- إنضم
- 30 يوليو 2008
- المشاركات
- 3,736
- التفاعل
بسم الله الرحمن الرحيم
المحركات النفاثة
تعريف
المحرك النفاث هو محرك ينفث الموائع (الماء أو الهواء) بسرعة فائقة لينتج قوة دافعة اعتمادا على مبدأ قانون نيوتن الثالثللحركة. هذا التعريف الواسع للمحركات النفاثة يتضمن أيضا التوربين النفاث، والتوربين المروحي، والصواريخ، والنفاث التضاغطي، والنفاث النبضي، وأيضا المضخات النفاثة. ولكن بالإستخدام الشائع فالمحرك النفاث يقصد به محرك بريتون لدورة التوربين الغازي أو اختصارا التوربين الغازي ، ويكون به ضاغط غاز مدعوم من دفع الهواء أو الماء له والطاقة المتبقية تنتج الدفع أو القوة الدافعة. ألف الناس بأن التوربين الغازي يعرف بأنه أحد التطبيقات المنفصلة عن المحرك نفاث، بدلا من القول وبطريقة أصح بأنه جزء من المحركات النفاثة التي هي محركات احتراق داخلي ولكن لايظهر أي شكل من أشكال الإحتراق خارج المحرك.المحركات النفاثة تستخدم بالأساس للطائرات ذات المدى الطويل, فالطائرات القديمة كانت تستخدم محرك توربين نفاث الذي لم يكن بذات الكفاءة المطلوبة مما حدا للطرز الحديثة من تلك الطائرات النفاثة باستخدام محركات توربين مروحي ذات تحويلة جانبية كبيرة مما ساعد على زيادة بالسرعة ومدى أطول وكفاءة أفضل لإستهلاك الوقود من غيرها من مركبات النقل. حتى أن كمية إستهلاك تلك المحركات النفاثة من الإستهلاك العالمي يبلغ 7.2% عام 2004
تاريخ المحركات النفاثة
تاريخ المحركات النفاثة يمكن أن تعود إلى القرن الأول الميلادي, عندما إخترع هيرون الإسكندري محرك بخاري بسيط أسماه aeolipile ومعناه كرة إيولوس (إله الرياح عند الإغريق)، وهي تستخدم قوة البخار من خلال فتحتين نفاثتين متعاكستين مما يجعلان الكرة تدور بسرعة شديدة حول محورها. كما هو معلوم هو بداية استخدام القوة الميكانيكية. بساطة الإمكانيات للتطبيقات العملية لاختراع هيرون لم يمكن التعرف على المحرك النفاث بالشكل المطلوب فكان مجرد فضول لاغير.
الدفع النفاث بدأ مجازيا مع ظهور الصواريخ عند الصينين بالقرن ال11, بدأت الصواريخ بطريقة متواضعة للاستعمال بالألعاب النارية ثم تطور بسرعة ليصبح شكل من أشكال الاسلحة ولكن تلك التقنية توقفت ولم تتطور. عام 1633 العالم العثماني لاجاري حسن جلبي أقلع مع ماوصف بصاروخ مخروطي الشكل ونزل بأجنحة بهبوط رائع على الأرض مما كوفئ على ذلك بحصوله على منصب رفيع بالجيش العثماني, ولكن ذلك كان نوع من الألعاب البهلوانية لا أكثر.
المشكلة في أن تلك الصواريخ من بساطة الصنع أنها غير فعالة بالسرعات المنخفضة ولايمكن استخدامها بالطيران. وعوض عن ذلك بالمحرك المكبس عام 1930 وبأشكاله المختلفة (القطر الثابت والقطر الدوار, المبرد بالماء أو بالهواء) وهو كان الشكل الوحيد المتوفر للطائرات وكان مقبولا لإنخفاض كفاءة الطائرات ذاك الوقت, وهذا ماكان متوفرا.
