المكونات الرئيسية
المقطع البارد:
مدخل الهواء: إن إطار المرجع القياسي للمحرك النفاث هي الطائرة نفسها. فمحرك الطائرات النفاثة التي تطير بسرعة ما دون صوتية لايوجد بها أي صعوبات محددة لمدخل الهواء، وهي أساساً تتكون من شكل الفتحة (فتحة المحرك) الذي صمم لتقليل مقاومة حركة الهواء، كما هو الحال لجميع القطع بالطائرة. مع مراعاة أن الهواء الواصل للضاغط بالمحرك النفاث العادي يجب أن تكون سرعته ما دون سرعة الصوت حتى وإن كانت الطائرة فوق صوتية حتى يمكنه المحافظة على حركيّة الدفق للضاغط وشفرات التوربين. بحالة الطيران بسرعة فوق صوتية، تتشكل موجات الصدمة في نظام المدخل وتقلل الضغط المستخلص من المدخل إلى الضاغط. لذلك فإن بعض الفتحات فوق الصوتية تستخدم قطع داخلية ناتئة أو تشبه حبوب الصنوبر بشكلها، لزيادة استخلاص الضغط ولجعل استعمالها أكثر كفاءة مع الموجة الصدمية.
موجة الصدمة.
الضاغط: يكون الضاغط من عدة مراحل، وكل مرحلة تحتوي على إسطوانة ريش دوارة وأخرى ثابتة. بما أن الهواء يشفط بقوة شديدة خلال الضاغط، فإن هذا سوف يزيد معدل الحرارة والضغط، لذلك تُسحب الطاقة من التوربين مروراً خلال العمود.
المشترك:
عمود الدوران: يصل هذا العمود بين التوربين والضاغط، ويدور خلال معظم المحرك، وقد يكون هناك 3 من أعمدة الدوران المتداخلة مع بعضها البعض، ولكن لكل منها سرعته الخاصة المتصلة بمجموعته الخاصة من التوربينات والضواغط. وهناك أشياء مشتركة بينها مثل تصريف الهواء البارد الذي يفرغ على العمود.
المقطع الحار:
غرفة الاحتراق: هي الغرفة التي يختلط بها الوقود مع الهواء المضغط فيحترقان وسط اللهب.
التوربين: التوربين هو سلسلة إسطوانات من الريش الدائرية تعمل كدولاب طاحونة تكتسب الطاقة من الهواء الحار وتبقي بعضًا من تلك الطاقة بغرفة الاحتراق لكي يدير الضاغط. بعض محركات التوربين، مثل المروحة التوربينية وعمود الدوران التوربيني وحتى التوربين المروحي، تستخلص الطاقة بواسطة أقراص توربينية إضافية للتحكم وإدارة المراوح الخارجية أو مراوح التيار الجانبي أو عمود التدوير للمروحية. نوع واحد فقط به توربين حر مصمم بحيث يكون قرص التوربين الذي يدير الضاغط منفصل عن القرص الذي يغذي المكونات الخارجية. يأتي هواء التبريد من الضاغط لتبريد شفرات التوربين والريش حتى لا تذوب من شدة الحرارة.
جهاز غرفة الاحتراق المساعد: (استخداماته بالطائرات العسكرية) ينتج دفع إضافي بواسطة حرق وقود إضافي، لا يبلغ عادةً الفعالية المرجوة، وترفع درجة حرارة الخرطوش بشكل قوي جدًا عند نفث العادم، بسبب ضخامة حجم الدفع الذي يخرج عند إعادة الإحراق، لذلك يُفضل زيادة مساحة فتحة الخرطوش للحصول على أفضل النتائج عند تشغيل نظام إعادة الحرق.
الخرطوش: الغازات الحارة تخرج من المحرك خلال الخرطوش إلى الهواء الطلق، والهدف من وراء ذلك إنتاج سرعة نفاثة عالية. يكون الخرطوش بمعظم الأحوال مجمع للهواء الخارج.
مدخل الهواء
المدخل ما دون الصوتي
طرق عمل مدخل البيتوت.
فتحة بيتوت (نسبة إلى مخترعه الفرنسي هنري بيتوت) هي الطريقة المثلى لتطبيقات المدخل ما دون الصوتي، فهذه الفتحة هي بمثابة أنبوب مضخم ذو شكل إيرودينامي انسيابي.
في حالة ما إذا كانت السرعة تساوي صفر (حالة الوقوف) فإن الهواء الداخل يأتي من عدة اتجاهات: مباشر ومنحني والآتي من الخلف، فيمتصه مقدمة المدخل.
تكون حزمة خط تيار الهواء الذي يصل طرف المدخل في حالة السرعة المنخفضة أكبر بالمقطع العرضي من نطاق تيار الطرف نفسه، بينما في تصميم الفتحة بسرعة 1 ماك، يكون كلا النطاقين متساويين. يصبح تيار الهواء أقل كثافة بالسرعة العالية، وقد يخرج التيار الزائد من حول الطرف.
تبدأ موجة الصدمة بالظهور عندما يبدأ الهواء بالتسارع حول طرف المدخل بداية من سرعة 0.85 ماك.
تعتبر الدقة بعمل محور نطاق الطرف هي الطريقة الأمثل للمحافظة على ضغط المدخل طوال الرحلة وعدم تعرضه لتشويه.
المدخل فوق الصوتي
يستغل المدخل الفوق صوتي موجات الصدمة كي يخفف من سرعة تيار الهواء إلى وضع تحت صوتي بمدخل الضاغط. وهناك شكلين من أشكال موجات الصدمة:
أ- موجات صدمة طبيعية: وتكون عمودية على اتجاه التيار. يكون هذا الشكل حاد المقدمة ويؤثر على التيار بالسرعة تحت الصوتية، ويُلاحظ عند التدقيق بالمجهر أن جزيئات الهواء تتحطم إلى مجموعة من جزيئات تحت صوتية مثل موجات ألفا. تميل الموجة الصدمية إلى إحداث هبوط قوي بمنطقة ضغط الركود، فكلما ازدادت سرعة الماك على مدخل موجة الصدمة العادية، كلما قل خروج السرعة تحت الصوتية منها وزادت نسبة قوتها، بمعنى أن فقدان ضغط الركود خلال تلك الموجة ترتفع نسبته.
ب- الموجات الصدمية تكون إما مخروطية (ثلاثية الأبعاد) أو مائلة (ببعدين) وزواياها متجهة للخلف، تشبه بشكلها الشكل الذي يتخلف عند اصطدام موجات الماء بمقدمة السفينة، وبعد اصتدامها ينتشر تيارها بشكل مخروط أو منحدر. ويكون التيار أضعف بالنسبة للسرعة المعطاة من الموجة الصدمية العادية المشابهة لها,، ولكن وعلى الرغم من تناقص سرعتها إلا أنها لا تزال تعتبر فوق صوتية.
شكل الطرف الحاد لفتحة البيتوت يجعلها تعمل بشكل جيد بالطيران فوق الصوتي المنخفض. تتشكل الموجة الصدمية العادية بمقابل طرف الفتحة وتصطدم بالتيار لتهبط سرعته إلى ما دون سرعة الصوت، ومع ذلك فكلما ازدادت السرعة فإن الموجة الصدمية ترتفع نسبتها مسببة هبوط قوي لضغط الركود.
هناك مداخل أو فتحات فوق صوتية متطورة تشبه نظام البيتوت، منها:
1- الاستفادة من اندماج الموجة الصدمية المخروطية والعادية لتحسين مستوى الضغط بالسرعات فوق الصوتية العالية. تستخدم الموجة المخروطية لتقليل رقم الماك للسرعة فوق الصوتية عند الدخول للموجة الصدمية العادية، وبالتالي تقل نسبة الناتج العام لمضار الصدمة.
