خنک کاری در موتورهای جت | هوافضای جوان

خنک کاری در موتورهای جت

در صبح روز ۳۰ دی ماه سال ۱۳۹۵، ساختمان معروف پلاسکوی تهران در اثر یک آتش سوزی فروریخت. فروریختن یک ساختمان در اثر زلزله برای همه ما ملموس و قابل فهم است، اما در روزهای بعد از این حادثه، برای بسیاری از مردم قابل هضم نبود که «چطور آتش می تونه یک ساختمان رو به کلی تخریب کنه؟». پاسخ این سوال ساده است: حقیقت اینه که شاید فلزات در مقابل تنش های سازه ای، فشار، کشش و خمش مقاومت بسیار خوبی داشته باشند، اما این همه ماجرا نیست، فلزات به نسبت بسیاری از مواد معدنی دیگر مقاومت خیلی کمتری در مقابل گرما دارند. شعله های ناشی از سوختن مقداری لباس که در مغازه های ساختمان پلاسکو انبار شده بود، توانستند سازه های فولادی مستحکم این ساختمان رو به کلی وادار به تسلیم کنند. اگر چند ساعت مجاورت ستون های فولادی این ساختمان با آتش، می تونه منجر به این میزان خرابی بشه، چطور انتظار داریم محفظه های احتراق که قلب موتورهای احتراقی هستند، مدت های طولانی در دمای شعله های احتراق این موتورها دوام بیاورند؟ 

خب، واقعیت اینه که جواب این سوال هم سادست: «ما چنین انتظاری از محفظه احتراق موتورها نداریم»، دمای داخل محفظه احتراق موتورهای احتراقی پر راندمان، برای ذوب کردن قطعات آلومینیمی یا حتی فولادی کافیه و اگر به این قطعات برای خنک شدن در موتور کمک نکنیم، عمر عملیاتی آنها به بیش از چند دقیقه نمیرسه.

از اینجاست که مسأله خنک کاری در همه ی موتورهای احتراقی اهمیت پیدا میکنه؛ چرا که خنک کاری قطعات داغ موتور، عاملیه که عمر این قطعات رو از چند دقیقه، به چند ده سال افزایش میده. در این درس با نحوه این خنک کاری در موتورهای جت توربینی آشنا می شویم. خنک کاری لازم در موتورهای جت توربینی فقط منحصر در قطعات محفظه احتراق نیست، بلکه شامل ردیف های اول پره های توربین هم میشه، چرا که گاز گرم حاصل از احتراق، بعد از خروج از محفظه احتراق مستقیماً بر روی این پره ها جریان پیدا میکنه.

برای شروع بیاید کمی با قطعات محفظه احتراق و توربین موتورهای توربینی ابراز هم دردی کنیم!! برای این کار درب یک کتری در حال جوشش رو بردارید و سعی کنید در همین وضعیت کتری را از دستگیره آن بلند کنید! بدون شک دست شما تحمل حرارت بخار آبی که از داخل کتری بلند شده رو نداره و احساس سوزش خواهید داشت. حالا بیایید ببینیم افزادی که در امر استفاده از کتری ریش سفید و با تجربه به حساب میان چطور همین کار رو می کنند: یک روش مورد استفاده در این شرایط اینه که در حالی که بخار گرم آب از زیر به سمت دست شما حرکت می کنه، سعی کنید با دمیدن آرام جریان افقی به روی دستتون، مانع از رسیدن بخار به دستتون بشید. در این روش، در حقیقت لایه نازکی از جریان خنک رو به صورت عایقی در بین بخار گرم و دستتون قرار میدید. اگر بخوایم خیلی خلاصه مَخلَص کلام رو بگیم، با عرض کنم که این روش، همون روشیه که در موتورهای جت برای جنک کردن محفظه احتراق و توربین مورد استفاده قرار میگیره و با نام “خنک کاری لایه ای” (Film Cooling) معروفه.

