Jetmotorer

Typer av jetmotorer

Artwork: En sammanfattning av sex huvudtyper av jetmotorer. Var och en av dem förklaras närmare i texten nedan, följt av en länk till en utmärkt webbplats från NASA där du hittar ännu mer grafik och animationer.

Alla jetmotorer och gasturbiner fungerar i stort sett på samma sätt (drar in luft genom ett inlopp, komprimerar den, förbränner den med bränsle och låter avgaserna expandera genom en turbin), så de har alla fem nyckelkomponenter gemensamt: ett inlopp, en kompressor, en förbränningskammare och en turbin (ordnade i exakt den ordningen) med en drivaxel som löper genom dem.

Men där slutar likheterna. Olika typer av motorer har extra komponenter (som drivs av turbinen), inloppen fungerar på olika sätt, det kan finnas mer än en förbränningskammare, det kan finnas två eller flera kompressorer och flera turbiner. Flygmotorer för rymdindustrin är konstruerade genom noggranna, ingenjörsmässiga kompromisser: de måste producera maximal effekt från minimalt bränsle (med maximal verkningsgrad, med andra ord) samtidigt som de är så små, lätta och tysta som möjligt. Gasturbiner som används på marken (t.ex. i kraftverk) behöver inte nödvändigtvis kompromissa på samma sätt; de behöver inte vara vare sig små eller lätta, även om de säkert fortfarande behöver maximal effekt och effektivitet.

Turbojets

Foto: B-52A Stratofortress-planet hade åtta Pratt and Whitney J-57-turbojetmotorer, som var och en kunde ge cirka 10 000 pund dragkraft.Bilden är en artighet av det amerikanska flygvapnet.

Whittles ursprungliga konstruktion kallades för turbojetmotor och används fortfarande i stor utsträckning i flygplan i dag. En turbojet är den enklaste typen av jetmotor som bygger på en gasturbin: det är en grundläggande ”raketjet” som förflyttar ett flygplan framåt genom att avfyra en varm avgasstråle bakåt. Avgaserna som lämnar motorn är mycket snabbare än den kalla luften som kommer in i den, och det är så en turbojet skapar sin dragkraft. I en turbojet behöver turbinen bara driva kompressorn, så den tar relativt lite energi från avgasstrålen.

Turbojetmotorer är grundläggande jetmotorer för allmänna ändamål som producerar jämna mängder kraft hela tiden, så de är lämpliga för små jetflygplan med låg hastighet som inte behöver göra något särskilt anmärkningsvärt (som att accelerera plötsligt eller transportera enorma mängder last). Motorn som vi har förklarat och illustrerat ovan är ett exempel.Läs mer om turbojetmotorer från NASA (innehåller en animerad motor som du kan leka med).

Turbosaxlar

Foto: Det grå röret som du kan se under rotorn på den här Seahawk-helikoptern från den amerikanska militären är en av dess två turboaxelmotorer. Det finns en annan exakt likadan på andra sidan. Foto av Trevor Kohlrus med tillstånd av US Navy.

Du kanske inte tror att helikoptrar drivs av jetmotorer – de har dessa enorma rotorer på toppen som gör allt arbete – men du har fel: rotorerna drivs av en eller två gasturbinmotorer som kallas turboaxlar. En turboaxel skiljer sig mycket från en turbojetmotor, eftersom avgaserna ger relativt lite dragkraft. Turbinen i en turbojet tar i stället upp den största delen av kraften, och den kardanaxel som löper genom den driver en växellåda och en eller flera växellådor som driver rotorerna. Förutom i helikoptrar finns turboaxelmotorer även i tåg, stridsvagnar och båtar. Gasturbinmotorer monterade i t.ex. kraftverk är också turboaxlar.

Turboprops

Foto: En turbopropmotor använder en jetmotor för att driva en propeller. Foto av Eduardo Zaragoza med tillstånd av US Navy.

Ett modernt flygplan med en propeller använder vanligtvis en turbopropmotor.Den liknar turboaxeln i en helikopter, men i stället för att driva en rotor i luften snurrar turbinen i den en propeller som är monterad på framsidan och som skjuter planet framåt. Till skillnad från en turboaxel producerar en turbopropmotor en del framåtdrivning från sina avgasutsläpp, men huvuddelen av drivkraften kommer från propellern. eftersom propellerdrivna flygplan flyger långsammare slösar de mindre energi på att bekämpa luftmotstånd, vilket gör dem mycket effektiva för användning i arbetshästar som fraktflygplan och andra små, lätta flygplan.Propellrar i sig skapar dock mycket luftmotstånd, vilket är en av anledningarna till att turbofans utvecklades.Läs mer om turboprops från NASA.

