موتور توربینی

موتور عبارتست از وسيله‌اي که قدرت توليد مي‌کند، ولي به تنهايي قادر به توليد کار نمي‌باشد. به زبان ساده‌تر موتور وسيله‌اي که با استفاده از منابع انرژي بخصوص ، انرژي جنبشي توليد مي‌کند. نوع موتور منابع انرژي اوليه متفاوت هستند. مثلا برخي از موتورها ، انرژي موجود در مواد نفتي را به انرژي جنبشي تبديل مي‌کنند و برخي ديگر انرژي الکتريکي را و …).

ريشه لغوي

موتور يک کلمه انگليسي است و معناي آن جنباننده يا محرک مي‌باشد. ليکن در حال حاضر از کلمه موتور به عنوان وسيله توليد انرژي جنبشي استفاده مي‌شود.
ديد کلي

موتور يکي از ارکان اصلي خودرو مي‌باشد، که وظيفه اصلي حرکت آن بوسيله موتور با انجام يک سري اعمال خاص امکان پذير مي‌شود. بر اين اساس تلاشهاي زيادي در زمينه طراحي و ساخت انواع موتور صورت گرفته است که در حال حاضر نيز بيشتر سرمايه گذاريهاي کارخانه‌هاي خودرو سازي در اين زمينه انجام مي‌شود. تمام موتورهايي که در زندگي بشر مورد استفاده قرار مي‌گيرند انرژي جنبشي را به شکل يک حرکت دوراني (چرخشي) در اختيار مصرف کننده قرار مي‌دهند. موتورها اين انرژي را از طريق تبديل انرژي‌هاي پتانسيل و يا انرژيهاي ديگر بوجود مي‌آورند که مي‌توان بر حسب منبع انرژي اوليه ، موتورها را تقسيم بندي کرد که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.

بطور کلي مي‌توان گفت که در پيرامون ما هر وسيله‌اي که کاري انجام مي‌دهد داراي يک موتور است که حرکت قطعات آن و نيروي مورد نياز آن وسيله را تأمين مي‌کند. مثلا لوازم خانگي مثل يخچال ، ضبط صوت ، پنکه‌هاي تصويه و … همگي داراي يک موتور الکتريکي مي‌باشند و يا اتومبيلهايي که در خيابانها رفت و آمد مي‌کنند هر کدام يک موتور جهت تأمين انرژي جنبشي خود دارند.

تاريخچه

ايده ساخت موتور به زمانهاي دور باز مي‌گردد، چنانکه قبل از سالهاي 1700 ميلادي تلاشهايي جهت مسافت موتورها به شکل امروزي انجام پذيرفته بود (هر چند که موتورهاي ساده آبي که انرژي جنبشي آب را به حرکت چرخشي تبديل مي‌کردند از زمانهاي بسيار دورتر ساخته شده و مورد استفاده قرار مي‌گرفتند). ليکن اولين تجربه موفقيت آميز در اين زمينه ، در سال 1769 اتفاق افتاد. در اين سال جيمز وات توانست يک موتور بخار اختراع کند که قابليت استفاده از انرژي محبوس در سوختهاي مختلف نظير چوب و ذغال سنگ را داشت.

