موتور و انواع آن

موتور:

موتورها دستگاه‌هایی هستند که انرژی را برای بکار انداختن وسایل نقلیه، دستگاه‌های دیگر یا تولید الکتریسیته، به کار مکانیکی تبدیل می‌کنند.

انواع اصلی موتورها عبارتند از:موتور بخار، بنزینی، دیزل، الکتریکی، جت و موشک. در هر یک از این موتورها انرژی از سوختهایی چون زغال سنگ، بنزین و گازوئیل بدست می‌آید. همه موتورها، موتورهای درون سوز هستند. به این معنا که سوخت درون موتور می‌سوزد. موتور بخار، تنها موتور برون سوز است.

نخستین موتورهای بخار:

در قرن هجدهم میلادی، بیشتر نیروی صنایع مربوط به انقلاب صنعتی، از موتورهای بخار بدست می‌آمد. در سال ۱۷۱۲، یک انگلیسی بنام تامس نیو کامن، نخستین موتور بخار کار آمد را برای تلمبه زدن آب به بیرون از معادن زغال سنگ را اختراع کرد. در سال ۱۷۶۵، یک مهندس اسکاتلندی بنام جیمز وات، موتور بخار نیوکامن را کاملتر کرد و دستگاهی با کارایی بیشتر ساخت. چیزی نگذشت که موتورهای بخار را برای فراهم آوردن نیروی ماشین آلات کارخانه‌ها بکار گرفتند. پس از آن نیز برای لوکوموتیوها، از جمله لوکوموتیو راکت، استفاده کردند. این لوکوموتیو را جورج استیونسون، مهندس انگلیسی، در سال ۱۸۲۹ میلادی ساخت.

موتور از دیدگاه علم برق

موتور الکتریکی

در دنیای برق موتور وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل می‌کند. با توجه به نوع انرژی الکتریکی مورد استفاده در موتور، موتورها به دسته‌های:
1- موتورهای AC یا جریان متناوب
2- موتورهای DC یا جریان مستقیم
تقسیم بندی می‌شوند که البته هر کدام از این دو نوع، خود به دسته‌های جزیی تری تقسیم بندی می‌شوند. تمام موتورهای الکتریکی از ۲ قسمت کلی استاتور و روتور تشکیل شده‌اند.

موتورهای درون‌سوز: 

      موتورهای درون‌سوز یا موتورهای احتراق داخلی به موتور‌هایی گفته می‌شود که در آن‌ها مخلوط سوخت و اکسید کننده (معمولاً هوا یا اکسیژن) در داخل محفظهٔ بسته‌ای واکنش داده و محترق می‌شوند. بر اثر احتراق گازهای داغ با دما و فشار بالا حاصل می‌شوند و بر اثر انبساط این گازها قطعات متحرک موتور به حرکت درآمده و کار انجام می‌دهند. هرچند غالباً منظور از به‌ کار بردن اصطلاح موتورهای درون‌سوز، موتورهای معمول در خودروها می‌باشند، با این حال موتورهای موشک و انواع موتورهای جت نیز مشمول تعریف موتورهای درون‌سوز می‌شوند.

      موتور درون‌سوز، یک وسیلهٔ گردنده‌ است که در خودروها، هواگردها، قایق موتوری، موتورسیکلتها و صنایع کاربرد دارد. بدون بهره‌گیری از موتورهای درون‌سوز، اختراع و ساخت هواپیماها ممکن نبود. تا پیش از پرواز نخستین هواپیمای جت در سال ۱۹۳۹، نیروی محرکه تمام هواپیماها در واقع توسط موتورهای درون‌سوز تأمین می‌شد.

      نخستین موتور درون‌سوز چهارزمانه توسط نیکلاس اوگوست اوتو[1] و مخترع آلمانی ویلیام وگنر در سال ۱۸۷۶ ساخته‌ شد.

نیکلاس اوگوست اوتو

انواع موتورهای درون‌سوز: 

     این موتورها را به دو دسته کلی موتور چهارزمانه و موتورهای دو زمانه می‌توان تقسیم کرد. اصول کاری این موتورها مشابه ‌است. لیکن نحوه عمل آنها به علت تفاوت‌های ساختاری اندکی متفاوت است. البته ازنوع امروزی تر باید به چهار زمانه اشاره کرد که حتی تاثیر کمتری بر روی الودگی هوا دارد.

موتور چهارزمانه:

      این موتورها برای هر انفجار (مرحلهٔ تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی) بایستی چهار مرحلهٔ مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را انجام دهند.

موتورهای دوزمانه:

      این موتورها در هر دور چرخش دارای یک انفجار هستند. این کار با ترکیب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به‌ عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به‌عنوان مرحلهٔ بعدی صورت می‌گیرد. راندمان موتورهای دو زمانه به مراتب از موتورهای چهارزمانه بیشتر است.

