گزارش کارورزی
«توربوماشین»
مقدمه
توربوماشین چیست؟
ماشین هایی که در ساختمان داخلی آن ها از توربین استفاده می گردد، توربوماشین نام دارند. توروماشین ها، ماشین های دواری هستند که در صنایع امروزی از آن ها استفاده فراوانی می شود.
تمامی موتورهای هواپیما و هلی کوپترهای مدرن امروزی، توربوترن ها، تلمبه خانه های مدرن نفت، توربوکمپرسورهای گاز، هوار کرافت و سیستم انرژی زایی در صنایع برق (توربو ژنراتورها) کاربردهایی از جمله توربوماشین ها هستند.
بخش اول کتاب را با بحث شیرین تاریخچه توربین گاز و بخش دوم کتاب را با بحث بسیار جذاب و شیرین موتورهای توربین دار گازی یا اصطلاحاً موتورهای جت آغاز می نمائیم.
تاریخچه توربین
حدود یکصد و پنجاه سال قبل از میلاد مسیح (150-300 BC) یک دانشمند مصری اهل اسکندریه بنام هیرو (Hero – Heron) اولین موتور جت را اختراع کرد. این دستگاه شامل یک ظرف آب، دو لوله تو خالی متصل به یک گوی و گوی با دو بازوی خمیده سوراخ دار بود، هنگامی که آب به جوش می آمد بخار از طریق دو لوله تو خالی داخل گوی شده و از سوراخ های دو بازوی گوی با شدت خارج می شد
در قرون بعد از میلاد چینی ها با پر کردن چوب نی بامبو با موادی مانند نیترات، پتاسیم، گوگرد و خاکه ذغال و انداختن آن ها در آتش در جشن های خود از این وسیله به عنوان آتش بازی و سرگرمی استفاده نمودند بعدها با مشاهده اینکه بعضی از این ترقه ها به بیرون پرتاب می شدند فکر ساختن اسلحه به وجود آمد. در ابتدا این ترقه ها را روی تیر بسته و با کمان رها می کردند تا دشمن را بترسانند بعدها تجربه کردند که با آتش زدن این ترقه ها تیر خود پرواز خواهد کرد
احتمال می رود که این اختراع در چین باعث نشر دانش ساخت راکت و تفنگ در اروپا باشد. در قرن های 13 و 14 دانش ساخت راکت و تفنگ بر اساس این توربین یا موشک ساده رواج پیدا کرد و حتی نوعی اژدرافکن جهت هدف گیری کشتی ها توسط ایتالیایی ها (Fontana ) ساخته شد.
موتورهای توربین دار گازی (موتورهای جت)
جت (Jet) اصطلاحی است که در زبان فارسی به آن فوران گفته می شود. این عبارت با توجه به اینکه در تصاویر و فیلم ها، خروجی پس سوز موتورهای هواپیماهای جنگنده به صورت فورانی از گازهای داغ خروجی از موتور قابل مشاهده است، کاربردی شده است. جت به معنای فوران است، بنابراین یک فواره آب نیز یک نوع جت می باشد. در حال حاضر از آب در یک نوع سیستم برش قطعات بنام واترجت Water.Jet استفاده می شود.
2-1- تاریخچه موتورهای جت
در جنگ جهانی دوم نیاز به موتورهای کم وزن و پر قدرت باعث شد تا اولین موتور جت توسط آلمان ها طراحی و ساخته شود، نمونه از این موتور در تصویر زیر دیده می شود. در یک موتور جت معمولی هوا به منظور افزایش فشار و حرارت وارد کمپرسور شده
2-2- موتورهای جت بدون قطعات چرخنده:
2-2-1- موتور رم جت (Ram.Jet):
این موتور دارای یک مجرای ورودی واگرا است. از خواص مجراهای واگرا که در فصل بعدی توضیح بیشتری داده می شود، این است که هوای وارد شده به آن، افزایش فشار می یابد.
