Jetmotorer

Typer af jetmotorer

Arbejde: En oversigt over seks hovedtyper af jetmotorer. Hver af dem forklares nærmere i teksten nedenfor, efterfulgt af et link til et fremragende NASA-websted, hvor du kan finde endnu mere grafik og animationer.

Alle jetmotorer og gasturbiner fungerer stort set på samme måde (suger luft gennem et indløb, komprimerer den, forbrænder den med brændstof og lader udstødningen ekspandere gennem en turbine), så de har alle fem nøglekomponenter til fælles: et indløb, en kompressor, et forbrændingskammer og en turbine (arrangeret i præcis den rækkefølge) med en drivaksel, der løber igennem dem.

Men der stopper lighederne. Forskellige motortyper har ekstra komponenter (drevet af turbinen), indløbene fungerer på forskellige måder, der kan være mere end ét forbrændingskammer, der kan være to eller flere kompressorer og flere turbiner. Og anvendelsen (den opgave, motoren skal udføre) er også meget vigtig.Luft- og rumfartsmotorer er konstrueret på grundlag af et omhyggeligt konstrueret kompromis: de skal producere maksimal effekt med et minimum af brændstof (med maksimal effektivitet, med andre ord) og samtidig være så små, lette og støjsvage som muligt. Gasturbiner, der anvendes på jorden (f.eks. i kraftværker), behøver ikke nødvendigvis at gå på kompromis på helt samme måde; de behøver ikke at være hverken små eller lette, selv om de helt sikkert stadig har brug for maksimal effekt og effektivitet.

Turbojets

Foto: Billede: Tidlige turbojetmotorer på et Boeing B-52A Stratofortress-fly, fotograferet i 1954.B-52A havde otte Pratt and Whitney J-57-turbojetmotorer, som hver kunne producere ca. 10.000 pund fremdrift.Billedet er venligst udlånt af US Air Force.

Whittes oprindelige design blev kaldt et turbojetfly, og det anvendes stadig i vid udstrækning i flyvemaskiner i dag. Et turbojetfly er den enkleste form for jetmotor baseret på en gasturbine: det er en grundlæggende “raket”-jet, der flyver et fly fremad ved at affyre en varm udstødningsstråle bagud. Udstødningen, der forlader motoren, er meget hurtigere end den kolde luft, der kommer ind i den, og det er sådan, et turbojetfly skaber sin fremdrift. I et turbojet er alt, hvad turbinen skal gøre, at drive kompressoren, så den tager relativt lidt energi fra udstødningsstrålen.

Turbojets er grundlæggende jetmotorer til generelle formål, der producerer stabile mængder strøm hele tiden, så de er velegnede til små jetfly med lav hastighed, der ikke behøver at gøre noget særligt bemærkelsesværdigt (som f.eks. at accelerere pludseligt eller transportere enorme mængder last). Den motor, som vi har forklaret og illustreret ovenfor, er et eksempel.Læs mere om turbojets fra NASA (indeholder en animeret motor, som du kan lege med).

Turboshafts

Foto: Det grå rør, som du kan se under rotoren på denne Seahawk-helikopter fra det amerikanske militær, er en af dens to turboakselmotorer. Der er en anden præcis den samme på den anden side. Foto af Trevor Kohlrus med tilladelse fra US Navy.

Man tror måske ikke, at helikoptere drives af jetmotorer – de har de store rotorer på toppen, der gør alt arbejdet – men man tager fejl: Rotorerne drives af en eller to gasturbinemotorer, der kaldes turboaksler. En turboaksel er meget forskellig fra et turbojetfly, fordi udstødningsgassen giver relativt lidt fremdrift. Turbinen i et turbojetfly opfanger i stedet det meste af kraften, og drivakslen, der løber gennem den, drejer en transmission og en eller flere gearkasser, der drejer rotorerne. Ud over helikoptere finder man også turboakselmotorer i tog, tanks og både. Gasturbinemotorer, der er monteret i f.eks. kraftværker, er også turboakselmotorer.

Turboprops

Foto: En turbopropmotor bruger en jetmotor til at drive en propel. Foto af Eduardo Zaragoza, venligst udlånt af US Navy.

