Proudové motory

Typy proudových motorů

Práce: Přehled šesti hlavních typů proudových motorů. Každý z nich je blíže vysvětlen v textu níže, následuje odkaz na vynikající webové stránky NASA, kde najdete ještě více grafiky a animací.

Všechny proudové motory a plynové turbíny pracují zhruba stejným způsobem (nasávají vzduch vstupem, stlačují ho, spalují ho s palivem a umožňují expanzi výfukových plynů přes turbínu), takže všechny sdílejí pět klíčových součástí: vstup, kompresor, spalovací komoru a turbínu (uspořádané přesně v tomto pořadí), mezi nimiž prochází hnací hřídel.

Ale tím podobnosti končí. Různé typy motorů majídalší součásti (poháněné turbínou), vstupy pracují různými způsoby, může být více než jedna spalovací komora, mohou být dva nebo více kompresorů a více turbín. A velmi důležité je také použití (práce, kterou má motor vykonávat). letecké motory jsou konstruovány na základě pečlivě navržených motorových kompromisů: musí produkovat maximální výkon z minimálního množství paliva (jinými slovy s maximální účinností) a zároveň být co nejmenší, nejlehčí a nejtišší. Plynové turbíny používané na zemi (například v elektrárnách) nemusí nutně dělat stejné kompromisy; nemusí být ani malé, ani lehké, ačkoli jistě stále potřebují maximální výkon a účinnost.

Turbojety

Foto: Rané proudové motory na letounu Boeing B-52A Stratofortress, na snímku z roku 1954. letoun B-52A měl osm proudových motorů Pratt and Whitney J-57, z nichž každý mohl vyvinout tah kolem 10 000 liber. obrázek s laskavým svolením US Air Force.

Původní Whittleův návrh se nazýval turbojet a dodnes se v letadlech hojně používá. Turbodmychadlo je nejjednodušší druh proudového motoru založeného na plynové turbíně: je to základní „raketový“ proudový motor, který pohybuje letadlem vpřed vystřelováním horkého proudu výfukových plynů dozadu. Výfukové plyny opouštějící motor jsou mnohem rychlejší než studený vzduch, který do něj vstupuje – a tak turbojet vytváří tah. Ina turbojet musí turbína pouze pohánět kompresor, takže odebírá relativně málo energie proudu výfukových plynů.

Turbojety jsou základní proudové motory pro všeobecné použití, které neustále produkují stálé množství výkonu, takže jsou vhodné pro malá proudová letadla s nízkou rychlostí, která nemusí dělat nic zvláště pozoruhodného (například náhle zrychlovat nebo převážet obrovské množství nákladu). Příkladem je motor, který jsme si vysvětlili a znázornili výše.Přečtěte si více o turbovrtulových motorech od NASA (obsahuje animovaný motor, se kterým si můžete pohrát).

Turbohřídele

Foto: NASA.cz Šedá trubka, kterou můžete vidět pod rotorem tohoto amerického vojenského vrtulníku Seahawk, je jeden z jeho dvou turbohřídelových motorů. Na druhé straně je ještě jeden úplně stejný. Foto: Trevor Kohlrus se svolením US Navy.

Možná si myslíte, že vrtulníky nejsou poháněny proudovými motory – mají ty obrovské rotory nahoře, které dělají všechnu práci – ale mýlíte se: rotory jsou poháněny jedním nebo dvěma plynovými turbínovými motory, kterým se říká turbohřídele. Turbohřídel se velmi liší od proudového motoru, protože výfukové plyny vytvářejí relativně malý tah. Místo toho turbína v turbodmychadle zachycuje většinu výkonu a hnací hřídel, která jí prochází, otáčí převodovkou a jednou nebo více převodovkami, které roztáčejí rotory. Kromě vrtulníků najdete turbohřídelové motory také ve vlacích, tancích a lodích. Plynové turbínové motory namontované například v elektrárnách jsou také turbohřídelové.

Turbovrtulové motory

Foto: Turbovrtulový motor využívá proudový motor k pohonu vrtule. Foto: Eduardo Zaragoza s laskavým svolením US Navy.

