توربوشفت چیست و چه تفاوتی با توربوجت و توربوپراپ دارد؟

هنگام تحقیق در مورد موتورهای هواپیما، ممکن است با توربوشفت برخورد کنید که یکی از انواع رایج موتورهای مبتنی بر ملخ است.

برخی از هواپیماها توسط موتورهای جت سنتی، مانند موتورهای توربوجت، نیرو می‌گیرند.

با این حال، برخی دیگر توسط موتورهای مبتنی بر ملخ، مانند توربوشفت، نیرو می‌گیرند.

توربوشفت یک موتور احتراق داخلی از نوع توربین گازی است که سوخت را درون موتور می‌سوزاند و از نیروی انفجار برای چرخاندن یک توربین و به‌دست‌آوردن نیروی چرخشی استفاده می‌کند.

موتورهای توربوشفت در اکثر هلیکوپترهای مدرن استفاده می‌شوند.

توربوشفت‌ها قدرت بسیار بیشتری را در واحد وزن ارائه می‌دهند.

توربوشفت‌ها مانند موتورهای توربوجت هستند، با این تفاوت که از اگزوز برای چرخاندن یک شفت خروجی استفاده می‌شود تا اینکه مستقیماً نیروی رانش را تأمین کند.

این شفت خروجی یک گیربکس را تغذیه می‌کند که در نهایت روتورهای هلیکوپتر را می‌چرخاند.

در این مقاله نگاهی عمیق‌تر به نحوه عملکرد و ویژگی‌های توربوشفت می‌اندازیم.

1# موتور توربوشفت

موتورهای توربین گازی که از طریق یک شفت، نیرو را برای به کار انداختن چیزی غیر از پروانه منتقل می‌کنند، موتورهای توربوشفت نامیده می‌شوند.

در این موتور در بیشتر موارد، شفت خروجی (برق‌گیر)، توسط توربین قدرت خود (توربین آزاد) به حرکت در می‌آید که اکثر کل توان خروجی را از ژنراتور گاز موتور استخراج می‌کند.

موتورهای توربوشفت با دنده کاهنده برای به حرکت درآوردن قایق‌ها، کشتی‌ها، هاورکرافت‌ها، قطارها و اتومبیل‌ها استفاده می‌شوند.

آنها همچنین برای پمپاژ گاز طبیعی و به حرکت درآوردن انواع تجهیزات صنعتی مانند کمپرسورهای هوا یا ژنراتورهای الکتریکی بزرگ استفاده می‌شوند.

در هوانوردی، موتورهای توربوشفت برای تأمین نیروی بسیاری از هلیکوپترهای مدرن در حال کار استفاده می‌شوند.

آنها از نظر طراحی مشابه موتورهای توربوپراپ هستند و در برخی موارد از همان طراحی بخش ژنراتور گاز استفاده می‌کنند.

نیروی محرکه توربوشفت ممکن است به توربینی که کمپرسور را می‌چرخاند، متصل شده و مستقیماً توسط آن به حرکت درآید؛ اما بیشتر احتمال دارد که توسط یک توربین مخصوص به خود، به حرکت درآید.

موتورهایی که از یک توربین جداگانه برای نیروی محرکه استفاده می‌کنند، موتورهای توربینی باقدرت آزاد نامیده می‌شوند و این نوع موتور بیشتر در هواپیماهای مدرن بال ثابت و بال دوار امروزی استفاده می‌شود.

یک موتور توربوشفت سه عملکرد کلیدی را انجام می‌دهد:

• تراکم
• احتراق
• استخراج

در سیستم موتور، کمپرسور، هوای بیرون را به داخل می‌کشد و آن را فشرده می‌کند.

هوای فشرده شده در محفظه احتراق با سوخت مخلوط شده و مشتعل می‌شود.

انفجار هوای خروجی از محفظه احتراق، یک یا چند توربین را می‌چرخاند که نیروی لازم را برای هلیکوپتر (و کمپرسور) فراهم می‌کنند.

2# تاریخچه توربوشفت

موتور توربوشفت در ابتدا به‌عنوان یک واحد قدرت کمکی (APU) در نظر گرفته شده بود؛ اما به دلیل اندازه کوچک و خروجی و قابلیت اطمینان بالا، به موتور اصلی هواپیماهای بال چرخان تبدیل شده است.

موتور توربوشفت به‌ عنوان موتور هلیکوپتر محبوب شده است، بنابراین هلیکوپترهای مدرن به موتورهای توربوشفت مجهز شده‌اند.

همچنین اغلب در کشتی‌های نظامی که به خروجی انفجاری نیاز دارند، استفاده می‌شود.

