بررسی اجمالی موتور توربو شفت

مقدمه:

موتور توربوشفت شکلی از توربین گازی از جنس ورق استیل ضد سایش است که برای تولید نیروی محوری به جای نیروی رانش جت بهینه شده است. به طور کل، موتورهای توربوشفت بسیار شبیه به توربوجت ها هستند و بر اساس انبساط گاز توربین و استخراج انرژی گرمایی از اگزوز و انتقال نیروی آن به شفت خروجی کار می کنند. تفاوت در بازده این دو موتور بستگی به کیفیت مواد مورد استفاده دارد و با بالاتر رفتن قیمت ورق استیل مورد استفاده و به طور خاص قیمت ورق استیل ضد سایش، کارآیی و بازده موتور نیز بیشتر می شود.
موتورهای توربوشفت ساخته شده از ورق استیل ضد سایش بیشتر شبیه به توربوپراپ هستند و تفاوت های جزئی بین آنها وجود دارد. این دو نوع موتور به قدری عملکرد مشابه دارند که یک موتور واحد اغلب در هر دو شکل فروخته می شود و همانند توربوشفت، اختلاف قیمت آنها صرفاً ناشی از قیمت ورق استیل (قیمت ورق استیل ضد سایش) می باشد. موتورهای توربوشفت معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شوند که نیاز به توان خروجی پایدار، قابلیت اطمینان بالا، اندازه کوچک و وزن سبک دارند. اینها شامل هلیکوپترها، واحدهای نیروی کمکی، قایق‌ها و کشتی‌ها، تانک‌ها، هاورکرافت و تجهیزات ثابت هستند. 

کاربرد موتور توربو شفت در هلیکوپتر:

یک هلیکوپتر به گونه ای طراحی شده است که برای مدت زمان قابل توجهی با سرعت صفر پرواز کند. حتی در پرواز رو به جلو، هلیکوپترها به ندرت از 240 کیلومتر در ساعت تجاوز می کنند. محرک اصلی هلیکوپتر یک موتور هسته ای است که توان آن توسط یک توربین قدرت تامین می شود و روتور هلیکوپتر را از طریق یک جعبه دنده کاهنده سرعت به حرکت در می آورد. توربین قدرت معمولاً روی یک قرقره جدا از ژنراتور قرار دارد. بنابراین سرعت چرخش آن و روتور هلیکوپتری که آن را به حرکت در می آورد مستقل از سرعت چرخش ژنراتور گاز است. این اجازه می دهد تا سرعت روتور مستقل از سرعت ژنراتور گاز تغییر کند یا ثابت بماند، که باید برای تعدیل مقدار توان تولید شده تغییر کند.

بررسی اجمالی موتور توربو شفت:

یک موتور توربوشفت از دو مجموعه اصلی "ژنراتور گاز" و "بخش قدرت" تشکیل شده است. ژنراتور گاز متشکل از کمپرسور، محفظه های احتراق با جرقه زن و نازل های سوخت و یک یا چند مرحله از توربین است. بخش قدرت شامل مراحل اضافی توربین، سیستم کاهش دنده و خروجی شفت است. ژنراتور گاز به وسیله گازهای داغ در حال انبساط حرکت کرده و برق تولید می کند. بسته به طراحی، لوازم جانبی موتور ممکن است توسط ژنراتور گاز یا بخش قدرت هدایت شوند. در بیشتر طرح‌ها، ژنراتور گاز و بخش برق از لحاظ مکانیکی از هم جدا هستند، بنابراین هر کدام می‌توانند با سرعت‌های متفاوتی متناسب با شرایط بچرخند، که به آن «توربین قدرت آزاد» می‌گویند. یک توربین قدرت آزاد می تواند ویژگی طراحی بسیار مفید برای وسایل نقلیه باشد، زیرا به طراح اجازه می دهد تا وزن و هزینه گیربکس ها و کلاچ های پیچیده را حذف و با این توربین جایگزین نماید. یک نمونه غیر معمول از اصل توربوشفت، موتور توربوفن پرت اند ویتنی F135-PW-600 است که در حالت معمولی به عنوان یک توربوفن عمل می کند، اما هنگام روشن کردن، تا حدی به حالت توربوشفت تغییر می کند. هلیکوپترهای بزرگ از دو یا سه موتور توربوشفت از این نوع استفاده می کنند. 

تاریخچه:

اولین موتور توربین توربوشفت استفاده شده برای یک وسیله نقلیه جنگی زرهی، موتور مدل GT 101  بود که بر اساس عملکرد یک موتور توربوجت ساخته شده بود و در اواسط سال 1944 در تانک Panther آزمایش شد. اولین موتور توربوشفت برای روتورکرافت توسط شرکت موتور فرانسوی Turbomeca به رهبری موسس آن جوزف اسیدلوفسکی ساخته شد. در سال 1948، آنها اولین موتور توربین با طراحی فرانسویshp 782  را ساختند که در ابتدا به عنوان یک واحد قدرت کمکی در نظر گرفته شد و به زودی با نیروی محرکه هواپیما سازگار شد و در دهه 1950 جایگاهی را به عنوان نیروگاه برای هلیکوپترهای توربوشفت پیدا کرد. در سال 1950، Turbomeca  از این موتور برای توسعه 280 اسب بخاری استفاده کرد که به طور گسترده در هلیکوپترهای دیگر مورد استفاده قرار گرفت. این به دنبال نصب آزمایشی یک توربوشفت بوئینگ T50 در نمونه‌ای از سنکراپتر کامان K-225 در 11 دسامبر 1951، به‌عنوان اولین هلیکوپتر توربوشفت در جهان از هر نوع پرواز بود.
تانک T-80 که در سال 1976 وارد خدمت ارتش شوروی شد، اولین تانکی بود که از موتور توربوشفت به عنوان موتور اصلی خود استفاده کرد. از سال 1980 ارتش ایالات متحده تانک M1 Abrams را که دارای موتور توربین گازی نیز می باشد، راه اندازی کرد. تا آن زمان اکثر تانک ها از موتورهای پیستونی دیزلی رفت و برگشتی استفاده می کردند. Stridsvagn 103 سوئدی اولین تانکی بود که از توربین گازی به عنوان موتور ثانویه و با توان بالا برای افزایش عملکرد موتور پیستونی اولیه خود استفاده کرد. موتورهای توربوشفت مورد استفاده در همه این تانکها دارای قطعات بسیار کمتری نسبت به موتورهای پیستونی بودند که به مرور جایگزین یا تکمیل شدند. این موتورهای جدید از نظر مکانیکی بسیار قابل اعتماد هستند، صدای بیرونی کمتری تولید می‌کنند و تقریباً با هر سوختی نظیر بنزین، سوخت دیزل، و سوخت‌های هواپیمایی کار می‌کنند. با این حال، موتورهای توربوشفت دارای مصرف سوخت به طور قابل توجهی بالاتر از موتورهای دیزلی هستند که در اکثر تانک‌های جنگی اصلی مدرن استفاده می‌شوند.