پاورپوینت توربوشفت و کارکردهای آن


موتورهای توربو شافت

ساختار یک موتور توربوشفت ساده
توربوشفت (به انگلیسی: Turboshaft)‏ نوعی موتور توربینی گازی است که جهت تولید نیرو برای استفاده در واحد تولید قدرت انواع ماشین آلات استفاده می شود. ساختار موتورهای توربوشفت بسیار شبیه به موتورهای توربوپراپ می باشد، اما سرعت چرخش ملخ موتور توربوشفت از سرعت چرخش ملخ موتور توربوپراپ بسیار کم تر است. در موتور توربوشفت، هدف تولید قدرت زیاد٬اطمینان پذیری بالا، اندازه کوچک و وزن سبک است اما با سرعت چرخش کم. برخی کاربردهای موتور توربوشفت عبارتند از:بالگردها، قایق ها و کشتی ها، تانک ها، هواناو، و تجهیزات ثابت.

موتور توربوشفت
از موتورهای توربو شفت میتوان برای چرخاندن ملخ هلیکوپتر یا به عنوان یک موتور توربین گازی برای تولید نیرو جهت استفاده در واحد تولید قدرت انواع ماشین آلات استفاده کرد.به عنوان مثال برای چرخاندن فن یک تونل باد یا استفاده جای موتور دیزلی در بعضی تانکها(مثلاً تانک آبرامزm-1-a-1 آمریکایی از یک موتور توربین گازی به نام Atg-1500 با توان 1500 اسب بخار استفاده می کند یا در مدل جدید تر M-1-a-2 از موتور توربین گازی Lv100-5 محصول مشترک هانی ول وجنرال الکتریک استفاده می کند. ) . 

موتور توربوشفت ، نوعی موتور توربینی و از نظر نحوه ی کار بسیار شبیه به موتور توربوپراپ است ، ولی سرعت چرخش ملخ موتور توربوشفت از سرعت چرخش ملخ موتور توربوپراپ بسیار کم تر است . در موتور توربوشفت ، هدف ، تولید قدرت زیاد در دور کم است . از این موتور معمولا در هلیکوپتر و کشتی استفاده می شود . ملخ

هلیکوپتر و کشتی مانند ملخ موتور توربوپراپ وظیفه ی تولید نیروی جلوبرنده را به عهده دارد ؛ ولی با سرعت چرخش بسیار کم تر . گاز خروجی از موتور توربوشفت هیچ نقشی در تولید نیرو ندارد. افزودن ملخ به موتور واستفاده از تمام انرژی گازهای خروجی برای چرخاندن آن باعث افزایش دبی جرمی موتور ودر پی آن افزایش بازده در سرعتهای پایین می شود(مثل موتور توربوفن.

  تقریبا تمام بالگرد هایی که امروزه ساخته میشوند، از توبوشفت نیرو میگیرند.
توربوشفت از بسیاری قسمتهای توربوجت استفاده میکند. یک تفاوت اساسی بین توربوشفت و سایر موتورها این است که توربین تنها به کمپرسور متصل نیست. البته همانند توربوپراپ در اکثر موتورهای توربوشفت چند طبقه از توربینهای مجزا از کمپرسور، وجود دارند که انرژی آنها از طریق شفتی مجزا به جعبه دنده جهت تغییر به گشتاور مناسب انتقال میابد و بعد مورد استفاده قرار میگیرد. بطور نمونه تیغه های روتور بالگرد را میچرخاند.

از طرفی بالگردها در ارتفاعی بسیار پایین تر از هواپیماها جایی که گرد وخاک، ماسه و دیگر آشغالهای ریز به راحتی میتوانند به داخل موتور مکیده شوند، کار میکنند. جهت برطرف کردن این مشکل، بیشتر موتورهای توربوشفت به یک دستگاه تجزیه ی ذره ها که جریان ورودی را صاف کرده و قبل از رسیدن آن به کمپرسور، گرد و خاک را بیرون میریزد، مجهزند

مزایا:
در سرعتهای زیر صوت(تقریباً بین 100تا 250 متر بر ثانیه) بسیار کارآمد وپر بازده است.
معایب:
محدوده سرعت آن کوچک است،کمی پر سر وصدا ودارای سیستم انتقال قدرت پیچیده

اختراع موتورهای توربوشفت یکی از پی آمدهای تکنولوژی موتورهای جت بود . بدین طریق که با قراردادن یک توربین در پشت موتور جت می توان از آن نیروی دورانی لازم را برای چرخاندن ملخ یک هلیکوپتر به دست آورد .زمانیکه اینگونه موتورها بسرعت با قدرت مشابه بوده و می تواند جایگزین آن گردد .به لحاظ همین ملاحظات بود که موتور های توربوشفت برای طراحان هلیکوپتر جاذبه بخصوصی پیدانمود در نتیجه از سال 1960به بعد تمامی هلی کوپترهای نظامی و پیشرفته به موتورهای توربوشفت مجهز شدند .

