يتكون محرك توربينات الطائرات من مدخل هواء وضاغط وغرف احتراق وقسم توربين وعادم. يتم إنتاج الدفع عن طريق زيادة سرعة الهواء المتدفق عبر المحرك. محركات التوربينات هي محطات كهرباء طائرات مرغوبة للغاية. تتميز بالتشغيل السلس ونسبة الطاقة إلى الوزن العالية ، وتستخدم وقود الطائرات المتاح بسهولة. قبل التطورات الحديثة في المواد وتصميم المحرك وعمليات التصنيع ، كان استخدام محركات التوربينات في طائرات الإنتاج الصغيرة / الخفيفة باهظة التكلفة. اليوم ، ينتج العديد من مصنعي الطيران أو يخططون لإنتاج طائرات صغيرة / تعمل بالطاقة الخفيفة. تتسع هذه الطائرات الصغيرة التي تعمل بالتوربينات عادة بين ثلاثة وسبعة ركاب ويشار إليها باسم طائرات خفيفة للغاية (VLJs) أو طائرات صغيرة. [الشكل 6-22]

6.9.1 أنواع المحركات التوربينية #

يتم تصنيف محركات التوربينات وفقًا لنوع الضواغط التي تستخدمها. هناك ثلاثة أنواع من الضواغط – تدفق الطرد المركزي ، والتدفق المحوري ، والتدفق المحوري للطرد المركزي. يتم تحقيق ضغط الهواء الداخل في محرك تدفق الطرد المركزي عن طريق تسريع الهواء بشكل عمودي على المحور الطولي للآلة. يقوم محرك التدفق المحوري بضغط الهواء بسلسلة من الجنيحات الدوارة والثابتة التي تحرك الهواء بشكل مواز للمحور الطولي. يستخدم تصميم التدفق المحوري للطرد المركزي كلا النوعين من الضواغط لتحقيق الضغط المطلوب.

يحدد المسار الذي يسلكه الهواء عبر المحرك وكيفية إنتاج الطاقة نوع المحرك. هناك أربعة أنواع من محركات توربينات الطائرات – Turbojet و Turboprop و Turbofan و Turboshaft.

6.9.2 Turbojet #

يتكون المحرك النفاث النفاث من أربعة أقسام: الضاغط وغرفة الاحتراق وقسم التوربينات والعادم. يمرر قسم الضاغط هواء المدخل بمعدل سرعة مرتفع إلى غرفة الاحتراق. تحتوي غرفة الاحتراق على مدخل الوقود ومشعل الاحتراق. يدفع الهواء المتوسع توربينًا متصلًا بعمود بالضاغط ، مما يحافظ على تشغيل المحرك. توفر غازات العادم المتسارعة من المحرك قوة الدفع. هذا هو التطبيق الأساسي لضغط الهواء ، وإشعال خليط الوقود والهواء ، وإنتاج الطاقة لتأمين تشغيل المحرك ذاتيًا ، والعادم للدفع. [الشكل 6-23]

المحركات النفاثة محدودة النطاق والقدرة على التحمل. كما أنها بطيئة في الاستجابة لتطبيقات دواسة الوقود بسرعات ضاغط بطيئة.

6.9.3 توربينوب #

المحرك التوربيني هو محرك توربيني يقود المروحة من خلال ترس التخفيض. تدفع غازات العادم توربين طاقة متصلاً بعمود يدفع مجموعة تروس التخفيض. يعد تروس التخفيض ضروريًا في محركات التوربيني لأن الأداء الأمثل للمروحة يتحقق بسرعات أبطأ بكثير من عدد دورات المحرك في الدقيقة. تعد المحركات التوربينية حلاً وسطًا بين المحركات النفاثة ومحطات الطاقة الترددية. المحركات التوربينية هي الأكثر كفاءة بسرعات تتراوح بين 250 و 400 ميل في الساعة والارتفاعات بين 18000 و 30000 قدم. كما أنها تعمل بشكل جيد عند السرعة الجوية البطيئة المطلوبة للإقلاع والهبوط ، وهي موفرة للوقود. يتوفر الحد الأدنى من استهلاك الوقود المحدد لمحرك التوربيني عادةً في نطاق الارتفاع البالغ 25000 قدم إلى التروبوبوز. [الشكل 6-24]

6.9.4 مروحة توربو #

تم تطوير Turbofans للجمع بين بعض أفضل ميزات المحرك التوربيني والتوربينات. تم تصميم محركات Turbofan لخلق قوة دفع إضافية عن طريق تحويل تدفق هواء ثانوي حول غرفة الاحتراق. يولد الهواء الالتفاف التوربيني دفعًا متزايدًا ، ويبرد المحرك ، ويساعد في قمع ضوضاء العادم. يوفر هذا سرعة رحلة بحرية من نوع Turbojet واستهلاك أقل للوقود.

