المحركات العنفية والنفاثة

محركات عنفيه نفاثه

Turbo and jet engine - Turbo et moteur à réaction

المحركات العنفية والنفاثة

المحرك النفاث jet engine هو محرك يستخدم في دفع الأجسام (المركبات) وتحريكها بتأثير قوة الدفع الارتكاسي الناتجة من قوة رد فعل نفث الغازات بسرعة عالية؛ ويدعى لذلك محركاً ارتكاسياً.  

لمحة تاريخية

عُرف مبدأ الحركة الارتكاسية (حركة رد الفعل) منذ القدم. ويمكن أن تعد الكرة الدوارة التي صنعها هيرون الإسكندري (ق.م) بفعل الهواء المضغوط الجد الأكبر للمحركات النفاثة. وتُعد الصين أول بلد عرف الصواريخ البارودية على شكل ألعاب نارية منذ القرن العاشر للميلاد، وقد طورت هذه الصواريخ في المشرق وانتقلت إلى أوربا. وفي القرن الثامن عشر طور المحرك النفاث، وأصبح بالإمكان توجيه الغازات في صفائح دولاب عنفة لاستخدامها في مساعدة الاحتراق مرة ثانية والحصول على قوة الدفع من نفث الغازات. وقد استمر العمل على هذا الأساس إلى أن قام المهندس الفرنسي رينيه لوران Rene Loriné باستعمال المحرك الترددي لدفع المنطاد أو الطائرة الهوائية نتيجة الدفع النبضي للغاز الساخن الناتج من احتراق مزيج مضغوط من الوقود والهواء. وفي عام 1910 قام المهندس هنري كواندا Henri Coanda من رومانيا بتجربة ناجحة على استخدام قوة رد الفعل على الطائرة. ومُنحت أول براءة اختراع في هذا المجال عام 1917. طُور المحرك النفاث من قبل المهندس الإنكليزي فرانك وايتلي Frank Whittle عام 1939، واستخدم في مجال الطيران. وفي العام نفسه توصلت شركة الآليات الألمانية فريتس فون أوبل Fritz von- Opel إلى صنع أول جسم طائر بمحرك دفع صاروخي كان نقطة الانطلاق للأمريكي ر.هـ. غودارد R.H.Goddard لتطوير الصواريخ الحديثة. وفي عام 1940 قام أحد مهندسي شركة سيكوندو كامبيني Secundo Campini الإيطالية بالطيران مدة عشر دقائق باستخدام محرك نفاث حراري.

بنية المحرك النفاث ومبدأ عمله

يتألف المحرك النفاث من أربعة أقسام رئيسية هي: الضاغط، العنفة، حجرة الاحتراق، فوهات الدفع.

يعتمد مبدأ عمل المحرك النفاث على الاستخدام غير المباشر للطاقة الحركية لتمدد (زيادة حجم) نواتج الاحتراق من دون أن تتحول هذه الطاقة إلى عمل ميكانيكي؛ لأن تمدد الغازات يؤدي إلى نشوء قوة رد فعل تدعى قوة الدفع (السحب)، وهي تدفع أو تسحب المركبة، وتعد المؤشر الأساسي للمحرك النفاث، مثل الاستطاعة التي تعد المؤشر الأساسي في المحركات الأخرى.

