Sugárhajtóművek

A sugárhajtóművek típusai

Művek: A sugárhajtóművek hat fő típusának összefoglalása. Az alábbi szövegben mindegyik típusról bővebb magyarázatot találsz, majd egy linket egy kiváló NASA weboldalra, ahol még több grafikát és animációt találsz.

Minden sugárhajtómű és gázturbina nagyjából ugyanúgy működik (a levegőt beszívja egy bemeneti nyíláson keresztül, összenyomja, tüzelőanyaggal elégeti, és a kipufogógázt egy turbinán keresztül engedi kitágulni), így mindegyiken öt közös fő alkotóelem van: egy bemeneti nyílás, egy kompresszor, egy égéstér és egy turbina (pontosan ebben a sorrendben elrendezve), amelyeken egy hajtótengely fut keresztül.

De itt véget érnek a hasonlóságok. A különböző motortípusok további (a turbina által hajtott) alkatrészekkel rendelkeznek, a bemeneti nyílások különböző módon működnek, lehet egynél több égéstér, lehet két vagy több kompresszor és több turbina. És az alkalmazás (a motor feladata) is nagyon fontos.A repülőgép-hajtóműveket aprólékosan kidolgozott kompromisszumokkal tervezik: minimális üzemanyagból maximális teljesítményt kell előállítaniuk (más szóval maximális hatásfokkal), miközben a lehető legkisebbek, legkönnyebbek és legcsendesebbek kell lenniük. A földön (például erőművekben) használt gázturbináknak nem feltétlenül kell ugyanilyen kompromisszumokat kötniük; nem kell sem kicsinek, sem könnyűnek lenniük, bár természetesen továbbra is maximális teljesítményre és hatékonyságra van szükségük.

Turbojetek

Fotó: Korai turbojet hajtóművek egy Boeing B-52A Stratofortress repülőgépen, a képen 1954-ben.A B-52A nyolc Pratt and Whitney J-57 turbojettel rendelkezett, amelyek mindegyike körülbelül 10,000 font tolóerőt tudott produkálni.A kép az amerikai légierő jóvoltából.

Whittle eredeti tervét turbojetnek hívták, és ma is széles körben használják a repülőgépekben. A turbojet a gázturbinán alapuló sugárhajtóművek legegyszerűbb fajtája: ez egy alapvető “rakétasugár”, amely egy forró kipufogógázsugár visszafelé történő kilövésével mozgatja előre a repülőgépet. A hajtóműből kilépő kipufogógáz sokkal gyorsabb, mint a hajtóműbe belépő hideg levegő – és így éri el a turbó sugárhajtómű a tolóerőt. A turbojetnél a turbinának csak a kompresszort kell működtetnie, így viszonylag kevés energiát vesz el a kipufogógáztól.

A turbojetek alapvető, általános célú sugárhajtóművek, amelyek állandóan egyenletes mennyiségű teljesítményt termelnek, így alkalmasak kis, alacsony sebességű sugárhajtású repülőgépekhez, amelyeknek nem kell semmi különösképpen figyelemre méltó feladatot ellátniuk (például hirtelen gyorsulni vagy hatalmas mennyiségű rakományt szállítani). A fentebb ismertetett és bemutatott hajtómű egy példa erre.További információ a NASA-tól a turbóhajtóművekről (tartalmaz egy animált hajtóművet, amellyel játszhatsz).

Turbótengelyek

Kép: Az amerikai katonai Seahawk helikopter rotorja alatt látható szürke cső az egyik iker turbótengelyes hajtómű. A másik oldalon van még egy pontosan ugyanilyen. Trevor Kohlrus fotója a US Navy jóvoltából.

Nem gondolná, hogy a helikoptereket sugárhajtóművek hajtják – a helikopterek tetején lévő hatalmas rotorok végzik a munkát -, de téved: a rotorokat egy vagy két gázturbinás motor, úgynevezett turbótengely hajtja. A turbótengely nagyon különbözik a sugárhajtóművektől, mivel a kipufogógáz viszonylag kevés tolóerőt termel. Ehelyett a turbó sugárhajtómű turbinája nyeri el az erő nagy részét, és a rajta keresztül futó hajtóműtengely egy sebességváltót és egy vagy több sebességváltót forgat, amelyek megforgatják a rotorokat. A helikoptereken kívül a vonatokban, tankokban és hajókban is találunk turbótengelyes hajtóműveket. Az olyan dolgokba szerelt gázturbinás motorok, mint az erőművek, szintén turbótengelyesek.

Turboprops

Fotó: A turboprop hajtómű egy sugárhajtóművet használ egy légcsavar meghajtására. Eduardo Zaragoza fotója az amerikai haditengerészet jóvoltából.

