اجزای موتور: نازل (بخش اول) | هوافضای جوان

اجزای موتور: نازل (بخش اول)

در درس ابتدایی از مجموعه پیشرانش (این لینک) با مبنای کاری پیشرانش هوایی آشنا شدیم و متوجه شدیم اساس کار موتورهای هوایی به صورت خیلی ساده شده اینه که هوا رو با سرعت زیادی به عقب پرتاب می‌کنند تا طبق قانونی به نام “پایستگی اندازه حرکت” هواپیما به پیش رانده بشه. برای رسیدن به این هدف در بین اکثر وسایل پرنده، دو راه وجود داره:

  1. استفاده از ملخ یا فن: در این روش که در موتورهای پیستونی، موتورهای الکتریکی و موتورهای توربوپراپ و توربوفن کاربرد داره، هوا با مکانیزمی مشابه پنکه به سمت دلخواه جریاد داده می‌شه.
  2. استفاده از نازل: که در موتورهای جت شامل انواع موتور توربینی و موتور راکتی مورد استفاده قرار می‌گیره. نازل نام قسمت انتهایی و در واقع مجرای خروجی گازهای این نوع موتورهاست و به صورتی طراحی می‌شه که سرعت گاز خروجی رو تا حد ممکن افزایش بده.

در این درس قصد داریم با روش دوم (استفاده از نازل) بیشتر آشنا بشیم.

خب… درس رو با یک کار عملی شروع می‌کنیم. دستتون رو در فاصله حدود ۲ سانتی متری از دهانتون بگیرید و به آرامی به سمت انگشتانتون فوت کنید! میزان سرعتی که در این حالت روی انگشت‌ها حس می‌کنید رو به خاطر بسپرید.

capture1

حالا در گام بعدی، همین کار رو با دهان باز انجام بدید. یعنی شبیه به گرم کردن دست‌ها در زمستان.

capture2

سرعت جریان بادی که توسط انگشتهاتون در هر مرحله حس کردید رو مقایسه کنید. بدون شک سرعت در حالت اول بیشتر بود.

همین مثال ساده، اساس کار نازل ها رو نمایش میده، یعنی از همین مثال متوجه می‌شیم که بین مساحت مجرای خروجی یک گاز و سرعت اون گاز، تناسبی برقراره. همین تناسب که در آزمایش بالا دیدید، در هواپیماهای جنگنده هم برقراره. در شکل زیر از جنگنده F16 ، می‌بینید که محل خروج گازهای این هواپیما حالتی تنگ شونده داره و قطرخروجی گازها که در انتهای بدنه قرار گرفته کوچک شده تا سرعت گازهای خروجی بیشتر بشه. دقیقاً مثل وقتی که ما موقع فوت کردن یک شمع، لب هامون رو تقریباً می‌بندیم تا با کاهش مساحت خروجی، سرعت دمیدنمون افزایش پیدا کنه.

acw

در شکل زیر که نمای نزدیک از نازل‌های یک هواپیمای رادارگریز چینی موسوم به J20 رو نشون می‌ده این کاهش مساحت نازل مشخص‌تره. (قسمت نقره‌ای رنگ، نازل‌های دو موتور این هواپیما هستند)

134015ohp3dd7pd12306l6

اما دقیقاً چه اتفاقی در نازل باعث افزایش سرعت جریان شده؟ قضیه خیلی سادست. بیاید برای شروع یک مسأله حل کنیم: فرض کنید یک شلنگ آب به مساحت مقطع دو سانتی متر مربع داریم، آب با سرعت ۱۰ سانتی متر بر ثانیه از این شلنگ خارج میشه. می‌دونیم که وزن هر سانتی متر مکعب از آب یک گرم است. حالا محاسبه کنید در هر ثانیه چند گرم آب از این شلنگ خارج می‌شه؟

