Motoren

Wat is luchtvaart? | Vliegdynamica. Vliegtuigen. Motoren. Vlieggeschiedenis. Wat is UEET?
Woordenschat | Fun and Games | Educational Links | Lesson lans | Site Index | Home

Engines How does a jet engine work? Wat is stuwkracht? Onderdelen van een straalmotor De eerste straalmotor – een korte geschiedenis van de eerste motoren Soorten straalmotoren Turbojets Turboprops Turbofans Turbos-assen Ramjets Engines

How does a jet engine work?

Jetmotoren brengen het vliegtuig met een grote kracht vooruit, die door een enorme stuwkracht wordt opgewekt en ervoor zorgt dat het vliegtuig zeer snel vliegt.

Alle straalmotoren, die ook wel gasturbines worden genoemd, werken volgens hetzelfde principe. De motor zuigt aan de voorkant lucht aan met een ventilator. Een compressor verhoogt de druk van de lucht. De compressor is gemaakt met vele bladen die aan een as zijn bevestigd. De bladen draaien met hoge snelheid rond en comprimeren of persen de lucht samen. De samengeperste lucht wordt vervolgens bespoten met brandstof en een elektrische vonk steekt het mengsel aan. De brandende gassen zetten uit en spuiten door het mondstuk, aan de achterkant van de motor. Terwijl de gasstralen naar achteren schieten, worden de motor en het vliegtuig vooruit gestuwd. Terwijl de hete lucht naar het mondstuk gaat, passeert het een andere groep bladen, de turbine. De turbine zit op dezelfde as als de compressor. Het draaien van de turbine zorgt ervoor dat de compressor gaat draaien.

De afbeelding hieronder laat zien hoe de lucht door de motor stroomt. De lucht gaat door de kern van de motor en ook om de kern heen. Hierdoor wordt een deel van de lucht zeer heet en een deel koeler. De koelere lucht mengt zich vervolgens met de hete lucht bij de uitgang van de motor.

Dit is een afbeelding van hoe de lucht door een motor stroomt

Wat is stuwkracht?

Stuwkracht is de voorwaartse kracht die de motor en dus het vliegtuig voortstuwt. Sir Isaac Newton ontdekte dat “voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactie bestaat.” Een motor maakt gebruik van dit principe. De motor zuigt een grote hoeveelheid lucht aan. De lucht wordt verwarmd, samengeperst en afgeremd. De lucht wordt door vele draaiende bladen geperst. Door deze lucht te mengen met straalvliegtuigbrandstof kan de temperatuur van de lucht oplopen tot drieduizend graden. De kracht van de lucht wordt gebruikt om de turbine te laten draaien. Tenslotte, wanneer de lucht de turbine verlaat, duwt hij achteruit de motor uit. Dit zorgt ervoor dat het vliegtuig vooruit gaat.

Onderdelen van een straalmotor

Ventilator – De ventilator is het eerste onderdeel van een turbofan. De grote draaiende ventilator zuigt grote hoeveelheden lucht aan. De meeste bladen van de ventilator zijn gemaakt van titanium. Dan versnelt hij deze lucht en splitst hem in twee delen. Het ene deel gaat verder door de “kern” of het centrum van de motor, waar het wordt beïnvloed door de andere motoronderdelen.

Het tweede deel “omzeilt” de kern van de motor. Het gaat door een kanaal dat de kern omringt naar de achterkant van de motor, waar het een groot deel van de kracht produceert die het vliegtuig voortstuwt. Deze koelere lucht helpt om de motor stiller te maken en geeft de motor meer stuwkracht.

Compressor – De compressor is het eerste onderdeel in de motorkern. De compressor bestaat uit ventilatoren met veel bladen en is bevestigd aan een as. De compressor perst de lucht die erin komt in steeds kleinere ruimtes, waardoor de luchtdruk toeneemt. Dit resulteert in een verhoging van het energiepotentieel van de lucht. De samengeperste lucht wordt in de verbrandingskamer geperst.

Verbrander – In de verbrandingskamer wordt de lucht met brandstof vermengd en vervolgens tot ontbranding gebracht. Er zijn wel 20 sproeiers om brandstof in de luchtstroom te spuiten. Het mengsel van lucht en brandstof vat vlam. Dit zorgt voor een hoge temperatuur, hoge energie luchtstroom. De brandstof verbrandt met de zuurstof in de samengeperste lucht, waardoor hete expanderende gassen ontstaan. De binnenkant van de verbrandingskamer is vaak gemaakt van keramische materialen om een hittebestendige kamer te verkrijgen. De hitte kan 2700° bereiken.

