Airbreathing jetmotor
En luftandande jetmotor (eller kanaljetmotor ) är en jetmotor som skjuter ut en drivande (reaktions)stråle av heta avgaser efter att först ha tagit in atmosfärisk luft, följt av kompression, uppvärmning och expansion tillbaka till atmosfärstryck genom ett munstycke . Alternativt kan reaktionsstrålen inkludera en kall stråle av kanalförd bypass-luft som har komprimerats av en fläkt innan den återgår till atmosfärstryck genom ett extra munstycke . Dessa motorer är gasturbinmotorer . Motorer som endast använder ram för kompressionsprocessen, och inga turbomaskiner, är ramjet och pulsejet .
Alla praktiska luftandande jetmotorer värmer luften genom att bränna bränsle. Alternativt kan en värmeväxlare användas ( kärndriven jetmotor) . De flesta moderna jetmotorer är turbofläktar . De ersatte turbojetarna eftersom de använder mindre bränsle.
Bakgrund
Den ursprungliga luftandande gasturbinjetmotorn var turbojet . Det var ett koncept som väcktes till liv av två ingenjörer, Frank Whittle i England, Storbritannien och Hans von Ohain i Tyskland . Turbojeten komprimerar och värmer luft och släpper sedan ut den som en jet med hög hastighet och hög temperatur för att skapa dragkraft. Även om dessa motorer kan ge höga dragkraftsnivåer, är de mest effektiva vid mycket höga hastigheter (över Mach 1), på grund av jetavgasernas låga massflöde och höga hastighet.
Moderna turbofläktar är en utveckling av turbojeten; de är i grund och botten en turbojet som innehåller en ny sektion som kallas fläktstadiet . Istället för att använda alla sina avgaser för att ge direkt dragkraft som en turbojet, utvinner turbofläktmotorn en del av kraften från avgaserna inuti motorn och använder den för att driva fläktsteget. Fläktsteget accelererar en stor volym luft genom en kanal, förbi motorns kärna (motorns faktiska gasturbinkomponent) och driver ut den baktill som en jet, vilket skapar dragkraft. En del av luften som kommer genom fläktsteget kommer in i motorkärnan i stället för att ledas bakåt och komprimeras och värms på så sätt; en del av energin utvinns för att driva kompressorerna och fläktarna, medan resten förbrukas på baksidan. Detta höghastighets, hetgasavgas blandas med låghastighets, kallluftsavgaserna från fläktsteget, och båda bidrar till motorns totala dragkraft. Beroende på hur stor andel av kall luft som förbipassas runt motorkärnan, kan en turbofläkt kallas lågbypass- , högbypass- eller mycket högbypassmotor .
Låg bypass- motorer var de första turbofläktmotorerna som producerades och ger huvuddelen av sin dragkraft från de heta kärnavgaserna, medan fläktsteget bara kompletterar detta. Dessa motorer ses fortfarande vanligen på militära stridsflygplan , eftersom de har en mindre frontyta som skapar mindre rammotstånd vid överljudshastigheter och lämnar mer av dragkraften som produceras av motorn för att driva flygplanet. Deras jämförelsevis höga ljudnivåer och subsoniska bränsleförbrukning anses vara acceptabla i en sådan tillämpning, medan även om den första generationen turbofläktflygplan använde lågbypass-motorer, betyder deras höga ljudnivåer och bränsleförbrukning att de har fallit i unåde för stora flygplan. Motorer med hög bypass har ett mycket större fläktsteg och ger det mesta av sin dragkraft från fläktens kanalluft; motorkärnan ger kraft till fläktsteget, och endast en del av den totala dragkraften kommer från motorns avgasström.
Under de senaste decennierna har det skett en utveckling mot motorer med mycket hög bypass , som använder fläktar som är mycket större än själva motorkärnan, som vanligtvis är en modern, högeffektiv design med två eller tre spolar. Denna höga effektivitet och kraft är det som gör att så stora fläktar är livskraftiga, och den ökade dragkraften som finns tillgänglig (upp till 75 000 lbs per motor i motorer som Rolls-Royce Trent XWB eller General Electric GENx ), har möjliggjort en övergång till stora tvillingar. motorflygplan, som Airbus A350 eller Boeing 777 , samt tillåta tvåmotoriga flygplan att operera på långa övervattenrutter, tidigare domänen för 3-motoriga eller 4-motoriga flygplan .