این نوع موتور هیچ گونه قطعه متحرکت و چرخنده ندارد. ساختمان آن بسیار ساده و تعمیر و نگهداری آن ساده می باشد ولی در هواپیما کاربرد ندارد، زیرا مصرف سوخت آن بسیار زیاد است و صرفاً برای زمان کوتاه مدت، به عنوان موتور بمب پرنده و هواپیماهای هدف (Traget) که در مانورهای ارتش ها و نیروی هوایی برای آزمایش پدافند هوایی به کار می روند، می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
2-3- موتورهای جت با قطعات چرخنده
موتور جت با قطعات چرخنده یکی از انواع موتورهای درون سوز است که به موتور حرارتی نیز مشهور است. هوای ورودی توسط انرژی مکانیکی کمپرسور وارد موتور گردیده و متراکم می شود، سپس با افزوده شدن سوخت به هوای کمپرس شده ی گرم و سوختن آن و در نتیجه افزایش حرارت و حجم مواد سوخته شده، انرژی حرارتی و همچنین انرژی مکانیکی فراهم می گردد.
2-4- موتور توربو رم جت
تاکنون چهار دسته اصلی موتورهای توربینی را معرفی کردیم. توربوجت، توربوشفت، توربوپراپ، توربوفن.
نوع دیگری از موتور توربینی، به نام توربو رم جت برای هواپیماهای جنگنده استفاده می شود که ترکیب توربوجت و رم جت است. در حالت عادی موتور توربوجت کار می کند ولی در شرایط اضطراری که نیاز به سرعت بیشتر و مافوق صوت است، در قسمت انتهایی موتور توربوجت (تصویر زیر) یعنی در قسمت اگزوز، سوخت تزریق می شود و سوخت محفظه احتراق قطع می گردد.
موتور جت بر خلاف موتور پیستونی یک چهارم هوا را می سوزاند، لذا گازهای خروجی از اگزوز سه چهارم هوای نسوخته دارند و مادامی که سوخت در گازهای خروجی دارای حرارت بالا تزریق شود موتور مانند رم جت عمل می نماید که شعله ای از پشت موتور زبانه می کشد و اصطلاحاً پس سوز نام دارد.
2-5- موتور توربو راکت
موتور فضاپیماها از این نوع است، این موتور ترکیبی از موتور توربوجت و راکت است. در جو زمین که هوا وجود دارد موتور توربوجت روشن و فعال است و خارج از جو که هوا وجود ندارد، اکسیژن و سوخت در قسمت اگزوز که به عنوان محفظه احتراق راکت نیز عمل می کند، تزریق شده و موتور مانند راکت عمل می کند.
3-1- وجوه مشترک و تفاوت های موتور جت و پیستونی
همان گونه که اطلاع دارید در موتور پیستونی چهار مرحله کاری وجود دارد که سیکل اتو نام دارد. چهار مرحله کاری عبارتند از: مکش، تراکم، احتراق، تخلیه
در موتور جت نیز عمل مکش در ورودی هوا، عمل تراکم در قسمت کمپرسور، عمل احتراق در محفظه احتراق، عمل جذب انرژی در توربین. عمل تخلیه در اگزوز صورت می پذیرد که سیکل کاری برایتون نام دارد.
چهار مرحله مکش، تراکم، احتراق، تخلیه در هر دو موتور جت و پیستونی وجود دارد ولی در موتور پیستونی این چهار فعالیت به صورت دائمی وجود ندارد یعنی با تراکم تخلیه یا احتراق یا مکش اتفاق می افتد. در صورتی که در موتور جت تمامی چهار مرحله مستمر و دائمی است و بدین دلیل چون دائماً احتراق و جذب انرژی وجود دارد، دارای قدرت بیشتر و راندمان بالاتری است.
در موتور پیستونی، پیستون و سیلندر در معرض نوسانات فشاری، یعنی از فشار کم مرحله مکش تا فشار زیادتر تراکم قرار دارند، لذا پوسته سیلندر ضخیم است ولی در موتور جت فشار کاری تقربیاً ثابت است بنابراین پوسته های ضخیم و سنگین حذف گردیده و از وجود پوسته ضخیم خبری نیست.
