طراحی و ساخت میکروجت،جلسه دوم

هر جسم متحرک در مقیاس سرعت های معمول در طبیعت از قوانینی پیروی می کند که به قوانین حرکت نیوتون معروف است و شامل سه قانون است. در طراحی و ساخت موتورهای جت از این قوانین استفاده می شود و بنابراین لازم است با آن ها آشنا شویم، از طرفی چون هواپیما در هوا حرکت.

عکس نویسنده

نویسنده : الناز فطیرخورانی

بازدید :

تاریخ : دوشنبه 1392/11/14

طراحی و ساخت میکروجت،جلسه دوم

آشنایی با نحوه ی کارکرد موتور هواپیما

موضوع پروژه: چگونگی کارکرد موتور

اهداف: شامل اهداف رفتاری و آموزشی

دانش:

آشنایی با قوانین نیوتن

آشنایی با قوانین گازه

آشنایی با نحوه کارکرد موتور جت

وسائل مورد نیاز: -----------------------------------

زمان عملیاتی: یک ساعت

روند کار:

در جلسه قبل با تاریخچه پرواز و موتورهای جت آشنا شدید در این جلسه با نحوه کارکرد آن ها آشنا می شوید.

2-1) مقدمه:

قانون اول نیوتون:

نیوتون قانون اول را به صورت زیر بیان کرد:

"یک جسم حالت سکون یا حرکت یکنواخت خود را حفظ می کند مگر آن که تحت تاثیر نیرویی مجبور به تغییر آن شود"

قانون دوم نیوتون:

قانون دوم به صورت زیر بیان شده است:

"اگر به یک جسم نیروهایی وارد شود شتابی می گیرد که با برآیند نیروهای وارد بر جسم نسبت مستقیم دارد و با آن هم جهت است و با جرم جسم نسبت وارون دارد"

این قانون با رابطه ی زیر بیان می شود:

F=ma

که m جرم جسم، a شتاب و F برآیند نیروهای وارد بر جسم است.

قانون سوم نیوتون:

بیان قانون سوم به صورت زیر است:

"برای هر عملی یک عکس العملی است که مقدار آن مساوی با نیروی عمل است و در خلاف جهت آن می باشد."

یعنی هر گاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند جسم دوم هم به جسم اول نیرویی برابر آن ولی در خلاف جهت وارد می کند. مثل حرکت بادکنک در هوا، زمانی که بادکنک را باد می کنید و سپس آن را رها می کنید هوای داخل آن خارج می شود و نیرویی خلاف جهت حرکت خود به بادکنک وارد می کند و باعث می شود که آن در خلاف جهت خروج باد حرکت کند.

قانون گاز کامل:

طبق این اصل در گازها در دمای ثابت با افزایش حجم فشار کاهش و با کاهش حجم فشار افزایش می یابد. این اصل با را بطه زیر بیان می شود که به صورت تجربی به دست آمده است.

PV=nRT

که R ثابت جهانی گازها است و مقدار آن برابر است با:

در موتور چون انبساط و انقباض گازها به سرعت انجام می گیرد فرصت تبادل حرارت وجود ندارد پس می توان فرآیند را در دمای ثابت فرض کرد.

2-2) توضیح ساده از کارکرد موتورها:

موتورهای جت دارای قطعات گردان زیر شاخه موتورهای توربینی محسوب می شوند و از مکانیزم آن بهره می برند به خاطر این که این نوع موتور ها از انبساط گاز ها نیرو می گیرند به آن ها موتورهای توربین گازی گفته می شود .این موتورها از نیروی افزایش حجم گازها استفاده می کنند.

با یک توضیح ساده به کار کرد این موتورها می پردازیم: در موتورهای توربینی یک قسمت وجود دارد که به هوا شتاب داده و سپس سرعت آن را کاهش می دهد و با این کار فشار و دمای گاز را افزایش می-دهد. این هوا تا چهار بار ( بسته به قدرت فشرده کننده ) فشرده تر شده و به محفظه احتراق وارد می شود. محفظه احتراق دارای گونه های مختلفی است (حلقوی؛ لوله ای ؛ ...)؛ سپس سوخت به داخل محفظه احتراق تزریق می شود و به صورت مداوم مشتعل می ماند. یعنی در واقع این موتورها دارای احتراق مداوم می باشند. پس از مشتعل شدن سوخت با هوا فراورده ها افزایش حجم پیدا کرده و به صورت گازهای خروجی با سرعتی خیلی بیشتر از حالت ورودی محفظه احتراق را ترک می کنند.این گازها دارای فشار و دمای بالایی هستند و انرژی زیادی دارند و طبق قانون سوم نیوتن نیروی عکس العمل آن موتور و در اصل هواپیما را به جلو هل می دهد (دقیقا مثل بادکنک). و در همین جاست که تعدادی توربین قدرت قرار دارد و با جذب انرژی جنبشی آنها به حرکت در آمده و نیروی لازم برای قسمت فشرده کننده (کمپرسور) را فراهم می کند.