عادة ما ينقسم هواء المدخل الذي يمر عبر محرك توربيني إلى تيارين منفصلين من الهواء. يمر تيار واحد عبر قلب المحرك ، بينما يتجاوز تيار ثانٍ قلب المحرك. إن هذا التدفق الالتفافي هو المسؤول عن مصطلح “تجاوز المحرك”. تشير نسبة الالتفافية في Turbofan إلى نسبة تدفق الهواء الكتلي الذي يمر عبر المروحة مقسومًا على تدفق الهواء الكتلي الذي يمر عبر قلب المحرك. [الشكل 6-25]

6.9.5 عمود توربيني #

النوع الرابع من المحركات النفاثة هو العمود التوربيني. [الشكل 6-26] يوفر الطاقة إلى عمود يقود شيئًا آخر غير المروحة. الفرق الأكبر بين محرك Turbojet و Turboshaft هو أنه على

محرك عمود التوربيني ، يتم استخدام معظم الطاقة التي تنتجها الغازات المتوسعة لدفع التوربينات بدلاً من إنتاج الدفع. تستخدم العديد من طائرات الهليكوبتر محرك توربينات غازية بعمود توربيني. بالإضافة إلى ذلك ، تُستخدم محركات العمود التوربيني على نطاق واسع كوحدات طاقة إضافية على الطائرات الكبيرة.

6.9.6 أدوات محرك التوربينات #

تعد أدوات المحرك التي تشير إلى ضغط الزيت ودرجة حرارة الزيت وسرعة المحرك ودرجة حرارة غاز العادم وتدفق الوقود شائعة لكل من المحركات التوربينية والمحركات الترددية. ومع ذلك ، هناك بعض الأدوات الفريدة لمحركات التوربينات. توفر هذه الأدوات مؤشرات على نسبة ضغط المحرك وضغط تفريغ التوربينات وعزم الدوران. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي معظم محركات التوربينات الغازية على أدوات استشعار للحرارة متعددة ، تسمى المزدوجات الحرارية ، والتي تزود الطيارين بقراءات درجة الحرارة في وحول قسم التوربينات.

6.9.7 نسبة ضغط المحرك (EPR) #

يتم استخدام مقياس نسبة ضغط المحرك (EPR) للإشارة إلى خرج الطاقة لمحرك توربيني / محرك توربيني. EPR هي نسبة تصريف التوربين إلى ضغط مدخل الضاغط. يتم تسجيل قياسات الضغط بواسطة مجسات مثبتة في مدخل المحرك وفي العادم. بمجرد جمعها ، يتم إرسال البيانات إلى محول ضغط تفاضلي ، والذي يشار إليه على مقياس EPR على سطح السفينة. يعوض تصميم نظام EPR تلقائيًا تأثيرات السرعة الجوية والارتفاع. تتطلب التغييرات في درجة الحرارة المحيطة تطبيق تصحيح على مؤشرات EPR لتوفير إعدادات دقيقة لطاقة المحرك.

6.9.8 درجة حرارة غاز العادم (EGT) #

عامل مقيد في محرك التوربينات الغازية هو درجة حرارة قسم التوربينات. يجب مراقبة درجة حرارة قسم التوربينات عن كثب لمنع ارتفاع درجة حرارة شفرات التوربين ومكونات قسم العادم الأخرى. إحدى الطرق الشائعة لمراقبة درجة حرارة قسم التوربينات هي باستخدام مقياس EGT. EGT هو حد تشغيل المحرك يستخدم لمراقبة ظروف تشغيل المحرك الإجمالية. تحمل الاختلافات في أنظمة EGT أسماء مختلفة بناءً على موقع مستشعرات درجة الحرارة. تشتمل مقاييس استشعار درجة حرارة التوربينات الشائعة على مقياس درجة حرارة مدخل التوربين (TIT) ، ومقياس درجة حرارة مخرج التوربين (TOT) ، ومقياس درجة حرارة التوربينات بين المراحل (ITT) ، ومقياس درجة حرارة غاز التوربين (TGT).

6.9.9 مقياس عزم الدوران #

يتم قياس خرج طاقة المحرك التوربيني / المحرك بمقياس عزم الدوران. عزم الدوران هو قوة الالتواء المطبقة على العمود. يقيس مقياس عزم الدوران الطاقة المطبقة على العمود. تم تصميم محركات Turboprop و Turboshaft لإنتاج عزم دوران لقيادة المروحة. يتم معايرة مقاييس عزم الدوران بوحدات النسبة المئوية أو رطل القدم أو PSI.

6.9.10 مؤشر N1 #

يمثل N1 سرعة دوران ضاغط الضغط المنخفض ويتم تقديمه على المؤشر كنسبة مئوية من عدد الدورات في الدقيقة للتصميم. بعد البدء ، تخضع سرعة ضاغط الضغط المنخفض لعجلة التوربين N1. يتم توصيل عجلة التوربين N1 بضاغط الضغط المنخفض من خلال عمود متحد المركز.

6.9.11 N2 مؤشر #

يمثل N2 سرعة دوران ضاغط الضغط العالي ويتم تقديمه على المؤشر كنسبة مئوية من عدد الدورات في الدقيقة للتصميم. يخضع الضاغط عالي الضغط لعجلة التوربين N2. يتم توصيل عجلة التوربين N2 بالضاغط عالي الضغط من خلال عمود متحد المركز. [الشكل 6-27]

6.9.12 الاعتبارات التشغيلية لمحرك التوربينات #

إن التنوع الكبير في محركات التوربينات يجعل من غير العملي تغطية إجراءات تشغيلية محددة ، ولكن هناك اعتبارات تشغيلية معينة مشتركة بين جميع محركات التوربينات. إنها حدود درجة حرارة المحرك ، وتلف الأجسام الغريبة ، والبداية الساخنة ، وكشك الضاغط ، واللهب.

6.9.13 قيود درجة حرارة المحرك #

تحدث أعلى درجة حرارة في أي محرك توربين عند مدخل التوربينات. لذلك فإن درجة حرارة مدخل التوربين هي عادة العامل المحدد في تشغيل محرك التوربينات.

6.9.14 اختلافات الدفع #

يختلف دفع محرك التوربينات بشكل مباشر مع كثافة الهواء. مع انخفاض كثافة الهواء ، ينخفض أيضًا الدفع. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لانخفاض كثافة الهواء مع زيادة درجة الحرارة ، فإن زيادة درجات الحرارة ستؤدي أيضًا إلى انخفاض الدفع. بينما تتأثر كل من المحركات التوربينية والمحركات التي تعمل بالطاقة الترددية إلى حد ما بالرطوبة النسبية العالية ، فإن محركات التوربينات ستواجه خسارة ضئيلة في الدفع ، بينما تؤدي المحركات الترددية إلى خسارة كبيرة في قوة حصان الفرامل.

6.9.15 تلف الأجسام الغريبة (FOD) #

نظرًا لتصميم ووظيفة مدخل الهواء لمحرك التوربين ، فإن إمكانية ابتلاع الحطام موجودة دائمًا. هذا يسبب أضرارًا كبيرة ، خاصةً في أقسام الضاغط والتوربينات. عندما يحدث ابتلاع الحطام ، يطلق عليه تلف الأجسام الغريبة (FOD). يتكون FOD النموذجي من النكات والخدوش الصغيرة الناتجة عن ابتلاع أشياء صغيرة من المنحدر أو الممر أو المدرج ، ولكن يحدث أيضًا تلف FOD الناجم عن ضربات الطيور أو ابتلاع الجليد. ينتج عن FOD أحيانًا تدمير كامل للمحرك.

الوقاية من FOD هي أولوية قصوى. تميل بعض مداخل المحرك إلى تكوين دوامة بين الأرض والمدخل أثناء عمليات الأرض. يمكن تركيب تبديد دوامة على هذه المحركات. يمكن أيضًا استخدام أجهزة أخرى ، مثل الشاشات و / أو العاكسات. تتضمن إجراءات الاختبار المبدئي فحصًا بصريًا لأي علامة على FOD.

6.9.16 محرك توربيني ساخن / بداية معلقة #

عندما تتجاوز EGT الحد الآمن للطائرة ، فإنها تواجه “بداية ساخنة”. وهو ناتج عن الكثير من الوقود الذي يدخل غرفة الاحتراق ، أو عدد دورات التوربينات غير الكافية. في أي وقت يكون للمحرك بداية ساخنة ، راجع AFM / POH أو دليل صيانة مناسب لمتطلبات الفحص.