3-2- مقایسه سیکل گازی اتو (موتور پیستونی) و سیکل کاری برایتون (موتورجت)
تمامی مراحل کاری که در موتور پیستونی وجود دارد شامل مکش، تراکم، احتراق، جذب انرژی، تخلیه گاز یا اگزوز در موتور جت نیز اتفاق می افتد، با این تفاوت که در موتور پیستونی عملیات کاری یکی در میان صورت می گیرد و در موتور جت این عملیات به صورت پیوسته برقرار است، یعنی دائماً عمل مکش، تراکم، احتراق، جذب انرژی و تخلیه گاز وجود دارد که یکی از دلایل بالاتر بودن راندمان موتور جت نسبت به پیستونی این خصیصه است.
قطعات رفت و برگشتی در موتور پیستونی لرزش زا است و عمل حرکت و توقف پیستون ها انرژِ را تلف می کند، ولی در موتور جت حذف قطعات رفت و برگشتی باعث شده این موتور سریعاً دور بگیرد و توانایی چرخش با دوران تا حدود 100000 دو در دقیق در بعضی از مدل ها را دارا باشد.
3-3- ورودی موتور جت
ورودی جلوی کمپرسور را Air Intake می نامند، این بخش طوری طراحی و ساخته شده که هوا را با سرعت و فشار مناسب به کمپرسور برساند. مسیر هوا در ورودی به صورت واگرا است تا مقداری از سرعت کاسته شده و فشار افزایش یابد، برای اینکه در تبدیل سرعت به فشار حداقل افت انرژی را داشته باشیم بایستی طول ورودی موتور تا حد امکان کوتاه باشد. در هواپیماهای مسافربری (مادون صوت) ورودی موتور به صورت Short Pitot Type است.
اصولاً در کمپرسورهای محوری سرعت هوا زیر صوت است و به همین خاطر باید به نحوی عمل نماییم که ورودی از طریق واگرائی، در سرعت هوا کاهش پدید آورد تا به دنبال آن وقتی کمپرسور سرعت هوا را زیاد می کند به سرعت صوت نرسد در غیر این صورت کمپرسور با پدیده Choke روبرو خواهد شد.
3-4- Supersonic Intake
همان طور که گفته شده سرعت هوا در کمپرسورهای محوری زیر صوت است ولی در یک هواپیمای سوپرسونیک (مافوق صوت)، هوا با سرعتی به مراتب بیشتر از صوت (بستگی به نوع هواپیما دارد) وارد Intake می شود و باید سرعت آن به طریقی به کمتر از صوت تقلیل داده شده و به کمپرسور تحویل شود.
Air Intake هواپیماهای سوپرسونیک معمولاً از نوع Variable Throat است. مطابق قوانین علم آیرودینامیک، رفتار جریان هوای سوپرسونیک در Ducts عکس جریان مادون صوت است یعنی برای کاهش سرعت آن باید مجرا همگرا بوده و برای افزایش سرعت واگرا باشد.
بر همین اساس ورودی در ابتدا حالت همگرا و در انتها حالت واگرا دارد به طوری که در گلوگاه M=1 می گردد، بنابراین طبیعی است که با توجه به تغییرات سرعت هواپیما قسمت Intake نیز باید به صورت Variable Throat باشد تا خود را با سرعت های مختلف وفق داده و سرعت هوا همیشه در گلوگاه M=1 گردد و پس از آن چون مجرا به صورت واگرا است سرعت کاهش یافته و وارد کمپرسور می شود.
3-5- ورودی هوا در موتورهای جت توربین دار زمینی
در موتورهای جت که به صورت ثابت در محلی نصب گردیده اند معمولاً ورودی دارای محافظ بوده و اکثراً به فیلتراسیون مجهز هستند اما در موتورهای زمینی متحرک مانند موتورهای هاور کرافت، تانک M1 و توربوترن، ورودی موتور صرفاً مجهز به توری فلزی است که از ورود ذرات خارجی به موتور جلوگیری می کند.