2- تصميم "الصدم على الطرف" للسرعة فوق الصوتية، حيث الموجات الصدمية المخروطية والمائلة تضرب بغطاء الطرف، مما يجعل نطاق مسك حزام التيار يساوي نطاق طرف المدخل، وعندما تقل عن سرعة الصدمة على الطرف فوق الصوتي، تكون زاوية الموجة الصدمية أقل ميلانًا مسببة انكسار خط التيار الداخل للطرف بواسطة المنحدر المخروطي. وفي الوقت ذاته تصبح منطقة مسك المدخل أصغر من نطاق طرف الفتحة مما يقلل تيار هواء المدخل. بالاعتماد على خصائص تيار الهواء للمحرك فإنه يكون مرغوبًا تقليل زاوية النتوء أو تحريك المخروط للوراء لإعادة تركيز الموجات الصدمية على غطاء الفتحة لزيادة تيار هواء المدخل.
3- مصممة حتى تنتشر الصدمة العادية باتجاه تيار طرف المدخل، لذلك فإن الدفق على مراوح الضاغط يكون ما دون الصوتي، مع الأخذ بالحساب إذا قل داعس الوقود على المحرك فسيقل معدل تدفق الهواء على مراوح الضاغط، لكن بحالة فوق الصوتي فإن التيار المعدل عند طرف المدخل سيكون ثابتًا، لأنه محدد بواسطة رقم الماك ودرجة انعراج\سقوط المدخل. يمكن التغلب على هذا التقطع عندما تتحرك الصدمة العادية إلى ما دون مساحة المقطع العرضي للمجرى ليقل رقم الماك للموجة الصدمية على المدخل.
طائرة SR-71. لاحظ المدخل المخروطي للمحرك على الجناح.
العديد من طائرات الجيل الثاني فوق الصوتية تستعمل المدخل المخروطي، الذي يُستخدم لتشكيل الصدمة الموجية المخروطية، وهو موجود بمقدمة طائرات الميغ 21، أو مع المحرك بجنبي الطائرة كما بطائرة ف 104 وطائرات BAC TSR-2.
استحدث المخترعون مداخل ثنائي المخروط في الوقت الحالي بحيث يوضع أحدها فوق الآخر بشكل هرمي، مما يساعد على إعطاء موجة مخروطية اضافية تنتشر بالوصلة ما بين المخروطين. يعتبر المدخل ثنائي المخروط أكثر كفاءة من الأحادي لأن رقم الماك الداخل على الموجة العادية يقل بسبب وجود المخروط الثاني. ويظهر جلياً على طائرات SR-71 بلاك بيرد ذات محركات برات & وتني 58 التي تجعل المقدمة والمؤخرة مخروطية الشكل بداخل غرفة المحرك كي تمنع موجات الصدمة المشكلة كمسامير من الدخول إلى المحرك مسببة توقف المحرك عن العمل، ولكن إبقائها قريبة بما فيه الكفاية في ذات الوقت لإعطاء ضغط هواء مناسب. إن الموجة المخروطية لا تتحرك إجمالاً وأن تحركت فهذه حالة استثنائية.
جعلت التصاميم الأكثر تطوراً من المخروطي المدخل ذا زاوية بحيث يكون أحد حوافه ناتئ، حيث تتشكل الموجة الصدمية المائلة على حافة النتوء. يتواجد هذا الشكل بالمقاتلات الأمريكية بأشكال متعددة، وعادة ما يظهر النتوء على الحافة العمودية الخارجية من المدخل ثم يدخل بزاوية داخلية إلى جسم الطائرة، ومن الطائرات التي تحمل هذا الشكل: ف 105 وف 4 فانتوم.
المداخل المتعددة على محرك كونكورد، لاحظ وضوح النتوءات.
تطورت تصاميم المحركات المخروطية بعد ذلك بحيث صار النتوء يقع على قمة الحافة الأفقية بدلاً من الحافة العمودية الخارجية وبزاوية واضحة للأسفل وللخلف. بسّط هذا التصميم تشكيل المداخل وسمح بوجود نتوءات مختلفة تتحكم بتيار الهواء الداخل للمحرك. يُستخدم هذا التصميم بالطائرات التي كانت شائعة في عقد الستينات من القرن العشرين وتلك التي ما زالت شائعة اليوم، مثل: طائرة أف 14 توم كات والتورنادو والكونكورد.[28]
ضاغط الغاز
مرحلة الضاغط لمحرك GE J79.
يعتمد الضاغط المحوري على شفرات ذات دوران سريع ومقطع إيرودينامي مشابه لأجنحة الطائرة. وكما أن أجنحة الطائرة تنهار فإن شفرات الضاغط يصيبها الانهيار والتوقف في بعض الحالات، إذ أن تيار الهواء المحيط بالضاغط المتوقف بإمكانه أن يعكس الاتجاه بعنف. إن كل ضاغط له تصميم لخريطة تشغيل سرعة دوران الهواء المعكوس وهي خصائص ينفرد بها كل نوع.
يكون خط عمل الضاغط ثابت ومستقر بحالة الدفع لكمية الوقود المعطاة، لكنه يزاح عند أي حالة انتقالية. لذلك توضع أجهزة عديدة مرتبطة بنظام منع التوقف المفاجئ في مناطق التصريف أو الثوابت، وهي ذات أشكال هندسية لتقليل احتمال حصول أي طفرة بالدوران. وهناك طريقة أخرى لمنع حصول ذلك، وهي تقسيم الضاغط إلى وحدتين أو أكثر، تعمل على أعمدة مختلفة متحدة المركز.
ومن التصاميم أيضًا تصميم مُعدل تحميل المرحلة، أي ابقاءها بمجال محسوس، وذلك إما عن طريق زيادة عدد المراحل الضاغطة (زيادة بالوزن مما يؤدي إلى زيادة الكلفة)، أو بزيادة سرعة الشفرات (يؤدي إلى زيادة الإجهاد عليها وبالتالي إجهاد الإسطوانة). تكون جميع ضواغط الدفق الضخم محورية، ولا تعتبر المراحل الخلفية بالوحدات الأصغر قادرة على الإجهاد القوي بسبب صغر حجمها. لذلك تُستبدل تلك المراحل بوحدة مفردة للطرد المركزي. تستخدم الضواغط الصغيرة عادةً ضاغطين للطرد المركزي مرتبطين على التوالي. بالرغم من عزلة ضواغط الطرد المركزي فإنها قادرة على العمل بمعدلات ضغط عالية (10:1)، ومما يؤخذ بعين الاعتبار أن اجهاد الدفاعة يحد من معدل الضغط الذي يعمل في دورات المحرك ذات معدلات الضغط العالية.
تؤدي الزيادة بمعدل الضغط العام إلى زيادة الحرارة الخارجة من الضاغط. وهذا يؤدي إلى زيادة الضغط على سرعة العمود، للمحافظة على سرعة رقم الماك على طرف الشفرة بالمرحلة الخلفية للضاغط. تحد اعتبارات الإجهاد من زيادة سرعة عمود الدوران مسببة الضاغط الأساسي أيروديناميكيًا أن يدفع للخلف بمعدل أقل من معدل ضغط المعطاة.
غرفة احتراق لمحرك نفاث من نوع جنرال الكتريك GE.
غرفة الاحتراق
يجب أن تكون هناك احتياطات كافية لجعل اللهب مستمرًا مع سرعة تيار دفق الهواء بجميع أحوال دعس الوقود وبالكفاءة الممكنة. وبما أن التوربين لا يمكنه تحمل درجات حرارة دمج العناصر الناتجة من المحرقة فإن الضاغط يرسل الهواء ليخفف حرارة النواتج من غرفة الاحتراق إلى مستوى معقول. يُسمى هواء الضاغط المتجه للحارق "دفق أساسي"، وأما الهواء الذي يُستخدم لتبريد نواتج الحارق فيُسمى "دفق ثانوي".
