نسبة الالتفافية

نسبة الالتفافية
تعرف نسبة الالتفافية للمحرك التوربيني المروحي بأنها النسبة بين معدل سريان كتلة الهواء المسحوبة بواسطة مروحة المحرك لتمر حول قلب المحرك إلى نسبة الهواء التي تدخل إلي قلب المحرك حيث تتواجد الأجزاء الدوارة وغرفة الاحتراق.
على سبيل المثال إذا كانت نسبة الالتفافية 1:10 فإن هذا معناه أن 10 كغم من الهواء مرت حول قلب المحرك بينما دخل إلي القلب 1 كغم من الهواء.
تساهم كتلة الهواء الباردة التي التفت حول المحرك وخرجت من فوهة في مسار منفصل تسمي بالفوهة الباردة لتختلط مع غازات العادم القادمة من قلب المحرك وتخرج من فوهة خاصة بها تسمى بالفوهة الساخنة مع كتلة غازات العادم الخارجة من قلب المحرك في إنتاج القوة الدافعة للمحرك.
نتيجة مساهمة كمية الهواء البارد الملتف حول قلب المحرك والمسحوب بواسطة المروحة في مقدمة المحرك في زيادة قوة الدفع للمحرك فإن هذا بالتالي يؤدي إلى خفض كمية الهواء الداخل لقلب المحرك وبالتالي خفض الاستهلاك النوعي للوقود بالنسبة لقوة الدفع المنتجة.
إذاً فإن خفض استهلاك الوقود يصحب نسبة الالتفافية المرتفعة التي تكون في المحركات التوربينية ذات مروحة الدفع المستخدمة لمروحة دافعة فضلا عن المحركات التوربينية المروحية المستخدمة لمروحة مغلقة أي محاطة بغلاف .
تستخدم المحركات ذات نسبة الالتفافية المرتفعة في الأغراض المدنية في طائرات نقل الركاب وأيضا في طائرات النقل العسكرية.
تستخدم الطائرات العسكرية المقاتلة محركات ذات نسبة التفافية منخفضة لتوازن بين اقتصادية استهلاك الوقود ومتطلبات الطائرة للقتال مثل:
نسب قدرة إلى وزن مرتفعة .
أداء الطائرة عند السرعات فوق صوتية حيث يحتاج لزيادة معدل الغازات المحترقة للحصول على طاقة أكبر لزيادة قوة دفع الطائرة ولذلك تزيد كمية الهواء الداخلة لقلب المحرك عن كمية الهواء الملتفة.
القدرة على استخدام حارق إضافي للغازات بعد التربينة لزيادة قوة الدفع؛ وبالتالي زيادة سرعة الطائرة.
وكل ذلك يتناسب مع المحركات ذات نسبة الالتفافية المنخفضة.
مبادئ العمل
في المحركات النفاثة حيث نسبة الالتفافية تساوي صفر , كل الهواء يدخل إلي قلب المحرك حيث يتم رفع ضغطه ثم توجيهه إلى غرفة الاحتراق حيث يخلط بالوقود ثم الاشتعال لرفع إنثالبي الخليط ثم يدخل علي التربينة لتستخرج منه كمية الشغل اللازمة لإدارة الضاغط ثم يخرج منه إلى فوهة دفع حيث تتحول الطاقة المتبقية في غازات العادم إلى طاقة حركة فتخرج من الفوهة بسرعة مرتفعة مولدة قوة الدفع للطائرة.
أما في المحركات التي لها نسبة التفافية؛ يدخل جزء من الهواء إلى قلب المحرك بواسطة مروحة، وجزء أخر يلتف حول قلب المحرك، وتنتج التربينة هنا شغل أكبر من حالة المحركات التي فيها نسبة الالتفافية تساوي صفر، حيث تعمل التريبنة هنا على إدارة الضاغط بالإضافة إلي مروحة دفع الهواء في مقدمة المحرك.
وتساهم كمية الهواء الملتفة بنسبة أكبر في إنتاج قوة الدفع عن غازات العادم الخارجة من الفوهة الساخنة في حالة المحركات ذات نسبة التفافية مرتفعة والعكس يحدث في حالة المحركات ذات نسبة التفافية منخفضة.
تتشابه تصاميم المحركات التوربينية المروحية حيث تقتصر وظيفة المروحة علي سحب الهواء للداخل بشكل قريب مع المحركات التوربينية ذات المروحة الدافعة حيث تستخدم مروحة دافعة للهواء لزيادة قوة الدفع.
