Jetmotoren

Soorten straalmotoren

Kunstwerk: Een overzicht van zes hoofdtypen straalmotoren. Elk type wordt in de onderstaande tekst nader toegelicht, gevolgd door een link naar een uitstekende NASA-website waar nog meer grafieken en animaties te vinden zijn.

Alle straalmotoren en gasturbines werken in grote lijnen op dezelfde manier (lucht door een inlaat halen, samenpersen, met brandstof verbranden, en de uitlaat door een turbine laten uitzetten), dus ze hebben allemaal vijf hoofdcomponenten gemeen: een inlaat, een compressor, een verbrandingskamer, en een turbine (in precies die volgorde opgesteld) met een aandrijfas die er doorheen loopt.

Maar daar houden de overeenkomsten op. Verschillende typen motoren hebben extra componenten (aangedreven door de turbine), de inlaten werken op verschillende manieren, er kan meer dan één verbrandingskamer zijn, er kunnen twee of meer compressoren en meerdere turbines zijn. En ook de toepassing (het werk dat de motor moet doen) is van groot belang.Luchtvaartmotoren worden ontworpen door middel van nauwgezette engineeredcompromissen: zij moeten een maximaal vermogen produceren uit een minimum aan brandstof (met een maximaal rendement, met andere woorden) en tegelijkertijd zo klein, licht en stil mogelijk zijn. Gasturbines die op de grond worden gebruikt (bijvoorbeeld in elektriciteitscentrales) hoeven niet noodzakelijkerwijs op dezelfde manier compromissen te sluiten; ze hoeven niet klein of licht te zijn, hoewel ze zeker nog steeds maximaal vermogen en rendement moeten hebben.

Turbojets

Photo: Vroege turbojetmotoren op een Boeing B-52A Stratofortress vliegtuig, afgebeeld in 1954.De B-52A had acht Pratt and Whitney J-57 turbojets, die elk ongeveer 10.000 pond stuwkracht konden produceren.Foto met dank aan US Air Force.

Whittle’s oorspronkelijke ontwerp werd een turbojet genoemd en het wordt vandaag de dag nog steeds veel gebruikt in vliegtuigen. Een turbojet is de eenvoudigste soort straalmotor op basis van een gasturbine: het is een eenvoudige “raket “straal die een vliegtuig vooruit brengt door een hete uitlaatgasstraal naar achteren te schieten. De uitlaatgassen die de motor verlaten zijn veel sneller dan de koude lucht die de motor binnenkomt, en dat is hoe een turbojet zijn stuwkracht maakt. In een turbojet hoeft de turbine alleen maar de compressor aan te drijven, dus neemt hij relatief weinig energie weg van de uitlaatgasstroom.

Turbojets zijn eenvoudige straalmotoren voor algemeen gebruik, die steeds een gelijkmatige hoeveelheid vermogen leveren, dus ze zijn geschikt voor kleine straalvliegtuigen met lage snelheid, die niets bijzonders hoeven te doen (zoals plotseling accelereren of het vervoeren van enorme hoeveelheden vracht). De motor die we hierboven hebben uitgelegd en geïllustreerd is een voorbeeld. Lees meer over turbojets van NASA (inclusief een geanimeerde motor waar je mee kunt spelen).

Turboshafts

Photo: De grijze buis die je onder de rotor van deze Seahawk-helikopter van het Amerikaanse leger ziet, is een van de dubbele turboshaftmotoren. Aan de andere kant bevindt zich nog zo’n zelfde motor. Foto door Trevor Kohlrus met dank aan US Navy.

Je zou misschien niet denken dat helikopters worden aangedreven door straalmotoren – ze hebben van die enorme rotors bovenop die al het werk doen – maar je zou het mis hebben: de rotors worden aangedreven door een of twee gas-turbine motoren, turboshafts genaamd. Een turboshaft is heel anders dan een turbojet, omdat het uitlaatgas relatief weinig stuwkracht produceert. In plaats daarvan vangt de turbine in een turbojet het grootste deel van het vermogen op en de aandrijfas die er doorheen loopt, laat een transmissie en een of meer tandwielkasten draaien die de rotors laten draaien. Behalve in helikopters vind je turbinemotoren ook in treinen, tanks en boten. Gasturbinemotoren in bijvoorbeeld elektriciteitscentrales zijn ook turboshafts.

Turboprops

Foto: Een turbopropmotor maakt gebruik van een straalmotor om een propeller aan te drijven. Foto door Eduardo Zaragoza met dank aan US Navy.