التوربين
منظر جانبي لمنصة توربين محرك نفاث من نوع جنرال الكتريك GE J79.
بما أن التوربين يتمدد من ضغط عالي إلى ضغط منخفض، فإنه لايوجد ما يُضاهي انهيار أو طفرة للتوربين. يحتاج التوربين عمومًا إلى منصات أقل من الضاغط، والسبب الرئيسي هوالحرارة العالية الداخلة إليه التي ستخفض معدل الضغط وبالتالي عملية التمدد. تكون الشفرات أكثر انبعاجًا، لذلك فسرعة دفق الغاز تكون أقوى.
ينبغي للتوربين أن يكون مصممًا بحيث يمنع انصهار الشفرات والريش عند درجات الحرارة العالية وبيئة الإجهاد. لذلك يخرج من نظام الضاغط انبوب لتسريب الهواء يُدخل التوربين لتبريد الشفرات والريش الداخلية. وهناك حلول أخرى مشابهة مثل: تحسين المواد الخام والتكسية لتلك الإسطوانات، بحيث تتحمل الإجهاد الشديد الناتج من دوران الشفرات القوي، التي تأخذ شكل الاندفاع أو ردة فعل أو الإثنين معًا (الاندفاع وردة الفعل معا) في بعض الأحيان، بالإضافة لتحسين تلك المواد بهدف تقليل وزن الإسطوانات.
الخرطوش
خرطوش عادم متغير على محرك GE F404-400 تابع لطائرة أف\أي-18 هورنت.
إن الهدف الرئيسي للخرطوش هو إخراج تيار العادم إلى الضغط الجوي العادي، وتشكيله إلى نفث عالي السرعة يدفع الطائرة أو المركبة للأمام. بعض المحركات النفاثة تستخدم الخراطيش المقربة البسيطة.
العديد من محركات الطائرات العسكرية تحتوي على جهاز غرفة الاحتراق المساعد داخل نظام العادم للمحرك. فعندما يعمل النظام تتوسع مساحة رقبة الخرطوش حتى تلائم حجم تمدد الدفق الزائد له. لذلك فالتوربين لا يرتبط بعمل تلك الغرفة. هناك العديد من أشكال رقبة الخرطوش تأتي من تحريك سلسلة من البتلات المتداخلة التي تشبه الشكل الدائري للمقطع العرضي للخرطوش. بعض المحركات النفاثة كالصاروخ تستخدم خرطوش "متقارب - متباعد" للسماح بخروج أكبر قدر من الهواء المتمدد لإعطاء أكبر كمية من الدفع، فلذلك فإن الخرطوش المستخدم بالمحركات التوربينية النفاثة، تكون بتلاته متحركة هندسيًا حتى يسهل تعاملها مع التغير الكبير لمعدل الضغط الخارج من الخرطوش خلال الطيران أو دعس الوقود للمحرك، وهذا الشيء يسبب زيادة في الوزن وارتفاعًا في كلفة التركيب.
ولتفادي هذه الصعوبات يلجأ المهندسون إلى تركيب الخرطوش القاذف، الذي يجعل الخرطوش أكثر كفاءة خلال جريان الهواء الجانبي، ويتمير بوجود بتلات مرنة الحركة. يقلص دفق الهواء شكل العادم في السرعة ما دون الصوتية إلى شكل متقارب وكلما ازدادت السرعة يتوسع الخرطوشين مما يجعل العادم يظهر بشكل متقارب - متباعد إن تعدت السرعة رقم الماك 1. مميزات الخرطوش القاذف هي بساطة التصميم والثبات، وعيوبه هي أدائه المتوسط (مقارنة مع نوع آخر من النظام الخرطوش) ثم زيادة عامل المقاومة الإيردينامية خلال تيار الدفق الثانوي. ومن الطائرات التي تستخدم هذا النوع من الخرطوش: SR-71، الكونكورد، F-111، ومحرك ساب.
خرطوش نظام "زهرة السوسن" ذو خاصية توجيه الدفع.
وللرفع من جودة الخرطوش، ينبغي استخدام نوع آخر يسمى آيرس نوزل، ويعني بالعربية "خرطوش زهرة السوسن". يستخدم هذا النوع بتلات متداخلة يمكن تحريكها هيدروليكيًا، وهي أكثر تعقيدًا وأفضل جودةً وأسهل لمرور التيار من الخرطوش القاذف. لذلك فهي تجهز للطائرات ذات الكفاءة الأفضل مثل مقاتلات أف 14، إف 15، وأف 16 وأيضًا لقاذفات القنابل الإستراتيجية عالية السرعة مثل B-1 لانسر. ولأنواع الحديثة من تلك الخراطيش خاصية تغيير زاوية (توجيه) الدفع (طائرة الهارير أول طائرة استخدمت نظام توجيه الدفع).
تستخدم محركات الصواريخ أيضًا فوهات أو خراطيش التقارب - التباعد، وتكون البتلات ثابتة لتقليل الوزن. تعتبر مساحة الفوهة لدى الصواريخ أضخم بكثير من مساحة فوهات محركات الطائرة النفاثة لأن معدلات الضغط للخرطوش عالية جدًا مقارنة مع محركات الطائرات.
وبالمقابل فإن بعض محركات التوربين المروحي ذات التحويلة الجانبية العالية تستخدم خرطوش ذو فوهة صغيرة جدًا (أقل من 1.01 نسبة المساحة)، ويُستخدم خرطوش التقارب - التباعد بتيار التحويلة الجانبية أو العادم المختلط للتحكم بخط عمل المروحة.
عاكس الدفع خلف غطاء المحرك على طائرة 777.
جهاز عاكس الدفع
تحتوي على أقداح تدور حول نهاية فوهة الخرطوش وتعكس دفع النفاث كما بطائرات دي سي 9، أو تحتوي على صفائح خلف غطاء المحرك تنزلق للخلف مما يؤدي إلى معاكسة دفع المروحة فتنخفض سرعة الطائرة بشدة (المروحة تنتج معظم الدفع) وهذه الخاصية موجودة عند معظم الطائرات الضخمة مثل طائرة بوينغ 747.
نظام التبريد
تتطلب المحركات النفاثة غازات حارة جدًا حتى تصبح أكثر كفائة، ويؤمن لها ذلك عن طريق حرق وقود هيدروكربوني أو هيدروجيني، الأمر الذي يرفع من درجة حرارة الاحتراق لتصل إلى 3500 كالفن أو 3227 درجة مئوية، وهذا أعلى من درجة ذوبان معظم المعادن. وهذا ما يدعو إلى استخدام نظام التبريد لجعل درجة حرارة المعادن أقل من درجة ذوبانها.
نظام التهوية
يحيط نظام التهوية بغرفة الاحتراق ويضخ على أطراف صفائح التوربين الدوارة هواء التبريد، الذي يمر من خلال فتحات التنظيم إلى شفرات التوربين فتخفف عنه الحرارة العالية ثم يخرج مع تصريف الهواء إلى تيار الغاز الخارج.
هناك بعض تيار التبريد يخرج من الضاغط ويمر على عمود الدوران وغطاء التوربين، ويوجد أنبوب هواء يمر على جدار غرفة الاحتراق للحيلولة دون وصول درجة حرارته للدرجة القصوى. تُستخدم أنابيب رئيسية وثانوية تسمح بمرور طبقة بسيطة من الهواء على جدار الحارق لمنع زيادة درجة الحرارة. تعتمد الحرارة الخارجة على الدرجة القصوى التي يتحملها التوربين، وهذا يعتمد على مادة الصنع. ومن شأن تقليل الحرارة أن يمنع الكلل الحراري ومن ثم يمنع الفشل الحراري.
