تحقیق در مورد استارت موتورهای جت وتوربینی

بخشی از مقاله

استارت موتورهاي جت وتوربيني

براي روشن شدن يک موتور توربيني يقينا به يک آغازگر و راه انداز نياز ميباشد همانطور که براي روشن شدن يک موتور پيستوني نياز است. ولي بين استارت يک موتور پيستوني و يک موتور توربيني تفاوت زيادي وجود دارد که به تعدادي از
آنها اشاره ميکنم:
يک تفاوت اساسي استارت موتورهاي جت با استارت موتورهاي پيستوني در اين است که در موتورهاي پيستوني بيشترين فشار و بار وارد بر روي استارت در لحظات اول است و آن به دليل اين است که در اين موتورها کافي است ميل لنگ با دور متوسطي بچرخد و پيستون ها بتوانند هوا را به اندازه کمپرس کنند و موتور با قدرت خود به کار ادامه دهد. و چنانچه استارت در اين موتورها خراب شود ميتوان آنرا به طرق ديگر روشن کرد . يعني استارت در اين موتورها ارزش حياتي پاييني دارد چون ميتوان با هل دادن يک ماشين آنرا روشن کرد.

و اما در موتورهاي توربيني استارت از اهميت بسيار بالايي برخوردار ميباشد بطوريکه به هيچ وجه نميتوان اين موتورها را بدون داشتن يک استارت بکار گرفت. نکته ي مهم اينجاست که در موتورهاي جت برخلاف موتورهاي پيستوني بيشترين فشار و بار بر استارت قبل از قطع جرقه، زماني است که بار وارد بر کمپرسور افزايش ميابد. تفاوت اساسي ديگر که در ظاهر خود را نشان ميدهد مدت زمان استارت خوردن است.در موتورهاي پيستوني مدت زمان استاندارد استارت

خوردن حدود 1.8 ثانيه است و در موتورهاي سرحال اين مقدار کمتر نيز هست که البته در مورد موتورهاي قديمي بحث نميکنم. اين درحالي است که مقدار زمان لازم براي استارت خوردن يک موتور توربيني معمولي با قدرت نسبي hp 120 حدود 100 ثانيه است. البته اين زمان در هر موتوري متفاوت است ولي موتور هر چه قدر کوچکتر باشد به زمان کمتري احتياج دارد و برعکس.

هدف از سيستم استارت شتاب دادن به موتوراست تا لحظه اي که توربين ها بتوانند قدرت کافي براي ادامه ي سيکل کاري موتور را تهيه کنند. به اين نقطه از سرعت توربين ها "سرعت خودکفايي" ميگويند. استارترها انواع مختلفي را دارند ولي همان طور که گفته شد هدف همه ي استارترها يکي است و آن رساندن دور موتور به سرعت خودکفايي و در موتورهاي بدون توربين رساندن موتور به نقطه ي خودکفايي است. تهيه، انتخاب يا استفاده از استارت ها به عواملي بستگي دارد که در زير به آنها اشاره کردم.

يکي زمان استارت است که در هواپيماهاي جنگي بسيار مهم است و حتي پس از رسيدن موتور به دور هرزگرد درجه حرارت گازهاي اگزوز بالا ميرود ولي پس از اينکه دور به 40% Max رسيد درجه حرارت گازهاي اگزوز بايد پايين بيايد، در غير اينصورت خلبان بايد موتور را خاموش کند تا اشکال آن برطرف گردد.علت بالا رفتن درجه حرارت اگزوز در حين استارت زدن عدم وجود هواي خنک کننده بخاطر کم بودن دور کمپرسور است. زماني که استارت زده ميشود شمع ها قبل از ورود سوخت به محفظه ي احتراق شروع به جرقه زدن ميکنند. چون اگر مانند موتورهاي پيستوني اول مخلوط هوا و سوخت وارد شود ممکن است به"Hot start" بينجامد.
Hot start استارتي است که در آن حرارت گازهاي اگزوز از حد مجاز تجاوز ميکند. چنانچه در زمان استارت زدن موتور روشن نشود، سوخت نسبتا زيادي (در موتورهاي بزرگ) وارد محفظه ي احتراق ميگردد. در اينحالت اگر دوباره استارت زده شود ميتواند منجر به Hot start شود. براي جلوگيري از Hot start سيستمي کار گذاشته است که سيستم تخليه يا Drain ناميده ميشود و چنانچه موتور در استارتهاي اوليه روشن نشود اين سيستم سوخت داخل محفظه ي احتراق را تخليه ميکند.
عامل ديگر امکان دسترسي به نيروي محرکه ي استارت است. حتي موتورهاي جت کوچک مقدار جريان الکتريسيته ي زيادي براي روشن شدن احتياج دارند. به همين نسبت موتورهاي بزرگتر نيرويي بيشتر براي روشن شدن احتياج دارند. بعضي از استارتها از جهت نيروي محرکه خودکفا هستند. به اين صورت که اکثر هواپيماهاي جت انرژي لازمه استارت (دور بالاي موتور) را از موتورهاي جت کوچکتري که برق توليد ميکنند ميگيرند. يا ممکن است قدرت لازم براي استارت در يک هواپيماي چند موتوره از يک موتور که روشن است گرفته شود تا بقيه ي موتورها روشن شوند ، در چنين حالتي ميتوان يکي از موتورهاي هواپيما را با يکي از انواع استارتها روشن کرد سپس بقيه موتورها را با نيروي اين موتور روشن کرد.

