Silniki odrzutowe

Typy silników odrzutowych

Opracowanie: Zestawienie sześciu głównych typów silników odrzutowych. Każdy z nich jest dokładniej objaśniony w poniższym tekście, po którym następuje link do doskonałej strony NASA, gdzie można znaleźć jeszcze więcej grafik i animacji.

Wszystkie silniki odrzutowe i turbiny gazowe działają zasadniczo w ten sam sposób (wciągając powietrze przez wlot, sprężając je, spalając je z paliwem i pozwalając spalinom rozprężyć się przez turbinę), więc wszystkie dzielą pięć kluczowych komponentów: wlot, kompresor, komorę spalania i turbinę (ułożone dokładnie w tej kolejności) z wałem napędowym biegnącym przez nie.

Ale na tym podobieństwa się kończą. Różne typy silników mają dodatkowe komponenty (napędzane przez turbinę), wloty działają w różny sposób, może być więcej niż jedna komora spalania, mogą być dwie lub więcej sprężarek i wiele turbin. Silniki lotnicze i kosmiczne są projektowane w oparciu o drobiazgowe kompromisy: muszą wytwarzać maksymalną moc z minimalnej ilości paliwa (innymi słowy, z maksymalną sprawnością), a jednocześnie być tak małe, lekkie i ciche, jak to tylko możliwe. Turbiny gazowe używane na ziemi (na przykład w elektrowniach) niekoniecznie muszą iść na taki sam kompromis; nie muszą być ani małe, ani lekkie, choć z pewnością nadal potrzebują maksymalnej mocy i sprawności.

Turbojety

Zdjęcie: Wczesne silniki turboodrzutowe w samolocie Boeing B-52A Stratofortress, zdjęcie z 1954 r. B-52A miał osiem silników turboodrzutowych Pratt and Whitney J-57, z których każdy mógł wytworzyć około 10 000 funtów ciągu.Zdjęcie dzięki uprzejmości US Air Force.

Oryginalny projekt Whittle’a został nazwany turboodrzutem i do dziś jest szeroko stosowany w samolotach. Turboodrzutowiec to najprostszy rodzaj silnika odrzutowego opartego na turbinie gazowej: jest to podstawowy „odrzutowiec rakietowy”, który porusza samolot do przodu, wystrzeliwując gorący strumień spalin do tyłu. Spaliny opuszczające silnik są znacznie szybsze niż zimne powietrze dostające się do niego – w ten sposób turboodrzutowiec wytwarza siłę ciągu. W turboodrzutowcu turbina musi jedynie zasilać sprężarkę, więc pobiera stosunkowo niewiele energii ze strumienia wylotowego.

Turboodrzutowce są podstawowymi silnikami odrzutowymi ogólnego przeznaczenia, które wytwarzają stałą ilość mocy przez cały czas, więc są odpowiednie dla małych samolotów odrzutowych o niskich prędkościach, które nie muszą robić nic szczególnie niezwykłego (jak nagłe przyspieszenie lub przewożenie ogromnych ilości ładunku). Read more about turbojets from NASA (includes an animated engine you can play about with).

Turboshafts

Photo: Szara rura, którą można zobaczyć pod wirnikiem tego amerykańskiego wojskowego helikoptera Seahawk, to jeden z jego podwójnych silników turbowentylatorowych. Drugi dokładnie taki sam znajduje się po drugiej stronie. Photo by Trevor Kohlrus courtesy of US Navy.

Możesz nie myśleć, że helikoptery są napędzane silnikami odrzutowymi – mają te ogromne wirniki na górze, które wykonują całą pracę – ale myliłbyś się: wirniki są napędzane przez jeden lub dwa silniki turbin gazowych zwane turboshaftami. Turbosiłownik różni się znacznie od turboodrzutowca, ponieważ spaliny wytwarzają stosunkowo niewielki ciąg. Zamiast tego, turbina w turboodrzutowcu przechwytuje większość mocy, a wał napędowy biegnący przez nią obraca przekładnię i jedną lub więcej skrzyń biegów, które obracają wirnikami. Oprócz helikopterów, silniki turboodrzutowe można znaleźć również w pociągach, czołgach i łodziach. Turbiny gazowe montowane w takich obiektach jak elektrownie to również wały turbośmigłowe.

Turbopropy

Foto: Silnik turbośmigłowy wykorzystuje silnik odrzutowy do napędzania śmigła. Photo by Eduardo Zaragoza courtesy of US Navy.

