امتیاز موضوع:
  • 34 رأی - میانگین امتیازات: 2.82
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
توربوشارژرها، چرا و چگونه؟
#1

توربوشارژرها، چرا و چگونه؟



[تصویر:  02025893551277909292_thumb.jpg]
ایروسنتر ( Aerocenter.ir ) : تحقیقات نشان می دهد که موتورهای پیستونی با افزایش ارتفاع دچار افت کارایی می شوند. تحقیقات شرکت موتورسازی جنرال الکتریک در این رابطه نشان می دهد که یک هواپیما با موتور پیستونی برای انجام مانور و داشتن پایداری، به حداقل 30% قدرت موتور خود نیاز دارد. این مشکل از آنجا نشات می گیرد که هر چه از سطح دریا بیشتر فاصله بگیریم غلظت و فشار هوا کمتر می شود. تا جایی که در ارتفاع حدود 25000 پا فشار هوا از عدد 14.7 به 5.45 اینچ بر متر مربع می رسد. در صورتی که با نحوه کارایی یک موتور پیستونی آشنا باشیم متوجه می شویم که مشکل دقیقا همین کاهش فشار هواست و موتور برای کارایی بهتر نیاز به هوای بیشتری دارد تا با سوخت ترکیب و بعد از احتراق از آن استفاده کند.


[تصویر:  29745594081573073735_thumb.jpg]
در اینجا این سوال پیش می آید که چرا موتورهای جت مانند این موتورهای پیستونی دچار مشکل نمی شوند. جواب در تفاوت سیستم کاری آنهاست .تفاوت موتورهای پیستونی با موتور های جت این است که در موتورهای جت قبل از وارد شدن هوا به سیکل موتور، یک مرحله فشرده سازی هوا وجود دارد که باعث می شود تا ارتفاع های قابل توجهی هوای مورد نیاز موتور برای احتراق تامین شود. بنابر این اگر بخواهیم با استفاده از موتورهای پیستونی به ارتفاع های بالای 20000 پا دست یابیم، نیاز به این داریم که هوا را به نحوی فشرده کرده و در اختیار موتور قرار دهیم. این کار می تواند توسط توربوشارژر ها و یا سوپر شارژر ها انجام شود. به صورت کلی عمل تقویت موتورهای پیستونی بر روی خودروها با استفاده از این دو نوع است. هر دوی اینها اساس کاری مشابهی را دنبال می کنند به این صورت که هوای محیط را گرفته و فشرده می کنند و در اختیار موتور قرار می دهند. تفاوت کاری آنها در این است که سوپرشارژر ها اساس کاری ساده تری دارند و توان مورد نیاز خود را برای فشرده سازی به طور مستقیم از موتور دریافت می کنند. این در حالی است که توربوشارژرها توان مورد نیاز خود را از گازهای خروجی موتور دریافت می کنند. استفاده از این دو تقویت کننده نیز تفاوت هایی با هم دارند. سوپرشارژرها هم زمان با شروع به کار موتور فعالیت خود را شروع می کنند ولی استفاده از توربوشارژرها نیازمند شرایط خاص خود است. نصب سوپرشارژرها بر روی موتور نیز ساده تر است ولی راندمان توربوشارژرها به این دلیلی که از موتور به طور مستقیم نیرو نمی گیرند بالاتر است. سوپرشارژر ها نسبت به توربوشارژرها از سه مزیت برخوردار هستند. اندازه کوچکتر، ساز و کار ساده تر با وجود لوله کشی های کمتر و همین طور به دلیل تولید گرمای کمتر، نیاز کمتری به قطعاتی با تحمل دمای بالا دارند. تفاوت دیگر آن است که سوپرشارژر ها متناسب با ارتفاعی که می گیرند نیاز به افزایش قدرت موتور دارند تا کمپرسور سریعتر عمل کند و هوای مورد نیاز موتور را تامین کند. در حالی که توربوشارژرها می توانند قدرت کمپرسور را متناسب با شرایط و با وابستگی کمتر به موتور به طور جداگانه تنظیم کنند. یکی دیگر از تفاوت های بسیار مهم این دو تکنولوژی، میزان مصرف سوخت آنهاست. توربوشارژرها نسبت به سوپرشارژرها مصرف سوخت بسیار پایین تری دارند و با توجه به هزینه سوخت، این مزیت بیشتر به چشم می آید.