Turbofans

Foto: En turbofläktmotor producerar mer dragkraft med hjälp av en inre fläkt och en yttre bypass (den mindre ringen som du kan se mellan den inre fläkten och det yttre höljet). Var och en av dessa motorer producerar 43 000 pund dragkraft (nästan 4,5 gånger mer än Stratofortress-motorerna ovan)! Foto av Lance Cheung med tillstånd av US Air Force.

Gigantiska passagerarflygplan har enorma fläktar monterade på framsidan som fungerar som supereffektiva propellrar. Fläktarna fungerar på två sätt. De ökar lätt den luft som strömmar genom motorns centrum (kärna), vilket ger mer dragkraft med samma bränsle (vilket gör dem effektivare). De blåser också en del av luften runt huvudmotorns utsida, vilket innebär att de ”förbigår” kärnan helt och hållet och ger upphov till en luftström som en propeller. Med andra ord producerar en turbofläkt dragkraft delvis som ett turbojetflygplan och delvis som ett turbopropflygplan.Turbofläktar med lågt bypass skickar praktiskt taget all luft genom kärnan, medan turbofläktar med högt bypass skickar mer luft runt kärnan. Ett mått som kallas bypassförhållandet anger hur mycket luft (i vikt) som går genom motorkärnan eller runtomkring den. I en motor med hög bypass kan förhållandet vara 10:1, vilket innebär att 10 gånger mer luft passerar runtomkring än genom kärnan.Imponerande kraft och effektivitet gör att turbofläktarna är de mest populära motorerna i allt från passagerarflygplan (som vanligtvis använder hög bypass) till stridsflygplan (med låg bypass). Bypass-konstruktionen kyler också en jetmotor och gör den tystare. Läs mer om turbofläktar från NASA.

Ramjets och scramjets

Foto: Foto: En Pegasus ramjet/scramjetmotor som utvecklades för rymdflygplan 1999.Foto med tillstånd av NASA Armstrong Flight Research Center.

Jetmotorer drar in luft med hög hastighet, så i teorin kan man, om man utformar inloppet som ett snabbt avsmalnande munstycke, få det att komprimera den inkommande luften automatiskt, utan att det behövs vare sig en kompressor eller en turbin för att driva det. Motorer som fungerar på detta sätt kallas ramjetmotorer, och eftersom de kräver att luften färdas snabbt är de egentligen bara lämpliga för över- och underljudsflygplan (snabbare än ljudet). Luft som rör sig snabbare än ljudet när den kommer in i motorn komprimeras och bromsas dramatiskt till underljudsfart, blandas med bränsle och antänds av en anordning som kallas flamhållare, vilket ger upphov till ett raketliknande avgasutsläpp som liknar det som en klassisk turbojet ger upphov till. Ramjetmotorer brukar användas i raket- och missilmotorer, men eftersom de ”andas” luft kan de inte användas i rymden. Scramjets är liknande, förutom att den överljudande luften inte saktar ner lika mycket som den accelererar genom motorn. Genom att förbli supersonisk kommer luften ut med mycket högre hastighet, vilket gör att planet kan flyga betydligt snabbare än ett plan som drivs av en ramjet (teoretiskt sett upp till Mach 15, eller 15 gånger ljudets hastighet – i det ”höga hypersoniska” området).Läs mer om ramjetar och scramjetar från NASA.

Karta: Moderna jetmotorer är ungefär 100 gånger kraftfullare än de motorer som uppfanns av Frank Whittle och hans tyska rival Hans von Ohain. Det röda blocket visar GE90, som för närvarande är världens mest kraftfulla motor. I tidslinjen nedan kan du upptäcka hur motorerna utvecklades – och de tekniska hjärnorna bakom dem.

