كل شيء عن المكونات الرئيسية للمحرك النفاث

هل سبق لك أن نظرت إلى طائرة تحلق فوق رأسك وتساءلت ما الذي يجعلها تنطلق؟ المحركات النفاثة آلات مذهلة تدفع الطائرات في السماء. في هذه المقالة، سنتعرف في هذه المقالة على الأجزاء الرئيسية للمحركات النفاثة وكيف تعمل معاً لجعل الطيران ممكناً.

كيف تعمل المحركات النفاثة على تشغيل الطيران الحديث

المحركات النفاثة هي آلات قوية تجعل السفر الجوي الحديث ممكناً. فهي تعمل عن طريق سحب الهواء وعصره وخلطه بالوقود وحرق الخليط ودفع الغازات الساخنة لتوليد قوة دفع. يدفع هذا الدفع الطائرة إلى الأمام في السماء.

توجد عدة أنواع من المحركات النفاثة. وأهمها:

• المحركات التوربينية (محركات بسيطة للطائرات السريعة جداً)
• المراوح التوربينية (المحركات ذات المراوح الكبيرة التي تستخدمها معظم الطائرات)
• المحركات التوربينية (المحركات التي تدفع المراوح للطائرات الصغيرة)

دعونا ننظر إلى المكونات الرئيسية التي تشكل هذه الآلات المذهلة!

المكونات الأساسية للمحرك النفاث

A. نظام سحب الهواء

إن سحب الهواء هو الجزء الأمامي من المحرك الذي يجلب الهواء اللازم لعمل المحرك. يجب أن:

• إبطاء الهواء القادم إلى السرعة المناسبة
• قم بتوجيه هذا الهواء بسلاسة إلى المحرك
• تعمل بشكل جيد على سرعات وارتفاعات مختلفة

تستخدم الطائرات التي تطير بسرعة أقل من سرعة الصوت (معظم الطائرات التجارية) مآخذ بسيطة مستديرة. أما الطائرات التي تفوق سرعة الصوت (مثل الطائرات المقاتلة) فتحتاج إلى مآخذ خاصة مزودة بأجزاء متحركة للتعامل مع الهواء السريع جداً.

B. قسم الضاغط

بعد دخول الهواء إلى المحرك، فإن الضاغط يعصره لجعله جاهزًا للحرق. يحتوي الضاغط على العديد من الشفرات الدوارة التي تدفع الهواء إلى مساحة أصغر وأصغر، مما يرفع ضغطه ودرجة حرارته.

هناك نوعان رئيسيان:

• الضواغط المحورية: تحتوي على صفوف من الشفرات التي تدفع الهواء للخلف مباشرة (تستخدم في معظم المحركات النفاثة الكبيرة)
• ضواغط شعاعية: دفع الهواء للخارج من المركز (يستخدم في المحركات الأصغر)

يحتوي الضاغط أيضًا على دوارات الجزء الثابت (شفرات ثابتة) بين الشفرات الدوارة للمساعدة في توجيه تدفق الهواء بشكل صحيح. غالبًا ما تحتوي المحركات الحديثة على كل من الضغط العالي و الضغط المنخفض أقسام تدور بسرعات مختلفة للحصول على أداء أفضل.

C. غرفة الاحتراق (الموقد)

إن جهاز الاحتراق هو المكان الذي يحدث فيه السحر! هذه الحجرة ذات الشكل الدائري هي المكان الذي يختلط فيه الوقود بالهواء المضغوط ويحترق. ويؤدي هذا الاحتراق إلى توليد غازات ساخنة ومتمددة، والتي تعمل على تشغيل المحرك.

يجب أن يكون جهاز الاحتراق:

• اخلط الوقود والهواء بالكامل
• حافظ على الشعلة مشتعلة بثبات
• التعامل مع درجات الحرارة القصوى (أكثر من 2,000 درجة فهرنهايت)
• حماية بقية المحرك من الحرارة

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من أجهزة الاحتراق:

1. حلقي: حجرة واحدة على شكل حلقة واحدة (الأكثر شيوعًا في المحركات الحديثة)
2. كان-حلقي: عدة حجرات على شكل أنبوب مرتبة في حلقة
3. التدفق العكسي: حيث يتدفق الهواء إلى الخلف نحو الأمام قبل الاحتراق

تستخدم أجهزة الاحتراق الحديثة تقنيات تبريد خاصة لحماية الجدران المعدنية من الذوبان في الحرارة الشديدة.