سومين عامل مواردي است از قبيل وزن مخصوص (نسبت وزن به گشتاور يا قدرت توليدي)، سادگي، قابليت اطمينان، قيمت و قابليت تعمير مجدد.
انواع استارت براي موتورهاي توربيني عبارتند از:

1. استارت الکتريکي
2. استارت الکتريکي که بعد از استارت زدن آلترناتور شود
3. استارت فشنگي يا استارت با سوخت جامد
4. استارت بادي
5. استارت با احتراق هوا و سوخت
6. استارتر با موتور هيدروليکي
7. استارت دستي يا هندلي
8. استارتر با سوخت يک پايه

چون پرداختن به توضيح تمام استارتها هم وقت گير و هم حجيم است به اصلي ترين استارتها ميپردازم و درمورد بقيه توضيح کوتاهي ميدهم . چنانچه در مورد هر کدام سوال داشتيد يا توضيح بيشتري خواستيد آنرا در بخش نظرات بيان کنيد.

تصوير يک استارت الکتريکي ميکروجت
ستارت الکتريکي
منبع اين نوع استارت همان طور که از نامش پيداست موتور الکتريکي است. موتور الکتريکي که در اين نوع موتورها استفاده ميشود داراي RPM زيادي ميباشد.RPM در حالت کلي به معناي تعداد دور در دقيقه ميباشد و اين يکايي است که براي نشان دادن دور موتورها چه پيستوني و چه توربيني به کار برده ميشود. قدرت اين استارت براي گرداندن کمپرسور صرف مي شود تا کمپرسور هوا را به ميزان لازم کمپرس کرده و به محفظه ي احتراق بفرستد. چنانچه در

استارت يک موتور توربيني قدرت و سرعت کافي موجود نباشد RPM موتور در هنگام استارت کم خواهد بود و چون دور کمپرسور کم است آن مقدار که بايد هوا را فشرده کند نميکند لذا به سرعت خودکفايي نميرسد و موتور روشن نميشود (راه نمي افتد). برخلاف استارت موتورهاي پيستوني که پس از روشن شدن موتور از مدار اتصال به فلايويل توسط اتومات استارت جدا ميشود، در اين نوع از استارت موتورهاي توربيني استارت تا رساندن RPM موتور به اندازه ي RPM

حالت خودکفايي کار ميکند. اين نوع استارت توان مصرفي بسيار بالايي دارد بطوريکه بر صفحات باطريها فشار بسياري وارد ميکند لذا از اين استارت در موتورهاي توربيني که تعداد توربين کمتري دارند استفاده ميشود. از اين استارت در بيشتر موتورهايي که کاربرد صنعتي دارند به عنوان بهترين استارت استفاده ميشود.

شمايل نماي داخلي يک موتور که يک استارت الکتريکي بر روي آن با واسطه ي تغيير گشتاور نصب شده است.
________________________________________

استارت فشنگي بکار رفته در موتور t58
________________________________________
استارت فشنگي
اين استارت يک استوانه فشنگي شکل است که درون آن ماده ي انفجاري که ازدياد حجم و انبساط زيادي مينمايد قرار ميدهند. اين استارت در قسمت قبل از کمپرسور نصب ميشود، مانند آنچه در شکل زير ديده ميشود. تصوير زير يک استارت فشنگي را بطور جدا از موتور نشان ميدهد.