Jetmotorer konstruerades för att driva flygplan, men har använts för att driva jetbilar och jetbåtar för hastighetsrekordförsök, och till och med för kommersiellt bruk såsom vid järnvägar för att röja snö och is från växlar på järnvägsgårdar (monterade i speciella järnvägsvagnar), och av racerbanor för torkning av banbeläggningar efter regn (monterade i speciella lastbilar med jetavgaserna som blåser på banan).
Typer av luftandande jetmotorer
Airbreathing jetmotorer är nästan alltid förbränningsmotorer som får framdrivning från förbränning av bränsle inuti motorn. Syre som finns i atmosfären används för att oxidera en bränslekälla, vanligtvis ett kolvätebaserat jetbränsle . Den brinnande blandningen expanderar kraftigt i volym och driver uppvärmd luft genom ett framdrivningsmunstycke .
Gasturbindrivna motorer:
Ramdriven jetmotor:
Pulserad förbränningsjetmotor:
Turbojetmotor
Två ingenjörer, Frank Whittle i Storbritannien och Hans von Ohain i Tyskland , utvecklade turbojetkonceptet oberoende till praktiska motorer under slutet av 1930-talet.
Turbojets består av ett inlopp, en kompressor , en brännare, en turbin (som driver kompressorn) och ett framdrivningsmunstycke. Den komprimerade luften värms upp i brännkammaren och passerar genom turbinen och expanderar sedan i munstycket för att producera en höghastighetsdrivstråle
Turbojets har en låg framdrivningsverkningsgrad under cirka Mach 2 [ citat behövs ] och producerar mycket jetljud, båda ett resultat av den mycket höga hastigheten i avgaserna. Moderna jetdrivna flygplan drivs av turbofans . Dessa motorer, med sina lägre avgashastigheter, producerar mindre jetljud och använder mindre bränsle. Turbojets används fortfarande för att driva medeldistans kryssningsmissiler [ citat behövs ] på grund av deras höga avgashastighet, låga frontyta, vilket minskar motståndet och relativa enkelhet, vilket minskar kostnaderna.
Turbofläktmotor
De flesta moderna jetmotorer är turbofläktar. Lågtryckskompressorn (LPC), vanligtvis känd som en fläkt, komprimerar luft till en bypasskanal medan dess inre del överladdar kärnkompressorn. Fläkten är ofta en integrerad del av en flerstegs kärn-LPC. Bypassluftflödet passerar antingen till ett separat "kallt munstycke" eller blandas med lågtrycksturbinavgaser, innan det expanderar genom ett "blandflödesmunstycke".
På 1960-talet var det liten skillnad mellan civila och militära jetmotorer, bortsett från användningen av efterbränning i vissa (supersoniska) tillämpningar. Idag används turbofläktar för flygplan eftersom de har en avgashastighet som är bättre anpassad till flygplanets subsoniska flyghastighet. Vid flygplanshastigheter är avgashastigheten från en turbojetmotor för hög och slösar bort energi. Den lägre avgashastigheten från en turbofläkt ger bättre bränsleförbrukning. Det ökade luftflödet från fläkten ger högre dragkraft vid låga hastigheter. Den lägre avgashastigheten ger också mycket lägre jetljud.
Den relativt stora frontalfläkten har flera effekter. Jämfört med en turbojet med identisk dragkraft har en turbofläkt ett mycket större luftmassflöde och flödet genom bypasskanalen genererar en betydande del av dragkraften. Den extra kanalluften har inte antänts, vilket ger en låg hastighet, men inget extra bränsle behövs för att ge denna dragkraft. Istället tas energin från den centrala kärnan, vilket ger den också en reducerad avgashastighet. Medelhastigheten för den blandade frånluften reduceras således (låg specifik dragkraft ) vilket är mindre slöseri med energi men minskar toppfarten. Sammantaget kan en turbofläkt vara mycket bränslesnålare och tystare, och det visar sig att fläkten också tillåter större nettodragkraft att vara tillgänglig vid låga hastigheter.
Således har civila turbofläktar idag en låg avgashastighet (låg specifik dragkraft – nettodragkraft dividerat med luftflöde) för att hålla jetljud till ett minimum och för att förbättra bränsleeffektiviteten . Följaktligen bypass-förhållandet (bypass-flöde dividerat med kärnflöde) relativt högt (förhållanden från 4:1 upp till 8:1 är vanliga), med Rolls- Royce Trent XWB närmar sig 10:1. Endast ett enda fläktsteg krävs, eftersom en låg specifik dragkraft innebär ett lågt fläkttryckförhållande.