En kort historia om jetmotorer

• ~1800-tal: Med hjälp av enkla modeller tar den engelske uppfinnaren Sir George Cayley (1773-1857) fram den grundläggande utformningen och driften av det moderna, vinglyftande flygplanet. Tyvärr är den enda praktiska kraftkälla som fanns tillgänglig under hans livstid den koldrivna ångmaskinen, som är för stor, tung och ineffektiv för att driva ett flygplan.
• 1860-1870-tal: De franska ingenjörerna JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), den tyske ingenjören Nikolaus Otto (1832-1891) och Karl Benz utvecklar oberoende av varandra den moderna bilmotorn, som drivs av relativt lätt, ren och energirik bensin – ett mycket mer praktiskt bränsle än kol.
• 1884: Engelsmannen Sir Charles Parsons (1854-1931) är pionjär inom ångturbiner och kompressorer, viktiga delar av tekniken för framtida flygplansmotorer.
• 1903: De två cyklande bröderna Wilbur Wright (1867-1912) och Orville Wright (1871-1948) genomförde den första flygningen med hjälp av en gasmotor som drev två propellrar som var fästa vid vingarna på ett enkelt flygplan.
• 1908: De första flygningarna med motor sker med hjälp av en gasmotor som driver två propellrar som är fästa vid vingarna på ett enkelt flygplan: Fransmannen René Lorin (1877-1933) uppfinner ramjetmotorn – den enklaste möjliga jetmotorn.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), född i Rumänien men mestadels verksam i Frankrike, bygger världens första jetliknande plan, Coandă-1910, som drivs av en stor luftfläkt i stället för en propeller.
• 1914: USA:s rymdpionjär Robert Hutchings Goddard (1882-1945) får sina två första patent som beskriver flerstegsraketer med flytande bränsle – idéer som många år senare kommer att bidra till att skicka människor ut i rymden.
• 1925: USA:s rymdpionjär Robert Hutchings Goddard (1882-1945) får sina två första patent som beskriver vätskebränsledrivna flerstegsraketer: Pratt & Whitney (nu en av världens största flygmotortillverkare) bygger sin första motor, den niocylindriga Wasp.
• 1928: Den tyske ingenjören Alexander Lippisch (1894-1976) monterar raketmotorer på ett experimentellt segelflygplan för att göra världens första raketflygplan, Lippisch Ente.
• 1926: Den brittiske ingenjören Alan Griffith (1893-1963) föreslår att gasturbinmotorer ska användas för att driva flygplan i en klassisk artikel med titeln AnAerodynamic Theory of Turbine Design. Detta arbete gör Griffith i praktiken till jetmotorns teoretiska fader (bland hans många bidrag kan nämnas att han kom fram till att en jetmotorkompressor måste använda böjda flygplansblad i stället för sådana med en enkel, platt profil). Griffith blir senare en pionjär inom turbojetmotorer, turbofläktar och VTOL-flygplan (vertical takeoff and landing) som chefsforskare för Rolls-Royce, en av världens ledande tillverkare av flygplansmotorer.
• 1928: Den engelska ingenjören Frank Whittle (1907-1996), bara 21 år gammal, konstruerar en jetmotor, men den brittiska militären (och Alan Griffith, deras konsult) vägrar att ta hans idéer på allvar. Whittle tvingas starta ett eget företag och utveckla sina idéer på egen hand. År 1937 bygger han den första moderna jetmotorn, men endast som en prototyp på marken.
• 1936: Whittle uppfinner och lämnar in ett patent för bypass-turbofläktmotorn.
• 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), Whittles tyska rival, konstruerar samtidigt jetmotorer med kompressorer och turbiner. 1938 konstruerade han HeS 3B-motorn som driver Heinkel He-178 på dess jungfruflygning som världens första turbojetflygplan den 27 augusti 1939.
• 1951: Den amerikanske rymdingenjören Charles Kaman (1919-2011) bygger den första helikoptern med en gasturbinmotor, K-225.
• 2002: General Electrics turbofläktmotor GE90-115B blir världens kraftfullaste motor med en maximal dragkraft på 569 kN (127 900 lbf).
• 2019: General Electrics GE9X, som bygger på GE90, använder ett högt bypass-förhållande på 10:1, färre fläktblad och bättre material för att ge 10 procent bättre bränsleeffektivitet och 5 procent lägre bränsleförbrukning med mindre buller och färre utsläpp. Den producerar dock betydligt mindre dragkraft (cirka 470 kN eller 105 000 lbf).