Motoare cu reacție

Tipuri de motoare cu reacție

Opera de artă: Un rezumat al celor șase tipuri principale de motoare cu reacție. Fiecare dintre ele este explicat mai detaliat în textul de mai jos, urmat de un link către un site excelent al NASA, unde veți găsi și mai multe grafice și animații.

Toate motoarele cu reacție și turbinele cu gaz funcționează în linii mari în același mod (trag aerul printr-o admisie, îl comprimă, îl arde cu combustibil și lasă gazele de eșapament să se extindă printr-o turbină), așa că toate au în comuncinci componente cheie: o admisie, un compresor, o cameră de combustie și o turbină (dispuse exact în această ordine) cu un arbore de transmisie care trece prin ele.

Dar aici se termină asemănările. Diferite tipuri de motoare aucomponente suplimentare (acționate de turbină), admisiile funcționează în moduri indiferente, poate exista mai mult de o cameră de ardere, pot exista două sau mai multe compresoare și mai multe turbine. Șiaplicația (treaba pe care trebuie să o facă motorul) este, de asemenea, foarte importantă.Motoarele aerospațiale sunt proiectate printr-un compromis meticulos de inginerie: ele trebuie să producă putere maximă din minimul de combustibil (cu eficiență maximă, cu alte cuvinte), fiind în același timp cât mai mici, ușoare și silențioase posibil. Turbinele cu gaz utilizate la sol (de exemplu, în centralele electrice) nu trebuie neapărat să facă compromisuri în același mod; ele nu trebuie să fie nici mici, nici ușoare, deși cu siguranță au nevoie în continuare de putere și eficiență maximă.

Turbojeturi

Foto: Primele motoare turboreactoare de pe un avion Boeing B-52A Stratofortress, fotografiat în 1954.B-52A avea opt turboreactoare Pratt și Whitney J-57, fiecare dintre acestea putând produce aproximativ 10.000 de lire de împingere.Imagine oferită de US Air Force.

Proiectul original al lui Whittle a fost numit turboreactor și este încă utilizat pe scară largă în avioanele de astăzi. Un turboreactor este cel mai simplu tip de motor cu reacție bazat pe o turbină cu gaz: este un motor cu reacție de bază de tip „rachetă” care deplasează un avion înainte prin lansarea unui jet fierbinte de gaze de eșapament în spate. Gazele de eșapament care părăsesc motorul sunt mult mai rapide decât aerul rece care intră în el – și astfel un turboreactor își produce forța de tracțiune. Într-un turboreactor, tot ce trebuie să facă turbina este să alimenteze compresorul, așa că ia relativ puțină energie de la jetul de evacuare.

Turbojeturile sunt motoare cu reacție de bază, de uz general, care produc cantități constante de putere tot timpul, așa că sunt potrivite pentru avioanele cu reacție mici, cu viteză mică, care nu trebuie să facă nimic deosebit de remarcabil (cum ar fi accelerarea bruscă sau transportarea unor cantități enorme de marfă). Motorul pe care l-am explicat și ilustrat mai sus este un exemplu.Citiți mai multe despre turboreactoare de la NASA (include un motor animat cu care vă puteți juca).

Turboshafts

Foto: Tubul gri pe care îl puteți vedea sub rotorul acestui elicopter Seahawk al armatei americane este unul dintre motoarele sale cu două turbosuflante. Există un altul exact la fel pe partea cealaltă. Fotografie realizată de Trevor Kohlrus, prin amabilitatea US Navy.

Ați putea crede că elicopterele nu sunt acționate de motoare cu reacție – ele au acele rotoare uriașe în partea de sus care fac toată treaba – dar v-ați înșela: rotoarele sunt acționate de unul sau două motoare cu turbină cu gaz numite turboshafts. Un turboreactor este foarte diferit de un turboreactor, deoarece gazele de eșapament produc o împingere relativ mică. În schimb, turbina unui turboreactor captează cea mai mare parte a puterii, iar arborele de transmisie care trece prin ea face să se rotească o transmisie și una sau mai multe cutii de viteze care învârt rotoarele. În afară de elicoptere, veți mai găsi motoare cu turboreactoare în trenuri, tancuri și bărci. Motoarele cu turbină cu gaz montate în lucruri precum centralele electrice sunt, de asemenea, turbomotoare.

Turboprops

Foto: Un turbopropulsor folosește un motor cu reacție pentru a acționa o elice. Fotografie realizată de Eduardo Zaragoza, prin amabilitatea US Navy.

