Moottorit

Mitä on ilmailu? | Lennon dynamiikka | Lentokoneet | Moottorit | Lennon historia | Mikä on UEET?
Sanastoa | Hauskaa ja pelejä | Opetukselliset linkit | Oppituntisuunnitelmat | Sivuhakemisto | Etusivu

Moottorit Miten suihkumoottori toimii? Mitä on työntövoima? Suihkumoottorin osat Ensimmäinen suihkumoottori – Varhaisten moottoreiden lyhyt historia Suihkumoottorien tyypit Turbosuihkumoottorit Turboprop-moottori Turbotuulettimet Turbosafetit Ramjetit Moottorit

Miten suihkumoottori toimii?

Suihkumoottorit liikuttavat lentokonetta eteenpäin suurella voimalla, joka syntyy valtavan työntövoiman avulla ja saa koneen lentämään erittäin nopeasti.

Kaikki suihkumoottorit, joita kutsutaan myös kaasuturbiineiksi, toimivat samalla periaatteella. Moottori imee puhaltimella ilmaa sisäänsä edestä. Kompressori nostaa ilman painetta. Kompressori on tehty monista akseliin kiinnitetyistä siivistä. Lavat pyörivät suurella nopeudella ja puristavat tai puristavat ilmaa. Tämän jälkeen puristettuun ilmaan ruiskutetaan polttoainetta, ja sähkökipinä sytyttää seoksen. Palavat kaasut laajenevat ja purkautuvat ulos moottorin takaosassa olevasta suuttimesta. Kun kaasusuihkut ampuvat taaksepäin, moottori ja lentokone saavat työntövoiman eteenpäin. Kun kuuma ilma on menossa suuttimeen, se kulkee toisen siipiryhmän, turbiinin, läpi. Turbiini on kiinnitetty samaan akseliin kuin kompressori. Turbiinin pyöriminen saa kompressorin pyörimään.

Alla olevassa kuvassa näkyy, miten ilma virtaa moottorin läpi. Ilma kulkee moottorin ytimen läpi sekä ytimen ympäri. Tämä aiheuttaa sen, että osa ilmasta on hyvin kuumaa ja osa viileämpää. Viileämpi ilma sekoittuu sitten kuumaan ilmaan moottorin poistumisalueella.

Tässä on kuva siitä, miten ilma virtaa moottorin läpi

Mitä on työntövoima?

Työntövoima on eteenpäin suuntautuva voima, joka työntää moottoria ja siten lentokonetta eteenpäin. Sir Isaac Newton havaitsi, että ”jokaiselle toiminnalle on olemassa yhtä suuri ja vastakkainen reaktio”. Moottori käyttää tätä periaatetta. Moottori imee sisäänsä suuren määrän ilmaa. Ilma kuumenee ja puristuu ja hidastuu. Ilma pakotetaan monien pyörivien lapojen läpi. Kun ilma sekoitetaan suihkupolttoaineeseen, ilman lämpötila voi nousta jopa kolmeen tuhanteen asteeseen. Ilman voimaa käytetään turbiinin pyörittämiseen. Lopuksi, kun ilma poistuu, se työntyy taaksepäin ulos moottorista. Tämä saa lentokoneen liikkumaan eteenpäin.

Suihkumoottorin osat

Puhallin – Puhallin on turbotuulettimen ensimmäinen osa. Suuri pyörivä puhallin imee suuria määriä ilmaa. Suurin osa puhaltimen siivistä on valmistettu titaanista. Sitten se nopeuttaa tätä ilmaa ja jakaa sen kahteen osaan. Toinen osa jatkuu moottorin ”ytimen” eli keskuksen läpi, jossa muut moottorin osat vaikuttavat siihen.

Toinen osa ”ohittaa” moottorin ytimen. Se kulkee ydintä ympäröivän kanavan kautta moottorin takaosaan, jossa se tuottaa suuren osan voimasta, joka vie lentokonetta eteenpäin. Tämä viileämpi ilma auttaa hiljentämään moottorin käyntiä ja lisää moottorin työntövoimaa.

