نظرية عمله
اذا مر تيار في كهربائي في سلك متقاطع مع مجال مغناطيسي فان السلك يتأثر بقوة تعمل على تحريكه في اتجاه عمودي على كل من اتجاه المجال واتجاه التيار * * أو اذا مر تيار في ملف على شكل مستطيل متقاطع مع مجال مغناطيسي فان الملف يتأثر بعزم ازدواج يعمل على دورانه حول محوره
تركيبه
يشبه تركيب مولد التيار المستمر حيث يتركب من
1. مغناطيس قوي على شكل حذاء الفرس قطباه متقابلان
2. ملف مستطيل الشكل من سلك نحاسي معزول وعدد لفاته كبير ملفوف طوليا حول قلب اسطواني من الحديد المطاوع مكون أقراص رقيقة معزولة للحد من التيارات الدوامية وبحيث يكون الملف والقلب الحديدي قابلان للدوران بين قطبي المغناطيس
3. اسطوانة نحاسية مشقوقة الى نصفين بينهما مادة عازلة ويتصلان بطرفي الملف ويدوران مع الملف ويجب أن يكون المستوى المار بالشق الفاصل لنصفي الاسطوانة عموديا على مستوى الملف
4. فرشتان من الكربون أو المعدن ثابتتان وتلامسان نصفي الاسطوانة أثناء دورانهما وتتصلان بقطبي البطارية
كيفية عمله
1. اذا بدء الملف من الوضع الذي يكون فيه مستواه موازيا لخطوط المجال تكون الفرشاة العليا متصلة بالقطب الموجب وبتطبيق قاعدة فلمنج لليد اليسرى على كل من الضلعين الطويلين للملف نجد أن الضلع العلوي يتحرل الى اليسار كما يشير السهم الأسود في البريمج بينما الضلع السفلي يتحرك الى اليمين ويمكنك استخدام المفتاح الأول – توقف – لتوقيف الملف في الوضع المذكور سابقا
2. بدوران الملف يقل عزم الازدواج تدريجيا لنقص البعد العمودي بين القوتين حتى يصبح مستوى الملف بعد 90 درجة عموديا على خطوط المجال وهنا ينعدم عزم الازدواج ولكن الملف يستمر في الدوران بسبب القصور الذاتي وتلاحظ هذا في البريمج حيث يختفي السهمان باللون الأسود عندما يكون مستوى الملف عموديا على خطوط المجال والفرشتان تلامسان الجزء العازل في الاسطوانة المشقوقة
3. بعد 180 درجة يصبح مستوى الملف في مستوى المجال مرة أخرى ويتبادل نصفا الاسطوانة موضعيهما بالنسبة للفرشتين وبالتالي ينعكس اتجاه التيار في الملف وينعكس اتجاه حركة الضلعين الطويلين ولكن الملف يستمر في الدوران في نفس الاتجاه الدائري ويكون عزم الازدواج نهاية عظمى
4. مع استمرار دوران الملف يقل عزم الازدواج الى أن يصل الى الصفر عند 270 درجة ولكن الملف يستمر في الدوران بسبب القصور الذاتي
5. يستمر الملف في الدوران في نفس الاتجاه الى أن يصل عزم الازدواج الى نهاية عظمى عند 360 درجة وعندها يكون الملف قد دار دورة كاملة وهكذا تتكرر هذه العملية وبذلك تتحول الطاقة الكهربائية الى طاقة ميكانيكية
كيف نزيد من قدرة المحرك
1. بزيادة عدد لفات الملف ولفها حول قلب من الحديد المطاوع المقسم الى شرائح بينها مادة عازلة
2. تقسم الاسطوانة المعدنية الى عدد من القطع ضعف عدد الملفات بحيث يفصل بين هذه القطع مادة عازلة
الكفاءة الميكانيكية للمحرك Mechanical efficient
هي النسبة المئوية لمعدل الشغل الميكانيكي الذي ينجزه المحرك الى القدرة الكلية المغذية له
تزداد كفاءة المحرك كلما قلت مقاومة ملفاته الداخلية
المحرك الكهربائي
المُحَرِّك الكهربائي آلة تحوِّل الطاقة الكهربائية إلى قدرة ميكانيكية لإنجاز عمل. وتُستَخدم المحركات الكهربائية لتشْغيل عدة آلات ومعدات ميكانيكية مثل غسالات الملابس وأجهزة التكييف والمكانس الكهربائية ومجفِّفات الشعر وآلات الخياطة والمثاقب الكهربائية والمناشير. وتشغل أنواعٍ شتى من المحركات الأدوات الميكانيكية، والروبوتات، وأيضاً المعدات التي تسهِّل العمل داخل المصانع.
ويتنوع حجم وسعة المحركات الكهربائية تنوعًا كبيرًا. فقد يكون جهازاً صغيراً يقوم بوظائفه داخل ساعة يد أو محرِّكاً ضخماَ يمد قاطرة ثقيلة بالقدرة. ففي الوقت الذي تحتاج فيه الخلاطات ومعظم أدوات المطبخ الأخرى لمحركات كهربائية صغيرة لأنها تحتاج فقط لقدرة بسيطة، تتطلب القطارات استخدام محركات أكبر وأكثر تعقيدا، ذلك لأن المحرك في هذه الحالة عليه أن يبذل جهدًا كبيرًا في وقت قصير.
وبناء على نوع الكهرباء المستخدمة،
هناك نوعان رئيسيان للمحركات:
1- محركات تعمل بالتيار المتناوب
2- محركات تعمل بالتيار المستمر.