لكن بدأ المهندسون يعون أن محرك المكبس محدود القدرة في حالة الوصول للحد الأقصى من الأداء الذي يمكن الحصول عليه، والحد يكمن أساسا بكفاءة المروحة التي كما يرى أنها تصل الذروة القصوى عندما يقترب طرف المروحة من سرعة الصوت. فإذا أردنا تطوير كفاءةالمحرك وكذا الطائرة فلابد للكفاءة أن تزداد وأن تتخطى الحواجز. فالطريقة هي تطوير تصاميم محركات المكبس، أو إنتاج شكل جديد ومختلف تماما من مكائن الطاقة، تلك الحركة التطويرية قد تعدت مرحلة محرك التوربين الغازي وأنتجت ما يسمى بالمحرك النفاث، وهي الثورة الثانية في عالم الطيران منذ طيران أخوان رايت الأولى
الاختبارات الاولى
المحاولات الأولى لمحركات نفاثة كانت التصاميم هجينة، حيث مصادر الطاقة تستخلص أولا بضغط الهواء ثم يخلط مع الوقود للإحتراق لعمل دفع نفاث للمحرك. وهي تسمى نفث حراري thermojet صممت بواسطة سكندو كامبيني, الهواء المضغوط عن طريق المروحة يقاد بواسطة محرك المكبس التقليدي. أمثلة من تلك الأنواع هو تصميم قديم لهنري كواندا لمحرك طائرته كواندا 1910, ثم كامبيني كابروني سي سي 2 عام 1940 والمحرك الياباني (Tsu-11) الذي يستخدم لطائرات الكاميكاز اوكا حتى نهاية الحرب العالمية الثانية جميعهم لم يكن بذلك النجاح المطلوب وحتى الأخيرة سي سي2 كانت أبطأ من بعض التصاميم والمزودة بمحركات التوربين الغازي مع المراوح.
التوربين الغازي هو المفتاح العملي للمحرك النفاث، فهو يستخدم لاستخلاص الطاقة من المحرك نفسه لإدارة الضاغط . أعطيت أول براءة اختراع للتربين الثابت لجون باربر بإنجلترا عام 1791. واول توربين غازي ذاتي الدفع كان قد صنع عام 1903 بواسطة المهندس النرويجي ايجيديوس ايلنج ثم أول براءة اختراع للدفع النفاث كان عام 1917. التوربين الغازي كان بدائيا حتى الثلاثينات من القرن الماضي, حيث محدودية التصميم وقلة الخبرة بالمعادن التي تدخل بصنع المحرك والمشاكل الحقيقية كانت بالأمان ووزن المحرك ومدى القدرة على الإعتماد عليه ومن ثم تمكنها بإستمرارية العمل.
في عام 1923 كتب ادجار بكنجهام من المكتب الوطني الأمريكي للمقاييس تقريرا شكك فيه أن المحرك النفاث يمكنه اقتصاديا أن ينافس الطائرات ذات المراوح بالإرتفاعات أو السرعات المنخفضة وقال فيه:" أنه لايوجد فرصة حاليا تمكن المحركات ذات المراوح النفاثة من النوع الحالي أن تكون عملية وفعالة حتى بالمجال العسكري
تنافس بريطانيا وألمانيا
عام 1929 قدم فرانك ويتل المتدرب بالطيران أفكاره عن التوربين النفاث turbo-jet بشكل رسمي إلى رؤسائه، بعدها بسنة قدم براءة اختراعهبانجلترا فاعتمدت عام 1932. اختراعه يظهر ضاغط دفع محوري ذو مرحلتين يغذي ضاغط الطرد المركزي أحادي الطرف, كان يركز على أبسط ضاغط بالطرد المركزي فقط، فعمل أول محرك بوقود سائل عام 1937 ويحتوي على مضخة خاصة به، صعق فريق وتل عندما لم يتوقف المحرك حتى عندما منع الوقود عنه, فتبين أن الوقود يتسرب داخل المحرك ولم يتوقف حتى احترق جميع الوقود الذي بداخله، لذلك لم يستطع وتل أن يقنع الحكومة بجدوى اختراعه وهكذا استمر تطوير المحرك النفاث بوتيرة بطيئة
في عام 1935 بدأ هانز فون اوهين العمل بتصميم مشابه بألمانيا، المحرك التجريبي الأول كان أكثر تكاملا ويعمل بطاقة خارجية، واستطاع اثبات المفهوم الأساسي للمحرك. بعد ذلك قابل ارنست هنكل أحد كبار مصنعي الطائرات ذاك الوقت وأراه التصميم الموعود للمحرك. وقد كان هنكل للتو اشترى مصنع هيرث للمحركات فخصص قسما خاصا لأوهين ومسؤول الميكانيك ماكس هان اللذان شرعا بانتاج وتشغيل الطراز الأول لمحركات HeS 1 في سبتمبر 1937 مستخدما الهيدروجين كوقود ويضخ تحت ضغط خارجي. التصاميم اللاحقة HeS 3 بقدرة (5 كيلونيوتن) استخدمت البنزينكوقود، وجهز أحداهن لطائرة تجريبية اسمها He 178 طار بها الطيار ايريك وارسيز في صباح 27 اغسطس 1939 وكانت تلك أول طائرة بمحرك نفاث كما بالصورة
