استفاده از استنلس استیل در موتور توربوفن

مقدمه

"توربوفن" یا "فن جت" نوعی موتور جت تنفسی با بدنه ساخته شده از جنس ورق استیل 321 است که به طور گسترده در پیشرانه هواپیما استفاده می شود. کلمه "توربوفن" ترکیبی از "توربین" و "فن" است که واژه توربو به موتور توربین گازی اشاره دارد که انرژی مکانیکی را از احتراق به دست می آورد و فن نیز متشکل از یک مجرا است که با استفاده از انرژی مکانیکی هوا را به عقب می راند. بنابراین، در حالی که تمام هوای وارد شده توسط یک توربوجت از داخل محفظه احتراق و توربین های ساخته شده از ورق استیل مات عبور می کند، در یک توربوفن مقداری از آن هوا این اجزا را دور می زند. بنابراین، هزینه ساخت تربوفن و ترمو جت به قیمت ورق استیل 321 مورد استفاده بستگی دارد و عملاً یک توربوفن را می‌توان به عنوان یک توربوجت در نظر گرفت که برای به حرکت درآوردن یک فن از انرژی مکانیکی توربین استفاده می کند. البته شایان ذکر است در هردو نوع موتور رانش نقش بسزایی دارد.

نسبت بای پس

 در طراحی موتور جت توربو فن، نوع مواد نظیر ورق استیل 321 و قیمت ورق استیل 321 خصوصاً از نوع ورق استیل مات که بسیار پر استفاده است، چندان مورد توجه قرار نمی گیرد و تمرکز اساسی طراحان بر روی محاسبه راندمان عملکردی موتور می باشد. بر همین اساس معیارهای مختلف سنجش راندمان را تعریف و مورد توجه قرار داده اند. یکی از تعاریف اصلی در این خصوص "نسبت بای پس" می باشد که به صورت نسبت جریان جرمی هوای عبوری از هسته موتور به جریان جرمی هوای عبوری از هسته تعریف می گردد.
موتور از طریق ترکیبی از این دو بخش که با هم کار می کنند نیروی رانش را تولید می نمایند. موتورهایی که از رانش جت بیشتری نسبت به رانش فن استفاده می کنند، به عنوان توربوفن های بای پس پایین شناخته شده و برعکس، آنهایی که نیروی رانش فن بیشتری نسبت به رانش جت دارند به عنوان بای پس بالا شناخته می شوند. اکثر موتورهای جت هوانوردی تجاری که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، از نوع بای پس بالا هستند و بیشتر موتورهای جنگنده نظامی مدرن بای پس پایین می باشند. اکثر توربوفن های مدرن دارای یک فن بزرگ تک مرحله ای هستند یا یک فن کوچکتر با چند مرحله دارند.

هدف از طراحی توربوفن ها و نحوه عملکرد آنها:

توربوفن ها برای کاهش ویژگی نامطلوب و ناکارآمد توربوجت ها، برای پروازهای زیر صوت اختراع شدند. برای بالا بردن راندمان یک توربوجت، از روش هایی نظیر افزایش دمای مشعل، افزایش کارایی کارنو و قرار دادن کمپرسورها و نازل های بزرگتر استفاده می گردد. با این حال، در حالی که این امر تا حدودی نیروی رانش را افزایش می دهد، جت اگزوز با سرعت بیشتری از موتور خارج می گردد که در سرعت های پرواز مادون صوت، بیشتر انرژی اضافی را با خود به خارج هدایت کرده و سوخت را هدر می دهد. در عوض، از یک توربوجت برای به حرکت درآوردن یک فن مجرا استفاده می‌شود که هر دوی آن‌ها در رانش نقش دارند. در حالی که تمام هوای وارد شده توسط یک توربوجت از داخل توربین عبور می کند (از طریق محفظه احتراق)، در یک توربوفن مقداری از آن هوا توربین را دور می زند که به عنوان نسبت بای پس شناخته می شود. از آنجایی که توربین باید فن را نیز به حرکت درآورد، ابعاد توربین بزرگتر بوده و افت فشار و دما بیشتر می باشد و بنابراین نازل ها کوچکتر هستند. این بدان معنی است که سرعت اگزوز هسته کاهش می یابد. این فن همچنین دارای سرعت اگزوز کمتری است ولی نیروی رانش بسیار بیشتری را در واحد انرژی می دهد. 

کارآیی توربوفن ها

در انواع هواپیماهای ساخته شده و با توجه به بزرگی و کاربری آنها، اثبات گردیده است  که بهره وری موتورهای ملخی برای سرعتهای پایین، موتورهای توربوجت برای سرعتهای بالا، و موتورهای توربوفن برای سرعتهای میانی بسیار کارآمد هستند. توربوفن ها کارآمدترین موتورها در محدوده سرعت حدود 500 تا 1000 کیلومتر در ساعت (310 تا 620 مایل در ساعت) می باشند که این معادل سرعتی است که اکثر هواپیماهای تجاری با آن کار می کنند. در یک موتور توربوجت (بای پس صفر)، گاز خروجی با دمای بالا و فشار بالا زمانی که از طریق یک نازل پیشران انبساط می‌یابد، شتاب می‌گیرد و تمام نیروی رانش را تولید و کمپرسور نیروی مکانیکی تولید شده توسط توربین را جذب می کند. در طراحی بای پس، توربین های اضافی یک فن مجرا را به حرکت در می آورند که هوا را از جلوی موتور به سمت عقب شتاب می دهد. در طراحی بای پس بالا، فن و نازل مجرا بیشترین نیروی رانش را ایجاد می کنند. توربوفن‌ها در اصل با توربوپراپ‌ها ارتباط نزدیکی دارند، زیرا هر دو مقداری از توان گازی توربین گازی را با استفاده از ماشین‌آلات اضافی به یک جریان بای‌پس منتقل می‌کنند. 
استخراج نیروی شفت و انتقال آن به یک جریان بای پس، تلفات اضافی را ایجاد می کند که بیش از آن با بهبود راندمان پیشرانه جبران می شود. توربوپراپ در بهترین سرعت پرواز خود باعث صرفه جویی قابل توجهی در مصرف سوخت نسبت به یک توربوجت می شود، حتی اگر یک توربین اضافی، یک جعبه دنده و یک پروانه به نازل پیشرانه کم تلفات توربوجت اضافه شده باشد. توربوفن به دلیل تعداد بیشتر مراحل پره های کمپرسور، فن و کانال بای پس تلفات اضافی دارد.