Mlazni motor
je motor koji ispu?ta plin koji se kre?e velikom brzinom ostvaruju?i tako silu potiska. Stvorene sile akcije i reakcije djeluju prema tre?em
Newtonovom zakonu
. Dijelimo ih na
turbo-mlazne
,
turbo-ventilatorske
,
turbo-propelerne
i
turbo-osovinske motore
. Svi oni su u stvari
plinske turbine
. Osim njih postoje jo? i
nabojno-mlazni
te
pulsno-mlazni
motori, ali oni se koriste uglavnom za posebne primjene jer mogu startati jedino pri ve?im brzinama leta. Svi ti motori proizvode mlaz plinova koji velikom brzinom izlazi iz ispu?ne cijevi.
"Aeolipile"
Mlaznim motorom mogao bi se nazvati izum
Grka
Herona Aleksandrijskog
, "
aeolipile
",
kugle
s dvije zakrenute mlaznice okomite na radijus rotacije, koje su ispu?tale mlaz vru?e pare i tako okretale kuglu.
Voda
se zagrijavala u posudi a para se prenosila preko cijevi spojenih s kuglom. Heronov izum u to doba nije prepoznat kao mogu?nost kori?tenja mehani?ke sile te je izazvao samo divljenje.
Mlazni pogon ponovno se pojavio u 11. stolje?u kada su
Kinezi
izumili raketu. Ispu?ni plinovi izbacivali su u zrak jednostavne rakete za stvaranje
vatrometa
. Do sljede?eg napretka pro?le su stotine godina.
U
zrakoplovstvu
mlazni je motor na tada?njem stupnju razvoja bio nedjelotvoran.
Tridesetih godina
po?inje se koristiti klipni
motor
koji je zadovoljavao tada niske zahtjeve u osobinama
zrakoplova
. Napretkom tehnologije zrakoplove je u daljnjem razvoju ograni?avao
propeler
kojem se brzina okretanja vi?e nije smjela pove?avati radi mogu?nosti pojave
brzine zvuka
na vanjskim dijelovima krakova ?to bi uzrokovalo pove?anje
otpora
, vibracije i lom propelera i motora. Sve to bila je dodatna motivacija za razvoj plinske turbine, uobi?ajeno nazivane
mlazni motor
. Za zrakoplovstvo otkri?e mlaznog motora zna?ilo je isto ?to i prvi let
bra?e Wright
.
Prvi poku?aji izrade bili su "hibridni" motori kod kojih je
zrak
komprimirao ventilator pokretan klipnim motorom. Zrak pod pritiskom zatim se mije?ao s
gorivom
i u komorama izgaranja izgarao te stvarao potisak. Rje?enje je tra?eno u plinskoj turbini ?iji ?e kompresor pokretati energija ispu?nih plinova.
1929
.
Frank Whittle
, pomo?ni radnik u izgradnji zrakoplova, ponudio je rje?enje za turbo-mlazni motor svojim nadređenima.
16. sije?nja
1930
. Whittle u
Engleskoj
objavljuje svoj prvi patent, kod kojeg dvostupanjski osovinski
kompresor
opskrbljuje jednostrani centrifugalni kompresor. Kasnije je Whittle svoja istra?ivanja posvetio samo jednostavnijem centrifugalnom kompresoru.
1935
.
Hans von Ohain
po?eo je u
Njema?koj
rad na sli?nom projektu ne znaju?i za Whittleov rad.
Whittleov prvi motor pogonjen teku?im gorivom pokrenut je u travnju
1937
. Motor je imao vlastitu pumpu za gorivo te tako radio neovisno. Događaj koji je Whittleov tim doveo do panike bio je nastavak rada motora i nakon zatvaranja dovoda goriva. Naime, gorivo koje nije uspjelo izgorjeti nakupilo se na donjim dijelovima motora i nastavilo izgarati i nakon ga?enja pumpe.
Pet mjeseci poslije pokrenut je i Von Ohainov motor. Pogonjen je mje?avinom goriva i zraka ali je zrak pod pritiskom dovođen iz vanjskog izvora pa motor nije mogao raditi samostalno.