ضاغط دفع محوري ويرى المراوح الثابتة والمتحركة
ضاغط دفع محوري ويرى المراوح الثابتة والمتحركة
محرك مروحي نفاث ذو تحويلة كبيرة للهواء حول المحرك high bypass
لكن محدودية التقنية المعطاة عن سرعة العمود الدوار للمحرك shaft speed of the engine، فالضاغط يحتاج إلى قطر كبير حتى ينتج الطاقة المطلوبة, وهذا يعني أن المحركات تحتاج واجهة أمامية كبيرة نوعا ما، وهذا غير مفيد لقدرة الطائرة حيث سيزداد الاحتكاك، وأيضا مجرى الهواء سينحني عكسيا خلال مقطع الإحتراق ثم التوربين ومن ثم مجرى الذيل, يجعل الأمر أكثر تعقيدا وأقل كفاءة، ومع ذلك فمحركات ويتل لها مزايا مهمة كخفة الوزن وبساطة التصنيع والقدرة على الإعتماد عليها، وقد تطورت بسرعة لتواكب التصميمات الصالحة للطيران. النمساوي انسيلم فرانز من شركة جنكر الألمانية حل تلك المشكلات بعرضه ضاغط دفع محوري. بالأساس هو محرك توربين ولكن معكوس, فالهواء ينفخ بقوة من الأمام نحو مؤخرة المحرك عن طريق منصة المراوح او قنوات التقارب، حيث تكون قد تبددت أمام مجموعة مراوح ثابتة قنوات التباعد، تلك العملية ليست بقوة ضاغط الطرد المركزي، لذلك وضع عدد من تلك المراوح الثابتة والمتحركة بالتسلسل للحصول على الضغط المطلوب، ومع تلك الإضافات المعقدة فإن قطر المحرك ظل صغير نوعا ما وهو المطلوب مما يعطي ديناميكية أفضل للطائرة فسمى المحرك بجامو 004 Jumo 004، وبعد حل الكثير من الإشكالات الفنية فقد تم انتاج الكثير من تلك المحركات ابتداءا من 1944 وجهزت على طائرات مسرشميدت وهي أول طائرة نفاثة مقاتلة، ثم جهزت لأول طائرة قاذفة قنابل نفاثة. هناك عدة عوامل تعمدت تأخير توفير تلك المحركات وهذا التعطيل أخر المقاتلات الألمانية لوقف الضربات القاتلة على ألمانيا أواخر الحرب العالمية الثانية، وبعد الحرب أخذ الحلفاء المنتصرون تلك التقنية الفنية إليهم وعملوا بها وطوروها للطائرات النفاثة لدى الولايات المتحدة والإتحاد السوفيتي. مايستفاد من إرث محركات الدفق المحوري هو بالواقع أن جميع المحركات النفاثة على الطائرات ثابتة الأجنحة قد استلهمت من ذلك التصميم الأم.
انواع المحركات النفاثة
محرك التوربين النفاث
محرك التوربين النفاث هو محرك الاحتراق الداخلي ويستخدم لدفعالطائرة. يشفط الهواء خلال مدخل المحرك إلى داخل الكمبريسور ثم يضغطه, وخلال مراحل من الضغط الشديد يدخل إلى غرفة الإحتراق. بتلك الغرفة يخلط الوقود مع الهواء المضغوط ويشعل بين دوامة من مقابض اللهب. عملية الإحتراق تلك ترفع درجة الحرارة وحجم الهواء بسرعة ملحوظة, الغازات الحارة من عملية الإحتراق تخرج من الغرفة بقوة إلى التوربين الغازي حيث تنزع منها طاقة لتشغيل الضاغط . عملية التمدد الحراري تلك تخفض درجة حرارة الغاز والضغط, ولكن طالما هناك وقود يحترق فسوف تبقى درجة الحرارة والضغط أعلى من الجو المحيط بها لحظة خروجها من التوربين. بعدها يتمدد دفق الغاز إلى الضغط المحيط خلال الخرطوش الدافع للخارج, مما ينتج نفث هواء عالي السرعة, فإن كانت سرعة النفث أعلى من سرعة الطائرة خلال الرحلة, فسيكون هناك صافي دفع للأمام لهيكل الطائرة.انواع المحركات النفاثة
محرك التوربين النفاث
في الظروف العادية فإن عمل الضخ للضاغط يمنع أي دفق خلفي, لذلك تسهل عملية التدفق المستمر للمحرك. تلك العملية بكاملها تشبه دورة احتراق رباعية الأشواط ولكن السحب والضغط والإشعال والتمدد إلى العادم تحصل بآن واحد وباجزاء مختلفة من المحرك. كفاءة المحرك النفاث تعتمد بقوة على معدل الضغط الكلي (الضغط الداخل لغرفة الإحتراق \ ضغط الهواء الداخل) و حرارة فتحة التوربين في الدورة الكاملة.
