تفاوت سرعت توربوفن با توربوپراپ

[rohamavation]

همه اینها به سرعت عملیاتی هواپیمای بستگی داره. ملخ ها می توانند حجم زیادی از هوا را با سرعت های آهسته حرکت جسم اما گاز را به سرعت خروجی کمتری نسبت به توربوجت یا توربوفن شتاب میدن. این دلیل اصلی این است که هلیکوپتر کارآمدترین وسیله پرواز VTOL برای هواپیماهای سنگین تر از هواپیما است. اما با افزایش سرعت ضربه خاص کاهش مییابه و بازده پروانه نیز کم میشه. در حدود 400-500 مایل در ساعت ضربه خاص یک توربوفن بای پس بالا از توربوپراپ برتری داره زیرا در حالی که هوای کمتری را نسبت به یک توربوپراپ حرکت میده میتونه جرم هوای کوچکتر را به سرعت خروجی بسیار بالاتری شتاب بده این روند از طریق موتورهای توربوفن بای پس کم توربوجت و سپس رم جت ادامه داره.از توربوپراپ‌ها هستن موتورهای جت با بیرون راندن جریان قدرتمندی از گازهای خروجی نیروی رانش تولید می‌کنند که دستیابی به سرعت‌های بالاتر را ممکن می‌سازد. جت های تجاری ممکنه به سرعتی بین 500-600 گره دریایی (575-690 مایل در ساعت) یا حتی فراتر از 1 ماخ برسندموتورهای توربوپراپ در سرعت‌ها و ارتفاعات کمتر کارآمدتر هستن و برای پروازهای منطقه‌ای کوتاه‌تر و
پس توربوپراپ ها دارای محدوده بتا و گام معکوس هستن که میتونن رانش معکوس ایجاد کنن.سرعت. به طور معمول جت‌ها سریع‌تر عملیات در مناطق با زیرساخت‌های محدود ایده هستن. موتورهای توربوفن برای سفرهای با سرعت بالا و در ارتفاع بالا طراحی شدن و آنها را برای پروازهای تجاری طولانی مدت مناسب میکنه توربوفن و توربوپراپ از دیگر تغییرات موتور توربین گاز اولیه هستند و شباهت های خاصی در طراحی آنها دارن. هر دوی آنها تغییراتی از موتور توربین اولیه هستن و ترمودینامیک آنها بر اساس چرخه برایتونه. موتورهای با اندازه مشابه قدرت مشابهی را به فن یا پروانه ارائه میدن. توربوفن دارای یک فن بزرگ در جلوی هسته موتوره. توربوفن یک روش بسیار کارآمد برای تولید نیروی رانشه به خصوص اگر از نسبت بای پس بالا استفاده کنه یعنی بیشتر جریان جرم از فن عبور میکنه و فن بیشتر نیروی رانش را ایجاد میکنه. توربوپراپ از پروانه ای استفاده میکنه که توسط یک توربین قدرت حرکت میکنه که معادل یک سیستم محرکه با نسبت بای پس بسیار بالاست
عملکرد و آنالیز توربوفن ها و توربوپراپ ها از بسیاری جهات مشابهه. با این حال ویژگی های پیشرانه و محدودیت های آیرودینامیکی پروانه بر عملکرد یک توربوپراپ به عنوان یک سیستم تأثیر میزاره . توربوپراپ ها و توربوفن ها کارایی بسیار بهتری نسبت به توربوجت ها در تولید نیروی رانش برای مقدار معین سوخت دارن. توربوفن ها در بسیاری از هواپیماهای تجاری استفاده میشن اگرچه توربوپراپ ها ممکنه در هواپیماهای مسافربری کوچکتر استفاده بشن. توربوپراپ ها همچنین در برخی از هواپیماهای هوانوردی عمومی و هواپیماهای آموزشی نظامی استفاده میشن. یک توربوشفت که همان هسته اصلی یک توربوپراپ را داره میتونه هلیکوپترها و سایر ماشین‌آلات غیر از هواپیما را تامین کنه.
جریان در یک موتور توربوفن به دو مسیر تقسیم میشه نسبت بای پس نسبت بین جریان جرمی از طریق فن و جریان جرمی از طریق هسته است.