يستخدم هواء الضاغط أيضا لتدفئة المراوح الخارجية ويُستخدم في نظام منع تكوّن الجليد على الهيكل وتدفئة مقصورة الركاب.
نظام الوقود
يُستخدم نظام الوقود، إلى جانب استخدامه في ضخ الوقود للمحرك، للتحكم بسرعة دسر المراوح الخارجية وبدفق الهواء للضاغط وتبريد زيت التشحيم. يدخل الوقود على شكل رذاذ طيار داخل غرفة الاحتراق، ويتم التحكم بالكمية بشكل تلقائي اعتمادًا على معدل دفق الهواء.
وتسلسل الأحداث لزيادة الدفع يتمثل فيما يلي: داعس الوقود يرتفع فيزداد رذاذ الوقود إلى غرفة الاحتراق فتزداد كمية الاحتراق وهذا يعني أن غازات العادم ستكون أكثر سخونة ويصبح خروجها أسرع مما يعطي مزيدًا من القوة وهذا يؤدي لزيادة دفع المحرك مباشرة. وأيضًا زيادة الطاقة المستخرجة بواسطة التوربين والتي تزيد من سرعة الضاغط، مما يؤدي لزيادة تيار الهواء الداخل للمحرك أيضاً.
يُلاحظ أن معدل كتلة دفق الهواء يتغير بتغير عزم الحركة (كتلة X السرعة) التي تُنتج القوة، وبما أن الكثافة تتغير مع الارتفاع لذا فإن كتلة الهواء الداخل أيضًا تتغير مع تغير الارتفاع والحرارة مما يعني أن مقياس داعس الوقود سيختلف تبعا لتلك التغييرات. لذلك يُلاحظ أن التحكم بدفق الوقود مستحب أن يكون ذاتي التشغيل. عادةً ما يكون هناك نظامين، أحدهما للتحكم بضغط الوقود والآخر بكمية الدفق. فالبيانات المطلوبة التي تؤثر على قدرة مضخة الوقود ذات الضغط العالي هي الضغط والحرارة من المدخل ومن نقاط معينة داخل المحرك، إضافة إلى بيانات الداعس وسرعة المحرك وغيرها.
وحدة التحكم بالوقود ومضخته
تلك الوحدة أشبه بحاسوب ميكانيكي، يقرر الخارج من الطرمبة بواسطة منظومة من الصمامات التي تتحكم بضغط الوقود فتسبب التغير بالكمية. فمثلاً عند زيادة الارتفاع يقل ضغط الهواء الداخل فيتمدد الهواء داخل غرفة الاحتراق بسرعة أكثر مما يسبب خروج وقود زائد عن الحاجة عن طريق صمام الوقود الفائض، فتقلل الطرمبة الرئيسية من ضخ الوقود حتى يتعادل الضغط داخل الغرفة مع ضغط هواء الخارجي فيتوقف خروج الوقود الزائد. يمنع زيادة سرعة المحرك بواسطة منظم السرعة ذي القدرة على تخطي وحدة تحكم الوقود عن طريق حاجز يستشعر سرعة المحرك من حيث الضغط المركزي المتسبب من دوران المضخة. فعند الوصول للمعدل الحرج، يُفتح صمام الوقود الفائض بواسطة الحاجز ويخرج الوقود الزائد مما يخفف سرعة المحرك. يتأثر ضخ الوقود بالمعطيات الخارجية مثل الارتفاع وتغير الضغط الخارجي والتغير بسرعة الطائرة. أما مضخة الوقود فهدفها جعل ضغط الوقود أعلى من الضغط الموجود بغرفة الاحتراق حتى يمكن ضخه بسهولة.
نظام تشغيل المحرك
يعتمد نظام التشغيل على نظام الوقود وعملية اشتعال خليط الهواء مع الوقود داخل غرفة الاحتراق. عادةً ما يكون هناك محرك خاص يُطلق عليه تسمية وحدة الطاقة الاحتياطية (APU)، يُستخدم لتشغيل المحرك من خلال تدوير الضاغط إلى سرعة تمكنه من تشغيل التوربين، وهناك عدة أنواع من نظم التشغيل: كهربائي وهيدروليكي وهوائي.
تستعمل معظم الطائرات المدنية مثل البوينج 737 والإيرباص والطائرات العسكرية الكبيرة هذا النظام، وهو يقع بمؤخرة الطائرة في معظم الطائرات الحديثة أو بأماكن أخرى عند الطائرات الأقدم قليلا، وهو عبارة عن توربين غازي صغير يعمل لإمداد الطائرة بالكهرباء في حالة اطفاء المحركات وتستخدم أيضا لتشغيل المحركات عبر إمدادها بالهواء لتدوير الضاغط ومن ثم تشغيل غرفة الاحتراق لكي يعمل التوربين الذي يشغل المحرك، عند ذلك يمكن اطفاء المحرك الاحتياطي لعدم الحاجة له.
بعض الطائرات كالأف\أي-18 هورنت تستخدم مضخات هيدروليكية لتشغيل المحركات من خلال التروس أو الجيرات، وتلك المضخات يتم التحكم بها كهربائيًا، فالمحرك الإضافي يُستخدم إلى جانب مهمته الرئيسية وهي تشغيل المحرك، لإمداد الطائرة بالكهرباء والضغط اللازم والتبريد بحال انطفاء المحرك الأساسي.
الإشعال
تقع شمعتي اشعال بمكانين مختلفين داخل غرفة الاحتراق، وتظل مستمرة بإصدار شرارة داخل الغرفة حتى تمنع إطفاء الشعلة. وهناك حدود للارتفاع وسرعة الهواء لا ينبغي على المحرك أن يتخطاها حتى يبقى قادرًا على الحصول على نسبة الاشعال المطلوبة. تستخدم محركات جنرال الكتريك 404-400 على سبيل المثال، شاعلاً واحدًا بغرفة الاحتراق وواحدًا بغرفة الاحتراق المساعدة. أما طائرات الإيرباص فتستخدم استشعارًا فوق بنفسجي لتشغيل الشعلة. تعطي الأشكال الحديثة من نظام الإشعال طاقة من شديدة القوة يمكنها أن تكون قاتلة، لذلك يجب أخذ الاحتياطات الملائمة عند التعامل مع التوصيلات الكهربائية عندما يعمل النظام.
نظام التشحيم
يستخدم نظام التشحيم للمحافظة على وجود الشحم في أماكن التحميل والارتكاز لمنع الاحتكاك والتأكد من عدم ارتفاع درجة حرارة تلك الأماكن، ويمنع التشحيم أيضًا دخول الأجسام الغريبة إلى أي من القطع المتحركة داخل المحرك ككراسي التحميل والتروس والمسننات.
يتكون هذا النظام من: خزان الزيت ذي جهاز تفريغ من الهواء، مضخة زيت رئيسية، مرشح رئيسي مع صمام مرشح جانبي، صمام تعديل الضغط، ومبرد زيت. تبدأ طريق مرور الزيت من الخزان فالمضخة الرئيسية ثم المعدل فالمرشح الرئيسي ثم مبرد الزيت حتى يصل للمحرك حيث نقاط التحميل والارتكاز.
عندما ترتفع سرعة المحرك، يزداد الضغط على مناطق التحميل والارتكاز مما يقلل فرق الضغط ما بين تغذية التشحيم والغرفة، الأمر الذي يخفض من معدل الزيت المطلوب، ولذلك فوجود صمام تعديل الضغط لكي يعدل فارق الضغط ضروري حتى يستمر تيار ضغط التشحيم ثابتاً.