سير تحولي و رشد

مخترعين زيادي سعي کردند که اصول فوق را در موتورها تحقق بخشند. ولي «ان.اي.اتو» مخترع آلماني اولين کسي بود که موفق گرديد. او در سال 1876 موتور خود را به ثبت رساند و دو سال بعد نمونه‌اي را که کار مي‌کرد به معرض نمايش گذاشت. موتور مزبور همان چرخ چهارزمانه يعني ، تکثير ، تراکم ، توان و تخليه را به کار مي‌بست. دانشمندان هم عصر اتو عقيده داشتند که وجود تنها يک مرحله توان در دو دور چرخش زمان بزرگي است (يک موتور چهارزمانه در هر دو دور چرخش تنها يک بار سوخت را مي سوزاند به اصطلاح داراي يکبار انفجار يا توان است).
بنابراين نظر خود را به موتور دو زمانه (که در هر دو چرخش يک انفجار دارد) معطوف کردند. اين تلاشها تا آنجا ادامه يافت که در سال 1891 «جوزف دي» با کمک گرفتن از محفظه ميل لنگ به عنوان يک سيلندر پمپ کننده هوا توانست ساخت موتورهاي روزانه را ساده کند. در موتور دي ، مجاري ورودي هوا و خروجي دود در بدنه سيلندر قرار داشت (همان سيستم موتورهاي دو زمانه امروزي). در سال 1892 دکتر «رادولف ديزل» يک مهندس آلماني ، موتوري را به ثبت رساند که در آن سوخت در نتيجه گرماي توليد شده در اثر فشار زياد ، مشتعل مي شد. ديزل در اصل موتور خود را براي کار کردن با پودر ذغال سنگ طراحي کرده بود. اما به سرعت به سوخت‌هاي مايع روي آورد.
فعاليت‌هاي انجام شده توسط دانشمندان در طراحي و ساخت موتور و پيشرفت‌هاي حاصله را مي‌توان مختصرا اين‌گونه بيان کرد.

ساخت موتورهاي بنزيني – انژکتوري در سال 1936

ساخت موتورهاي توربيني اتومبيل در سال 1950

ساخت موتور پيستون گردان وانکل در سال 1957

ساختمان موتور

ساختمان موتورها بسيار گوناگون ولي در عين حال از لحاظ اصول کلي بسيار مشابه است. مثلا همه موتورهاي احتراقي داراي يک محفظه براي فشرده کردن سيال مي‌باشند که سيلندر نام دارد. يا اينکه همگي داراي يک قطعه متحرک رفت و برگشتي مي‌باشند که پيستون نام دارد و … ليکن ساختار موتورهاي برقي متفاوت است. همگي آنها داراي يک سيم پيچ ثابت مي‌باشد که ميدان مغناطيسي ايجاد مي‌کند. در ميان اين سيم پيچ ميدان ، يک آرميچر (روتور) وجود دارد که با تغييرات ميدان مغناطيسي انرژي الکتريکي را به انرژي جنبشي تبديل مي‌کند (به شکل چرخش) و … .

طرز كار موتور

موتورهاي الکتريکي از لحاظ تجهيزات و ساختار نسبتا ساده تر از موتورهاي احتراقي هستند. البته طرز کار آنها نيز نسبتا ساده تر است. اين موتورها با ايجاد يک ميدان مغناطيسي و تغييرات مکرر اين ميدان مغناطيسي باعث به چرخش درآمدن روتور مي‌شوند. و اين چرخش توسط ميله اي از محفظه موتور خارج و مورد استفاده قرار مي‌گيرد. موتورهاي احتراقي بصورت نوساني کار مي‌کنند يعني اينکه قطعات متحرک آنها (پيستونها) که قابل انتقال انرژي هستند، حرکت رفت و برگشتي دارند. براي تبديل اين حرکات رفت و برگشتي به حرکت چرخشي وسيله‌اي به‌ نام ميل لنگ استفاده مي‌شود. ليکن در نهايت انرژي جنبشي اين موتورها هم بصورت چرخش يک ميله از محفظه موتور به خارج فرستاده مي‌شود.

قدم مهم در توسعه موتورهاي امروزي (که اغلب موتورهاي احتراق داخلي هستند) زماني برداشته شد که بودورثا مهندس فرانسوي چهار اصل عمده را که براي کار موثر اين موتورها الزامي بودند، ارائه کرد. اين اصول چهارگانه به قرار زيرند:
اتاقک احتراق بايد کوچکترين نسبت سطح به حجم ممکن را داشته باشد.
فرآيند انبساط مخلوط گاز هوا و سوخت بايد تا حد امکان سريع انجام شود.
تراکم مخلوط در ابتداي مرحله انبساط بايد تا حد امکان زياد باشد.
کورس پيستون مي بايست تا حد امکان زياد باشد.