4-1- کمپرسور گریز از مرکز
این نوع کمپرسورها امروزه در توربین ها مورد استفاده چندانی نداشته و محدود به موتورهای کم قدرت به خصوص توربوپراپ و توربوکمپرسورها بوده و از سه قسمت اصلی تشکیل می شوند.
Impeller: این قطعه به صورت دیسکی است که در روی آن تعدادی پره (RGV=Rotating Guide Vanes) با کانال واگرا قرار گرفته است. به هنگام چرخش کمپرسور هوا وارد میان پره ها گشته و در اثر نیروی گریز از مرکز به صورت شعاعی به سمت خارج Impeller حرکت کرده و چون انرژی اش توسط کمپرسور افزایش یافته پس هم سرعت و هم فشارش افزایش می یابد.
هوا پس از خروج Impeller وارد Diffuser می شود که کانالی واگرا است و در اینجا طبق قانون برنولی سرعت آن کاهش و فشارش افزایش می یابد و در ادامه از طریق مجراهای زانوئی شکل که به آن Elbow یا Air Outlet Casing می گویند به محفظه های احتراق هدایت می شود. در بعضی از موتورها به منظور جلوگیری از فرار هوا از نوک پره ها به کانال های مجاور و افت راندمان کمپرسور، Impeller دارای Shroud یا پوسته در برگیرنده است.
کمپرسور گریز از مرکز ممکن است به اشکال زیر یافت شود:
- Single Stage Single Entry تک مرحله: تک ورودی
- Double Stage Single Entry دو مرحله: تک ورودی
- Single Stage Double Entry تک مرحله: دو ورودی
جنس صفحه Impeller از آلیاژ آلومینیوم است ولی جنس تیغه های آن به خاطر استحکام بیشتر و جلوگیری از صدمه ممکن است از آلیاژهای فولاد باشد و البته هر دو آلیاژ به صورت Forged آهنگری (جوشکاری) هستند. همان گونه که در تصویر دیده می شود در کانال های واگرا یعنی کانالی که از سمت ورودی به سمت خروجی قط آن باز می شود یا به عبارتی افزایش می یابد دما و فشار افزایش یافته و سرعت کاهش می یابد. لذا فرم تیغه های کمپرسورها را به گونه ای می سازند که از ورودی به سمت خروجی قطر کانال ها یا مجاری عبور هوا افزایش یافته و واگرا باشد تا فشار افزایش یابد.
فرم تیغه های توربین موتورهای جت به گونه ای است که کانال های همگرا را می سازند. از خصیصه های کانال های همگرا کاهش دما و فشار و افزایش سرعت است و در توربین ها حالت ایده آل کاهش دما برای جلوگیری از سوختن ناشی از حرارت گازهای داغ و افزایش سرعت جهت برخورد بیشتر و ضربه زدن بیشتر گاز به تیغه های توربین است.
4-1-1- محاسن و معایب
ساخت و نگهداری این نوع کمپرسورها آسان است و همچنین با دوام و محکم (Sturdy) بوده و امکان (FOD=Forigen. Object. Damage) در آن ها کم است، ولی ضریب تراکمشان کم و دهانه ورودی (Frontal Area) آن ها زیاد است که باعث پسای زیاد می شود. به خاطر کمبود ضریب تراکم، قدرت این موتورها کم بوده و مصرف سوخت SFC آن ها بالطبع زیاد خواهد شد.
ضریب تراکم این کمپرسور در هر Stage یا مرحله تقریباً 5:1 بوده ولی به علت افت حاصل از تغییر جهت شدید هوا بیشتر از دو Stage نمی شود به کار برد. ضمناً در موتورهای مدرن هم چون سری PVC-120 با استفاده از فن آوری نوین ضریب تراکم در یک Stage به 10:1 و در دو Stage به 15:1 افزایش یافته که رقم قابل توجهی است به این نوع، Redial Outflow Compressor نیز می گویند.