المقطع البارد:
مدخل الهواء: إن إطار المرجع القياسي للمحرك النفاث هي الطائرة نفسها. فمحرك الطائرات النفاثة التي تطير بسرعة ما دون صوتية لايوجد بها أي صعوبات محددة لمدخل الهواء، وهي أساساً تتكون من شكل الفتحة (فتحة المحرك) الذي صمم لتقليل مقاومة حركة الهواء، كما هو الحال لجميع القطع بالطائرة. مع مراعاة أن الهواء الواصل للضاغط بالمحرك النفاث العادي يجب أن تكون سرعته ما دون سرعة الصوت حتى وإن كانت الطائرة فوق صوتية حتى يمكنه المحافظة على حركيّة الدفق للضاغط وشفرات التوربين. بحالة الطيران بسرعة فوق صوتية، تتشكل موجات الصدمة في نظام المدخل وتقلل الضغط المستخلص من المدخل إلى الضاغط. لذلك فإن بعض الفتحات فوق الصوتية تستخدم قطع داخلية ناتئة أو تشبه حبوب الصنوبر بشكلها، لزيادة استخلاص الضغط ولجعل استعمالها أكثر كفاءة مع الموجة الصدمية.
موجة الصدمة.
الضاغط: يكون الضاغط من عدة مراحل، وكل مرحلة تحتوي على إسطوانة ريش دوارة وأخرى ثابتة. بما أن الهواء يشفط بقوة شديدة خلال الضاغط، فإن هذا سوف يزيد معدل الحرارة والضغط، لذلك تُسحب الطاقة من التوربين مروراً خلال العمود.
المشترك:
عمود الدوران: يصل هذا العمود بين التوربين والضاغط، ويدور خلال معظم المحرك، وقد يكون هناك 3 من أعمدة الدوران المتداخلة مع بعضها البعض، ولكن لكل منها سرعته الخاصة المتصلة بمجموعته الخاصة من التوربينات والضواغط. وهناك أشياء مشتركة بينها مثل تصريف الهواء البارد الذي يفرغ على العمود.
المقطع الحار:
غرفة الاحتراق: هي الغرفة التي يختلط بها الوقود مع الهواء المضغط فيحترقان وسط اللهب.
التوربين: التوربين هو سلسلة إسطوانات من الريش الدائرية تعمل كدولاب طاحونة تكتسب الطاقة من الهواء الحار وتبقي بعضًا من تلك الطاقة بغرفة الاحتراق لكي يدير الضاغط. بعض محركات التوربين، مثل المروحة التوربينية وعمود الدوران التوربيني وحتى التوربين المروحي، تستخلص الطاقة بواسطة أقراص توربينية إضافية للتحكم وإدارة المراوح الخارجية أو مراوح التيار الجانبي أو عمود التدوير للمروحية. نوع واحد فقط به توربين حر مصمم بحيث يكون قرص التوربين الذي يدير الضاغط منفصل عن القرص الذي يغذي المكونات الخارجية. يأتي هواء التبريد من الضاغط لتبريد شفرات التوربين والريش حتى لا تذوب من شدة الحرارة.
جهاز غرفة الاحتراق المساعد: (استخداماته بالطائرات العسكرية) ينتج دفع إضافي بواسطة حرق وقود إضافي، لا يبلغ عادةً الفعالية المرجوة، وترفع درجة حرارة الخرطوش بشكل قوي جدًا عند نفث العادم، بسبب ضخامة حجم الدفع الذي يخرج عند إعادة الإحراق، لذلك يُفضل زيادة مساحة فتحة الخرطوش للحصول على أفضل النتائج عند تشغيل نظام إعادة الحرق.
الخرطوش: الغازات الحارة تخرج من المحرك خلال الخرطوش إلى الهواء الطلق، والهدف من وراء ذلك إنتاج سرعة نفاثة عالية. يكون الخرطوش بمعظم الأحوال مجمع للهواء الخارج.
مدخل الهواء
المدخل ما دون الصوتي
طرق عمل مدخل البيتوت.
فتحة بيتوت (نسبة إلى مخترعه الفرنسي هنري بيتوت) هي الطريقة المثلى لتطبيقات المدخل ما دون الصوتي، فهذه الفتحة هي بمثابة أنبوب مضخم ذو شكل إيرودينامي انسيابي.
في حالة ما إذا كانت السرعة تساوي صفر (حالة الوقوف) فإن الهواء الداخل يأتي من عدة اتجاهات: مباشر ومنحني والآتي من الخلف، فيمتصه مقدمة المدخل.
تكون حزمة خط تيار الهواء الذي يصل طرف المدخل في حالة السرعة المنخفضة أكبر بالمقطع العرضي من نطاق تيار الطرف نفسه، بينما في تصميم الفتحة بسرعة 1 ماك، يكون كلا النطاقين متساويين. يصبح تيار الهواء أقل كثافة بالسرعة العالية، وقد يخرج التيار الزائد من حول الطرف.
تبدأ موجة الصدمة بالظهور عندما يبدأ الهواء بالتسارع حول طرف المدخل بداية من سرعة 0.85 ماك.
تعتبر الدقة بعمل محور نطاق الطرف هي الطريقة الأمثل للمحافظة على ضغط المدخل طوال الرحلة وعدم تعرضه لتشويه.
المدخل فوق الصوتي
يستغل المدخل الفوق صوتي موجات الصدمة كي يخفف من سرعة تيار الهواء إلى وضع تحت صوتي بمدخل الضاغط. وهناك شكلين من أشكال موجات الصدمة:
أ- موجات صدمة طبيعية: وتكون عمودية على اتجاه التيار. يكون هذا الشكل حاد المقدمة ويؤثر على التيار بالسرعة تحت الصوتية، ويُلاحظ عند التدقيق بالمجهر أن جزيئات الهواء تتحطم إلى مجموعة من جزيئات تحت صوتية مثل موجات ألفا. تميل الموجة الصدمية إلى إحداث هبوط قوي بمنطقة ضغط الركود، فكلما ازدادت سرعة الماك على مدخل موجة الصدمة العادية، كلما قل خروج السرعة تحت الصوتية منها وزادت نسبة قوتها، بمعنى أن فقدان ضغط الركود خلال تلك الموجة ترتفع نسبته.
ب- الموجات الصدمية تكون إما مخروطية (ثلاثية الأبعاد) أو مائلة (ببعدين) وزواياها متجهة للخلف، تشبه بشكلها الشكل الذي يتخلف عند اصطدام موجات الماء بمقدمة السفينة، وبعد اصتدامها ينتشر تيارها بشكل مخروط أو منحدر. ويكون التيار أضعف بالنسبة للسرعة المعطاة من الموجة الصدمية العادية المشابهة لها,، ولكن وعلى الرغم من تناقص سرعتها إلا أنها لا تزال تعتبر فوق صوتية.
شكل الطرف الحاد لفتحة البيتوت يجعلها تعمل بشكل جيد بالطيران فوق الصوتي المنخفض. تتشكل الموجة الصدمية العادية بمقابل طرف الفتحة وتصطدم بالتيار لتهبط سرعته إلى ما دون سرعة الصوت، ومع ذلك فكلما ازدادت السرعة فإن الموجة الصدمية ترتفع نسبتها مسببة هبوط قوي لضغط الركود.
هناك مداخل أو فتحات فوق صوتية متطورة تشبه نظام البيتوت، منها:
1- الاستفادة من اندماج الموجة الصدمية المخروطية والعادية لتحسين مستوى الضغط بالسرعات فوق الصوتية العالية. تستخدم الموجة المخروطية لتقليل رقم الماك للسرعة فوق الصوتية عند الدخول للموجة الصدمية العادية، وبالتالي تقل نسبة الناتج العام لمضار الصدمة.
