TRYSKOVÉ MOTORY. Turbínové motory. Bezturbínové motory. Raketové motory. Turbokompresorový motor (jednoproudový)

Transkript

1 Turbínové motory TRYSKOVÉ MOTORY Turbokompresorové (jednoproudové) Turbodmychadlové (dvouproudové) Turbovrtulové Bezturbínové motory Náporové Raketové motory Na tuhé pohonné látky Na kapalné pohonné látky Hybridní Turbokompresorový motor (jednoproudový) Je nejjednodušší turbínový motor. Vzduch je nasáván vstupním ústrojím, v kompresoru je stlačen, ve spalovací komoře je mu při konstantním tlaku hořením paliva dodána tepelná energie. Na rozváděcím kole turbíny je část tepelné energie převedena na energii kinetickou. Rychle proudící plyny roztáčí oběžné kolo turbíny, ta pohání kompresor. Tlak za turbínou je ještě vysoký a tak jsou plyny vedeny do výstupní trysky, která část zbývající tlakové energie převede na energii kinetickou - rychle vystupující plyny z motoru vyvozují vlastní tah. Nadzvukové letouny mají motory ještě s přídavným spalováním (forsáž) ve výstupní trysce. První TK motory se objevily ve 30. letech. Koncem druhé světové války prošly prvním bojovým nasazením. Okamžitě po válce začal jejich velký rozmach a velká část projektů nových letounů se začala opírat právě o TK motory. Zlaté časy končí v 70. a 80. letech, kdy se ke slovu dostávají turbodmychadlové motory. První dvě desetiletí 21. století budou pravděpodobně znamenat konec většiny dosluhujících turbokompresorových motorů. Tah turbokompresorových motorů je s přídavným spalováním až 200 kn. Animace: Mig21 tah motoru s přídavným spalováním(forsážní) 64kN 1

2 Turbodmychadlový motor - (dvouproudový) Turbodmychadlové motory se na letounech objevily v polovině 60. let minulého st.. V 80. letech už byly samozřejmostí nově projektovaných proudových letounů. Dodnes je to nejvhodnější koncepce pro letouny dosahující maximálních rychlostí 900 až cca 2500 km/h, pro velké dopravní letouny se dnes hodnota jejich tahu blíží ke 450 kn. Činnost motoru je podobná jako u turbokompresorového. Za první turbínou, pohánějící vysokotlaký kompresor, je ale umístěna druhá turbína pro pohon nízkotlakého kompresoru - dmychadla. Nízkotlaký kompresor je umístěn na vstupu motoru. Část vzduchu z nízkotlakého kompresoru proudí do jádra motoru, zbývající část stlačeného vzduchu protéká kolem jádra a ve výstupní trysce je urychlena, čímž je vyvozen tah. V mnoha případech bývají motory vybaveny přídavným spalováním - forsáží. Používají se dva druhy těchto motorů: Motory s nízkým obtokovým poměrem (do 2), se dvěma hřídeli. Jsou používány u menších letounů, např. pro vojenská podzvuková i nadzvuková letadla stíhačky. L39 Albatros podzvukový motor tah 16kN turbodmychadlový motor VOLVO švédského nadzvukového bojového letounu JAS 39 Gripen tah s přídavným spalováním (forsážní) 80kN DMYCHADLO SPALOVACÍ KOMORA KOMORA PŘÍDAVNÉHO SPALOVÁNÍ KOMPRESOR TURBÍNY VÝSTUPNÍ TRYSKA vstup výstup 2

3 Motory s vysokým obtokovým poměrem (nad 3), se třemi hřídeli. Jádro motoru je pro efektivnější činnost vybaveno dvěma hřídeli, třetí hřídel spojuje dmychadlo s nízkotlakou turbínou. Vnější a vnitřní proud se před výstupem nemísí. Aninace: Airbus A je poháněn čtyřmi dvouproudovými motory Rolls-Royce o tahu 249 kn každý Turbodmychadlové motory mají oproti turbokompresorovým tyto výhody: Výstupní rychlost plynů je menší, ale motorem protéká větší množství vzduchu - využití palivem dodané energie na tah je efektivnější = klesá měrná spotřeba paliva. Smísením horkých spalin z jádra a studeného vzduchu z vnějšího proudu klesá teplota výstupních plynů. Díky zvýšení průtoku vzduchu a snížení rychlosti výstupních plynů klesá hlučnost. Turbovrtulový motor Jednopoudové motory pracují při nízké rychlosti letu s nižší účinností, proto pro pomalé letouny vznikly motory turbovrtulové. Horní hranice, kdy jsou ještě vrtulové motory efektivnější než proudové je cca km/h. Efektivnost už ale začíná klesat od rychlosti zhruba 550 km/h, při které začíná být rychlost proudění vzduchu přes vrtulové listy příliš velká, a vznikají turbulence. U turbovrtulového motoru byl přidán reduktor otáček a vrtule. Ty jsou poháněny turbínou. Je snaha o to, aby turbíny využily veškerou energii spalin, protože tah není vyvoláván proudem horkého plynu, ale vrtulí urychleným vzduchem. Stále jsou a budou to nejlepší motory pro řadu dnešních a budoucích letounů, u kterých není priorita vysoká rychlost, ale ekonomičnost provozu. Nejvyšší výkon na hřídeli takovýchto motorů dosahuje hodnoty kw 3