من المفيد ايضا عمل مقارنة بين محرك التوربين النفاث ومحرك المراوح. فالتوربين النفاث يأخذ كمية قليلة من الهواء ويضغطها إلى كمية ضخمة, بينما المراوح تسحب كميات ضخمة من الهواء وتضغطها إلى كمية صغيرة. عادم التوربين النفاث العالي السرعة يجعلها ذات كفاءة بالسرعات العالية (خاصة بالسرعات الفوق صوتية) وبالإرتفاعات العالية. بالطائرات ذات السرعات المنخفضة وتلك التي تطير مسافات قصيرة, محركات المراوح التي تدار بالتوربين الغازي والمعروفة بإسم محرك مروحة توربينية, هي الأكثر شعبية وأكثر كفاءة. الطائرات الصغيرة جدا تستخدم محركات مكبس لإدارة المراوح.
التوربين النفاث الذي شرحناه مصمم ببكرة واحدة, بمعنى عمود مفرد موصول من التوربين إلى الضاغط. التصاميم ذات معدل ضغط كلي عالي يكون لها عمودين متحدي المركز, لتحسين ثبات الضاغط خلال تحريك داعس الوقود throttle بالمحرك. تلك بكرة الضغط العالي(HP) تحتوي على عمود ضغط عالي خارجي موصل الضاغط عالي الضغط بتوربين عالي الضغط. بكرة الضغط العالي مع غرفة الإحتراق تشكل النواة أو الغاز المولد للمحرك. العمود الداخل بعمود ضغط عالي يوصل الضاغط المنخفض الضغط(LP) بتوربين منخفض الضغط(LP) لينتج بكرة ضغط منخفض. كلا البكرتين تكونا حرتين بالعمل على سرعة العمود الأمثل. طائرات الكونكورد تستخدم تلك الطريقة.
محرك توربين مروحي
معظم محركات الطائرات النفاثة هي من نوع توربين مروحي, حيث كمبريسور الضغط المنخفض LP يعمل كمروحة ويعطي شحنة زيادة من الهواء لقلب المحرك وللمجرى الجانبي bypass duct المحيط بالقلب . تيار الهواء الجانبي يمر باتجاهين: الخرطوش البارد الخارجي أو يختلط مع الغازات الخارجة من عادم التوربين ذو ضغط منخفض LP قبل التمدد خلال خرطوش التيار المختلط.
شركات الطيران ترغب بتلك المحركات بسبب سرعة العادم التحت صوتية تلائم سرعة الطيران والتي تريدها تلك الشركات, فمحركات التوربين النفاث تنتج العادم يسبب بإنهاء رحلة الطيران بطريقة عكسية سريعة مما يسبب بهدر للطاقة. لكن طريقة انبعاث العادم هنا الذي ينهي الرحلة ببطئ بعض الشيء مما يسهم بتوفير للوقود, بالإضافة إلى أن العادم نفسه له سرعة منخفضة فتعطي ضوضاء أقل.
بالستينات من القرن الماضي كان هناك بعض الفروقات مابين محركات النفاثة المدنية والعسكرية, بغض النظر عن نظام إعادة الإحراق afterburning لبعض التطبيقات الفوق صوتية (وتستخدمها الطائرات العسكرية لزيادة السرعة). حاليا التوربين المروحي المدني له سرعة عادم منخفضة (الدفع النوعي منخفض) للمحافظة على تقليل ضوضاء النفاث إلى أقل مايمكن ورفع كفاءة التوفير بالوقود, من ثم المعدل الجانبي bypass ratio (التيار الجانبي مقسوما على تيار القلب) يكون مرتفعا بعض الشيء (المعدلات من 4:1 إلى 8:1 هي معدلات عادية). لذلك سيحتاج فقط إلى مروحة مفردة لأن انخفاض معدل الدفع النوعي يشمل انخفاض بمعدل ضغط مروحي.