[تصویر:  42157212810734714262_thumb.gif] [تصویر:  09638930669091266432_thumb.jpg]

در مورد موتور هواپیماها به دلایل ذکر شده استفاده از توربوشارژر ها رایج تر است با این حال ترکیب این دو نیز ممکن است. که به آن توربو- سوپر شارژر گفته می شود. در زیر به طور اجمالی به توضیح ساز و کار توربوشارژرها می پردازیم: هوای مورد نیاز برای عملیات احتراق، که به آن ramming گفته می شود، از طریق یک ورودی به داخل توربوشارژر کشیده می شود. میزان فشرده سازی هوا توسط توربوشارژر به سرعتی که در آن فعالیت می کند بستگی دارد و می تواند بسیار بالا باشد. این باعث می شود که در ارتفاع 25000 پایی فشار هوا از 11 واحد در بیرون از موتور به 50 واحد در داخل افزایش یابد. این میزان افزایش فشار و کاهش حجم باعث بالا رفتن زیاد دما می شود به طوری که در ارتفاع مذکور دمای هوا از30- درجه فارنهایت به 150 درجه فارنهایت می رسد. برای کاهش این دما توربوشارژرها به یک سیستم خنک کننده داخلی مجهز هستند که باعث می شوند تا دما کاهش یابد و کمی هم افزایش چگالی داشته باشد. بعد از عبور این هوا از کاربراتور ، جهت افزایش فشار می توان یک مرحله کمپرس دیگر در این قسمت قرار داد. با اضافه کردن یک سوپرشارژر داخلی این امر محقق می شود. این سوپر شارژر که توان خود را به طور مستقیم از موتور می گیرد، می تواند هوا را تا میزان 1.5 به 1 فشرده کند. افزایش دما در این مرحله زیادتر از حد مجاز نخواهد بود و همچین فشار حاصل شده کاملا مناسب استفاده در سیلندرها خواهد بود. گازهای حاصل از احتراق از طریق یک مجرا به سمت نازل هدایت می شوند. این سیستم طوری طراحی شده است که به گاز اجازه انبساط و افزایش سرعت می دهد. هوای مازاد خارج می شود و باقی مانده آن برای چرخاندن توربین استفاده می شود. به این روش یک چرخه کامل می شود.



[تصویر:  12697189031880049589_thumb.jpg][تصویر:  58716362852406899865_thumb.jpg]




در مورد کارایی این نوع موتورها بر روی هواپیماها می توانیم به مصاحبه آقای مایک بوش توجه کنیم. مایک بوش یکی از کارمندان قسمت فنی شرکت سسنا، با سابقه 6000 ساعت پرواز تجاری ، تجربه 36 سال پرواز و 33 سال مالک هواپیما بودن، 14 سال گذشته گذشته را با هواپیمای t310r شرکت سسنا گذرانده است. کار تعمیر و مراقبت این هواپیما را خود به عهده گرفته است ، وی هم اکنون در حال اخذ گواهینامه تعمیر و مراقبت هواپیما A&P است.

