فهم المكونات الرئيسية للمحرك النفاث التوربيني الصغير

شرح متعمق للضاغط، وغرفة الاحتراق، ونظام الوقود، ووحدة التحكم الإلكترونية

المحركات النفاثة التوربينية الصغيرة-المستخدمة على نطاق واسع في الطائرات النفاثة والطائرات بدون طيار ومنصات الطيران التجريبي- هي أعجوبة الهندسة المدمجة. وعلى الرغم من حجمها، إلا أن بنيتها الداخلية تعكس بنية توربينات الطيران كاملة الحجم.
لفهم الأداء والموثوقية والسلامة التشغيلية فهماً حقيقياً، من الضروري معرفة ما يحدث في الداخل.

تقدم هذه المقالة تفصيلاً عميقاً وموجهاً هندسياً للأنظمة الفرعية الأربعة الأكثر أهمية:

1. الضاغط

2. غرفة الاحتراق

3. نظام توصيل الوقود

4. وحدة التحكم الإلكترونية (ECU)

سواءً كنت هاوياً، أو مطور طائرات بدون طيار، أو مهندس طيران، سيساعدك هذا الدليل على فهم كيفية عمل هذه المكونات معاً لتوفير قوة دفع مستقرة، واحتراق فعال، وتحكم دقيق في المحرك.

---

1. الضاغط - نظام التنفس في المحرك

الضاغط هو المكون الرئيسي الأول الذي يقابله الهواء الوارد. وظيفته بسيطة في المفهوم ولكنها معقدة في التنفيذ:
رفع ضغط الهواء قبل دخوله إلى غرفة الاحتراق.

كيف تعمل

تستخدم معظم المحركات التوربينية الصغيرة ضاغط شعاعي أحادي المرحلة (طرد مركزي).
يتم سحب الهواء من خلال السحب وتسريعه إلى الخارج بواسطة دافع عالي السرعة، مما يزيد من سرعته وضغطه. ثم يقوم موزع الهواء بتحويل الطاقة الحركية للهواء إلى ضغط ساكن.

ما أهمية ذلك

يؤثر ارتفاع كفاءة الضاغط بشكل مباشر:

• ناتج الدفع الكلي

• الاستهلاك النوعي للوقود (SFC)

• هامش درجة الحرارة قبل ارتفاع درجة حرارة التوربينات

الاعتبارات الهندسية الرئيسية

• تصميم المكرهة (الشكل الهندسي للشفرة، ونسبة المحور إلى الطرف، وتشطيب السطح)

• القوة المادية لتحمل 80,000-160,000 دورة في الدقيقة

• التوازن الديناميكي-حتى اختلال التوازن على مستوى الميكرومتر يمكن أن يتسبب في حدوث اهتزاز، أو تآكل المحامل، أو فشل كارثي

• التصاريح بين المكره والمبيت لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة

في المحركات المتطورة، تُعد الدفاعات المُشكَّلة باستخدام الحاسب الآلي والموازنة متعددة المحاور ضرورية لتحقيق أداء متسق.

---

2. غرفة الاحتراق - حيث يتم إطلاق الطاقة

بمجرد خروج الهواء من الضاغط، فإنه يدخل إلى غرفة الاحتراقحيث يتم تفتيت الوقود وإشعاله.

الغرض الوظيفي

تتمثل مهمة غرفة الاحتراق في:

1. امزج الهواء المضغوط مع الوقود المرذاذ بدقة

2. الحفاظ على لهب مستقر ومتحكم به

3. توصيل الغازات الساخنة إلى التوربينات بتدفق ودرجة حرارة موحدة

تصميم غرفة الاحتراق في التوربينات الصغيرة

تستخدم معظم المحركات التوربينية الدقيقة محترق حلقي مع نظام وقود التبخير أو نظام وقود التبخير أو الضغط الذري.

التحديات الهندسية

• منع الاشتعال مع الحفاظ على غلاف تشغيل واسع

• تجنب البقع الساخنة التي تلحق الضرر بشفرات التوربينات

• ضمان الخلط المنتظم بين الوقود والهواء للاحتراق النظيف

• الإدارة الحرارية:: يجب أن يتحمل الموقد درجات حرارة داخلية تتراوح بين 700 و900 درجة مئوية

تستخدم محركات عالية الجودة مصممة بعناية المناطق الهوائية الأولية والثانوية والثالثية:

• المنطقة الأساسية:: يحافظ على استقرار اللهب

• المنطقة الثانوية:: اكتمال الاحتراق

• منطقة التخفيف:: يبرد الغازات لدخول التوربينات

هذا التوازن هو ما يفصل بين المحركات المستقرة والمحركات غير الموثوقة.

اقرأ المزيد:داخل المحركات النفاثة التوربينية النفاثة: كيف تعمل الطاقة النفاثة المصغرة

3. نظام الوقود - شريان الحياة للمحرك

يضمن نظام الوقود التوصيل الدقيق للوقود وتذرية الوقود - الكيروسين أو Jet-A أو Jet-A1 بشكل نموذجي.

