفی کمپرسور باعث می شود که رانش از شرایط استاتیک یا سرعت پایین ایجاد شود و منجر به سرعت بخشیدن به هوا تا زمان خروج از محفظه احتراق تا 1400 مایل بر ساعت می شود. با این حال ، تفاوت اصلی دیگر این است که بخشی از انرژی توسط یک توربین جذب می شود ، که به نوبه خود کمپرسور را هدایت می کند.
در اصل ، موتور توربین گاز ساده است. تنها قطعات متحرک کمپرسور و توربین با یک یا چند محفظه احتراق است که در بین آنها قرار گرفته است. با این وجود ، توربین گازی باید بر مسائل متعدد آیرودینامیکی و ترمودینامیکی مرتبط با دمای بسیار بالای محفظه های احتراق و توربین ، مقادیر متغیر جریان هوا و طراحی خود توربین غلبه کند.
موتور جت با بای پس بالا با سه قرقره
شایان ذکر است که برای سرعتهای کمتر از 450 مایل بر ساعت ، اگر فرض کنیم کارایی پیشرانه مستقیماً با سرعت هوا ارتباط دارد ، توربین گازی ساده در مقایسه با موتور ملخ پیستونی دارای بازده پایینی است. موتورهای توربین گازی را می توان به طور کلی بر اساس ویژگی های زیر طبقه بندی کرد:
بر اساس نحوه مصرف انرژی
توربوجت ها/توربوفن ها - استفاده از انرژی حاصل از احتراق برای ایجاد یک جت پیشرانه
توربوپراپ - استفاده از تمام یا بیشتر این انرژی برای چرخاندن پروانه
بر اساس مسیر جریان
جریان تک/ساده (یعنی توربوجت ها) - جایی که تمام هوای مکیده از همان حالت عبور می کند تا زمانی که به اگزوز می رسد
جریان دوگانه (یعنی توربوفن ها) - جایی که قسمتی از جریان در ابتدا کمی فشرده شده و سپس به جریان اصلی در خروجی می پیوندد.
بر اساس تعداد شفت بین کمپرسور و توربین
تک قرقره
دو قرقره
قرقره سه تایی
همه به شفت های کواکسیال اشاره دارند که با اجازه چرخش بخش های مختلف کمپرسور/توربین با سرعت های مختلف به بهبود کارایی کمک می کند.
کارآیی پیشرانه
موتورهای توربو/رمجت و توربو موشک
توربو رمجت توربوجت را برای سرعتهای کروز معمولاً کمتر از 3 ماخ و رمجت برای سرعتی که می تواند به 5 برابر سرعت صوت برسد (5 ماخ) ترکیب می کند. توربو/رمجت با خاموش کردن و دور زدن هسته توربوجت هنگام رسیدن به سرعت 3 ماخ یا بیشتر به چنین عملکردی در سرعت های بالا دست می یابد تا تمام جریان را به سمت مشعل پس از سوخت که به عنوان محفظه احتراق عمل می کند هدایت کند.
راکت توربو شبیه به توربو رام است با این تفاوت که به اکسیژن مایع نیز نیاز دارد. مخلوط غنی از سوخت با اکسیژن برای تغذیه توربین احتراق می شود و سپس دوباره در سوزاندن بعد از آن احتراق می شود. موشک های توربو سبک تر و جمع و جورتر از جت های توربو رام هستند و برای ارتفاع بسیار زیاد ، سفرهای پرسرعت یا پرتاب های فضایی مناسب هستند زیرا می توانند رانش مداوم و بالایی را برای مدت زمان نسبتاً کوتاهی ایجاد کنند. یکی از مهمترین معایب مصرف سوخت بالا (TSFC) است.
طراحی موتور جت
طراحی موتور جدید و برنامه ریزی مورد نیاز برای تولید انبوه هر دو وظایفی هستند که زمان زیادی را شامل می شوند. با در نظر گرفتن ساخت و آزمایش موتورهای اولیه تا تحویل اولین موتوری که وارد سرویس شد ، برنامه ها اغلب بیش از یک دهه یا بیشتر طول می کشد. امروزه اکثر موتورها به استثنای موتورهای تحقیقاتی و مفهومی بر اساس طرح های قبلی هر سازنده ساخته شده اند که می تواند زمان طراحی را کوتاه کرده و هزینه توسعه را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. هنگامی که چندین موتور دارای طراحی اولیه یکسانی هستند اما از نظر ویژگی ها و ویژگی های عملکردی متفاوت هستند ، به آنها خانواده موتورها گفته می شود.