يدخل الهواء إلى المحرك من خلال فتحة دخول في مقدمته، فيُضغط بما يعادل 3- 30 ضعفاً من الضغط الجوي، ويندفع جزء منه إلى حجرة الاحتراق، ويمتزج بالوقود، فيحصل احتراق المزيج الذي يؤدي إلى زيادة حجم نواتج الاحتراق (الغازات) التي تندفع بسرعة عالية من فوهة النفث في مؤخرة المحرك؛ فتتولد قوة دفع، تقابلها قوة رد فعل (ارتكاس) تؤدي إلى دفع المحرك في الاتجاه المعاكس لقوة الدفع، وذلك حسب قانون نيوتن: «لكل فعل رد فعل يساويه بالمقدار ويعاكسه بالاتجاه» (الفعل ورد الفعل). تستخدم معظم المحركات النفاثة نواتج النفط السائلة المشابهة للكيروسين وقوداً لها. وتصل درجة حرارة نواتج الاحتراق (الغازات) إلى 1800- 2000 درجة مئوية، وقد تسبب تلفاً في أجزاء المحرك؛ لذلك تُمزج هذه الغازات مع جزء من الهواء المضغوط المتبقي لخفض درجة حرارتها إلى الحدود المسموح بها، ويستخدم الجزء الأخير المتبقي من الهواء المضغوط لتبريد جدران غرفة الاحتراق.

تعتمد قوة الدفع في المحرك النفاث أساساً على زيادة سرعة نفث جزء من كمية الغازات الموجودة داخله، ويبقى جزء كبير من الطاقة الحركية لا يستفاد منه لدى الغازات المندفعة من فوهة مؤخرة المحرك بدرجة حرارة عالية. وتعتمد قوة الدفع الناتجة من المراوح على حركة كمية كبيرة من الهواء بسرعة صغيرة لا يوجد فيها فقد كبير في الطاقة الحركية، وبما أن مقدار قوة الدفع في المحرك النفاث ثابت تقريباً بالنسبة لسرعة الطيران، ومقدار قوة الدفع الناتجة من المراوح تتناقص مع ازدياد سرعة الطيران، فإن سرعة الطائرات النفاثة تكون أكبر منها في الطائرات المروحية.

أنواع المحركات النفاثة

تقسم المحركات النفاثة إلى أربعة أنواع رئيسية:

ـ المحرك التوربيني التضاغطي المروحي: تحصل الحركة الدورانية في المحرك النفاث التضاغطي المروحي (الشكل 1 ـ أ) بفعل الهواء المتضاغط في أثناء الحركة، حيث يتم الانضغاط الديناميكي للهواء في الفوهة، وتتعلق سرعة الحركة بقيمة نسبة الانضغاط الديناميكي التي تتعلق بدورها بسرعة الطيران. ويُستخدم جزء من طاقته الحركية في تدوير ضاغط مروحي كبير موجود في مقدمة المحرك بسرعة؛ مدفوعاً بعنفة مشابهة للعنفة المستخدمة في المحرك التوربيني المروحي. يقوم هذا الضاغط بضغط جزء من كمية الهواء التي يدخلها إلى المحرك؛ لتمتزج مع الوقود، ومن ثم يحترق المزيج، فتخرج نواتج الاحتراق عبر العنفة، ثم من الفوهة معطية قوة دفع. ويمر الجزء الأكبر منه حول المحرك، ويندفع إلى الخلف مولّداً قوة دفع إضافية. يلاحظ في هذا النوع من المحركات استخدام مصدرين للحصول على قوة الدفع، مما يزيد من كفاءة العنفة بحيث تقترب من كفاءة التوربين (العنفة) المروحي من دون أن يؤثر ذلك على قدرة التوربينات النفاثة خاصة في أثناء الطيران بسرعة أكبر من سرعة الصوت. يزوَّد هذا المحرك بحرّاق إضافي لزيادة قوة الدفع عند الحاجة. ويمتاز بانخفاض درجة الضوضاء التي تعتمد على سرعة خروج نواتج الاحتراق من الفوهة في أثناء التشغيل. وهو أكثر أنواع المحركات النفاثة شيوعاً، ويستخدم في طائرات البوينغ 747 وفي طائرات الركاب الكبيرة والطائرات العسكرية النفاثة.

