هدف اصلی فن، جابجایی جرم مشخصی از گاز با یک سرعت مطلوب است، در واقع فن این کار را با افزایش خیلی کم در فشار هوای عبوری از خودش انجام میدهد ، فن ها کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف و حتی زندگی روزمره ما دارند اما در اینجا قصد توضیح این موارد را نداریم یک راست میرویم سر اصل مطلب یعنی فن هایی که در موتورهای توربوفن به کار میروند.
در واقع فن يك كمپرسور فشار پايين يك طبقه اي است كه عمده كاري كه مي كند دادن ممنتوم به سيال و افزايش تراست مي باشد و از اين نظر نيازي نيست كه خيلي نسبت فشار بالايي داشته باشد بلكه هر چقدر حجم بيشتري از سيال را جابجا كند به رسالت خود عمل كرده است.
جریانی که از فن عبور می کند به دو قسمت تقسیم می شود قسمتی از آن وارد هسته موتور(core) می شود و قسمتی از ان هم به صورت جت سرد از داخل پوشش و مجرایی که فن را احاطه کرده عبور می کند. جالب است بدانید که در موتور های توربوفن چیزی در حدود 80 درصد از نیروی تراست توسط همین جت سرد تامین می شود!
در توربوفن ها همه قسمت ها با سرعت برابری دوران نمی کنند، گاهی لازم است که بعضی قسمت ها آرام تر از سایر قسمت ها حرکت کنند! و این تفاوت در حرکت با چند محوره کردن موتور حاصل می شود، بعد از پیشرفت های اولیه در زمینه توربین گاز، صنعت پشرانش توربینی به سمت موتورهای دو محوره و سه محوره روی آورد. در جدیدترین نمونه ها مثل موتور trent از سه محور استفاده شده است.
موتورهای توربوفن دو و سه محوره
طراحی چند محوره تطبيق پذيري بيشتري با شرايط كاري موتور دارد. براي مثال اين طرح اجازه مي دهد كه فن و هسته موتور به صورت جداگانه عمل كنند و از اين طريق مي توان قطر پره هاي فن را بيشتر كرد زيرا در اين حالت سرعت دوراني فن قابل كنترل است.
مزيت هاي موتور سه محوره نسبته به دو محوره را مي توان در نكات زير دانست:
طول شفت در اين پيكربندي كوتاه تر و محكم تر است و اين امر باعث عملكرد بهتر شفت خواهد بود.
فن مي تواند در يك سرعت بهينه كار كند و در نتيجه راندمان موتور افزايش مي يابد.
كاهش وزن كه يكي از اهداف مهم در طراحي هواپيما و موتور است و صرفه اقتصادي زيادي به همراه دارد.
تعمیرات راحت تر صورت می گیرد.
انواع فن در توربوفن ها
موتور های توربو فن بر اساس نوع فنی که دارند به انواع مختلفی تقسیم می شوند.
1- یک روتور
2- یک روتور یک استاتور
3- دو روتور دوران معکوس
4-فن ملخی
پارامترهای مهم در فن
پارامترهای مهمی که باید در مورد فن بدانیم عبارتند از:
1-شکل پره ها
2- نیروهای وارد بر فن
3-مواد به کار رفته در ساخت فن
شکل پره ها
1- حتما در مورد شکسته شدن دیوار صوتی و موج مهیبی که توسط هواپیما ایجاد میشود شنیده اید. هنگامی که سرعت هواپیما به نزدیکی سرعت صوت می رسد دیوار پر فشاری از هوا جلوی دماغه هواپیما تشکیل می شود و وقتی که سرعت هواپیما بیشر شود انرژی زیادی به صورت یک موج ضربه ای ازاد می شود،حالا فرض کنید این اتفاق در پره ی یک فن بیافتد!
در هواپیما برای این که این اتفاق در بال به تعویق بیافتد از sweep back استفاده می کنند، که باعث می شود سرعت برخورد هوا با لبه حمله کمتر از سرعت هواپیما شود.
در پره های فن نیز از روشی مشابه استفاده می کنند. در یک فن هرچه از مرکز به سمت خارج می رویم سرعت پره زیاد میشود ، پس در شعاع بیشتر یعنی هر قدر که به سمت نوک فن پیش می رویم، احتمال رسیدن به سرعت فراصوت بیشتر می شود.
در قسمت قبل فهمیدیم که هر چه از مرکز فن دور بشویم سرعت خطی پره افزایش پیدا می کند حالا بحثی که در این جا مطرح می شود این است که یک ایر فویل بسته به سرعتی که در سیال حرکت می کند و زاویه حمله ای که نسبت به جریان دارد بازده متفاوتی را به ما می دهد. به عبارتی برای هر سرعتی زاویه حمله ای وجود دارد که بیشترین بازده را به ما می دهد و هرچه سرعت زیادتر شود این زاویه نیز کمتر می شود.به همین دلیل از زاویه TWIST در بلید استفاده می کنند.
مواد به کاررفته در فن
اولین نکته ای که باید بدا نید این هست که فن هایی که اخیرا ساخته شدند تو خالی هستند و در عوض دارای پهنای بیشتری هستند تا نیروهای وارده را بهتر تحمل کنند.
خب در ابتدا بهترین ماده ای که می توانست این ماموریت را انجام دهد عنصر گران بهای تیتانیوم بود که هم تنش زیادی را می توانست تحمل کند و هم چگالی کمی داشت و به علاوه با دارا بودن خواص سوپر پلاستیک به درست کردن یک پره تو خالی که در طی بیش از 80 مرحله عملیات به وجود می امد کمک می کرد.
ولی به مرور زمان که فن ها بزرگ و بزرگ تر شدند و بر حجم و وزن آنها افزوده شد، مهندسین به فکر استفاده از کامپوزیت الیاف کربن در فن ها افتادند که هم مقاومت بسیار بالا و هم وزن بسیار کمی داشت ولی مشکل این نوع پره ها این بود که در مقابل برخورد پرنده ها و اجسام، مقاومت کمتری داشتند که مشکل را با پوششی از تیتانیوم در لبه ی حمله حل کردند.
نیروهای وارد بر فن
در مجموع به فن سه نیرو وارد می شود:
1-از دوران دبیرستان به خاطر دارید که به یک جسم دوار به سمت بیرون نیرویی برابر وارد می شود که به ان نیروی گریز از مرکز می گفتیم،حالا فرض کنید در یک پره فن به شعاع 3 متر که با سرعت 5000 دور بر دقیقه در حال دوران است چه اتفاقی می افتد. به هر بلید فن یک موتور توربوفن trent در حالت take off نیرویی برابر وزن یک لوکوموتیو وارد میشود100tonsیا 1000kN!
2-دومین ، نیروی عکس العمل هوایی است که به داخل کشیده می شود،درواقع تغییرات ممنتومی است که در هوای ورودی ایجاد می شود. حالا بد نیست بدانید که دبی جرمی عبوری از یک فن در حالت take off چیزی در حدود 1.2ton/s است!
3- سومین ،گشتاوری است که سعی دارد پره های فن را در جهت زاویه حمله شان دوران دهد. برای این که بهتر متوجه بشوید یک تیکه چوب نسبتا پهن را به نخی با طول مناسب وصل کنید حالا سعی کنید چوب را طوری دور خود بچرخانید که وجه پهن تر آن رو به مسیر دوران باشد،زود متوجه می شوید که چوب دوران می کند و لبه ان رو به جریان هوا قرار میگیرد.در بلید نیز همین پدیده اتفاق میافتد.