Turbofläktar i civila flygplan har vanligtvis en utpräglat stor frontyta för att rymma en mycket stor fläkt, eftersom deras design innebär att en mycket större luftmassa går förbi kärnan så att de kan dra nytta av dessa effekter, medan det i militära flygplan, där buller och effektivitet är mindre viktigt jämfört med prestanda och luftmotstånd, en mindre mängd luft passerar vanligtvis kärnan. Turbofläktar konstruerade för civila flygplan under ljud har vanligtvis bara en enda främre fläkt, eftersom deras extra dragkraft genereras av en stor extra luftmassa som endast är måttligt komprimerad, snarare än en mindre mängd luft som är kraftigt komprimerad.
Militära turbofläktar har emellertid en relativt hög specifik dragkraft , för att maximera dragkraften för ett givet frontområde, och jetbuller är mindre oroande vid militär användning i förhållande till civil användning. Flerstegsfläktar behövs normalt för att nå det relativt höga fläkttryckförhållande som krävs för hög specifik dragkraft. Även om höga turbininloppstemperaturer ofta används, tenderar bypassförhållandet att vara lågt, vanligtvis betydligt mindre än 2,0.
Turboprop och turboaxel
Turbopropmotorer är jetmotorderivat, fortfarande gasturbiner, som extraherar arbete från den heta avgasstrålen för att vrida en roterande axel, som sedan används för att producera dragkraft på något annat sätt. Även om det inte är strikt jetmotorer eftersom de förlitar sig på en hjälpmekanism för att producera dragkraft, är turboproppar väldigt lika andra turbinbaserade jetmotorer och beskrivs ofta som sådana.
I turbopropmotorer produceras en del av motorns dragkraft genom att snurra en propeller , snarare än att enbart förlita sig på höghastighets jetavgaser. Turboproppar som producerar dragkraft åt båda hållen kallas ibland för en typ av hybridjetmotor. De skiljer sig från turbofläktar genom att en traditionell propeller, snarare än en kanalfläkt, ger huvuddelen av dragkraften. De flesta turboproppar använder växelreduktion mellan turbinen och propellern. ( Växlade turbofläktar har också växelreduktion, men de är mindre vanliga.) Hot-jet-avgaserna är en viktig minoritet av dragkraften, och maximal dragkraft erhålls genom att matcha de två dragkraftsbidragen. Turboproppar har generellt bättre prestanda än turbojets eller turbofläktar vid låga hastigheter där propellereffektiviteten är hög, men blir allt mer bullriga och ineffektiva vid höga hastigheter.
Turboaxelmotorer påminner mycket om turboprops, och skiljer sig åt genom att nästan all energi i avgaserna utvinns för att snurra den roterande axeln, som används för att driva maskineri snarare än en propeller, de genererar därför liten eller ingen jetkraft och används ofta för att driva helikoptrar .
Propfan
En propfanmotor (även kallad "unducted fläkt", "open rotor" eller "ultra-high bypass") är en jetmotor som använder sin gasgenerator för att driva en exponerad fläkt, liknande turbopropmotorer. Precis som turbopropmotorer genererar propfans det mesta av sin dragkraft från propellern och inte avgasstrålen. Den primära skillnaden mellan turboprop- och propfandesign är att propellerbladen på en propfan är mycket svepta för att de ska kunna arbeta i hastigheter runt Mach 0,8, vilket är konkurrenskraftigt med moderna kommersiella turbofans. Dessa motorer har fördelarna med bränsleeffektivitet som turboprops med prestandaförmågan hos kommersiella turbofläktar. Även om betydande forskning och tester (inklusive flygtester) har utförts på propfans, har ingen kommit in i produktion.
Huvudkomponenter
Huvudkomponenter i en turbojet inklusive referenser till turbofläktar, turboprops och turboaxlar:
Kallt avsnitt
- Luftintag ( Inlet ) – För subsoniska flygplan är inloppet en kanal som krävs för att säkerställa ett jämnt luftflöde in i motorn trots att luft närmar sig inloppet från andra riktningar än rakt fram. Detta inträffar på marken från sidvindar och under flygning med flygplanets lutnings- och girrörelser. Kanallängden minimeras för att minska motståndet och vikten. Luft kommer in i kompressorn med ungefär halva ljudhastigheten så vid flyghastigheter lägre än detta kommer flödet att accelerera längs inloppet och vid högre flyghastigheter kommer det att sakta ner. Sålunda måste den inre profilen av inloppet rymma både accelererande och diffuserande flöde utan onödiga förluster. För överljudsflygplan har inloppet funktioner som koner och ramper för att producera den mest effektiva serien av stötvågor som bildas när överljudsflödet saktar ner. Luften saktar ner från flyghastigheten till subsonisk hastighet genom stötvågorna, sedan till ungefär halva ljudhastigheten vid kompressorn genom den subsoniska delen av inloppet. Det speciella systemet med stötvågor är valt, med hänsyn till många begränsningar såsom kostnad och driftbehov, för att minimera förluster vilket i sin tur maximerar tryckåtervinningen vid kompressorn.