الشكل (1)

ـ المحرك التوربيني المروحي: وهو في الأصل محرك توربيني نفاث، من حيث التشابه في مكونات المحرك (ضاغط، غرفة احتراق، عنفة)، ولكن المحرك التوربيني المروحي (الشكل 1 ـ ب) يحتوي على عنفة أخرى (عنفة طاقة) توضع بعد نهاية العنفة الأولى؛ تدور بطاقة نواتج الاحتراق وتدير الضاغط والمروحة، حيث إن النسبة الكبرى من طاقتها تذهب لتدوير المروحة. تخرج نواتج الاحتراق من الفوهة بسرعة محدودة حاملة معها جزءاً من الطاقة ينتج قوة دفع إضافية إلى قوة الدفع المروحي.

يتميز المحرك التوربيني المروحي بسهولة استخدامه واقتصاديته في استهلاك الوقود وبقلة أعطاله؛ إضافة إلى أن حجمه أصغر ووزنه أقل من المحرك المكبسي الذي يعطي القدرة نفسها، ولكنه لا يعطي سرعات كبيرة في أثناء الطيران تزيد على سرعة الصوت. تستخدم هذه المحركات في طائرات النقل الضخمة وطائرات الركاب الصغيرة والمتوسطة وفي تدوير مراوح الطائرات المروحية.

ـ المحرك التوربيني النفاث: وهو أول نوع استخدم في المحركات النفاثة (الشكل 1ـ ج). يندفع الهواء إلى الضاغط عبر أنبوب، فيقوم الضاغط بضغطه حتى 30 ضعف الضغط الجوي، ثم يتجه الهواء المضغوط إلى حجرة الاحتراق ليختلط جزء منه بالوقود (نحو 25-40% من كمية الهواء الكلية)، ثم يحترق المزيج وتزداد درجة حرارة نواتج الاحتراق (الغازات) التي تمتزج مع جزء من كمية الهواء المتبقية مندفعة عبر ريش (شفرات) العنفة (التوربين)، فتديرها، ثم تخرج هذه الغازات من الفوهة، وتدفع المحرك بسرعة تصل إلى 1600 كم/سا.

تستخدم حراقات إضافية بين العنفة وفوهة خروج الغازات للاستفادة من الأكسجين الموجود معها لزيادة قوة دفع المحرك، ولكنها تستخدم على فترات زمنية قصيرة في أثناء التسلق السريع أو الرأسي بسبب الزيادة في استهلاك الوقود. فالطائرة العسكرية النفاثة نورثروب إف 50 أي، تستخدم محركين من هذا النوع قوة دفع كل منهما 15.600 نيوتن (3.500 رطل)، وعند استخدام حراق إضافي تصل قوة الدفع فيها إلى 22.200 نيوتن (5.000 رطل).

ـ المحرك النفاث التضاغطي: ويعد من أبسط المحركات النفاثة؛ لأنه محرك توربيني نفاث (الشكل 1 ـ ج) من دون توربين أو ضاغط. يدخل الهواء إلى المحرك في أثناء الطيران عبر أنبوب الدخول، حيث يتباطأ تدفقه؛ ليرتفع ضغطه داخل المحرك بالتأثير التراكمي (على مراحل) بسبب اندفاع الهواء الجوي إلى المحرك الذي يضغط على الهواء عند المدخل وذلك في أثناء الطيران بسرعات عالية، ثم يحقن الوقود، ويمتزج مع الهواء المضغوط، ويحترق المزيج مولّداً نواتج احتراق (غازات) ذات طاقة عالية تنطلق من الفوهة الخلفية بسرعة كبيرة مولدة قوة دفع. وبسبب بساطة مكوناته سمي بالشعلة الطائرة. من العيوب الأساسية في استخدامه أنه لا يحدث تأثير تضاغطي للهواء عند المدخل حتى تصبح سرعة الطيران أكبر من سرعة الصوت، لذلك يجب استخدام صاروخ أو محرك توربيني آخر يدفع المحرك في البداية؛ لتصل سرعة التشغيل إلى قيمة أكبر من سرعة الصوت.

