Suihkumoottorit

Suihkumoottorityypit

Taide: Yhteenveto kuudesta suihkumoottorin päätyypistä. Kutakin selitetään tarkemmin alla olevassa tekstissä, jonka jälkeen on linkki erinomaiselle NASA:n verkkosivustolle, jossa on vielä enemmän grafiikkaa ja animaatioita.

Kaikki suihkumoottorit ja kaasuturbiinit toimivat suurin piirtein samalla tavalla (imevät ilmaa sisäänmenon kautta, puristavat sitä, polttavat sitä polttoaineen kanssa ja päästävät pakokaasun laajenemaan turbiinin läpi), joten niillä kaikilla on viisi yhteistä pääkomponenttia: sisäänmenoilmanottoaukko, kompressori, polttokammio ja turbiineja (jotka on järjestetty täsmälleen samassa järjestyksessä), ja niiden välissä kulkee voimansiirtoakseleita.

Mutta siihen yhtäläisyydet loppuvat. Eri moottorityypeissä on lisäkomponentteja (joita turbiini ohjaa), sisäänmenoaukot toimivat eri tavoin, polttokammioita voi olla useampia kuin yksi, kompressoreita voi olla kaksi tai useampia ja turbiineja useita. Ilmailu- ja avaruustekniikan moottorit suunnitellaan huolella tehdyillä kompromisseilla: niiden on tuotettava mahdollisimman suuri teho mahdollisimman pienellä polttoaineella (toisin sanoen mahdollisimman suurella hyötysuhteella) ja oltava samalla mahdollisimman pieniä, kevyitä ja hiljaisia. Maassa (esimerkiksi voimalaitoksissa) käytettävien kaasuturbiinien ei välttämättä tarvitse tehdä kompromisseja aivan samalla tavalla; niiden ei tarvitse olla pieniä tai kevyitä, vaikka ne varmasti tarvitsevat silti maksimaalisen tehon ja hyötysuhteen.

Turbojetit

Kuva: Varhaiset turbojettimoottorit Boeing B-52A Stratofortress -koneessa, kuvassa vuonna 1954.B-52A:ssa oli kahdeksan Pratt and Whitney J-57 -turbojettimoottoria, joista kukin pystyi tuottamaan noin 10 000 paunan työntövoiman.Kuva USA:n ilmavoimien suosiollisella suostumuksella.

Whittlen alkuperäistä suunnitelmaa kutsuttiin turbojetiksi, ja se on edelleen laajalti käytössä lentokoneissa nykyään. Turboturbiinimoottori on yksinkertaisin kaasuturbiiniin perustuva suihkumoottori: se on perusrakettimoottori, joka liikuttaa lentokonetta eteenpäin ampumalla kuumaa pakokaasusuihkua taaksepäin. Moottorista lähtevä pakokaasu on paljon nopeampi kuin siihen tuleva kylmä ilma, ja näin suihkuturbiinimoottori saa aikaan työntövoimansa.

Turbiinimoottorit ovat yleiskäyttöisiä perussuihkumoottoreita, jotka tuottavat koko ajan tasaisen määrän tehoa, joten ne sopivat pieniin, hidaskäyntisiin suihkukoneisiin, joiden ei tarvitse tehdä mitään erityisen merkittävää (kuten kiihdyttää äkillisesti tai kuljettaa valtavia määriä rahtia). Yllä selostamamme ja kuvaamamme moottori on esimerkki.Lue lisää turbosuihkukoneista NASA:lta (sisältää animoidun moottorin, jolla voi leikkiä).

Turbosafts

Kuva: Harmaa putki, jonka näet tämän Yhdysvaltain armeijan Seahawk-helikopterin roottorin alla, on yksi sen kaksoisturbomoottoreista. Toisella puolella on toinen täsmälleen samanlainen. Kuva: Trevor Kohlrus, US Navy.