A modern légcsavaros repülőgépek jellemzően turboprop-hajtóművet használnak.Ez hasonló a helikopterek turbótengelyéhez, de ahelyett, hogy egy fej feletti rotor hajtaná meg, a benne lévő turbina egy, az orrára szerelt hajtóművet hajt meg, amely előrefelé tolja a gépet. A turbótengelytől eltérően a légcsavaros hajtómüvek némi tolóerőt termelnek a kipufogógázból, de a tolóerő nagy részét a légcsavar adja.Mivel a légcsavaros repülőgépek lassabban repülnek, kevesebb energiát pazarolnak a légellenállás (légellenállás) leküzdésére, és ez nagyon hatékonnyá teszi őket a teherszállító repülőgépek és más kis, könnyű repülőgépek számára.A légcsavarok azonban maguk is sok légellenállást okoznak, ez az egyik oka annak, hogy a turbóventilátorokat kifejlesztették.Bővebben a NASA-tól a turbóventilátorokról.

Turbóventilátorok

Fotó: NASA: Egy turbóventilátor hajtómű egy belső ventilátor és egy külső bypass (a belső ventilátor és a külső burkolat között látható kisebb gyűrű) segítségével termel nagyobb tolóerőt. Mindegyik hajtómű 43 000 font tolóerőt termel (majdnem 4,5-szer többet, mint a fenti Stratofortress hajtóművek)! Lance Cheung fotója az amerikai légierő jóvoltából.

A hatalmas utasszállító repülőgépek orrára hatalmas ventilátorokat szereltek, amelyek úgy működnek, mint a szuperhatékony légcsavarok. A ventilátorok kétféleképpen működnek. Kicsit megnövelik a hajtómű közepén (magján) átáramló levegőt, így nagyobb tolóerőt produkálnak ugyanazzal az üzemanyaggal (ami hatékonyabbá teszi őket). A levegő egy részét a főhajtómű külseje körül is elfújják, teljesen “megkerülve” a magot, és légcsavarhoz hasonló légáramlást keltenek. Más szóval, a turbóventilátorok részben úgy termelnek tolóerőt, mint a sugárhajtóművek, részben pedig úgy, mint a légcsavarhajtóművek.Az alacsony légterű turbóventilátorok gyakorlatilag az összes levegőt a magon keresztül küldik, míg a magas légterűek több levegőt küldenek a mag körül. A bypass-aránynak nevezett mérőszám megmondja, hogy (tömeg szerint) mennyi levegő áramlik át a hajtóműmagon vagy körülötte; egy magas bypass-arányú hajtóműnél ez az arány 10:1 lehet, ami azt jelenti, hogy 10-szer több levegő áramlik körülötte, mint a magon keresztül.A lenyűgöző teljesítmény és hatékonyság miatt a turbóventilátorok az utasszállító repülőgépektől (jellemzően magas bypass) a sugárhajtású vadászgépekig (alacsony bypass) a legmegfelelőbb hajtóművek. A bypass kialakítás hűti a sugárhajtóművet és csendesebbé teszi azt. További információ a turbóventilátorokról a NASA-tól.

Ramjetek és scramjetek

Fotó: A kép a NASA Armstrong Flight Research Center jóvoltából készült.

A sugárhajtóművek sebességgel szívják be a levegőt, így elméletileg, ha a belépőnyílást gyorsan kúposodó fúvókának terveznénk, a beáramló levegőt automatikusan, kompresszor vagy turbina nélkül is össze lehetne sűríteni. Az így működő hajtóműveket ramjeteknek nevezik, és mivel a levegőnek gyorsan kell haladnia, csak szuperszonikus és hiperszonikus (hangsebességnél gyorsabb) repülőgépekhez alkalmasak. A hangsebességnél gyorsabban mozgó levegőt, amikor belép a hajtóműbe, összenyomják és drámaian lelassítják, szubszonikus sebességre, üzemanyaggal keverik, majd egy lángtartónak nevezett eszközzel meggyújtják, és a klasszikus turbóhajtóművekhez hasonló, rakétaszerű kipufogógázt állítanak elő. A ramsugarakat általában rakéta- és rakétahajtóművekben használják, de mivel ezek levegőt “lélegeznek”, az űrben nem használhatók. A ramsugarak hasonlóak, azzal a különbséggel, hogy a szuperszonikus levegő nem lassul le annyira, mint amennyire felgyorsul a hajtóművön keresztül. Azáltal, hogy a levegő szuperszonikus marad, sokkal nagyobb sebességgel lép ki, ami lehetővé teszi, hogy a repülőgép lényegesen gyorsabban repüljön, mint a ramjet hajtóművek (elméletileg akár Mach 15-ig, vagyis a hangsebesség 15-szöröséig, a “magas hiperszonikus” tartományban).További információ a ramjet és a scramjet hajtóművekről a NASA-nál.

Grafikon: A modern sugárhajtóművek körülbelül 100-szor erősebbek, mint a Frank Whittle és német riválisa, Hans von Ohain által feltaláltak. A piros blokk a GE90-et mutatja, amely jelenleg a világ legerősebb hajtóműve. Az alábbi idővonalon felfedezheted, hogyan fejlődtek a motorok – és a mögöttük álló mérnöki agyak.