2-3) اجزای اصلی موتورهای جت:

کمپرسور:

کمپرسورها وظیفه متراکم کردن هوای ورودی را بر عهده دارند. کمپرسورها بر دو نوع هستند: 1- کمپرسورهای محوری 2- کمپرسورهای شعاعی یا گریز از مرکز. کمپرسورهای محوری که در اکثر موتورهای جت امروزی استفاده می شود، از چند طبقه فن یا پنکه به تعداد مشخص (دو یا بیشتر) تشکیل شده است که هرچه به سمت درون بیشتر پیش برویم، از زاویه پره های فن ها کاسته می شود و همچنین توسط همین تیغه ها یا پره ها، به سیال جهت حرکت داده شده و با کاهش زاویه پره ها، به فشار سیال یا هوا افزوده و از سرعتش کم شده و در نتیجه متراکم می گردد. اما در کمپرسورهای شعاعی یا گریز از مرکز، که بیشتر در موتورهای گازی ساده یا قدیمی کاربرد داشته است، در اصل هوا به یک مانع برخورد کرده و سپس توسط پره های آن به قسمت دیفیوژر یا کاهنده سرعت منحرف می شود که این فرآیند با ازدیاد فشار همراه است، در نتیجه هوا متراکم می گردد.

در شکل زیر نمونه ای از یک کمپرسور را می بینید.

سیستم احتراق:

سیستم احتراق، شامل سوخت پاش، جرقه زن و اتاقک و لوله احتراق می گردد. فرآیند انفجار در درون لوله های احتراق صورت می پذیرد که این عمل با وارد شدن هوا به اتاقک و مخلوط شدن آن با سوخت سپس انفجار آن به وسیله شمع جرقه زن انجام می شود. انژکتور (Injector) وسیله است که با استفاده از نیروی موتور، سوخت را به پودر تبدیل می کند و حکمت این کار در بهتر مشتعل شدن در صورت تبدیل به پودر نهفته است. البته سوخت قبل از ورود به انژکتور، مقداری گرم شده تا برای احتراق آماده تر باشد. ابتدا انژکتور سوخت را روی هوای متراکم می پاشد و سپس این مخلوط آماده انفجار است که به وسیله شمع جرقه زن، این عمل صورت می گیرد.

سیستم توربین:

در اینجا، ابتدا هوای منفجر شده به پره های توربین برخورد کرده و نیروی لازم جهت گرداندن کمپرسور و مکش هوا برای سیکل بعدی تولید می شود که این نیرو به وسیله شفتی به کمپرسور انتقال داده شده و باعث حرکت آن می شود. قبل از توربین، استاتور توربین وجود دارد که برای تنظیم جهت حرکت سیال هوا برای ورود به قسمت توربین به کار می رود. توربین ها نیز به دو دسته محوری و شعاعی تقسیم می شوند که نوع محوری چند طبقه است. چون دمای کارکرد توربین بسیار بالا می باشد، در ساخت آن از آلیاژهای مخصوصی استفاده می شود.

سیستم خروج گازهای داغ:

این سیستم، در حقیقت تولید نیروی جلوبرندگی واقعی را برای رانش هواپیما به جلو می کند و سهم اصلی را در تولید و توضیع فشار دارد. در مدل های متحرک، زاویه پره های شیپوره انتهایی موتور برای میزان کردن فشار قابل تنظیم است. گفتنی است سیستم پس سوز یا After Burner بعد از این بخش نصب می شود. به این قسمت، نازل (Nozzle) هم گفته می شود. در اصل کار نازل کم کردن حجم و افزایش فشار(بر اساس اصل گاز کامل) است که با شکل خاصی که دارند این کار را انجام می دهند. در شکل زیر دو نوع نازل نشان داده شده است.

تکلیف: -------------------

محل بازدید/ اردو/ خرید: -----------------------------------

منابع مطالعه: 1- مبانی ترمودینامیک-تالیف زونتاگ، بورگناک ، ونوایلن - مترجم : مهندس غلامرضا ملکزاده، مهندس محمد حسین کاشانی حصار- چاپ آستان قدس رضوی