Ei ehkä uskoisi, että helikoptereita pyöritetään suihkumoottoreilla – niiden huipulla on valtavat roottorit, jotka tekevät kaiken työn – mutta olisit väärässä: roottoreiden voimanlähteenä on yksi tai kaksi kaasuturbiinimoottoria, joita kutsutaan turboakseleiksi. Turboakseli eroaa huomattavasti suihkuturbiinimoottorista, koska pakokaasu tuottaa suhteellisen vähän työntövoimaa. Sen sijaan suihkuturbiinin turbiini kerää suurimman osan tehosta, ja sen läpi kulkeva voimansiirtoakseli pyörittää vaihteistoa ja yhtä tai useampaa vaihdelaatikkoa, jotka pyörittävät roottoreita. Helikoptereiden lisäksi turboakselimoottoreita on myös junissa, säiliöissä ja veneissä. Myös esimerkiksi voimalaitoksiin asennetut kaasuturbiinimoottorit ovat turboaaltoja.

Turbopropit

Kuva: Turboprop-moottori käyttää suihkumoottoria potkurin voimanlähteenä. Photo by Eduardo Zaragoza courtesy of US Navy.

Nykyaikaisessa lentokoneessa, jossa on potkuri, käytetään tyypillisesti turboprop-moottoria.Se on samanlainen kuin helikopterin turbomoottori, mutta sen sijaan, että se pyörittäisi yläpuolella olevaa roottoria, sen sisällä oleva turbiini pyörittää etupuolelle asennettua potkuria, joka työntää konetta eteenpäin. Toisin kuin turboakseli, turboprop tuottaa jonkin verran työntövoimaa eteenpäin pakokaasullaan, mutta suurin osa työntövoimasta tulee potkurista.Koska potkurikäyttöiset lentokoneet lentävät hitaammin, ne tuhlaavat vähemmän energiaa ilmanvastuksen (ilmanvastuksen) torjuntaan, mikä tekee niistä erittäin tehokkaita rahtilentokoneissa ja muissa pienissä, kevyissä lentokoneissa.Potkurit itsessään aiheuttavat kuitenkin paljon ilmanvastusta, mikä on yksi syy, miksi turbokoneet kehitettiin.Lue lisää turbokoneista NASA:sta.

Turbokoneet

Kuva: Turbofan-moottori tuottaa enemmän työntövoimaa käyttämällä sisempää puhallinta ja ulompaa ohitusputkea (pienempi rengas, jonka näet sisemmän puhaltimen ja ulkokotelon välissä). Jokainen näistä moottoreista tuottaa 43 000 paunaa työntövoimaa (lähes 4,5 kertaa enemmän kuin yllä olevat Stratofortress-moottorit)! Kuva: Lance Cheung, US Air Force.

Jättimäisissä matkustajasuihkukoneissa on etupuolelle asennetut valtavat tuulettimet, jotka toimivat kuin supertehokkaat potkurit. Puhaltimet toimivat kahdella tavalla. Ne lisäävät kevyesti ilmaa, joka virtaa moottorin keskikohdan (ytimen) läpi, tuottaen enemmän työntövoimaa samalla polttoaineella (mikä tekee niistä tehokkaampia). Ne myös puhaltavat osan ilmasta päämoottorin ulkopuolelle, jolloin ne ”ohittavat” ytimen kokonaan ja synnyttävät potkurin kaltaisen ilmavirran vastatuulen. Toisin sanoen turbofan tuottaa työntövoimaa osittain suihkuturbiinimoottorin ja osittain potkuriturbiinimoottorin tavoin. Matalan ohituksen turbofanit lähettävät lähes kaiken ilman ytimen läpi, kun taas korkean ohituksen turbofanit lähettävät enemmän ilmaa ytimen ympäri. Ohitussuhteeksi kutsuttu mitta kertoo, kuinka paljon ilmaa (painon mukaan) kulkee moottorin ytimen läpi tai sen ympäri; korkean ohitussuhteen moottorissa suhde voi olla 10:1, mikä tarkoittaa, että ilmaa kulkee 10 kertaa enemmän ytimen ympäri kuin sen läpi.Vaikuttavan tehon ja hyötysuhteen ansiosta turboturbiinimoottorit ovat valinta moottoreiksi matkustajasuihkukoneisiin (tyypillisesti korkean ohitussuhteen moottoreita) ja hävittäjiin (matalan ohitussuhteen). Ohivirtausrakenne myös jäähdyttää suihkumoottoria ja tekee siitä hiljaisemman. Lue lisää turbokoneista NASA:sta.

