نازل موتورهای جت

همان طوری که میدانید بیشتر هواپیماهای مدرن مسافربری و جنگنده از موتورهای توربین گازی که جت نامیده میشوند به عنوان پیشران استفاده میکنند و بین این موتورهای توربین گازی تفاوت های زیادی وجود دارد ولی همه ی آنها قسمت های مشترکی دارند که تا کنون چند واحد اصلی آنها را در مطالب قبلی معرفی کردم . همه ی موتورهای توبین گازی یا همان جت یک نازل یا شیپوره دارند که با هدایت گازهای اگزوز به عقب، به جریان آزاد، تراست تولید میکنند. مکان قرار گرفتن نازل در موتورهای جت بعد از توربین قدرت و چنانچه موتور دارای پس سوز باشد بعد از آن قرار میگیرد و در حالت کلی در انتهای موتور جایی که گازهای اگزوز به هوا برخورد میکنند قرار دارد.

نازل یک دستگاه بسیار ساده است، تنها لوله ای است که شکل مخصوصی داده شده است و گازهای گرم درون آن جریان دارند.به هر حال ریاضیات است که نظر و استدلال دقیقی درباره ی عملکرد و شکل نازل میدهد تا بازده و عملکرد خوبی داشته باشد.

همانطوریکه در شکلهای زیر میبینید نازل ها دارای گوناگونی شکلی و اندازه میباشند که به کاربرد موتورها در هواپیماها بستگی دارند، مانند توربوجت و توبوپراپ. اغلب موتورها یک نازل ثابت همگرا (convergent) دارند که این مدل در سمت چپ شکل زیر دیده میشود و بیشتر با نام axisymmetric شناخته شده است. این نازل مانند آنهایی که در زیر توضیح داده شده فقط در جهت محور موتور تراست تولید میکند و به همین خاطر axisymmetric نامیده شده است. موتورهای توربوفن اغلب از نازل co-annular که در بالای شکل زیر سمت چپ دیده میشود استفاده میکنند. جریان درونی موتور و گازهای داغ از خروجی میانی و جریان هوای فن از خروجی حلقه مانند خارج میشود. مخلوط این دو جریان باعث افزایش تراست میشود و همچنین باعث کم صدایی و تولید صدای کمتری نسبت به نازل همگرا میشود.

توربوجت های پس سوز دار و توربوفن ها به شکلی از نازل همگرا-واگرا (CD) که تغییر پذیر باشد احتیاج دارند. نازل CD یا (convergent-divergent) در سمت چپ شکل نشان داده شده است.در این نازل جریان هوا ابتدا در باریکترین ناحیه که گلوگاه نامیده میشود به مرکز همگرا شده سپس در قسمت واگرا انبساط یافته و خارج میشود. شکل تغییر پذیر نازل باعث میشود که این نازل ها رفتار بیشتری نسبت به شکل ساده و ثابت نازل داشته باشند. اما شکل تغییر پذیر نازل زمانی کارآمد خواهد شد که در موتوری با جریان هوای عریض تر از موتوری با یک نازل ثابت معمولی استفاده شود. همچنین موتورهای راکتی از نازل برای سرعت دادن به گازهای خروجی و تولید تراست استفاده میکنند. موتورهای راکتی معمولا  یک نازل ثابت CD دارند که قسمت واگرای آن بزرگتر از نوعی است که در موتورهای جت استفاده میشود. در مطالب آینده  درباره ی موتورهای راکتی مطالب بیشتری در اختیارتان قرار خواهم داد.

همه ی نازل هایی که ما در باره ی آنها صحبت و بحث میکنید و دانشجویان رشته ی هواوفضا و سایر دانشجویانی که در این مورد واحد درسی میگذرانند و با آنها آشنا هستند، همه یک لوله ی گرد و یکپارچه هستند. اما اخیرا مهندسین نازلی را طراحی و آزمایش کردند که خروجی مستطیلی دارد. این خروجی اجازه میدهد که جریان اگزوز راحتتر منحرف شود یا به بیانی کنترل شود که در شکل بالا سمت چپ دیده میشود. تغییر مسیر تراست با نازل، هواپیما را مانوری تر میکند.این نازل ها که به نازلهای دو بعدی یا 2Dمعروفند علاوه بر تولید تراست در جهت محور موتور قادر به تغییر جهت تراست و قادر به تولید نیرویی در جهتی دیگر میباشند که به قسمت دم هواپیما (یا به جایی که نازل در آنجاست) وارد میشود. این نوع نازل که در شکل زیر نشان داده شده است قادر به تغییر جهت تراست به بالا و پایین میباشد. با تغییر جهت تراست به سمت بالا قسمت دم هواپیما به سمت پایین منحرف شده و در سرعت های مختلف اجازه ی تغییر جهت فوری در بعد vertical یا عموری را میدهد و تغییر جهت تراست به سمت پایین برعکس نوشته بالا عمل میکند. به علاوه دو نازل دوبعدی در یک هواپیما قادر به چرخش هواپیما (یکی از نازلها رو به بالا و دیگری رو به پایین) نسبت به محور طولی هواپیما میباشند.

بواسطه ی اینکه نازل گازهای داغ اگزوز را به هوای آزاد هدایت میکند ممکن است اثر متقابل سختی بین جریان اگزوز موتور و جریان هوای اطراف هواپیما وجود آید. بخصوص در هواپیماهای جنگنده در کنار خروجی نازل نیری کشنده یا Drag بزرگی روی میدهد. نوعی نازل در تصویر اول قسمت بالای تصویر سمت راست نشان داده شده است که متعلق به یک F-15 با نازل آزمایشی مانوری میباشد. این نازل سه بعدی است و قادر است در تمامی جهت ها بچرخد.به هر حال فقط تعدادی معدودی از هواپیماهایی که ساخته شدند از نازل های دو بعدی یا سه بعدی استفاده میکنند. شاید معروفترین اینها هواپیمای F-22 Raptor  آمریکایی و هواپیمای Su-37 روسی باشد که هر دو از نازل دوبعدی بخاطر افزایش قدرت مانوری استفاده میکنند. همانند طراحی ورودی موتورها، شکل و پیکربندی نازل خارجی اغلب متناسب با بدنه ی هواپیما طراحی میشود.