نقش استیل در تولید توربوفن

مقدمه

توربوفن های ساخته شده از جنس ورق استیل 321 یکی از اجزاء اصلی موتورهای توربوجت می باشند که تجهیزات فن و محفظه اطراف آن به بخش جلویی موتور اضافه شده است. به طور کل یک فن، ملخی با پره های زیاد است که به طور ویژه برای چرخش بسیار سریع طراحی شده است. از آنجایی که قیمت ورق استیل 321 و تمام کاری سطحی مورد استفاده برای ساخت ورق استیل مات چندان بالا نیست، لذا پاسخگوی نیاز مهندسان برای ساخت موتور جت توربوفن است. عملکرد موتورها اساساً مشابه پروانه است، یعنی پره ها جریان هوای ورودی را برای ایجاد نیروی رانش تسریع می کنند. با این حال، در یک توربوفن، فن به جای موتور احتراق داخلی، توسط توربین‌های موجود در موتور توربوجت به حرکت در می‌آید.

عملکرد توربوفن

یک توربوفن با محفظه ساخته شده از ورق استیل 321 نسبت به پروانه ها و توربوجت های سنتی مزایای زیادی دارد. در این موتورها، ابتدا تجهیزات قرار گرفته بر روی فن، جریان هوای ورودی را قبل از رسیدن به فن کاهش می دهد و کند می کند. مزیت کاهش جریان هوای ورودی این است که از تشکیل موج ضربه ای بر روی تیغه ها در سرعت های بالا جلوگیری می کند. در نتیجه، توربوفن‌ها می‌توانند با سرعت‌های بسیار بالاتری نسبت به ملخ‌های سنتی بدون اثرات نامطلوب ناشی از ایجاد امواج ضربه‌ای بر روی پره‌های فن حرکت کنند. این بخش از موتور، از مواد با سطوح پایان مناسب نظیر ورق استیل مات ساخته شده است. قطر بزرگ فن به موتور اجازه می دهد تا جرم بسیار بیشتری از هوا را شتاب دهد. هرچه قیمت ورق استیل 321 مورد استفاده کمتر باشد، موتور تولید شده دارای کیفیت کمتری است و برای کاربردهای ساده تر پیشنهاد می گردد. با این وجود توربوفن‌های معمولی با نسبت بای پس بالا می‌توانند به راحتی به راندمان نیروی محرکه‌ای دست یابند که می‌تواند با ملخ‌ها رقابت کند (بیش از 80%)، اما در سرعت‌های کروز بالاتر از ملخ‌های معمولی به راندمان ماکزیمم می رسند. این توربوفن ها سرعت خروج جت کمتری ایجاد می کنند، لذا موتور را ساکت تر کرده و آلودگی صوتی نزدیک فرودگاه ها را کاهش می دهند.

موتورهای توربوپراپ

موتور توربوپراپ اساساً یک ملخ است که توسط یک توربوجت به حرکت در می آید. از طرف دیگر، می توان آن را به عنوان یک توربوفن با نسبت بای پس بسیار بزرگ در نظر گرفت. این دقیقاً یک توربوفن نیست زیرا هیچ پوشش یا "مجرایی" در اطراف پروانه وجود ندارد و پروانه با سرعت فن نمی چرخد. 
یک موتور توربوپراپ به دلیل نسبت بای پس بزرگی که ارائه می کند، از راندمان بالایی نسبت به یک ملخ برخوردار است. در واقع، تقریباً تمام نیروی رانش ایجاد شده توسط یک توربوپراپ از پروانه است. یک توربوپراپ همچنین از نسبت قدرت به وزن بالای موتورهای توربوجت برخوردار است که در نتیجه یک پیشرانه فشرده قدرتمند ایجاد می کند. توربوپراپ ها نیز از محدودیت های پروانه ها رنج می برند. از آنجایی که پروانه ها با شتاب دادن سیال زیاد (بزرگ) به مقدار کم،  نیروی رانش تولید می کنند، نمی توانند به همان سرعتی که توربوفن ها یا توربوجت ها هستند، دست پیدا کنند. محدودیت دیگر پتانسیل ایجاد امواج ضربه ای بر روی تیغه های پروانه است که باعث کاهش کارایی پروانه در سرعت های بالا می شود. با این وجود، کارایی توربوپراپ‌ها برای مأموریت‌های با سرعت پایین‌تر جذاب است و توربوپراپ‌ها معمولاً در بسیاری از هواپیماهای ترابری کوچک‌تر استفاده می‌شوند. این امر به ویژه در بازار امروزی که افزایش قیمت سوخت، توربوپراپ‌ها را به مناسب‌ترین گزینه برای شرکت‌های هواپیمایی تبدیل می‌کند، صادق است.

موتور پروفن

موتور پروفن به گونه ای طراحی شده است که سرعت و عملکرد یک توربوفن را داشته باشد، اما راندمان سوخت یک توربوپراپ را ایجاد نماید. پروفن به عنوان موتور فن بدون مجرا (UDF) نیز شناخته می شود، زیرا فن آن مانند فن توربوفن محصور نیست.
راندمان پیشرانه یک موتور پروفن با نسبت بای پس بالا که با استفاده از پره های فن خارجی به دست می آید، افزایش می یابد. افزایش راندمان حتی در سرعت‌های بالا نیز حفظ می‌شود، زیرا تیغه‌های فن خمیده هستند تا از ایجاد موج ضربه ای در نوک‌های بیرونی تیغه‌ها جلوگیری کنند. افزایش راندمان پیشرانه منجر به افزایش بازده کلی پیشرانه به میزان 20 تا 25 درصد نسبت به توربوفن ها می شود.

پروفن ها در دهه 1980 در پاسخ به افزایش قیمت سوخت ناشی از کمبود سوخت ساخته شدند. توسعه و آزمایش مفهوم UDF جنرال الکتریک در دهه 1980 پیشرفت کرد، اما هرگز در هواپیماهای تولیدی به کار نرفت، زیرا قیمت سوخت در اواخر دهه 1980 کاهش یافت. 

موتورهای پمپ جت

نوعی از نیروی محرکه جت که در کاربردهای آبی استفاده می شود، پمپ جت است. یک طرح رایج موتور پمپ جت به صورت یک پروانه مجرایی است. در این وضعیت، پروانه دو عملکرد را انجام می دهد:
(1) جریان ورودی را تسریع می کند (مانند یک ملخ سنتی)، 
(2) فشار جریان را افزایش می دهد (مانند پمپ یا کمپرسور سنتی)
 سپس جریان از طریق یک نازل شتاب بیشتری می گیرد و فشار اضافه شده توسط پروانه را به انرژی جنبشی تبدیل می کند و جت پرسرعت نیروی رانش را ایجاد می کند.

سیدرحیم کیاحسینی