Airbreathing jet engine
موتور جت تنفس هوا (یا موتور جت مجرای) "موتور" جتی است که جت گازهای داغ خروجی از هوا ایجاد می کند که توسط چندین مرحله فشرده سازی گریز از مرکز، محوری یا رام به موتور وارد می شود، که سپس گرم می شود و از طریق یک دستگاه نازل منبسط می شود.آنها معمولاً موتورهای توربین گازی هستند . اکثر جریان جرم از طریق یک موتور جت تنفس هوا توسط هوای گرفته شده از خارج از موتور تامین می شود و در داخل با استفاده از انرژی ذخیره شده به شکل سوخت گرم می شود.
همه موتورهای جت تنفس هوای عملی موتورهای احتراق داخلی هستند که مستقیماً هوا را با سوزاندن سوخت گرم می کنند و گازهای داغ حاصل از آن برای رانش از طریق یک نازل پیشران استفاده میشود، اگرچه تکنیک های دیگری برای گرم کردن هوا نیز آزمایش شده است (مانند موتورهای جت هسته ای ). بیشتر طراحی های مدرن موتور جت توربوفن ها هستند که تا حد زیادی جایگزین توربوجت ها شده اند. این موتورهای مدرن از هسته موتور توربین گازی با نسبت فشار کلی بالا (حدود 40:1 در سال 1995) و دمای ورودی توربین بالا (حدود 1800 کلوین در سال 1995) استفاده می کنند و بخش زیادی از رانش خود را با یک توربین مرحله فن موتوردار، نه با رانش خالص اگزوز مانند یک توربوجت تامین می‌کنند. این ویژگی‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا راندمان بالایی نسبت به یک توربوجت ایجاد کنند. تعدادی از موتورهای جت از افکت ram ساده ( ramjet ) یا احتراق پالس ( pulsejet ) برای ایجاد فشرده سازی استفاده می کنند.
موتور اصلی جت توربین گازی تنفس هوا، توربوجت بود. این مفهومی بود که توسط دو مهندس، فرانک ویتل در انگلستان و هانس فون اوهاین در آلمان، زنده شد. توربوجت هوا را فشرده و گرم می کند و سپس آن را به عنوان یک جت با سرعت بالا و دمای بالا برای ایجاد نیروی رانش تخلیه می کند. در حالی که این موتورها قادر به ارائه سطوح رانش بالا هستند، به دلیل طبیعت کم جریان جرم و سرعت زیاد اگزوز جت، در سرعت های بسیار بالا (بیش از 1 ماخ) کارآمدتر هستند.
توربوفن های مدرن توسعه ای از توربوجت هستند. آنها اساساً یک توربوجت هستند که شامل بخش جدیدی به نام "مرحله فن هستند" . موتور توربوفن به جای استفاده از تمام گازهای خروجی خود برای ایجاد نیروی رانش مستقیم مانند یک توربوجت، مقداری از قدرت را از گازهای خروجی داخل موتور استخراج می کند و از آن برای تامین انرژی مرحله فن استفاده می کند. مرحله فن حجم زیادی از هوا را از طریق یک مجرا شتاب می دهد و "هسته موتور" (جزء واقعی توربین گاز موتور) را دور می زند و آن را به عنوان یک جت از عقب بیرون می کند و نیروی رانش ایجاد می کند. بخشی از هوا که از مرحله فن می‌آید، به جای اینکه به سمت عقب هدایت شود، وارد هسته موتور می‌شود و در نتیجه فشرده و گرم می‌شود. مقداری از انرژی برای تامین انرژی کمپرسورها و فن ها استخراج می شود، در حالی که باقیمانده در قسمت عقب تخلیه می شود. این اگزوز پر سرعت و گاز داغ با اگزوز با سرعت پایین و هوای خنک از مرحله فن ترکیب می شود و هر دو به نیروی رانش کلی موتور کمک می کنند. بسته به اینکه چه نسبتی از هوای خنک دراطراف هسته موتور دور زده می شود، یک توربوفن را می توان موتورهای "بای پس" "کم، بای پس" "بالا یا بای پس بسیار بالا نامید."