به دلیل مزایای مختلف، زمانی به ‌عنوان موتور تانک نسل بعدی موردتوجه قرار گرفت و ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی به ترتیب آن را به‌عنوان موتور تانک اصلی نبرد نسل بعدی انتخاب کردند.

البته، در همه‌جا استثنائاتی وجود دارد و ارتش ایالات متحده هنوز M1 Abrams را دارد.

این کشور به موتور توربین گازی توربوشفت به‌عنوان موتور اصلی تانک نبرد پایبند است.

3# انواع موتور توربوشفت

موتور توربوشفت بر اساس ساختار و قرارگیری اجزای خود، دو نوع اصلی را شامل می‌شود که این دو نوع به‌صورت زیر می‌باشند:

• موتور تک‌محوره: در این نوع توربوشفت، کمپرسور و توربین قدرت روی یک محور قرار دارند، به این معنی که با سرعت یکسانی می‌چرخند.
  این موتورها ساده‌تر هستند؛ اما برای عملیات با سرعت متغیر انعطاف‌پذیری کمتری دارند.
• موتور توربین آزاد: در توربوشفت نوع توربین آزاد، کمپرسور و توربین قدرت روی شفت‌های جداگانه قرار دارند که امکان کنترل مستقل سرعت توربین قدرت را فراهم می‌کند.
  این روش معمولاً در هلیکوپترها برای فعال‌کردن سرعت‌های متغیر روتور بدون تأثیر بر عملکرد موتور استفاده می‌شود.

4# اجزای کلیدی توربوشفت

توربوشفت‌ها برای انجام فرایند عملیاتی خود از 4 قسمت اصلی در ساختارشان استفاده می‌کنند.

این چهار قسمت به شرح زیر هستند:

1-4# کمپرسور

کمپرسور مانند دسته‌ای از پنکه‌ها است که در یک ردیف قرار گرفته‌اند و هر کدام پره‌های چرخان زیادی دارند که هوا را به داخل موتور می‌رانند.

برخلاف پنکه‌ها، این هوا در یک فضای کوچک “فشرده” می‌شود و فشار و دمای آن افزایش می‌یابد.

کمپرسورهای هلیکوپتر معمولاً حدود ۲ تا ۵۰ هزار دور در دقیقه می‌چرخند و توسط اگزوز موتور تغذیه می‌شود.

در حالت کلی، کمپرسور مقداری از انرژی لازم برای تولید اگزوز را فراهم می‌کند و اگزوز تمام انرژی کمپرسور را تأمین می‌نماید.

علاوه بر این، کمپرسور فشار هوای ورودی را برای تغذیه محفظه احتراق افزایش می‌دهد.

کمپرسور مورد استفاده در توربوشفت می‌تواند محوری، گریز از مرکز یا ترکیبی از هر دو باشد.

در یک موتور توربوشفت، فشرده‌سازی کارآمد هوا برای ایجاد گازهای پرانرژی لازم حیاتی است.

2-4# محفظه احتراق

در این محفظه، سوخت به هوای پرفشار تزریق شده و مشتعل می‌شود.

نتیجه کار، گازهای داغ و پرسرعتی است که به داخل توربین جریان می‌یابند؛ اما در این قسمت، فرایند احتراق باید به دقت کنترل شود تا راندمان حفظ شده و از گرم‌شدن بیش از حد جلوگیری شود.

برخلاف موتور پیستونی، این محفظه در طول عملیات روشن (در حال سوختن) می‌ماند – به‌صورت دوره‌ای روشن و خاموش نمی‌شود. (مگر اینکه نقص “خاموش‌شدن شعله” وجود داشته باشد.)

3-4# توربین

توربین به دو بخش تقسیم می‌شود:

• توربین ژنراتور گاز: این توربین انرژی لازم برای به حرکت درآوردن کمپرسور را استخراج می‌کند.
• توربین قدرت آزاد: یک توربین جداگانه و مستقل است که شفت خروجی را بدون اتصال مکانیکی به کمپرسور به حرکت در می‌آورد.
  این پیکربندی امکان سرعت‌های متغیر شفت خروجی را بدون تأثیر بر عملکرد کمپرسور فراهم می‌کند.

4-4# شفت نیرو

شفت، توربین نیروی آزاد را به بار مکانیکی متصل می‌کند و انرژی چرخشی را منتقل می‌کند.

در هلیکوپترها، این شفت اغلب به یک گیربکس متصل است تا سرعت روتور را کنترل کند و در کاربردهای دریایی، ممکن است یک پروانه را به حرکت درآورد.