Moderní letadlo s vrtulí obvykle používá turbovrtulový motor. je podobný turbovrtulovému motoru ve vrtulníku, ale místo aby poháněl horní rotor, turbína v něm roztáčí vrtuli namontovanou na přední části, která tlačí letadlo vpřed. Na rozdíl od turbovrtulového motoru vytváří turbovrtulový motor určitý tah dopředu ze svých výfukových plynů, ale většina tahu pochází z vrtule.Protože letadla poháněná vrtulí letí pomaleji, ztrácejí méně energie v boji proti odporu vzduchu, a proto jsou velmi efektivní pro použití v dopravních letadlech a dalších malých, lehkých letadlech.Vrtule však samy o sobě vytvářejí velký odpor vzduchu, což je jeden z důvodů, proč byly vyvinuty turbovrtulové motory.Více informací o turbovrtulových motorech najdete na stránkách NASA.

Turbovrtulové motory

Foto: Turboventilátorový motor vytváří větší tah pomocí vnitřního ventilátoru a vnějšího obtoku (menší prstenec, který můžete vidět mezi vnitřním ventilátorem a vnějším krytem). Každý z těchto motorů produkuje 43 000 liber tahu (téměř 4,5krát více než motory Stratofortress nahoře)! Foto: Lance Cheung s laskavým svolením US Air Force.

Obří osobní letouny mají vpředu namontované obrovské ventilátory, které fungují jako supervýkonné vrtule. Ventilátory pracují dvěma způsoby. Mírně zvyšují množství vzduchu, který proudí středem (jádrem) motoru, čímž vytvářejí větší tah při stejném množství paliva (což je činí účinnějšími). Část vzduchu také vyfukují kolem vnější strany hlavního motoru, čímž zcela „obcházejí“ jádro a vytvářejí zpětný proud vzduchu jako vrtule. Jinými slovy, turboventilátory vytvářejí tah částečně jako proudové motory a částečně jako turbovrtulové motory.Nízkoobtokové turboventilátory posílají prakticky všechen vzduch přes jádro, zatímco vysokoobtokové motory posílají více vzduchu kolem něj. Poměr, který se nazývá obtokový poměr, udává, kolik vzduchu (podle hmotnosti) prochází jádrem motoru nebo kolem něj; u motoru s vysokým obtokovým poměrem může být tento poměr 10:1, což znamená, že 10krát více vzduchu prochází kolem než jádrem.Působivý výkon a účinnost činí z turboventilátorů motory, které se používají ve všech typech letadel, od osobních (obvykle s vysokým obtokovým poměrem) až po proudové stíhačky (s nízkým obtokovým poměrem). Obtoková konstrukce také proudový motor chladí a činí ho tišším. Přečtěte si více o turboventilátorech od NASA.

Ramjety a scramjety

Foto: NASA: Fotografie pořízená s laskavým svolením Armstrongova letového výzkumného střediska NASA.

Jetové motory nabírají vzduch při rychlosti, takže teoreticky, pokud byste navrhli vstupní otvor jako rychle se zužující trysku, mohli byste zajistit automatické stlačování přicházejícího vzduchu bez kompresoru nebo turbíny, která by jej poháněla. Takto fungující motory se nazývají ramjety, a protože potřebují, aby se vzduch pohyboval rychle, jsou ve skutečnosti vhodné pouze pro nadzvuková a hypersonická (rychlejší než zvuk) letadla. Vzduch, který se při vstupu do motoru pohybuje rychleji než zvuk, je stlačen a dramaticky zpomalen na podzvukovou rychlost, smíchán s palivem a zapálen zařízením zvaným držák plamene, čímž vzniká raketový výfuk podobný tomu, který vytváří klasický proudový motor. Ramjety se obvykle používají v raketových a raketových motorech, ale protože „dýchají“ vzduch, nelze je použít ve vesmíru. Scramjety jsou podobné, až na to, že nadzvukový vzduch nezpomaluje ani zdaleka tolik, jako zrychluje motor. Tím, že vzduch zůstává nadzvukový, vystupuje z letadla mnohem vyšší rychlostí, což umožňuje letadlu letět podstatně rychleji než letadlo poháněné ramjetem (teoreticky až do rychlosti 15 Machů, neboli patnáctinásobku rychlosti zvuku – ve „vysoké hypersonické“ oblasti).

Karta: Ramjety a scramjety: Moderní proudové motory jsou asi stokrát výkonnější než motory, které vynalezl Frank Whittle a jeho německý rival Hans von Ohain. Červený blok ukazuje motor GE90, v současnosti nejvýkonnější motor na světě. Na níže uvedené časové ose se dozvíte, jak se motory vyvíjely – a jaké inženýrské mozky za nimi stály.