"موتورهای بای‌پس پایین" اولین موتورهای توربوفن تولید شده بودند و بیشتر نیروی رانش خود را از گازهای اگزوز هسته داغ تامین می کردند، در حالی که مرحله فن فقط مکمل این امر است. این موتورها هنوز هم معمولاً در هواپیماهای جنگنده نظامی دیده می‌شوند، زیرا دارای ناحیه جلویی کوچک‌تری هستند که در سرعت‌های مافوق صوت نیروی کششی کمتری ایجاد می‌کند و نیروی رانش تولید شده توسط موتور برای به حرکت درآوردن هواپیما بیشتر می‌شود. سطح سر و صدای نسبتاً بالای آن‌ها و مصرف سوخت زیر صوت در چنین کاربردهایی قابل قبول تلقی می شود، در حالی که اگرچه نسل اول هواپیماهای مسافربری توربوفن از موتورهای بای‌پس کم استفاده می کردند، سطح سر و صدای بالا و مصرف سوخت آن‌ها به این معنی است که آن‌ها برای هواپیماهای بزرگ از بین رفته اند. "موتورهای بای پس بالا" دارای یک فن بسیار بزرگتر هستند و بیشتر نیروی رانش خود را از هوای مجرای فن تامین می کنند. هسته موتور نیرو را برای مرحله فن تامین می کند و تنها بخشی از نیروی رانش کلی از جریان خروجی اگزوز هسته موتور می آید. یک توربوفن بای پس بالا بسیار شبیه به یک موتور توربوپراپ عمل می کند، با این تفاوت که از یک "فن" چند پره به جای یک ملخ چند پره استفاده می کند، و به یک مجرای متکی است تا جریان هوا را به درستی بردار برای ایجاد نیروی رانش است.
در چند دهه گذشته، حرکتی به سمت "موتورهای بای‌پس بسیار بالا صورت گرفته است" که از فن‌هایی بسیار بزرگتر از خود هسته موتور استفاده می کنند، که معمولاً یک طراحی مدرن و با راندمان بالا دو یا سه قرقره است. این راندمان و قدرت بالا همان چیزی است که به چنین فن های بزرگی اجازه می دهد تا قابل دوام باشند، و افزایش نیروی رانش موجود (تا 75000 پوند به ازای هر موتور در موتورهایی مانند رولزرویس ترنت XWB یا جنرال الکتریک GENx )، امکان حرکت به دوقلو بزرگ را فراهم کرده است. هواپیماهای موتوری، مانند ایرباس A350 یا بوئینگ 777 ، و همچنین به هواپیماهای دو موتوره اجازه می دهد در مسیرهای طولانی روی آب ، که قبلاً در حوزه هواپیماهای 3 موتوره یا 4 موتوره بودند، کار کنند.
موتورهای جت برای نیرو دادن به هواپیماها طراحی شده‌اند، اما برای نیرو دادن به خودروهای جت و قایق‌های جت برای تلاش‌های ثبت سرعت، و حتی برای مصارف تجاری مانند راه‌آهن برای پاک‌سازی برف و یخ از سوئیچ‌ها در راه‌آهن (نصب شده در واگن‌های ریلی ویژه) توسط مسیرهای مسابقه برای خشک کردن سطوح پیست پس از باران .(نصب شده در کامیون های مخصوص با خروج اگزوز جت بر روی سطح پیست).
موتورهای جت تنفس هوا تقریباً همیشه موتورهای احتراق داخلی هستند که نیروی محرکه را از احتراق سوخت داخل موتور بدست می آورند. اکسیژن موجود در اتمسفر برای اکسید کردن یک منبع سوخت، معمولاً یک سوخت جت مبتنی بر هیدروکربن، استفاده می‌شود. حجم مخلوط سوخته به شدت افزایش می یابد و هوای گرم شده را از طریق یک نازل پیشران هدایت می کند.
موتورهای توربین گازی:موتور جت رم:موتور جت احتراق پالسی:دو مهندس، فرانک ویتل در بریتانیا و هانس فون اوهاین در آلمان ، مفهوم توربوجت را به طور مستقل به موتورهای عملی در اواخر دهه 1930 توسعه دادند.
توربوجت ها از یک ورودی، یک کمپرسور ، یک محفظه احتراق، یک توربین (که کمپرسور را به حرکت در می آورد) و یک نازل پیشران تشکیل شده اند. هوای فشرده در محفظه احتراق گرم می شود و از توربین عبور می کند، سپس در نازل منبسط می شود تا یک جت پیشران با سرعت بالا تولید کند
موتورهای توربوجت دارای راندمان پیشرانه پایینی در حدود 2 ماخ هستند و صدای جت زیادی تولید می کند که هر دو نتیجه سرعت بسیار بالای اگزوز است. هواپیماهای جت پیشران مدرن از توربوفن نیرو می گیرند. این موتورها با سرعت اگزوز کمتر، صدای جت کمتری تولید می کنند و سوخت کمتری مصرف می کنند. هنوز هم از توربوجت ها برای تامین انرژی موشک های کروز میان برد استفاده میشود به دلیل سرعت بالای اگزوز، ناحیه جلویی کم، که کشش را کاهش می دهد و سادگی نسبی، که هزینه را کاهش می دهد.
اکثر موتورهای جت مدرن توربوفن هستند. کمپرسور کم فشار (LPC) که معمولاً به عنوان فن شناخته می شود، هوا را به یک کانال بای‌پس فشرده می کند در حالی که قسمت داخلی آن کمپرسور هسته را سوپرشارژ می کند. فن اغلب بخشی جدایی ناپذیر از یک LPC هسته چند مرحله ای است. جریان هوای بای پس یا به یک "نازل سرد" جداگانه منتقل می شود یا با گازهای خروجی توربین فشار پایین مخلوط می شود، قبل از اینکه از طریق "نازل جریان مخلوط" منبسط شود.
در دهه 1960 تفاوت چندانی بین موتورهای جت نظامی و غیرنظامی وجود نداشت، جدای از استفاده از پس سوز در برخی کاربردها (فوق صوت). امروزه از توربوفن ها برای هواپیماهای مسافربری استفاده می شود زیرا سرعت اگزوز آنها بهتر با سرعت پرواز زیر صوت هواپیما مطابقت دارد. در سرعت پرواز هواپیما، سرعت اگزوز موتور توربوجت بسیار زیاد است و انرژی را هدر می دهد. سرعت اگزوز کمتر از یک توربوفن باعث مصرف سوخت بهتر می شود. افزایش جریان هوا از فن، نیروی رانش بالاتری را در سرعت های پایین ایجاد می کند. سرعت اگزوز کمتر نیز صدای جت بسیار کمتری می دهد.
فن نسبتاً بزرگ جلویی اثرات متعددی دارد. در مقایسه با یک توربوجت با رانش یکسان، یک توربوفن سرعت جریان جرم هوای بسیار بیشتری دارد و جریان از طریق مجرای بای پس بخش قابل توجهی از رانش را ایجاد می کند. هوای مجرای اضافی مشتعل نشده است که به آن سرعت آهسته می دهد، اما برای تامین این رانش به سوخت اضافی نیاز نیست. در عوض، انرژی از هسته مرکزی گرفته می‌شود که به آن سرعت اگزوز کاهش می‌یابد. بنابراین سرعت متوسط هوای خروجی مخلوط کاهش می یابد ( رانش ویژه کم ) که انرژی کمتری هدر می دهد اما حداکثر سرعت را کاهش می دهد. به طور کلی، یک توربوفن می‌تواند بسیار کم مصرف‌تر و کم‌صداتر باشد، و به نظر می‌رسد که فن همچنین اجازه می‌دهد تا رانش خالص بیشتری در سرعت‌های آهسته در دسترس باشد.
بنابراین، امروزه توربوفن‌های معمولی دارای سرعت اگزوز پایینی هستند ( "تراست ویژه" کم – رانش خالص تقسیم بر جریان هوا) تا صدای جت را به حداقل برسانند و بازده سوخت را بهبود بخشند. در نتیجه، نسبت بای پس (جریان بای پس تقسیم بر جریان هسته) نسبتاً بالا است (نسبت‌های 4:1 تا 8:1 رایج هستند)، با رولزرویس ترنت XWB به 10:1 نزدیک می‌شود. فقط یک مرحله فن مورد نیاز است، زیرا یک رانش خاص پایین به معنی نسبت فشار پایین فن است.
توربوفن‌ها در هواپیماهای غیرنظامی معمولاً دارای یک قسمت جلوی بزرگ برای قرار دادن یک فن بسیار بزرگ هستند، زیرا طراحی آنها شامل حجم بسیار بیشتری از هوا است که هسته را دور می‌زند تا بتوانند از این اثرات بهره ببرند، در حالی که در هواپیماهای نظامی ، که صدا و کارایی کمتری دارند. در مقایسه با عملکرد و درگ مهم است، مقدار کمتری از هوا معمولاً هسته را دور می زند. توربوفن‌های طراحی‌شده برای هواپیماهای غیرنظامی زیر صوت معمولاً فقط یک فن جلویی دارند، زیرا نیروی رانش اضافی آن‌ها توسط یک توده هوای اضافی که فقط به طور متوسط فشرده می‌شود، به جای مقدار کمتری از هوا که به شدت فشرده می‌شود، ایجاد می‌شود.