اساس این روش رو میتونید در تصویر زیر ببینید. این تصویر یک شبیه سازی کامپیوتری از یک روزنه خنک کاری لایه ایست. در این تصویر، رنگ آبی دمای کمتر و رنگ قرمز دمای بیشتر رو نمایش میدهند. این تصویر برش طولی روزنه خنک کاری رو نمایش میده، همونطور که در این تصویر مشخص هست، این روزنه، جریانی از محفظه خنک (آبی رنگ) رو به صورت یک لایه ی تقریباً خنک (سبز رنگ) به روی دیواره ی زیرین محدوده قرمز رنگ (جریان داغ) ایجاد میکنه. این لایه مانع از ارتباط مستقیم جریان داغ (قرمز) با این دیواره شده و از آن در مقابل ذوب شدن یا آسیب های حرارتی محافظت میکنه.

به نظر میاد این شکل بدون نیاز به هیچ توضیح اضافه، به خوبی اساس روش خنک کاری لایه ای رو توضیح میده. در تصویر شکل زیر هم میتونید نحوه به کار بستن این روش در محفظه احتراق موتورهای جت رو ببینید.

 

شکل هندسی محفظه احتراق های مورد استفاده در موتورهای توربینی، شبیه به تصویر بالاست. تعداد زیادی روزنه و شکاف بر روی پوسته داخلی محفظه احتراق قرار داره. شعله محفظه احتراق در مرکز این پوسته قرار گرفته و جریان خنکی بیرون از این پوسته (بین پوسته داخلی و خارجی) جریان داره. وظیفه روزنه ها و شکاف ها اینه که خنک رو از این لایه ی بیرونی، به مرور به داخل پوسته داخلی منتقل کنند. به این صورت جریان خنکی همواره مانع از تماس گرمای شعله به دیواره میشه.

پره های توربین موتورهای توربینی به صورت مشابهی خنک میشوند. روش متداول برای رساندن هوای خنک در پره های توربین، عبور دادن آن از داخل خود پره است. همانطور که در شکل زیر نمایش داده شده جریان هوای خنکی که از طریق ریشه پره در داخل آن به جریان افتاده است، از روزنه های سطح آن خارج شده و لایه هوای خنکی در حول آن ایجاد میکند.

البته لازمه به این نکته اشاره کنیم که شکل بالا یک حالت اغراق شده و ایده آل از خنک کاری پره رو نمایش میده، در نمونه های واقعی، حجم هوای خنک قابل مصرف بسیار محدود تر از اینه که یک لایه کامل از جریان خنک حول پره های توربین ایجاد شود. تصویر واقعی از خنک کاری یک پره توربین بیشتر شبیه به شکل زیر است. این تصویر یک شبیه سازی رایانه ای از دمای سطح پره ی توربین است. (رنگ قرمز نواحی گرم تر و رنگ آبی نواحی خنک تر را نمایش می دهد)

همونطور که در این تصویر میبینید، تعداد روزنه ها کم و اثر هرکدام بر کلیت خنک کاری بسیار محدود است، درست همینجاست که هنر مهندسین برای ایجاد بهترین طرح خنک کاری روی هر پره حیاتی میشه. یک متخصص در طراحی روزنه های خنک کاری، با انتخاب تعداد، ابعاد و چیدمان بهینه روزنه ها، سعی میکنه با کمترین دبی سیال خنک، دمای پره رو به بهترین حالت خنک نگه داره. شاید باورش سخت باشه، اما در موتورهای با تکنولوژی بالاتر، برای اینکه خنک کاری به بیشترین راندمان ممکن دست پیدا کنه، طراحان حتی از شکل هرکدام از روزنه های خنک کاری هم غافل نمیشوند. شکل زیر تعدادی از انواع روزنه خنک کاری رو نمایش میده، همچنین در نمودار این شکل میتونید مقدار راندمان هرکدام از این طرح روزنه ها رو ببینید!

 


 

 

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.