- Kompressor eller fläkt – Kompressorn består av steg. Varje steg består av roterande blad och stationära statorer eller skovlar. När luften rör sig genom kompressorn ökar dess tryck och temperatur. Kraften för att driva kompressorn kommer från turbinen ( se nedan), som axelvridmoment och hastighet.
- Bypasskanaler levererar flödet från fläkten med minimala förluster till bypass-drivmunstycket. Alternativt kan fläktflödet blandas med turbinens avgaser innan det kommer in i ett enda framdrivningsmunstycke. I ett annat arrangemang kan en efterbrännare installeras mellan blandaren och munstycket.
- Axel – Axeln förbinder turbinen med kompressorn och löper större delen av motorns längd. Det kan finnas så många som tre koncentriska axlar, som roterar med oberoende hastigheter, med lika många uppsättningar turbiner och kompressorer. Kylluft till turbinerna kan strömma genom axeln från kompressorn.
- Spridningsdel : – Diffusorn saktar ner kompressorns tillförselluft för att minska flödesförlusterna i brännaren. Det krävs också långsammare luft för att stabilisera förbränningsflamman och det högre statiska trycket förbättrar förbränningseffektiviteten.
Het avsnitt
- Brännkammare eller förbränningskammare – Bränsle förbränns kontinuerligt efter att ha antänts först under motorstarten.
- Turbin – Turbinen är en serie skivor med blad som fungerar som en väderkvarn, som utvinner energi från de heta gaserna som lämnar brännkammaren . En del av denna energi används för att driva kompressorn . Turboprop-, turboaxel- och turbofläktmotorer har ytterligare turbinsteg för att driva en propeller, bypass-fläkt eller helikopterrotor. I en fri turbin roterar turbinen som driver kompressorn oberoende av den som driver propellern eller helikopterrotorn. Kylluft, avtappad från kompressorn, kan användas för att kyla turbinbladen, bladen och skivorna för att tillåta högre gastemperaturer för turbinen för samma turbinmaterialtemperaturer.**
- Efterbrännare eller återuppvärmning (brittisk) – (främst militär) Ger extra dragkraft genom att bränna bränsle i jetpipen. Denna återuppvärmning av turbinens avgaser höjer framdrivningsmunstyckets ingångstemperatur och avgashastighet. Munstycksarean ökas för att rymma den högre specifika volymen av avgaserna. Detta bibehåller samma luftflöde genom motorn för att säkerställa ingen förändring av dess driftsegenskaper.
- Avgaser eller munstycke – Turbinavgaser passerar genom framdrivningsmunstycket för att producera en höghastighetsstråle. Munstycket är vanligtvis konvergent med en fast flödesarea.
- Supersonic munstycke – För höga munstyckstryckförhållanden (munstyckets ingångstryck/omgivningstryck) används ett konvergent-divergent (de Laval) munstycke . Expansionen till atmosfärstryck och överljudsgashastighet fortsätter nedströms halsen och producerar mer dragkraft.
De olika komponenterna som nämns ovan har begränsningar för hur de sätts ihop för att generera mest effektivitet eller prestanda. En motors prestanda och effektivitet kan aldrig tas isolerat; till exempel maximerar bränsle-/distanseffektiviteten för en supersonisk jetmotor vid ungefär mach 2, medan luftmotståndet för fordonet som bär det ökar som en kvadratisk lag och har mycket extra motstånd i det transsoniska området. Den högsta bränsleeffektiviteten för det totala fordonet är alltså typiskt vid Mach ~0,85.
För motoroptimeringen för dess avsedda användning är här luftintagsdesign, total storlek, antal kompressorsteg (uppsättningar blad), bränsletyp, antal avgassteg, komponenters metallurgi, mängd bypassluft som används, där bypass luft införs, och många andra faktorer. Ett exempel är design av luftintaget.
Drift
Motorcykel
Termodynamiken för en typisk luftandande jetmotor modelleras ungefär av en Brayton-cykel som är en termodynamisk cykel som beskriver hur gasturbinmotorn fungerar , som är grunden för den luftandande jetmotorn och andra. Den är uppkallad efter George Brayton (1830–1892), den amerikanske ingenjören som utvecklade den, även om den ursprungligen föreslogs och patenterades av engelsmannen John Barber 1791. Den är också ibland känd som Joule -cykeln .