Ramjetit ja scramjetit

Kuva: Avaruuslentokoneita varten vuonna 1999 kehitetty Pegasus ramjet/scramjet-moottori.Kuva NASA Armstrong Flight Research Centerin luvalla.

Suihkumoottorit imevät ilmaa sisään nopeudella, joten teoriassa, jos sisäänmenoaukko suunniteltaisiin nopeasti kapenevaksi suuttimeksi, moottori saataisiin puristamaan sisään tuleva ilma automaattisesti ilman kompressoria tai turbiinia. Tällä tavoin toimivia moottoreita kutsutaan syöksysuihkukoneiksi, ja koska ne edellyttävät, että ilma liikkuu nopeasti, ne soveltuvat oikeastaan vain yliääni- ja hypersonisiin (ääntä nopeampiin) lentokoneisiin. Moottoriin tullessaan ääntä nopeammin liikkuva ilma puristetaan ja hidastetaan huomattavasti ääntä hitaampaan nopeuteen, sekoitetaan polttoaineeseen ja sytytetään liekinkannattimeksi kutsutulla laitteella, jolloin syntyy rakettimainen pakokaasu, joka on samankaltainen kuin klassisen suihkuturbiinimoottorin pakokaasu. Ramjet-suihkuja käytetään yleensä raketti- ja ohjusmoottoreissa, mutta koska ne ”hengittävät” ilmaa, niitä ei voida käyttää avaruudessa. Ram-suihkut ovat samankaltaisia, paitsi että yliääni ei hidasta ilmaa yhtä paljon kuin se nopeuttaa moottorin läpi. Koska ilma poistuu yliäänellä, se pääsee ulos paljon suuremmalla nopeudella, jolloin lentokone voi lentää huomattavasti nopeammin kuin ramjetin käyttämä lentokone (teoriassa jopa Mach 15:een eli 15-kertaiseen äänennopeuteen ”korkean hypersonisen” alueella).Lue lisää ramjetista ja scramjetistä NASA:lta.

Kaavio: Nykyaikaiset suihkumoottorit ovat noin 100 kertaa tehokkaampia kuin Frank Whittlen ja hänen saksalaisen kilpailijansa Hans von Ohainin keksimät moottorit. Punainen lohko esittää GE90:tä, joka on tällä hetkellä maailman tehokkain moottori. Alla olevasta aikajanasta näet, miten moottorit kehittyivät – ja mitkä insinööriälyköt niiden takana ovat.