Een modern vliegtuig met een propeller gebruikt meestal een turbopropmotor. Hij lijkt op de turboshaft in een helikopter, maar in plaats van een rotor aan te drijven, laat de turbine in de turboprop een aan de voorkant gemonteerde propeller draaien die het vliegtuig voortduwt. Aangezien propellervliegtuigen langzamer vliegen, verspillen ze minder energie aan het bestrijden van luchtweerstand en dat maakt ze zeer efficiënt voor gebruik in vrachtvliegtuigen en andere kleine, lichte vliegtuigen.De propellers zelf veroorzaken echter veel luchtweerstand, en dat is een van de redenen waarom turbofans zijn ontwikkeld.Lees meer over turboprops van NASA.

Turbofans

Photo: Een turbofanmotor produceert meer stuwkracht met behulp van een binnenventilator en een buitenomloopleiding (de kleinere ring die je kunt zien tussen de binnenventilator en de buitenkast). Elk van deze motoren produceert 43.000 pond stuwkracht (bijna 4,5 keer meer dan de Stratofortress motoren hierboven)! Foto door Lance Cheung met dank aan US Air Force.

Grote passagiersvliegtuigen hebben enorme ventilatoren aan de voorkant, die werken als superefficiënte propellers. De ventilatoren werken op twee manieren. Ze verhogen licht de lucht die door het midden (kern) van de motor stroomt, waardoor meer stuwkracht wordt geproduceerd met dezelfde brandstof (waardoor ze efficiënter zijn). Zij blazen ook een deel van hun lucht rond de buitenkant van de hoofdmotor, “omzeilen” de kern volledig en produceren een backdraft van lucht als een propeller. Met andere woorden, een turbofan produceert stuwkracht deels als een turbojet en deels als een turboprop. Low-bypass turbofans sturen vrijwel alle lucht door de kern, terwijl turbofans met een hoge bypass meer lucht er omheen sturen. Een maat die de omloopverhouding wordt genoemd, geeft aan hoeveel lucht (in gewicht) door de motorkern of eromheen gaat; in een motor met een hoge omloopverhouding kan de verhouding 10:1 zijn, wat betekent dat er 10 keer meer lucht omheen gaat dan door de kern. Indrukwekkend vermogen en efficiency maken turbofans tot de voorkeursmotoren voor alles van passagiersvliegtuigen (die meestal een hoge omloopverhouding gebruiken) tot straaljagers (met lage omloopverhouding). Het bypass-ontwerp koelt een straalmotor ook af en maakt hem stiller. Lees meer over turbofans van NASA.

Ramjets en scramjets

Foto: Een Pegasus ramjet/scramjet motor ontwikkeld voor ruimtevliegtuigen in 1999. Foto met dank aan NASA Armstrong Flight Research Center.

Jetmotoren scheppen lucht op snelheid zodat, in theorie, als je de inlaat als een snel taps toelopend mondstuk ontwerpt, je het de binnenkomende lucht automatisch kunt laten comprimeren, zonder dat er een compressor of een turbine nodig is om het aan te drijven. Motoren die op deze manier werken heten ramjets, en omdat ze vereisen dat de lucht snel reist, zijn ze eigenlijk alleen geschikt voor supersonische en hypersonische (sneller-dan-geluid) vliegtuigen. Sneller dan geluid bewegende lucht die de motor binnenkomt wordt samengeperst en sterk vertraagd, tot subsonische snelheden, vermengd met brandstof, en ontstoken door een apparaat dat vlamhouder wordt genoemd, waardoor een raketachtige uitlaat ontstaat die lijkt op die van een klassieke turbojet. Ramjets worden meestal gebruikt in raket- en raketmotoren, maar omdat zij lucht “inademen”, kunnen zij niet in de ruimte worden gebruikt. Scramjets zijn gelijkaardig, behalve dat de supersonische lucht niet zo sterk vertraagt als ze door de motor versnelt. Door supersonisch te blijven, verlaat de lucht de motor met een veel hogere snelheid, waardoor het vliegtuig aanzienlijk sneller kan vliegen dan een vliegtuig dat wordt aangedreven door een ramjet (theoretisch tot Mach 15, of 15 keer de snelheid van het geluid in het “hoge hypersonische” gebied).Lees meer over ramjets en scramjets van NASA.

Chart: Moderne straalmotoren zijn ongeveer 100 keer krachtiger dan de motoren die zijn uitgevonden door Frank Whittle en zijn Duitse rivaal Hans von Ohain. Het rode blok toont de GE90, momenteel ’s werelds krachtigste motor. In de tijdbalk hieronder kunt u ontdekken hoe motoren zich ontwikkelden – en welk technisch brein erachter zat.