4-2- کمپرسور محوری
کمپرسور محوری دارای مزایای عمده نسبت به نوع قبلی بوده و به همین خاطر همه موتورهای مدرن از این نوع کمپرسور استفاده می کنند. در این نوع کمپرسورها جریان هوا تقریباً به صورت خطی و موازی Axis است، به همین خاطر آن را Axial Flow می نامند.
Hint: در موتورهای نسل جدید همچون R.R.Trent با استفاده از آیرودینامیک پیشرفته، ضریب تراکم به 1.35:1 افزایش یافته و این موتور به ضریب تراکم خیره کننده 45:1 دست یافته است که ضمن افزایش تراست موجب کاهش SFC نیز شده است. ضریب کنارگذر 9:1 این موتورها باعث کاهش شدید صدا و بهبود راندمان رانشی شده است.
4-6- Active Clearance Control
این یک ابتکار تازه به کار رفته در موتورهای جدید، به منظور بهبود فرآیند تراکم است. مطابق تصویر فوق یک چنین سیستمی هوای خنک را در شبکه لوله کشی اطراف موتور جاری می سازد و در نتیجه اثر خنک کنندگی آن، پوسته خارجی کمپرسور در سطحی مطلوب جمع گشته و Clearance ایده آل بین نوک تیغه های کمپرسور و پوسته آن حفظ می گردد.
این سیستم مقدار جریان هوا را به طریقی برنامه ریزی می نماید تا ضریب تراکم بهینه کمپرسور را در قدرت های مختلف موتور فراهم سازد. بدین طرییق راندمان بهتر موتور و در نتیجه SFC آن کمتر حاصل خواهد شد. از این تکنیک طبق تصویر در پوسته توربین نیز استفاده شده و Tip Loss در کلیه قدرت های موتور حداقل خواهد بود.
منابع
– مرادی، علی و گروه شرکت های توربوکمپرسور نفت، کتاب آموزش عمومی توربو ماشین ها، انتشارات اتحاد، چاپ دوم سال 1392
فهرست مطالب
مقدمه 1
بخش اول: تاریخچه توربین 2
تاریخچه توربین 3
بخش دوم: موتورهای توربین دار گازی (موتورهای جت) 11
موتورهای توربین دار گازی (موتورهای جت) 12
2-1- تاریخچه موتورهای جت 12
2-2- موتورهای جت بدون قطعات چرخنده: 13
2-3- موتورهای جت با قطعات چرخنده 16
2-4- موتور توربو رم جت 32
2-5- موتور توربو راکت 32
بخش سوم: مقایسه سیکل اتو و برایتون 35
مقایسه سیکل اتو و برایتون 36
3-1- وجوه مشترک و تفاوت های موتور جت و پیستونی 36
3-2- مقایسه سیکل گازی اتو (موتور پیستونی) و سیکل کاری برایتون (موتورجت) 37
3-3- ورودی موتور جت 37
3-4- Supersonic Intake 38
3-5- ورودی هوا در موتورهای جت توربین دار زمینی 39
بخش چهارم: کمپرسور 40
کمپرسور 41
4-1- کمپرسور گریز از مرکز 41
4-2- کمپرسور محوری 44
4-3- مزایا و معایب کمپرسورهای محوری و گریز از مرکز 51
4-4- کمپرسور ترکیبی 53
4-5- بالانس کمپرسور 53
4-6- Active Clearance Control 54
منابع 56
مقاله فوق دارای صفحه مشخصات، شکل، فهرست مطالب (فصل بندی شده) و 56 صفحه متن (در قالب word 
) با رعایت کامل صفحه بندی می باشد. همچنین فونت های کار شده برای متن مقاله B Nazanin(14) و برای تیترهای داخل مقاله B Titr می باشند.
قیمت این مقاله ۸۷۰۰ تومان می باشد، جهت پرداخت و دریافت کامل متن مقاله روی تصویر زیر کلیک کنید
مشاهده فهرست مقالات کارآموزی، کارآفرینی و پژوهش 
نوشته شده در 10 شهریور 1400