Hoe werken turbofan-motoren?

Een nadere blik op hoe moderne straalmotoren werken.

Wanneer fabrieksgiganten zoals Boeing of Airbus meestal een nieuw vliegtuigtype lanceren, is het belangrijkste cijfer bijna altijd hoe zuinig het nieuwe vliegtuig is in vergelijking met zijn voorganger. Vaker wel dan niet, is bijna alle brandstofbesparing terug te voeren op verbeteringen in de motoren. Maar hoe werken turbofanmotoren precies ?

Het basisprincipe:

Voordat we ingaan op de complexe techniek van een moderne turbofanmotor , laten we eerst de basis begrijpen van hoe vliegtuigen vliegen. Heel algemeen gesproken, vliegtuigen hebben twee dingen nodig om de lucht in te gaan: lift en stuwkracht. Lift is de opwaartse kracht die wordt gegenereerd door de vleugels, terwijl stuwkracht kan worden gedefinieerd als voorwaartse impuls die afkomstig is van de motoren van een vliegtuig.

Passagiers zien tijdens het reizen alleen een grote ventilator aan de voorkant en een relatief kleine uitlaatpijp aan de achterkant van een straalmotor , maar er is veel meer aan de hand tussen deze twee componenten. De belangrijkste componenten van een turbofanmotor zijn het ventilatorblad, een compressorgedeelte, de verbrandingskamer, turbines en de uitlaat.

Een turbofanmotor werkt in vier eenvoudige stappen: zuigen, knijpen, knallen en blazen , net zoals verbrandingsmotoren in wegvoertuigen. Aan de voorkant wordt lucht door de enorme ventilator de motor in gezogen. De lucht met hoge snelheid komt dan in de tweede trap, waar het wordt gecomprimeerd met behulp van lagedruk- en hogedrukcompressorbladen, in die volgorde. Tegen die tijd is de lucht tot 40 keer dichter dan normaal, met temperaturen die een paar honderd graden bereiken. De gecomprimeerde lucht komt dan in de verbrandingskamer, waar brandstof wordt gespoten in een poging om de twee te mengen. Het mengsel wordt vervolgens ontstoken, wat resulteert in de snelle expansie van de gassen, die uiteindelijk uit de uitlaatpijpen worden uitgehoest.

De derde bewegingswet van Newton stelt dat elke actie een gelijke en tegengestelde reactie heeft. In dit geval zullen uitlaatgassen die de motor met hoge snelheid verlaten, het vliegtuig voortstuwen met een gelijke en tegengestelde kracht, ook wel bekend als stuwkracht.

Omleidingsratio

Hoewel u nu de basiswerking van een turbofanmotor kent, is er nog één cruciaal detail dat u moet begrijpen. Wanneer lucht de motor binnenkomt via de grote inlaatventilator, gaat niet alles naar de motorkern. Een groot deel van de binnenkomende lucht reist tussen de motorkap en de buitenste laag van de kern. Deze lucht staat bekend als bypass-lucht omdat deze aan de achterkant naar buiten komt maar niet door de motorkern gaat. Het is echter vermeldenswaard dat bypass-lucht ook stuwkracht genereert. In feite produceert het meer dan de helft van de totale stuwkracht van de motor.

Simpel gezegd, hoe hoger de bypass-ratio van een motor, hoe efficiënter deze zal zijn, omdat de kern slechts verantwoordelijk is voor het genereren van een klein deel van de totale motorstuwkracht. Er kan zelfs worden gezegd dat de belangrijkste functie van de kern is om de inlaatventilator van stroom te voorzien om de bypass-lucht op capaciteit te laten stromen. Dit maakt een moderne turbofanmotor aanzienlijk efficiënter dan oudere turbojetmotoren die nu voornamelijk in gevechtsvliegtuigen worden gebruikt.

De hoeveelheid lucht die wordt verdeeld tussen het bypass-pad en de motorkern staat bekend als bypass-lucht en wordt meestal geïdentificeerd door de bypass-verhouding. Een bypass-verhouding van 12:1 betekent dat voor elke 12 eenheden lucht die door het bypasskanaal gaan, één eenheid wordt toegevoerd aan de motorkern.

Omdat de bypass-lucht nog steeds door de motorinlaatventilator stroomt, zal deze een iets hogere snelheid hebben in vergelijking met de buitenkant. Als gevolg hiervan wordt ook enige stuwkracht gegenereerd wanneer bypass-lucht de motor verlaat.

Hoe werken de inlaatventilator en compressorturbines?

De grote inlaatventilator aan de voorzijde van de motor wordt aangedreven door de motor zelf. Wanneer het lucht-brandstofmengsel wordt verbrand, worden de resulterende hete gassen door een reeks turbines geleid die concentrisch zijn verbonden met de inlaatventilator. Op deze manier wordt een klein deel van het door de motor opgewekte vermogen besteed aan het draaiende houden van de ventilator.

De compressorturbines in de "squeeze"-fase worden ook op een vergelijkbare manier aangedreven. De meeste moderne turbofanmotoren hebben twee concentrische assen die door het midden lopen, een voor de inlaatventilator en een andere voor de compressorturbines.