[تصویر:  51950413428558567558_thumb.jpg]

وی از طرفداران استفاده از توربوشارژرهاست. آقای بوش در مصاحبه ای می گوید: مخالفان استفاده از توربو شارژر ها در گذشته به مقرون به صرفه نبودن آنها ، سختی در تعمیر و مراقبت، مشکل زا بودن، کوتاهی دوره های تعمیر اساسی و افزایش هزینه اشکال می گرفتند. اما حقیقت این است که این موتورها بسیار اطمینان پذیر ، به صرفه و بدون مشکل هستند. این موتورها نوعا، دارای دوره تعمیراساسی تا 500 ساعت هستند بدون اینکه با مشکل از دست رفتن سیلندرها مواجه شوند. بعضی از مخالفان به این موضوع اشاره می کنند که این موتورها در افزایش ارتفاع بسیار بدون صرفه سوختی هستند. البته اشکالاتی در این موتورها نظیر ایجاد نسبت فشار کمتر نسبت به حالت عادی در آنها وجود دارد( مثلا در بعضی موارد 6.5 به 1 در مقابل 7.5 به 1) و همین طور کمی مصرف سوخت بیشتر، ولی این تمام حقیقت نیست برای مثال در افزایش ارتفاع از 6000 پا به 12000 پا، یک موتور توربوشارژر با 310 اسب بخار قدرت می توان این کار را با 5 نات سرعت بیشتر و البته مصرف سوخت کمتر انجام داد. در حقیقت مصرف سوخت کمتر موتورهای معمولی فقط وقتی حقیقت دارد که هر دو گونه را در ارتفاع پایین یکسانی آزمایش کنید.(در مورد افزایش مصرف سوخت در ادامه توضیح داده خواهد شد) گفته های آقای بوش تمام ماجرا نیست، آزمایش های شرکت جنرال الکتریک بر روی سه نوع موتور خاص که یکی معمولی، یک سوپرشارژر دنده ای و دیگری توربوشارژر است نشان می دهد که توربو ها به طور کلی توانایی بسیار بالاتری در پرواز در ارتفاع های بالا نسبت به موتورهای هم قدرت خود دارند.



[تصویر:  75998983721385154758_thumb.jpg]


نصب توربو شارژر و سوپرشارژر بر روی موتور های پیستونی خودرو ها کار سختی نیست و این عمل در داخل کشور انجام می شود. ولی ساخت این تقویت کننده ها در داخل کشور انجام نمی شود و افرادی که تمایل به نصب آنها بر روی ماشین های خود داشته باشند، از خارج از کشور سفارش می دهند. هزینه خرید توربوشارژرها در بازار از 700 تا 3000 دلار بسته به نیاز و قدرت موتور متفاوت است. تقویت موتورها به وزن موتور خواهد افزود. وزن کمپرسور می تواند تا 26 کیلوگرم نیز بالا رود و البته باید وزن تجهیزات دیگر مانند لوله های انتقال هوا را نیز به آن افزود. ولی در مورد موتور هواپیماها، موتورها معمولا با این گونه وسایل ساخته می شوند و در درون وسیله قرار می گیرند و می شود گفت که نمی توان موتور یک هواپیما را به این روش تقویت کرد. چون هواپیما نسبت به تغییر حجم تجهیزات داخلی و همین طور افزایش وزن حساس است. بالاخص هواپیماهای سبک.

در صورتی که بخواهیم یک هواپیما با موتور پیستونی تقویت شده بسازیم، باید به مانند شرکت های سازنده ابتدا موتور مورد نظر را تقویت کرده و محاسبات را برای نصب آن در یک هواپیمای مناسب انجام دهیم. این هواپیما می تواند حاصل یک طراحی کاملا جدید باشد و یا اینکه با تغییراتی در طراحی یک هواپیما آن را مناسب پذیرش موتور جدید کرد. در صورتی که بخواهیم یک توربوشارژر طراحی کنیم و بسازیم، نکاتی وجود دارد:

. محل نصب ورودی هوا برای فشرده شدن در کمپرسور باید در لبه حمله بال و یا ورودی پوسته موتور قرار گیرد. این کار باعث می شود که پسای کمتری وارد شود و هم این که می توان از سرعت هوای ورودی حداکثر استفاده را برای فشرده کردن آن به صورت خودکار، برد. به این معنی که هوا با سرعتی که دارد به سطح کمپرسور برخورد می کند و خود تا حدی باعث فشرده شدن خود می شود.




. ورودی هوا باید شامل دو یا تعداد بیشتری لوله باشد که توسط یک مفصل منعطف به یکدیگر وصل می شوند. این مفصل در بین ورودی ها و کمپرسور واقع می شود. این کار از به وجود آمدن ارتعاش زیاد ، در هنگام برخورد هوای با سرعت بالا با کمپرسور، جلوگیری می کند.
. همان طور که توضیح داده شد، مقدار هوای مازاد حاصل از احتراق را باید قبل از رسیدن به توربین از فرآیند خارج کرد. از آنجایی که نیاز به توربوشارژر در ارتفاع های مختلف متفاوت است و همیشه نیاز به تمام توان توربو نداریم، باید لوله های خروج هوا را طوری طراحی کرد که قابلیت تنظیم هوای خروجی در هر لحظه مهیا باشد.
. همانطور که آقای بوش هم در مصاحبه خود گفتند، توربو شارژر ها باعث افزایش مصرف سوخت می شوند. این موضوع به دلیل نوع ساز و کار موتورهاست. خودروهای قدیمی با کاربراتور به صورت خودکار مقدار سوخت را افزایش می دهند تا مناسب افزایش هوای ورودی شود،خودروهای مدرن با انژکتور نیز این کار را انجام می دهند،سیستم انژکتور بر مبنای سنسورهای اکسیژن در اگزوز کار می کنند تا نعیین کنند که نسبت سوخت و هوا درست است یا نه بنابراین در این سیستم نیز اگر توربوشارژر اضافه شود مقدار سوخت ورودی خود به خود افزایش می یابد اگر یک توربوشارژر با فشار بالا به یک خودروی انژکتوری اضافه شود ممکن است کنترل کننده ی انژکتور اجازه ی ورود سوخت زیاد را ندهد ویا پمپ بنزین و تزریق کننده ها توانایی رساندن این مقدار سوخت را نداشته باشند،در این حالت از قابلیت تنظیم هوای خروجی استفاده می شود و هوای ورودی به داخل موتور تنظیم می گردد تا مشکلی هم به نام افزایش مصرف سوخت به وجود نیاید.
. طراحی سیستم خنک کننده نیز یکی از نکات مهم می باشد. از طرفی این سیستم باید خنک کنندگی لازم جهت افزایش چگالی سیال ورودی را داشته باشد و از طرف دیگر نباید مقاومت زیادی در مقابل با حرکت آن نشان دهد. . سیستم انتقال گاز از سیلندر به نازل باید طوری طراحی شوند که اجازه انبساط به گاز را داده و در عین حال از ارتعاش نیز جلوگیری کند. در صورت به وجود آمدن ارتعاش، نازل دچار مشکل می شود و شکل آن به هم می خورد. بدین منظور باید از مفاصل انعطاف پذیر در لوله کشی ها استفاده کرد.
. مشکل دیگری که توربوشارژرها با آن مواجه اند، واماندگی می باشد. این مشکل زمان کار توربوشارژر و هنگامی که دسته گاز فشرده شود اتفاق می افتد. توربین دارای وزن است و لذا در مقابل تغییر در حرکت از خود مقاومت نشان می دهد. پره کوچکتر توربین با اینرسی کمتر شاید مشکل را حل کند ولی مساحت کوچک پره توربین باعث می شود توربین در سرعت های پایین نچرخد. اگر چه پره های توربین بزرگتر تمایلی به توقف یک مرتبهندارند اما در آنها مشکل وزن و اینرسی همچنان وجود دارد.در اغلب موارد به منظور جلوگیری از پدیده واماندگی از توربوشارژرهای دو زنجیره ای استفاده می شود، که یک توربوشارژر کوچکتر جلوی توربوشارژر بزرگتر کار می کند. توربوشارژر کوچک، سرعتهای کمتر را پوشش می دهد و توربوشارژر بزرگ سرعت های بیشتر را.راه دیگر غلبه بر این مشکل استفاده از توربین های با پره سرامیکی است که وزن کمتری دارند. لذا می توان توربین های بزرگتری را به کار گرفت طوری که در سرعت های بالا مقاوم باشند و در سرعتهای پایین مشکل واماندگی نداشته باشند. .اصطکاک از دیگر مشکلات توربوشارژر است. شفت رابط قسمتهای دوار بایستی روغنکاری شوند و روغنکاری نیز مشکلات خاص خودش را از قبیل نوع روغن، حجم و زمان روغن کاری و درجه حرارت قابل قبول دارا است. می توان به جای روغن از بلبرینگ (Ball bearing) استفاده کرد. آنها طوری ساخته می شوند که در برابر درجه حرارتهای بالا مشکلی نداشته باشند. این یاتاقان ها آزادانه می چرخند و اصطکاک روی شفت را از بین می برند. اما هزینه آنها زیاد است و در سیستمهای با راندمان بالا مورد استفاده قرار می گیرند.