يعكس التيار المتناوب اتجاه سريانه خمسين أو ستين مرة في الثانية. وهو التيار المستعمل في المنازل. وتستعمل محركات التيار المستمر أيضاً بشكل شائع في الأدوات المنزلية. ويسير التيار المستمر في اتجاه واحد فقط، ومصدره الرئيسيّ هو البطارية. وتستخدم محركات التيار المستمر استخداماً شائعا لتشغيل المعدات الميكانيكية في المصانع. كما أنه يستخدم باديء تشغيل في المحركات التي تعمل بالبنزين.
وتعتمد المحركات الكهربائية على مغانط كهربائية لتنتج القوة اللازمة لإدارة الآلات أو المعدات الميكانيكية. وتسمى الآلات أو المعدات التي تدار بالمحرك الكهربائي الحمْل. ويُوصَّل عمود إدارة المحرك بالحمل
أنواع المحركات
من أشهر محركات الإ حتراق:
و عادة ما نجدها في ميدان تحريك الآلات و خاصة النقل كالسيارات والسفن. و توجد محركات أخرى لا تولد الحركة عن طريق إحراق الوقود مثل المحرك كهربائي
تاريخ المحركات
طريقة عمل محرك الاحتراق الداخلى الرباعى الاشواط. المحرك طرق عملة تتكون من اربع اشواط 1- الشوط الاول وهو(شوط السحب)ويكون البستون في وضع النزول لاسفل. 2- الشوط الثانى وهو(شوط الضغط )ويكون البستون في وضع الصعود. 3- الشوط الثالث وهو(شوط الطاقة)ويكون البستون وضع النزول لاسفل. 4- الشوط الرابع وهو(شوط الطرد)ويكون البستون في وضع الصعود.
1-شوط السحب؛يقوم البستون بسحب المخلوط الذى يتكون من الهواء والبنزين. 2-شوط الضغط؛يقوم البستون بضغط المخلوط لاعلى لاقصى درجة.د 3-شوط الطاقة؛تقوم شمعة الشرر باشعال المخلوط ينتج عن ذلك انفجار المخلوط ويقوم بدفع البستون لاسفل بقوة. 4-شوط الطرد؛يقوم البستون بطرد نواتج الاحتراق خارج الاسطوانة. وتتكرر هذة العملية بترتيب معين للاسطوانات وعلى حسب عددالاسطوانات وشكل المحرك كذلك تكون طريقة عمل المحرك الرباعى الاشواط بأختصار.
محرك و طريقة الديزل برؤية التحريك الحراري
يعتبر محرك الديزل من محركات الاحتراق الداخلي حيث يقوم بتحويل الطاقة الكيميائية الكامنة في وقود (زيت الغاز)الى طاقة حركية. أول من اخترع المحرك الديزل هو رودولف ديزل في عام 1892 و الهدف من وراء هذا الإختراع هو إيجاد محرك ذو كفاءة أعلى من كفاءة محرك البنزين. وتأتي الزيادة في الكفاءة من إرتفاع نسبة االضغط (compresses ratio) في محركات الديزل حيث تتراوح ما بين 1:14 إلى 1:25 أما البنزين فيتراوح ما بين 1:8 إلى 1:12 و كما هو معروف أن كفاءة المحرك تتناسب طرديا مع نسبة االضغط.
يمكن تفسير كيفية عمل محرك الديزل إستناداً إلى الترموديناميكا التي تصف عملية الديزل (Diesel Process) على النحو التالي:
البنية الميكانيكية لمحرك الديزل
يتكون المحرك من مجموعه من المكابس تتناوب في حركة إزاحة ذهابا وإيابا من أجل إدارة عمود ( الكرنك ) وبذلك تتولُّد حركة دورانية من حركه ترددية منتظمة.
تتكون دورة المحرك من أربع مراحل هي: 1/ السحب. 2/ الانضغاط. 3/ الإشتعال أو الإحتراق. 4/ العادم.
ميزات و مساوئ محرك ديزل
محرك أوتو
محرك أوتو هو مصطلح يستعمل للدلالة على محرك احتراق داخلي الذي يتم فيه إشعال خليط الوقود والهواء بواسطة شرارة. يختلف هذا المحرك عن محرك الديزلالذي تتم عملية الإشعال فيه نتيجة للضغط. قد يكون المحرك ذو مشواران (شوطان) أو ذو أربعة مشاوير (أشواط).
الشوط الأول: ( مشوار السحب )
حيث يتحرك المكبس من الأعلى إلى الأسفل, ويكون صمام السحب مفتوحاً حيث يسمح بدخول الخليط المكون من البترول والهواء, إلى حجرة المحرك, – وهناك إختلاف في طرق التي يتم فيها تكوين الخليط, وأما الطريقة الحديثة ففيها يقوم المكبس بسحب الهواء فقط من النطاق الخارجي ماراً بمنقيات ومصافي ( فلاتر ) بينما تقوم البخاخات بنثر الهواء بشكل جزيئات في انبوب السحب, وبذلك يتكون الخليط.
وينتهي شوط السحب بوصول المكبس إلى النقطة الميتة السفلى, أي نهاية الشوط الذي يتحرك المكبس فيه ضمن الاسطوانة.
الشوط الثاني: ( شوط الضغط )
وبهذا المشوار, يتحرك المكبس من النقطة الميتة السفلى ( التي كان قد وصلها في نهاية شوط السحب ) إلى النقطة الميتة العليا, وهي أعلى نقطة ممكن أن يصلها المكبس ضمن الاسطوانة, ضاغطا بذلك الخليط ورافعاً درجة حراراته نتيجة الضغط, مع الملاحظة بأن الصبابان في حالة الضغط يكونا مغلقين.
