طراحی حرارتی موتور توربوفن
موتورهای توربوفن یکی از پیشرفته‌ترین انواع پیشرانه‌های هوایی در هواپیماهای تجاری و نظامی هستند. این موتورها با تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به نیروی
پیشران، نقش حیاتی در پرواز ایفا می‌کنند. در فرآیند عملکرد این موتورها، حرارت نقش محوری دارد . دما های بالا در محفظه احتراق و توربین باعث بهبود بازده
ترمودینامیکی می‌شود اما در عین حال چالش‌هایی مانند خنک‌کاری، انتخاب مواد مقاوم به حرارت و مدیریت حرارتی کل سامانه را به دنبال دارد. هدف از طراحی
حرارتی موتور توربوفن، رسیدن به بیشینه توان با حداقل مصرف سوخت و در عین حال تضمین ایمنی و طول عمر قطعات است.
فرآیند ترمودینامیکی موتور توربوفن
موتور توربوفن بر اساس چرخه برايتون (Brayton cycle) کار می‌کند که شامل چهار مرحله اصلی است:
فشرده‌سازی هوا توسط کمپرسور چندمرحله‌ای
افزایش انرژی هوا در محفظه احتراق از طریق سوختن سوخت
انبساط گازهای داغ در توربین و تبدیل انرژی حرارتی به مکانیکی
خروج گازها از نازل با سرعت بالا برای ایجاد پیشران
طراحی حرارتی در هر یک از این مراحل اهمیت دارد، به‌ویژه در دو مرحله‌ی احتراق و عبور از توربین که بیشترین دماها رخ می‌دهد.
پارامترهای کلیدی در طراحی حرارتی
۱. دمای ورودی به توربین (Turbine Inlet Temperature – TIT)
TIT یکی از مهم‌ترین شاخص‌های عملکرد موتور است. هرچه این دما بیشتر باشد، بازده حرارتی موتور بالاتر می‌رود. با این حال، افزایش آن به مقاومت حرارتی پره
های توربین و توانایی سیستم‌های خنک‌کاری وابسته است. در موتورهای مدرن، این دما به بیش از 1600–1800 درجه سانتی‌گراد می رسد ، در حالی که آلیاژهای
فلزی توربین‌ها دمای ذوبی حدود 1300–1400 درجه دارند.
۲. نسبت فشار کمپرسور (Compressor Pressure Ratio)
افزایش نسبت فشار باعث افزایش دمای هوای فشرده‌شده ورودی به محفظه احتراق می‌شود و در نتیجه ، دمای گاز خروجی نیز افزایش می یابد . این مسأله تأثیر
مستقیمی بر توان حرارتی تولیدشده دارد.
۳. نسبت کنارگذر (Bypass Ratio)
اگرچه نسبت کنارگذر عمدتاً در بحث‌های پیشرانی مطرح می‌شود، اما در طراحی حرارتی نیز مؤثر است. موتورهای با نسبت کنارگذر بالا (مثل موتورهای مسافربری)
گرمای کمتری در بخش گاز داغ تولید می‌کنند و در نتیجه کنترل حرارتی ساده‌تری دارند.
خنک‌کاری اجزای داغ
یکی از مهم‌ترین بخش‌های طراحی حرارتی، سیستم‌های خنک‌کاری به‌ویژه برای پره‌های توربین است. چند روش متداول برای خنک‌کاری وجود دارد:
الف) خنک‌کاری داخلی (Internal Cooling)
هوای خنک فشرده‌شده از کمپرسور به داخل پره‌های توربین هدایت می‌شود و از طریق کانال‌های داخلی جریان می‌یابد تا حرارت را جذب کند.
ب) خنک‌کاری با لایه نازک (Film Cooling)
هوای خنک از سوراخ‌های کوچکی روی سطح پره‌ها خارج می‌شود و یک لایه‌ی خنک در سطح بیرونی تشکیل می‌دهد که از تماس مستقیم گاز داغ با فلز جلوگیری
می‌کند.
ج) استفاده از پوشش‌های حرارتی (Thermal Barrier Coatings – TBC)
پوشش‌هایی مانند زیرکونیا با رسانش حرارتی کم روی سطح قطعات داغ اعمال می‌شوند تا از انتقال حرارت به فلز پایه جلوگیری کنند.
انتخاب مواد مقاوم به حرارت
با افزایش دمای عملکرد موتور، نیاز به استفاده از مواد مقاوم‌تر به حرارت و اکسیداسیون وجود دارد. در حال حاضر ، سوپرآلیاژ های نیکل بیشترین استفاده را در بخش
های داغ دارند. در طراحی‌های پیشرفته‌تر از مواد مرکب فلزی-سرامیکی یا تک‌بلورهای فلزی (Single Crystal Alloys) برای افزایش مقاومت به خزش و اکسیداسیون
استفاده می‌شود.
تحلیل حرارتی و مدل‌سازی عددی
طراحی حرارتی نیازمند تحلیل دقیق انتقال حرارت، جریان سیال و رفتار حرارتی اجزاء است. از روش‌های تحلیلی و نرم‌افزارهای عددی مانند ANSYS ، Fluent ، CFX و
ABAQUS برای پیش‌بینی دما، تنش حرارتی، توزیع جریان خنک‌کننده و پاسخ مواد استفاده می‌شود.
نکات کلیدی در مدل‌سازی:
انتقال حرارت ترکیبی (رسانش، جابه‌جایی، تابش)
در نظر گرفتن شرایط مرزی پیچیده مانند چرخش و نوسان دما
کوپل حرارتی-مکانیکی برای محاسبه تنش‌های حرارتی
مدیریت حرارتی کل موتور
علاوه بر اجزاء داخلی، کل موتور نیز نیاز به مدیریت حرارتی دارد تا از گرم‌شدن بیش ازحدبدنه،افزایش دمای روغن وخطر آتش‌سوزی جلوگیری شود.سیستم‌هایی مانند:
مدار روغن‌کاری با خنک‌کننده
عایق‌های حرارتی در محفظه موتور
تهویه هوای داخل گوندولا (nacelle)
برای حفظ عملکرد ایمن موتور به کار می‌روند.
نقش طراحی حرارتی در بهینه‌سازی عملکرد
طراحی حرارتی خوب باعث می‌شود:
موتور با دمای بالاتر کار کند → افزایش بازده
عمر قطعات داغ بیشتر شود → کاهش هزینه‌های نگهداری
عملکرد بهتر در ارتفاع و شرایط سخت حاصل شود
اما این مزایا باید با محدودیت‌هایی مثل وزن، هزینه، قابلیت ساخت و ایمنی متعادل شوند. طراحی حرارتی یک فرآیند چندهدفه و تکرارشونده است.
نتیجه‌گیری
طراحی حرارتی موتور توربوفن از پیچیده‌ترین جنبه‌های مهندسی هوافضا است که در آن دماهای بالا، انتقال حرارت پیچیده و نیاز به مواد پیشرفته به هم گره خورده‌اند.
برای دستیابی به موتورهایی با راندمان بالا، کم‌مصرف و پایدار، مهندسان باید تعادل دقیقی بین افزایش دمای عملکرد، خنک‌کاری مؤثر و انتخاب مواد مناسب برقرار کنند.
تحلیل حرارتی دقیق و مدل‌سازی پیشرفته، ابزارهایی حیاتی برای این طراحی به شمار می‌آیند. با پیشرفت فناوری ، طراحی حرارتی موتور های آینده نقش کلیدی در
کاهش مصرف سوخت و کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی خواهد داشت.
برای مشاوره و خرید با ما در ارتباط باشید.