Et moderne fly med en propel bruger typisk en turbopropmotor.Den ligner turboakslen i en helikopter, men i stedet for at drive en overliggende rotor drejer turbinen i den en propel, der er monteret på forsiden, som skubber flyet fremad. I modsætning til en turboaksel producerer en turbopropmotor en vis fremadrettet fremdrift fra udstødningsgassen, men størstedelen af fremdriften kommer fra propellen.Da propeldrevne fly fly flyver langsommere, spilder de mindre energi på at bekæmpe luftmodstand, og det gør dem meget effektive til brug i arbejdshestefragtfly og andre små, lette fly.Propellerne skaber dog i sig selv en stor luftmodstand, hvilket er en af grundene til, at turbofans blev udviklet.Læs mere om turbopropfly fra NASA.

Turbofans

Foto:

Foto: En turbofan-motor producerer mere fremdrift ved hjælp af en indre blæser og en ydre bypass (den mindre ring, som du kan se mellem den indre blæser og den ydre kasse). Hver af disse motorer producerer 43.000 pund fremdrift (næsten 4,5 gange mere end Stratofortress-motorerne ovenover)! Foto af Lance Cheung med tilladelse fra US Air Force.

Gigantiske passagerfly har enorme ventilatorer monteret på fronten, der fungerer som supereffektive propeller. Ventilatorerne fungerer på to måder. De øger let den luft, der strømmer gennem motorens centrum (kerne), hvilket giver mere fremdrift med det samme brændstof (hvilket gør dem mere effektive). De blæser også en del af luften uden om hovedmotoren, hvorved de “går helt uden om” kernen og skaber en luftgennemstrømning som en propel. Med andre ord producerer en turbofan dels som et turbojetfly og dels som et turbopropfly.Turbofans med lavt bypass sender næsten al luften gennem kernen, mens turbofans med højt bypass sender mere luft omkring kernen. En måling, der kaldes bypass-forholdet, fortæller, hvor meget luft (efter vægt) der sendes gennem motorkernen eller rundt om den; i en motor med højt bypass-forhold kan forholdet være 10:1, hvilket betyder, at 10 gange mere luft sendes rundt om end gennem kernen.Imponerende effekt og effektivitet gør turbofans til de foretrukne motorer i alt fra passagerfly (typisk med højt bypass) til jetjagere (med lavt bypass). Bypass-konstruktionen køler også en jetmotor og gør den mere støjsvag. Læs mere om turbofans fra NASA.

Ramjets og scramjets

Foto: Foto: En Pegasus-stamjet/scramjetmotor, der blev udviklet til rumfly i 1999.Foto med tilladelse fra NASA Armstrong Flight Research Center.

Jetmotorer suger luft ind med høj hastighed, så i teorien kan man, hvis man udformer indløbet som en hurtigt tilspidsende dyse, få den til at komprimere den indkommende luft automatisk uden hverken en kompressor eller en turbine til at drive den. Motorer, der fungerer på denne måde, kaldes ramjetmotorer, og da de kræver, at luften bevæger sig hurtigt, er de egentlig kun egnede til fly med over- og hypersonisk (hurtigere end lyd) hastighed. Luft, der bevæger sig hurtigere end lyden, når den kommer ind i motoren, komprimeres og sænkes drastisk til subsoniske hastigheder, blandes med brændstof og antændes af en anordning, der kaldes en flammeholder, hvilket giver en raketlignende udstødning, der ligner den, som et klassisk turbojetfly frembringer. Ramjets anvendes normalt i raket- og missilmotorer, men da de “indånder” luft, kan de ikke anvendes i rummet. Scramjets ligner hinanden, bortset fra at den supersoniske luft ikke bremses lige så meget, som den bremser sig gennem motoren. Ved at forblive supersonisk kommer luften ud med meget højere hastighed, hvilket gør det muligt for flyet at flyve betydeligt hurtigere end et fly drevet af en ramjetmotor (teoretisk set op til Mach 15, eller 15 gange lydens hastighed i det “høje hypersoniske” område).Læs mere om ramjets og scramjets fra NASA.

Kort: Moderne jetmotorer er ca. 100 gange kraftigere end dem, der blev opfundet af Frank Whittle og hans tyske rival Hans von Ohain. Den røde blok viser GE90, som i øjeblikket er verdens kraftigste motor. På tidslinjen nedenfor kan du se, hvordan motorerne har udviklet sig – og de tekniske hjerner bag dem.