برای جواب این سوال طبق اطلاعات مسأله می‌دونیم که آب با سرعت ۱۰ سانتی متر بر ثانیه در شلنگ جریان داره، یعنی در هر ثانیه، آب موجود در ده سانتی متر آخر شلنگ از اون خارج می‌شه. اگر این طول رو در مساحت شلنگ ضرب کنیم، حجم آبی که در هر ثانیه از شلنگ خارج شده رو بدست می‌آوریم:

فرمول ۱: حجم خروجی در هر ثانیه (دبی حجمی) = مساحت مقطع X سرعت

طبق این فرمول در هر ثانیه ۲۰ سانتی متر مکعب آب از این شلنگ خارج میشه. با توجه به این که جرم هر سانتی متر مکعب آب یک گرمه، پس می‌دونیم در هر ثانیه ۲۰ گرم آب از شلنگ خارج می‌شه. این جمله اخیر رو می‌تونیم به صورت فرمول زیر نشون بدیم:

فرمول ۲: جرم خروجی در هر ثانیه (دبی جرمی) = جرم هر واحد حجم (چگالی) X حجم خروجی (دبی جرمی)

اگه مقدار دبی جرمی رو از فرمول ۱ در فرمول ۲ جاگذاری کنیم به رابطه فرمول نهایی زیر می‌رسیم:

فرمول ۳: دبی جرمی = چگالی X مساحت مقطع X سرعت

نام گذاریمون رو از “جرم خروجی” به “دبی جرمی” تغییر دادیم، چون این رابطه فقط در انتهای شلنگ برقرار نیست، بلکه در تمام طول شلنگ برقراره و بهتره به جای نام “جرم خروجی” از عنوان دبی جرمی استفاده کنیم.

قانون معروفی وجود داره به نام قانون پایستگی جرم، یعنی جرم نه از بین میره و نه به وجود میاد. اگه از استثناهای خاص این قانون (واکنش‌های اتمی) صرف نظر کنیم، این قانون در تمام مسائل روزمره ما (شامل مسائل شلنگ، نازل و غیره) کاربرد داره. طبق این قانون، جرم نمی‌تونه در طول شلنگ کم و زیاد شه. پس دبی جرمی ورودی و خروجی یک شلنگ باید برابر باشه یعنی هر مقدار آبی که در هر ثانیه از شیر آب به شلنگ وارد می‌شه، باید همون میزان آب در هر ثانیه از خروجی شلنگ خارج بشه. یعنی:

فرمول ۴: دبی جرمی ورودی = دبی جرمی خروجی

از ترکیب فرمول ۴ و فرمول ۳ داریم:

فرمول ۵: چگالی ورودی X مساحت مقطع ورودی X سرعت ورودی = چگالی خروجی X مساحت مقطع خروجی X سرعت خروجی

در مسأله شلنگ، چگالی آب در ورودی و خروجی شلنگ برابره، پس در این صورت اگر به طریقی (مثلاً فشردن انگشت روی محل خروجی شلنگ) مساحت خروجی اون رو تنگ کنیم، برای آنکه تناسب موجود در فرمول ۵ برقرار باشه، سرعت خروجی شلنگ افزایش پیدا می‌کنه. پیشنهاد می‌کنم حتماً این کار رو با شلنگ حیاط امتحان کنید و این اصل رو حس کنید.

main-qimg-6109a643ffb865749c21f866ccf465ad

حالا بار دیگه به تصاویر نازل‌های بالا نگاه کنید. این بار به جای شلنگ یک موتور جت داریم و به جای آب شلنگ، گازهای حاصل از احتراق که دارند از این موتور خارج می‌شوند. توضیح بیشتری لازم نیست. حالا شما به خوبی میدونیم چرا تنگ‌تر شدن مقطع خروجی نازل، موجب افزایش سرعت گازهای خروجی موتور می‌شه.

در درس آینده با نازل‌های تغییر شکل دهنده و همینطور نازل‌هایی که می‌تونند سرعت گازهای خروجی موتور رو به سرعتی بالاتر از سرعت صوت برسونند آشنا می‌شیم.


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.