5# عملکرد توربوشفت و مقایسه با انواع موتورها

همانطور که قبلاً ذکر شد، می‌توان گفت که یک موتور توربوشفت بسیار شبیه به یک موتور جت است.

در یک موتور جت معمولی، مانند توربوفن که در اکثر هواپیماهای مسافربری مدرن یافت می‌شود (نوعی که معمولاً بین شهرهای بزرگ با آن پرواز می‌کنید)، هوا به داخل محفظه احتراق مکیده می‌شود، جایی که با سوخت جت در محفظه احتراق مخلوط شده و ناگهان گرم می‌شود.

سپس فشار بالای این مخلوط برای چرخاندن یک توربین ارسال می‌شود که کمپرسور را به حرکت در می‌آورد و کمپرسور برای مکش هوا از بیرون استفاده می‌شود.

در نهایت، هوای گرم از نازل در پشت خارج می‌شود و نیروی رانش لازم برای حرکت هواپیما به جلو را فراهم می‌کند.

در این نوع، تمام هوایی که وارد کمپرسور می‌شود، برای تأمین نیروی رانش استفاده می‌شود؛ اما این مورد در مورد موتور توربوشفت موردنظر شما صدق نمی‌کند.

برای درک تفاوت بین توربوجت و توربوشفت، بررسی نوع دیگری از موتور به نام توربوپراپ مفید است.

در موتور توربو پراپ، هوا تقریباً به همان شکل جریان می‌یابد، بزرگ‌ترین تفاوت این است که بخش زیادی از نیروی توربین از طریق شفت کمپرسور به یک گیربکس در جلوی کمپرسور منتقل می‌شود.

این امر پروانه جلوی موتور را به حرکت در می‌آورد که نیروی رانش لازم برای حرکت هواپیما به جلو را فراهم می‌کند.

نیروی توربینی که به کمپرسور می‌رود به طور قابل‌ توجهی کمتر از توربوجت است و اگزوزی که از پشت موتور خارج می‌شود، صرفاً همان اگزوز است و هیچ نقشی در پیشرانش مستقیم هواپیما ندارد.

در نهایت، به موضوع اصلی سؤال، یعنی موتور توربوشفت که معمولاً برای به حرکت درآوردن هلیکوپترها استفاده می‌شود، می‌رسیم.

مشابه توربوپراپ، در توربوشفت، هوای فشرده در نهایت یک شفت را می‌چرخاند که نیروی لازم برای به حرکت درآوردن هواپیما را فراهم می‌کند. اما برخلاف توربوپراپ که پروانه بخشی از خود موتور است، شفتی که در توربوشفت به حرکت در می‌آید مستقل از موتور است. این شفت از یک سیستم انتقال قدرت مستقل از موتور عبور می‌کند و خود موتور را پشتیبانی نمی‌کند.

نگاهی به تصویر زیر این موضوع را روشن می‌کند؛ شفت قدرت توسط گازهای خروجی به طور جداگانه از کمپرسور به حرکت در می‌آید، برخلاف توربوپراپ بالا که شفت به خود کمپرسور متصل است.

اکنون می‌توان فهمید که چه چیزی هر سه موتور را از هم متمایز می‌کند.

همه آنها هوا را به داخل می‌کشند و آن را گرم می‌کنند تا یک توربین را به حرکت درآورند؛ اما نحوه‌ای که هوای گرم در نهایت هواپیما را به حرکت در می‌آورد، متفاوت است.

در یک توربوجت، مستقیماً از عقب خارج می‌شود و نیروی رانش را تأمین می‌کند، در حالی‌ که در یک توربوپراپ و توربوشفت، توربینی را به حرکت در می‌آورد که یک شفت را به حرکت در می‌آورد.

تفاوت اصلی این است که توربوپراپ از همان شفت کمپرسور استفاده می‌کند، در حالی‌ که توربوشفت، شفت مستقل از کمپرسور دارد.

به دلیل شباهت‌های بین توربوپراپ و توربوشفت، برخی از موتورها، مانند Pratt & Whitney PT6، با کمی تغییر، هم به‌صورت توربوپراپ و هم به‌صورت توربوشفت تولید می‌شوند.