Kompressori – Kompressori on moottorin ytimen ensimmäinen komponentti. Kompressori koostuu tuulettimista, joissa on useita siipiä ja jotka on kiinnitetty akseliin. Kompressori puristaa siihen tulevan ilman asteittain pienemmille alueille, jolloin ilmanpaine kasvaa. Tämä johtaa ilman energiapotentiaalin kasvuun. Puristettu ilma pakotetaan polttokammioon.

Polttokammio – Polttokammiossa ilma sekoitetaan polttoaineeseen ja sytytetään. Polttoaineen suihkuttamiseksi ilmavirtaan on jopa 20 suutinta. Ilman ja polttoaineen seos syttyy tuleen. Näin syntyy korkealämpöinen, korkeaenerginen ilmavirta. Polttoaine palaa paineilman hapen kanssa, jolloin syntyy kuumia paisuvia kaasuja. Polttimen sisäpuoli on usein valmistettu keraamisista materiaaleista lämmönkestävän kammion aikaansaamiseksi. Lämpötila voi nousta 2700 asteeseen.

Turbiini – Polttimosta tuleva korkeaenerginen ilmavirta menee turbiiniin, mikä saa turbiinin lavat pyörimään. Turbiinit on yhdistetty akselilla, joka pyörittää kompressorin siipiä ja pyörittää etuosan imupuhallinta. Tämä pyöriminen ottaa korkean energian virtauksesta jonkin verran energiaa, jota käytetään puhaltimen ja kompressorin käyttämiseen. Polttokammiossa syntyvät kaasut liikkuvat turbiinin läpi ja pyörittävät sen siipiä. Suihkukoneen turbiinit pyörivät tuhansia kertoja. Ne on kiinnitetty akseleihin, joiden välissä on useita kuulalaakerisarjoja.

Suutin – Suutin on moottorin pakokanava. Tämä on moottorin osa, joka itse asiassa tuottaa työntövoiman lentokoneelle. Turbiinin ohittanut energiasta tyhjentynyt ilmavirta tuottaa moottorin ytimen ohittaneen kylmemmän ilman lisäksi suuttimesta poistuessaan voiman, joka vaikuttaa moottorin ja siten myös lentokoneen kuljettamiseen eteenpäin. Kuuman ja kylmän ilman yhdistelmä purkautuu ulos ja tuottaa pakokaasun, joka aiheuttaa työntövoiman eteenpäin. Suuttimen edessä voi olla sekoitin, joka yhdistää moottorin ytimestä tulevan korkean lämpötilan ilman ja puhaltimessa ohitetun matalamman lämpötilan ilman. Sekoitin auttaa tekemään moottorista hiljaisen.

Ensimmäinen suihkumoottori – Varhaisten moottoreiden lyhyt historia

Sir Isaac Newton 1700-luvulla esitti ensimmäisenä teorian siitä, että taaksepäin kanavoituva räjähdys voisi kuljettaa konetta eteenpäin suurella nopeudella. Tämä teoria perustui hänen kolmanteen liikelakiinsa. Kun kuuma ilma räjähtää taaksepäin suuttimen läpi, kone liikkuu eteenpäin.

Henri Giffard rakensi ilmalaivan, jonka voimanlähteenä oli ensimmäinen lentokoneen moottori, kolmen hevosvoiman höyrykone. Se oli hyvin raskas, liian raskas lentämiseen.

Vuonna 1874 Felix de Temple rakensi monoplanen, joka lensi vain lyhyen hypyn mäkeä alas hiilikäyttöisen höyrykoneen avulla.

Otto Daimler keksi 1800-luvun lopulla ensimmäisen bensiinimoottorin.

Vuonna 1894 amerikkalainen Hiram Maxim yritti käyttää kolminkertaista kaksitasoaan kahdella hiilikäyttöisellä höyrykoneella. Se lensi vain muutaman sekunnin ajan.

Varhaiset höyrykoneet saivat käyttövoimansa lämmitetyistä hiilistä ja olivat yleensä aivan liian painavia lentämiseen.