Turbine – De hoogenergetische luchtstroom die uit de verbrandingskamer komt, gaat de turbine in, waardoor de turbinebladen gaan draaien. De turbines zijn via een as met elkaar verbonden om de bladen in de compressor te laten draaien en om de inlaatventilator aan de voorkant te laten draaien. Deze rotatie onttrekt wat energie aan de hoogenergetische stroom die wordt gebruikt om de ventilator en de compressor aan te drijven. De gassen die in de verbrandingskamer worden geproduceerd, bewegen door de turbine en laten de bladen draaien. De turbines van de straalmotor draaien duizenden keren rond. Zij zijn bevestigd op assen waartussen zich verschillende sets kogellagers bevinden.

Mondstuk – Het mondstuk is het uitlaatkanaal van de motor. Dit is het motoronderdeel dat de stuwkracht voor het vliegtuig produceert. De energie-arme luchtstroom die de turbine passeerde, in aanvulling op de koudere lucht die de motorkern passeerde, produceert een kracht bij het verlaten van de straalpijp die werkt om de motor, en dus het vliegtuig, voort te stuwen. De combinatie van de warme lucht en de koude lucht worden uitgestoten en produceren een uitlaat, die een voorwaartse stuwkracht veroorzaakt. De straalpijp kan worden voorafgegaan door een mixer, die de lucht met hoge temperatuur die uit de motorkern komt, combineert met de lucht met lagere temperatuur die in de ventilator werd omzeild. De mixer helpt om de motor stiller te maken.

De eerste straalmotor – een korte geschiedenis van de eerste motoren

Ier Isaac Newton was in de 18e eeuw de eerste die theoretiseerde dat een naar achteren gerichte explosie een machine met grote snelheid vooruit kon stuwen. Deze theorie was gebaseerd op zijn derde wet van beweging. Als de hete lucht door het mondstuk naar achteren wordt geblazen, beweegt het vliegtuig zich voort.

Henri Giffard bouwde een luchtschip dat werd aangedreven door de eerste vliegtuigmotor, een stoommachine met drie paardenkrachten. Het was erg zwaar, te zwaar om te vliegen.

In 1874 bouwde Felix de Temple een eendekker die met behulp van een op kolen gestookte stoommachine slechts een klein stukje van een heuvel af vloog.

Otto Daimler vond eind 1800 de eerste benzinemotor uit.

In 1894 probeerde de Amerikaan Hiram Maxim zijn driedubbele tweedekker aan te drijven met twee kolengestookte stoommachines. Het vloog maar een paar seconden.

De vroege stoommachines werden aangedreven door verhitte kolen en waren over het algemeen veel te zwaar om te vliegen.

De Amerikaan Samuel Langley maakte een modelvliegtuigen die werden aangedreven door stoommachines. In 1896 was hij succesvol in het vliegen van een onbemand vliegtuig met een door stoom aangedreven motor, genaamd de Aerodrome. Het vloog ongeveer 1 mijl voordat het zonder stoom kwam te zitten. Daarna probeerde hij een vliegtuig op ware grootte te bouwen, de Aerodrome A, met een door gas aangedreven motor. In 1903 stortte het neer onmiddellijk nadat het van een woonboot was gelanceerd.

In 1903 vlogen de gebroeders Wright met The Flyer, met een 12 pk sterke gasmotor.

Van 1903, het jaar van de eerste vlucht van de gebroeders Wright, tot het eind van de jaren 1930 was de gasmotor met op- en neergaande zuigers en een propeller het enige middel dat werd gebruikt om vliegtuigen voort te stuwen.

Het was Frank Whittle, een Britse piloot, die in 1930 de eerste turbojetmotor ontwierp en patenteerde. De Whittle motor vloog voor het eerst succesvol in mei 1941. Deze motor had een meertrapscompressor en een verbrandingskamer, een eentraps turbine en een straalpijp.

In dezelfde tijd dat Whittle in Engeland aan het werk was, werkte Hans von Ohain in Duitsland aan een soortgelijk ontwerp. Het eerste vliegtuig dat met succes een gasturbinemotor gebruikte, was de Duitse Heinkel He 178, in augustus 1939. Het was ’s werelds eerste turbojet aangedreven vlucht.

General Electric bouwde de eerste Amerikaanse straalmotor voor het straalvliegtuig van de US Army Air Force . Het was het XP-59A experimentele vliegtuig dat voor het eerst vloog in oktober, 1942.

Soorten straalmotoren

Turbojets

Het basisidee van de turbojetmotor is eenvoudig. Lucht die door een opening aan de voorkant van de motor wordt aangezogen, wordt in een compressor samengeperst tot 3 tot 12 maal de oorspronkelijke druk. Brandstof wordt aan de lucht toegevoegd en verbrand in een verbrandingskamer om de temperatuur van het vloeistofmengsel op te voeren tot ongeveer 1.100°F tot 1.300°F. De resulterende hete lucht wordt door een turbine geleid, die de compressor aandrijft. Als de turbine en de compressor efficiënt zijn, zal de druk bij de turbineontlading bijna tweemaal de atmosferische druk bedragen, en deze overdruk wordt naar de straalpijp gestuurd om een gasstroom met hoge snelheid te produceren die een stuwkracht produceert. Aanzienlijke toenames in stuwkracht kunnen worden verkregen door gebruik te maken van een naverbrander. Dit is een tweede verbrandingskamer die na de turbine en voor het mondstuk wordt geplaatst. De naverbrander verhoogt de temperatuur van het gas vóór de straalpijp. Het resultaat van deze temperatuurverhoging is een toename van de stuwkracht met ongeveer 40 procent bij het opstijgen en een veel groter percentage bij hoge snelheden als het vliegtuig eenmaal in de lucht is.

De turbojetmotor is een reactiemotor. In een reactiemotor duwen expanderende gassen hard tegen de voorkant van de motor. De turbojet zuigt lucht aan en perst die samen. De gassen stromen door de turbine en laten deze draaien. Deze gassen kaatsen terug en schieten uit de achterkant van de uitlaat, waardoor het vliegtuig vooruit wordt gestuwd.

Turboprops

Een turbopropmotor is een straalmotor die aan een propeller is bevestigd. De turbine aan de achterzijde wordt door de hete gassen in beweging gebracht, en deze laat een as draaien die de propeller aandrijft. Sommige kleine lijnvliegtuigen en transportvliegtuigen worden aangedreven door turboprops.

Net als de turbojet bestaat de turbopropmotor uit een compressor, een verbrandingskamer en een turbine, waarbij de lucht- en gasdruk wordt gebruikt om de turbine te laten draaien, die vervolgens kracht opwekt om de compressor aan te drijven. Vergeleken met een turbinestraalmotor heeft de turboprop een betere voortstuwingsefficiëntie bij vliegsnelheden onder ongeveer 500 mijl per uur. Moderne turbopropmotoren zijn uitgerust met propellers die een kleinere diameter hebben maar een groter aantal bladen voor een efficiënte werking bij veel hogere vliegsnelheden. Om de hogere vliegsnelheden mogelijk te maken, zijn de bladen kromzwaardvormig met aan de bladuiteinden naar achteren afgebogen voorranden. Motoren met dergelijke propellers worden propfans genoemd.

Afbeelding van een turbopropmotor

Turbofans

Een turbofanmotor heeft een grote ventilator aan de voorkant, die lucht aanzuigt. De meeste lucht stroomt rond de buitenkant van de motor, waardoor hij stiller is en meer stuwkracht geeft bij lage snelheden. De meeste van de huidige vliegtuigen worden aangedreven door turbofans. In een turbojet gaat alle lucht die de inlaat binnenkomt door de gasgenerator, die bestaat uit de compressor, de verbrandingskamer en de turbine. In een turbofanmotor gaat slechts een deel van de binnenkomende lucht naar de verbrandingskamer. De rest gaat door een ventilator, of lagedrukcompressor, en wordt direct als “koude” straal uitgestoten of met de uitlaat van de gasgenerator gemengd om een “hete” straal te produceren. Het doel van dit soort bypass-systeem is de stuwkracht te vergroten zonder het brandstofverbruik te verhogen. Het bereikt dit door de totale luchtmassastroom te verhogen en de snelheid te verlagen binnen dezelfde totale energietoevoer.

Beeld van Turbofanmotor

Turbos-assen

Dit is een andere vorm van gasturbinemotor die veel lijkt op een turbopropsysteem. Het drijft geen propeller aan. In plaats daarvan levert hij kracht voor een helikopterrotor. De turboshaftmotor is zo ontworpen dat de snelheid van de helikopterrotor onafhankelijk is van de rotatiesnelheid van de gasgenerator. Hierdoor kan het toerental van de rotor constant worden gehouden, zelfs wanneer het toerental van de generator wordt gevarieerd om de hoeveelheid geproduceerd vermogen te moduleren.

Beeld van turboshaftmotor

Ramjets

De ramjet is de meest eenvoudige straalmotor en heeft geen bewegende delen. De snelheid van de straal “ramt” of dwingt lucht in de motor. Het is in wezen een turbojet waarin roterende machines zijn weggelaten. De toepassing ervan wordt beperkt door het feit dat de compressieverhouding volledig afhangt van de voorwaartse snelheid. De ramjet ontwikkelt geen statische stuwkracht en zeer weinig stuwkracht in het algemeen beneden de geluidssnelheid. Bijgevolg vereist een ramjet-voertuig een of andere vorm van hulp bij het opstijgen, zoals een ander vliegtuig. Hij werd vooral gebruikt in geleide raketsystemen. Ruimtevaartuigen gebruiken dit type straal.

Beeld van ramjetmotor