أما محركات التوربين المروحي العسكرية حاليا فلها دفع نوعي مرتفع نوعا ما, حتى يمكن زيادة الدفع أقصى مايمكن فقد خفضت الواجهة الأمامية للطائرة, بالمجال العسكري ضوضاء المحركات ليس بالأهمية كما بالمجال المدني, لذلك فهم يستخدمون مراوح متعددة المراحل لإعطاء معدل ضغط مروحي عال للوصول إلى دفع نوعي مرتفع. بالرغم من حرارة مدخل التوربين إلا أن المعدل الجانبي يكون منخفضا, وعادة أقل من 2:1
المكونات الرئيسة للمحرك النفاث
تتشابه المكونات الأساسية عند معظم أنواع المحركات النفاثة وإن كانت جميعها لاتحتوي كل القطع. فالقطع الأساسية تتكون من:
- المقطع البارد:
- مدخل الهواء Air intake : إطار المرجع القياسي للمحرك النفاث هي االطائرة نفسها. فمحرك الطائرات النفاث التي تطير بسرعة تحت الصوت لايوجد بها أي صعوبات محددة لمدخل الهواء, وهي أساسا تتكون من شكل الفتحة (فتحة المحرك) الذي صمم لتقليل مقاومة الإيرودينامك, كما هو الحال لجميع القطع بالطائرة. مع مراعاة أن الهواء الواصل للضاغط أو الكمبريسور بالمحرك النفاث العادي يجب أن تكون سرعته تحت سرعة الصوت حتى وإن كانت الطائرة فوق الصوتية حتى يمكنه المحافظة على ميكانيكية الدفق للضاغط وشفرات التوربين. بحالة الطيران بسرعة فوق الصوت, موجات الصدمة Shockwave تتشكل في نظام المدخل وستقلل الضغط المستخلص من المدخل إلى الضاغط. لذلك فبعض الفتحات فوق الصوتية تستخدم قطع داخلية تكون ناتئة أو تشبه الصنوبر, لزيادة استخلاص الضغط ولجعل استعمالها أكثر كفاءة مع الموجة الصدمية.
- المشترك:
- عمود الدوران Shaft: هذا العمود يصل مابين التوربين والضاغط, ويدور خلال معظم المحرك, وقد يكون هناك 3 من أعمدة الدوران المتداخلة مع بعض ولكن لكل منهم له سرعته الخاصة به المتصلة بمجموعته الخاصة من التوربينات والضواغط. وهناك أشياء مشتركة مثل تصريف الهواء البارد الذي يفرغ على العمود.
- المقطع الحار:
- غرفة الإحتراق: هي الغرفة التي يختلط بها الوقود مع الهواء المضغط فيحترقان وسط اللهب
- التوربين: التوربين هو سلسلة إسطوانات من الريش الدائرية تعمل كدولاب طاحونة تكتسب الطاقة من الهواء الحار وتبقي بعضا من تلك الطاقة بغرفة الإحتراق لكي يدير الضاغط. بعض محركات التوربين مثل (المروحة التوربينية وعمود الدوران التوربيني وحتى التوربين المروحي) تستخلص الطاقة بواسطة أقراص توربينية إضافية للتحكم وإدارة االمراوح الخارجية أو مراوح التيار الجانبي أو عمود التدوير للمروحية. نوع واحد فقط به توربين حر مصمم بحيث قرص التوربين الذي يدير الضاغط منفصل عن القرص الذي يغذي المكونات الخارجية. وهواء التبريد يأتي من الضاغط لتبريد شفرات التوربين والريش حتى لاتذوب من شدة الحرارة.
- جهاز غرفة الإحتراق المساعد: (استخداماته بالطائرات العسكرية) ينتج دفع إضافي بواسطة حرق وقود إضافي, عادة ليست بالفعالية المرجوة, وترفع درجة حرارة الخرطوش بشكل قوي جدا عند نفث العادم. بسبب ضخامة حجم الدفع الذي يخرج عند إعادة الإحراق, لذلك يفضل بزيادة مساحة فتحة الخرطوش للحصول على أفضل االنتائج عند تشغيل إعادة الحرق.
- الخرطوش: الغازات الحارة تخرج من المحرك خلال الخرطوش إلى الهواء الجوي, والهدف من ذلك هو إنتاج سرعة نفاثة عالية. الخرطوش بمعظم الأحوال هو مجمع للهواء الخارج.