با این حال، توربوفن‌های نظامی دارای رانش ویژه نسبتاً بالایی هستند تا نیروی رانش را برای یک منطقه جلویی معین به حداکثر برسانند، نویز جت در کاربردهای نظامی نسبت به مصارف غیرنظامی نگرانی کمتری دارد. فن های چند مرحله ای معمولاً برای رسیدن به نسبت فشار نسبتاً بالای فن مورد نیاز برای رانش ویژه بالا مورد نیاز هستند. اگرچه معمولاً از دمای بالای ورودی توربین استفاده می شود، نسبت بای پس پایین است، معمولاً به طور قابل توجهی کمتر از 2.0.
موتورهای توربوپراپ مشتقات موتورهای جت، توربین‌های گازی ساکن هستند که کار را از جت اگزوز داغ استخراج می‌کنند تا یک شفت دوار را بچرخانند، که سپس برای تولید نیروی رانش به روش‌های دیگر استفاده می‌شود. در حالی که موتورهای جت کاملاً به مکانیزم کمکی برای تولید نیروی رانش متکی نیستند، توربوپراپ ها بسیار شبیه به سایر موتورهای جت مبتنی بر توربین هستند و اغلب به این صورت توصیف می شوند.
در موتورهای توربوپراپ، بخشی از نیروی رانش موتور به جای تکیه بر اگزوز جت پرسرعت، با چرخاندن پروانه تولید میشود. توربوپراپ ها با تولید نیروی رانش در هر دو طرف، گهگاه به عنوان نوعی موتور جت هیبریدی شناخته می شوند. تفاوت آنها با توربوفن ها در این است که یک پروانه سنتی، به جای یک فن مجرای، بیشترین نیروی رانش را فراهم می کند. بیشتر توربوپراپ ها از چرخ دنده بین توربین و پروانه استفاده می کنند. ( توربوفن های دنده ای نیز دارای کاهش دنده هستند، اما کمتر رایج هستند. ) اگزوز هات جت اقلیت مهمی از رانش است و حداکثر نیروی رانش با تطبیق دو سهم رانش به دست می آید. توربوپراپ‌ها معمولاً عملکرد بهتری نسبت به توربوجت‌ها یا توربوفن‌ها در سرعت‌های پایین دارند که راندمان ملخ بالاست، اما در سرعت‌های بالا به طور فزاینده‌ای پر سر و صدا و ناکارآمد می‌شوند.
موتورهای توربوشفت بسیار شبیه به توربوپراپ‌ها هستند، با این تفاوت که تقریباً تمام انرژی موجود در اگزوز برای چرخاندن شفت دوار استخراج می‌شود که به جای یک ملخ برای نیرو دادن به ماشین‌آلات استفاده می‌شود. هلیکوپتر .
موتور پروفن (همچنین به آن «فن بدون مجرا»، «روتور باز» یا «بای پس فوق‌العاده بالا» نیز گفته می‌شود) یک موتور جت است که از ژنراتور گاز خود برای تأمین انرژی یک فن در معرض، مشابه موتورهای توربوپراپ استفاده می‌کند. مانند موتورهای توربوپراپ، پروفن ها بیشتر نیروی رانش خود را از پروانه تولید می کنند و نه جت اگزوز. تفاوت اصلی بین طراحی توربوپراپ و پروفن در این است که تیغه‌های پروانه روی پروفن به شدت جاروب می‌شوند تا به آن‌ها اجازه می‌دهد با سرعت‌های حدود 0.8 ماخ کار کنند، که قابل رقابت با توربوفن‌های تجاری مدرن است. این موتورها دارای مزایای بهره وری سوخت توربوپراپ با قابلیت عملکرد توربوفن های تجاری هستند. در حالی که تحقیقات و آزمایش های قابل توجهی (از جمله آزمایش پرواز) روی پروفن ها انجام شده است، هیچ کدام وارد تولید نشده اند.