انواع موتور

موتورها را بر اساس منبع تامين کننده انرژي به دو دسته موتورهاي برقي و موتورهاي احتراقي تقسيم مي کنند.

موتورهاي برقي:

 اختلاف پتانسيل الکتريکي را به حرکت چرخشي تبديل مي کنند.
موتورهاي احتراقي: با سوزاندن مواد سوختي (اغلب سوخت هاي فسيلي) توليد انرژي مي کنند. موتورهاي جت: با مکش هوا کار مي کنند.

موتورهاي برون سوز:

 در اين موتورها احتراق در بيرون از موتور صورت مي گيرد (مانند موتور بخار) موتورهاي درون سوز: در اينگونه موتورها ماده سوختني مستقيما در داخل موتور سوزانده مي شود. موتورهاي درون سوز خود به دو گروه تقسيم مي شوند:
موتورهاي اشتعال جرقه اي: سوخت به کمک يک جرقه الکتريکي در اين موتورها مشتعل مي شود.

موتورهاي ديزل: در اين موتورها سوخت بواسطه حرارت بالاي ايجاد شده بوسيله فشار مشتعل مي گردد.

کاربردها

کاربرد موتورها امروزه آن چنان وسيع است که ذکر آنها به يک زمان طولاني نيازمند است. اکثر لوازم خانگي نظير يخچال ، چرخ گوشت ، آب ميوه گيري ، ماشين لباسشويي ، جارو برقي ، پنکه‌هاي تهويه و … همچنين تمام وسايل نقليه مورد استفاده نظير اتومبيل‌ها ، اتوبوس‌ها ، کاميون‌ها ، هواپيماها ، قطار‌ها و کشتي‌ها همگي از موتورهاي مختلف استفاده مي‌کنند.

در تمام قسمت‌هاي يک کارخانه صنعتي و ساير وسايل و تجهيزات بکار رفته در بخش صنعت از موتورها استفاده مي‌شوند. در بخشي کشاورزي جهت تامين منابع انرژي مثل ماشين آلات آسياب‌ها ، پمپ‌هاي آب و غيره از موتورهاي برقي و احتراقي استفاده مي‌شود و … .

نقش موتورها در زندگي روزمره

با توجه به کاربردهايي که در بالا براي موتورها ذکر شد به جرات مي‌توان گفت بدون وجود و استفاده از موتورها تمدن بشري به معناي امروزي معنا نخواهد داشت. چنانچه از منابع توليد انرژي (موتورها) صرف‌نظر کنيم شايد شکل زندگي به حالت قبايل بدوي برگردد. عملا زندگي امروزي ما آنچنان به منابع توليد توان وابسته است که زندگي بدون اين تجهيزات براي انسان قابل تصور نيست.

توربينهاي بادي

انرژي باد نظير ساير منابع انرژي تجديد پذير، بطور گسترده ولي پراكنده در دسترس مي‌باشد. تابش نامساوي خورشيد در عرض‌هاي مختلف جغرافيايي به سطح ناهموار زمين باعث تغيير دما و فشار شده و در نتيجه باد ايجاد مي‌شود. به علاوه اتمسفر كره زمين به دليل چرخش، گرما را از مناطق گرمسيري به مناطق قطبي انتقال مي‌دهد كه باعث ايجاد باد مي‌شود. انرژي باد طبيعتي نوساني و متناوب داشته و وزش دائمي ندارد.

از انرژي هاي بادي جهت توليد الكتريسيته و نيز پمپاژ آب از چاهها و رودخانه ها، آرد كردن غلات، كوبيدن گندم، گرمايش خانه و مواردي نظير اينها مي توان استفاده نمود. استفاده از انرژي بادي در توربين هاي بادي كه به منظور توليد الكتريسته بكار گرفته مي شوند از نوع توربين هاي سريع محور افقي مي باشند. هزينه ساخت يك توربين بادي با قطر مشخص، در صورت افزايش تعداد پره ها زياد مي شود.