2- تصميم "الصدم على الطرف" للسرعة فوق الصوتية، حيث الموجات الصدمية المخروطية والمائلة تضرب بغطاء الطرف، مما يجعل نطاق مسك حزام التيار يساوي نطاق طرف المدخل، وعندما تقل عن سرعة الصدمة على الطرف فوق الصوتي، تكون زاوية الموجة الصدمية أقل ميلانًا مسببة انكسار خط التيار الداخل للطرف بواسطة المنحدر المخروطي. وفي الوقت ذاته تصبح منطقة مسك المدخل أصغر من نطاق طرف الفتحة مما يقلل تيار هواء المدخل. بالاعتماد على خصائص تيار الهواء للمحرك فإنه يكون مرغوبًا تقليل زاوية النتوء أو تحريك المخروط للوراء لإعادة تركيز الموجات الصدمية على غطاء الفتحة لزيادة تيار هواء المدخل.
3- مصممة حتى تنتشر الصدمة العادية باتجاه تيار طرف المدخل، لذلك فإن الدفق على مراوح الضاغط يكون ما دون الصوتي، مع الأخذ بالحساب إذا قل داعس الوقود على المحرك فسيقل معدل تدفق الهواء على مراوح الضاغط، لكن بحالة فوق الصوتي فإن التيار المعدل عند طرف المدخل سيكون ثابتًا، لأنه محدد بواسطة رقم الماك ودرجة انعراج\سقوط المدخل. يمكن التغلب على هذا التقطع عندما تتحرك الصدمة العادية إلى ما دون مساحة المقطع العرضي للمجرى ليقل رقم الماك للموجة الصدمية على المدخل.
طائرة SR-71. لاحظ المدخل المخروطي للمحرك على الجناح.
العديد من طائرات الجيل الثاني فوق الصوتية تستعمل المدخل المخروطي، الذي يُستخدم لتشكيل الصدمة الموجية المخروطية، وهو موجود بمقدمة طائرات الميغ 21، أو مع المحرك بجنبي الطائرة كما بطائرة ف 104 وطائرات BAC TSR-2.
استحدث المخترعون مداخل ثنائي المخروط في الوقت الحالي بحيث يوضع أحدها فوق الآخر بشكل هرمي، مما يساعد على إعطاء موجة مخروطية اضافية تنتشر بالوصلة ما بين المخروطين. يعتبر المدخل ثنائي المخروط أكثر كفاءة من الأحادي لأن رقم الماك الداخل على الموجة العادية يقل بسبب وجود المخروط الثاني. ويظهر جلياً على طائرات SR-71 بلاك بيرد ذات محركات برات & وتني 58 التي تجعل المقدمة والمؤخرة مخروطية الشكل بداخل غرفة المحرك كي تمنع موجات الصدمة المشكلة كمسامير من الدخول إلى المحرك مسببة توقف المحرك عن العمل، ولكن إبقائها قريبة بما فيه الكفاية في ذات الوقت لإعطاء ضغط هواء مناسب. إن الموجة المخروطية لا تتحرك إجمالاً وأن تحركت فهذه حالة استثنائية.
جعلت التصاميم الأكثر تطوراً من المخروطي المدخل ذا زاوية بحيث يكون أحد حوافه ناتئ، حيث تتشكل الموجة الصدمية المائلة على حافة النتوء. يتواجد هذا الشكل بالمقاتلات الأمريكية بأشكال متعددة، وعادة ما يظهر النتوء على الحافة العمودية الخارجية من المدخل ثم يدخل بزاوية داخلية إلى جسم الطائرة، ومن الطائرات التي تحمل هذا الشكل: ف 105 وف 4 فانتوم.
المداخل المتعددة على محرك كونكورد، لاحظ وضوح النتوءات.
تطورت تصاميم المحركات المخروطية بعد ذلك بحيث صار النتوء يقع على قمة الحافة الأفقية بدلاً من الحافة العمودية الخارجية وبزاوية واضحة للأسفل وللخلف. بسّط هذا التصميم تشكيل المداخل وسمح بوجود نتوءات مختلفة تتحكم بتيار الهواء الداخل للمحرك. يُستخدم هذا التصميم بالطائرات التي كانت شائعة في عقد الستينات من القرن العشرين وتلك التي ما زالت شائعة اليوم، مثل: طائرة أف 14 توم كات والتورنادو والكونكورد.[28]
ضاغط الغاز
مرحلة الضاغط لمحرك GE J79.
يعتمد الضاغط المحوري على شفرات ذات دوران سريع ومقطع إيرودينامي مشابه لأجنحة الطائرة. وكما أن أجنحة الطائرة تنهار فإن شفرات الضاغط يصيبها الانهيار والتوقف في بعض الحالات، إذ أن تيار الهواء المحيط بالضاغط المتوقف بإمكانه أن يعكس الاتجاه بعنف. إن كل ضاغط له تصميم لخريطة تشغيل سرعة دوران الهواء المعكوس وهي خصائص ينفرد بها كل نوع.
يكون خط عمل الضاغط ثابت ومستقر بحالة الدفع لكمية الوقود المعطاة، لكنه يزاح عند أي حالة انتقالية. لذلك توضع أجهزة عديدة مرتبطة بنظام منع التوقف المفاجئ في مناطق التصريف أو الثوابت، وهي ذات أشكال هندسية لتقليل احتمال حصول أي طفرة بالدوران. وهناك طريقة أخرى لمنع حصول ذلك، وهي تقسيم الضاغط إلى وحدتين أو أكثر، تعمل على أعمدة مختلفة متحدة المركز.
ومن التصاميم أيضًا تصميم مُعدل تحميل المرحلة، أي ابقاءها بمجال محسوس، وذلك إما عن طريق زيادة عدد المراحل الضاغطة (زيادة بالوزن مما يؤدي إلى زيادة الكلفة)، أو بزيادة سرعة الشفرات (يؤدي إلى زيادة الإجهاد عليها وبالتالي إجهاد الإسطوانة). تكون جميع ضواغط الدفق الضخم محورية، ولا تعتبر المراحل الخلفية بالوحدات الأصغر قادرة على الإجهاد القوي بسبب صغر حجمها. لذلك تُستبدل تلك المراحل بوحدة مفردة للطرد المركزي. تستخدم الضواغط الصغيرة عادةً ضاغطين للطرد المركزي مرتبطين على التوالي. بالرغم من عزلة ضواغط الطرد المركزي فإنها قادرة على العمل بمعدلات ضغط عالية (10:1)، ومما يؤخذ بعين الاعتبار أن اجهاد الدفاعة يحد من معدل الضغط الذي يعمل في دورات المحرك ذات معدلات الضغط العالية.
تؤدي الزيادة بمعدل الضغط العام إلى زيادة الحرارة الخارجة من الضاغط. وهذا يؤدي إلى زيادة الضغط على سرعة العمود، للمحافظة على سرعة رقم الماك على طرف الشفرة بالمرحلة الخلفية للضاغط. تحد اعتبارات الإجهاد من زيادة سرعة عمود الدوران مسببة الضاغط الأساسي أيروديناميكيًا أن يدفع للخلف بمعدل أقل من معدل ضغط المعطاة.
غرفة احتراق لمحرك نفاث من نوع جنرال الكتريك GE.
غرفة الاحتراق
يجب أن تكون هناك احتياطات كافية لجعل اللهب مستمرًا مع سرعة تيار دفق الهواء بجميع أحوال دعس الوقود وبالكفاءة الممكنة. وبما أن التوربين لا يمكنه تحمل درجات حرارة دمج العناصر الناتجة من المحرقة فإن الضاغط يرسل الهواء ليخفف حرارة النواتج من غرفة الاحتراق إلى مستوى معقول. يُسمى هواء الضاغط المتجه للحارق "دفق أساسي"، وأما الهواء الذي يُستخدم لتبريد نواتج الحارق فيُسمى "دفق ثانوي".
التوربين
منظر جانبي لمنصة توربين محرك نفاث من نوع جنرال الكتريك GE J79.