Nowoczesny samolot ze śmigłem zazwyczaj używa silnika turbośmigłowego. Jest on podobny do turbośmigła w śmigłowcu, ale zamiast napędzać wirnik górny, turbina wewnątrz niego obraca śmigło zamontowane z przodu, które popycha samolot do przodu. W przeciwieństwie do wału turbośmigłowego, turbośmigło wytwarza pewien ciąg do przodu z jego spalin, ale większość ciągu pochodzi od śmigła.Ponieważ samoloty napędzane śmigłem latają wolniej, tracą mniej energii na walkę z oporem powietrza, co czyni je bardzo wydajnymi do użytku w samolotach transportowych i innych małych, lekkich samolotach.Jednak same śmigła wytwarzają duży opór powietrza, co jest jednym z powodów, dla których opracowano turbopropy. Przeczytaj więcej o turbośmigłach w NASA.

Turbowentylatory

Zdjęcie: Silnik turbowentylatorowy wytwarza większy ciąg za pomocą wewnętrznego wentylatora i zewnętrznego bypassu (mniejszy pierścień, który widać między wewnętrznym wentylatorem a zewnętrzną obudową). Każdy z tych silników wytwarza 43.000 funtów ciągu (prawie 4,5 raza więcej niż silniki Stratofortress powyżej)! Zdjęcie Lance Cheung dzięki uprzejmości US Air Force.

Gigantyczne odrzutowce pasażerskie mają ogromne wentylatory zamontowane z przodu, które działają jak superwydajne śmigła. Wentylatory działają na dwa sposoby. Lekko zwiększają ilość powietrza, które przepływa przez środek (rdzeń) silnika, wytwarzając większą siłę ciągu przy tym samym zużyciu paliwa (co czyni je bardziej wydajnymi). Wydmuchują one również część powietrza na zewnątrz silnika głównego, „omijając” całkowicie rdzeń i wytwarzając ciąg wsteczny powietrza jak śmigło. Innymi słowy, turbowentylator wytwarza ciąg częściowo jak turboodrzutowiec, a częściowo jak turbośmigłowiec. Turbowentylatory z niskim obejściem wysyłają praktycznie całe powietrze przez rdzeń, podczas gdy te z wysokim obejściem wysyłają więcej powietrza wokół niego. Pomiar zwany współczynnikiem obejścia mówi, ile powietrza (wagowo) przechodzi przez rdzeń silnika lub wokół niego; w silniku wysokoprzepustowym stosunek ten może wynosić 10:1, co oznacza, że 10 razy więcej powietrza przechodzi wokół niż przez rdzeń.Imponująca moc i wydajność sprawiają, że turbowentylatory są silnikami wybieranymi we wszystkich rodzajach silników, od odrzutowców pasażerskich (zazwyczaj wykorzystujących wysokoprzepustowość) do myśliwców odrzutowych (niskoprzepustowość). Konstrukcja z bypassem również chłodzi silnik odrzutowy i sprawia, że jest on bardziej cichy. Przeczytaj więcej o turbowentylatorach z NASA.

Ramjety i scramjety

Zdjęcie: Silnik Pegasus ramjet/scramjet opracowany dla samolotów kosmicznych w 1999 r. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Armstrong Flight Research Center.

Silniki odrzutowe nabierają powietrze z prędkością, więc teoretycznie, jeśli zaprojektowałeś wlot jako szybko zwężającą się dyszę, możesz sprawić, że skompresuje on przychodzące powietrze automatycznie, bez sprężarki lub turbiny do zasilania. Silniki, które działają w ten sposób nazywane są ramjetami, a ponieważ wymagają, aby powietrze poruszało się szybko, są odpowiednie tylko dla samolotów naddźwiękowych i hipersonicznych (szybszych niż dźwięk). Powietrze poruszające się szybciej niż dźwięk w momencie wejścia do silnika jest sprężane i gwałtownie spowalniane do prędkości poddźwiękowych, mieszane z paliwem i zapalane przez urządzenie zwane płomienicą, wytwarzając rakietopodobny wydech, podobny do tego, jaki wytwarza klasyczny turboodrzutowiec. Ramjety są zwykle używane w silnikach rakietowych i pociskach, ale ponieważ „oddychają” powietrzem, nie mogą być używane w przestrzeni kosmicznej. Scramjety są podobne, z tą różnicą, że naddźwiękowe powietrze nie zwalnia tak bardzo, jak przyspiesza w silniku. Pozostając naddźwiękowym, powietrze wychodzi z dużo większą prędkością, pozwalając samolotowi lecieć znacznie szybciej niż napędzany przez ramjet (teoretycznie do Mach 15, czyli 15 razy szybciej niż dźwięk w regionie „wysoko hipersonicznym”).Przeczytaj więcej o ramjetach i scramjetach z NASA.

Wykres: Nowoczesne silniki odrzutowe są około 100 razy mocniejsze niż te wynalezione przez Franka Whittle’a i jego niemieckiego rywala Hansa von Ohaina. Czerwony blok pokazuje GE90, obecnie najpotężniejszy silnik na świecie. Na poniższej osi czasu można odkryć, jak rozwijały się silniki i jacy inżynierowie za nimi stali.