4 Největší vojenský dopravní letoun Airbus A400M 4 turbovrtulové motory o výkonu na vrtuli kw Náporový motor Tento motor nemá rotující součásti. Ke stlačení vzduchu dojde jeho náporem při vysoké vstupní rychlosti. Do vzduchu je přidáno palivo a zapáleno. Horké plyny expandují tryskou ven a vyvozují tah. Turbína není vzhledem k absenci kompresoru zapotřebí. Nevýhodou těchto motorů je, že efektivně pracují jen při vysokých rychlostech (řádově M=1 a více). Při nulové rychlosti nepracují a proto je letoun s těmito motory nutné nejprve urychlit na provozní rychlost jeho náporových motorů. Výhodou je ale vysoká účinnost při vysokých rychlostech, kdy je stlačení vzduchu opravdu vysoké. Na vstup se kinetická energie vstupujícího vzduchu mění na tlak. Ve spalovacím prostoru je přidána tepelná energie, expandující spaliny pak vystupují tryskou. V praxi jsou náporové motory určeny pro vysoké nadzvukové rychlosti. Dobrá efektivnost při vysokých rychlostech, relativně jednoduchá konstrukce a možnost provozu na atmosférický kyslík činí z náporových motorů ideální pohonnou jednotku pro rychlé řízené střely s dlouhým doletem. 4

5 Princip vzniku tahu proudových motorů Proudový motor je ve své podstatě stále jen tepelný motor, jehož pracovní cyklus přibližně odpovídá cyklu čtyřdobému motoru ve vašem autě. Fáze pracovního cyklu jsou stejné - nasátí, komprese, zapálení, expanze. Proudové motory mají ale tu výhodu, že všechny fáze probíhají najednou a tak motor dává při stejné velikosti více výkonu než motor pístový. Vyvození tahu Vše se opírá o Newtonův zákon akce a reakce - na každou akci existuje protiakce (reakce). V případě pohonu letadel je akcí prohnání vzduchu přes motor a jeho rychlé vyfouknutí zadní částí, reakcí je potom síla = tah, tlačící motor vpřed. Tah je tedy síla tlačící motor vpřed, je vyvozen urychlením vzduchu, který motorem prochází. Jde tedy o rozdíl hybnosti vzduchu vstupujícího do motoru a hybnosti vzduchu z motoru vystupujícího. Po odvození vychází jednoduchý vztah F [N]... výsledný tah Q [kg/s]... průtočné množství vzduchu v výstup [m/s].. rychlost výstupních plynů v vstup [m/s]... rychlost vstupních plynů F = Q. (v výstup - v vstup ) U proudových motorů je průtok vzduchu hnacím zařízením (vlastní motor) menší než průtok hnacím zařízením vrtulových motorů (vrtule), je ale podstatně větší urychlení vzduchu. K tahu se váže další charakteristická veličina, a to poměr tahu ke hmotnosti motoru. Dalo by se říci, že toto číslo určuje konstrukční kvalitu motoru. Hodnota poměru tahu ke hmotnosti je například u nejstarších motorů mezi 1 až 2, současné nejrozšířenější motory vyvinuté v 70. a 80. letech mají poměr 5 až 8, nejmodernější typy už dosahují a nebo překračují úctyhodných 10 : 1. Termodynamický děj, který zajišťuje dodání energie procházejícímu plynu, je u všech motorů obdobný. Atmosférický vzduch je nasáván do motoru Vzduch je kompresorem stlačen Ve spalovací komoře je do stlačeného vzduchu přidáno palivo a spáleno. Tlak zůstává téměř stejný, ale výrazně vzroste teplota. Horké spaliny zvýšily svůj objem a mají tendenci opustit spalovací komoru do místa s nižším tlakem - směrem vzad. Plyny expandují přes turbínu, která jim ubere část energie pro pohon kompresoru. Ve výstupní trysce je zbývající tlaková a tepelná energie převedena na energii kinetickou - plyny z motoru rychle vystupují a vyvozují tah. 5