بما أن التوربين يتمدد من ضغط عالي إلى ضغط منخفض، فإنه لايوجد ما يُضاهي انهيار أو طفرة للتوربين. يحتاج التوربين عمومًا إلى منصات أقل من الضاغط، والسبب الرئيسي هوالحرارة العالية الداخلة إليه التي ستخفض معدل الضغط وبالتالي عملية التمدد. تكون الشفرات أكثر انبعاجًا، لذلك فسرعة دفق الغاز تكون أقوى.
ينبغي للتوربين أن يكون مصممًا بحيث يمنع انصهار الشفرات والريش عند درجات الحرارة العالية وبيئة الإجهاد. لذلك يخرج من نظام الضاغط انبوب لتسريب الهواء يُدخل التوربين لتبريد الشفرات والريش الداخلية. وهناك حلول أخرى مشابهة مثل: تحسين المواد الخام والتكسية لتلك الإسطوانات، بحيث تتحمل الإجهاد الشديد الناتج من دوران الشفرات القوي، التي تأخذ شكل الاندفاع أو ردة فعل أو الإثنين معًا (الاندفاع وردة الفعل معا) في بعض الأحيان، بالإضافة لتحسين تلك المواد بهدف تقليل وزن الإسطوانات.
الخرطوش
خرطوش عادم متغير على محرك GE F404-400 تابع لطائرة أف\أي-18 هورنت.
إن الهدف الرئيسي للخرطوش هو إخراج تيار العادم إلى الضغط الجوي العادي، وتشكيله إلى نفث عالي السرعة يدفع الطائرة أو المركبة للأمام. بعض المحركات النفاثة تستخدم الخراطيش المقربة البسيطة.
العديد من محركات الطائرات العسكرية تحتوي على جهاز غرفة الاحتراق المساعد داخل نظام العادم للمحرك. فعندما يعمل النظام تتوسع مساحة رقبة الخرطوش حتى تلائم حجم تمدد الدفق الزائد له. لذلك فالتوربين لا يرتبط بعمل تلك الغرفة. هناك العديد من أشكال رقبة الخرطوش تأتي من تحريك سلسلة من البتلات المتداخلة التي تشبه الشكل الدائري للمقطع العرضي للخرطوش. بعض المحركات النفاثة كالصاروخ تستخدم خرطوش "متقارب - متباعد" للسماح بخروج أكبر قدر من الهواء المتمدد لإعطاء أكبر كمية من الدفع، فلذلك فإن الخرطوش المستخدم بالمحركات التوربينية النفاثة، تكون بتلاته متحركة هندسيًا حتى يسهل تعاملها مع التغير الكبير لمعدل الضغط الخارج من الخرطوش خلال الطيران أو دعس الوقود للمحرك، وهذا الشيء يسبب زيادة في الوزن وارتفاعًا في كلفة التركيب.
ولتفادي هذه الصعوبات يلجأ المهندسون إلى تركيب الخرطوش القاذف، الذي يجعل الخرطوش أكثر كفاءة خلال جريان الهواء الجانبي، ويتمير بوجود بتلات مرنة الحركة. يقلص دفق الهواء شكل العادم في السرعة ما دون الصوتية إلى شكل متقارب وكلما ازدادت السرعة يتوسع الخرطوشين مما يجعل العادم يظهر بشكل متقارب - متباعد إن تعدت السرعة رقم الماك 1. مميزات الخرطوش القاذف هي بساطة التصميم والثبات، وعيوبه هي أدائه المتوسط (مقارنة مع نوع آخر من النظام الخرطوش) ثم زيادة عامل المقاومة الإيردينامية خلال تيار الدفق الثانوي. ومن الطائرات التي تستخدم هذا النوع من الخرطوش: SR-71، الكونكورد، F-111، ومحرك ساب.
خرطوش نظام "زهرة السوسن" ذو خاصية توجيه الدفع.
وللرفع من جودة الخرطوش، ينبغي استخدام نوع آخر يسمى آيرس نوزل، ويعني بالعربية "خرطوش زهرة السوسن". يستخدم هذا النوع بتلات متداخلة يمكن تحريكها هيدروليكيًا، وهي أكثر تعقيدًا وأفضل جودةً وأسهل لمرور التيار من الخرطوش القاذف. لذلك فهي تجهز للطائرات ذات الكفاءة الأفضل مثل مقاتلات أف 14، إف 15، وأف 16 وأيضًا لقاذفات القنابل الإستراتيجية عالية السرعة مثل B-1 لانسر. ولأنواع الحديثة من تلك الخراطيش خاصية تغيير زاوية (توجيه) الدفع (طائرة الهارير أول طائرة استخدمت نظام توجيه الدفع).
تستخدم محركات الصواريخ أيضًا فوهات أو خراطيش التقارب - التباعد، وتكون البتلات ثابتة لتقليل الوزن. تعتبر مساحة الفوهة لدى الصواريخ أضخم بكثير من مساحة فوهات محركات الطائرة النفاثة لأن معدلات الضغط للخرطوش عالية جدًا مقارنة مع محركات الطائرات.
وبالمقابل فإن بعض محركات التوربين المروحي ذات التحويلة الجانبية العالية تستخدم خرطوش ذو فوهة صغيرة جدًا (أقل من 1.01 نسبة المساحة)، ويُستخدم خرطوش التقارب - التباعد بتيار التحويلة الجانبية أو العادم المختلط للتحكم بخط عمل المروحة.
عاكس الدفع خلف غطاء المحرك على طائرة 777.
جهاز عاكس الدفع
تحتوي على أقداح تدور حول نهاية فوهة الخرطوش وتعكس دفع النفاث كما بطائرات دي سي 9، أو تحتوي على صفائح خلف غطاء المحرك تنزلق للخلف مما يؤدي إلى معاكسة دفع المروحة فتنخفض سرعة الطائرة بشدة (المروحة تنتج معظم الدفع) وهذه الخاصية موجودة عند معظم الطائرات الضخمة مثل طائرة بوينغ 747.
نظام التبريد
تتطلب المحركات النفاثة غازات حارة جدًا حتى تصبح أكثر كفائة، ويؤمن لها ذلك عن طريق حرق وقود هيدروكربوني أو هيدروجيني، الأمر الذي يرفع من درجة حرارة الاحتراق لتصل إلى 3500 كالفن أو 3227 درجة مئوية، وهذا أعلى من درجة ذوبان معظم المعادن. وهذا ما يدعو إلى استخدام نظام التبريد لجعل درجة حرارة المعادن أقل من درجة ذوبانها.
نظام التهوية
يحيط نظام التهوية بغرفة الاحتراق ويضخ على أطراف صفائح التوربين الدوارة هواء التبريد، الذي يمر من خلال فتحات التنظيم إلى شفرات التوربين فتخفف عنه الحرارة العالية ثم يخرج مع تصريف الهواء إلى تيار الغاز الخارج.
هناك بعض تيار التبريد يخرج من الضاغط ويمر على عمود الدوران وغطاء التوربين، ويوجد أنبوب هواء يمر على جدار غرفة الاحتراق للحيلولة دون وصول درجة حرارته للدرجة القصوى. تُستخدم أنابيب رئيسية وثانوية تسمح بمرور طبقة بسيطة من الهواء على جدار الحارق لمنع زيادة درجة الحرارة. تعتمد الحرارة الخارجة على الدرجة القصوى التي يتحملها التوربين، وهذا يعتمد على مادة الصنع. ومن شأن تقليل الحرارة أن يمنع الكلل الحراري ومن ثم يمنع الفشل الحراري.
يستخدم هواء الضاغط أيضا لتدفئة المراوح الخارجية ويُستخدم في نظام منع تكوّن الجليد على الهيكل وتدفئة مقصورة الركاب.