وفي نهاية شوط الضغط أي عند وصول المكبس إلى النقطة الميتة العليا, تنطلق الشرارة من شمعة الاشعال, المبينة صورتها بين الصبابين. ليبداً بذلك شوط القدرة.
– الشوط الثالث: ( شوط القدرة )
– عند وصول المكبس إلى النقطة الميتة العليا تقوم شمعة الاشعال بإرسال الشرارة, بتوقيت وقوة معينتين مفجرة بذلك الخليط المكون من البترول والهواء, والذي قد ضغط ورفعت درجة حرارته نتيجة لحركة المكبس في مشوار الضغط كما أسلفنا سابقا. ونتيجة للضغط وتوفر العوامل التالية ( هواء + بترول + ضغط وفي النهاية شرارة ) فيحدث الاشعال الذي ينتقل بسرعة بين جزيئات الخليط مولداً قوة ضغط كبيرة مؤثرة على سطح المكبس فتقوم بدفعه إلى الأسفل أي من النقطة الميتة العليا إلى النقطة الميتة السلفلى, وهذا الشوط يسمى بالشوط الفعال, أو شوط القدرة لأن المجرك يعتمد في عمله على القوة التي يولدها شوط القدرة,
– الشوط الرابع: ( شوط العادم )
يبدأ هذا الشوط بإنتهاء شوط القدرة, حيث يرتفع المكبس من النقطة الميتة السفلى إلى النقطة الميتة العليا, مع فتح صباب العادم سامحاً بخروج العادم المتولد عن احتراق الخليط, طارحاً إياه إلى الهواء الخارجي.
وبذلك نكون قد اتتمنا عملة الاحتراق كاملة في المحرك.
ربما سيطرح السؤال نفسه: من أين اتت حركة المكابس في الأشواط الثلاثة غير شوط القدرة, والجواب هو أن المحرك الذي قد أسلفت في شرحه هو من أربعة اسطوانات. أي انه دائماً تكون احد المكابس في حالة قدرة والثلاثة الأخرى, في سحب وآخر في عادم وآخر في ضغط.
– وهذه الدورة تكون في المحركات رباعية الأشواط, وهناك محركات مزدوجة الأشواط سنقوم بإستعراضها لاحقاً.
الأسس الترمودينامكية
الأسس الترموديناميكية في محركات الإحتراق الداخلي تنقسم ترتكز على ثلاث قيم حرارية متغيرة و هي: الحجم و الضغط و الحرارة. كل من هذا المتغيرات لها تأثير على القيمتين الأخريتين،و بهذا يتبع التأثير على الطاقة الحرارية المتوفرة في المحرك. بشكل عام، يمكن القول أنه عندما يصغر حجم الغاز المكبوس يزيد ضغطه، فترتفع حرارته. إذن يتم استخدام الطاقة الحرارية لتوليد طاقة حركية بأن يتم تغيير الحالة الطاقية للغاز الموجود في أنبوب المحرك، و ذلك من خلال التحكم بالتغيرات التالية:
من خلال الأشواط الأربعة الحاصلة، تحدث أربع تغيرات ترموديناميكية بفعل العمليات التالية:
1. عملية الضغط
المكبس يتحرك إلى فوق في حين أن الصمامات مغلقة. و بهذا:
مما يجعل من الخليط، مادة قابلة للإنفجار. هنا يحصل النظام الحراري على “”الشغل”” الناتج عن الضغط.
2. عملية الإنفجار و زيادة الحرارة
3. عملية التمدد
هنا يندفع المكبس إلى الأسفل بفعل الإنفجار، و يهذا:
هنا يحصل النظام الحراري على الشغل الناتج عن دفع الإنفجار للمكبس إلى الأسفل.
4. عملية التخلّص الحراري
مع فتح صمام العادم:
محرك إحتراق داخلي ذو شوطين
يأتي اسم هذا النوع من المحركات لكون طريقة حركتها تتألف من مشوارين للمكبس لأجل إتمام الأشواط الأربعة مقارنة مع محركات الأوتو ذو الأربع مشاوير حيث يتم كل شوط بمشوار. و يسمى هذا النوع من المحركات أيضا بالمحرك بلا صمام، لعدم استخدام الصمامات فيه.
الميزات
تطبيقات لمحرك ذو شوطين
منشار كهربائي، دراجات نارية، سيارات صغيرة، سيارات سكارت، سكووتر..
محرك ستيرلينغ
محرك ستيرلينغ، يعرف أيضا بمحرك الهواء الساخن ، إخترعه روبرت ستيرلنغ عام 1816 بتحسينه من تصميمات سابقة واخرج أول براءة إختراع به.
الأسس النظرية الترمودينامكية
يمكن تفسير كيفية عمل محرك ستيرلينغ إستنادا إلى الترموديناميكا التي تصف عملية الستيرلينغ (Stirling Process) على النحو التالي:
محرك الاحتراق الداخلي
إنّ محرّكَ الإحتراقِ الداخليِ هو محرك حراري يحصل فيه إحتراق الوقود للحصول على شغل يَحْدثُ الاحتراق في حيز يسمّى بغرفة الإحتراقِ و بعبارة اخرى محرك الاحتراق الداخلي يحول الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى شغل. يولد هذاالاحتراق ردِّ فعل الحراريِ ناتج من تمدد خليط الوقود مع الهواء داخل غرفة الاحتراق هذا التمدد ناتج عن احتراق خليط الوقود مع الهواء مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخليط و زيادة هائلة في ضغط الغازات الموجودة في غرفة الاحتراق .هناك عدة انواع من محركات الاحتراق الداخلي مثل المحرك التردديِ، محرك دوّار، محرك النفاث (Jet engine ).
الفرق بين محرك الاحتراق الداخلي و الإحتراقِ الخارجي هو ان محرك الاحتراق الخارجي يحدث فيه احتراق الوقود في غرف خاصة تدعى(Combution chambers) و يتم نقل الطاقة المتولدة من الاحتراق بواسطة مائع إلى الحيز الذي يحدث فيه التمدد و انتاج الشغل، وغالبا ما يستخدم الماء كمائع لنقل الطاقة.
يعبر عن محرّك الإحتراقَِ الداخليَ (ICE). تصنف مكائن الاحتراق الداخلي إلى: -مكائن الاحتراق المتقطع و المثال على ذلك محركات الحركة الترددية التي غالبا ما تستخدم في السيارات
-محرّكات إحتراقِ مستمرةِ مثل المحركات النفّاثةِ التي تستخدم في طائرات و الصواريخِ.
تــاريـخ
1-غير – مضغوط
ليوناردودافينسي في 1509، وكرستيان هايغنس في 1673، وَصفَ محرّكاتَ الضغطِ الثابتةِ.
2-مضغوط
إنّ الإمتيازَ الأهمَّ بين محرّكاتِ الإحتراقِ الداخليةِ الحديثةِ والتصاميمِ المبكّرةِ إستعمالُ الضغطِ وبشكل خاص في ضغطِ الإسطوانةِ. نظرية الثرموداينميك للمحركات الحرارية المِثاليةِ أُسّسَ مِن قِبل سادي كارنوت في فرنسا في 1824. هذه المبرهنة العلمية هي الحاجةِ للضغطِ لزيَاْدَة الإختلافِ بين درجاتِ الحرارة العاملةِ العلياِ والأوطأِ، لَكنَّ ذلك لَيسَ واضحَاً لمصممي المحرّكِ ،كَانوا مدركون لهذا قبل استعمال الضغطِ عموماً. في الحقيقة هو لَرُبَما ضلّلَ المصممين الذين حاولوا مُحَاكاة دورةِ كارنوت في حين دورة كارنو كانت دورة مثالية ولا يمكن محاكاتها على أرض الواقع, فأصبحت مقياسا لجودة الدورة حيث تحسب نسبة مردود أي دورة إلى مردود دورة كارنو لمعرفة مدى فعاليتها .
المحرك البخاري
المحرك البخاري هومحرك يتستفيد خارجي حرارة الاحتراق التيمن الطاقة الحراريه الموجودة في الابخره تحويله إلى عمل ميكانيكي.
مصطلح المحرك البخاري قد يشير ايضا إلى كامل القاطره البخاريه والسكك الحديديه. بمحرك بخاري
محركات البخار استخدمت المحرك في محطات الضخ ، والقاطرات البخاريه سفن الجر المحركات البخاريه الشاحنات والسيارات الاخرى. انها اساسية إلى الثورة الصناعية ، وشاهد على نطاق واسع الاستخدام التجاري قيادة الآلات في المصانع والمطاحن ، على الرغم من ان منذ ذلك الحين حل محركات الاحتراق الداخلي والمحركات الكهرباءيه محل محركات البخار
التوربينات البخاريه تقنيا نوع المحرك البخاري ، لا تزال تستخدم على نطاق واسع لتوليد الكهرباء حوالي 86 ٪ من مجمل الطاقة الكهرباءيه في العالم تولدها استخدام التوربينات البخاريه.
المحرك البخاري يتطلب المرجل لتسخين الماء إلى بخار. توسع او انكماش يمارس قوة البخار على التوربينات المكبس او شفره ، الاقتراح الذي يمكن تسخيرها للعمل الذي انتقل العجلات الدافعه او غيرها من الآلات.
من مميزات المحرك البخاري ان اي مصدر الحراره يمكن أن تستخدم لزيادة البخار في المرجل ؛ ولكن الاكثر شيوعا هو سعير النار الحطب والفحم او النفط او الطاقة الحراريه المتولده في المفاعلات النووية.
جيمس واط
“جيمس وات” مخترع المحرك البخاري
الميلاد19 يناير 1736
جرينوك، أسكتلنداالوفاة19 اغسطس 1819
هيت فيلد، أسكتلندامخترع المحرك البخاري هو جيمس واط (1736 – 1819م) كان مهندس اسكتلندي ، ولد في غرينوك من أب كان يعمل في بالتجارة دون أن يحقق نجاحا . تلقى وات تدريبه عن صانع للأدوات في لندن ، ثم عاد إلى جلاسجو ليعمل في مهنته . وقد كان وات على علاقة صداقة قوية مع الفيزيائي جوزيف بلاك مكتشف الحرارة الكامنة ، وكان لهذه الصداقة الأثر الهام في توجيه وات إلى الاهتمام بالطاقة التي يمكن الاستفادة منها من البخار كقوة محركة وقد أجرى عدة تجارب للاستفادة من ضغط البخار . ثم وقع في يده محرك بخاري من طراز نيوكومن فاخترع له مكثفا وأجرى عليه بعض التعديلات والتحسينات مثل المضخة الهوائية وغلاف لاسطوانة البخار ومؤشر للبخار مما جعل المحرك البخاري آلة تجارية ناجحة . وقد أدعى وات اكتشاف تركيب المتاء قبل كافندش أو في نفس الوقت . وقد سميت وحدة القدرة الكهربية باسم واتتخليدا له . أسس وات بالاشتراك مع بولتون شركة هندسية هي شركة سوهو للأعمال الهندسية وقد أدهل الشريكان مصطلح وحدة القدرة الحصانية H.P)Horse Power) حيث كيلو وات1H.P = 0.746 .