Dragkraften förfaller
Den nominella nettodragkraften som anges för en jetmotor hänvisar vanligtvis till Sea Level Static (SLS), antingen för den internationella standardatmosfären (ISA) eller en varm dag (t.ex. ISA+10 °C). Som ett exempel har GE90-76B en statisk startdragkraft på 76 000 lbf (360 kN) vid SLS, ISA+15 °C.
Naturligtvis kommer nettodragkraften att minska med höjden på grund av den lägre luftdensiteten. Det finns dock också en flyghastighetseffekt.
Inledningsvis när flygplanet tar fart nerför banan, kommer det att ske liten ökning av munstyckstryck och temperatur, eftersom kolvstigningen i intaget är mycket liten. Det kommer också att bli liten förändring i massflödet. Följaktligen ökar munstyckets bruttotryck initialt endast marginellt med flyghastigheten. Men eftersom det är en luftandningsmotor (till skillnad från en konventionell raket) finns det ett straff för att ta ombord luft från atmosfären. Detta är känt som ramdrag. Även om straffvärdet är noll vid statiska förhållanden, ökar det snabbt med flyghastigheten vilket gör att nätkraften eroderas.
När flyghastigheten ökar efter start, börjar kolvstigningen i intaget att ha en betydande effekt på munstyckets tryck/temperatur och insugningsluftflödet, vilket gör att munstyckets bruttokraft stiger snabbare. Denna term börjar nu kompensera för det fortfarande ökande rammotståndet, vilket så småningom gör att nätkraften börjar öka. I vissa motorer, nettodragkraften vid säg Mach 1.0, kan havsnivån till och med vara något större än den statiska drivkraften. Över Mach 1.0, med en subsonisk inloppsdesign, tenderar stötförluster att minska nettotrycket, men ett lämpligt utformat överljudsinlopp kan ge en lägre minskning av insugstrycksåtervinningen, vilket gör att nettotrycket kan fortsätta att klättra i överljudsregimen.
Säkerhet och tillförlitlighet
Jetmotorer är vanligtvis mycket tillförlitliga och har mycket goda säkerhetsuppgifter. Men ibland uppstår misslyckanden.
Motorökning
I vissa fall i jetmotorer kan förhållandena i motorn på grund av luftflöde som kommer in i motorn eller andra variationer göra att kompressorbladen stannar . När detta inträffar blåser trycket i motorn ut förbi bladen, och stallningen bibehålls tills trycket har minskat och motorn har tappat all dragkraft. Kompressorbladen kommer då vanligtvis att gå ur stall och trycksätta motorn igen. Om förhållandena inte korrigeras kommer cykeln vanligtvis att upprepas. Detta kallas surge . Beroende på motorn kan detta vara mycket skadligt för motorn och skapa oroande vibrationer för besättningen.
Bladinneslutning
Fläkt-, kompressor- eller turbinbladsfel måste hållas inne i motorhuset. För att göra detta måste motorn vara konstruerad för att klara bladinneslutningstester som specificerats av certifieringsmyndigheter.
Fågelintag
Fågelintag är termen som används när fåglar kommer in i intaget av en jetmotor. Det är en vanlig säkerhetsrisk för flygplan och har orsakat dödsolyckor. 1988 fick en Boeing 737 från Ethiopian Airlines duvor i båda motorerna under starten och kraschade sedan i ett försök att återvända till flygplatsen i Bahir Dar ; av de 104 personerna ombord dog 35 och 21 skadades. I en annan incident 1995 kraschade en Dassault Falcon 20 på en flygplats i Paris under ett nödlandningsförsök efter att ha fått i sig tovar i en motor, vilket orsakade ett motorbortfall och en brand i flygplanets flygkropp ; alla 10 personer ombord dödades.
Jetmotorer måste vara konstruerade för att motstå intag av fåglar med en viss vikt och ett visst antal, och för att inte förlora mer än en viss mängd dragkraft. Vikten och antalet fåglar som kan intas utan att riskera flygplanets säkra flygning är relaterade till motorns intagsområde. 2009 fick ett Airbus A320- flygplan, US Airways Flight 1549 , en kanadagås i varje motor. Planet föll i Hudsonfloden efter att ha lyft från LaGuardia International Airport i New York City. Det var inga dödsfall. Incidenten illustrerade riskerna med att få i sig fåglar utöver gränsen för "designed-for".