إذا فشل المحرك في التسارع إلى السرعة المناسبة بعد الإشعال أو لم يتسارع إلى تباطؤ عدد الدورات في الدقيقة ، فقد حدثت بداية معلقة أو خاطئة. قد تكون البداية المعلقة ناتجة عن عدم كفاية مصدر طاقة البداية أو عطل التحكم في الوقود.

6.9.17 أكشاك الضاغط #

شفرات الضاغط عبارة عن جنيحات صغيرة وتخضع لنفس المبادئ الديناميكية الهوائية التي تنطبق على أي جنيح. تحتوي شفرة الضاغط على زاوية هجوم نتيجة لسرعة هواء المدخل وسرعة دوران الضاغط. تتحد هاتان القوتان لتشكيل متجه ، والذي يحدد زاوية الهجوم الفعلية للجنيح على اقتراب هواء المدخل.

كشك الضاغط هو عدم توازن بين كميتي المتجه وسرعة المدخل وسرعة دوران الضاغط. تحدث أكشاك الضاغط عندما تتجاوز زاوية هجوم شفرات الضاغط زاوية الهجوم الحرجة. في هذه المرحلة ، ينقطع تدفق الهواء السلس ويحدث الاضطراب مع تقلبات الضغط. تتسبب أكشاك الضاغط في إبطاء تدفق الهواء في الضاغط والركود ، وأحيانًا يعكس الاتجاه. [الشكل 6-28]

يمكن أن تكون أكشاك الضاغط عابرة ومتقطعة أو ثابتة وشديدة. عادة ما تكون مؤشرات الكشك العابر / المتقطع “ضجة” متقطعة حيث تحدث نتائج عكسية وانعكاس التدفق. إذا تطور الكشك وأصبح ثابتًا ، فقد يتطور اهتزاز قوي وهدير عالٍ من انعكاس التدفق المستمر. في كثير من الأحيان ، لا تظهر مقاييس سطح الطيران كشكًا خفيفًا أو عابرًا ، لكنها تشير إلى كشك متطور. تشمل مؤشرات الأداة النموذجية التقلبات في عدد الدورات في الدقيقة وزيادة درجة حرارة غاز العادم. معظم الأكشاك العابرة ليست ضارة بالمحرك وغالبًا ما تصحح نفسها بعد نبضة أو اثنتين. إن احتمال حدوث تلف شديد في المحرك من كشك الحالة المستقرة أمر فوري. يجب أن يتم الانتعاش عن طريق تقليل الطاقة بسرعة ، وتقليل زاوية هجوم الطائرة ، وزيادة السرعة الجوية.

على الرغم من أن جميع محركات التوربينات الغازية تخضع لأكشاك الضاغط ، إلا أن معظم الطرز لديها أنظمة تمنعها. يستخدم أحد الأنظمة ريشة توجيه مدخل متغير (VIGV) ودوارات الجزء الثابت المتغير ، والتي توجه الهواء الوارد إلى شفرات الدوار بزاوية مناسبة. لمنع أكشاك ضغط الهواء ، قم بتشغيل الطائرة ضمن المعلمات التي وضعتها الشركة المصنعة. إذا تم تطوير كشك الضاغط ، فاتبع الإجراءات الموصى بها في AFM / POH.

6.9.18 Flameout #

يحدث اللهب في تشغيل محرك توربين غازي ينفجر فيه الحريق في المحرك دون قصد. إذا تم تجاوز الحد الغني لنسبة الوقود / الهواء في غرفة الاحتراق ، فسوف تنفجر اللهب. غالبًا ما يشار إلى هذه الحالة على أنها شعلة غنية. ينتج عمومًا عن تسارع سريع جدًا للمحرك ، حيث يتسبب خليط غني جدًا في انخفاض درجة حرارة الوقود إلى ما دون درجة حرارة الاحتراق. قد يكون ناتجًا أيضًا عن عدم كفاية تدفق الهواء لدعم الاحتراق.

يرجع حدوث أكثر شيوعًا من حدوث اللهب إلى انخفاض ضغط الوقود وسرعات المحرك المنخفضة ، والتي ترتبط عادةً بالطيران على ارتفاعات عالية. قد يحدث هذا الموقف أيضًا مع خنق المحرك للخلف أثناء الهبوط ، مما قد يؤدي إلى تهيئة حالة الهزيل. يمكن أن يتسبب المزيج الضعيف بسهولة في نفاذ اللهب ، حتى مع تدفق الهواء العادي عبر المحرك.

أي انقطاع في إمدادات الوقود يمكن أن يؤدي إلى نشوب اشتعال. قد يكون هذا بسبب المواقف غير العادية المطولة ، أو نظام التحكم في الوقود المعطل ، أو الاضطراب ، أو الجليد أو نفاد الوقود.

عادة ما تكون أعراض اللهب هي نفسها تلك التي تلي عطل في المحرك. إذا كان اللهب ناتجًا عن حالة انتقالية ، مثل عدم التوازن بين تدفق الوقود وسرعة المحرك ، فقد تتم محاولة بدء التشغيل بمجرد تصحيح الحالة. في أي حال ، يجب على الطيارين اتباع إجراءات الطوارئ المعمول بها الموضحة في AFM / POH. بشكل عام ، تحتوي هذه الإجراءات على توصيات تتعلق بالارتفاع والسرعة الجوية حيث من المرجح أن يكون Starstart ناجحًا.

6.9.19 مقارنة الأداء #

من الممكن مقارنة أداء المحرك الترددي وأنواع مختلفة من محركات التوربينات. لكي تكون المقارنة دقيقة ، يجب استخدام القدرة الحصانية الدافعة (القدرة الحصانية القابلة للاستخدام) للمحرك الترددي بدلاً من قوة حصان الفرامل ، ويجب استخدام الدفع الصافي للمحركات التي تعمل بالتوربينات. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون تكوين وحجم تصميم الطائرات متماثلين تقريبًا. عند مقارنة الأداء ، تكون التعريفات التالية مفيدة: حصان الفرامل (BHP) – القدرة الحصانية التي يتم تسليمها بالفعل إلى عمود الإخراج. قوة حصان الفرامل هي القدرة الحصانية الفعلية القابلة للاستخدام. صافي الدفع – الدفع الذي ينتجه محرك نفاث أو محرك توربيني. قوة حصانية (THP) – مكافئ القدرة الحصانية للدفع الناتج عن محرك نفاث أو محرك توربيني. القدرة الحصانية المكافئة للعمود (ESP) – فيما يتعلق بالمحركات التوربينية ، يتم تسليم مجموع القدرة الحصانية للعمود (SHP) إلى المروحة و THP التي تنتجها غازات العادم. يوضح الشكل 6-29 كيفية مقارنة أربعة أنواع من المحركات في صافي الدفع مع زيادة السرعة الجوية. هذا الرقم للأغراض التفسيرية فقط وليس لنماذج محددة من المحركات. فيما يلي أنواع المحركات الأربعة:

• مولد كهربائي ترددي
• توربين ، تركيبة المروحة (توربينية)
• محرك توربين يشتمل على مروحة (توربين)
• توربو جيت (طائرة نقية)

من خلال رسم منحنى الأداء لكل محرك ، يمكن إجراء مقارنة بين الحد الأقصى لتغير سرعة الطائرة مع نوع المحرك المستخدم. نظرًا لأن الرسم البياني ليس سوى وسيلة للمقارنة ، لا يتم تضمين القيم العددية للدفع الصافي وسرعة الطائرة والسحب.

تجعل المقارنة بين محطات الطاقة الأربعة على أساس الدفع الصافي قدرات أداء معينة واضحة. في نطاق السرعة الموضح على يسار السطر A ، يتفوق المحرك الترددي على الأنواع الثلاثة الأخرى. يتفوق المحرك التوربيني على المحرك التوربيني في النطاق على يسار الخط C. يتفوق المحرك التوربيني على المحرك التوربيني في النطاق إلى يسار الخط F. يتفوق المحرك التوربيني على المحرك الترددي إلى يمين الخط B والمركب التوربيني على يمين الخط C. تتفوق النفاثة التوربينية على المحرك الترددي على يمين الخط D ، والتوربين على يمين الخط E ، والمروحة التوربينية على يمين الخط F.

النقاط التي يتقاطع فيها منحنى سحب الطائرة مع منحنيات الدفع الصافية هي أقصى سرعات للطائرة. تشير الخطوط الرأسية من كل نقطة إلى خط الأساس للرسم البياني إلى أن الطائرة النفاثة يمكن أن تصل إلى سرعة قصوى أعلى من الطائرات المجهزة بأنواع المحركات الأخرى. ستحصل الطائرات المجهزة بمحرك توربيني على سرعة قصوى أعلى من الطائرات المجهزة بمحرك توربيني أو محرك ترددي.