Kako Whittle nije osigurao dovoljne rezerve izgubio je prednost pred Hans von Ohainom. Ohain je svoj dizajn prikazao
Ernstu Heinkelu
, tada jednom od najve?ih graditelja
aviona
koji je odmah prepoznao vrijednosti projekta. U nedavno kupljenoj tvornici motora
Hirth
. Heinkel je Ohaina i njegovog glavnog mehani?ara Maxa Hahna postavio za voditelje novog odjela u kompaniji. Prvi motor pokrenut je u rujnu
1937
. godine upotrebljavaju?i
vodik
kao gorivo i sa zrakom pod pritiskom iz vanjskog izvora. Neprekidna istra?ivanja i promjene u dizajnu rezultirala su motorom na
benzin
snage 5 kN pri?vr??enim na konstrukciju
Heinkel He 178
. S njim je
27. kolovoza
1939
. godine sa
zra?ne luke
Marienehe
uzletio
pilot
Erich Warsitz
. Heinkel He-178 u?ao je u povijest kao prvi mlazni avion.
Osnovno na?elo rada svih mlaznih motora je da se zrak dovodi pod tlakom u komore izgaranja, gdje se mje?a sa gorivom te se izgaranjem stvara jo? ve?i pritisak koji tjera plinove iz komore izgaranja velikom brzinom kroz mlaznicu stvaraju?i time potisak.
Kod mlaznih motora sa turbinom, zrak ulazi u rotiraju?i kompresor kroz usisnik zraka. U kompresoru se zrak komprimira prije ulaska u komore izgaranja gdje se pod tlakom mije?a s gorivom. Proces izgaranja dovodi do velikog porasta temperature te vru?i plinovi stvoreni gorenjem velikom brzinom prolaze kroz turbinu i okre?u je, zatim kroz ispu?nu cijev izlaze iz motora. Turbina pogoni kompresor s kojim je spojena preko osovine. Efikasnost mlaznog motora najvi?e ovisi o omjeru ulaznog tlaka u kompresor i komprimiranog zraka prije ulaska u komore izgaranja te ulazne temperature na turbinu.
Osnovni dijelovi sli?ni su kod svih tipova mlaznih motora ?to ne zna?i da svi sadr?e sve navedene dijelove. Osnovni dijelovi su:
- Usisnik zraka
dio je konstrukcije aviona i motora koji omogu?ava dovod stabilne struje zraka do kompresora. Kod podzvu?nih aviona usisnik je konstrukcijski nezahtijevan. Sastoji se od
aerodinami?ki
oblikovanog otvora kako bi stvarao ?to manji otpor i kako bi ?to manje remetio strujanje zraka. Zrak koji dolazi do kompresora mora imati manju brzinu od brzine zvuka ?to kod nadzvu?nih aviona zahtijeva kompleksnu konstrukciju usisnika koja ?e tu brzinu smanjiti na podzvu?nu, tako da se usisnici dijele na podzvu?ne i nadzvu?ne usisnike.
Osovinski kompresor
- Kompresor
je dio mlaznog motora koji sabija zrak. Kompresor mo?e biti aksijalni, centrifugalni ili kombinacija obojega. Aksijalni kompresor koristi niz rotiraju?ih diskova na kojima su u?vr??ene lopatice aerodinami?kog oblika, profila sli?nog
profilu krila
, koje progresivno sabijaju zrak. Nepokretne statorske lopatice, smje?tene iza svakog rotiraju?eg diska, usmjeravaju strujanje zraka na sljede?i rotiraju?i disk. Prostor prolaska strujanja zraka se smanjuje prema izlazu iz kompresora, smanjuje se brzina i pove?ava tlak. Brzina ni u kojem dijelu ne smije pre?i brzinu zvuka. Kompresor preko osovine pokre?e turbina, a radi bolje iskoristivosti kompresor se obi?no izvoodi u dva ili vi?e zasebna stupnja (kompresor niskog tlaka i kompresor visokog tlaka)
- Osovina
prolazi skoro kroz cijelu du?inu motora i spaja turbinu s kompresorom. Broj osovina ovisi o broju turbina. Svaka turbina je sa zasebnom osovinom (jedna kroz drugu) spojena s dijelom koji pokre?e i vrti se neovisno raznim brzinama.