Een korte geschiedenis van straalmotoren

• ~1800: De Engelse uitvinder Sir George Cayley (1773-1857) maakt aan de hand van eenvoudige modellen het basisontwerp en de werking van het moderne, vleugelliftvliegtuig. Helaas is de enige praktische krachtbron die tijdens zijn leven beschikbaar is, de met steenkool aangedreven stoommachine, die te groot, te zwaar en te inefficiënt is om een vliegtuig aan te drijven.
• Jaren ’60-1870: De Franse ingenieurs JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), de Duitse ingenieur Nikolaus Otto (1832-1891) en Karl Benz ontwikkelen onafhankelijk van elkaar de moderne automotor, die rijdt op relatief lichte, schone, energierijke benzine – een veel praktischer brandstof dan steenkool.
• 1884: De Engelsman Sir Charles Parsons (1854-1931) verricht baanbrekend werk op het gebied van stoomturbines en compressoren, belangrijke onderdelen van de technologie voor toekomstige vliegtuigmotoren.
• 1903: De fietsende broers Wilbur Wright (1867-1912) en Orville Wright (1871-1948) maken de eerste gemotoriseerde vlucht met behulp van een agasmotor die twee propellers aandrijft die aan de vleugels van een eenvoudig vliegtuig zijn bevestigd.
• 1908: De Fransman René Lorin (1877-1933) vindt de ramjet uit – de eenvoudigst mogelijke straalmotor.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), geboren in Roemenië maar vooral werkzaam in Frankrijk, bouwt ’s werelds eerste straalvliegtuig, de Coandă-1910, aangedreven door een grote luchtventilator in plaats van een propeller.
• 1914: Amerikaanse ruimtepionier Robert Hutchings Goddard (1882-1945) krijgt zijn eerste twee octrooien waarin met vloeistof gestookte meertrapsraketten worden beschreven – ideeën die vele jaren later zullen helpen mensen de ruimte in te schieten.
• 1925: Pratt & Whitney (nu een van ’s werelds grootste fabrikanten van vliegtuigmotoren) bouwt zijn eerste motor, de negencilinder Wasp.
• 1928: De Duitse ingenieur Alexander Lippisch (1894-1976) zet raketmotoren op een experimenteel zweefvliegtuig om ’s werelds eerste raketvliegtuig te maken, de Lippisch Ente.
• 1926: De Britse ingenieur Alan Griffith (1893-1963) stelt voor om gasturbinemotoren te gebruiken om vliegtuigen aan te drijven in een klassiek werk getiteld AnAerodynamic Theory of Turbine Design. Met dit werk wordt Griffith in feite de theoretische vader van de straalmotor (tot zijn vele bijdragen behoort ook de ontdekking dat een straalmotorcompressor gebogen vleugelbladen moet gebruiken in plaats van bladen met een eenvoudig, plat profiel). Griffith wordt later een pionier op het gebied van turbojets, turbofans en VTOL-vliegtuigen (vertical takeoff and landing) als hoofdwetenschapper van Rolls-Royce, een van ’s werelds grootste fabrikanten van vliegtuigmotoren.
• 1928: De Engelse ingenieur Frank Whittle (1907-1996) is pas 21 jaar oud en ontwerpt een straalmotor, maar het Britse leger (en Alan Griffith, hun adviseur) weigeren zijn ideeën serieus te nemen. Whittle wordt gedwongen zijn eigen bedrijf op te richten en zijn ideeën zelf te ontwikkelen. In 1937 bouwt hij de eerste moderne straalmotor, maar alleen als prototype op de grond.
• 1936: Whittle vindt de bypass turbofanmotor uit en vraagt er patent op aan.
• 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), de Duitse rivaal van Whittle, ontwerpt tegelijkertijd straalmotoren met compressoren en turbines.Zijn HeS 3B motor, ontworpen in 1938, drijft de Heinkel He-178 aan tijdens zijn eerste vlucht als ’s werelds eerste turbojetvliegtuig op 27 augustus 1939.
• 1951: De Amerikaanse lucht- en ruimtevaartingenieur Charles Kaman (1919-2011) bouwt de eerste helikopter met een gasturbinemotor, de K-225.
• 2002: General Electric’s GE90-115B turbofan wordt ’s werelds krachtigste motor, met een maximale stuwkracht van 569kN (127.900 lbf).
• 2019: De General Electric GE9X, gebaseerd op de GE90, maakt gebruik van een hoge omloopverhouding van 10:1, minder ventilatorbladen en betere materialen om een 10 procent betere brandstofefficiëntie en 5 procent lager brandstofverbruik te leveren met minder lawaai en minder emissies. Hij produceert echter aanzienlijk minder stuwkracht (ongeveer 470kN of 105.000 lbf).