Resultatet av en intagshändelse och om det orsakar en olycka, vare sig det är på ett litet snabbt plan, såsom militära jetjaktplan , eller en stor transport, beror på fåglarnas antal och vikt och var de träffar fläktbladets spännvidd eller noskon. Kärnskador uppstår vanligtvis med stötar nära bladroten eller på noskonen.
Få fåglar flyger högt, så den största risken för en fågelintag är vid start och landning och vid lågflygning.
Vulkanisk aska
Om ett jetplan flyger genom luft som är förorenad med vulkanaska finns det risk för att intagen aska orsakar erosionsskador på kompressorbladen, blockering av bränslemunstyckenas lufthål och blockering av turbinens kylkanaler. Vissa av dessa effekter kan få motorn att svälla eller flamma ut under flygningen. Re-lights är vanligtvis framgångsrika efter flame-out men med avsevärd höjdförlust. Det var fallet med British Airways Flight 9 som flög genom vulkaniskt damm på 37 000 ft. Alla fyra motorerna flammade ut och återtändningsförsöken var framgångsrika vid cirka 13 000 fot.
Okontrollerade misslyckanden
En klass av fel som har orsakat olyckor är det fria felet, där roterande delar av motorn bryter av och går ut genom höljet. Dessa högenergidelar kan skära bränsle- och kontrollledningar och kan penetrera kabinen. Även om bränsle- och kontrollledningar vanligtvis dupliceras för tillförlitlighet, orsakades kraschen av United Airlines Flight 232 när hydraulvätskeledningar för alla tre oberoende hydraulsystem samtidigt skars av av splitter från ett fritt motorhaveri. Före United 232-kraschen ansågs sannolikheten för ett samtidigt fel på alla tre hydraulsystemen vara så hög som en miljard-till-en. De statistiska modellerna som användes för att komma fram till denna siffra tog dock inte hänsyn till att motorn nummer två var monterad i svansen nära alla hydraulledningar, och inte heller möjligheten att ett motorfel skulle släppa ut många fragment i många riktningar . Sedan dess har mer moderna flygplansmotorkonstruktioner fokuserat på att förhindra att splitter tränger in i kåpan eller kanalsystemet, och har i allt högre grad använt höghållfasta kompositmaterial för att uppnå det erforderliga penetrationsmotståndet samtidigt som vikten hålls låg.
Ekonomiska överväganden
Under 2007 var kostnaden för flygbränsle , även om den var mycket varierande från ett flygbolag till ett annat, i genomsnitt 26,5 % av de totala driftskostnaderna, vilket gör det till den enskilt största driftskostnaden för de flesta flygbolag.
Miljöhänsyn
Jetmotorer drivs vanligtvis på fossila bränslen och är därmed en källa till koldioxid i atmosfären. Jetmotorer kan också drivas på biobränslen eller vätgas, även om väte vanligtvis produceras av fossila bränslen.
Cirka 7,2 % av oljan som användes 2004 förbrukades av jetmotorer.
Vissa forskare [ vem? ] anser att jetmotorer också är en källa till global dämpning på grund av att vattenångan i avgaserna orsakar molnformationer. [ citat behövs ]
Kväveföreningar bildas också under förbränningsprocessen från reaktioner med atmosfäriskt kväve. På låga höjder anses detta inte vara särskilt skadligt, men för överljudsflygplan som flyger i stratosfären kan viss förstörelse av ozon inträffa.
Sulfater släpps även ut om bränslet innehåller svavel.
Avancerade mönster
Ramjet
En ramjet är en form av luftandande jetmotor som använder motorns framåtgående rörelse för att komprimera inkommande luft, utan en roterande kompressor. Ramjets kan inte producera dragkraft vid noll flyghastighet och kan därför inte flytta ett flygplan från stillastående. Ramjets kräver avsevärd hastighet framåt för att fungera bra, och som klass fungerar de mest effektivt i hastigheter runt Mach 3. Den här typen av jetplan kan fungera upp till hastigheter på Mach 6.
De består av tre sektioner; ett inlopp för att komprimera inkommande luft, en brännare för att injicera och förbränna bränsle, och ett munstycke för att driva ut de heta gaserna och producera dragkraft. Ramjets kräver en relativt hög hastighet för att effektivt komprimera den inkommande luften, så ramjets kan inte fungera i stillastående och de är mest effektiva vid överljudshastigheter . En viktig egenskap hos ramjetmotorer är att förbränningen sker vid subsoniska hastigheter. Den inkommande överljudsluften bromsas dramatiskt genom inloppet, där den sedan förbränns med de mycket lägre, subsoniska, hastigheterna. Ju snabbare den inkommande luften är, desto mindre effektivt blir det dock att bromsa den till subsoniska hastigheter. Därför är ramjetmotorer begränsade till ungefär Mach 5.