ولحساب الاستطاعة بالحصان نستعمل القانون التالي:
الاستطاعة بالحصان = المسافة (قدم) × الكتلة (رطل)
33,000 × الزمن (دقيقة)
الاستطاعة بالحصان = المسافة (متر) × الكتلة (كغ)
4500 × الزمن (دقيقة)
معلومات عن المحرك النفاث و كيف يعمل:
عادة ما تكون المحركات النفاثة مصنعة من خليط المعادن وهي الحديد والالمنيوم والنحاس والرصاص والستيل ، كل ذلك كي يكون وزن المحرك النفاث خفيف جداً و مقاومة لدرجات الحرارة العالية ويسمى خليط المعادن هذا Aluminum alloy
المحركات النفاثة وأنواعها عديدة منها ما يعتمد طاقة الدفع بالمراوح و يسمى تربيني Turbo prop كما هي محركات طائرات النقل سي 130
ومنها ما هو كما محركات طائرات الخطوط التجارية وأسمه Turbo van
يتميز نظرياً بالبساطة النسبية مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي الأخرى كالمحركات المكبسية ( الديزل – البنزين ) , و يتكون أي محرك توربيني عملياً من ثلاثة أجزاء رئيسية :
1- الضاغط : يضغط الهواء القادم إلى ضغوط عالية .
2- منطقة الاحتراق : و التي تحرق الوقود و تنتج الضغط العالي , و السرعة العالية للغاز .
3- العنفة أو التوربين : و التي تستخلص الطاقة من الضغط العالي , و السرعة العالية للغاز الآتي من حجرة الاحتراق .
وتعتبر العنفات الغازية من المحركات التوربينية الأكثر انتشاراً ، ففي العنفة الغازية ضغط الغاز هو الذي يدور العنفة . و في جميع المحركات التوربينية الغازية ,ينتج المحرك بنفسه ضغطه الغازي , و هو يقوم بذلك بحرق بعض الأشياء مثل البروبان و الغاز الطبيعي و الكيروسين و وقود المحركات النفاثة ، والحرارة المتولدة من احتراق الوقود تجعل الهواء يتمدد , و تسرع من جريان هذا الهواء الساخن الذي يدير العنفة .
وتتم آلية العمل في المحرك التوربيني بشكل عام وفق المراحل التالية :
▪مدخل الهواء -Air intake
▪ الضاغط ( مرحلة ضغط الهواء ) : – Compressor stage
وهو الجزء الامام من المحرك والذي يستقبل كميات الهواء ويعمل لها المعالجة بالضغط وعادة ما يختلف كل محرك عن الاخر بكمية ضغط الهواء ، في هذه المرحة تكون عدة تروس فوق بعض وبها مسننات صغيرة أي امواس عند حركتها تقوم بتحريك الهواء بحركة أنسيابية و هذا ينتج تغيير في الضغط الجوي لنسبة الهواء عادة ما تكون مكونة من 4 طبقات متحركة Axial وطبقة ثابتةCentrifugal
يدارالضاغط في عملية التشغيل بواسطة الكهرباء الخارجية Starter أو بأجهز ضخ الهواء كما هو الحال في بعض الطائرات المقاتلة ويتم تدوير الضاغط الى أن تصل سرعته ما نسبة 40-45%
يكون الضاغط موصول بواسطة عمود كردان مع المرحلة الأخيرة للمحرك وهي التربين ، لكن يلاحظ أن حركة الضاغط مع عقارب الساعة أما حركة التربين تكون عكس عقارب الساعة ، والعكس صحيح .
▪ مرحلة المزج ( المعادلة ) Defuser Stage :
وهي المرحة الثانية وشكلها يكون كما شكل القمع ، ينتج عنها ان الهواء يتم معادلته بنسبة 1:5 أو 1:7 ، أي كل جزيئ من الوقود يحترق مع 5 أو 7 جزيئات من الهواء من المرحلة هذي يتم التحكم بضغط الهواء عن طريق صمامات تسمى Bleed Valve فالهواء الزائد يتم طردة خارج المحرك .
▪ منطقة الاحتراق- Composition Champers
الغرفة التي فيها يتم احتراق الوقود و انتاج الضغط العالي , و السرعة العالية للغاز .
في بداية الاحتراق يتم عن طريق شرار كهرباء بواسطة Spark plug – بوجي- وعادة ما تكون غرفة الاحتراق مربوط بها من واحد الى اكثر من البواجي ، تعتمد كل محرك و قدرته الاستيعابية ، وكما اسلفنا بعد وصول المحرك الى نسبة 40-45% من الحركة ، فأن البواجي تتوقف عن انتاج الشرارة الكهربائية والسبب يعود الى ان النار مستمرة داخل غرفة الاحتراق – Composition Champers عادة ما تكون درجة الحرار بين 470 إلى 850 درجة مئوية الى أعلى من ذلك أو أقل بقليل من ذلك تختلف على نسبة ضغط المحرك و كمية الوقود المحترقة في بعض المحركات تلف دوائر كهربائية حول غرفة الأحتراق كي تعطي قياس درجة حرارة المحرك ، والبعض الأخر من المحركات يكون قياس درجة حرارة المحرك في الجزء الأمامي من منطقة العادم .