     موتور دیزل گونه‌ای موتور درون‌سوز است که در آن از چرخه دیزل برای ایجاد حرکت استفاده می‌شود. فرق اصلی آن با موتور اتو ایجاد احتراق در اثر تراکم است. یعنی انفجار بر اثر تراکم سوخت و هوا بدون نیاز به جرقه زنی می­باشد(سیستم احتراق داخلی دیزل(.

     موتور درون سوزی که 2 فرایند اصلی دارد.

    موتور درون سوزی با چهار فرایند اصلی 1-مکش سوخت 2- تراکم 3-احتراق و 4- خروج دود است.

      موتور درون سوزی بر اساس موتور چهار زمانه با افزایش فرآیند و کارکرد نسبت به آن و با ۶ عمل در چرخه فرایند­ می باشد.

     به موتورهایی که پیستون ندارند و بجای آن روتور دارند که بصورت دورانی حرکت می کند اطلاق می شود. مانند موتور وانکل و موتور شبه توربین. این نوع موتور ها در پهپاد هایی استفاده میشود که در منطقه ای وسیع به شعاع km 300 تا km 500  مورد نیاز باشد استفاده می شود.

      موتور شبه توربین خیلی شبیه موتور دورانی است، یک روتور درون بدنه ی تقریباً بیضی شکل می چرخد. موتور شبه توربین روتور چهار جزیی دارد. گوشه های روتور با بدنه به خوبی آب بندی شده اند و نیز گوشه های روتور نسبت به بخش داخلی آب بندی اند. در نتیجه چهار محفظه ی مجزا تشکیل می شود.

      موتور دورانی که مخترع آن دکتر فلیکس وانکل بود، گاهی موتور وانکل یا موتور دورانی وانکل نامیده می شود. اجزائ اصلی آن روتور، محفظه روتور، محور خروجی، شمع جرقه زنی، قطعات آبندی می باشد. در موتور وانکل مانند موتور های بنزینی چهار زمانه مخلوط هوا و بنزین وارد محفظه ی بزرگی از موتور می شود سپس با کوچک شدن حجم آن مخلوط هوا و بنزین تحت فشار قرار گرفته و با ایجاد جرقه به وسیله شمع انفجار حاصل می شود، مولکول های گاز دراثر احتراق منبسط می گردند و فشار محفظه ی تراکم به شدّت بالا می رود و نیروی حاصل از آن به روتور اعمال شده و به علّت اختلاف مرکز دوران بین روتورومیل لنگ نیروی چرخشی درروتور ایجاد می گردد.این نیروی چرخشی به بادامک محور لنگ که در داخل روتور قرار دارد، وارد شده و به فلایویل و سیستم انتقال قدرت می رسد.

     به موتور هایی که عمل احتراق به صورت منظم و پیوسته انجام میشود مانند موتورهای راکت و انواع موتور جت و توربین گازی اطلاق می شود.

     به موتور هایی گفته میشود که عمل احتراق در آنها به صورت متناوب انجام می شود مانند موتور های پیستونی و پالس جت و موتور وانکل.

     در علم ترمودینامیک و در بحث چرخه‌های ترمودینامیکی، موتور چرخهٔ اتکینسون[2] یک نوع موتور درون‌سوز می‌باشد که توسط جیمز اتکینسون در سال ۱۸۸۲ میلادی ابداع شد. چرخهٔ اتکینسون برای فراهم کردن ماکزیمم چگالی توان به ازای هزینهٔ خرج شده، طراحی می‌شود و امروزه در برخی از خودروهای برقی دو گانه(همچون تویوتا پریوس) کاربرد دارد.

جیمز اتکینسون

چرخهٔ ایده‌آل ترمودینامیکی:

منحنی فشار - حجم چرخهٔ ایده‌آل اتکینسون

چرخهٔ اتکینسون ایده‌آل شامل فرآیندهای زیر می‌باشد:

۱ به ۲ – فرآیند تراکم هم آنتروپی) بی‌درو و برگشت‌پذیر(

۲ به ۳ – فرآیند گرمایش هم حجم

۳ به ۴ – فرآیند گرمایش هم فشار

۴ به ۵ – فرآیند انبساط هم آنتروپی

۵ به ۶ – فرآیند سرمایش هم حجم

۶ به ۱ - فرآیند سرمایش هم فشار

     توربین گاز:Gas Turbine  یک ماشین دوار است که بر اساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار می‌کند. هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق ‌کردن آن و یک توربین برای تبدیل کردن انرژی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است. بخشی از انرژی مکانیکی تولی شده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است ژنراتور برق را بچرخاند (توربو ژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) و یا مستقیماً (یا بعد از تغییر سرعت چرخش توسط جعبه دنده) به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن).  موتور جت شامل توربوجت، توربوفن، توربوشفت، توربوپراپ، رم‌جت، موشک می باشد.