نظام الوقود
يُستخدم نظام الوقود، إلى جانب استخدامه في ضخ الوقود للمحرك، للتحكم بسرعة دسر المراوح الخارجية وبدفق الهواء للضاغط وتبريد زيت التشحيم. يدخل الوقود على شكل رذاذ طيار داخل غرفة الاحتراق، ويتم التحكم بالكمية بشكل تلقائي اعتمادًا على معدل دفق الهواء.
وتسلسل الأحداث لزيادة الدفع يتمثل فيما يلي: داعس الوقود يرتفع فيزداد رذاذ الوقود إلى غرفة الاحتراق فتزداد كمية الاحتراق وهذا يعني أن غازات العادم ستكون أكثر سخونة ويصبح خروجها أسرع مما يعطي مزيدًا من القوة وهذا يؤدي لزيادة دفع المحرك مباشرة. وأيضًا زيادة الطاقة المستخرجة بواسطة التوربين والتي تزيد من سرعة الضاغط، مما يؤدي لزيادة تيار الهواء الداخل للمحرك أيضاً.
يُلاحظ أن معدل كتلة دفق الهواء يتغير بتغير عزم الحركة (كتلة X السرعة) التي تُنتج القوة، وبما أن الكثافة تتغير مع الارتفاع لذا فإن كتلة الهواء الداخل أيضًا تتغير مع تغير الارتفاع والحرارة مما يعني أن مقياس داعس الوقود سيختلف تبعا لتلك التغييرات. لذلك يُلاحظ أن التحكم بدفق الوقود مستحب أن يكون ذاتي التشغيل. عادةً ما يكون هناك نظامين، أحدهما للتحكم بضغط الوقود والآخر بكمية الدفق. فالبيانات المطلوبة التي تؤثر على قدرة مضخة الوقود ذات الضغط العالي هي الضغط والحرارة من المدخل ومن نقاط معينة داخل المحرك، إضافة إلى بيانات الداعس وسرعة المحرك وغيرها.
وحدة التحكم بالوقود ومضخته
تلك الوحدة أشبه بحاسوب ميكانيكي، يقرر الخارج من الطرمبة بواسطة منظومة من الصمامات التي تتحكم بضغط الوقود فتسبب التغير بالكمية. فمثلاً عند زيادة الارتفاع يقل ضغط الهواء الداخل فيتمدد الهواء داخل غرفة الاحتراق بسرعة أكثر مما يسبب خروج وقود زائد عن الحاجة عن طريق صمام الوقود الفائض، فتقلل الطرمبة الرئيسية من ضخ الوقود حتى يتعادل الضغط داخل الغرفة مع ضغط هواء الخارجي فيتوقف خروج الوقود الزائد. يمنع زيادة سرعة المحرك بواسطة منظم السرعة ذي القدرة على تخطي وحدة تحكم الوقود عن طريق حاجز يستشعر سرعة المحرك من حيث الضغط المركزي المتسبب من دوران المضخة. فعند الوصول للمعدل الحرج، يُفتح صمام الوقود الفائض بواسطة الحاجز ويخرج الوقود الزائد مما يخفف سرعة المحرك. يتأثر ضخ الوقود بالمعطيات الخارجية مثل الارتفاع وتغير الضغط الخارجي والتغير بسرعة الطائرة. أما مضخة الوقود فهدفها جعل ضغط الوقود أعلى من الضغط الموجود بغرفة الاحتراق حتى يمكن ضخه بسهولة.
نظام تشغيل المحرك
يعتمد نظام التشغيل على نظام الوقود وعملية اشتعال خليط الهواء مع الوقود داخل غرفة الاحتراق. عادةً ما يكون هناك محرك خاص يُطلق عليه تسمية وحدة الطاقة الاحتياطية (APU)، يُستخدم لتشغيل المحرك من خلال تدوير الضاغط إلى سرعة تمكنه من تشغيل التوربين، وهناك عدة أنواع من نظم التشغيل: كهربائي وهيدروليكي وهوائي.
تستعمل معظم الطائرات المدنية مثل البوينج 737 والإيرباص والطائرات العسكرية الكبيرة هذا النظام، وهو يقع بمؤخرة الطائرة في معظم الطائرات الحديثة أو بأماكن أخرى عند الطائرات الأقدم قليلا، وهو عبارة عن توربين غازي صغير يعمل لإمداد الطائرة بالكهرباء في حالة اطفاء المحركات وتستخدم أيضا لتشغيل المحركات عبر إمدادها بالهواء لتدوير الضاغط ومن ثم تشغيل غرفة الاحتراق لكي يعمل التوربين الذي يشغل المحرك، عند ذلك يمكن اطفاء المحرك الاحتياطي لعدم الحاجة له.
بعض الطائرات كالأف\أي-18 هورنت تستخدم مضخات هيدروليكية لتشغيل المحركات من خلال التروس أو الجيرات، وتلك المضخات يتم التحكم بها كهربائيًا، فالمحرك الإضافي يُستخدم إلى جانب مهمته الرئيسية وهي تشغيل المحرك، لإمداد الطائرة بالكهرباء والضغط اللازم والتبريد بحال انطفاء المحرك الأساسي.
الإشعال
تقع شمعتي اشعال بمكانين مختلفين داخل غرفة الاحتراق، وتظل مستمرة بإصدار شرارة داخل الغرفة حتى تمنع إطفاء الشعلة. وهناك حدود للارتفاع وسرعة الهواء لا ينبغي على المحرك أن يتخطاها حتى يبقى قادرًا على الحصول على نسبة الاشعال المطلوبة. تستخدم محركات جنرال الكتريك 404-400 على سبيل المثال، شاعلاً واحدًا بغرفة الاحتراق وواحدًا بغرفة الاحتراق المساعدة. أما طائرات الإيرباص فتستخدم استشعارًا فوق بنفسجي لتشغيل الشعلة. تعطي الأشكال الحديثة من نظام الإشعال طاقة من شديدة القوة يمكنها أن تكون قاتلة، لذلك يجب أخذ الاحتياطات الملائمة عند التعامل مع التوصيلات الكهربائية عندما يعمل النظام.
نظام التشحيم
يستخدم نظام التشحيم للمحافظة على وجود الشحم في أماكن التحميل والارتكاز لمنع الاحتكاك والتأكد من عدم ارتفاع درجة حرارة تلك الأماكن، ويمنع التشحيم أيضًا دخول الأجسام الغريبة إلى أي من القطع المتحركة داخل المحرك ككراسي التحميل والتروس والمسننات.
يتكون هذا النظام من: خزان الزيت ذي جهاز تفريغ من الهواء، مضخة زيت رئيسية، مرشح رئيسي مع صمام مرشح جانبي، صمام تعديل الضغط، ومبرد زيت. تبدأ طريق مرور الزيت من الخزان فالمضخة الرئيسية ثم المعدل فالمرشح الرئيسي ثم مبرد الزيت حتى يصل للمحرك حيث نقاط التحميل والارتكاز.
عندما ترتفع سرعة المحرك، يزداد الضغط على مناطق التحميل والارتكاز مما يقلل فرق الضغط ما بين تغذية التشحيم والغرفة، الأمر الذي يخفض من معدل الزيت المطلوب، ولذلك فوجود صمام تعديل الضغط لكي يعدل فارق الضغط ضروري حتى يستمر تيار ضغط التشحيم ثابتاً.
» .. الدقة البلاغية القرآنية ...
» هُـنـا ... وهنــــاك
» من أطايب الكلام
» منتجع كومو شامبالا في بالي في أندونيسيا
» من فقه الأسماء الحسنى ( الشافي )
» أفضل عشر طرق لإبعاد القوارض
» هذا الذي قتل الأمة الاسلامية
» الحلبة - Taraxacum officinalis