Amerikkalainen Samuel Langley teki mallilentokoneita, jotka saivat käyttövoimansa höyrykoneista. Vuonna 1896 hän onnistui lentämään höyrymoottorilla toimivalla miehittämättömällä lentokoneella, jota kutsuttiin Aerodromeksi. Se lensi noin 1 mailin matkan ennen kuin siitä loppui höyry. Sitten hän yritti rakentaa täysikokoisen lentokoneen, Aerodrome A:n, jossa oli kaasukäyttöinen moottori. Vuonna 1903 se syöksyi maahan heti sen jälkeen, kun se oli laukaistu kotiveneestä.

Vuonna 1903 Wrightin veljekset lensivät The Flyer -lentokoneella, jossa oli 12 hevosvoiman kaasukäyttöinen moottori.

Vuodesta 1903, jolloin Wrightin veljekset suorittivat ensilennon, 1930-luvun loppupuolelle asti kaasukäyttöinen, potkurilla varustettu, mäntämoottorilla varustettu polttomoottori oli ainoa keino, jota käytettiin lentokoneiden kuljettamiseen.

Britannialainen lentäjä Frank Whittle suunnitteli ja patentoi ensimmäisen suihkuturbiinimoottorin vuonna 1930. Whittlen moottori lensi ensimmäisen kerran onnistuneesti toukokuussa 1941. Tässä moottorissa oli monivaiheinen kompressori ja palotila, yksivaiheinen turbiini ja suutin.

Samaan aikaan kun Whittle työskenteli Englannissa, Hans von Ohain työskenteli Saksassa samanlaisen suunnittelun parissa. Ensimmäinen kaasuturbiinimoottoria onnistuneesti käyttänyt lentokone oli saksalainen Heinkel He 178 elokuussa 1939. Se oli maailman ensimmäinen suihkuturbiinikäyttöinen lento.

General Electric rakensi ensimmäisen amerikkalaisen suihkumoottorin Yhdysvaltain armeijan ilmavoimien suihkukoneeseen . Se oli XP-59A-kokeilukone, joka lensi ensimmäisen kerran lokakuussa 1942.

Suihkumoottorien tyypit

Turbosuihkumoottorit

Turbosuihkumoottorin perusidea on yksinkertainen. Moottorin etuosassa olevasta aukosta otettu ilma puristetaan kompressorissa 3-12-kertaiseksi alkuperäiseen paineeseensa nähden. Ilmaan lisätään polttoainetta, joka poltetaan polttokammiossa, jolloin nesteseoksen lämpötila nousee noin 1 100°F-1 300°F:iin. Syntynyt kuuma ilma johdetaan turbiinin läpi, joka pyörittää kompressoria. Jos turbiini ja kompressori ovat tehokkaita, paine turbiinin ulostulossa on lähes kaksinkertainen ilmakehän paineeseen verrattuna, ja tämä ylipaine johdetaan suuttimeen tuottamaan suurnopeuksinen kaasuvirta, joka tuottaa työntövoiman. Jälkipolttimella voidaan lisätä työntövoimaa huomattavasti. Se on toinen polttokammio, joka on sijoitettu turbiinin jälkeen ja ennen suutinta. Jälkipoltin nostaa kaasun lämpötilaa suuttimen edessä. Lämpötilan nousun seurauksena työntövoima kasvaa noin 40 prosenttia lentoonlähdössä ja vielä paljon enemmän suurilla nopeuksilla koneen ollessa ilmassa.

Turbiinimoottori on reaktiomoottori. Reaktiomoottorissa laajenevat kaasut työntyvät voimakkaasti moottorin etuosaa vasten. Turboturbiinimoottori imee ilmaa ja puristaa tai puristaa sitä. Kaasut virtaavat turbiinin läpi ja saavat sen pyörimään. Nämä kaasut kimpoavat takaisin ja ampuvat ulos pakoputken takaosasta työntäen konetta eteenpäin.

Turboprop-moottori

Turboprop-moottori on potkuriin kiinnitetty suihkumoottori. Kuumat kaasut pyörittävät takana olevaa turbiinia, joka pyörittää akselia, joka pyörittää potkuria. Joidenkin pienten matkustajakoneiden ja liikennelentokoneiden voimanlähteenä käytetään turboprop-moottoreita.

Turboturbiinimoottori koostuu suihkuturbiinimoottorin tavoin kompressorista, polttokammiosta ja turbiinista.Ilman ja kaasun painetta käytetään turbiinin pyörittämiseen, jolloin syntyy tehoa kompressorin käyttämiseksi. Verrattuna suihkuturbiinimoottoriin potkuriturbiinimoottorin hyötysuhde on parempi lentonopeuksilla, jotka ovat alle 500 mailia tunnissa. Nykyaikaiset potkuriturbiinimoottorit on varustettu potkureilla, joiden halkaisija on pienempi mutta lapojen määrä suurempi, mikä mahdollistaa tehokkaan toiminnan paljon suuremmilla lentonopeuksilla. Suurempien lentonopeuksien saavuttamiseksi lavat ovat saksiitin muotoisia, ja lavan kärjissä on taaksepäin kääntyvät etureunat. Moottoreita, joissa on tällaiset potkurit, kutsutaan propaanimoottoreiksi.

Kuva potkuriturbiinimoottorista

Turbotuulettimet

Turbotuuletinmoottorissa on etupuolella suuri tuuletin, joka imee ilmaa. Suurin osa ilmasta virtaa moottorin ulkopuolella, mikä tekee siitä hiljaisemman ja antaa enemmän työntövoimaa pienillä nopeuksilla. Suurin osa nykyisistä matkustajakoneista on varustettu potkuriturbiinimoottoreilla. Turboturbiinimoottorissa kaikki imuaukkoon tuleva ilma kulkee kaasugeneraattorin läpi, joka koostuu kompressorista, palotilasta ja turbiinista. Suihkuturbiinimoottorissa vain osa saapuvasta ilmasta kulkee palotilaan. Loppuosa kulkee puhaltimen tai matalapainekompressorin läpi ja poistetaan suoraan ”kylmänä” suihkuna tai sekoitetaan kaasugeneraattorin pakokaasun kanssa ”kuuman” suihkun tuottamiseksi. Tällaisen ohitusjärjestelmän tavoitteena on lisätä työntövoimaa polttoaineen kulutusta lisäämättä. Tämä saavutetaan kasvattamalla ilmamassan kokonaisvirtausta ja pienentämällä nopeutta samalla kokonaisenergiansaannilla.

Kuva turbofan-moottorista

Turbosafetit

Tämä on toinen kaasuturbiinimoottorin muoto, joka toimii pitkälti kuten turboprop-järjestelmä. Se ei käytä potkuria. Sen sijaan se tuottaa voimaa helikopterin roottorille. Turbomoottori on suunniteltu siten, että helikopterin roottorin nopeus on riippumaton kaasugeneraattorin pyörimisnopeudesta. Näin roottorin nopeus voidaan pitää vakiona myös silloin, kun generaattorin nopeutta muutetaan tuotetun tehon määrän muokkaamiseksi.

Kuva turbosähkömoottorista

Ramjetit

Ramjet on yksinkertaisin suihkumoottori, eikä siinä ole liikkuvia osia. Suihkun nopeus ”ramauttaa” tai pakottaa ilmaa moottoriin. Se on pohjimmiltaan suihkuturbiinimoottori, jossa pyörivät koneet on jätetty pois. Sen käyttöä rajoittaa se, että sen puristussuhde riippuu täysin ajonopeudesta. Ramjet-suihku ei kehitä staattista työntövoimaa ja yleensä hyvin vähän työntövoimaa äänen nopeuden alapuolella. Tämän vuoksi ramjet-ajoneuvo vaatii jonkinlaisen lentoonlähtöavustimen, kuten toisen lentokoneen. Sitä on käytetty pääasiassa ohjatuissa ohjusjärjestelmissä. Avaruusajoneuvoissa käytetään tämäntyyppistä suihkua.

Kuva Ramjet-moottorista