Komore izgaranja
Turbine mlaznog motora
- Komore izgaranja
su glavni dio mlaznog motora, a nalaze se između kompresora i turbine. U njima izgara smjesa zraka i goriva stvaraju?i visoki tlak. Zbog izuzetno visoke temperature na izlaz iz komora izgaranja dovodi se zrak iz kompresora koji smanjuje temperaturu ispu?nih plinova. Protok zraka iz kompresora dijeli se na primarni, onaj koji se mije?a s gorivom i sagorijeva u komorama izgaranja, i sekundarni koji struji oko komora (i jednim dijelom kroz otvore ulazi u komore i zadr?ava plamen u sredini) spu?taju?i temperaturu na zadovoljavaju?u vrijednost.
- Turbina
je rotiraju?i disk na koji su u?vr??ene lopatice aerodinami?kog oblika. Vru?i plin koji izlazi iz komora izgaranja usmjerava se preko statorskih lopatica na turbinske lopatice te ih okre?e. Turbina zatim preko osovine pokre?e kompresor. Kod turboventilatorskih i turbo-prop motora turbina također pogoni ventlator ili propeler, a turbina se, kao i kompresor, radi bolje iskoristivosti izvodi u vi?e stupnjeva pa tako visokotla?na turbina pogoni visokotla?ni kompresor, a niskotla?na turbina pogoni ili niskotla?ni kompresor, ili propeler odnosno ventilator. Relativno hladan zrak uzima se od kompresora i usmjerava na lopatice turbine kako bi se sprije?ilo njihovo pregrijavanje.
- Mlaznica
(
eng.
nozzles
) dio je motora poslije turbine kojoj je osnovni zadatak dovođenje pritiska ispu?nih plinova na atmosferski nivo ?ime se naglo pove?ava njihova brzina. Ako brzina ispu?nih plinova prelazi brzinu leta stvoren je pozitivni potisak.
- Ispu?na cijev
dio je kroz koji vru?i plinovi izlaze iz motora. U ve?ini slu?ajeva konstantnog su promjera. Kod nadzvu?nih aviona ispu?na cijev na jednom se dijelu su?ava pove?avaju?i time brzinu plinova.
- Naknadno izgaranje
je sustav koji proizvodi pove?anje snage dodavanjem goriva u dio ispu?ne cijevi. Gorivo zbog temperatura koje na tom dijelu vladaju odmah izgara pove?avaju?i dodatno temperaturu i brzinu ispu?nih plinova. Koristi se uglavnom na vojnim avionima radi smanjenja uzletno-sletne staze kao i u letu prilikom potrebe za naglim pove?anjem brzine. Zbog velikih temperatura koje se stvaraju, naknadno izgaranje smije se koristiti ograni?eno kratko vrijeme.
Mlazne motori se dijele na ?etiri osnovne skupine:
Turbo-reaktivni motor
Shema turbo-mlaznog motora
Turbo-mlazni motori
najstariji su i najjednostavnija vrsta mlaznog motora koji se ugrađuje na
zrakoplove
s ve?im brzinama i malog ?eonog presjeka te na turbo-prop zrakoplove.
Zrak kroz usisnik ulazi u kompresor gdje se stla?uje prije ulaska u komore izgaranja. Stla?eni zrak zatim se mije?a s gorivom i u vrtlo?nom strujanju zapaljuje u stabilizatorima plamena. Stabilizator plamena smanjuje brzinu vrtlo?nih strujanja radi sprje?avanja izbacivanja plamena iz komora izgaranja. Proces izgaranja znatno pove?ava temperaturu plinova koji izlaze iz komora izgaranja i ?ire?i se prolaze kroz turbinu. Turbina preko osovine rotira kompresor. ?irenjem ispu?nim plinovima pada temperatura i tlak koji su i dalje iznad vanjskih uvjeta. Struja plinova zatim prolazi kroz mlaznike gdje joj se smanjuje tlak ali i stvara velika brzina mlaza koji kroz ispu?nu cijev izlazi iz motora. Ako moment sile ispu?ne struje zraka prelazi moment ulazne struje, stvorena je pozitivna sila potiska. Opis shematskog prikaza:
Compressor
: kompresor;
Turbine
: turbina;
Nozzle
: mlaznik;
Combustion chamber
: komore izgaranja;
Shaft
: osovina.