D. تجميع التوربينات

بعد احتراق الوقود في وحدة الاحتراق، تندفع الغازات الساخنة إلى قسم التوربينات. يحتوي التوربين على صفوف من الشفرات الخاصة التي تدور أثناء مرور الغازات الساخنة. هذه الحركة الدوارة

• يقوم بتشغيل الضاغط في مقدمة المحرك
• توفير الطاقة للأنظمة الكهربائية للطائرة
• يجعل المروحة تدور في المحركات التوربينية

يجب أن تتحمل التوربينات درجات حرارة مرتفعة للغاية. فهي مصنوعة من سبائك خاصة يمكنها تحمل الحرارة. وتحتوي التوربينات الحديثة على قنوات تبريد صغيرة داخل الشفرات تضخ الهواء البارد من خلالها لمنع الذوبان.

يحتوي قسم التوربينات عادةً على كل من توربينات الضغط العالي (HPT) المتصل بضاغط الضغط العالي، و توربينات الضغط المنخفض (LPT) المتصل بالمروحة أو الضاغط منخفض الضغط.

E. نظام العادم

إن نظام العادم يتعامل مع الغازات الساخنة بعد مرورها عبر التوربينات. ويشمل ذلك:

• إن مخروط العادم التي تساعد في توجيه الغازات
• إن فوهة التي تزيد من سرعة الغازات لتوليد المزيد من الدفع

تشمل الأنواع المختلفة من الفوهات ما يلي:

• فوهات متقاربة: هذه تضيق لتسريع العادم (تستخدم في معظم الطائرات التجارية)
• فوهات متباينة: هذه تتسع للعادم الأسرع من الصوت (تستخدم في الطائرات العسكرية)
• فوهات توجيه الدفع: يمكن أن تغير اتجاهها لمساعدة الطائرات على الدوران بسرعة

تحتوي العديد من الطائرات أيضًا على عاكسات الدفع التي تعيد توجيه العادم إلى الأمام عند الهبوط للمساعدة في إيقاف الطائرة بسرعة أكبر. وهي أجهزة أمان تمنع انزلاق الطائرة على المدارج المبللة أو الجليدية.

F. الأنظمة الداعمة

بالإضافة إلى المكونات الرئيسية، تحتاج المحركات النفاثة إلى العديد من الأنظمة الداعمة لتعمل بشكل صحيح:

• المحامل والتشحيم: محامل وأنظمة زيت خاصة تحافظ على حركة الأجزاء الدوارة بسلاسة
• FADEC (تحكم رقمي كامل الصلاحية بالمحرك): أنظمة الكمبيوتر التي تراقب المحرك وتتحكم فيه
• نظام تفريغ الهواء النازف: يأخذ بعض الهواء المضغوط من المحرك إلى:
• قم بضغط المقصورة حتى يتمكن الأشخاص من التنفس على ارتفاعات عالية
• قم بتسخين الأجنحة لمنع تراكم الجليد
• قم بتشغيل المحرك
• تبريد أجزاء المحرك الساخنة

هذه الأنظمة الداعمة ضرورية لتشغيل المحرك بأمان وكفاءة.

الاختلافات في تصاميم المحركات النفاثة

ليست كل المحركات النفاثة متشابهة. دعونا نلقي نظرة على الأنواع الرئيسية:

المحركات النفاثة التوربينية

هذه هي أبسط المحركات النفاثة. وهي:

• ادفع الهواء مباشرة عبر المحرك
• صاخبة للغاية
• تعمل بشكل جيد عند السرعات العالية
• استخدم الكثير من الوقود
• كانت شائعة في الطائرات النفاثة المبكرة ولكنها نادراً ما تستخدم اليوم إلا في بعض التطبيقات العسكرية

محركات التوربوفان التوربينية

تستخدم معظم الطائرات الحديثة المحركات التوربينية. لديهم مروحة كبيرة في المقدمة:

• يسحب هواء أكثر بكثير مما يمكن أن يمر عبر القلب
• يرسل معظم الهواء إلى خارج المحرك ("الهواء الالتفافي")
• تخلق معظم قوة الدفع بكفاءة أكبر
• تعمل بهدوء أكثر من المحركات التوربينية

إن نسبة التجاوز (مقدار الهواء الذي يدور حول المحرك مقابل الهواء الذي يمر عبر القلب) مهم جداً. تتمتع المحركات الحديثة مثل GE90 في طائرات بوينج 777 وTrent XWB في طائرات إيرباص A350 بنسب تجاوز عالية لتحسين كفاءة استهلاك الوقود. هذا هندسة دقيقة تتطلب معالجة آلية معقدة لإنشاء تصميمات شفرات المروحة المعقدة.