En kort historie om jetmotorer

• ~1800-tallet: Ved hjælp af enkle modeller udtænker den engelske opfinder Sir George Cayley (1773-1857) den grundlæggende konstruktion og funktion af det moderne, vingeluftbårne fly. Desværre er den eneste praktiske energikilde, der er til rådighed i hans levetid, den kuldrevne dampmaskine, som er for stor, tung og ineffektiv til at drive et fly.
• 1860’erne-1870’erne: De franske ingeniører JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), den tyske ingeniør Nikolaus Otto (1832-1891) og Karl Benz udvikler uafhængigt af hinanden den moderne bilmotor, som kører på forholdsvis let, ren og energirig benzin – et meget mere praktisk brændstof end kul.
• 1884: Englænderen Sir Charles Parsons (1854-1931) er pioner inden for dampturbiner og kompressorer, som er vigtige dele af teknologien i fremtidens flymotorer.
• 1903: Wilbur Wright (1867-1912) og Orville Wright (1871-1948) foretager den første flyvning med motorkraft ved hjælp af en gasmotor til at drive to propeller, der er fastgjort til vingerne på et simpelt fly.
• 1908: Franskmanden René Lorin (1877-1933) opfinder ramjetmotoren – den enkleste mulige jetmotor.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), der er født i Rumænien, men som hovedsagelig arbejder i Frankrig, bygger verdens første jetlignende fly, Coandă-1910, der drives af en stor luftventilator i stedet for en propel.
• 1914: Den amerikanske rumfartspioner Robert Hutchings Goddard (1882-1945) får sine første to patenter, der beskriver væskedrevne flertrinsraketter – ideer, der mange år senere vil være med til at sende mennesker ud i rummet.
• 1925: Den amerikanske rumfartspioner Robert Hutchings Goddard (1882-1945) får sine første to patenter, der beskriver væskedrevne flertrinsraketter: Pratt & Whitney (nu en af verdens største producenter af flymotorer) bygger sin første motor, den ni-cylindrede Wasp.
• 1928: Pratt & Whitney får sin første motor, den ni-cylindrede Wasp.
• 1928: Den tyske ingeniør Alexander Lippisch (1894-1976) monterer raketmotorer på et eksperimentelt svævefly for at lave verdens første raketfly, Lippisch Ente.
• 1926: Den britiske ingeniør Alan Griffith (1893-1963) foreslår i en klassisk artikel med titlen AnAerodynamic Theory of Turbine Design at bruge gasturbine-motorer til at drive fly i en klassisk artikel. Dette arbejde gør Griffith i realiteten til jetmotorens teoretiske fader (hans mange bidrag omfatter bl.a., at han fandt ud af, at en jetmotorkompressor skal bruge buede flyvinger i stedet for blade med en simpel, flad profil). Griffith bliver senere en pioner inden for turbojets, turbofans og VTOL-fly (vertical takeoff and landing) som chefvidenskabsmand for Rolls-Royce, en af verdens førende producenter af flymotorer.
• 1928: Den kun 21-årige engelske ingeniør Frank Whittle (1907-1996) designer en jetmotor, men det britiske militær (og Alan Griffith, deres konsulent) nægter at tage hans ideer alvorligt. Whittle er tvunget til at oprette sit eget firma og udvikle sine idéer selv. I1937 bygger han den første moderne jetmotor, men kun som en prototype på jorden.
• 1936: Whittle opfinder og indgiver patent på bypass-turbofanmotoren.
• 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), Whittles tyske rival, konstruerer samtidig jetmotorer med kompressorer og turbiner.Hans HeS 3B-motor, der blev konstrueret i 1938, driver Heinkel He-178 på dens jomfruflyvning som verdens første turbojetfly den 27. august 1939.
• 1951: Whittle udvikler en turbojetmotor med kompressorer og turbiner: Den amerikanske luftfartsingeniør Charles Kaman (1919-2011) bygger den første helikopter med en gasturbinemotor, K-225.
• 2002: General Electrics GE90-115B turbofanmotor bliver verdens kraftigste motor med et maksimalt tryk på 569 kN (127 900 lbf).
• 2019: General Electric GE9X, der er baseret på GE90, bruger et højt bypass-forhold på 10:1, færre blæserblade og bedre materialer til at levere 10 % bedre brændstofeffektivitet og 5 % lavere brændstofforbrug med mindre støj og færre emissioner. Den producerer dog betydeligt mindre fremdrift (ca. 470 kN eller 105.000 lbf).