[تصویر:  02025893551277909292_thumb.jpg]

. موضوع مهم دیگر در توربوشارژرها مسئله تراکم است . اگر تراکم در هنگام ورود هوا به داخل محفظه احتراق از حد مطلوب بیشتر باشد باعث بالا رفتن فشار شده و ممکن است موتور از کار بیفتد. در مورد تعمیر و مراقبت این گونه موتورها نیز نکاتی وجود دارد
. کارایی مفید این موتور ها وابسته به دقت در تعمیر و نگهداری از آنهاست. با توجه به شرایط کاری این موتورها نیاز است که تعمیر و تعویض قطعات با دقت بالایی انجام شود. هرچه دقت بیشتری صرف نگهداری شود، می توان از آنها عمر نامحدود بیشتری انتظار داشت. تعمیر اساسی این موتورها باید فقط در محیط بسته انجام گیرد. تا از هر گونه آسیب احتمالی به دور باشند. توصیه می شود روزانه موارد زیر چک شود:
توربوشارژر، سیستم خروج گازها، سیستم سرد کننده داخلی، استحکام تیغه های توربین، فاصله تیغه های توربین با محیط اطراف خود، بازرسی و روغن کاری دریچه خروج گازها.
در مورد هزینه تعمیر و مراقبت نیز می توان گفت که در مورد موتورهای توربوشارژر ، این هزینه ها بالاتر است. در صورتی که هواپیما برای آموزش و تمرین مورد استفاده قرار می گیرد نیازی به توربو نخواهد بود. یک تحلیل نشان می دهد که این موتورهای تقویت شده با 300 اسب بخار قدرت، چیزی حدود 10 دلار برهر ساعت پرواز هزینه بیشتری دارند ولی اگر این را در برابر هواپیماهایی مانند Bonanzas, Centurions, Saratoga ، که به ازای هر ساعت پرواز 100 تا 150 دلار هزینه دارند بسنجیم، می بینیم که این هزینه اضافه زیاد بالا نیست. (این تحلیل توسط آقای مایک بوش انجام گرفته است)

[تصویر:  01380269744087434606_thumb.jpg] [تصویر:  51861309340852567875_thumb.jpg] [تصویر:  22240615913197405326_thumb.jpg]

در نهایت می توان گفت، شاید به صرفه ترین و معقول ترین راه برای ارتقاع یک موتور پیستونی برای پرواز در ارتفاع های بالا، توربوشارژرها باشند. البته می توان اضافه کرد که تغییر در نوع شوخت و نوع ملخ هواپیما نیز می تواند مفید واقع شود.


بيست سال بعد، بابت كارهايي كه نكرده اي بيشتر افسوس مي خوري تا بابت كارهايي كه كرده اي. بنابراين، روحيه تسليم پذيري را كنار بگذار، از حاشيه امنيت بيرون بيا، جستجو كن، بگرد، آرزو كن و كشف كن
.
مارک تواین




پاسخ


پرش به انجمن:


کاربرانِ درحال بازدید از این موضوع: 1 مهمان