6# مزایا و معایب توربوشفت

موتور توربوشفت باتوجه‌به تفاوت‌هایش با سایر موتورهای توربینی مزایا و نقاط ضعفی را ارائه می‌دهد که این مزایا به‌صورت زیر هستند:

• از آنجایی‌ که در توربوشفت، توربین شفت قدرت و توربین کمپرسور از هم جدا هستند، نیاز به افزایش نسبت دنده خود دنده کاهنده از بین می‌رود.
• در مقایسه با موتور رفت و برگشتی، این موتور می‌تواند کوچک‌تر و با خروجی بالا باشد؛ اما لرزش آن کم است، بنابراین قابلیت اطمینان عملیاتی هلیکوپتر به طرز چشمگیری بهبود یافته است.
• عملیات با سرعت بالا امکان پذیر است.
• می‌توان سیستم روانکاری را ساده کرد و مصرف روغن روان‌کننده را کاهش داد.
• می‌توان از انواع سوخت‌ها استفاده کرد.
• راه اندازی سریع است ومی‌تواند به سرعت شتاب بگیرد.
• کاهش نویز در مقایسه با موتور پیستونی در خروجی یکسان، آسان‌تر است.
  نویز موتور توربینی پر سر و صدا است و باند صوتی پر سر و صدا نرخ جذب بالایی دارد و با توجه به فاصله به سرعت تضعیف می‌شود.

1-6# نقطه ضعف

• توربوشفت گران‌تر از موتورهای معمولی است.
• مصرف سوخت در سرعت پایین و حالت آماده به کار بسیار پایین است، بنابراین معمولاً برای وسایل نقلیه‌ای که روی زمین حرکت می‌کنند، مناسب نیست.
  در همین راستا، در بسیاری از موارد، موتورهای کمکی مانند موتورهای دیزلی متصل می‌شوند تا در صورت امکان، مصرف سوخت در سرعت‌های پایین کاهش یابد.
  البته، از آنجایی که دو موتور در حال کار هستند، طراحی پیچیده‌تر شده و قابلیت اطمینان نیز کاهش می‌یابد.
• سرعت پاسخ‌دهی آن کمتر از یک موتور رفت و برگشتی است.
  یعنی، مشکلی که وجود دارد این است که سطح خروجی باید به طور قابل توجهی تغییر کند یا زمان لازم برای رسیدن به عملکرد کامل بلافاصله پس از راه‌اندازی طولانی است.
• توربین‌ها در محیط‌هایی با مواد خارجی زیاد، مانند بیابان‌ها، به راحتی آسیب می‌بینند و عوامل نگهداری افزایش می‌یابند.

7# کاربردهای موتور توربوشفت

توربوشفت‌ها در صنایع ختلفی به کار گرفته می‌شوند، از جمله مهم‌ترین این صنایع می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1-7# هوانوردی و هلیکوپترها

رایج‌ترین کاربرد، موتورهای توربوشفت هلیکوپترها هستند که روتور اصلی را از طریق یک گیربکس کاهنده به حرکت در می‌آورند.

طراحی سبک و توان خروجی بالای این موتور، آن را برای هواپیماهای بال چرخان ایده‌آل می‌کند.

2-7# کشتی‌ها و شناورهای دریایی

بسیاری از شناورهای دریایی مدرن به دلیل قابلیت اطمینان و توان خروجی بالای موتورهای توربوشفت، از آنها برای نیروی محرکه استفاده می‌کنند.

3-7# تولید برق

در برخی موارد، موتورهای توربوشفت در نیروگاه‌ها یا کاربردهای صنعتی برای تولید برق یا تأمین توان مکانیکی استفاده می‌شوند.

اکثر ژنراتورهای اضطراری برای استفاده غیرنظامی با روش توربوشفت کار می‌کنند.

بیشتر نیروگاه‌های گازسوز LNG با سوزاندن LNG در موتورهای توربوشفت، ژنراتورها را به حرکت در می‌آورند.

در همین راستا، راندمان حرارتی پایین را می‌توان با روش‌هایی مانند چرخه بازگرمایش یا چرخه ترکیبی حل کرد و به دلیل ماهیت سوخت LNG، می‌توان آن را در نزدیکی مناطق مسکونی نصب کرد، بنابراین می‌توان از آن به‌ عنوان یک نیروگاه تولید همزمان که از گرمای تلف شده برای تأمین گرمایش یا آب گرم خانه‌ها استفاده می‌کند، نیز استفاده کرد.

8# تفاوت موتورهای توربوپراپ و توربوشفت

موتور توربوشفت نوعی موتور هواپیما است که مانند موتورهای توربوپراپ، سوخت جت و هوا را برای چرخاندن پروانه می‌سوزاند.

موتورهای توربوشفت و موتورهای توربوپراپ از طراحی مشابهی استفاده می‌کنند.

با این وجود، آنها دو نوع موتور هواپیما متفاوت هستند.

