تطور كفاءة الطيران التجاري

وقد كان محرك الطائرات، في أبسط صوره، هو مجموعة من الطائرات التجارية لأكثر من ستة عقود، ومع ذلك، فإن أكثر القفزات تحولاً في تصميمه جاء مع التحول من التربوجات المنخفضة المناطقة بالطرق البرية والمحركات الاضطرابات المبكرة إلى محركات عالية الالتفاف التي تتحكم في الأساطيل الحالية، ومن خلال نقل كتلة أكبر بكثير من الهواء حول القاع، بدلاً من أن تحقق من خلاله،

ما هي نسبة عالية إلى جيت إنجينز؟

ويتكون محرك توربوفان عالي التجويف من مروحة كبيرة في المقدمة، محركها توربيني، مما يعجل بحجم كبير من الهواء حول قلب المحرك )الضغط، والمحرقة، والتوربين( وتُعر َّف نسبة التجاوزات بأنها التدفق الجماعي للهواء الذي يتجاوز التدفق الإجمالي للطائرة التي تخترق التدفق الجماعي الذي يمر من خلال القاع.

والمروحة ذاتها عنصر أساسي، ففي محرك عالي التجويف يمكن أن يتجاوز قطر المروحة ٣ أمتار )١٠ أقدام(، ويقع في نسلة مجهزة بعناية تقلل من جرها، وينتج الهواء المعجل الذي يعجله المروح الجزء الأكبر من الدافع )٠,٧ في المائة(، بينما يوفر الركيزة المتبقية ويدفع التربة المروحية.

فيزياء كفاءة الوقود

استهلاك الوقود المحدد (TSFC)

وكان أكثر مقياس مباشر لكفاءة الوقود المحرك هو استهلاك الوقود المحدد، الذي يعرف بأنه معدل تدفق الوقود الجماعي لكل وحدة من وحدات الدفع، وبالنسبة لمستوى معين من الدفعات، فإن مستوى التركيز المميت المتوسط الأدنى يعني أقل من الوقود، وتحصل المحركات ذات المسافات العالية على قيم تاسف كلور البنزين تقل بنسبة تتراوح بين 30 و40 في المائة عن الاضطرابات المبكرة المنخفضة الالتفاف، مثلاً محرك حديث مثل

الكفاءة في ممارسة العقاب

Propulsive efficiency (p[FLT:]) is given approximately [FLT more efficiencyp) /([1 + V)[j)

الكفاءة الحرارية

The other half of the equation is thermal efficiency inkinth), which depends on the core’s thermodynamic cycle -specificly the overall pressure ratio (OPR) and turbine inlet temperature (TIT). Modern high-bypass vehicles combine very high OPR (40:1 to 60:1) and TITs

الآليات الرئيسية لتحقيق كفاءة الوقود

نسبة وفان التصميم

فالأقوى وضوحاً تزيد نسبة التفافية نفسها، ولكن مجرد جعل المروحة أكبر ليس غذاء مجاني، ويزيد المروحة وزنها، ويبلل، ويزيد من سرعة السحب، كما أن الشعارات يجب أن تكون قوية للغاية وأن تكون خفيفة الوزن مصنوعة من المواد المركبة (مثلاً، يُستخدم المروحة المركبة التي تعمل بالكهرباء والمتحررة من الكربون والموجهة إلى مجموعة " جي 90 " ) أو تصاً متفاؤلفاً.

السلحفاة المنخفضة الإجهاد والكفاءة الأساسية

وفي توربان تقليدي يقود توربين، يجب أن تدار عملية التوربين المنخفض بسرعة مماثلة لسرعات المروحة، التي تمثل حلا وسطا، حيث أن التربون المُحْرَف يزيلون هذا الحل الوسط، وفي محرك عالي التجويف، كثيرا ما يكون توربين متعدد الأطياف مع وجود خسائر كبيرة في الرؤوس الأرضية ومراقبة فعالة.

الناتشيل والتركيب

وناسيل التي تحيط بالمروحة ليست مجرد غطاء؛ بل هي عنصر الأيرودينامي الذي يجب أن يقلل إلى أدنى حد من التدفق إلى المروحة وحول المحرك، كما أن الصور مثل التاليف في مخرج النواة (الحواف المتحركة) تساعد على خلط العادم الساخن مع مروحة التبريد للحد من الضجيج، كما أن الناسيل تدور في مسارات الوقود العكسي والضجيج.

المواد والتبريد

ويحسن ارتفاع درجات الحرارة في التربين مباشرة الكفاءة الحرارية، ولكنهما يتطلبان مواد متقدمة ومخططات للتبريد، ويحد التصفيات الفوقية القائمة على النيكل الواحد، والمصفوفات الخزفية في المحركات الكهربية، ويسمح التصفيات الحرارية بنزيف التربينات ليتحمل الحرارة القصوى، وتستخدم الممرات الداخلية للتبريد الهواء المضغوط لإبقاء درجات الحرارة الكهربائية دون نقطة الارتحال.

الأثر على تصميم الطائرات والعمليات

وقد أدى اعتماد محركات عالية التجاوز إلى إعادة تشكيل تصميم الطائرات بطرق عدة، أولاً، يُجبر مقياس المروحة الأكبر على زيادة تعزيز المحرك على الجناح للحفاظ على إزالة الأرض، مما يؤدي أيضاً إلى تحويل مركز الجاذبية ويؤثر على الحمولات الهيكلية، وثانياً، يجب أن يقابل زيادة وزن المحرك (بسبب أكبر من المروحة ونازيل) بمواد أقصر من أجهزة إطفاء الطاقة الكهربائية، مثل مركبات الكربون المتعددة الكلوريد العاملة في القرن)

ومن الناحية التشغيلية، تسمح المحركات العالية المحركات للخطوط الجوية بتخفيض تكاليف الوقود، التي تمثل عادة نسبة 25 إلى 35 في المائة من نفقات التشغيل، مما يؤثر تأثيرا مباشرا على تسعير التذكرة وربحية الطرق، وعلاوة على ذلك، فإن انخفاض البصمة الضوضاء (على كل من الضوضاء المتصور وشبكة الاتصالات السلكية واللاسلكية، والضوضاء الفعلية) يسمح للطائرات بالعمل في المطارات التي تنطوي على حظر تجول صارم للضوضاء، مثل مطار لندن هيثرو أو مطار جون واين.

أمثلة عالمية حقيقية وبيانات أداء

General Electric GE90 and GE9X

وكان الفريق العامل المعني بالنقل الجوي في التسعينات، الذي كان يتحكم في البوليينغ 777-300ER، أحد أول المحركات التي حققت نسبة تجاوزها 9:1، ومقياساً للمعجبين يتجاوز 3.2 م.

Ros-Royce Trent XWB

ويتمتع جهاز " ترينت " ، الذي يقتصر على شركة إيربوس A350, بنسبة تجاوزية تبلغ حوالي 9.6:1 و " TSFC " تبلغ حوالي 0.55 لتراً مربعاً/(لب) في الرحلة البحرية، وهو يميز هيكلاً ثلاثياً (مثل تصميم " جي جي " ذي الشق المزدوج)، ويدفع البعض بمرونة أفضل في مطابقة سرعة الوقود المضغوط و " Aturbine " .

Prat & Whitney PW1000G Geared Turbofan

وتتمتع أسرة PW1000G (المعروفة أيضا باسم PurePower) بصلاحيات شركة Airbus A220 وA320neo، ضمن جهات أخرى، وهي أول مجموعة من الأسر التي تم نشرها على نطاق واسع، وهي نسبة تتعدى 12:1 على أكبر المتغير، وتخفض مجموعة المعدات سرعة المراوح إلى نحو 60 في المائة من سرعة التربين، مما يؤدي إلى انخفاض في البصمة المعمارية بنسبة 16 في المائة مقارنة بحرقة و50 في المحركات.

For authoritative data on motor performance, readers can consult the EASA type certificate data sheets or the NASA Aviation Systems Capabilities]] page for noise and emissions benchmarks.

المنافع البيئية والاقتصادية

ويرتبط حرق الوقود ارتباطا مباشرا بانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، كما أن محركا عاليا يحرق 20 في المائة أقل من الوقود لكل كيلو مترات للركاب يقلل من البصمة الكربونية للطائرة بنفس النسبة، وهذا أمر حاسم نظرا لأن الطيران يواجه ضغطا على نحو متزايد لتحقيق انبعاثات صافية من الـزئير بحلول عام 2050، وبالإضافة إلى ذلك، تنتج المحركات العالية القفز انبعاثات من أكسيد النيتروجين الأدنى (NOx) بفضل أجهزة الدمج المتقدمة التي تنظم السائلة.

ومن الناحية الاقتصادية، يمكن أن تبلغ وفورات الوقود لكل طائرة على مدى 20 عاما عشرات الملايين من الدولارات، وبالنسبة لأسطول كبير، تصل هذه الزيادة إلى مئات الملايين، ويمكن للخطوط الجوية أن تحقق بعض الوفورات للمسافرين، ولكن المحركات العالية التجويف تمكن أيضا الخطوط الجوية من تشغيل طرق أدق بصورة مربحة (مثل الرحلات الجوية ذات النطاق الضئيل الطويل) كما أن ارتفاع سعر الشراء الأولي لهذه المحركات يزيد على 000 30 ساعة طيرانها.

التطورات والابتكارات في المستقبل

ويتواصل السعي إلى تحقيق نسب تجاوزات أعلى من ذي قبل، ولكن المهندسين يقتربون من الحدود العملية: فالمروحة التي تزيد عن 3.6 متر تصبح ثقيلة جداً وتخلق تحديات في التركيب، وقد تكون الحدود التالية محركات مفتوحة (مروحة غير مُصَلَحة) لا تزال غير نازلة ويمكن أن تحقق نتائج استعراض الأداء في 20:1 أو أكثر.

وفيما يتجاوز الاضطرابات، يجري البحث عن الكهرباء الهجينة والكهرباء الكاملة من أجل طرق قصيرة المدى، وفي حين أن البطاريات لا يمكن أن تضاهي كثافة الطاقة في وقود الطائرات، فإن النظام الهجين يمكن أن يستخدم توربين الغازي لقيادة مولد كهربائي يقوى المراوح الكهربائية، ويتيح تشغيل اللب في أكثر نقاطه كفاءة بصرف النظر عن الطلب على الوقود.

وبالنسبة للأجل القريب )السنوات الخمس عشرة(، فإن التحسينات التدريجية - إعادة النظر في الملكية الفكرية، ومواد أفضل، ومعاطف متقدمة، ومراقبة فعالة لتطهير البقشيش، والارتقاء الرقمي الأمثل - قد يؤدي إلى مكاسب في كفاءة الوقود بنسبة ١-٢ في المائة سنويا، وسيظل توربوفان المهيمن على محرك الطيران التجاري عبر ٢٠٤٠ على الأقل، ولكن تطوره بعيد عن أن يكتمل.

خاتمة

إن محركات الطائرات ذات النسبة العالية تمثل أحد أكثر المحركات نجاحا في مجال الهندسة في تاريخ النقل، إذ إن نقل كميات ضخمة من الهواء في سرعة متوسطة بدلا من طائرة صغيرة في سرعة عالية، يحقق كفاءة دافعة أدت إلى تحطيم استهلاك الوقود بأكثر من ثلثها مقارنة بالتصميمات السابقة، وقد أدى ذلك إلى زيادة التقدم في مجالات الكفاءة الحرارية والمواد والسفر الجوي المنخفض التكلفة.