محركات المحرك التوربيني

المحركات التوربينية استخدام قلب توربينة غازية لتدوير مروحة من خلال علبة تروس. وهي:

• تكون أكثر كفاءة عند السرعات المتوسطة (300-400 ميل في الساعة)
• استخدام وقود أقل من المحركات النفاثة النقية
• تعمل بشكل جيد بالنسبة للطائرات الإقليمية وطائرات الشحن
• تصدر ضوضاء أقل داخل المقصورة من المحركات التوربينية

محركات رامجيت/سكرامجيت

لا تحتوي هذه المحركات على أجزاء متحركة وتعمل فقط بسرعات عالية جداً:

• رامجيتس العمل من حوالي 3 ماخ 3 إلى 6 ماخ 6 (3-6 أضعاف سرعة الصوت)
• سكرامجيتس يمكن أن تعمل فوق 6 ماخ 6
• يستخدم كلاهما بشكل رئيسي في الصواريخ والطائرات التجريبية
• لا يمكنها العمل من الثبات وتحتاج إلى محرك آخر لتحريكها بسرعة أولاً

الأنظمة والابتكارات المتقدمة

تستمر تكنولوجيا المحركات النفاثة في التحسن. وفيما يلي بعض التطورات المتطورة:

فوهات توجيه الدفع

تستخدم الطائرات العسكرية مثل F-22 رابتور توجيه الدفع حيث يمكن أن تشير فوهة العادم في اتجاهات مختلفة إلى:

• اجعل الطائرة فائقة المناورة
• السماح بتغييرات سريعة في الاتجاهات
• تمكين عمليات الإقلاع والهبوط القصيرة

التصنيع المضاف

الطباعة ثلاثية الأبعاد يغير طريقة تصنيع أجزاء المحرك:

• يمكن طباعة قنوات التبريد المعقدة مباشرةً في شفرات التوربينات
• يمكن الآن طباعة الأجزاء التي كانت تُصنع من عدة قطع كقطعة واحدة
• يقلل الوزن ويحسن الأداء
• يسمح بوضع نماذج أولية سريعة واختبار التصميمات الجديدة

العديد من عمليات التصنيع الآلي باستخدام الحاسوب الرقمي لا تزال تُستخدم جنبًا إلى جنب مع الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء مكونات محرك دقيقة.

مركبات المصفوفة الخزفية (CMCs)

هذه المواد المذهلة:

• يمكن أن تتحمل درجات حرارة أعلى من المعادن
• وزن أقل من المواد التقليدية
• السماح للمحركات بالعمل بشكل أكثر سخونة وكفاءة
• تتطلب هواء تبريد أقل، مما يحسن الأداء

الدفع الكهربائي الهجين

تقوم الشركات بتطوير محركات تجمع بين

• توربينات الغاز التقليدية المزودة بمحركات كهربائية
• بطاريات للطاقة الإضافية أو الاحتياطية
• إمكانية خفض الانبعاثات
• إدارة أكثر مرونة للطاقة

علم المواد في المحركات النفاثة

تحتاج الأجزاء المختلفة من المحركات النفاثة إلى مواد مختلفة للتعامل مع تحديات محددة:

سبائك التيتانيوم

تستخدم في المقام الأول في قسم الضاغط لأنها:

• تتمتع بنسبة عالية من القوة إلى الوزن
• مقاومة التآكل
• يمكن التعامل مع الحرارة المعتدلة
• تقليل الوزن الإجمالي للمحرك

شفرات التوربينات أحادية البلورة

تُزرع شفرات التوربينات الحديثة كبلورات مفردة من المعدن الذي:

• لا تحتوي على حدود حبيبية حيث يمكن أن تتشكل التشققات
• يمكن أن تتحمل الحرارة الشديدة دون أن تتشوه
• تدوم لفترة أطول بكثير من الشفرات التقليدية
• تمكين المحركات من العمل بشكل أكثر سخونة وكفاءة

غالبًا ما يتطلب التصنيع المتقدم لهذه المكونات التصنيع الآلي خماسي المحاور لدقة مثالية

طلاءات الحاجز الحراري (TBCs)

هذه الطلاءات الخزفية الخاصة:

• حماية الأجزاء المعدنية من الحرارة الشديدة
• السماح بدرجات حرارة تشغيل أعلى
• زيادة عمر المحرك
• تحسين كفاءة استهلاك الوقود

سلامة المكونات الحرجة وصيانتها

يتطلب الحفاظ على سلامة المحركات النفاثة إجراءات صيانة صارمة:

مرونة مقاومة صاعقة الطيور

يجب أن تكون شفرات المروحة قادرة على:

• تحمل تأثيرات الطيور
• مواصلة العمل بعد التلف
• احتواء أي قطع مكسورة داخل غلاف المحرك
• منع تلف بقية الطائرة

مراقبة EGT (درجة حرارة غاز العادم)

هذا القياس الحرج:

• يظهر ما إذا كان المحرك يعمل ساخناً جداً
• يساعد على التنبؤ بوقت تعطل الأجزاء
• جداول الصيانة الإرشادية
• يمنع الأعطال الكارثية

الكشف عن الشقوق في أقراص التوربينات

تقنيات خاصة للعثور على الشقوق الصغيرة قبل أن تصبح خطيرة:

• يستخدم الاختبار بالموجات فوق الصوتية الموجات الصوتية للعثور على العيوب الخفية
• اختبار الصبغة المخترق يجعل الشقوق الصغيرة مرئية
• الفحص بالأشعة السينية والتصوير المقطعي المحوسب يبحث داخل الأجزاء
• عمليات التفتيش المنتظمة تمنع الكوارث

دراسات حالة المحركات النفاثة الحديثة

GE9X: أكبر محرك توربيني توربيني في العالم

هذا المحرك الضخم لطائرة بوينج 777X:

• يبلغ قطر المروحة 134 بوصة (أكثر من 11 قدماً!)
• تنتج 134,300 رطل من قوة الدفع
• تستخدم شفرات مروحة مركبة من ألياف الكربون
• يحقق تحسنًا في حرق الوقود بمقدار 10% مقارنة بالمحركات السابقة
• مزودة بفوهات وقود مطبوعة ثلاثية الأبعاد لخلط الوقود بشكل أفضل

رولز-رويس ترينت XWB: بطل الكفاءة

يشغّل هذا المحرك طائرة إيرباص A350:

• واحدة من أكثر المحركات التوربينية الكبيرة كفاءة في الخدمة
• توفر 97,000 رطل من قوة الدفع
• يوفر 15% كفاءة في استهلاك الوقود أفضل من المحركات السابقة
• تستخدم شفرات مروحة تيتانيوم مجوفة متطورة من التيتانيوم
• يتميز بنظام ضاغط متطور بنسبة ضغط 50:1

برات آند ويتني F135: القوة العسكرية

هذا المحرك للطائرة المقاتلة F-35 Lightning II:

• تنتج أكثر من 43,000 رطل من قوة الدفع
• يمكن أن توفر إمكانية الإقلاع القصير والهبوط العمودي
• يتضمن ميزات التخفي لتقليل البصمة الرادارية
• يتضمن عناصر تحكم رقمية متقدمة لأداء دقيق

تتطلب العديد من مكونات هذه المحركات المتقدمة التصنيع الآلي الدقيق للمعادن لتلبية المواصفات الدقيقة.

الأسئلة الشائعة حول مكونات المحرك النفاث

مستقبل تكنولوجيا المحركات النفاثة

تستمر تكنولوجيا المحركات النفاثة في التقدم بطرق مثيرة:

• احتراق الهيدروجين: المحركات التي يمكن أن تحرق الهيدروجين بدلاً من وقود الطائرات، وتنتج الماء فقط كعادم
• وقود الطيران المستدام (SAF): البدائل القابلة للإسقاط لوقود الطائرات التقليدي المصنوع من مصادر متجددة
• تصميمات الدوار المفتوح: المحركات المزودة بشفرات مروحة مكشوفة أكثر كفاءة ولكنها تواجه تحديات في الضوضاء
• الدفع الموزع: محركات متعددة أصغر موزعة على الطائرة بدلاً من عدد قليل من المحركات الكبيرة
• مواد متطورة: مركبات وخزفيات جديدة تسمح بدرجات حرارة أعلى ووزن أخف

الملخص

تُعد المحركات النفاثة آلات مذهلة تحتوي على العديد من المكونات المتخصصة التي تعمل معاً بشكل مثالي. من مأخذ الهواء في المقدمة إلى نظام العادم في الخلف، يلعب كل جزء دوراً حاسماً في توليد قوة الدفع التي تشغل الطيران الحديث.

تشمل المكونات الرئيسية التي قمنا بتغطيتها ما يلي:

1. إن سحب الهواء يلتقط الهواء ويوجهه إلى المحرك
2. إن الضاغط التي تضغط الهواء إلى ضغط عالٍ
3. إن جهاز الاحتراق حيث يحترق الوقود مع الهواء المضغوط
4. إن التوربينات التي تستخرج الطاقة من الغازات الساخنة
5. إن نظام العادم التي تسرِّع الغازات لتوليد قوة الدفع
6. متنوع الأنظمة الداعمة التي تحافظ على سير كل شيء بسلاسة

مع تقدم التكنولوجيا، تستمر المحركات النفاثة في أن تصبح أكثر قوة وفعالية وصديقة للبيئة، مما يضمن بقاء السفر الجوي جزءاً حيوياً من عالمنا لأجيال قادمة.