Ramjets kan vara särskilt användbara i applikationer som kräver en liten och enkel motor för höghastighetsanvändning, såsom missiler , medan vapendesigners vill använda ramjet-teknik i artillerigranater för att ge ökad räckvidd: det förväntas att en 120 mm granatkastare, med hjälp av en ramjet, kan den nå en räckvidd på 22 mi (35 km). De har också använts framgångsrikt, men inte effektivt, som spetsjets på helikopterrotorer . Pulsejets är subsoniska motorer som också använder ramkompression, men med intermittent förbränning till skillnad från den kontinuerliga förbränningen som används i en ramjet. De är en ganska distinkt typ av jetmotorer.
Scramjets
Scramjets är en utveckling av ramjets som kan arbeta med mycket högre hastigheter än någon annan typ av luftandningsmotor. De delar en liknande struktur med ramjets, som är ett speciellt format rör som komprimerar luft utan rörliga delar genom ram-luft kompression. De består av ett inlopp, en brännare och ett munstycke. Den primära skillnaden mellan ramjets och scramjets är att scramjets inte bromsar det mötande luftflödet till subsoniska hastigheter för förbränning. Således har scramjets inte den diffusor som krävs av ramjets för att bromsa det inkommande luftflödet till subsoniska hastigheter. De använder överljudsförbränning istället och namnet "scramjet" kommer från " S upersonic C ombusting Ramjet ."
Scramjets börjar arbeta med hastigheter på minst Mach 4, och har en maximal användbar hastighet på cirka Mach 17. På grund av aerodynamisk uppvärmning vid dessa höga hastigheter utgör kylning en utmaning för ingenjörer.
Eftersom scramjets använder överljudsförbränning kan de arbeta i hastigheter över Mach 6 där traditionella ramjets är för ineffektiva. En annan skillnad mellan ramjets och scramjets kommer från hur varje typ av motor komprimerar det mötande luftflödet: medan inloppet tillhandahåller det mesta av kompressionen för ramjets, tillåter de höga hastigheterna som scramjets arbetar med dem att dra fördel av kompressionen som genereras av stötvågor , främst sneda stötar .
Mycket få scramjetmotorer har någonsin byggts och flugits. I maj 2010 Boeing X-51 uthållighetsrekordet för den längsta scramjetbrännan på över 200 sekunder.
P&W J58 Mach 3+ efterbrännande turbojet
Turbojetdrift över hela flygenveloppen från noll till Mach 3+ kräver funktioner för att tillåta kompressorn att fungera korrekt vid de höga inloppstemperaturerna över Mach 2,5 såväl som vid låga flyghastigheter. J58- kompressorlösningen skulle tömma luftflödet från det 4:e kompressorsteget vid hastigheter över cirka Mach 2. Avtappningsflödet, 20 % vid Mach 3, återfördes till motorn via 6 externa rör för att kyla efterbrännarfodret och primärmunstycket samt för att ge extra luft för förbränning. J58-motorn var den enda turbojetmotorn i drift, designad för att fungera kontinuerligt även vid maximal efterförbränning, för Mach 3.2-kryssning.
En alternativ lösning ses i en modern installation, som inte nådde driftstatus, Mach 3 GE YJ93/XB-70. Den använde en variabel statorkompressor. Ytterligare en lösning specificerades i ett förslag till en Mach 3 rekognoseringsfantom. Detta var förkompressorkylning, om än tillgänglig under relativt kort tid.
Vätgasdrivna jetmotorer som andas luft
Jetmotorer kan köras på nästan vilket bränsle som helst. Väte är ett mycket önskvärt bränsle, eftersom, även om energin per mol inte är ovanligt hög, är molekylen mycket lättare än andra molekyler. Energin per kg väte är dubbelt så stor som för vanligare bränslen och det ger dubbelt så mycket specifik impuls. Dessutom är jetmotorer som körs på väte ganska lätta att bygga – den första turbojetmotorn någonsin kördes på vätgas. Även om det inte är kanalmotorer, har vätedrivna raketmotorer använts i stor utsträckning.