Lyhyt historia suihkumoottoreista

• ~1800-luku: Englantilainen keksijä Sir George Cayley(1773-1857) selvittää yksinkertaisten mallien avulla nykyaikaisen, siivellä nostetun lentokoneen perusrakenteen ja toiminnan. Valitettavasti ainoa hänen elinaikanaan käytettävissä oleva käytännöllinen voimanlähde on hiilikäyttöinen höyrykone, joka on liian suuri, raskas ja tehoton lentokoneen käyttövoimaksi.
• 1860-1870-luku: Ranskalaiset insinöörit JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), saksalainen insinööri Nikolaus Otto (1832-1891) ja Karl Benz kehittävät itsenäisesti nykyaikaisen autonmoottorin, joka toimii suhteellisen kevyellä, puhtaalla ja energiapitoisella bensiinillä, joka on paljon käytännöllisempi polttoaine kuin kivihiili.
• 1884: Englantilainen Sir Charles Parsons (1854-1931) on pioneeri höyryturbiinien ja kompressorien kehittäjänä, jotka ovat avainasemassa tulevien lentokoneiden moottoreiden tekniikassa.
• 1903: Polkupyöriä valmistavat veljekset Wilbur Wright (1867-1912) jaOrville Wright (1871-1948) tekevät ensimmäisen moottoroidun lennon käyttäen agas-moottoria, joka pyörittää kahta potkuria, jotka on kiinnitetty yksinkertaisen lentokoneen siipiin.
• 1908: Ranskalainen René Lorin (1877-1933) keksii ramjetin, yksinkertaisimman mahdollisen suihkumoottorin.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), joka on syntynyt Romaniassa, mutta työskentelee enimmäkseen Ranskassa, rakentaa maailman ensimmäisen suihkukonemaisen lentokoneen, Coandă-1910:n, jonka voimanlähteenä on potkurin sijasta suuri ilmapuhallin.
• 1914: Yhdysvaltalainen avaruusalan pioneeri Robert Hutchings Goddard (1882-1945) saa kaksi ensimmäistä patenttiaan, joissa hän kuvaa nestemäisellä polttoaineella toimivia monivaiheisia raketteja – ideoita, joiden avulla monet vuodet myöhemmin voidaan ampua ihmisiä avaruuteen.
• 1925: Pratt & Whitney (nykyään yksi maailman suurimmista lentokonemoottorien valmistajista) rakentaa ensimmäisen moottorinsa, yhdeksänsylinterisen Waspin.
• 1928: Saksalainen insinööri Alexander Lippisch (1894-1976) asentaa rakettimoottorit kokeelliseen purjelentokoneeseen tehdäkseen maailman ensimmäisen rakettilentokoneen, Lippisch Ente.
• 1926: Brittiläinen insinööri Alan Griffith (1893-1963) ehdottaa kaasuturbiinimoottoreiden käyttöä lentokoneiden voimanlähteenä klassisessa artikkelissaan AnAerodynamic Theory of Turbine Design. Tämä teos tekee Griffithistä käytännössä suihkumoottorin teoreettisen isän (hänen moniin panoksiinsa kuuluu muun muassa se, että suihkumoottorin kompressorissa on käytettävä kaarevia siipiprofiilisia siipiä yksinkertaisen litteän profiilin siipiprofiilin siipien sijasta). Griffithistä tulee myöhemmin suihkuturbiinimoottoreiden, turbokoneiden ja pystysuoraan nousevien ja laskeutuvien lentokoneiden (VTOL) edelläkävijä Rolls-Roycen johtavana tutkijana, joka on yksi maailman johtavista lentokonemoottoreiden valmistajista.
• 1928: Vain 21-vuotias englantilainen insinööri Frank Whittle (1907-1996)suunnittelee suihkumoottorin, mutta Britannian armeija (ja sen konsultti Alan Griffith) kieltäytyy ottamasta hänen ideoitaan vakavasti. Whittlen on pakko perustaa oma yritys ja kehittää ideoitaan itse. Vuoteen1937 mennessä hän rakentaa ensimmäisen nykyaikaisen suihkumoottorin, mutta vain maalla toimivan prototyypin.
• 1936: Whittle keksii ja patentoi ohitusturbiinimoottorin.
• 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), Whittlen saksalainen kilpailija, suunnittelee samanaikaisesti kompressori- ja turbiinisuihkumoottoreita.Hänen vuonna 1938 suunnittelemansa HeS 3B -moottori antaa voiman Heinkel He-178:lle sen neitsytlennolla maailman ensimmäisenä suihkuturbiinikoneena 27. elokuuta 1939.
• 1951: Yhdysvaltalainen ilmailuinsinööri Charles Kaman (1919-2011) rakentaa ensimmäisen kaasuturbiinimoottorilla varustetun helikopterin, K-225:n.
• 2002: General Electricin GE90-115B-turbiinimoottorista tulee maailman tehokkain moottori, jonka suurin työntövoima on 569 kN (127 900 lbf).
• 2019: GE90-malliin perustuvassa General Electricin GE9X-moottorissa käytetään korkeaa ohivirtaussuhdetta 10:1, pienempää määrää puhaltimen siipiä ja parempia materiaaleja, joiden avulla saavutetaan 10 prosenttia parempi polttoainetaloudellisuus ja 5 prosenttia alhaisempi polttoainekulutus pienemmällä melutasolla ja vähemmillä päästöillä. Se tuottaa kuitenkin huomattavasti vähemmän työntövoimaa (noin 470 kN eli 105 000 lbf).