Un avion modern cu elice folosește de obicei un motor turbopropulsor.Este similar turboreactorului dintr-un elicopter, dar, în loc să alimenteze un rotor deasupra capului, turbina din interiorul acestuia învârte o elice montată în partea din față care împinge avionul înainte. Spre deosebire de arborele turbopropulsor, un turbopropulsor produce o anumită forță de împingere înainte din gazele de eșapament, dar cea mai mare parte a forței de împingere provine de la elice.Deoarece avioanele cu elice zboară mai încet, irosesc mai puțină energie pentru a lupta împotriva rezistenței la înaintare (rezistența aerului), ceea ce le face foarte eficiente pentru a fi utilizate în avioanele de marfă și alte aeronave mici și ușoare.Cu toate acestea, elicele în sine creează multă rezistență a aerului, acesta fiind unul dintre motivele pentru care au fost dezvoltate turbopropulsoarele.Citiți mai multe despre turbopropulsoare de la NASA.

Turbofane

Foto: Un motor turbofan produce mai multă împingere folosind un ventilator interior și un bypass exterior (inelul mai mic pe care îl puteți vedea între ventilatorul interior și carcasa exterioară). Fiecare dintre aceste motoare produce 43.000 de livre de împingere (de aproape 4,5 ori mai mult decât motoarele Stratofortress de mai sus)! Fotografie realizată de Lance Cheung, prin amabilitatea Forțelor Aeriene ale SUA.

Reactoarele gigantice de pasageri au ventilatoare uriașe montate în partea din față, care funcționează ca niște elice super-eficiente. Ventilatoarele funcționează în două moduri. Ele măresc ușor aerul care curge prin centrul (miezul) motorului, producând mai multă forță de împingere cu același combustibil (ceea ce le face`mai eficiente). De asemenea, ele suflă o parte din aerul lor în jurul exteriorului motorului principal, „ocolind” complet miezul și producând un curent de aer înapoi, ca o elice. Cu alte cuvinte, o turbosuflantă produce împingere parțial ca un turboreactor și parțial ca o turbopropulsie.Turbosuflantele cu trecere joasă trimit aproape tot aerul prin miez, în timp ce cele cu trecere înaltă trimit mai mult aer în jurul acestuia. O măsură numită raport de by-pass indică cât de mult aer (în funcție de greutate) trece prin miezul motorului sau în jurul acestuia; la un motor cu by-pass ridicat, raportul poate fi de 10:1, ceea ce înseamnă că de 10 ori mai mult aer trece în jurul miezului decât prin miez.Puterea și eficiența impresionante fac din turbosuflante motoarele preferate pe toate tipurile de motoare, de la avioane de pasageri (care folosesc de obicei by-pass ridicat) la avioane de vânătoare cu reacție (by-pass scăzut). Designul de bypass răcește, de asemenea, un motor cu reacție și îl face mai liniștit. Citiți mai multe despre turboreactoare de la NASA.

Ramjeturi și scramjeturi

Foto: Un motor Pegasus ramjet/scramjet dezvoltat pentru avioanele spațiale în 1999.Fotografie realizată prin amabilitatea NASA Armstrong Flight Research Center.

Motorii cu reacție aspiră aerul la viteză, astfel încât, teoretic, dacă ați proiecta intrarea ca o duză care se îngustează rapid, ați putea face ca aceasta să comprime aerul care intră în mod automat, fără un compresor sau o turbină care să o alimenteze. Motoarele care funcționează astfel se numesc reactoare cu reacție și, deoarece au nevoie ca aerul să se deplaseze rapid, sunt potrivite doar pentru avioane supersonice și hipersonice (mai rapide decât sunetul). Aerul care se mișcă mai repede decât sunetul atunci când intră în motor este comprimat și încetinit drastic, până la viteze subsonice, amestecat cu combustibil și aprins de un dispozitiv numit suport de flacără, producând un eșapament asemănător cu cel al unei rachete, asemănător cu cel produs de un turboreactor clasic. Reactoarele cu reacție sunt utilizate în general la motoarele de rachete și de rachete, dar, deoarece „respiră” aer, nu pot fi utilizate în spațiu. Scramjeturile sunt similare, cu excepția faptului că aerul supersonic nu încetinește la fel de mult ca și viteza cu care trece prin motor. Rămânând supersonic, aerul iese cu o viteză mult mai mare, permițând avionului să meargă considerabil mai repede decât un avion propulsat de un jet de reacție (teoretic, până la Mach 15, sau de 15 ori mai mare decât viteza sunetului – în regiunea „hipersonică înaltă”).Citiți mai multe despre jeturile de reacție și jeturile scram de la NASA.

