كيف يعمل المحرك التوربيني الغازي

المحرك التوربيني الغازي

 

المحرك التوربيني الغازي عند ذهابك إلى المطار ستشاهد الطائرات التجارية هناك , و سوف تلاحظ المحركات الضخمة التي تزود هذه الطائرات بالطاقة . إن معظم الطائرات النفاثة تستهلك الطاقة من المحركات المروحية التوربينية , و هذه المراوح التوربينية هي مثال عن إحدى أنواع المحركات العامة التي تدعى بالمحركات التوربينية الغازية.

إنك لربما لم تسمع عن المحركات التوربينية الغازية , و لكنها تستعمل في مناطق كثيرة جداً لربما لم تتوقعها. على سبيل المثال : الكثير من طائرات الهيلوكبتر التي رأيت بعضاً منها , و العديد من الوحدات الصناعية لانتاج الطاقة , أو في دبابات ال(M-1) و التي كان أول انتاج لها عام 1978 و التي استخدمها الجيش الأمريكي في حرب الخليج الثانية .

أساسيات بسيطة :
هنالك عدة أنواع مختلفة من التوربينات : 1- من المحتمل أنك سمعت عن العنفات البخارية ( توربينات البخار ) . أغلب الوحدات الصناعية لانتاج الطاقة تستخدم الفحم , و الزيت , أو حتى المفاعل النووي لتوليد البخار . البخار يمر عبر عنفات ضخمة و عالية التصميم و متعددة المراحل ليدير محور الخرج الذي يدير مولدات الوحدات الصناعية . 2- السدود الكهرمائية لتوليد الطاقة تستعمل العنفات المائية بنفس الطريقة لتوليد الطاقة. العنفات تستخدم في الوحدات الكهرمائية لتوليد الطاقة و لكن بشكل مختلف تماماً عن العنفات البخارية لأن الماء هو أشد كثافة من البخار , و لكن على نفس المبدأ. 3- عنفات الرياح , و التي أيضاً تعرف بمصانع الرياح , التي تستخدم الرياح للحصول على قوتها . إن العنفات الرياحية لا تمثل شيئاً إذا ما قورنت بقدرة العنفات البخارية أو المائية , لأن الرياح بطيئة التحرك و خفيفة جداً , و لكنها تعمل بنفس المبدأ التي تعمل عليه العنفات الأخرى . 4- العنفات الغازية , و هي الأكثر انتشاراً . ففي العنفة الغازية ضغط الغاز هو الذي يدور العنفة . و في جميع المحركات التوربينية الغازية , المحرك ينتج بنفسه ضغطه الغازي , و هو يقوم بذلك بحرق بعض الأشياء مثا البروبان و الغاز الطبيعي و الكيروسين و وقود المحركات النفاثة. الحرارة المتولدة من احتراق الوقود تجعل الهواء يتمدد , و تسرع من جريان هذا الهواء الساخن الذي يدير العنفة.

 

 

 

الميزات و العيوب :

هل تساءلت يوماً لماذا دبابات ال ( M-1 ) تستخدم المحرك الغازي التوربيني بدلاً من محرك الديزل ؟ لأن هذه الدبابات تحتاج لقدرة حوالي 1500 حصان يؤمنها لها المحرك التوربيني و الذي له ميزتان يتفوق بهما على الديزل : 1- إن نسبة الطاقة إلى الوزن في المحركات التوربينية الغازية كبيرة بالمقارنة بالمحركات الترددية . ذلك لأن مقدار الطاقة التي تحصل عليها من المحرك تُقَارَن بوزن المحرك نفسه . 2- المحركات التوربينية الغازية هي أصغر من مثيلاتها الترددية التي لها نفس الطاقة . أما العيب الأساسي لهذه العنفات الغازية هو أن هذه المحركات إذا قورنت بالمحركات الترددية التي لها نفس الحجم فهي مكلفة جداً . هذا لأنها تدور بسرعة عالية جداً و لأنها تعمل بدرجات حرارة عالية . فتصميمها و تصنيعها يواجه مشاكل عديدة و كبيرة من ناحية التصميم الهندسي و من ناحية المواد التي تُستخدَم . و بالإضافة إلى استهلاكها الكثير من الوقود في حال حدوث خلل فيها و كذلك يُفضَل إيقافها بدلاً من استعمالها بمردود قليل . فهذه الميزات هي التي تجعل العنفات الغازية هي الأفضل في بعض الحالات , مثل النقل بالطائرات النفاثة عبر القارات , و وحدات توليد الطاقة , و هذا يشرح أيضاً لماذا لاتستخدم المحركات التوربينية في السيارات.

عمليات العنفة الغازية :

إن المحرك التوربيني نظرياً شديد البساطة , و يحتوي على ثلاثة أشياء : 1- الضاغط : يضغط الهواء القادم إلى ضغوط عالية . 2- منطقة الاحتراق : و التي تحرق الوقود و تنتج الضغط العالي , و السرعة العالية للغاز . 3- العنفة : و التي تستخلص الطاقة من الضغط العالي , و السرعة العالية للغاز الآتي من حجرة الاحتراق . في هذا المحرك , يتم سحب الهواء من على اليمين بواسطة الضاغط . الضاغط هو فعلياً عبارة عن أسطوانة مخروطية الشكل و لها شفرات مروحة صغيرة متوضعة في صفوف ( عدد الصفوف الموجودة هنا هي 8 صفوف ). على افتراض أن اللون الأزرق الفاتح يمثل الهواء في الضغط الجوي العادي .

 

و من ثم يُجبَر الهواء على المرور عبر مرحلة الانضغاط , فلذلك ضغط الهواء يرتفع كثيراً . و في بعض المحركات , يمكن لضغط الهواء أن يرتفع إلى ضغط مضروب بعامل يمكن أن يصل إلى (30) مرة . ضغط الهواء العالي هذا يُوَلَد عن طريق الضاغط الذي يظهر لنا باللون الأزرق الداكن . الهواء العالي الضغط يدخل منطقة الاحتراق , حيث تقوم منطقة حقن الوقود ببخ الوقود على البخار. الوقود عادةً ما يكون مادة الكيروسين ,أو وقود محركات نفاثة ,أو بروبان أو غاز طبيعي . أما فيما يتعلق في إشعال الشعلة أو الشرارة و المحافظة عليها , فالمشكلة التي تعترضنا هي مشكلة تصميم منطقة الاحتراق … حيث أن الهواء العالي الضغط يدخل هذه المنطقة بسرعة تعادل مئات الأميال في الساعة .و أنت تريد أن تحافظ على هذه الشعلة مستمرة في هذا المحيط . إن القطعة التي تحل هذه المشكلة تدعى ( حامل الشعلة ) و أحياناً يسمى (( القادر can)) . هذه القطعة هي عبارة عن تجويف لقطعة مثقّبة من معدن ثقيل . مقطعه العرضي مبين كما في الشكل :

حاقنات الوقود هي تلك الموجودة على اليمين باللون الأحمر , الهواء المضغوط يدخل عبر الثقوب . الغازات الناتجة تخرج من اليسار . يمكنك في الصورة السابقة رؤية أسطوانتين متوضعتين مع بعضهما و إحداهما تغلف الأخرى ليتم توجيه الهواء المضغوط للخروج عبر الثقوب .

 
إن الطرف اليساري من المحرك هو قسم العنفة . في هذا الرسم سوف تلاحظ وجود مجموعتين من العنفات . المجموعة الأولى هي التي تدير الضاغط مباشرةً . العنفات و المحور و الضاغط جميعهم يدورون معاً كوحدة متكاملة :

أما في أقصى اليسار فتوجد مرحلة العنفة النهائية , و التي تظهر هنا بمجموعة واحدة من الشفرات و هي التي تُدَوّر محو الخرج بشكل مستقل تماماً و بمفردها . حيث أن هذه العنفة و محور الخرج يدوران بشكل مستقل و بدون أي علاقة مع باقي المحرك . حيث أن الغازات الساخنة تصطدم بشفرات العنفة الأخيرة مولدة حوالي 1500 حصان , و بمقدورها قيادة دبابة من النوع ( M-1 ) التي وزنها 63 طن . في حال استخدام التوربين في الدبابات أو في وحدات الطاقة , فإنه لا يوجد فائدة من الغازات الناتجة ( غازات العادم ) و تمرر هذه الغازات عبر أنبوب العادم (أنبوب التصريف). أحياناً يتم تمرير أنبوب العادم في نوع من أنواع المبادلات الحرارية , إما للحصول على الحرارة لبعض الأغراض الأخرى أو لتسخين الهواء قبل أن يدخل إلى غرفة الإحتراق . كلامنا هذا يبدو شديد البساطة , و لكن هناك العديد الأمور لم نتطرق لها مثل المحامل ( التي تحمل المحور الدوّار ) , أو نظام التزييت , و البنية الداخلية لهذا المحرك , و كيفية توضع الشفرات و…… . كل هذه الأمور تعتبر من أكثر المشاكل الهندسية , وذلك بسبب درجات الحرارة العالية جداً و الضغوط و معدلات الدوران داخل المحرك .

إختلافات أخرى:
الطائرات النفاثة الكبيرة تستعمل مايسمى بالمحركات التوربينية المروحية , و التي لا تختلف عن المحركات التوربينية الغازية إلا بإضافة مروحة كبيرة في مقدمة المحرك , وهذا هو تصميم (شديد التبسيط) للمحرك التوربيني المروحي .
يمكنك أن ترى أن قلب المحرك التوربيني المروحي هو عبارة عن محرك توربيني غازي عادي كالمحرك الذي وصفناه في المقطع السابق . الاختلاف أن مرحلة العنفة النهائية هي التي تُدوّر المحور و من ثم يقوم هذا المحور بنقل هذه الطاقة التدويرية من المؤخرة إلى مقدمة المحرك لاعطاء هذه الطاقة للمروحة ( لتدوير المروحة ). و هي المبينة باللون الأحمر في الصورة . إن الغرض من هذه المروحة هي الزيادة الكبيرة لكمية الهواء العاملة في المحرك و بذلك يتم زيادة القوة الدافعة للمحرك . فعندما تقوم بالنظر إلى داخل المحرك في الطائرات النفاثة في المطار , الشيئ الذي ستراه هو المروحة الموجودة في مقدمة المحرك . إنها ضخمة و كبيرة حتى أن قطرها قد يصل إلى 10 أقدام (3 متر) في الطائرات الكبيرة. و لذلك فهي تستطيع تحريك المزيد من الهواء.

القوة الدافعة للمحرك النفاث :

 
إن الهدف من المحرك التوربيني المروحي هو انتاج القوة الدافعة لتسيير الطائرة و دفعها إلى الأمام . القوة الدافعة تقاس عادة بالباوندات في الولايات المتحدة (أما في النظام المتري فيستخدمون النيوتن , حيث أن كل 4.45 نيوتن تعادل باونداً واحداً ). فإذا كان لديك محركاً نفاثاً قادراً على انتاج باوند واحد من القوة الدافعة , فإنه يستطيع أن يدفع باونداً واحداً من أي مادة في الهواء . و بالمثل إذا كان المحرك النفاث قادر على توليد 5000 باوند من القوة الدافعة فإنه يستطيع أن يدفع 5000 باوند من المادة في الهواء .