Men på nästan alla andra sätt är väte problematiskt. Nackdelen med väte är dess densitet; i gasform är tankarna opraktiska för flygning, men även i form av flytande väte har den en densitet som är en fjortondedel av vatten. Den är också djupt kryogen och kräver mycket betydande isolering som utesluter att den lagras i vingar. Det totala fordonet skulle bli mycket stort och svårt för de flesta flygplatser att ta emot. Slutligen, rent väte finns inte i naturen, och måste tillverkas antingen via ångreformering eller dyr elektrolys . Några experimentella vätgasdrivna flygplan har flugit med propellrar, och jetplan har föreslagits som kan vara genomförbara.
Förkylda jetmotorer
En idé som kom från Robert P. Carmichael 1955 är att vätgasdrivna motorer teoretiskt skulle kunna ha mycket högre prestanda än kolvätedrivna motorer om en värmeväxlare användes för att kyla den inkommande luften. Den låga temperaturen gör att lättare material kan användas, ett högre massflöde genom motorerna och gör att förbrännare kan spruta in mer bränsle utan att överhetta motorn.
Denna idé leder till rimliga konstruktioner som Reaction Engines SABER , som kan tillåta enstegs-till-omloppsraketer, och ATREX , som kan tillåta jetmotorer att användas upp till hypersoniska hastigheter och höga höjder för boosters för bärraketer. Idén undersöks också av EU för ett koncept för att uppnå non-stop antipodal överljudspassagerare vid Mach 5 ( Reaction Engines A2) .
Turborocket
Luftturboraketen är en form av jetmotor med kombinerad cykel . Den grundläggande layouten inkluderar en gasgenerator , som producerar högtrycksgas, som driver en turbin/kompressorenhet som komprimerar atmosfärisk luft in i en förbränningskammare. Denna blandning förbränns sedan innan den lämnar enheten genom ett munstycke och skapar dragkraft.
Det finns många olika typer av luftturboraketer. De olika typerna skiljer sig generellt åt i hur gasgeneratordelen av motorn fungerar.
Luftturboraketer hänvisas ofta till som turboramjets , turboramjetraketer , turborocketexpanderar och många andra. Eftersom det inte råder konsensus om vilka namn som gäller för vilka specifika begrepp, kan olika källor använda samma namn för två olika begrepp.
Terminologi
För att specificera varvtal eller rotorhastigheter för en jetmotor används vanligtvis förkortningar:
- För en turbopropmotor avser N p varvtalet för propelleraxeln. Till exempel skulle en vanlig Np vara cirka 2200 RPM för en propeller med konstant hastighet .
- N 1 eller N g hänvisar till varvtalet för gasgeneratorsektionen. Varje motortillverkare väljer mellan dessa två förkortningar. N1 används också för fläkthastigheten på en turbofläkt , i vilket fall N 2 är gasgeneratorns hastighet (2-axlad motor). N g används huvudsakligen för turbopropeller eller turboaxelmotorer . Till exempel skulle ett vanligt N g vara i storleksordningen 30 000 RPM.
- N 2 eller N f avser hastigheten på kraftturbinsektionen. Varje motortillverkare kommer att välja mellan dessa två förkortningar men N2 används främst för turbofläktmotorer medan Nf huvudsakligen används för turbopropeller turboaxelmotorer. I många fall, även för fria turbinmotorer , kan N 1 och N 2 vara mycket lika. [ citat behövs ]
- N s hänvisar till hastigheten på reduktionsväxellådans (RGB) utgående axel för turboaxelmotorer.
I många fall, istället för att uttrycka rotorhastigheter (N 1 , N 2 ) som RPM på cockpitskärmar , förses piloterna med hastigheterna uttryckta i procent av designpunkthastigheten. Till exempel, vid full effekt kan N 1 vara 101,5 % eller 100 %. Detta användargränssnittsbeslut har tagits som en mänsklig faktor , eftersom piloter är mer benägna att märka ett problem med en två- eller tresiffrig procentandel (där 100 % innebär ett nominellt värde) än med ett 5-siffrigt varv per minut.
Se även
- Pump-jet
- Raketmotor
- Turboprop – en gasturbinmotor som används för att vrida propellrar
- Turboaxel – en gasturbinmotor som används för helikoptrar
Citat
Anförda källor
- Hill, Philip Graham; Peterson, Carl R. (1992). Mechanics and Thermodynamics of Propulsion (2 uppl.). Reading, Massachusetts : Addison-Wesley Publishing Company . ISBN 978-0201146592 . Hämtad 13 februari 2016 .
- Mattingly, Jack D. (2006). Element för framdrivning: gasturbiner och raketer . AIAA Education Series. Reston, VA: American Institute of Aeronautics and Astronautics. sid. 6. ISBN 978-1-56347-779-9 .