اجزای اصلی یک توربوجت شامل ارجاع به توربوفن ها، توربوپراپ ها و توربوشفت ها می‌باشد.اجزای مختلف نام‌گذاری شده در بالا محدودیت‌هایی در نحوه کنار هم قرار دادن آنها برای ایجاد بیشترین بازده یا عملکرد دارند. عملکرد و کارایی یک موتور را هرگز نمی توان به صورت مجزا در نظر گرفت. به عنوان مثال، راندمان سوخت/فاصله موتور جت مافوق صوت در حدود 2 ماخ به حداکثر می رسد، در حالی که نیروی پسا برای وسیله نقلیه حامل آن به عنوان یک قانون مربع افزایش می یابد و در ناحیه فراصوتی کشش بسیار بیشتری دارد. بنابراین بالاترین راندمان سوخت برای خودروی کلی معمولاً 0.85 ماخ است.
برای بهینه‌سازی موتور برای استفاده مورد نظر، در این‌جا مهم طراحی ورودی هوا، اندازه کلی، تعداد مراحل کمپرسور (مجموعه پره ها)، نوع سوخت، تعداد مراحل اگزوز، متالورژی قطعات، مقدار هوای بای‌پس مورد استفاده، جایی که بای‌پس است. هوا معرفی شده است و بسیاری از عوامل دیگر. یک مثال طراحی ورودی هوا است.
ترمودینامیک یک موتورجت معمولی تنفس هوا تقریباً توسط یک چرخه برایتون مدل‌سازی می‌شود که یک چرخه ترمودینامیکی است که عملکرد موتور توربین گازرا توصیف می‌ کند، که اساس موتور جت تنفس هوا و غیره است. این به نام جورج برایتون (1830-1892)، مهندس آمریکایی ثبت شده است که اگر چه آن در اصل پیشنهاد شده و ثبت شده توسط مرد انگلیسی جان باربر در 1971 است. گاهی اوقات به عنوان چرخه ژول نیز شناخته می شود.
رم‌جت نوعی موتور جت تنفسی است که از حرکت رو به جلو موتور برای فشرده‌سازی هوای ورودی، بدون کمپرسور چرخشی استفاده می‌کند. رم‌جت‌ها نمی توانند نیروی رانش را با سرعت هوایی صفر تولید کنند و بنابراین نمی توانند هواپیما را از حالت سکون حرکت دهند. رم‌جت‌ها برای عملکرد خوب به سرعت رو به جلو قابل توجهی نیاز دارند و به عنوان یک کلاس در سرعت های حدود 3 ماخ  کارامدترین کار را دارند. این نوع جت می تواند تا سرعت6 ماخ کار کند.
آن‌ها از سه بخش تشکیل شده‌اند. یک ورودی برای فشرده‌سازی هوای ورودی، یک محفظه احتراق برای تزریق و احتراق سوخت و یک نازل برای بیرون راندن گازهای داغ و تولید نیروی رانش. رم‌جت‌ها برای فشرده سازی موثر هوای ورودی به سرعت نسبتا بالایی نیاز دارند، بنابراین رم‌جت‌ها نمی‌توانند در حالت سکون کار کنند و در سرعت‌های مافوق صوت بیشترین کارایی را دارند. یکی از ویژگی‌های کلیدی موتورهای رم جت این است که احتراق در سرعت‌های زیر صوت انجام می شود. هوای ورودی مافوق صوت به طور چشمگیری از طریق ورودی کاهش می‌یابد، جایی که سپس با سرعت بسیار پایین تر و مادون صوت احتراق می شود. با این‌حال، هرچه هوای ورودی سریع‌تر باشد، کاهش سرعت آن به سرعت زیر صوت کمتر می‌شود. بنابراین، موتورهای رم‌جت به حدود 5 ماخ محدود هستند .
رم جت ها می توانند به ویژه در کاربردهایی که به موتور کوچک و ساده برای استفاده با سرعت بالا نیاز دارند، مانند موشک ها مفید باشند، در حالی که طراحان سلاح به دنبال استفاده از فناوری رام جت در گلوله های توپ‌خانه برای ایجاد برد بیشتر هستند: پیش‌بینی می شود که یک گلوله خمپاره 120 میلی متری، اگر توسط یک رمجت کمک شود، می تواند به برد . آنها همچنین به عنوان جت های نوک بر روی روتور هلیکوپتر به طور موفقیت آمیزی، هرچند نه کارآمد، استفاده شده اند.
رم جت ها اغلب با پالس جت ها اشتباه گرفته می شوند که از احتراق متناوب استفاده می کنند، اما رم جت ها از فرآیند احتراق پیوسته استفاده می کنند و یک نوع کاملاً متمایز از موتور جت هستند.