Krátká historie proudových motorů

• ~1800s: Anglický vynálezce sir George Cayley(1773-1857) na základě jednoduchých modelů vymyslel základní konstrukci a fungování moderního letadla se vztlakovými křídly. Bohužel jediným praktickým zdrojem energie, který byl za jeho života k dispozici, je parní stroj na uhlí, který je pro pohon letadla příliš velký, těžký a neúčinný.
• 1860-1870. léta: Francouzští inženýři JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), německý inženýr Nikolaus Otto(1832-1891) a Karl Benz vyvíjejí nezávisle na sobě moderní automobilový motor, který pohání relativně lehký, čistý a energeticky bohatý benzín – mnohem praktičtější palivo než uhlí.
• 1884: Angličan Sir Charles Parsons (1854-1931) je průkopníkem parních turbín a kompresorů, klíčových prvků technologie budoucích leteckých motorů.
• 1903: Wilbur Wright (1867-1912) aOrville Wright (1871-1948) uskutečnili první let s pohonem pomocí plynového motoru, který poháněl dvě vrtule připevněné ke křídlům jednoduchého letadla.
• 1908:
• 1910: Francouz René Lorin (1877-1933) vynalezl ramjet – nejjednodušší možný proudový motor.
• 1910: Francouz René Lorin (1877-1933) vynalezl ramjet – nejjednodušší možný proudový motor: Henri-Marie Coandă (1885-1972), narozený v Rumunsku, ale pracující převážně ve Francii, sestrojí první proudové letadlo na světě, Coandă-1910, poháněné velkým vzduchovým ventilátorem místo vrtule.
• 1914: Robert Hutchings Goddard (1882-1945) získává první dva patenty popisující vícestupňové rakety na kapalné palivo, které o mnoho let později pomohou vystřelit lidi do vesmíru.
• 1925:
• 1928: Pratt & Whitney (nyní jeden z největších světových výrobců leteckých motorů) vyrábí svůj první motor, devítiválcový Wasp:
• 1926: Britský inženýr Alan Griffith (1893-1963) navrhuje v klasickém článku nazvaném AnAerodynamic Theory of Turbine Design (Aerodynamická teorie konstrukce turbíny) použití plynových turbínových motorů k pohonu letadel. Tato práce činí z Griffitha v podstatě teoretického otce proudového motoru (mezi jeho četné příspěvky patří zjištění, že kompresor proudového motoru musí používat zakřivené lopatky a nikoli lopatky s jednoduchým plochým profilem). Griffith se později stává průkopníkem proudových motorů, turboventilátorů a letadel s kolmým startem a přistáním (VTOL) jako hlavní vědecký pracovník společnosti Rolls-Royce, jednoho z předních světových výrobců leteckých motorů.
• 1928: Anglický inženýr Frank Whittle (1907-1996) ve věku pouhých 21 let navrhuje proudový motor, ale britská armáda (a její konzultant Alan Griffith) odmítají brát jeho nápady vážně. Whittle je nucen založit vlastní společnost a rozvíjet své nápady sám. V roce 1937 sestrojí první moderní proudový motor, ale pouze jako prototyp na zemi.
• 1936: Whittle vynalézá a podává patent na obtokový turboventilátorový motor.
• 1933-1939: Jeho motor HeS 3B, navržený v roce 1938, pohání letoun Heinkel He-178 při jeho prvním letu jako první proudový letoun na světě 27. srpna 1939.
• 1951:
• 2002: Americký letecký inženýr Charles Kaman (1919-2011) sestrojuje první vrtulník s plynovým turbínovým motorem, K-225.
• 2002: Americký letecký inženýr Charles Kaman (1919-2011) sestrojuje první vrtulník s plynovým turbínovým motorem: GE90-115B společnosti General Electric se stává nejvýkonnějším motorem na světě s maximálním tahem 569 kN (127 900 lbf).
• 2019: General Electric GE9X, vycházející z GE90, využívá vysoký obtokový poměr 10:1, menší počet lopatek ventilátoru a lepší materiály, aby dosáhl o 10 % vyšší účinnosti a o 5 % nižší spotřeby paliva při nižší hlučnosti a nižších emisích. Produkuje však výrazně menší tah (přibližně 470 kN neboli 105 000 lbf).

.