فن بسیار کندتر از هسته داخلی موتور میچرخه که به کارایی آن و کاهش صدا کمک میکنه. یک کاسه دور تا دور فن را احاطه کرده و جریان هوا را به سمت فن و هسته موتور هدایت میکنن مشخص شده است که راندمان تولید رانش این نوع موتور با افزایش نسبت بای پس به طور قابل توجهی افزایش مییابه. نسبت بای پس (BPR) مساحت یا جریان جرمی از طریق فن تقسیم بر مساحت یا جریان جرمی از خود هسته است یعنی:
$(1) \begin{equation*} {\rm BPR} = \frac{{\rm Mass~flow~rate~of~bypass~stream}}{{\rm Mass~flow~rate~of~flow~through~core}} \end{equation*}$
مانند همه موتورها رانش یک توربوفن و مشخصات مصرف سوخت آن با شرایط پرواز یعنی با سرعت هوا یا عدد ماخ و ارتفاع پرواز متفاوت است. چنین ویژگی‌هایی از اندازه‌گیری‌های عملکرد موتور که توسط مدل‌سازی ریاضی ویژگی‌های موتور پشتیبانی میشن تعیین میشن که ارتفاع معمولاً ارتفاع تراکم است یعنی ارتفاع مربوط به تراکم محیط محلی.
تولید رانش
قابلیت‌های تولید رانش موتورهای توربوفن به‌طور قابل‌توجهی تحت‌تاثیر سرعت هوای $V_{\infty} $و عدد ماخ مربوطه $M_{\infty}$ قرار میگیره و تولید رانش آن در سرعت‌های هوایی بالاتر کاهش مییابه. رفتار معمولی فاز برخاستن و صعود که در سرعت های هوایی نسبتاً کم زیر حدود 300 کیلوتن (تعداد ماخ پرواز < 0.5) خواهد بود. به کاهش رانش با افزایش عدد ماخ پرواز مشخصه این نوع موتوره. در اعداد ماخ بالاتر منحنی های رانش در ارتفاعات بالاتر تمایل به صاف شدن دارند اما در ارتفاعات پایین تر تولید رانش در اعداد ماخ فراصوتی به سرعت کاهش میابه
تغییرات معرف در رانش و مصرف سوخت خاص برای یک موتور توربوفن در اعداد ماخ پرواز بالاتر.
برای اهداف طراحی معادلات نشان دهنده ویژگی های یک موتور اغلب مفید هستند. در طول مرحله برخاستن و صعود نیروی رانش برای موتور توربوفن اغلب با استفاده از معادله تجربی تقریبی مشه
$(2) \begin{equation*} \frac{T}{T_{(V_{\infty} = 0)}} \approx 1 - 2.52 \times 10^{-3} V_{\infty} + 4.34 \times 10^{-6} V_{\infty}^2 \end{equation*}$
رانش از یک توربوفن نیز می تواند با استفاده از معادله تقریبیه
$(3) \begin{equation*} \frac{T}{T_{{V_{\infty}}=0}} = A M_{\infty}^{-n} \end{equation*}$نسبتا بزرگ در ارتفاعات پایین تر. با این حال این فرض که رانش تقریباً ثابته در محدوده کروز منطقیه (مثلاً بین اعداد ماخ پرواز 0.7 تا 0.85 در ارتفاعات پروازی بالاتر). همان تغییر اولیه رانش با ارتفاع برای موتورهای توربوفن
$(4) \begin{equation*} \frac{T}{T_0} = \left( \frac{\varrho}{\varrho_0} \right)^m \end{equation*}$
که در آن T_0$ $نیروی رانش تولید شده در MSL است ببینین m = 1 در اکثر موارد اگرچه این مقدار میتونه و بستگی به طراحی موتور داره.مصرف سوخت ویژه تراست (TSFC)
تغییر TSFC برای یک توربوفن از این رابطه پیروی میکنن
$(5) \begin{equation*} {\rm TSFC} = c_t = B \left( 1 + k M_{\infty} \right) \end{equation*}$
که در آن مقادیر B و k به موتور و ارتفاع عملیاتی موتور بستگی داره. این معادله اخیر اعتبار خوبی در شرایط کروز بین اعداد ماخ پرواز 0.7 تا 0.85 دارد. تأثیر ارتفاع بر TSFC موتور توربوفن نسبتاً کمه (به مقیاس بسیار گسترده توجه کنید) بنابراین فرض ثابت بودن TSFC برای استفاده در تحلیل عملکرد پرواز هواپیمای سطح اول منطقیه
اثرات ارتفاع پرواز بر مصرف سوخت خاص یک موتور توربوفن نسبتا کمه
طراحی یک توربوپراپ
یک توربوپراپ یک موتور توربوشفت گازی در هسته خودشه. با این حال یک توربین قدرت کم فشار یک پروانه را از میان شفت به حرکت در میاره و تنها مقدار کمی نیروی رانش جت تولید میشه یعنی بر اساس طراحی V_j نسبتاً کمه که همچنین به کاهش نویز کمک میکنه. در واقع در این نوع طراحی حدود 95 درصد نیروی رانش از پروانه و تنها 5 درصد از نیروی رانش باقیمانده از نازل اگزوز ناشی میشه. رایج ترین کاربرد موتورهای توربوپراپ برای هواپیماهای کوچکتر و کلاس رفت و آمده. موتور توربوپراپ مشابه توربوشفته که به طور گسترده برای تامین نیروی هلیکوپترها استفاده میشه. .
یک موتور توربوپراپ معمولی که در آن یک توربین قدرت در انتهای ژنراتور گاز یک ملخ را به حرکت در میاره
در موتور توربوپراپ/شفت سه مرحله اول هسته موتور اساساً برای همه موتورهای توربین گازی یکسانه. با این حال در این مورد توربین فشار قوی توسط یک توربین فشار پایین دنبال میشه که کمپرسور فشار بالا را تغذیه میکنه و توربین قدرت فشار پایین پروانه را از طریق یک شفت متحدالمرکز به حرکت در میاره. توربین قدرت ممکن است جدایی ناپذیر از بخش ژنراتور گاز باشد اگرچه اکثر موتورهای امروزی دارای یک توربین قدرت آزاد بر روی یک محور متحدالمرکز جداگانه هستند که پروانه را به حرکت در میاره. این نوع دوم طراحی پروانه را قادر میسازه تا مستقل از سرعت چرخش کمپرسور آزادانه بچرخه. علاوه بر این به دلیل انبساط اضافی در مرحله توربین قدرت کم فشار انرژی باقیمانده جت اگزوز کم است و هر گونه جت رانش از نازل اگزوز کوچکه
پروانه ممکنه از طریق یک گیربکس کاهش سرعت به توربین قدرت کوپل بشه که برای حفظ سرعت نوک پروانه کمتر از سرعت صوت لازمه. این روش نه تنها بازده کلی پیشرانه را حفظ میکنه بلکه صدای پروانه را نیز کاهش میده. این گیربکس در جلوی موتور پشت پروانه نصب مییشه. از آنجایی که از موتورهای توربوشفت برای نیرو دادن به هواپیماهای با کارایی بالا استفاده میشن پروانه همیشه از نوع سرعت ثابت (گام متغیر) مشابه با موتورهای رفت و برگشتی با قدرت بالاتره.با توجه به کارایی توربوپراپ بین ترکیب ملخ/موتور رفت و برگشتی و توربوفن یا توربوجت قرار میگیره. با توجه به قابلیت‌های سرعت هوا حداکثر سرعت هوا (یا عدد ماخ پرواز) برای یک هواپیمای دارای موتور توربوپراپ به دلیل از دست دادن کارایی پروانه زمانی که پره‌ها با اعداد ماخ مارپیچ بالاتر شروع به کار میکنن محدود میشن. این مشخصه ناشی از تلفات تراکم پذیری و شروع امواج ضربه ای در نوک پروانه هاست. به همین دلیل توربوپراپ‌ها به پرواز در سرعت‌های پایین‌تر از هواپیماهای توربوجت یا توربوفن و همچنین به ارتفاعات عملیاتی پایین‌تر که سرعت صوت بالاتر است محدود میشن
عملکرد توربوپراپ را میتونیم با استفاده از اصول اولیه حفاظت تجزیه و تحلیل کنیم. کل رانش از توربوپراپ $T = T_p + T_j$ است که در آن$ T_p$ رانش پروانه و$ T_j $رانش جته و بنابراین قدرت توربوپراپ برابره با
$(6) \begin{equation*} P_A = \left( T_p + T_j \right) V_{\infty} = T V_{\infty} \end{equation*}
$بنابراین توان شفت را به عنوان توان موجود از موتور تعریف کنید
$(7) \begin{equation*} P_A = \eta_{p} \, P_s + T_j V_{\infty} \end{equation*}$
که در آن $\eta_{p}$ راندمان پیشرانه پروانه و$ T_j V_{\infty}$ قدرت تولید شده توسط رانش جته. تعریف توان شفت معادل$ P_{\rm es} $به عنوان یک توان کلی که شامل رانش جت میشه
$(8) \begin{equation*} P_A = \eta_{p} \, P_{\rm es} = \eta_{p} \, P_s + T_j V_{\infty} \end{equation*}
$یا$(9) \begin{equation*} P_{\rm es} = P_s + \frac{T_j V_{\infty}}{\eta_{p}} \end{equation*}$
TSFC برای توربوپراپ هستش
$10) \begin{equation*} {\rm TSFC} = c_t = \frac{{\overbigdot{W}_{f}}}{T_p + T_j} = \frac{{\overbigdot{W}_f}}{T} \end{equation*}$
که بر حسب وزن در ساعت در واحد رانش اندازه گیری می شود به عنوان مثال بر حسب واحد پوند $lb hr^{-1} lb^{-1} or kg kN^{-1} hr^{-1}$. باز هم ناهنجاری سیستم SI را به یاد بیاوریم که در آن جرم (کیلوگرم) اغلب برای TSFC به جای وزن (N) استفاده میشه و این تفاوت باید در محاسبات در صورت لزوم در نظر گرفته بشه. با این حال تعاریف دیگر برای TSFC برای یک توربوپراپ نیز میتونه بر اساس توان خالص موجود$P_A$ توان شفت $P_s$ یا توان شفت «معادل» $P_{\rm es} $باشه یعنی
$(11) \begin{eqnarray*} c_A & = & \frac{\overbigdot{W}_f}{P_A} \\ c_s & = & \frac{\overbigdot{W}_f}{P_S} \\ c_{\rm es} & = & \frac{\overbigdot{W}_f}{P_{\rm es}} \end{eqnarray*}$
توان شفت معادل شامل سهم اندکی از رانش جته
هر دو قدرت و TSFC با سرعت هوا و ارتفاع متفاوته. برای یک توربوپراپ $P_A $تقریباً با$ M_{\infty} $تا یک مقدار عملیاتی معمولی 0.6 یا 0.65 ثابت است. تغییرات$ P_A $با ارتفاع رابطه را دنبال میکنه
$(12) \begin{equation*} \frac{P_A}{P_{A,0}} = \left( \frac{\varrho}{\varrho_0} \right)^n \end{equation*}
$
که در آن n = 0.7 معمولیه اگرچه مقدار دقیق آن به طراحی موتور بستگی داره. مصرف سوخت خاص یک توربوپراپ با سرعت هوا و ارتفاع نسبتا ثابت است.
موتورهای توربوشفت
موتورهای توربوشفت بسیار شبیه به توربوپراپ‌ها هستن چون برای رساندن نیرو به شفت طراحی شدن و تنها تفاوت‌های جزئی در طراحی جزئیات آنها وجود داره. بسیاری از تولیدکنندگان موتور از یک هسته اصلی موتور استفاده میکنند که به عنوان موتور توربوپراپ یا موتور توربوشفت سفارشی شده. تفاوت‌ها در موتورهای مختلف معمولاً به مراحل کمپرسور محدود میشن که برای رسیدن به بهترین نسبت‌های فشار برای سناریوهای مختلف پرواز عملیاتی بهینه شدن و بهترین توان خروجی و کمترین مصرف سوخت خاص را ارائه میدن
موتورهای توربوشفت معمولاً در هلیکوپترها استفاده میشن که روتور(های) را از طریق جعبه دنده و سیستم انتقال هدایت میکنن. مزیت موتور توربوشفت برای هلیکوپتر اینه که قدرتمند و سبک وزنه یعنی نسبت قدرت به وزن آن بسیار بهتر از موتور پیستونیه. موتورهای توربوشفت منحصراً در هلیکوپترها استفاده میشن به جز هلیکوپترهای GA کوچکتر که معمولاً موتورهای پیستونی بر اساس هزینه جایگزین بهتری هستن. موتورهای توربوشفت نیز به عنوان واحدهای قدرت کمکی یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت درمیارن در هواپیماهای بزرگتر استفاده می شود. در کشتی‌ها توربوشفت‌ها ممکنه برای نیروی محرکه استفاده بشن و همچنین ممکنه در تجهیزات مختلف زمینی دیگر یافت بشن
که در آن مقادیر ضرایب A و n نه تنها به نوع موتور بلکه به ارتفاع عملیاتی آن نیز بستگی دارد. تغییرات رانش با$ V_{\infty} $و $M_{\infty}$ دوباره هستند
در حالت معمولی (هواپیما) موتور به صورت توربوفن عمل میکنه با این حال هنگام تغذیه فن بالابر برای عملکرد VTOL در حالت توربوشفت کار میکنه تا نیرو را از طریق یک شفت (یعنی مانند یک توربوپراپ) ارسال کنه. در همان زمان موتور به طور همزمان به تولید نیروی رانش به عنوان یک توربوفن ادامه میده
طراحی روتور باز مصرف سوخت خاصی دارد که بهتر از توربوفن با وزن کمه
این نوع طراحی از دو فن بای پس بالا ضد چرخش برای بهبود راندمان و کاهش سوختن سوخت استفاده میکنه. این کانسپت همچنین نسبت رانش به وزن بالاتری نسبت به توربوفن داره. با این حال ترکیب روتور / پروپ یک نقص قابل توجه داره سطح صدای بسیار بالاتری نسبت به یک توربوفن تولید میکنه. امروزه کاهش سر و صدای هواپیما به قدری مهم است که طراحی روتور باز با چالش های زیادی از منظر نویز مواجهه
چند موتور؟
یکی از تصمیمات مهم طراحی برای یک هواپیما به ویژه یک هواپیما تعداد موتورهای مورد استفاده است. یکی از مزایای استفاده از دو یا چند موتور این است که در صورت خرابی موتور هواپیما همچنان می تواند با خیال راحت پرواز کند و فرود اضطراری داشته باشد. با این حال خرید و بهره برداری از موتورهای هواپیما پرهزینه است بنابراین خطوط هوایی معمولاً تمایل دارن از هواپیماهای دو موتوره استفاده کنند. با این حال برای برخی از هواپیماهای جامبو واقعاً بزرگ ممکنه نیاز به استفاده از چهار موتور باشه تا نیروی رانش و قدرت کافی برای به حرکت درآوردن هواپیما عملکرد خوب در صعود و اطمینان از عملکرد کافی تک موتوره غیرفعال داشته باشد. با این حال هواپیماهای دو موتوره همچنان در معرض محدودیت‌هایی برای عملیات در مسافت‌های طولانی و بر روی آب تحت قوانین ایکائو به نام ETOPS هستند که مخفف استانداردهای عملکرد عملیات دو موتوره برد بلند مدته
هواپیماهایی با موتورهای کمتر سوخت کمتری دارن و اقتصاد بهتری دارن برای یک موتور جت تقریب خوبی از رانش تولیدشدن
$(13) \begin{equation*} T_{\rm alt} = T_{\rm MSL} \left( \frac{\delta}{\theta} \right) \end{equation*}$که در آن $\delta$ نسبت فشار در آن ارتفاعه و$ \theta$ نسبت دمای مطلق متناظره که از مدل ISA می‌توان یافت.
از آنجایی که موتورهای جت در بیشتر طول پرواز با نیروی رانش نامی خود یا نزدیک به آن عمل میکنند یک تقریب سطح اول اینه که فرض کنیم TSFC آنها مستقل از توان خروجی باقی میمونه البته یک تقریب بهتر اینه که نرخ جریان سوخت واقعی را از روی منحنی TSFC برای موتور محاسبه کنیم. با ضرب TSFC در خروجی رانش آشکار میشه که نرخ جریان سوخت $\overbigdot{W_f}$ یک تابع خطی از خروجی رانش است. این رابطه را می توان به صورت تعمیم داد
$(14) \begin{equation*} \frac{\overbigdot{W_f}}{\delta \sqrt{\theta}} = N_E \, {\rm{TSFC}} \left( A_E + B_E \left( \frac{T}{\delta \sqrt{\theta}} \right) \right) \end{equation*}$
$که در آن $N_E$ تعداد موتورها است و ضرایب $A_F$ و $B_F $به ویژگی های یک موتور خاص بستگی داره
آشکار خواهد بود که جریان کل سوخت همیشه تقریباً $(1 - N_E)$ برای نصب چند موتوره بیشتر خواهد بود. بنابراین یک طراحی هواپیما به طور کلی سعی می کند از کمترین تعداد موتور مطابق با عملکرد پرواز ایمنی پرواز و سایر ملاحظات استفاده کنه.
توربوفن ها یا توربوپراپ ها در بسیاری از انواع هواپیما به دلیل راندمان پیشرانه بالایی که دارن استفاده میشن. با این حال توربوپراپ‌ها معمولاً به هواپیماهای مسافربری کوچکتر یا هواپیماهایی که نیازی به پرواز در شرایط پرواز فراصوتی ندارند محدود میشن. یک کلاه در اطراف فن بزرگ به عملکرد بهتر توربوفن در سرعت های بالاتر نسبت به پروانه کمک می کند و صدا را کاهش میده. با این حال پروانه نیز دارای محدودیت‌های آیرودینامیکی است از جمله از دست دادن راندمان پیشرانه در نوک مارپیچ با اعداد ماخ بالا. در سرعت‌های پرواز مافوق صوت مانند جنگنده‌های نظامی توربوجت‌ها معمولاً مناسب‌ترنداما توربوفن‌ها به طور فزاینده‌ای استفاده میشن