در حالی که هر دو از ملخ استفاده می‌کنند، موتورهای توربوپراپ و توربوشفت یکسان نیستند.

یکی از تفاوت‌های اصلی بین موتورهای توربوپراپ و توربوشفت این است که اولی مستقیماً به ملخ متصل می‌شود، در حالی که دومی این کار را نمی‌کند.

موتورهای توربوپراپ مستقیماً به ملخ متصل هستند و همزمان با تولید نیروی رانش، ملخ را نیز می‌چرخانند.

موتورهای توربوشفت نیز ملخ را می‌چرخانند؛ اما مستقیماً به ملخ متصل نیستند.

در عوض، موتورهای توربوشفت به یک گیربکس متصل هستند که این گیربکس بین موتورهای توربوشفت و ملخ قرار دارد.

موتور توربوشفت با گیربکس درگیر می‌شود و سپس ملخ را می‌چرخاند.

موتورهای توربوپراپ و توربوشفت در انواع مختلف هواپیما نیز استفاده می‌شوند.

موتورهای توربوشفت معمولاً در هلیکوپترها یافت می‌شوند.

در حالی که هلیکوپترها معمولاً توسط یک موتور توربوشفت نیرو می‌گیرند، هواپیماها توسط یک یا چند موتور توربوپراپ نیرو می‌گیرند.

اصطلاحات «توربوپراپ» و «توربوشفت» اغلب به‌صورت مترادف برای توصیف موتورهای ملخی که سوخت جت و هوا را می‌سوزانند، استفاده می‌شوند؛ اما آنها یکسان نیستند.

9# تفاوت بین موتورهای توربوجت و توربوشفت

موتور توربوشفت گونه‌ای از موتور جت است که به جای تولید نیروی رانش، برای تولید نیروی شفت جهت به حرکت درآوردن ماشین‌آلات بهینه‌سازی شده است.

یک موتور توربوشفت از همان اصول توربوجت برای تولید انرژی استفاده می‌کند، یعنی یک کمپرسور، محفظه احتراق و توربین را در ژنراتور گاز موتور جای می‌دهد.

تفاوت اصلی بین توربوشفت و توربوجت این است که یک بخش قدرت اضافی، متشکل از توربین‌ها و یک شفت خروجی، در طراحی گنجانده شده است.

در بیشتر موارد، توربین قدرت به‌صورت مکانیکی به ژنراتور گاز متصل نیست.

این طراحی که به‌ عنوان “توربین قدرت آزاد” شناخته می‌شود، اجازه می‌دهد سرعت توربین قدرت برای ماشین‌آلاتی که به آنها انرژی می‌دهد، بدون نیاز به گیربکس کاهنده اضافی در موتور، بهینه شود.

برخلاف توربوجت که در آن تمرکز بر شتاب دادن به گازها برای ایجاد نیروی رانش است، موتور توربوشفت از انرژی گازهای خروجی برای به حرکت درآوردن یک بار مکانیکی مانند روتور هلیکوپتر یا پروانه کشتی استفاده می‌کند.

جمع‌بندی

موتور توربوشفت نوعی توربین گازی است که برای تولید نیروی مکانیکی از طریق شفت خروجی به‌جای نیروی رانش طراحی شده است.

اگرچه اصول اصلی آن با توربوجت‌ها و توربوفن‌ها مشترک است؛ اما تمرکز اصلی توربوشفت بر ارائه انرژی چرخشی است.

موتور توربوشفت سنگ بنای صنایعی (به‌خصوص در بخش‌های هوانوردی و دریایی) است که به ماشین‌آلات سبک و پرقدرت نیاز دارند.

توانایی آن در ارائه قدرت کارآمد و قابل‌اعتماد در شرایط سرعت متغیر، آن را به یک قطعه مهندسی ارزشمند تبدیل می‌کند.

از طریق نوآوری مداوم، موتور توربوشفت همچنان یک جز حیاتی در پیشرفت فناوری هوافضا است و قدرت موردنیاز برای هلیکوپترهای مدرن، کشتی‌ها و ماشین‌های صنعتی را تأمین می‌کند.

پیشرفت‌های اخیر در علم مواد، آیرودینامیک و سیستم‌های کنترل، موتورهای توربوشفت را حتی کارآمدتر، بادوام‌تر و سبک‌تر کرده است.

تحقیقات همچنین بر بهبود عملکرد زیست‌محیطی آنها با کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و بررسی سیستم‌های هیبریدی که موتورهای توربوشفت را با نیروی محرکه الکتریکی ادغام می‌کنند، متمرکز شده است.