     در سال ۱۷۹۱، یک مخترع انگلیسی به نام جان باربر، یک ماشین طراحی کرد که از نظر ماهیت کارکرد شبیه به توربین‌های گاز امروزی بود و حق امتیاز این طرح را به نام خود ثبت کرد .او این توربین را برای به حرکت درآوردن یک کالسکه بدون اسب طراحی کرده بود. در سال ۱۹۰۴، یک پروژه ساخت توربین گاز توسط فرانتس استولز در برلین انجام شد که اولین کمپرسور محوری جهان در ساخت آن مورد استفاده قرار گرفته بود، ولی این پروژه ناموفق بود. در طی سال‌های بعد، افراد مختلف بر روی ایده توربین گاز فعالیت کردند، به طوری که شرکت جنرال الکتریک آمریکا که امروزه بزرگ‌ترین تولیدکنندهٔ توربین گاز در جهان است، در سال ۱۹۱۸ بخش توربین گاز خود را راه‌اندازی کرد. با این وجود، نخستین توربین گازی برای تولید انرژی برق، در سال ۱۹۳۹ میلادی و در شرکت براون باوریدر سوئیس ساخته شد که ظرفیت آن ۴ مگاوات بود.

مبنای کارکرد:

چرخهٔ برایتون، اساس کارکرد توربین‌های گاز:

     مبنای کار توربین‌های گاز از نظر ترمودینامیکی، بر اساس چرخهٔ برایتون است که در آن، هوا به صورت بی‌دررو فشرده شده، احتراق در فشار ثابت رخ داده و انبساط هوای فشرده و داغ در توربین، به صورت بی‌دررو رخ می‌دهد و هوا به فشار اولیه می‌رسد. در عمل، اصطکاک و توربولانس باعث می‌شوند که:

با افزایش دمای هوای ورودی به توربین، راندمان توربین‌های گاز افزایش می‌یابد؛ بنابراین، بهتر است که این دما هر چه بیشتر انتخاب شود. اما در این مورد از نظر تحمل مواد تشکیل‌دهندهٔ محفظهٔ احتراق و پره‌های توربین، محدودیت وجود دارد؛ بنابراین، در این قسمت‌ها که به آنها بخش‌های داغ یا Hot Sections، گفته می‌شود، از مواد مقاوم به دماهای زیاد مانند سوپرآلیاژها استفاده می‌شود. همچنین این قسمت‌ها با استفاده از تکنولوژی‌های پیچیده‌ای خنک‌کاری می‌شوند.

انواع توربین گاز:

توربین گاز سری H شرکت جنرال الکتریک، این توربین ۴۸۰ مگاواتی در چیدمان سیکل ترکیبی، بازده حرارتی ۶۰٪ دارد.

توربین‌های گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی، که توربوژنراتور گاز هم نامیده می‌شوند، توربین‌های گازی هستند که توان تولیدشده به وسیلهٔ آنها، مستقیماً و یا پس از تغییر سرعت دوران در جعبه‌دنده، به ژنراتور منتقل شده و در آنجا به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این نوع توربین گاز، می‌تواند به صورت سیکل ساده (به انگلیسی: Single Cycle) و یا سیکل ترکیبی (به انگلیسی: Combined Cycle) باشد. در حالت سیکل ساده، گازهای خروجی از اگزوز توربین که می‌توانند تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد دما داشته باشند، مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقی‌مانده در آن هدر می‌رود؛ ولی در حالت سیکل ترکیبی، یک یا دو توربین گاز با یک توربین بخار کوپل می‌شوند و گازهای خروجی از توربین گاز در بخشی به نام بویلر بازیاب، آب بازگشتی از کندانسور توربین بخار را که توسط پمپ فشرده شده، به بخار تبدیل می‌کنند. در نتیجه در حالت سیکل ترکیبی، از انرژی موجود در گازهای خروجی از اگزوز توربین گاز استفاده شده و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند؛ بنابراین، با استفاده از این روش، راندمان سیکل افزایش می‌یابد. توربوژنراتورها همچنین می‌توانند به صورت تولید همزمان برق و گرما (به انگلیسی: Cogeneration) استفاده شوند که در این ترکیب، گاز خروجی از آنها برای تولید آب گرم و یا هوای گرم ساختمان‌ها و کارخانجات استفاده می‌شود.

این نوع از توربین‌های گاز که شامل