لا يستخدم عادة هذا النوع من المحركات في الطائرات، ولكن يستخدم في تطبيقات خاصة، مثل استخدامه في دفع معدات تستخدم طائرة تسير بسرعة أكبر من سرعة الصوت، ويتم التحكّم فيها عن بعد، ولمحاكاة القذائف المضادة للقطع البحرية في أثناء التدريب.

تطبيقات

1ـ يستخدم المحرك النفاث في الصواريخ، ويعتمد على جريان الهواء الذي يحمل معه مواد كيميائية لتأمين احتراق الوقود من دون سحب للهواء من الوسط (المنبع) الخارجي، وهذا ما سمح للصاروخ أن يعمل خارج الغلاف الجوي، حيث لا يوجد هواء جوي. يحمل الصاروخ معه حاجته من الأكسجين الضروري للاحتراق، ولا يعتمد على هواء الوسط المحيط به؛ لذلك يستعمل للإقلاع بين مراحل الطيران، ويقسم إلى:

- محرك صاروخي يستخدم مسحوق الوقود (وقود صلب) الذي يتحول إلى سائل.

- محرك صاروخي يستخدم الوقود السائل (أكسجين مسيّل، آزوت، …).

2ـ تستخدم محركات النفث الدفعي في الطائرات، ولكن في مجالات صغيرة، أما في المسافات الطويلة فتستخدم الطائرات ذات المحركات المروحية العنفية (التوربينية) حيث تولد قوة الدفع من محرك عنفي (توربيني) وتأخذ الأكسجين الضروري للاحتراق من الوسط المحيط.

وعلى الرغم من ارتفاع المردود والسرعات العالية التي يمكن الحصول عليها تصمم عملية الاحتراق لاستخدام عدة مصادر للطاقة، كما هي الحال في الصواريخ أو المحركات التي تعمل على النفث المختلط أو المجهزة بحجرة احتراق فوق صوتية (أكبر من 5 ماك)، حيث يستخدم الهدروجين وقوداً. وتصل فيه السرعات نظرياً إلى السرعات المدارية، ويكون المردود أعلى بثلاث مرات من المحركات التي تعمل على الوقود الصلب أو السائل.

وهناك عدة طرق لزيادة الدفع أي زيادة فعالية القوة الدافعة للمحرك النفاث وهي: الاحتراق المتأخر، الحقن بالماء، استنزاف الهواء.

ـ يكون ضغط الغازات الخارجة من المحرك عالياً في حالة الاحتراق المتأخر لأن هناك جزءاً من كمية الوقود يتبدد.

ـ إن حقن الماء داخل ضاغط الهواء يزيد من الدفع، ويفيد أيضاً في أثناء الإيقاف بسبب الحاجة الكبيرة لاستهلاك الماء.

ـ يؤدي استنزاف الهواء (أو ما يسمى زيادة الدفع بالتذرير) إلى زيادة الفعالية؛ لأنه يمكن للهواء أن يستعمل عدة مرات قبل تبدده.

تصل سرعة طائرة الطير الأسود SR-31 وطائرة التجسس النفاثة الأمريكية  U.S spy plane إلى 2.193.17 ميل بالساعة أي ما يعادل 3.529.56 كم/سا في مجال التنفس الطبيعي (الغلاف الجوي)، لكن تجارب وكالة ناسا NASA الأمريكية أثبتت أنه في حالة الدفع المختلط المستخدم في طيران النموذج X-43A وصلت السرعة إلى 7 ماك (7 Mach)؛ أي نحو 8000 كـم/سـا، أمّا عند سرعة 10 ماك؛ فقد وصلت نحو 11000 كـم/سـا في تجربة طيران أجريت عام 2004.

عيسى مراد

الطائرة ـ العنفات ـ الوقود الداسر.

ـ ب. ستيفانوفسكي، ج. ياشيفيتش، أسس التكنيك الحراري (وارسو 1968).

التصنيف : التقنيات (التكنولوجية)

النوع : تقانة

المجلد: المجلد السابع عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 911

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية