محرك ذو دورة متغيرة

أحد مفاهيم محركات الطائرات الأسرع من الصوت ذات المحرك المروحي المزدوج. يحتوي المحرك على مروحتين، مثبتتين على عمود الضغط المنخفض، يفصل بينهما مسافة محورية كبيرة. يعمل المحرك في وضعية التتابع أثناء التحليق، وفي وضعية التوازي أثناء الإقلاع، والصعود، والاقتراب، والهبوط النهائي.

في وضع التشغيل المتسلسل، يدخل الهواء من مقدمة المحرك. وبعد مروره عبر المروحة الأمامية، يمر الهواء مباشرة إلى المروحة الثانية، بحيث يتصرف المحرك بشكل مشابه للمحرك التوربيني المروحي .

في وضع التشغيل المتوازي، يخرج الهواء الخارج من المروحة الأمامية من المحرك عبر فوهة مساعدة أسفل غطاء المحرك ، متجاوزًا المروحة الخلفية. تفتح فتحات سحب الهواء على جانبي المحرك لالتقاط الهواء وتوجيهه مباشرةً إلى المروحة الخلفية وبقية أجزاء المحرك. يزيد وضع التشغيل المتوازي بشكل ملحوظ من إجمالي الهواء المتسارع بواسطة المحرك، مما يقلل من سرعة الهواء والضوضاء المصاحبة له.

في سبعينيات القرن الماضي، قامت شركة بوينغ بتعديل محرك برات آند ويتني JT8D لاستخدام تكوين مروحة ترادفية، ونجحت في إثبات التحول من التشغيل التسلسلي إلى التشغيل المتوازي (والعكس صحيح) مع تشغيل المحرك، وإن كان ذلك بقدرة جزئية.

في تصميم المروحة المزدوجة الوسطى، توضع مروحة أحادية المرحلة ذات تدفق نوعي عالٍ بين ضاغطَي الضغط العالي والمنخفض في قلب المحرك النفاث التوربيني . يمر الهواء المتجاوز فقط عبر المروحة. يمر تدفق الهواء الخارج من ضاغط الضغط المنخفض عبر قنوات داخل قرص المروحة، أسفل شفرات المروحة مباشرةً. يدخل جزء من الهواء المتجاوز إلى المحرك عبر مدخل إضافي. أثناء الإقلاع والاقتراب، يتصرف المحرك بشكل مشابه للمحرك التوربيني المروحي التقليدي، مع مستوى ضوضاء نفاث مقبول (أي دفع نوعي منخفض). مع ذلك، أثناء التحليق بسرعة تفوق سرعة الصوت ، تُغلق ريش توجيه مدخل المروحة المتغيرة والمدخل الإضافي لتقليل تدفق الهواء المتجاوز وزيادة الدفع النوعي. في هذا الوضع، يتصرف المحرك بشكل أقرب إلى محرك نفاث توربيني "متسرب" (مثل F404 ).

في تصميم المحرك التوربيني المروحي ذي التدفق المختلط مع نظام القذف، يُركّب محرك ذو نسبة تجاوز منخفضة أمام أنبوب طويل يُسمى نظام القذف. يُقلل نظام القذف من الضوضاء، ويتم تشغيله أثناء الإقلاع والهبوط. تُرسل غازات عادم المحرك التوربيني المروحي الهواء إلى نظام القذف عبر مدخل هواء إضافي، مما يُقلل من قوة الدفع النوعية/متوسط ​​سرعة تدفق العادم النهائي. لا يتميز تصميم التدفق المختلط بكفاءة عالية عند السرعات المنخفضة، ولكنه أبسط بكثير.

يُضيف تصميم التدفق الثلاثي تيار هواء ثالثًا قابلًا للتوجيه. يتجاوز هذا التيار قلب المحرك عند الحاجة إلى ترشيد استهلاك الوقود ، أو يمر عبره للحصول على طاقة أكبر. في إطار برنامج محركات التوربينات المتقدمة متعددة الاستخدامات وبأسعار معقولة (VAATE)، طوّر سلاح الجو الأمريكي وشركاؤه في الصناعة هذا المفهوم ضمن برنامج تقنية المحركات متعددة الاستخدامات القابلة للتكيف (ADVENT)، وبرنامجي عرض تقنية المحركات القابلة للتكيف (AETD) وبرنامج انتقال المحركات القابلة للتكيف (AETP) اللاحقين. ^{[ 3 ]} تشمل الأمثلة محركي جنرال إلكتريك XA100 وبرات آند ويتني XA101 ، بالإضافة إلى نظام الدفع الخاص بمقاتلة الجيل التالي للسيطرة الجوية (NGAD). ^{[ 4 ]}

طوّرت شركة جنرال إلكتريك محركًا ذو دورة متغيرة، يُعرف باسم GE37 أو جنرال إلكتريك YF120 ، لمنافسة الطائرات المقاتلة YF-22 / YF-23 ، في أواخر ثمانينيات القرن الماضي. استخدمت جنرال إلكتريك نظام مروحة هجينة مزدوجة الالتفاف، لكنها لم تكشف قط عن كيفية استغلالها لهذا المفهوم. وبدلاً من ذلك، اختارت القوات الجوية الأمريكية محرك برات آند ويتني F119 التقليدي لما أصبح لاحقًا طائرة لوكهيد مارتن F-22 رابتور .