فتحة بيتوت Pitot intake (نسبة إلى مخترعه الفرنسي هنري بيتوت) هي الطريقة المثلى لتطبيقات تحت الصوت., ففتحة البيتوت التحت صوتي تعتبر كإنبوب مضخم ذو شكل إيرودينامي انسيابي.
في حالة السرعة تساوي صفر (حالة الوقوف) فإن الهواء الداخل يأتي من عدة اتجاهات, مباشر ومنحني والآتي من الخلف فيمتصه مقدمة المدخل.
بالسرعة المنخفضة, فإن حزمة خط تيار الهواء الذي يصل طرف المدخل هو أكبر بالمقطع العرضي من نطاق تيار الطرف نفسه, بينما تصميم الفتحة بالسرعة 1ماك يكون كلا النطاقين متساويين. بالسرعة العالية يصبح تيار الهواء أصغر وقد يخرج التيار الزائد من حول الطرف.
موجة الصدمة تبدأ بالظهور عندما يبدأ الهواء بالتسارع حول طرف المدخل بداية من السرعة 0.85 ماك.
الدقة بعمل محور نطاق الطرف هو الأمثل للمحافظة على ضغط المدخل طوال الرحلة وعدم تعرضه لتشويه.
مدخل فوق صوتي
يستغل المدخل الفوق صوتي موجات الصدمة لكي يخفف سرعة تيار الهواءإلى وضع تحت صوتي بمدخل الضاغط. هناك شكلين من أشكال موجات الصدمة:
أ- موجات صدمة طبيعية: وتكون عمودية على اتجاه التيار. هذا الشكل يكون حاد المقدمة ويؤثر على التيار بالسرعة تحت الصوتية, بالتدقيق بالمجهر نرى أن جزيئات الهواء تتحطم إلى مجموعة من جزيئات تحت صوتية مثل موجات ألفا.الموجة الصدمية تميل إلى إحداث هبوط قوي بمنطقة ضغط الركود, ببساطة كلما ازداد سرعة الماك على مدخل موجة الصدمة العادية, كلما قل خروج سرعة التحت صوتي منها وتزداد قوة, بمعنى يزداد فقدان ضغط الركود خلال تلك الموجة.
ب- الموجات الصدمية إما مخروطية (ثلاثية الأبعاد) أو مائلة (ببعدين) وزواياها متجهة للخلف, تشبه اصطدام موجات الماء بمقدمة السفينة كما بالصورة فوق, ثم ينتشر تيارها مثل المخروط أو منحدر. وللسرعة المعطاة سيكون التيار أضعف من الموجة الصدمية العادية المشابهة لها, ولكن وعلى الرغم من تناقص سرعتها إلا إنها لاتزال فوق صوتية.
شكل الطرف الحاد من فتحة البيتوت - كما بالشرح فوق بالتطبيق التحت صوتي - تعمل بشكل جيد بالطيران الفوق صوتي المنخفض. الموجة الصدمية العادية التي تتشكل بمقابل طرف الفتحة وتصطدم بالتيار لتنزل سرعته إلى مادون سرعة الصوت, ومع ذلك كلما ازدادت السرعة فإن الموجة الصدمية ستزداد مسببة هبوط قوي لضغط الركود.
هناك مداخل أو فتحات فوق صوتية متطورة تشبه نظام البيتوت:
1- الاستفادة من اندماج الموجة الصدمية المخروطية والعادية لتحسين مستوى الضغط بالسرعات الفوق صوتية العالية. الموجة المخروطية تستخدم لتقليل رقم الماك للسرعة الفوق صوتية عند الدخول للموجة الصدمية العادية, وهكذا يقل الناتج العام لمضار الصدمة.
2- تصميم (صدمة على الطرف) للسرعة الفوق صوتي, حيث الموجات الصدمية المخروطية والمائلة تضرب بغطاء الطرف, مما يجعل نطاق مسك حزام التيار يساوي نطاق طرف المدخل, وعندما تقل عن سرعة الصدمة على الطرف الفوق صوتية, ستكون زاوية الموجة الصدمية أقل ميلان مسببة لخط التيار الداخل للطرف بالإنكسار بواسطة المنحدر المخروطي. بنفس الوقت منطقة مسك المدخل يكون أصغر من نطاق طرف الفتحة مما يقلل تيار هواء المدخل Air intake. بالإعتماد على خصائص تيار الهواء للمحرك فإنه يكون مرغوبا تقليل زاوية النتوء أو تحريك المخروط للوراء لإعادة تركيز الموجات الصدمية على غطاء الفتحة لزيادة تيار هواء المدخل.
3- مصممة ليكون الصدمة العادية تنتشر باتجاه تيار طرف المدخل, لذلك فالدفق على مراوح الضاغط يكون تحت صوتي, مع الأخذ بالحساب إذا قل داعس الوقود على المحرك فسيقل تدفق الهواء المعدل على مراوح الضاغط, لكن بحالة الفوق صوتي فإن التيار المعدل عند طرف المدخل سيكون ثابتا, لأنها محددة بواسطة رقم الماك ودرجة انعراج \ سقوط المدخل. هذا التقطع ممكن التغلب عليه بأن الصدمة العادية تتحرك إلى ماتحت مساحة المقطع العرضي للمجرى ليقل رقم الماك للموجة الصدمية على المدخل.
العديد من طائرات الجيل الثاني من الفوق صوتي تستعمل المدخل المخروطي, الذي يستخدم لتشكيل الصدمة الموجية المخروطية, وهو موجود بطائرات الميغ 21 ويكون بالمقدمة, أو مع المحرك بجنبي الطائرة كما بطائرة ف 104 F 104 وطائرات BAC TSR-2.
بعدها استحدثت مداخل ثنائي المخروط, أحدهما فوق الآخر بشكل هرمي وهذا يساعد لإعطاء موجة مخروطية اضافية تنتشر بالوصلة مابين المخروطين. المدخل ثنائي المخروط يعتبر أكثر كفاءة من الأحادي لأن رقم الماك الداخل على الموجة العادية يقل بسبب وجود المخروط الثاني. وتظهر جليا على طائرات SR-71 Blackbird بمحركات برات & وتني 58 التي تجعل المقدمة والمؤخرة مخروطية الشكل بداخل غرفة المحرك لكي تمنع الموجات الصدمة المشكلة كمسامير من الدخول إلى المحرك مسببة بتوقف المحرك عن العمل. ولكن إبقائها قريبة بما فيه الكفاية لإعطاء ضغط هواء مناسب. عموما الموجة المخروطية لا تتحرك أو أن تحركت فهو شيء غير اعتيادي.
التصاميم الأحدث تطورا من المخروطي هو جعل المدخل بزاوية بحيث يكون أحد حوافه له نتوء. الموجة الصدمية المائلة ستتشكل على حافة النتوء. هذا الشكل موجود بالمقاتلات الأمريكية بأشكال متعددة, وعادة النتوء يكون الحافة العمودية الخارجية من المدخل ثم يدخل بزاوية داخلية إلى جسم الطائرة الطائرات التي تحمل هذا الشكل هي ف 105 و ف 4 فانتوم.
بعد ذلك تطورت بحيث النتوء يكون بقمة الحافة الأفقية بدلا من الحافة العمودية الخارجية وبزاوية واضحة للأسفل و للخلف. هذا التصميم بسط تشكيل المداخل وسمح بوجود نتوءات مختلفة للتحكم بتيار الهواء الداخل للمحرك. هذا التصميم موجود بطائرات الستينات وإلى اليوم ومثال عليها: طائرة أف 14توم كات والتورنادو والكونكورد.
هناك وجهة نظر أخرى, كالخرطوش الفوق صوتي فالتيار المعدل يجب أن يكون نفسه عند طرف مدخل وعند عنق المدخل وعند التوربين. أحد تلك الثلاثة ممكن أن يكون ثابت. للمدخل فالعنق يكون متغير وبحيث بعض الهواء يمر جانبيا حول التوربين ويذهب مباشرة ليغذي مابعد الإحتراق. خلافا لذلك فخرطوش المدخل إما غير ثابت أو غير ذا كفاءة, لأن الموجة الصدمة العادية بالعنق قد تتحرك فجأة إلى الطرف مما يسبب برفع الضغط بالطرف مما يؤدي إلى احتكاك ويقلل الإستفادة من الضغط فيؤدي إلى اضطراب بالتوربين مما يصيب المحرك الشلل وقد سقطت طائرة أس 71 بلاك بيرد SR-71 Blackbird عام 89 بذات السبب.