________________________________________

استارت بادي
در اين نوع استارت هواي کمپرس شده در مخزن اکسيژن که معمولا مايع ميباشد همزمان با سوخت به داخل محفظه ي احتراق تزريق و محترق شده که باعث حرکت سريع توربينها ميشود و بعد از دور خودکفايي سيکل کاري توسط خود موتور انجام ميشود. متاسفانه به دليل استفاده و کاربرد غلط از نام " استارت بادي" از آن تعابير مختلفي ميشود مانند: استارت بادي استارتي است که هوا را با سرعت به توربينها ( يا کمپرسورها) ميزند و آنها را به گردش در مي آورد که با تحقيق مطلع شدم که اين تعبير از استارت بادي در واقع استارتي است به نام استارت هيدروليکي و در کل اينکه به نام بعضي از آنها زياد توجه نکنيد، فقط طريقه ي کار و عملکرد آنها را خوب به خاطر بسپاريد چون زماني برايتان لازم ميشود.
________________________________________
ساير استارتها
استارت با احتراق هوا و سوخت در موتورهايي بکار ميرود که از سوخت هاي مخصوصي استفاده ميکنند و در اين نوع استارت موتور با اينحالت که در حال سيکل عادي است کار ميکند و نمونه ي استفاده از اين نوع استارت ميکروجتي است که از سوخت گازي استفاده ميکند. در استارت با موتور هيدروليکي نيز هواي کمپرس شده توسط موتور هيدروليکي به داخل محفظه ي احتراق راه ميابد و در استارت هندلي نيز يک هندل با واسطه ي تغيير گشتاور به شفت اصلي متصل ميشود و کمپرسور را به حرکت در مي آورد. تصوير زير يک استارتر هيدروليکي خيلي کوچک و دست ساز را نشان ميدهد که شامل يک موتور الکتريکي و يک توربين گريز از مرکز دقيقا مشابه کمپرسور گريز از مرکز ميباشد و از توربين کمپرسور ساخته شده است که لوله ي خروجي آن به ورودي موتوري که قرار روشن شود وصل ميشود.

استارت الکتريکي هم که کاربرد زيادي در بين موتورهاي صنعتي دارد اينطور است که بعد از استارت به حالت آلترناتور تغيير ميکند و با نيروي موتور برق توليد ميکند.استارتهايي هم وجود دارند که با تزريق سوختي مخصوص مانند هيدروژن روشن ميشوند و بعد از استارت از سوخت عادي استفاده ميکنند.
استارتهايي که امروزه بيشتر مورد استفاده قرار ميگيرند شامل استارتهاي زميني براي هواپيماها ميباشند که به چند طريق عمل ميکنند. يکدسته مانند استارتهاي هيدروليکي عمل مي کنند و دسته ي ديگر شامل يک موتور جت کوچک توليد کننده ي برق ميباشند که برق توليدي آنها در استارت الکتريکي موتور اصلي استفاده ميشود. در بعضي هواپيما ها نيز از يک موتور جت کوچک و مجزا استفاده ميشود که خودش با استارت الکتريکي روشن شده و با نيروي شفت خود يا با برق توليدي خود ساير موتورهاي اصلي را روشن ميکند. اين هم تصوير نماي داخلي يک موتور است که متعلق به توليد کننده ي BMWاست و اگر دقت کنيد ميبينيد که اين موتور داراي استارت دستي (هندلي)است.

به خاطر بسپاريد که کليد ساخت يک موتور جت در استارت آن است. اگر استارت موتور شما خوب نباشد يا درست عمل نکند شما به هيچ وجه قادر به روشن کردن موتورتان نخواهيد بود و دليل آن در اين است که نيروي لازم براي سيکل کاري توسط استارت تامين ميشود.

سيکل کاري و انواع موتورهاي توربين گازي جت
بيشتر هواپيماهاي مدرن امروزي جهت توليد نيروي تراست لازم براي حرکت، از موتورهاي توربين گازي استفاده ميکنند.
اصطلاح "Gas Turbine" به عنوان يک واژه ي عمومي براي انواع موتورهاي توربيني مورد استفاده قرار ميگيرد و در محدوده ي موتورهاي جت شامل: توربوجت، توربوفن، توربوپراپ، توربوشفت و کليه موتورهاي توربيني که با مکانيزم جت کار ميکنند ميشود. از ساير سيستم هاي پيشرانشي که با شتاب سيال، تراست توليد ميکنند ولي توربيني نيستند ميتوان به: رمجت، اسکرمجت، پالس جت، پرشرجت، واترجت و موتورهاي راکتي اشاره کرد که هر کدام با مکانيزم و اصولي جدا کار ميکنند و ساختماني متفاوت از يکديگر دارند.

موتورهاي توربيني گونه هاي مختلفي دارند و با وجود اينکه هر يک از آنها متفاوت از ديگري است اما داراي قسمتهاي مشترکي هستند. همه ي موتورهاي توربيني داراي يک مجراي ورود هوا، يک کمپرسور يا متراکم کننده، يک بخش احتراق، يک توربين و يک مجراي خروجي هستند. همه ي اين موتورها با يک اصول اساسي کار ميکنند ولي هر کدام از آنها داراي مزايا و اشکالات مجزايي هستند. در بالا شکل بسيار ساده اي از يک موتور توربين گازي مشاهده ميشود. همه موتورهاي توربيني جت با اين قاعده کار ميکنند :هوا به داخل لوله مانندي کشيده و فشرده شده، با سوخت مخلوط و سوخته شده با سرعت بالايي خارج ميشود.
کليد ساختن يک موتور جتي که کار کند در فشرده سازي هواي ورودي آن است. چنانچه کمپرس صورت نگيرد، مخلوط هوا و سوخت قادر نخواهد بود هيچ ازدياد حجم و تراستي توليد کند. بيشتر جت ها داراي کمپرسوري هستند شامل پره هاي گردنده و در قسمتي که کمپرس صورت ميگيرد حرکت هوا جهت ايجاد فشار زياد، کند ميشود. اين هواي کمپرس شده به داخل محفظه اي که در آن احتراق صورت ميگيرد رانده شده و با سوخت مخلوط شده و سوزانده ميشود. در حين

اينکه گازهاي پرفشار در حال خارج شدن هستند از ميان توربيني شامل پره هاي قوس دار زيادي ميگذرند. در اينجا گازهاي خروجي پره هاي توربين را به حرکت در مي آورند و اين توربين نيز از طريق يک شفت (محور) به کمپرسور در قسمت جلوي موتور متصل است و باعث گرداندن پره هاي کمپرسور ميشود. به اين طريق گازهاي خروجي محفظه ي احتراق، توربين را و توربين نيز کمپرسور را گردانده تا هواي بيشتري گرفته و فشرده شود و موتور به سيکل کاري خود ادامه دهد. کارکرد موتورهاي توربيني مداوم است يعني بدون وقفه کار ميکنند و هيچ وقفه اي ندارند.
انواع موتورهاي جت توربيني

توربوجت
توربوجت اولين و ساده ترين شکل از يک موتور جت جهت توليد تراست است. همانطوري که در تصوير شماتيک آن ديده مي شود داراي کمپرسور، محفظه ي احتراق، توربين و ساير قسمت هاي استاندارد يک موتور توربين گازي ميباشد. تفاوت بارزي که بين يک توربوجت و يک موتور توربين گازي ساده وجود دارد در کمپرسور توربوجت است که داراي ضريب تراکم بسيار بالاتري نسبت به يک توربين گاز ساده است. تفاوت اساسي ديگر در توربين آن است که در توربوجت توربين تنها به کمپرسور متصل است و تنها ميزان بسيار کمي از قدرت همان توربين جهت ساير موارد فرعي مانند پمپ ها استفاده ميشود و در توربوجت پر

انرژي بودن گازهاي خروجي يک موضوع بسيار مهم و قابل توجه است، در حالي که در يک موتور توربين گازي به غير از توربيني که به کمپرسور متصل است توربين ديگري نيز جدا از آن در قسمت خروجي محفظه ي احتراق قرار دارد که در واقع به شفت خروجي موتور متصل است و جهت استفاده در مواردي از قبيل توليد برق و ساير موارد مشابه مورد استفاده قرار ميگيرد. نکته ي قابل توجهي که در مورد موتورهاي توربين گازي وجود دارد اين است که از گازهاي خروجي آنها

هيچ استفاده اي نميشود به همين جهت سعي ميشود که تمام حرارت و انرژي قابل استفاده ي گازهاي محترق قبل از خروج جهت بازدهي بيشتر گرفته شود.

نسبت سوخت به هوا در يک توربوجت خيلي کم است. طبق خبرگذاري ناسا، بطور ميانگين در يک توبوجت مقدار 100 pounds هوا در ثانيه با 2 pounds سوخت در ثانيه ترکيب ميشود ولي اين نسبت در هر موتوري متفاوت است.

توربوفن
بسياري از هواپيماهاي مسافربري مدرن از موتور هاي توربوفن استفاده ميکنند بخاطر اينکه آنها بازده بيشتري نسبت به سوخت دارند. اگر ميزان مصرف سوخت يک توربوجت با تورفن و ميزان تراست توليدي آنها را مقايسه کنيد ميبينيد که توربوفن با همان ميزان مصرف سوخت، مقدار تراست خيلي بيشتري توليد ميکند. يک موتور توربوفن شکل تغييريافته و پيشرفته ي يک موتور توربين گازي ساده است. همانند ساير موتورهاي جت، توربوفن هم داراي هسته ي موتوري توربوجت است. در يک توربوفن مرکز موتور توسط يک لايه شامل يک فن در جلو و توربين اضافي درکنار آن احاطه شده است. فن و توربين فن از تعداد زيادي تيغه همانند

کمپرسور و توربين هسته تشکيل شده اند که به يک شفت اضافي متصل اند. شفتي که به فن متصل است از وسط هسته ي شفت مرکزي عبور ميکند و به اين صورت اگر موتور داراي سه شفت باشد، فن جلويي به دروني ترين شفت و آن نيز به آخرين طبقه ي توربين در انتهاي موتور (مرکز) متصل است.