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

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.

توبوفن ها به دو دسته شامل توربوفن با نسبت گذرگاهي پايين و با نسبت گذرگاهي بالا تقسيم ميشوند. دسته ي اول نسبتا کوچکتر هستند و مقداري بيشتر از يک توربوجت، تراست توليد ميکنند ولي توربوفن با نسبت گذرگاهي بالا، تراست خيلي بيشتري توليد ميکنند و نسبت به سوخت کارآمد تر هستند و صداي کمتري توليد ميکنند. اصلي ترين هدف و وظيفه ي فن راندن مقدار زيادي هوا از ميان گذرگاه خارجي است که از اطراف هسته ي موتور مي گذرد. با اينکه در اين گذرگاه جانبي جريان هوا با سرعت خيلي کمتري جريان ميابد، ولي حجم بالايي از هوا با اين فن شتاب و سرعت ميگيرند و اين فن، به غير از تراستي که هسته ي توربوجت دارد،  تراست مهم و عمده اي را بدون سوزاندن هيچ سوخت اضافي توليد ميکند. بدينگونه توربوفن نسبت به توربوجت استفاده ي بيشتري از سوخت ميکند، در نتيجه بازده آن بيشتر از توربوجت است. در حقيقت موتورهاي توربوفن با نسبت گذرگاهي بالا در بازدهي تقريبا با توربوپراپ برابر هستند. به علاوه، هواي کم سرعت باعث لايه گذاري صداي مرکز موتور ميشود و موتور را کم صدا تر ميکند. فن به دليل اينکه در ميان داکت يا مجراي ورودي قرار گرفته است و از تعداد زيادي پره تشکيل شده است ميتواند بطور کارآمد با سرعتي بيشتر از يک ملخ ساده کار کند. به همين دليل توربوفن ها در نقل و انتقالات پر سرعت به کار ميروند ولي ملخ دارها در نقل و انتقالات سرعت پايين بکار ميروند. تعداد زيادي از هواپيماهاي جنگنده از موتورهاي توربوفن با نسبت گذرگاهي پايين مجهز شده به پس سوز استفاده ميکنند. آنها ميتوانند بطور کارآمد به گشت زني بپردازند و در جنگهاي هوايي نيز، تراست خيلي بالايي دارند.

توربوپراپ

بسياري از هواپيماهاي ترابري و پر مصرف کوچک از پيشرانش توربوپراپ استفاده ميکنند. موتورهاي توربوپراپ از هسته ي يک موتور توربين گازي براي گرداندن ملخ استفاده ميکنند. موتورهاي ملخ دار با حرکت دادن حجم بالايي از هوا و تغيير کمي در سرعت آن، تراست توليد ميکنند. اين پيشرانشها بسيار کارآمد هستند و از هر نوع نيروي محرکه اي (موتور) براي به گردش در آوردن ملخ ميتوانند استفاده کنند.
در پيشرانش توربوپراپ دو قسمت اصلي و برجسته وجود دارند؛ يکي موتور و ديگري ملخ يا پروانه. هسته ي موتور در اين نوع پيشرانش بسيار مشابه يک توربوجت ساده است، با اين تفاوت که به جاي رانش قوي گازهاي خروجي به بيرون براي توليد تراست، بيشتر انرژي گازهاي خروجي صرف گرداندن توربين ميشود. اين قسمت در بيشتر موتورها شامل چند طبقه از توربينهاي کاملا مجزا است که نيروي آنها از طريق يک شفت ديگر به جعبه دنده و بعد به ملخ انتقال ميابد. سرعت گازهاي اگزوز در يک توربوپراپ پايين است و تراست کمي توليد ميکند، چون بيشتر انرژي گازهاي اگزوز صرف به گردش در آوردن توربين ميشود. بطور ميانگين در يک توربوپراپ، تراست توليدي توسط هسته ي جت حدود 15% است درحالي که تراست توليدي توسط ملخ آن مقدار باقيمانده يعني 85% است.

