Hoe werken straalmotoren?
De gasturbine
Turbofan-motoren drijven veel moderne commerciële vliegtuigen aan. Deze maken deel uit van een familie van motoren die gasturbines worden genoemd, waaronder motoren voor sommige helikopters, kleinere krachtcentrales en zelfs voor sommige soorten tanks.
De naam turbine geeft een idee van de manier waarop dit type motor functioneert. Andere turbines, zoals windturbines of stoomturbines, zijn allemaal afhankelijk van iets dat draait om stroom op te wekken. Gasturbines zijn niet anders. Terwijl wind een windturbine laat draaien en stoom een stoomturbine aandrijft, laat een ander type gas onder druk een gasturbine draaien: lucht.
Gasturbines moeten deze lucht onder hoge druk zelf produceren om een stroom van stroom naar de motor te garanderen. Ze doen dit door iets te verbranden dat erg energierijk is, zoals vliegtuigbrandstof, kerosine of aardgas. Door de brandstof te verbranden, zet de lucht uit, en het is deze stroom hete lucht die ervoor zorgt dat de turbine gaat draaien.
Zuigen, knijpen, knallen, blazen
Het proces waardoor dit gebeurt, wordt soms botweg verklaard door het concept 'zuigen, knijpen, knallen, blazen'. Lucht wordt vanaf de voorkant in de motor gezogen met behulp van de grote ventilator die zichtbaar is als je recht naar een vliegtuig kijkt.
Die lucht wordt vervolgens gecomprimeerd in de volgende fase van de motor - dit is het 'knijp'-gedeelte. Een tweede ventilator verhoogt de druk in de lucht met ongeveer acht keer, wat ook de temperatuur aanzienlijk verhoogt. Brandstof wordt vermengd met de lucht en ontstoken - bang - om de kracht te produceren. Deze hete lucht onder hoge druk stroomt langs een stel turbinebladen, waardoor ze gaan draaien. Deze turbine is via een as verbonden met de compressor en de ventilator, dus als de gassen de turbine laten draaien, zorgt dit ervoor dat zowel de inlaatventilator als de compressorventilator ook draaien.
Ten slotte verlaten de hete uitlaatgassen de motor via een taps toelopend uitlaatmondstuk. Net zoals het plaatsen van uw duim over het uiteinde van een tuinslang (verkleining van de uitlaatopening voor het water) ervoor zorgt dat water met hoge snelheid naar buiten spuit, heeft deze taps toelopende uitlaat het effect van het versnellen van de uittredende gassen. De warme lucht die de motor verlaat, beweegt met meer dan 2.100 km/u (1.300 mph), ongeveer twee keer de snelheid van de koude lucht die aan de voorkant binnenkomt.
Het is deze snel bewegende lucht die het voertuig naar voren duwt. Militaire straaljagers (en een heel bijzonder passagiersvliegtuig) maken soms gebruik van naverbranders. Dit is gewoon brandstof die rechtstreeks in de uitlaatstraal wordt gespoten om extra stuwkracht te creëren. Maar voor de meeste passagiersvliegtuigen is de duw van de bewegende lucht meer dan genoeg om hun vleugels voldoende voorwaarts te laten bewegen om lift te genereren.
Volkomen eenvoudig?
Klinkt eenvoudig genoeg? In wezen is dat zo, maar de drukken en hoge temperaturen die ermee gepaard gaan, maken het ontwerpen van straalmotoren tot een nogal specialistische taak. In de verbrandingskamer, waar de perslucht wordt gemengd met de brandstof, bereiken de verbrandingstemperaturen meer dan 900 °C (1650 °F).
Dit betekent dat motoren moeten worden gemaakt van sterke maar lichtgewicht, thermisch stabiele en corrosiebestendige componenten die niet buigen, breken of zwak worden onder extreme hitte en druk. In de begindagen van de straalmotor vertrouwden de prototypes van Sir Frank Whittle op staal. Dit was een sterk en hard materiaal, maar kon de spanningen van de moderne gasturbine niet aan. Staal begint af te breken bij ongeveer 500 ° C (932 ° F).
Door de ongeschiktheid van staal moesten motorfabrikanten op zoek naar een ander soort materiaal. Het Goudlokje-metaal waar fabrikanten zich op vestigden, was nikkel met een beetje chroom erin. Het was licht, het was goedkoop en het was sterk. Het was bestand tegen corrosie en zou zijn integriteit behouden tot 85% van zijn smeltpunt, wat maar liefst 1455 ° C (2651 ° f) is.
Deze vroege superlegeringen zorgden ervoor dat straalmotoren goedkoper, efficiënter en veel gemakkelijker in massaproductie konden worden. Afstammelingen van deze mix zorgen nog steeds voor de structuur in het heetste deel van de gasturbinemotor, die werkt bij temperaturen tot wel 1700 ° C (3000 ° F),
iets hoger dan het smeltpunt van het metaal. Dus hoe waarborgen motorfabrikanten de integriteit van deze onderdelen?
Koel je jets
De eerste strategie is het aanbrengen van een keramische coating, die het binnendringen van de warmte vermindert. Ten tweede wordt koele lucht naar het oppervlak van de bladen gevoerd, van verder naar boven in de motor aangezogen en verdeeld door kleine gaatjes
in het oppervlak van het blad. In een interview met The Engineer legde Rolls-Royce hoofd materialen Neil Glover uit:
"De bladen werken in een omgeving die honderden graden heter is dan het smeltpunt van de nikkellegering, maar vanwege e koelmechanismen komt het metaal nooit boven het smeltpunt, ook al is de omgeving dat wel."
De materiaaltechnologie is zelfs verder gegaan dan dit, door de atomaire structuur van het metaal te herschikken om verlies van integriteit te voorkomen. De kleine kristallen waaruit metalen bestaan, zijn ontworpen om allemaal in dezelfde richting te groeien, om de zwakheden te elimineren die gewoonlijk aan de grenzen van de kristallen worden aangetroffen. Dit betekent dat de bladen in feite als een edelsteen zijn, met een enkel atoomrooster dwars door hun structuur.
De nikkellegeringen zijn in de loop der jaren verder verfijnd door het creëren van nieuwe mixen en het toevoegen van nieuwe elementen. Dit geeft de turbine-ontwerper de ruimte om de perfecte mix voor elk motoronderdeel te creëren.
Een evenwichtsoefening
Naarmate het motorontwerp is geëvolueerd en verbeterd, zijn turbofanmotoren doorgaans groter geworden . Dit komt omdat een groot deel van de gegenereerde stuwkracht het resultaat is van inkomende lucht die wordt omgeleid rond de compressor en turbine. Het verschil in het volume van de lucht die aan de turbine wordt geleverd versus de lucht die eromheen wordt geleid, staat bekend als de 'bypass-verhouding'.
Deze 'bypass stuwkracht' vereist geen directe verbranding van brandstof. Als zodanig is het motorrendement verbeterd door de bypass-verhouding te vergroten, wat betekent dat een motor met een grotere diameter moet worden gecreëerd. Maar hier zit ook een keerzijde aan. De motor groter maken betekent ook de ventilatorsecties groter maken, wat zorgt voor een zwaardere motor. Elke extra kilo gewicht in de ventilatorsectie vereist 2,25 kg extra ondersteuningsstructuur in de motor en vleugel.
Om een deel van het toegenomen gewicht van zuinigere motoren te verminderen, zijn fabrikanten begonnen zich te richten op composietmaterialen als vervanging voor metalen. Keramische matrixcomposieten zijn net zo taai als metalen, maar slechts een derde van het gewicht van nikkellegeringen.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten