Mi a repüléstechnika? | A repülés dinamikája | Repülőgépek | Motorok | A repülés története | Mi az UEET?
Szótár | Szórakozás és játékok | Oktatási linkek | Leckekönyvek | Oldalindex | Főoldal
 |
 |
Motorok |
Hogyan működik egy sugárhajtómű?
|
|
ÚJ! Mindannyian természetesnek vesszük, hogy egy több mint félmillió kilós repülőgép milyen könnyedséggel emelkedik fel a földről. Hogyan történik ez? A válasz egyszerű. A hajtóművek. Hagyja, hogy Theresa Benyo, a NASA Glenn Kutatóközpont munkatársa elmagyarázza… A NASA Destination Tomorrow című műsorában látható. |
Real Media
Windows Media PlayerA sugárhajtóművek nagy erővel mozgatják előre a repülőgépet, amely hatalmas tolóerőt fejt ki, és a gépet nagyon gyors repülésre készteti.
Minden sugárhajtómű, amelyet gázturbinának is neveznek, ugyanazon az elven működik. A hajtómű elölről egy ventilátorral szívja be a levegőt. Egy kompresszor megemeli a levegő nyomását. A kompresszor sok lapátból áll, amelyek egy tengelyre vannak erősítve. A lapátok nagy sebességgel forognak, és összenyomják vagy összepréselik a levegőt. A sűrített levegőt ezután üzemanyaggal permetezik, és egy elektromos szikra meggyújtja a keveréket. Az égő gázok kitágulnak és kilövellnek a motor hátsó részén lévő fúvókán keresztül. Ahogy a gázsugarak hátrafelé lövellnek, a motor és a repülőgép előre tolódik. Miközben a forró levegő a fúvóka felé tart, egy másik lapátcsoporton, a turbinán halad át. A turbina ugyanarra a tengelyre van rögzítve, mint a kompresszor. A turbina forgása a kompresszor forgását okozza.
Az alábbi képen látható, hogyan áramlik a levegő a hajtóművön keresztül. A levegő áthalad a motor magján, valamint a mag körül. Emiatt a levegő egy része nagyon forró, más része pedig hűvösebb lesz. A hűvösebb levegő aztán a motor kilépési területén keveredik a forró levegővel.
Ez egy kép arról, hogyan áramlik a levegő a motoron keresztül
Mi az a tolóerő?
A tolóerő az az előrevivő erő, amely a motort és ezáltal a repülőgépet előre tolja. Sir Isaac Newton felfedezte, hogy “minden hatásnak van egy egyenlő és ellentétes reakciója”. A motor ezt az elvet használja. A motor nagy mennyiségű levegőt szív be. A levegőt felmelegíti, összenyomja és lelassítja. A levegőt sok forgó lapáton keresztül kényszerítik. Ha ezt a levegőt sugárhajtómű üzemanyaggal keverjük, a levegő hőmérséklete akár háromezer fokos is lehet. A levegő erejét a turbina forgatására használják fel. Végül, amikor a levegő távozik, visszafelé tolódik ki a hajtóműből. Ez okozza a repülőgép előrehaladását.
A sugárhajtómű alkatrészei
Ventilátor – A ventilátor az első alkatrész a turbóventilátorban. A nagyméretű, forgó ventilátor nagy mennyiségű levegőt szív be. A ventilátor legtöbb lapátja titánból készül. Ezt a levegőt ezután felgyorsítja és két részre osztja. Az egyik rész a hajtómű “magján” vagy közepén keresztül halad tovább, ahol a hajtómű többi alkatrésze hat rá.
A második rész “megkerüli” a hajtómű magját. Egy, a magot körülvevő csatornán keresztül jut el a motor hátsó részébe, ahol a repülőgépet előre mozgató erő nagy részét termeli. Ez a hűvösebb levegő segít csendesíteni a motort, valamint növeli a motor tolóerejét.
Kompresszor – A kompresszor a hajtóműmag első alkatrésze. A kompresszor sok lapátos ventilátorokból áll, amelyek egy tengelyhez vannak rögzítve. A kompresszor a belépő levegőt fokozatosan kisebb területekre préseli, ami a légnyomás növekedését eredményezi. Ez a levegő energiapotenciáljának növekedését eredményezi. Az összenyomott levegőt az égéstérbe kényszerítik.
Égéstér – Az égéstérben a levegőt összekeverik a tüzelőanyaggal, majd meggyújtják. A légáramba akár 20 fúvóka is szórhatja a tüzelőanyagot. A levegő és a tüzelőanyag keveréke meggyullad. Ez magas hőmérsékletű, nagy energiájú légáramot eredményez. A tüzelőanyag a sűrített levegőben lévő oxigénnel ég el, és forró, táguló gázok keletkeznek. Az égéstermék-égető belseje gyakran kerámia anyagból készül, hogy hőálló kamrát biztosítson. A hő elérheti a 2700°-ot.
Turbina – Az égéstérből kilépő nagyenergiájú légáram a turbinába kerül, ami a turbinalapátok forgását okozza. A turbinákat egy tengely köti össze a kompresszor lapátjainak forgatásához és az elülső szívóventilátor forgatásához. Ez a forgás a nagyenergiájú áramlásból vesz el némi energiát, amelyet a ventilátor és a kompresszor meghajtására használnak fel. Az égéstérben keletkező gázok áthaladnak a turbinán, és megforgatják annak lapátjait. A sugárhajtómű turbinái több ezerszer megfordulnak. Ezek tengelyeken vannak rögzítve, amelyek között több golyóscsapágykészlet van.
Fúvóka – A fúvóka a hajtómű kipufogócsatornája. Ez az a hajtóműrész, amely valójában a tolóerőt termeli a repülőgép számára. A turbinán áthaladó, energiában megfogyatkozott légáram a hajtóműmagot megkerülő hidegebb levegővel együtt a fúvókán kilépve olyan erőt hoz létre, amely a hajtóművet, és így a repülőgépet is előre lendíti. A forró levegő és a hideg levegő kombinációja kilökődik, és kipufogógáz keletkezik, ami előre irányuló tolóerőt okoz. A fúvókát megelőzheti egy keverő, amely egyesíti a hajtóműmagból érkező magas hőmérsékletű levegőt a ventilátorban megkerült alacsonyabb hőmérsékletű levegővel. A keverő segít a motor csendesebbé tételében.
Az első sugárhajtómű – A korai hajtóművek rövid története
Sir Isaac Newton a 18. században elsőként elmélkedett arról, hogy egy hátrafelé irányított robbanás nagy sebességgel előre tud hajtani egy gépet. Ez az elmélet az ő harmadik mozgástörvényén alapult. Ahogy a forró levegő hátrafelé robban a fúvókán keresztül, a gép előrefelé mozog.
Henri Giffard épített egy léghajót, amelyet az első repülőgépmotor, egy három lóerős gőzgép hajtott. Nagyon nehéz volt, túl nehéz volt a repüléshez.
1874-ben Felix de Temple, épített egy monoplánt, amely egy széntüzelésű gőzgép segítségével csak egy rövid ugrást repült lefelé egy dombon.
Otto Daimler, az 1800-as évek végén feltalálta az első benzinmotort.
1894-ben az amerikai Hiram Maxim két széntüzelésű gőzgéppel próbálta meghajtani a hármas kétfedelű repülőgépét. Csak néhány másodpercig repült.
A korai gőzgépeket fűtött szénnel hajtották, és általában túl nehezek voltak a repüléshez.
Az amerikai Samuel Langley készített egy olyan repülőgépmodellt, amelyet gőzgép hajtott. 1896-ban sikeresen repült egy gőzmotorral hajtott, pilóta nélküli repülőgéppel, amelyet Aerodrome-nak neveztek el. Körülbelül 1 mérföldet repült, mielőtt elfogyott a gőz. Ezután megpróbálkozott egy teljes méretű repülőgép, az Aerodrome A megépítésével, gázüzemű motorral. Ez 1903-ban azonnal lezuhant, miután egy házi csónakból elindították.
1903-ban a Wright testvérek repültek, The Flyer, 12 lóerős gázmotorral.
1903-tól, a Wright testvérek első repülésének évétől az 1930-as évek végéig a gázüzemű, dugattyús belső égésű motor propellerrel volt az egyetlen eszköz, amelyet a repülőgépek meghajtására használtak.
Frank Whittle brit pilóta volt az, aki 1930-ban megtervezte és szabadalmaztatta az első turbó sugárhajtóművet. A Whittle-hajtómű 1941 májusában repült először sikeresen. Ez a hajtómű egy többfokozatú kompresszorral, valamint egy égéstérrel, egy egyfokozatú turbinával és egy fúvókával rendelkezett.
Ugyanabban az időben, amikor Whittle Angliában dolgozott, Hans von Ohain Németországban egy hasonló konstrukción dolgozott. Az első repülőgép, amely sikeresen használt gázturbinás hajtóművet, a német Heinkel He 178-as volt 1939 augusztusában. Ez volt a világ első turbóhajtóműves repülése.
A General Electric megépítette az első amerikai sugárhajtóművet a US Army Air Force sugárhajtású repülőgépe számára . Ez volt az XP-59A kísérleti repülőgép, amely 1942 októberében repült először.