مزایای موتورهای توربوشفت را می توان چنین بیان کرد
1- سبکی موتور یعنی بالا بودن نسبت توان به وزن موتور
2-کاهش میزان ارتعاشات
3-سادگی هدایت هلی کوپتر (امکان نصب وسائل خودکار سرعت روی موتور)
4-بازدهی خوب هلی کوپتر در ارتفاعات خیلی با

این بالگرد به دو موتور توربوشافت مجهز است که انرژی سیستم روتور اصلی پنج پره ای و دو پروانه نصب شده روی بال های کوتاه آن را تامین می کند.

انتقال گشتاوردرحین راه اندازی ودرطول کارپمپ وایجادتکیه  گاهی برای پروانه ودیگر اجراء دوار پمپ از وظایف اصلی محور می باشد

شافت پمپ تحت تاثیر ۵ عامل مخرب قرار دارد:
۱-تنش پیچشی (torsion stress)
2- تنش خمشی (bending stress)
3- تنش محوری (axial stress)
4- ارتعاش (vibration)
5-سرعت بحرانی (critical speed )

برای مقابله با عومل مخرب ذکر شده،روشهای مختلف اتخاذ می شود.به طورمثال نیروی محوری واردبرشافت با استفاده ازسوراخ های متعادل کننده در پروانه، استفاده از پره هایی در پشت پروانه،صفحه موازنه،پیستون موازنه و … حذف می شود.علاوه برروشهای ذکرشده،جهت حذف نیروی محوری درپمپ های سانتریفوژ همیشه از یاتاقانهای کف گرد یا همان همان trust bearing  ها استفاده می شود که هدف اصلی به کارگیری این یاتاقانها محافظت از شافت در برابر بارهای محوری می باشد .

پوسته
پوسته پمپ،محفظه ای است که سیال را از محیط پروانه جمع آوری می کند.پروانه در داخل پوسته قرار گرفته و برای این که که سوارکردن آن امکان پذیر باشد معمولا دو طرف پوسته به صورت باز ساخته شده و توسط درپوش های جلو و عقب بوسیله پیچ و مهره بسته می شود.

الف)تقسیم بندی پوسته از لحاظ شکل هندسی :
پوسته حلزونی شکل (volute)
این نوع پوسته،حلزونی شکل بوده بطوریکه سطح مقطع آن از زبانه تا لوله خروجی افزایش می یابد . سیالپس از خروج از پروانه به داخل پوسته تخلیه می شود . سطح مقطع حلزونی از نقطه شروع تا انتهای آن طی ۳۶۰ درجه دوران به دور پروانه زیاد می شود تااین که درانتهای سطح مقطع حلزونی به اندازه سطح مقطع دهانه discharge می رسد.همانطور که در قسمت اساس
و عملکرد نیز اشاره شد پوسته به نحوی طراحی می شودکه افزایش دبی قادر به جبران کاهش سرعت ناشی از افزایش سطح مقطع شده وسرعت درپوسته ثابت باقی بماند.هدف از ثابت نگه داشتن سرعت درپوسته، ثابت نگه داشتن فشار استاتیکی در پوسته و جلوگیری از ایجاد نیروی شعاعی بر پروانه می باشد که به علت توزیع غیر یکنواخت فشار در اطراف پروانه ایجاد می شود. در عمل باز هم در پوسته حلزونی شکل ،سرعت تا حدودی کاهش می یابد وتوزیع فشار حتی درراندمان بهینه دراطراف پروانه یکنواخت نخواهد بود .

بنابراین می توان گفت که در صدی از فشار ایجاد شده در پمپ های سانتریفوژ حلزونی شکل توسط پوسته ایجاد می شود . نیروی شعاعی که به علت توزیع غیر یکنواخت فشار در  پوسته اطراف پروانه بوجود می آید radial force نامیده می شود . وجود radial force ممکن است منجر به فرسایش پروانه وپوسته،خرابی یاتاقانها و مکانیکال سیل و پاره ای مشکلات دیگر در پمپ شود .

در پاره ای از موارد برای خنثی کردن نیروی شعاعی یا همان radial force از یاتاقانهای بزرگتر که تحمل بار شعاعی بیشتری راداشته باشند، استفاده می کنند.روش دیگر برای خنثی کردن radial force استفاده از پوسته دو جداره یا double volute می باشد Volute  Double  از دو حلزون با قوس ۱۸۰ درجه تشکطل شده که نقطه شروع حلزونی دوم ،۱۸۰ درجه بعد از نقطه شروع حلزون اصلی اشت .

پوسته افشان
پوسته از لحاظ شکلی دایره ای می باشد و درداخل آن پرده های ثابتی وجود دارد که به آنها دیفیوزر یا افشاننده می گویند.سیال عبوری از پروانه وارد پرده های راهنما شده و چون مقطع جریان بتدریج بازتر می شود سرعت افت می یابد و فشار افزایش پیدا می کند.پره های افشان به ندرت درپمپ های جریان شعاعی یک طبقه استفاده می شود و بیشترین کاربرد آنها در پمپ های چند طبقه فشار قوی و پمپ های توربینی قائم است .

ب)تقسیم بندی پوسته از لحاظ تعداد برش ها:
پوسته یک پارچه
پوسته بدنه اصلی اغلب پمپ ها سانتریفوژ یک طبقه به صورت یکپارچه ریخته می شود. به منظور سوار کردن پروانه و قطعات داخلی پمپ، معمولا دو طرف و یا حداقل یک طرف پوسته باز است و بوسیله در پوش های جلو و عقب ،بوسیله پیچ و مهرهبسته می شود .

پوسته چند تکه
پوسته در جهت های مختلفی می تواند برش داشته باشد.اگر صفحه برش درامتداد محور باشد پوسته را با برش افقی می گویند چون هر دو دهانه ورودی و خروجی پمپ در یک نیمه پوسته واقع هستند نیمه دیگر را برای بازرسی و تعمیرات داخلی پمپ بدون بر هم زدن یاتاقانها و لوله ها می توان برداشت.اگر صفحه برش،در انتداد قائم باشد،پوسته را با برش قائم گویند.اگر پوسته بوسیله دو صفحه متقاطع در امتداد شعاعهای پوسته برش بخورد به آن ،برش اریب گویند .

بوش شافت shaft sleeve
شافت یکی از اجزاء گران قیمت پمپ می باشد و بنابراین باید از خرابی آن جلوگیری به عمل آورد برای محافظت شافت در مقابل ساییدگی ،زنگ زدگی و خوردگی درقسمت های کاسه نمد و یاتاقانهای از بوش شافت که قابل تعویض
می باشد ،استفاده می کنند.بنابراین شافت سالم باقی می ماند وخرابی ایجاد
شده تنها تاثیر خود رابرروی بوش شافت خواهد گذاشت

رینگهای سایشی پروانه و پوسته wear ring
ازرینگ های سایشی درنواحی که امکان تماس مستقیم پروانه و پوسته با هم وجود دارد استفاده می شود . در صورت فرسایش سطوح تماس،باتعویض رینگ ها می توان مشکل را حل کرد و نیاز به تعویض پروانه و پوسته نخواهد بود مهمترین کاربرد رینگ های سایشی پروانه و پوسته ،جلوگیری از فرسایش مستقیم این دو قطعه است

رینگ های سایشی استفاده شده در جلوی پروانه امکان بازگشت سیال را از دهانه discharge به دهانه suction به حداقل می رساند به پدیده برگشت سیال از دهانه discharge به دهانه recirculation , suction  گویند. چون فشار discharge از فشار suction  بیشتر است ،سیال تمایل دارد که از فاصله ما بین پروانه و پوسته عبور نموده به دهانه suction وارد شود .

لقی مابین پروانه و پوسته در پشت پروانه باعث جریان یافتن سیال از discharge به پشت پروانه می شود . با تجمع سیال درپشت پروانه،فشارواردبه پشت پروانه(فشار (discharge ازفشاروارد به جلوی پروانه (فشار (suction  بیشتر شده و بنابراین نیروی محوری برآن وارد خواهد شد. هر چه این gap کمتر باشد ،میزان تجمع سیال کمترخواهد بود.برای این منظور در پاره ای از موارد درپشت پروانه ازرینگهای سایشی استفاده می شود .بنابراین دلیل دیگر استفاده از رینگ های سایشی ،حداقل رساندن gap بین پشت پروانه و پوسته می باشد .

رینگهای سایشی پروانه و پوسته wear ring رینگ های سایشی از نظر شکل ظاهری به سه دسته تقسیم می شوند
۱-رینگهای سایشی ساده : این رینگها برای پمپ هایی بافشار کاری پایین استفاده می شود .
۲-رینگهای سایش L شکل:برای پمپ هایی با فشار کاری متوسط استفاده می شود .
۳-رینگهای سایشی پله ای:برای پمپ هایی با فشار کاری بالا استفاده می شود .