▪ مرحلة عمل العنفة – turbine
والتي تستخلص الطاقة من الضغط العالي , و السرعة العالية للغاز الآتي من حجرة الاحتراق . وهذا الجزء يتكون من شفرات ثابتة ومتحركة حيث يستلم الهواء المضغوط والمحروق ويقوم بتدوير الكومبرسر بواسطة عمود الدوران الذي يربط التوربين بالضاغط .
في هذا المحرك , يتم سحب الهواء من على اليمين بواسطة الضاغط . الضاغط هو فعلياً عبارة عن أسطوانة مخروطية الشكل و لها شفرات مروحة صغيرة متوضعة في صفوف كما في الصورة .
▪ العادم Exhaust ، وهو يختلف من محرك إلى أخر ، ففي الطائرات المقاتله مثل ميراج و ميج و السوخوي عادة ما يكون طويل جداً حيث كمية الدفع للطائرة تنتج عنه ، وفي محركات طائرات الهيلوكبتر و طائرات النقل عادة ما يكون قصير أو شبه معدوم في المحركات التربينية ، حيث أنه لا يعطي كمية دفع للطائرة لكن كما أسلفنا في وصف الضاغط فإن العادم يحتوي على تروس و مسننات و تكون موصلة بعامود كردان بين الأثنين يربط بها طرمبات الزيت و مراوح التبريد و مضخات الوقود .
في المقاتلات أمثال الميج والتورنيدو و الميراج و F15 وغيرها ، عادة ما يتم احراق كمية أضافية من الوقود في منطقة العادم وهي اللتي تنتج النار المنبعثة من العادم خلال عمليات المناورة والاقلاع لهذه الطائرة و تسمى( After burn أو Reheat )وهذه العملية من شأنها أنتاج طاقة عالية من الأحتراق للهواء الساخن ، وبذلك تزيد أو تضاعف من عملية الدفع للمحرك .
مبدأ عمل المحركات التوربينية
تعمل المحركات التوربينية أو النفاثة على المبدأ الثالث للحركة من قوانين نيوتن ، و الذي ينص على أنه :” لكل فعل رد فعل يساويه في القيمة ويعاكسه في الاتجاه ” ، إذ يمتص المحرك النفاث الهواء من المقدمة و يضغط الهواء بالضاغـط ثم تمريره في سلسلة من المكابس”الحجرات” الحلزونية ويخلطه بالوقود عن طريق تذريره ، ثم يشعل المزيج الذي ينفجر بقوة عظيمة فتتجه غازات الاحتراق ذات الطاقة العالية نحو المؤخرة لتمر عبر فوهة المحرك ذات المقطع المتضايق، تتحول طاقة هذه الغازات من الطاقة الكامنة الموجودة فيها نتيجة درجة حرارتها العالية إلى طاقة حركية تُوازَن بقوة مكافئة مما تؤدي لدفع المحرك النفاث -و بالتالي الطائرة المتصلة به – للأمام .
يخضع الهواء خلال مرحلة الانضغاط , إلى ضغوط عالية جداً، يمكن في بعض المحركات أن تصل إلى ضغط مضروب بعامل يمكن أن يصل إلى (30) مرة ، و يدخل الهواء العالي الضغط منطقة الاحتراق , حيث تقوم منطقة حقن الوقود ببخ الوقود على البخار ، وعادة مايكون الوقود من مادة الكيروسين ,أو وقود محركات نفاثة ,أو بروبان أو غاز طبيعي .
عمل المحرك النفاث التوربيني ( Turbojet ) : يعتبر المحرك النفاث التوربيني (Turbojet) هو المحرك النظري المثالي حيث يحتوي على قسم المدخل و الضواغط و غرفة الاحتراق الداخلي و التوربين من أجل إنتاج بعض الطاقة من العادم و فوهة العادم، ففي المحرك النفاث التوربيني (Turbojet) كل الهواء المسحوب إلى داخل الضواغط من مقدمة المحرك يمر عبر نواة المحرك ثم يحرق ثم يتم إفلاته، وهنا ينشأ الدفع المقدم من قبل المحرك عن قوة سرعة إفلات غازات العادم من المؤخرة.
ولزيادة قوة الدفع لبعض المحركات النفاثة لدى الطائرات المقاتلة يوجد هناك قسم ما بعد الإحراق (Afterburner) ويوضع قبل العادم وهو عبارة عن أنابيب صغيرة موزعة بشكل منتظم لنشر رذاذ الوقود على الهواء المحترق والقادم من المحرك مما يزيد من حرارة الهواء وتمدده , وبزيادة هذه الحرارة تزيد قوة الدفع بحوالي 40% أثناء الإقلاع و تزيد أكثر أثناء الطيران بسرعات عالية والصورة التالية لمحرك نفاث مع Afterburner.
وهناك نوع آخر من المحركات التوربينية التي تستخدم في إدارة عمود المروحة لطائرات الهيلوكبتر، ومحرك شبيه بالمحرك المروحي التوربيني ، , وهو يستخدم لمعظم طائرات الهيلوكوبتر الموجودة حالياُ , و المحرك مصمم بحيث أن سرعة المراوح مستقلة عن سرعة المحرك مما يتيح لسرعة المراوح أن تكون ثابتة حتى لو تغيرت سرعات المحرك ليتكيف مع الطاقة المنتجة , وبما أن أغلب الطائرات المستخدمة لهذا المحرك تكون على إرتفاعات منخفظة فإن الغبار والأتربة قد تسبب عائقاً له لذا فقد أضيف له عند مدخل الهواء عازل ومصفي من الأتربة .