تُستخدم المحركات التوربينية المروحية المزودة بعلب تروس أيضًا في المحركات التالية، وبعضها لا يزال قيد التطوير: Garrett TFE731 و Lycoming ALF 502 / LF 507 و Pratt & Whitney PW1000G و Turbomeca Astafan و Turbomeca Aspin و Aviadvigatel PD-18R.

يُعد محرك رولز رويس ألترافان الأكبر والأكثر كفاءةً الذي يسمح بسرعات توربينية متعددة. التوربينات الموجودة خلف المروحة الرئيسية صغيرة الحجم وتسمح بمرور كمية أكبر من الهواء مباشرةً، بينما يسمح صندوق التروس الكوكبي للمروحة الرئيسية بالدوران بسرعة أبطأ وللضواغط بالدوران بسرعة أكبر، مما يضع كل منهما في نطاقه الأمثل. ^{[ 5 ]}

تعمل شركة Astro Mechanica الناشئة على تطوير ما تسميه محركًا نفاثًا توربينيًا كهربائيًا متكيفًا، ينتقل من وضع التوربين المروحي إلى وضع التوربين النفاث ثم إلى وضع النفاث التضاغطي أثناء تسارعه من وضع السكون إلى سرعة ماخ 6 المتوقعة . ويتحقق ذلك باستخدام تقنية التوربين المزدوج، حيث يعمل أحد التوربينين كمولد توربيني ، بينما يعمل التوربين الثاني كوحدة دفع. يقوم المولد التوربيني بتشغيل محرك كهربائي يتحكم في ضاغط التوربين الثاني، والذي بدوره قادر على تغيير سرعته للحفاظ على دوران المروحة بالسرعة المثلى لكل وضع طيران. في وضعي التوربين النفاث والنفاث التضاغطي، يتم تضييق مدخل الهواء لضغطه ومنع التجاوز. المولد التوربيني متوفر تجاريًا، بينما تقوم الشركة بتصنيع وحدة الدفع. ومن أبرز الابتكارات في هذا المجال هو الزيادة الكبيرة في كثافة الطاقة للمحركات الكهربائية، مما جعل وزن المحرك غير عائق. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

بدلاً من علبة تروس ثابتة، يستخدم هذا النظام محركًا كهربائيًا لتدوير التوربين (أو التوربينات) خلف المروحة بسرعة مثالية لكل مرحلة من مراحل الطيران. زعمت الشركة أن هذا النظام سيدعم الإقلاع الفعال، والسرعات دون الصوتية، وفوق الصوتية، وفوق الصوتية الفائقة. يُغذى المحرك الكهربائي بواسطة مولد كهربائي، والذي بدوره يُغذى بواسطة توربين. يعتمد هذا النهج على كثافة الطاقة المحسّنة للمحركات الكهربائية الحديثة، مثل محركات التدفق المحوري ثنائية الدوار بدون نير، والتي توفر قدرة كيلوواط/كيلوغرام أعلى بكثير من التصاميم التقليدية التي كانت ثقيلة جدًا لمثل هذا التطبيق. ^{[ 7 ]}

يتدفق الهواء عبر مولد توربيني لتوليد طاقة كهربائية تُشغّل محركًا كهربائيًا. يتحكم المحرك الكهربائي بشكل تكيفي في وحدة الدفع، مما يسمح لها بالعمل كمحرك توربيني مروحي، أو محرك توربيني نفاث، أو محرك نفاث تضاغطي، وذلك تبعًا لسرعة الهواء. في الواقع، يمكن للمحرك العمل عند أي نقطة على منحنى الدفع النوعي (Isp) - دفع نوعي عالٍ عند السرعات المنخفضة أو دفع نوعي منخفض عند السرعات العالية. ^{[ 9 ] [ 7 ] [ 10 ]}

وهي تشبه إلى حد ما المحركات البحرية التوربينية الكهربائية التي تسمح للمراوح بالدوران بسرعة مختلفة عن سرعة التوربينات البخارية التي تشغلها.