ضاغط الغاز
الضاغط المحوري يعتمد على شفرات ذات الدوران السريع ولها مقطع ايرودينامي مشابه لأجنحة الطائرة. وكما أن أجنحة الطائرة تنهار فإن شفرات الضاغط يصيبها الإنهيار والتوقف عند بعض الحالات, تيار الهواء المحيط بالضاغط المتوقف بإمكانه أن يعكس الإتجاه وبعنف. كل ضاغط وله تصميم لخريطة تشغيل سرعة دوران الهواء المعكوس وهي خصائص ينفرد بها كل نوع.
بحالة الدفع لكمية الوقود المعطاة, يكون خط عمل الضاغط ثابت ومستقر. ولكنه سيزاح عند أي حالة إنتقالية. لذلك هناك أجهزة عديدة مرتبطة بنظام منع التوقف المفاجئ anti-stall system في شكل مناطق التصريف أو الثوابت Stators ذات أشكال هندسية لتقليل احتمال أي طفرة بالدوران. هناك طريقة أخرى وهي تقسيم الضاغط إلى وحدتين او أكثر, ويعملون على أعمدة مختلفة ومتحدة المركز.
هناك تصميم هو معدل تحميل المرحلة. أي ابقاءها بمجال محسوس إما بزيادة عدد المراحل الضاغطة (زيادة بالوزن مما يؤدي إلى زيادة الكلفة), أو بزيادة سرعة الشفرات (يؤدي إلى زيادة الإجهاد عليها وبالتالي إجهاد الإسطوانة). ضواغط الدفق الضخم تكون محورية كلها, المراحل الخلفية بالوحدات الأصغر غير قادرة على الإجهاد القوي بسبب صغر حجمها. لذلك تستبدل تلك المراحل بوحدة مفردة للطرد مركزي. الضواغط الصغيرة عادة تستخدم ضاغطين للطرد المركزي مرتبطين على التوالي. بالرغم من عزلة ضواغط الطرد المركزي فإنها قادرة على العمل بمعدلات ضغط عالية (10:1), نأخذ بالإعتبار أن اجهاد الدفاعة يحد من معدل الضغط الذي يعمل في دورات المحرك ذات معدلات ضغط عالية.
الزيادة بمعدل العام للضغط سيؤدي إلى زيادة الحرارة الخارجة من الضاغط. وهذا يؤدي إلى زيادة الضغط على سرعة العمود, للمحافظة على سرعة رقم الماك على طرف الشفرة بالمرحلة الخلفية للضاغط. اعتبارات الإجهاد تحد من زيادة سرعة عمود الدوران مسببة للضاغط الأساسي ايروديناميكيا إلى الدفع للخلف إلى أقل من معدل ضغط المعطاة.
غرفة الإحتراق
يجب أن تكون هناك احتياطات كافية لجعل اللهب مستمرا مع سرعة تيار دفق الهواء بجميع أحوال دعس الوقود وبالكفاءة الممكنة. بما أن التوربين لا يمكنه تحمل درجات حرارة دمج العناصر الناتجة من المحرقة فإن الضاغط يرسل الهواء ليخفف حرارة النواتج من غرفة الإحتراق إلى مستوى معقول. هواء الضاغط المتجه للحارق يسمى دفق الأساسي وأما الهواء الذي يستخدم لتبريد نواتج الحارق فيسمى دفق ثانوي.
التوربين
بما أن التوربين يتمدد من ضغط عالي إلى ضغط منخفض, فإنه لايوجد مايضاهي انهيار أو طفرة للتوربين. عموما التوربين يحتاج إلى منصات أقل من الضاغط والسبب الرئيسي هوالحرارة العالية الداخلة إليه ستخفض معدل الضغط وبالتالي عملية التمدد. الشفرات ستكون أكثر انبعاجا لذلك فسرعة دفق الغاز ستكون أقوى.
التوربين يجب أن يكون مصمما بحيث يمنع انصهار الشفرات والريش عند درجات الحرارة العالية وبيئة الإجهاد. لذلك يخرج من نظام الضاغط انبوب لتسريب الهواء يدخل التوربين لتبريد الشفرات والريش الداخلية. وهناك حلول أخرى مشابهة مثل, تحسين المواد الخام والتكسية لتلك الإسطوانات بحيث تتحمل الإجهاد الشديد الناتج من دوران القوي للشفرات. التي تأخذ شكل الإندفاع أو ردة فعل وربما الإثنين (الإندفاع وردة الفعل معا). وأيضا تحسين تلك المواد لتقليل وزن الإسطوانات.
يتبع