تعتبر المحركات التوربينية المروحية مرحلة متوسطة من حيث إنتاج قوة الدفع بين المحركات النفاثة التوربينية التي تنتج معظم الدفع لها من غازات العادم نسبة الالتفاف لها صفر والمحركات التوربينية ذات المروحة الدافعة حيث تستخدم غازات العادم لإنتاج جزء قليل من الدفع اللازم لها نسبة التفاف عالية يبلغ 10% أو أقل.
للمحركات التي لها نسبة التفافية سرعتين لخروج الغازات، الأولي هي سرعة غازات العادم الخارجة من قلب المحرك، والثانية هي سرعة الهواء الملتف الخارج من المسار الأنبوبي حول قلب المحرك.
وصف المحركات المختلفة
تعتبر المحركات التوربينية النفاثة غير فعالة نسبيا طبقا لدورة برايتون, حيث تحول الطاقة الحرارية الناتجة من حرق خليط الوقود والهواء إلى طاقة حركة بشكل مباشر من خلال فوهة تمدد لتعطي غازات الخروج سرعة مرتفعة لدفع الطائرة الغرض الأساسي للمحرك دون استخدام الطاقة الحرارية في إنتاج أي طاقة ميكانيكية.
و تستخدم وحدة كيلو نيوتن لقياس القدرة الخارجة من المحرك التوربيني النفاث.
أما المحركات التوربينية المروحية فتعتبر فعالة طبقا لدورة برايتون، حيث تحول تربينتها الطاقة الحرارية الموجودة في خليط الوقود والهواء إلي طاقة ميكانيكية لعمود دوران.
الفرق الأساسي بين المحركات التوربينية النفاثة والمحركات التوربينية المروحية هو أن المحركات التوربينية النفاثة صٌممت تربينتها بحيث تستخرج جزء بسيط من الطاقة الحرارية المتاحة لإدارة الضاغط دون خروج أي طاقة ميكانيكية أخرى وتخرج غازات العادم مرتفعة الضغط ودرجة الحرارة والسرعة لإنتاج قوة الدفع.
العكس يحدث بالنسبة لتربينة المحركات التوربينية المروحية حيث صٌممت بمراحل أكثر لتحويل جزء أكبر من الطاقة الحرارية لطاقة ميكانيكية لإدارة الضاغط والمروحة، وتخرج غازات العادم هنا من التربينة منخفضة الضغط ودرجة الحرارة والسرعة أي أن قوة الدفع من هذه الغازات ستكون منخفضة لكن يعوضها قوة الدفع الناتجة عن الهواء الملتف حول قلب المحرك، عكس المحركات التوربينية النفاثة.
فقط القيود المرتبطة بالوزن والمواد من حيث قيم الإجهادات المسموح بها ونقطة الانصهار للمعدن تقلل كفاءة تحويل الطاقة الحرارية على طاقة ميكانيكية في المحركات التوربينية المروحية، ولذلك تبقي بعض الطاقة في غازات العام لتستخرج.
كل مرحلة(عضو ثابت + عضو دوار) يتم إضافتها إلي التربينة تسترجع جزء بسيط من الطاقة الميكانيكية بالنسبة للوزن، كما أن زيادة نسبة الانضغاط للمحرك بإضافة مرحلة للضاغط لزيادة الكفاءة الكلية تؤدي إلى زيادة درجة حرارة التربينة، ومع ذلك فإن المحركات مرتفعة نسبة الالتفافية يكون لها كفاءة دفع مرتفعة حيث يخرج منها حجم كبير من الهواء بسرعة مرتفعة وبالتالي بسبب كتلة الهواء الكبيرة وسرعته المرتفعة يحدث تغير كبير في كمية الحركة و قوة الدفع (حاصل ضرب كتلة الهواء في الفرق بين سرعة الخروج والدخول من المحرك).
نسب الالتفاف لمحركات مختلفة
المحركات التوربينية المروحية التي لم تذكر هنا يكون لها نسب التفاف مختلفة.
انظر أيضا
نسبة الضغط الكلي
معادلات إيلور التوربينية
دورة برايتون
آلات توربينية
مقبض الدفع
عاصفة الطائرة
أداء المحرك النفاث
المراجع
ديناميكا حرارية جوية
طائرات
محركات نفاثة
هندسة الميكانيك