Krótka historia silników odrzutowych

• ~1800 rok: Korzystając z prostych modeli, angielski wynalazca Sir George Cayley(1773-1857) opracowuje podstawową konstrukcję i działanie nowoczesnego samolotu unoszonego przez skrzydła. Niestety, jedynym praktycznym źródłem mocy dostępnym za jego życia jest silnik parowy napędzany węglem, który jest zbyt duży, ciężki i niewydajny, aby zasilić samolot.
• 1860s-1870s: Pracując niezależnie, francuscy inżynierowie JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), niemiecki inżynier Nikolaus Otto (1832-1891) i Karl Benz opracowują nowoczesny silnik samochodowy, który pracuje na stosunkowo lekkiej, czystej, bogatej w energię benzynie – paliwie znacznie bardziej praktycznym niż węgiel.
• 1884: Anglik Sir Charles Parsons (1854-1931) jest pionierem turbin parowych i sprężarek, kluczowych elementów technologii przyszłych silników lotniczych.
• 1903: Bracia rowerzyści Wilbur Wright (1867-1912) i Orville Wright (1871-1948) wykonują pierwszy lot z napędem, wykorzystując silnik agazowy do napędzania dwóch śmigieł przymocowanych do skrzydeł prostego dwupłatowca.
• 1908: Francuz René Lorin (1877-1933) wynajduje ramjet – najprostszy możliwy silnik odrzutowy.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), urodzony w Rumunii, ale pracujący głównie we Francji, buduje pierwszy na świecie samolot odrzutowy, Coandă-1910, napędzany dużym wentylatorem powietrza zamiast śmigła.
• 1914: Amerykański pionier kosmosu Robert Hutchings Goddard (1882-1945) otrzymuje swoje pierwsze dwa patenty opisujące napędzane cieczą, wielostopniowe rakiety – pomysły, które wiele lat później pomogą wystrzelić ludzi w kosmos.
• 1925: Firma Pratt & Whitney (obecnie jeden z największych na świecie producentów silników lotniczych) buduje swój pierwszy silnik, dziewięciocylindrową Osę.
• 1928: Niemiecki inżynier Alexander Lippisch (1894-1976) umieszcza silniki rakietowe na eksperymentalnym szybowcu, aby stworzyć pierwszy na świecie samolot rakietowy, Lippisch Ente.
• 1926: Brytyjski inżynier Alan Griffith (1893-1963) proponuje wykorzystanie turbin gazowych do napędu samolotów w klasycznej pracy zatytułowanej AnAerodynamic Theory of Turbine Design. Praca ta czyni Griffitha teoretycznym ojcem silnika odrzutowego (jego liczne zasługi obejmują odkrycie, że w sprężarce silnika odrzutowego należy stosować zakrzywione łopatki, a nie łopatki o prostym, płaskim profilu). Griffith zostaje później pionierem turboodrzutowców, turbowentylatorów i samolotów pionowego startu i lądowania (VTOL) jako główny naukowiec Rolls-Royce’a, jednego z wiodących światowych producentów silników lotniczych.
• 1928: W wieku zaledwie 21 lat angielski inżynier Frank Whittle (1907-1996)projektuje silnik odrzutowy, ale brytyjskie wojsko (i Alan Griffith, ich konsultant) odmawiają poważnego potraktowania jego pomysłów. Whittle zostaje zmuszony do założenia własnej firmy i samodzielnego rozwijania swoich pomysłów. Do 1937 r. buduje pierwszy nowoczesny silnik odrzutowy, ale tylko jako prototyp naziemny.
• 1936: Whittle wynajduje i zgłasza patent na silnik turbowentylatorowy typu bypass.
• 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), niemiecki rywal Whittle’a, jednocześnie projektuje silniki odrzutowe ze sprężarkami i turbinami.Jego silnik HeS 3B, zaprojektowany w 1938 r., napędza Heinkla He-178 w jego dziewiczym locie jako pierwszy na świecie samolot turboodrzutowy 27 sierpnia 1939 r.
• 1951: Amerykański inżynier lotniczy Charles Kaman (1919-2011) buduje pierwszy helikopter z silnikiem gazowo-turbinowym, K-225.
• 2002: Turbowentylator GE90-115B firmy General Electric staje się najpotężniejszym silnikiem na świecie, z maksymalną siłą ciągu 569 kN (127 900 lbf).
• 2019: GE9X firmy General Electric, oparty na GE90, wykorzystuje wysoki współczynnik obejścia 10:1, mniej łopatek wentylatora i lepsze materiały, aby zapewnić o 10 procent lepszą wydajność paliwa i o 5 procent niższe zużycie paliwa przy mniejszym hałasie i mniejszej emisji. Wytwarza on jednak znacznie mniejszy ciąg (około 470 kN lub 105 000 lbf).

.