Turbo-ventilatorski motor
[
uredi
|
uredi kod
]
Turbo-ventilatorski motor
Shema turbo-ventilatorskog motora
Turbo-ventilatorski motor
(turbofen) dvoproto?ni je motor kod kojeg se zrak prvo stla?uje pomo?u prednjeg ventilatora (fena), dio zraka ulazi u kompresor, a dio obilaze?i jezgru motora, odlazi u atmosferu ili ulazi u prostor iza turbine mije?aju?i se s ispu?nim plinovima prije ulaska u mlaznice. Dana?nji turbo-fen motori imaju nisku vrijednost specifi?nog potiska (stvoreni potisak podijeljen ulaznim strujanjem zraka) ?to motor ?ini ti?im i ekonomi?nijim. Suprotno, "bypass" omjer (omjer između koli?ine zraka koji prolazi kroz jezgru motora s koli?inom zraka koja obilazi jezgru motora) relativno je velik i iznosi od 4:1 sve do 8:1. Opis shematskog prikaza:
Fan
: ventilator (fen);
High pressure Compressor
: kompresor visokog pritiska;
High pressure shaft
: osovina kompresora visokog pritiska;
High pressure turbine
: turbina visokog pritiska;
Low-pressure Compressor
: kompresor niskog pritiska;
Low-pressure shaft
: osovina kompresora niskog pritiska;
Low-pressure turbine
: turbina niskog pritiska;
Nozzle
: mlaznik;
Combustion chamber
: komore izgaranja.
Turbo-propelerni motor
[
uredi
|
uredi kod
]
Turbo-prop motor
Shema turbo-prop motora
Turbo-propelerni motori
ve?inu energije mlaza ispu?nih plinova koriste za pokretanje turbine koja preko osovine direktno ili preko zup?anika pokre?e
propeler
. Brzina vrtnje propelera uglavnom je nepromjenjiva. Sila potiska koju stvaraju ti motori neznatna je. Motori se ugrađuju na manje putni?ke i
cargo
zrakoplove koji lete na manjim visinama i manjim brzinama. Kao i ostali mlazni motori sastoji se od usisnika zraka, kompresora, komora izgaranja i turbina. Zrak koji ulazi u kompresor sabija se. Gorivo se dodaje sabijenom zrakom te smjesa izgara u komorama izgaranja. Vru?i plinovi stvoreni procesom izgaranja prolaze kroz turbine. Dio stvorene energije tro?i se na pokretanje turbine za pogon kompresora a preostala energija pokre?e turbinu za pogon propelera. Opis shematskog prikaza:
Prop
: propeler;
Gearbox
: reduktor;
Compressor
: kompresor;
Turbine
: turbina;
Exhaust
: ispu?na cijev;
Shaft
: osovina;
Combustion chamber
: komore izgaranja.
Turbo-osovinski motor
[
uredi
|
uredi kod
]
Shema turbo-osovinskog motora
Turbo-osovinski motori
dio energije mlaza ispu?nih plinova koriste za pokretanje osovine. Glavna razlika prema turbo-prop mlaznim motorima u tome je da preostali ispu?ni plinovi stvaraju određeni potisak. Druga razlika je u prijenosniku sila koji je sastavni dio zrakoplova a ne motora. Motor se naj?e??e ugrađuje u
helikoptere
kod kojeg pogonska osovina motora preko prijenosnih zup?anika pokre?e rotor. Opis shematskog prikaza:
Compressor
: kompresor;
Combustion chamber
: komore izgaranja;
Compressor turbine
: turbina kompresora;
Free power turbine
: pogonska turbina osovine;
Exhaust
: ispu?na cijev;
Power shaft
: pogonska osovina.
- The Jet engine
Rolls-Royce, Derby 1969, 1971, 1973, 1986.
ISBN
0-902121-04-9
- The Jet engine
Rolls-Royce, 65 Buckingham Gate, London SW1E 6AT, England,
ISBN
0-902121-23-5
- Klaus Hunecke -
Flugtriebwerke. Ihre Technik und Funktion
, Motorbuchverlag, Stuttgart 1978.
ISBN
3-87943-407-7
- Willy J.G. Braunling -
Flugzeugtriebwerke.
Springer, Berlin 2004,
ISBN
3-540-40589-5
- Reinhard Muller -
Luftstrahltriebwerke, Grundlagen, Charakteristiken, Arbeitsverhalten
, Verlag Vieweg, Braunschweig 1997,
ISBN
3-528-06648-2
- Gotsch, Ernst -
Luftfahrzeugtechnik
, Motorbuchverlag, Stuttgart 2003,
ISBN
3-613-02006-8