A sugárhajtóművek rövid története

• ~1800-as évek: Sir George Cayley(1773-1857) angol feltaláló egyszerű modellek segítségével kidolgozza a modern,szárnyvéggel emelt repülőgép alapvető kialakítását és működését. Sajnos, az ő életében az egyetlen elérhető gyakorlati erőforrás a széntüzelésű gőzgép, amely túl nagy, nehéz és nem hatékony egy repülőgép meghajtásához.
• 1860-as-1870-es évek: Étienne Lenoir (1822-1900) francia mérnök, Nikolaus Otto (1832-1891) német mérnök és Karl Benz egymástól függetlenül fejlesztik ki a modern autómotort, amely viszonylag könnyű, tiszta, energiában gazdag benzinnel működik, ami sokkal praktikusabb üzemanyag, mint a szén.
• 1884: Az angol Sir Charles Parsons (1854-1931) úttörője a gőzturbináknak és kompresszoroknak, a jövőbeli repülőgépmotorok technológiájának kulcsfontosságú darabjainak.
• 1903: Wilbur Wright (1867-1912) és Orville Wright (1871-1948) kerékpáros testvérek első motoros repülését egy egyszerű repülőgép szárnyára erősített két légcsavar meghajtására szolgáló agasmotorral végzik.
• 1908: A francia René Lorin (1877-1933) feltalálja a ramjetet – a lehető legegyszerűbb sugárhajtóművet.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), aki Romániában született, de főleg Franciaországban dolgozott, megépíti a világ első sugárhajtású repülőgépét, a Coandă-1910-et, amelyet légcsavar helyett egy nagy légventilátor hajt.
• 1914: Robert Hutchings Goddard (1882-1945), az amerikai űrkutatás úttörője megkapja első két szabadalmát, amelyekben folyékony üzemanyaggal működő, többlépcsős rakétákat ír le – olyan ötleteket, amelyek sok évvel később segítenek embereket kilőni az űrbe.
• 1925: Pratt & Whitney (ma a világ egyik legnagyobb repülőgép-motorgyártója) megépíti első motorját, a kilenc hengeres Wasp-t.
• 1928: Alexander Lippisch (1894-1976) német mérnök rakétamotorokat szerel egy kísérleti vitorlázórepülőgépre, hogy elkészítse a világ első rakétarepülőgépét, a Lippisch Ente-t.
• 1926: Alan Griffith (1893-1963) brit mérnök az AnAerodynamic Theory of Turbine Design című klasszikus tanulmányában javasolja gázturbinás motorok használatát repülőgépek meghajtására. Ezzel a munkával Griffith tulajdonképpen a sugárhajtóművek elméleti atyjává vált (számos hozzájárulása közé tartozik annak kitalálása, hogy a sugárhajtóművek kompresszorában ívelt szárnylapátokat kell használni az egyszerű, lapos profilúak helyett). Griffith később a Rolls-Royce, a világ egyik vezető repülőgép-hajtóműgyártója, a Rolls-Royce tudományos főmunkatársaként a sugárhajtóművek, a turbóventilátorok és a függőlegesen felszálló és leszálló (VTOL) repülőgépek úttörője lesz.
• 1928: Frank Whittle (1907-1996) angol mérnök mindössze 21 évesen sugárhajtóművet tervez, de a brit hadsereg (és Alan Griffith, a tanácsadójuk) nem hajlandó komolyan venni az ötleteit. Whittle kénytelen saját céget alapítani, és egyedül fejleszteni az ötleteit. 1937-re megépíti az első modern sugárhajtóművet, de csak földi prototípusként.
• 1936:
• 1933-1939: Whittle feltalálja és szabadalmaztatja a megkerülő turbóventilátoros hajtóművet: Hans von Ohain (1911-1998), Whittle német riválisa, egyszerre tervez kompresszoros és turbinás sugárhajtóműveket. 1938-ban tervezett HeS 3B motorja hajtja a Heinkel He-178-at, amely 1939. augusztus 27-én a világ első sugárhajtású repülőgépeként szűzrepülést hajt végre.
• 1951. augusztus 27-én: Charles Kaman (1919-2011) amerikai repülőmérnök megépíti az első gázturbinás motorral felszerelt helikoptert, a K-225-öst.
• 2002: A General Electric GE90-115B turbóventilátor a világ legerősebb hajtóműve lesz, 569kN (127,900 lbf) maximális tolóerővel.
• 2019: A GE90-en alapuló General Electric GE9X nagy, 10:1 mellérendelési arányt, kevesebb ventilátorlapátot és jobb anyagokat használ, hogy 10 százalékkal jobb üzemanyag-hatékonyságot és 5 százalékkal alacsonyabb üzemanyag-fogyasztást biztosítson, kevesebb zajjal és károsanyag-kibocsátással. Ugyanakkor lényegesen kisebb tolóerőt produkál (körülbelül 470kN vagy 105 000 lbf).