Carte: Motoarele cu reacție moderne sunt de aproximativ 100 de ori mai puternice decât cele inventate de Frank Whittle și de rivalul său german Hans von Ohain. Blocul roșu arată GE90, în prezent cel mai puternic motor din lume. În cronologia de mai jos, puteți descoperi cum s-au dezvoltat motoarele – și creierele inginerești din spatele lor.

O scurtă istorie a motoarelor cu reacție

• ~1800s: Folosind modele simple, inventatorul englez Sir George Cayley(1773-1857) își dă seama de designul și funcționarea de bază a avionului modern, cu aripi. Din păcate, singura sursă de energie practică disponibilă în timpul vieții sale este motorul cu aburi pe cărbune, care este prea mare, prea greu și prea ineficient pentru a propulsa un avion.
• Anii 1860-1870: Lucrând independent, inginerii francezi JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), inginerul german Nikolaus Otto(1832-1891) și Karl Benz dezvoltă motorul auto modern, care funcționează cu benzină relativ ușoară, curată și bogată în energie – un combustibil mult mai practic decât cărbunele.
• 1884: Englezul Sir Charles Parsons (1854-1931) este pionierul turbinelor și compresoarelor cu aburi, piese cheie ale tehnologiei pentru viitoarele motoare de avion.
• 1903: Frații Wilbur Wright (1867-1912) șiOrville Wright (1871-1948), fabricanți de biciclete, efectuează primul zbor cu motor, folosind un motor cu agă pentru a propulsa două elice fixate pe aripile unui biplan simplu.
• 1908: Francezul René Lorin (1877-1933) inventează ramjetul – cel mai simplu motor cu reacție posibil.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), născut în România, dar lucrând mai ales în Franța, construiește primul avion cu reacție din lume, Coandă-1910, propulsat de un mare ventilator de aer în locul unei elice.
• 1914: Pionierul spațial american Robert Hutchings Goddard (1882-1945) primește primele sale două brevete care descriu rachete cu combustibil lichid, cu mai multe etaje – idei care, mulți ani mai târziu, vor ajuta la lansarea oamenilor în spațiu.
• 1925: Pratt & Whitney (acum unul dintre cei mai mari producători de motoare de aviație din lume) construiește primul său motor, Wasp cu nouă cilindri.
• 1928: Inginerul german Alexander Lippisch (1894-1976) pune motoare-rachetă pe un planor experimental pentru a realiza primul avion-rachetă din lume, Lippisch Ente.
• 1926: Inginerul britanic Alan Griffith (1893-1963) propune utilizarea motoarelor cu turbine cu gaz pentru a propulsa avioanele într-o lucrare clasică intitulată AnAerodynamic Theory of Turbine Design. Această lucrare îl transformă pe Griffith, de fapt, în părintele teoretic al motorului cu reacție (printre numeroasele sale contribuții se numără descoperirea faptului că un compresor de motor cu reacție trebuie să folosească palete curbate, mai degrabă decât palete cu un profil simplu, plat). Griffith devine mai târziu un pionier al turboreactoarelor, turbopropulsoarelor și al aeronavelor cu decolare și aterizare verticală (VTOL) în calitate de cercetător șef la Rolls-Royce, unul dintre cei mai importanți producători de motoare de aeronave din lume.
• 1928: În vârstă de numai 21 de ani, inginerul englez Frank Whittle (1907-1996)proiectează un motor cu reacție, dar armata britanică (și Alan Griffith,consultantul acesteia) refuză să-i ia ideile în serios. Whittle este nevoit să își înființeze propria companie și să își dezvolte singur ideile. Până în1937, el construiește primul motor cu reacție modern, dar numai ca prototip la sol.
• 1936: Whittle inventează și depune un brevet pentru turbomotorul de bypass.
• 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), rivalul german al lui Whittle, proiectează simultan motoare cu reacție cu compresoare și turbine.Motorul său HeS 3B, proiectat în 1938, propulsează Heinkel He-178 în zborul său inaugural ca primul avion cu turboreactor din lume la 27 august 1939.
• 1951: Inginerul aerospațial american Charles Kaman (1919-2011) construiește primul elicopter cu motor cu turbină cu gaz, K-225.
• 2002: Turbosuflanta GE90-115B de la General Electric devine cel mai puternic motor din lume, cu o împingere maximă de 569kN (127.900 lbf).
• 2019: General Electric GE9X, bazat pe GE90, utilizează un raport de bypass ridicat de 10:1, mai puține palete de ventilator și materiale mai bune pentru a oferi o eficiență a combustibilului cu 10% mai bună și un consum de combustibil cu 5% mai mic, cu mai puțin zgomot și mai puține emisii. Cu toate acestea, produce o împingere semnificativ mai mică (aproximativ 470kN sau 105.000 lbf).

.