6 U turbínových motorů není spalovací prostor uzavřen, takže po zapálení paliva nevzrůstá tlak, ale objem plynu. Naopak u pístových motorů je prostor uzavřen a tak se zvýší tlak, objem zůstává v okamžiku spalování téměř konstantní. Právě díky několikanásobně vyššímu špičkovému tlaku u pístových motorů musí být jejich válce masivní, ale spalovací komory tryskových motorů jsou z žáruvzdorného plechu. Konstrukční části tryskových proudových motorů Vstup vzduchu Vstupní ústrojí zajišťuje přívod potřebného množství vzduchu do motoru a při letu obvykle zvýšení statického tlaku vzduchu ještě před vstupem do samotného motoru. Vstupy vzduchu se dělí na podzvukové a nadzvukové. Dmychadlo Dmychadlo, někdy nazýváno nízkotlaký kompresor, vyvozuje hlavní tah dvouproudových motorů. Pracuje s nižšími otáčkami, neurychluje proud tolik jako jádro motoru, ale protéká jím velké množství vzduchu, díky čemuž je efektivnější a provoz dvouproudových motorů ekonomičtější. Je poháněno turbínou. Kompresor Stlačuje vzduch vstupující do motoru. Spalovací komora Ve spalovací komoře je hořením paliva dodána vzduchu tepelná energie, plyn expanduje, zvyšuje svou rychlost a v trysce vyvozuje tah. Turbína Odebírá plynu vystupujícímu ze spalovací komory část kinetické energie a využívá ji pro pohon dmychadla, kompresoru popřípadě vrtule. Výstupní tryska Převádí tepelnou a tlakovou energii plynu na energii kinetickou. Bez vhodné trysky by motor dosahoval podstatně nižšího tahu. Vrtule Jedná se o klasickou vrtuli, která je přes reduktor otáček napojena na hřídel turbíny motoru. U turbovrtulových motorů vytváří vrtule hlavní a prakticky i jediný tah. Přídavné spalování - forsáž Slouží ke krátkodobému zvýšení výkonu motoru o 20-50% díky vstřikování paliva do proudu plynů za turbínou. Je to umožněno díky tomu, že tento proud plynů stále 6

7 obsahuje dostatek kyslíku pro další hoření. Při přídavném spalování ale dramaticky roste měrná spotřeba paliva, a to i o více než o 200%. V konečném důsledku je spotřeba paliva za jednotku času až 5x tak velká jako spotřeba při maximálním výkonu bez přídavného spalování. Obraceč tahu Obraceč tahu neboli reverz otáčí většinu z motoru vycházejících plynů o vpřed a vyvozuje opačný tah. Otočení plynů se může provádět několika způsoby, například vyklopením rozměrných deflektorů za trysky motoru nebo ještě před trysky. Obraceče se používají pouze u dvouproudových motorů a slouží výhradně k couvání nebo brždění, vždy jen na zemi. Obraceče se využívají u mnohých dopravních a transportních letounů, u bojových letounů pouze ojediněle. Raketové motory Ke své činnosti nepotřebují atmosférický kyslík a jsou tak vhodné pro prostředky létající v extrémních výškách nebo až zcela mimo naši atmosféru. Raketové motory mohou mít obrovský výkon. Pro "normální" letectví jsou ale nepoužitelné, vzhledem k nutnosti nést množství paliva a okysličovadla, i když kyslíku je i desítky kilometrů nad zemským povrchem dostatek. Na druhé straně pro prostředky, kde je potřeba vysokého výkonu po krátkou dobu (řízené a neřízené střely) jsou raketové motory maximálně vhodné. Nepotřebují totiž drahé a složité komponenty jako je kompresor a turbína a jak bylo řečeno, po dobu obvykle ne déle než několika desítek sekund dokáží poskytnout obrovský tah. Motor na tuhé pohonné hmoty pracuje tak, že postupně odhořívá tuhá náplň válcového zásobníku paliva. Takový motor nemá okysličovadlo, nedá se regulovat jeho výkon a pokud je jednou spuštěn, není možné jej zastavit. Díky jednoduchosti konstrukce jsou tyto motory vhodné například pro vojenské střely do hmotnosti řádově stovek kilogramů. U řízených střel je tah několik desítek kn vyvozen po dobu přibližně 10 sekund. Druhým příkladem mohou být startovací rakety raketoplánů, každá vyvíjí tah kn po dobu 120 sekund. Motor na kapalné pohonné hmoty má dvě nádrže - jedna na palivo a druhá na okysličovadlo. Lze regulovat výkon, je možné jej spustit a zase zastavit. Použití pro svoji složitost a cenu je reálné pouze v kosmických raketách. SATURN IV Hybridní motor má tuhé palivo a kapalné okysličovadlo. zpracováno dle kde je k dané problematice mnohem více 7