در تصور توربوفن و توبوپراپ مشابه يکديگرند، اما توربوفن دقيقا خاصيت يک جت را داراست به اين معنا که براي توليد تراست از گازهاي خروجي استفاده ميکند و همچنانکه در شکل مشاهده ميشود يک داکت يا مجرا دارد و قسمت فن داراي نازل نيز ميباشد، ولي توربوپراپ فقط از موتور جت استفاده ميکند و توليد عمده ي، تراست توسط ملخ انجام ميشود. توربوپراپ از بازدهي بالاتري ازسوخت نسبت به توربوفن برخوردار است اما به هر حال صدا و ارتعاش توليدي توسط ملخ توربوپراپ يک اشکال عمده است و از طرفي توربوپراپ به سرعت ساب سونيک محدود شده است.

توربوشفت

توبوشفت گونه اي از موتورهاي جت است که تقريبا تمام بالگرد هايي که امروزه ساخته ميشوند، از آن نيرو ميگيرند. همانطور که در تصوير مشاهده ميشود توربوشفت از بسياري قسمتهاي توربوجت استفاده ميکند. يک تفاوت
اساسي بين توربوشفت و ساير موتورهايي که در بالا معرفي شدند اين است که توربين تنها به کمپرسور متصل نيست. البته همانند توربوپراپ در اکثر موتورهاي توربوشفت چند طبقه از توربينهاي مجزا از کمپرسور، وجود دارند که انرژي آنها از طريق شفتي مجزا به جعبه دنده جهت تغيير به گشتاور مناسب انتقال ميابد و بعد مورد استفاده قرار ميگيرد. بطور نمونه تيغه هاي روتور بالگرد را ميچرخاند. از طرفي بالگردها در ارتفاعي بسيار پايين تر از هواپيماها جايي که گرد وخاک، ماسه و ديگر آشغالهاي ريز به راحتي ميتوانند به داخل موتور مکيده شوند، کار ميکنند. جهت برطرف کردن اين مشکل، بيشتر موتورهاي توربوشفت به يک دستگاه تجزيه ي ذره ها که جريان ورودي را صاف کرده و قبل از رسيدن آن به کمپرسور، گرد و خاک را بيرون ميريزد، مجهزند.

توربينهاي بادي چگونه كار مي كنند ؟

توربين هاي بادي انرژي جنبشي باد را به توان مكانيكي تبديل مي نمايند و اين توان مكانيكي از طريق شفت به ژنراتور انتقال پيدا كرده ودر نهايت انرژي الكتريكي توليد مي شود. توربين هاي بادي بر اساس يك اصل ساده كار مي كنند. انرژي باد دو يا سه پره اي را كه بدورروتور توربين بادي قرار گرفته اند را بچرخش در مي آورد. روتور به يك شفت مركزي متصل مي باشد كه با چرخش آن ژنراتور نيز به چرخشدر آمده و الكتريسيته توليد مي شود.

توربين هاي بادي بر روي برج هاي بلندي نصب شده اند تا بيشترين انرژي ممكن را دريافت كنند بلندي اين برج ها به 30 تا 40 متر بالاتراز سطح زمين مي رسند. توربين هاي بادي در باد هايي با سرعت كم يا زياد و در طوفان ها كاملا مفيد مي باشند .

توربينهاي بادي مدرن به دو شاخه اصلي مي‌شوند :

• توربينهاي با محور افقي (كه در شكل زير نمونه اي از اين نوع توربين ها را مشاهده مي كنيد(
• توربينهاي با محور عمودي .