المكونات الرئيسية

يتضمن نظام وقود التوربينات الدقيقة الكامل عادةً ما يلي:

• مضخة الوقود (بدون فرشاة أو بفرشاة، يتم التحكم فيها بوحدة التحكم الإلكترونية)

• صمام الملف اللولبي للوقود

• فلتر الوقود

• خطوط الوقود

• البخاخات/الحاقنات في وحدة الاحتراق

الدقة مهمة

بيئات احتراق التوربينات الدقيقة حساسة للغاية:

• معدل تدفق الوقود

• جودة الانحلال

• زمن استجابة المضخة

• ثبات ضغط الخط

حتى الاختلافات الطفيفة تسبب:

• استجابة الصمام الخانق البطيئة

• الشعلات

• درجات حرارة العادم الزائدة (EGT)

• التآكل المبكر للتوربينات

التحكم في الحلقة المغلقة

تقوم الأنظمة الحديثة بقياس EGT، وعدد الدورات في الدقيقة، والضغط، وتعديل خرج المضخة في الوقت الحقيقي للحفاظ على مستوى الضغط:

• نسبة الخليط الأمثل

• درجة حرارة التوربينات الآمنة

• انتقالات سلسة للصمام الخانق

هذا هو المكان الذي تلعب فيه وحدة التحكم الإلكتروني دوراً حاسماً.

---

4. وحدة التحكم الإلكترونية - دماغ المحرك النفاث

إن وحدة التحكم الإلكتروني (ECU) هو المكون الأكثر تقدماً في نظام التوربينات الصغيرة.
فهي تؤدي ما كان يتطلب نظاماً كاملاً من المنظمين الميكانيكيين في الطائرات القديمة كاملة الحجم.

المسؤوليات الأساسية

تقوم وحدة التحكم الإلكترونية بالمراقبة والتحكم المستمر:

• دورة في الدقيقة (عبر مستشعرات مغناطيسية أو بصرية)

• درجة حرارة غاز العادم (EGT)

• طاقة مضخة الوقود

• تعشيق محرك بدء التشغيل

• توقيت شمعة التوهج/مشتعل الإشعال

• حدود التسارع والتباطؤ

يدير دورة المحرك بالكامل:

• تسلسل البدء

• التثبيت في وضع الخمول

• تغييرات الصمام الخانق

• عملية الدفع الكامل

• إيقاف التشغيل في حالات الطوارئ

لماذا تُعد وحدات التحكم الإلكترونية الحديثة بالغة الأهمية

تعمل التوربينات الصغيرة بسرعات ودرجات حرارة عالية للغاية.
يمكن أن يؤدي التأخير لمدة 2-3 ثوانٍ في إجراء التحكم إلى:

• تلف التوربينات ذات درجة الحرارة الزائدة

• توقف الضاغط

• عدم استقرار الاحتراق

• عطل ميكانيكي

استخدام وحدات التحكم الإلكترونية المتقدمة:

• خوارزميات التحكم PID

• عتبات السلامة الزائدة عن الحاجة

• التشخيص والسجلات في الوقت الحقيقي

وهذا يتيح التشغيل الآمن حتى للطيارين غير الخبراء أو مشغلي الطائرات بدون طيار.

تعرف على المزيد:كيفية اختيار المحرك النفاث التوربيني التوربيني المناسب (نطاق 40-150 كجم قدم)

كيف تعمل هذه المكونات معًا

على الرغم من أن كل نظام فرعي له وظيفته الخاصة، إلا أن المحرك لا يعمل إلا عندما تعمل الأنظمة الفرعية الأربعة بتناغم:

1. الضاغط يضغط الهواء

2. نظام الوقود ترذيذ الوقود وعداده

3. غرفة الاحتراق تحويل الطاقة الكيميائية إلى غاز ساخن عالي السرعة

4. وحدة نقدية أوروبية تنسيق كل شيء للحفاظ على استقرار وكفاءة التشغيل

التوربين الصغير هو في الأساس عبارة عن تفاعل متسلسل عالي الطاقة يتم الاحتفاظ به تحت تحكم إلكتروني وميكانيكي محكم.
إذا حدث عطل في أحد الأنظمة الفرعية، فإن موثوقية المحرك بأكمله تتعرض للخطر.

---

الخاتمة

يوفر فهم الضاغط، والمحترق، ونظام الوقود، ووحدة التحكم الإلكترونية نظرة عميقة حول كيفية تحقيق المحركات النفاثة التوربينية الصغيرة لنسبة القوة إلى الوزن والأداء الرائع.

بالنسبة للمهندسين، ومطوري الطائرات بدون طيار، وهواة الطائرات بدون طيار، وهواة الطائرات بدون طيار المتطورين، فإن إتقان هذه الأساسيات يساعد في

• اختيار المحرك

• ضبط الأداء

• استكشاف الأخطاء وإصلاحها

• التشغيل الآمن