A sugárhajtóművek típusai
Turbó sugárhajtóművek
A turbó sugárhajtómű alapötlete egyszerű. A hajtómű elején lévő nyíláson beszívott levegőt a kompresszorban eredeti nyomásának 3-12-szeresére sűrítik. A levegőhöz üzemanyagot adnak, és egy égéstérben elégetik, hogy a folyadékkeverék hőmérsékletét körülbelül 1100°F és 1300°F közé emeljék. Az így keletkező forró levegőt egy turbinán vezetik át, amely a kompresszort hajtja. Ha a turbina és a kompresszor hatékony, akkor a turbina kimeneténél a nyomás közel kétszerese lesz a légköri nyomásnak, és ez a többletnyomás a fúvókába kerül, hogy nagy sebességű gázáramot hozzon létre, amely tolóerőt eredményez. Jelentős tolóerő-növekedés érhető el utánégető alkalmazásával. Ez egy második égőkamra, amely a turbina után és a fúvóka előtt helyezkedik el. Az utánégető növeli a fúvóka előtti gáz hőmérsékletét. Ennek a hőmérsékletnövekedésnek az eredménye a tolóerő körülbelül 40 százalékos növekedése felszálláskor, és ennél sokkal nagyobb százalékos növekedés nagy sebességnél, ha a repülőgép már a levegőben van.
A turbó sugárhajtómű egy reakcióhajtómű. A reakcióhajtóműben a táguló gázok erősen nyomják a hajtómű elejét. A turbó sugárhajtómű beszívja a levegőt és összenyomja vagy összepréseli. A gázok átáramlanak a turbinán és megpörgetik azt. Ezek a gázok visszapattannak, és a kipufogó hátsó részén kilőnek, előre tolva a gépet.
Turbóhajtómű képe
Turboprop
A turbóhajtómű egy légcsavarhoz rögzített sugárhajtómű. A hátul lévő turbinát a forró gázok forgatják, és ez egy tengelyt forgat, amely a légcsavart hajtja. Néhány kis utasszállító és szállító repülőgépet turboprop motorral hajtanak.
A turbó sugárhajtóműhöz hasonlóan a turboprop motor is kompresszorból, égéstérből és turbinából áll, a levegő és a gázok nyomását a turbina működtetésére használják, amely aztán energiát termel a kompresszor meghajtásához. A turbó sugárhajtóművel összehasonlítva a turboprop hajtóműnek jobb a meghajtási hatásfoka körülbelül 500 mérföld/óra alatti repülési sebességnél. A modern turbólégcsavaros hajtóműveket kisebb átmérőjű, de nagyobb lapátszámú légcsavarokkal szerelik fel a sokkal nagyobb repülési sebességen történő hatékony működés érdekében. A nagyobb repülési sebességhez való alkalmazkodás érdekében a lapátok szita alakúak, a lapátcsúcsoknál hátracsapott elülső élekkel. Az ilyen légcsavarokkal ellátott hajtóműveket propfanoknak nevezik.
Turbóprop motor képe
Turbóventilátorok
A turbóventilátor hajtómű elején egy nagy ventilátor található, amely beszívja a levegőt. A levegő nagy része a hajtómű külső része körül áramlik, ami csendesebbé teszi a hajtóművet, és kis fordulatszámon nagyobb tolóerőt ad. A legtöbb mai utasszállító repülőgépet turbóventilátorok hajtják. Egy turbóventilátorban a szívócsőbe belépő összes levegő áthalad a gázgenerátoron, amely a kompresszorból, az égéstérből és a turbinából áll. A turbóventilátoros hajtóműben a belépő levegőnek csak egy része jut az égéstérbe. A fennmaradó rész egy ventilátoron vagy alacsony nyomású kompresszoron halad át, és közvetlenül “hideg” sugárként kerül kilövésre, vagy a gázgenerátor kipufogógázával keveredve “forró” sugárzást eredményez. Az ilyen megkerülő rendszer célja a tolóerő növelése az üzemanyag-fogyasztás növelése nélkül. Ezt a teljes légtömeg-áram növelésével és a sebesség csökkentésével éri el ugyanazon teljes energiaellátáson belül.
Turbofan motor képe
Turbótengelyek
Ez a gázturbinás hajtóművek egy másik formája, amely a turboprop rendszerhez hasonlóan működik. Nem hajt légcsavart. Ehelyett egy helikopterrotort lát el energiával. A turbótengelyes hajtóművet úgy tervezték, hogy a helikopter rotor fordulatszáma független a gázgenerátor fordulatszámától. Ez lehetővé teszi, hogy a rotor fordulatszáma állandó maradjon akkor is, ha a generátor fordulatszámát változtatják a termelt teljesítmény mennyiségének modulálása érdekében.
A turbótengelyes motor képe
Ramjetek
A ramjet a legegyszerűbb sugárhajtómű, és nincs benne mozgó alkatrész. A sugárhajtómű sebessége “rammolja” vagy kényszeríti a levegőt a hajtóműbe. Lényegében egy turbó sugárhajtómű, amelyből a forgó gépeket kihagyták. Alkalmazását korlátozza az a tény, hogy a sűrítési arány teljes mértékben az előremenő sebességtől függ. A ramjet nem fejleszt statikus tolóerőt, és a hangsebesség alatt általában nagyon kevés tolóerőt fejt ki. Ennek következtében a rakétasugaras járműnek szüksége van valamilyen felszállási segédeszközre, például egy másik repülőgépre. Elsősorban irányított rakétarendszerekben alkalmazták. Az űrjárművek ezt a típusú sugárhajtóművet használják.
A ramsugaras hajtómű képe