طراحی موتور جت نیاز به راه حل هایی برای بسیاری از چالش های مهندسی پیرامون آیرودینامیک ، ترمودینامیک ، الکترونیک و قابلیت اطمینان دارد که تقریباً همیشه به یکدیگر وابسته هستند. بررسی تأثیر شرایط مختلف جریان اغلب یک کار کلیدی است ، در حالی که درجه حرارت بسیار بالا استاز نظر مواد مورد استفاده و سیستم های خنک کننده چالش هایی را ایجاد می کند. استحکام ، خستگی و قابلیت اطمینان همه متقابلاً حیاتی هستند زیرا بخش هایی از موتور در معرض بارهای آیرودینامیکی ، گریز از مرکز و حرارتی مکرر و طولانی مدت قرار می گیرند ، در حالی که خطر خوردگی و فرسایش نیز باید در نظر گرفته شود.
هنگامی که یک موتور نمونه اولیه مونتاژ می شود ، آزمایش زمین سختی را پشت سر می گذارد ، که اغلب مسائل عملکرد یا طراحی را در شرایط خاص برجسته می کند. در طول فرایند صدور گواهینامه ، طیف وسیعی از پارامترها آزمایش و تأیید می شوند ، از جمله:
ایجاد شرایط عادی و اضافی کار
بررسی مکانیسم های حفاظتی در برابر تغییرات دما ، فشار و آلودگی سوخت
شیب و اثرات ژیروسکوپی بار
شروع ، تست های شتاب و استقامت
آزمایشهای شروع و کار در دمای پایین در شرایط تشکیل یخ
بلعیدن باران و تگرگ
ضربه و تزریق پرنده
آزمایش خرابی موتورهای کمپرسور و توربین
تصویر
و خیلی بیشتر. در صورت موفقیت ، موتور برای پروازهای آزمایشی روی هواپیما نصب می شود که عملکرد موتور را با کنترل های هواپیمایی بررسی می کند. سرانجام ، موتور روی هواپیمایی که برای آن طراحی شده است نصب می شود و پس از دریافت گواهینامه ، آماده ورود به بازار است.
مواد
مواد متعدد و فناوریهای پیشگام تولید برای پوشش نیاز موتورهای جت مدرن معرفی شده است. انتخاب مواد ناشی از نیاز به قطعات سبک یا حداقل دارای نسبت استحکام به وزن بسیار خوب ، مقاومت در برابر خزش در دماهای بالا و همچنین مقاومت در برابر خوردگی و فرسایش است. فولادهای ضد زنگ غنی از نیکل و کروم از لحاظ تاریخی کاندیداهای مناسبی برای استفاده در موتورهای جت بودند ، اما معرفی آلیاژهای تیتانیوم برتر و سوپرآلیاژها ، از جمله آلیاژهای نیکل یا کبالت ، از دهه 60 میلادی تا کنون سطح فشار قابل دستیابی را افزایش داده است. و دما
امروزه فیبر کربن را می توان در اجزای مهم مانند فن که عملکرد یکسان یا برتر را برای کاهش وزن ارائه می دهد ، یافت. در همه موارد ، تکامل فرایندهای تولید همزمان با معرفی مواد جدید ، در استفاده از مواد خاص و اجرای قطعات به شیوه ای که قادر به انجام آنها هستند ، بسیار مهم بود. معرفی کانال های خنک کننده کوچک در پره های توربین یا یک قسمت داخلی نیمه توخالی در پره های فن نمونه هایی از این پیشرفت ها است. اخیراً ، تولید مواد افزودنی فلزی (AM) در خطوط تولید موتورهای جت معرفی شده است ، آزادی طراحی را افزایش داده یا قطعات سبک تر را سریعتر تولید می کند و اغلب از موادی که ساخت آنها با روشهای سنتی مشکل است. تا کنون ، AM برای تعداد کمی از قطعات غیر بحرانی از جمله نازل های سوخت موتورهای GE LEAP استفاده می شود. استفاده از AM برای نازل ها باعث شد تا یک قطعه جایگزین آنچه قبلاً مونتاژ 20 قسمتی شده بود ، شود و در مجموع 25 درصد صرفه جویی در وزن را به همراه دارد.I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست