توربين الطائرة

أنواع توربينات الطائرات

يُعدّ توربين الطائرة نوعًا من محركات الاحتراق الداخلي المصممة لدفع الطائرات. يعمل عن طريق ضغط وقود الطائرات وإشعاله في محرك دوار بسرعة عالية. ينتج هذا المحرك بعد ذلك قوة دفع تدفع الطائرة للأمام. النوعان الرئيسيان ل توربينات الطائرات هما توربوجت وتوربوفان. كلاهما مثالي للطائرات عالية السرعة ولكنهما يعملان بشكل مختلف.

• محرك توربوجت:

  يُعدّ محرك توربوجت نوعًا مبكرًا من المحركات التي تعمل عن طريق سحب الهواء وضغطه وإشعال الوقود ثم طرده كتيار هواء سريع جدًا. تم تصميمه للوصول إلى أقصى سرعة. تعمل محركاته، مثل Wright R-2600 Twin Cyclone، عن طريق إجبار تيار هواء سريع للخلف. يدفع ذلك الطائرة للأمام بسرعات عالية جدًا. على الرغم من فاعليته في السرعة، فإن محركات توربوجت أقل كفاءة عند السرعات المنخفضة واستهلاك الوقود مرتفع فيها.

• محركات توربوفان:

  يُعدّ محرك توربوفان المحرك الأكثر شيوعًا الموجود في طائرات النقل التجارية اليوم. من أمثلة محركات توربوفان General Electric GEnx و CFM International LEAP A.

  يعمل على نفس مبدأ محرك توربوجت، ولكن مع تعديلات. تم تركيب مروحة كبيرة في المقدمة تمتص كمية هائلة من الهواء. المروحة متصلة بتركيب توربين. يمر بعض الهواء الذي تسحبه المروحة حول التركيب التوربيني ويتدفق مباشرة عبر نفاثة المحرك. يُطلق على هذا الجزء من الهواء اسم تدفق الهواء الجانبي. يمر باقي الهواء عبر المحرك للضغط والاحتراق ودوران التركيب التوربيني.

  يُعدّ تدفق الهواء الجانبي هو ما يدفع الطائرة للأمام. إنه هادئ جدًا وأكثر كفاءة في استهلاك الوقود، خاصةً عند السرعات دون الصوتية. تستخدم معظم طائرات الركاب توربوفان بسبب كفاءتها وانخفاض ضوضائها وفوائدها من حيث التكلفة مقارنةً بمحركات توربوجت.

ميزة ووظيفة توربين الطائرة

يمكن أن يكون التركيب التوربيني في الطائرة عبارة عن توربين غازي أو توربين نفاث أو محرك توربيني. هناك العديد من الميزات التي تميز وظيفة هذه محركات الطائرات:

• تركيب توربيني أحادي المرحلة: تحتوي محركات الطائرات ذات التركيبات التوربينية أحادية المرحلة على تركيب توربيني أحادي المرحلة. يمر تدفق الهواء عبر التركيب التوربيني في اتجاه واحد فقط. هذا التصميم أبسط من غيره وأخف وزناً، لذا فهو يُستخدم غالبًا في المروحيات الأصغر وحجمًا وبعض الطائرات.
• تركيب توربيني متعدد المراحل: يحتوي التركيب التوربيني متعدد المراحل على مراحل متعددة، اعتمادًا على عدد مجاميع ضاغط وتركيبات عجلات توربين. في هذا التصميم، يمر تدفق الهواء عبر التركيب التوربيني في اتجاه واحد، ولكنه يتغير بسبب اختلاف عجلات التركيب التوربيني. غالبًا ما يُوجد في المروحيات الأكبر حجمًا وطائرات النقل التجارية لأنه ينتج قدرًا أكبر من الطاقة وهو أكثر كفاءة.
• تركيب توربيني حر: يدور التركيب التوربيني الحر أو المستقل بشكل مستقل عن قسم الضاغط. تستخدم العديد من محركات الطائرات هذا النوع من التركيبات التوربينية. تعتمد بدء تشغيل المحرك وإيقافه على إجراء التشغيل المحدد للطائرة. في بعض الحالات، يبدأ التركيب التوربيني في الدوران قبل الضاغط، بينما في حالات أخرى، يبدأ بعد وصول الضاغط إلى سرعة معينة. يوفر هذا الترتيب للعمل مرونة ويعزز الموثوقية.
• تركيب توربيني قوي: يحول التركيب التوربيني القوي الطاقة الحرارية في غاز العادم عالي السرعة إلى طاقة ميكانيكية لدوران عمود الإخراج. يدفع عمود الإخراج عادةً علبة تروس تخفيض و التطبيق المقصود، مثل دوار مروحية أو آلات أخرى. يأتي في تصميمات مختلفة، بما في ذلك التركيبات التوربينية القوية أحادية المرحلة ومتعددة المراحل والتركيبات التوربينية القوية الحرة.

سيناريوهات توربين الطائرة

يُعدّ استخدام محرك توربين غازي للطائرات بتكوين توربوجت شائعًا للعديد من التطبيقات الأخرى بخلاف دفع الطائرات. تُستخدم المحركات للإقلاع بمساعدة نفاثة (JATO)، حيث تُستخدم قوة دفع إضافية للطائرات للإقلاع من مدارج قصيرة، وفي بعض الصواريخ العسكرية والطائرات بدون طيار المستهدفة.

يبحث مصنعو محركات الطائرات الآن عن طرق لاستخدام محركاتهم في قطاعات تجارية أخرى. يسمح هذا بتمويل جديد للبحث وتطوير المحركات، وللمحركات فائدة تتمثل في التكنولوجيا المتقدمة، والتي قد لا تكون متاحة في المحركات المصممة لأغراض أخرى. تختلف توربينات الغاز الصناعية في التصميم والتكوين عن محركات النفاثة ولكنها تعمل على نفس المبدأ الديناميكي الحراري - تحويل الوقود إلى طاقة ميكانيكية عن طريق عمود دوار.

تُستخدم محركات توربين الغاز، مثل محركات الطائرات، أيضًا في إنتاج الطاقة. ذهبت جائزة جوائز الشحن الجوي العالمية لعام 2002 للابتكار إلى شراكة مشتركة بين Airbus ورابطة النقل الجوي (ATA) وشركة يونايتد تكنولوجي كوربوريشن (UTC) في استخدام توربين غاز طائرة لتوليد الطاقة الكهربائية على الأرض. أثناء تواجد الطائرة على الأرض، يمكن لمحرك توربين غازها تشغيل مصدر طاقة كهربائية لتشغيل معدات الدعم الأرضي إذا تم تشغيل المحرك. يمكن أن يوفر هذا استخدام وحدات الطاقة المساعدة (APU) أو وحدات الطاقة الأرضية (GPU) التي تعمل على الديزل أو تستخدم مضخات كهربائية، والتي تستهلك المزيد من الوقود وتنتج المزيد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2).

تُستخدم توربينات الاحتراق لدفع مضخات ومضغوطات وأجهزة أخرى ميكانيكيًا. مثل محركات الطائرات، توفر التوربينات طاقة ميكانيكية تدير عمود الدفع. توفر محركات توربين الغاز نسبة طاقة إلى وزن غير متقطعة وعالية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تكون فيها الطاقة الكهربائية أو محركات الاحتراق الداخلي أكثر شيوعًا.

كيفية اختيار توربين طائرة؟

يُعدّ اختيار محرك طائرة عملية معقدة تتضمن العديد من الاعتبارات الفنية والتشغيلية. فيما يلي الخطوات الرئيسية التي يجب اتخاذها:

• تحديد نوع الطائرة والمهمة

  تتمثل الخطوة الأولى في تحديد نوع الطائرة واستخدامها المقصود. سيشمل ذلك تحديد ما إذا كانت الطائرة مخصصة للنقل التجاري أو الشحن أو الاستخدام العسكري أو الخاص. بالإضافة إلى ذلك، حدد مدى الطيران وعدد الركاب أو سعة الشحن وبيئة التشغيل (على سبيل المثال، الارتفاع، المناخ).

• تحديد متطلبات الأداء

  حدد متطلبات الأداء التي يجب أن يلبيها محرك التركيب التوربيني. يشمل ذلك عوامل مثل قوة الدفع أو إنتاج الطاقة المطلوبة للإقلاع والطيران، وكفاءة استهلاك الوقود (استهلاك الوقود المحدد)، والأداء في ظروف جوية مختلفة (على سبيل المثال، ارتفاع عالٍ، درجة حرارة عالية).

• النظر في أنواع المحركات والتكوينات

  ابحث عن أنواع مختلفة من محركات التركيب التوربيني (محركات نفاثة) المتاحة للعثور على واحدة تلبي المتطلبات المحددة. ضع في اعتبارك إيجابيات وسلبيات كل نوع: توفر محركات توربوجت تصميمًا بسيطًا وسرعة عالية على حساب الكفاءة والتكلفة الإجمالية، بينما تحقق محركات توربوفان كفاءة أفضل في استهلاك الوقود وانخفاض الضوضاء، مما يجعلها شائعة للطائرات التجارية. توفر محركات التركيب التوربيني أداءً موثوقًا به في مجموعة واسعة من الظروف وغالبًا ما تُستخدم للمروحيات والطائرات الصغيرة.

• الامتثال للمعايير التنظيمية

  تأكد من أن المحرك المختار يتوافق مع اللوائح والمعايير ذات الصلة لسلطات الطيران مثل إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) ووكالة سلامة الطيران في الاتحاد الأوروبي (EASA) وغيرها. يعد الامتثال لهذه المعايير ضروريًا لإصدار شهادة الطائرة وسلامتها.

• تقييم الموثوقية والصيانة

  قيم موثوقية المحرك المختار واحتياجاته من الصيانة. اختر محركًا يتمتع بسجل موثوق به ودعم مناسب للصيانة وقطع الغيار. ضع في اعتبارك توافر مرافق الصيانة والشخصيات المؤهلين لنوع المحرك المختار.

• الميزانية والتكاليف

  تتضمن الخطوة الأخيرة تقييم تكلفة المحرك، بما في ذلك سعر الشراء الأولي، وتكاليف التشغيل (مثل الوقود)، وتكاليف الصيانة. اختر محركًا يناسب الميزانية مع استيفاء معايير الأداء والموثوقية المطلوبة.

أسئلة وأجوبة عن توربين الطائرة

س1: كم يستهلك محرك نفاث من الوقود في الساعة؟

ج1: اعتمادًا على الحجم والكفاءة، يمكن لمحركات طائرات النقل التجارية أن تستهلك ما بين 1,500 و 5,000 لتر من الوقود في الساعة.

س2: ما هي السرعة القصوى لمحرك التركيب التوربيني؟

ج2: يمكن لمحركات التركيب التوربيني أن تصل إلى سرعة ماخ 6 (تقريبًا ستة أضعاف سرعة الصوت).

س3: هل يمكن تشغيل محرك نفاث بالديزل؟

ج3: يتم اشتقاق كل من الديزل ووقود التركيب التوربيني (وقود الطائرات) من تكرير النفط. إنها منتجات نفطية منفصلة غير قابلة للتبادل، على الرغم من أن الديزل نوع من وقود محركات الطائرات.

س4: هل تستخدم محركات النفاثة مشغلات كهربائية؟

ج4: لا تعمل مشغلات محركات النفاثة بالكهرباء. إنها تعمل بشكل مختلف عن المحركات التي تعمل بالبطاريات في السيارات أو الطائرات. تستخدم طائرات بوينج والطائرات العسكرية مشغلات هوائية تمتص الهواء من عادم المحركات العاملة أو الهواء المضغوط من الأرض.