يوجد هنالك أنواع متعددة مختلفة من المحركات التوربينية النفاثة. الشكل الأبسط لها هو المحرك النفاث التضاغطي (رامجيت RAMjet)، وفكرة هذا المحرك بسيطة وهي الإستغناء عن الضواغط والتوربين , و السماح للمحرك بنفسه بالتعامل مع الهواء بضغطه وتسخينه ودفعه إلى الخلف .
هذا المحرك يستخدم فقط عند السرعات العالية حيث لا يوجد به قسم الضواغط أو العنفات و إنما فقط فوهات فوق صوتية (متقاربة-متباعدة) بحيث يستفيد من هذه السرعة في ضغط الهواء أو إجبار الهواء على الدخول إلى المحرك، و هكذا لا يحتاج إلى قسم الضواغط، هذه البساطة يقابلها حاجته إلى سرعة عدة مئات الأميال بالساعة قبل أن يكون المحرك قادراً على العمل.
وهذا النوع من المحركات لا يعمل إلا عندما يكون متحركاً بسرعة 485كم/س تقريباً ( للسماح بالهواء للدخول بسرعة وضغطه ) , وهو جداً فعال في السرعات العالية تقريباً 3 ماخ ( 3600 كم/س ) ويستخدم غالباً في الصواريخ طويلة المدى والمركبات الفضائية .
أساسيات بسيطة :
هنالك عدة أنواع مختلفة من التوربينات : 1- من المحتمل أنك سمعت عن العنفات البخارية ( توربينات البخار ) . أغلب الوحدات الصناعية لانتاج الطاقة تستخدم الفحم , و الزيت , أو حتى المفاعل النووي لتوليد البخار . البخار يمر عبر عنفات ضخمة و عالية التصميم و متعددة المراحل ليدير محور الخرج الذي يدير مولدات الوحدات الصناعية . 2- السدود الكهرمائية لتوليد الطاقة تستعمل العنفات المائية بنفس الطريقة لتوليد الطاقة. العنفات تستخدم في الوحدات الكهرمائية لتوليد الطاقة و لكن بشكل مختلف تماماً عن العنفات البخارية لأن الماء هو أشد كثافة من البخار , و لكن على نفس المبدأ. 3- عنفات الرياح , و التي أيضاً تعرف بمصانع الرياح , التي تستخدم الرياح للحصول على قوتها . إن العنفات الرياحية لا تمثل شيئاً إذا ما قورنت بقدرة العنفات البخارية أو المائية , لأن الرياح بطيئة التحرك و خفيفة جداً , و لكنها تعمل بنفس المبدأ التي تعمل عليه العنفات الأخرى . 4- العنفات الغازية , و هي الأكثر انتشاراً . ففي العنفة الغازية ضغط الغاز هو الذي يدور العنفة . و في جميع المحركات التوربينية الغازية , المحرك ينتج بنفسه ضغطه الغازي , و هو يقوم بذلك بحرق بعض الأشياء مثا البروبان و الغاز الطبيعي و الكيروسين و وقود المحركات النفاثة. الحرارة المتولدة من احتراق الوقود تجعل الهواء يتمدد , و تسرع من جريان هذا الهواء الساخن الذي يدير العنفة .
الميزات و العيوب :
هل تساءلت يوماً لماذا دبابات ال ( M-1 ) تستخدم المحرك الغازي التوربيني بدلاً من محرك الديزل ؟ لأن هذه الدبابات تحتاج لقدرة حوالي 1500 حصان يؤمنها لها المحرك التوربيني و الذي له ميزتان يتفوق بهما على الديزل : 1- إن نسبة الطاقة إلى الوزن في المحركات التوربينية الغازية كبيرة بالمقارنة بالمحركات الترددية . ذلك لأن مقدار الطاقة التي تحصل عليها من المحرك تُقَارَن بوزن المحرك نفسه . 2- المحركات التوربينية الغازية هي أصغر من مثيلاتها الترددية التي لها نفس الطاقة . أما العيب الأساسي لهذه العنفات الغازية هو أن هذه المحركات إذا قورنت بالمحركات الترددية التي لها نفس الحجم فهي مكلفة جداً . هذا لأنها تدور بسرعة عالية جداً و لأنها تعمل بدرجات حرارة عالية . فتصميمها و تصنيعها يواجه مشاكل عديدة و كبيرة من ناحية التصميم الهندسي و من ناحية المواد التي تُستخدَم . و بالإضافة إلى استهلاكها الكثير من الوقود في حال حدوث خلل فيها و كذلك يُفضَل إيقافها بدلاً من استعمالها بمردود قليل . فهذه الميزات هي التي تجعل العنفات الغازية هي الأفضل في بعض الحالات , مثل النقل بالطائرات النفاثة عبر القارات , و وحدات توليد الطاقة , و هذا يشرح أيضاً لماذا لاتستخدم المحركات التوربينية في السيارات .