مي‌توان از توربينهاي بادي با كاركردهاي مستقل استفاده نمود، و يا مي‌توان آنها را به يك ” شبكه قدرت تسهيلاتي “ وصل كرد يا حتي  مي‌توان با يك سيستم سلول خورشيدي يا فتوولتائيك تركيب كرد. عموماً از توربينهاي مستقل براي پمپاژ آب يا ارتباطات استفاده مي‌كنند، هرچند كه در مناطق بادخيز مالكين خانه‌ها و كشاورزان نيز مي‌توانند از توربينها براي توليد برق استفاده نمايند مقياس كاربردي انرژي باد، معمولا ً‌تعداد زيادي توربين را نزديك به يكديگر مي‌سازند كه بدين ترتيب يك مزرعه بادگير را تشكيل مي‌دهند

داخل توربين بادي به چه صورت مي باشد:

• باد سنج (Anemometer): اين وسيله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آنرا به كنترل كننده ها انتقال مي دهد.
• پره ها (Blades) : بيشتر توربين ها داراي دو يا سه پره مي باشند. وزش باد بر روي پره ها باعث بلند كردن و چرخش پره ها مي شود
• ترمز (Brake) : از اين وسيله براي توقف روتور در مواقع اضطراري استفاده مي شود. عمل ترمز كردن مي تواند بصورت مكانيكي ٬الكتريكي يا هيدروليكي انجام گيرد.
• كنترولر (Controller) : كنترولر ها وقتي كه سرعت باد به 8 تا 16 mph ميرسد ما شين را٬ راه اندازي مي كنند و وقتي سرعت از 65 mph بيشتر مي شود دستور خاموش شدن ماشين را مي دهند. اين عمل از آن جهت صورت ميگيرد كه توربين ها قادر نيستند زماني كه سرعت باد به 65 mph مي رسد حركت كنند زيرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسيار بالايي خواهد رسيد.
• گيربكس (Gear box) : چرخ دنده ها به شفت سرعت پايين متصل هستند و آنها از طرف ديگر همانطور كه در شكل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل مي باشند و افزايش سرعت چرخش از 30 تا 60 rpm به سرعتي حدود 1200 تا 1500 rpm را ايجاد مي كنند. اين افزايش سرعت براي توليد برق توسط ژنراتور الزاميست.
• هزينه ساخت گيربكس ها بالاست درضمن گير بكس ها بسيار سنگين هستند. مهندسان در حال انجام تحقيقات گسترده اي مي باشند تا درايو هاي مستقيمي كشف نمايد و ژنراتورها را با سرعت كمتري به چرخش درآورند تا نيازي به گيربكس نداشته باشند.
• ژنراتور (Generator) : كه وظيفه آن توليد برق متناوب مي باشد.
• شفت با سرعت بالا (High-speed shaft) : كه وظيفه آن به حركت در اوردن ژنراتور مي باشد.
• شفت با سرعت پايين (Low-speed shaft) : رتور حول اين محور چرخيده و سرعت چرخش آن 30 تا 60 دور در دقيقه مي باشد.
• روتور (Rotor) : بال ها و هاب به روتور متصل هستند.
• برج (Tower) : برج ها از فولاد هايي كه به شكل لوله درآمده اند ساخته مي شوند. توربين هايي كه بر روي برج هايي با ارتفاع بيشتر نصب شده اند انرژي بيشتري دريافت مي كنند.
• جهت باد (Wind direction) : توربين هايي كه از اين فن آوري استفاده مي كنند در خلاف جهت باد نيز كار مي كنند در حالي كه توربين هاي معمولي فقط جهت وزش باد به پره هاي آن بايد از روبرو باشد.
• باد نما (Wind vane) : وسيله اي است كه جهت وزش باد را اندازه گيري مي كند و كمك مي كند تا جهت توربين نسبت به باد در وضعيت مناسبي قرار داشته باشد
• درايو انحراف (Yaw drive) : وسيله ايست كه وضعيت توربين را هنگاميكه باد در خلاف جهت مي وزد كنترول مي كند و زماني استفاده مي شود كه قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گيرد اما زماني كه باد در جهت توربين مي وزد نيازي به استفاده از اين وسيله نمي باشد.
• موتور انحراف (Yaw motor) : براي به حركت در آوردن درايو انحراف مورد استفاده قرار مي گيرد.