عمليات العنفة الغازية :
إن المحرك التوربيني نظرياً شديد البساطة , و يحتوي على ثلاثة أشياء : 1- الضاغط : يضغط الهواء القادم إلى ضغوط عالية . 2- منطقة الاحتراق : و التي تحرق الوقود و تنتج الضغط العالي , و السرعة العالية للغاز . 3- العنفة : و التي تستخلص الطاقة من الضغط العالي , و السرعة العالية للغاز الآتي من حجرة الاحتراق . في هذا المحرك , يتم سحب الهواء من على اليمين بواسطة الضاغط . الضاغط هو فعلياً عبارة عن أسطوانة مخروطية الشكل و لها شفرات مروحة صغيرة متوضعة في صفوف ( عدد الصفوف الموجودة هنا هي 8 صفوف ). على افتراض أن اللون الأزرق الفاتح يمثل الهواء في الضغط الجوي العادي . و من ثم يُجبَر الهواء على المرور عبر مرحلة الانضغاط , فلذلك ضغط الهواء يرتفع كثيراً . و في بعض المحركات , يمكن لضغط الهواء أن يرتفع إلى ضغط مضروب بعامل يمكن أن يصل إلى (30) مرة . ضغط الهواء العالي هذا يُوَلَد عن طريق الضاغط الذي يظهر لنا باللون الأزرق الداكن . الهواء العالي الضغط يدخل منطقة الاحتراق , حيث تقوم منطقة حقن الوقود ببخ الوقود على البخار. الوقود عادةً ما يكون مادة الكيروسين ,أو وقود محركات نفاثة ,أو بروبان أو غاز طبيعي . أما فيما يتعلق في إشعال الشعلة أو الشرارة و المحافظة عليها , فالمشكلة التي تعترضنا هي مشكلة تصميم منطقة الاحتراق … حيث أن الهواء العالي الضغط يدخل هذه المنطقة بسرعة تعادل مئات الأميال في الساعة .و أنت تريد أن تحافظ على هذه الشعلة مستمرة في هذا المحيط . إن القطعة التي تحل هذه المشكلة تدعى ( حامل الشعلة ) و أحياناً يسمى (( القادر can)) . هذه القطعة هي عبارة عن تجويف لقطعة مثقّبة من معدن ثقيل . مقطعه العرضي مبين كما في الشكل :
حاقنات الوقود هي تلك الموجودة على اليمين باللون الأحمر , الهواء المضغوط يدخل عبر الثقوب . الغازات الناتجة تخرج من اليسار . يمكنك في الصورة السابقة رؤية أسطوانتين متوضعتين مع بعضهما و إحداهما تغلف الأخرى ليتم توجيه الهواء المضغوط للخروج عبر الثقوب .
إن الطرف اليساري من المحرك هو قسم العنفة . في هذا الرسم سوف تلاحظ وجود مجموعتين من العنفات . المجموعة الأولى هي التي تدير الضاغط مباشرةً . العنفات و المحور و الضاغط جميعهم يدورون معاً كوحدة متكاملة :
أما في أقصى اليسار فتوجد مرحلة العنفة النهائية , و التي تظهر هنا بمجموعة واحدة من الشفرات و هي التي تُدَوّر محو الخرج بشكل مستقل تماماً و بمفردها . حيث أن هذه العنفة و محور الخرج يدوران بشكل مستقل و بدون أي علاقة مع باقي المحرك . حيث أن الغازات الساخنة تصطدم بشفرات العنفة الأخيرة مولدة حوالي 1500 حصان , و بمقدورها قيادة دبابة من النوع ( M-1 ) التي وزنها 63 طن . في حال استخدام التوربين في الدبابات أو في وحدات الطاقة , فإنه لا يوجد فائدة من الغازات الناتجة ( غازات العادم ) و تمرر هذه الغازات عبر أنبوب العادم (أنبوب التصريف). أحياناً يتم تمرير أنبوب العادم في نوع من أنواع المبادلات الحرارية , إما للحصول على الحرارة لبعض الأغراض الأخرى أو لتسخين الهواء قبل أن يدخل إلى غرفة الإحتراق . كلامنا هذا يبدو شديد البساطة , و لكن هناك العديد الأمور لم نتطرق لها مثل المحامل ( التي تحمل المحور الدوّار ) , أو نظام التزييت , و البنية الداخلية لهذا المحرك , و كيفية توضع الشفرات و…… . كل هذه الأمور تعتبر من أكثر المشاكل الهندسية , وذلك بسبب درجات الحرارة العالية جداً و الضغوط و معدلات الدوران داخل المحرك .
إختلافات أخرى :
الطائرات النفاثة الكبيرة تستعمل مايسمى بالمحركات التوربينية المروحية , و التي لا تختلف عن المحركات التوربينية الغازية إلا بإضافة مروحة كبيرة في مقدمة المحرك , وهذا هو تصميم (شديد التبسيط) للمحرك التوربيني المروحي .
يمكنك أن ترى أن قلب المحرك التوربيني المروحي هو عبارة عن محرك توربيني غازي عادي كالمحرك الذي وصفناه في المقطع السابق . الاختلاف أن مرحلة العنفة النهائية هي التي تُدوّر المحور و من ثم يقوم هذا المحور بنقل هذه الطاقة التدويرية من المؤخرة إلى مقدمة المحرك لاعطاء هذه الطاقة للمروحة ( لتدوير المروحة ). و هي المبينة باللون الأحمر في الصورة . إن الغرض من هذه المروحة هي الزيادة الكبيرة لكمية الهواء العاملة في المحرك و بذلك يتم زيادة القوة الدافعة للمحرك . فعندما تقوم بالنظر إلى داخل المحرك في الطائرات النفاثة في المطار , الشيئ الذي ستراه هو المروحة الموجودة في مقدمة المحرك . إنها ضخمة و كبيرة حتى أن قطرها قد يصل إلى 10 أقدام (3 متر) في الطائرات الكبيرة . و لذلك فهي تستطيع تحريك المزيد من الهواء ….
