Jetmotorn - en nygammal uppfinning

Rickard Norström KTH, Stockholm 19990309
Klicka på bilderna för en större bild med bildtext

Ända sedan människan lärde sig flyga har det funnits
en önskan att kunna bygga en motor enligt Newtons tredje lag:
Varje kraft har en lika stor och motriktad reaktionskraft.
Redan de gamla grekerna kände till att en luftström kunde
flytta materia. Hero byggde en konstruktion på 100-talet
e.Kr. som visade principen för jetmotorn.

Historik

Turbojetmotorn som vi känner den utvecklades under 1930- och 1940-talet av engelsmannen Frank Whittle, senare sir Frank Whittle, och tysken Han von Ohain oberoende av varandra. Det första flygplanet med jetmotor som flög var det tyska Heinkel He-178 som med en motor av von Ohain gjorde sin jungfruflygning i augusti 1939. Innan dess hade försök i mindre skala utförts. Gasturbinens princip patenterades redan 1791 av engelsmannen John Barber. Turbojetmotorn utgörs i stort sett av en gasturbin. Skillnaden är att i ställe t för att ta ut kraften med en axel från turbinen så används avgasernas kraft till framdrivning. För start av turbojetmotorn måste i de flesta fall en starthjälp användas. Starthjälpen är en elektrisk motor som sätter fart på jetmotorn så att processen ka n starta. I början av 1900-talet utvecklades ytterligare varianter av jetmotorn, ramjetmotorn och pulsjetmotorn. Båda dessa skiljer sig från turbojetmotorn och gasturbinen genom att de inte har någon fläkt som suger in luft till förbränningskammaren. Detta innebär att de måste ha någon form av starthjälp. Ramjetmotorn används idag bara till robotar och missiler. Pulsjetmotorn användes under andra världskriget till V1-raketen. Dessa varianter av turbojetmotorn kommer jag ta upp mer i slutet av artikeln.

Turbojetmotorn

Den moderna turbojetmotorn, består av ett antal "undersystem" nämligen kompressor, inloppsdiffusor, brännkammare, turbin och utloppsmunstycke. En del militära turbojetmotorer har dessutom en efterbrännkammare ansluten efter motorn, denna ökar dragkraften avsevärt men också bränsleförbrukningen.

Inloppsdiffusorn
Inloppsdiffusorn arbetar tillsammans med kompressorn för att komprimera luften. Inloppsdiffusorn används nästan uteslutande av höghastighetsflygplan t.ex. stridsflygplan. Vid höga överljudshastigheter komprimerar diffusorn luften mer än kompressorn. Man kan ändra geometrin hos inloppsdiffusorn mekaniskt för att anpassa formen till flyghastigheten.

Kompressorn
Den första delen i turbojetmotorn är inloppsfläkten och kompressorn. Inloppsfläkten suger in luft utifrån och kompressorn komprimerar den genom att höja hastigheten och leda in luften i brännkammaren. Kompressorn består numera ofta av två delar, en lågtry ckskompressor och en högtryckskompressor. Anledningen är att en del av luften leds utanför brännkamrarna s.k. dubbelströmsmotor som förklaras senare. Kompressorn komprimerar luften genom att ha skovelhjul med snedställda blad, ungefär som en propeller med en massa propellerblad. Mellan skovelhjulen finns det stationära blad som är tvärställda mot luftflödet. När skovelhjulen sätter fart på luften så bromsas den upp av de tvärställda bladen och på så sätt ökar trycket och temperaturen på luften. När luften har passerat både lågtryckskompressorn och högtryckskompressorn har trycket ökat ca 30 ggr och temperaturen till 1100 grader (C). För att öka kompressionen och på så sätt få in mer luft till brännkamrarna kan man spruta in vatten i kompressorn. Vattnet kyler ner luften och ökar dess densitet. Detta medför att mer luft trycks in i brännkammaren och mer kraft kan utvinnas. Dock väger den mängd vatten som behövs ganska mycket så metoden används endast vid start då det krävs ökad dragkraft.

Brännkammaren
Brännkammaren är egentligen flera brännkammare som ligger runt om motorn. Luften leds in i brännkammaren från kompressorn genom hål i brännkamrarnas väggar och blandas där med bränsle av fotogentyp som kontinuerligt sprayas in i brännkammaren i en fin dim ma. Hålen i brännkammarens väggar är avvägda så att blandningen av luft och bränsle är perfekt. Samtidigt som luften strömmar in i brännkammaren genom håligheterna så kyler den väggarna och hindrar flammorna att tränga ut ur brännkammaren. Bränsle-luftblandningen förbränns under hög värme och rusar sedan ut mot turbinen och utloppsmunstycket. När turbojetmotorn startas så åstadkommer man den första tändningen med ett tändstift men så fort reaktion har startat behövs inte tändstiften längre då förbränningen är kontinuerlig.

Turbinen
När luften kommer till turbinen så lämnar den under tryckfall och temperatursänkning en del av sin energi genom att få turbinen att snurra. Det finns lika många turbiner som det finns kompressordelar d.v.s. om en turbojetmotor har två kompressorer, en låg tryckskompressor och en högtryckskompressor, så har den också en lågtrycksturbin, som driver lågtryckskompressorn, och en högtrycksturbin, som driver högtryckskompressorn. Kraften från turbinerna överförs med en genomgående axel. Om det finns fler än en t urbin så ligger axlarna i varandra d.v.s. att den yttre axeln är ett rör som har en eller flera axlar inuti sig. Turbinbladen måste vara uppbyggda av speciella material och legeringar, bl.a. mellan metaller och keramiska material s.k. cermets. Dessa är extremt lätta, hållbara och värmetåliga. Detta för att luften från brännkamrarna håller en väldigt hög temperatur. Ett annat sätt att hålla nere temperaturen i turbinen är att leda luft förbi brännkamrarna och leda in luften framför eller på kanterna av turbinbladen. På så sätt får man en tunn hinna av kall luft som skyddar turbinbladen från de höga temperaturerna som luften håller.

Utloppsmunstycket
För att få ut maximal dragkraft ur jetmotorn skulle utloppsmunstycket behöva kunna expandera luften från brännkamrarna till samma tryck som den omgivande luften. För att detta skall fungera så blir utloppsmunstycket väldigt stort och tungt så man använder istället kortare munstycken som är lättare men minskar motorprestandan något.

För underljudsflygplan använder man utloppsmunstycken med fast geometri som smalnar av i utloppsändan. Flygplan som flyger i överljudshastighet måste ha ett utloppsmunstycke som först smalnar av för att sedan utvidgas igen. Midjan och öppningen på munstyc ket kan ändras för att anpassa flödet och expansionen som krävs för olika hastigheter och flyghöjder.

Efterbrännkammaren
Efterbrännkammaren är egentligen en ramjetmotor, ramjetmotorn beskrivs senare, som kopplats till turbojetmotorn efter turbinen. I de fall efterbrännkammare finns sitter utloppsmunstycket fastsatt efter efterbrännkammaren.

I efterbrännkammaren sitter bränslemunstycken som sprutar in bränslet som en fin dimma, liksom i brännkammaren, och kvarvarande syre i den varma utloppsluften bränns vilket resulterar i ökad dragkraft. Efter bränslemunstyckena sitter flamstabiliserande k analer. Dessa kanaler producerar virvlar i luftströmmen som gör att förbränningen blir stabil och behålla förbränningen inuti efterbrännkammaren. Ett kylgaller inne i efterbrännkammaren förhindrar att höljet överhettas och tar skada av de höga temperature rna som bildas.

Övrig utrustning
Övriga delar av turbojetmotorn tar sin kraft från någon av turbinernas axlar genom växellådor och axlar. Dessa system är t.ex. bränslepump, oljepump, varvräknare och i vissa fall en elektrisk startgenerator. Till motorn hör också en hel del mät- och kontrollutrustning som hela tiden övervakar temperaturer och tryck i olika delar av motorn. Genom att mäta tryck och temperatur i inloppsdiffusorn, känna av gaspådraget och varvtalet på turbinen så räknar kontroll systemet ut den nödvändiga bränslemängden. Kontrollsystemet mäter också hela tiden temperaturen på den luftström som går genom turbinen för att strypa bränsletillförseln om denna överstiger tillåten temperatur vilket skulle överhetta och skada turbinen.
Dragkraftsreversering
Dragkraftsreversering är ett supplement till luftbromsar och hjulbromsar vid landning. Dragkraftsreverseringen fungerar genom att man mekaniskt avleder luftströmmen framåt så att den arbetar som en bromsande kraft. Avledningen sker genom att en skopa fäll s ner i luftströmmen och leder ut strömmen i luckor på sidan av motorn. Dragkraftsreverseringen är mest effektiv vid relativt höga hastigheter direkt efter landning. Om ett flygplan står still och dragkraftsreverseringen kopplas in skulle flygplanet börja rulla bakåt.

Varianter av Turbojetmotorn

Det finns olika varianter av turbojetmotorn tillverkade. De första turbojetmotorerna var av radialkompressortyp. Radialkompressormotorn har en centrifugalkompressor som suger in luften och sedan ökar trycket på luften genom att slunga den mot väggarna på jetmotorn. Denna motortyp har lägre kompression, lägre effektivitet och större diameter som ger ökat luftmotstånd och har numer blivit utkonkurrerad av axialkompressormotorer. I axialkompressormotorn går luftströmmen hela tiden i motorns längdriktning och luften ändrar inte riktning lika mycket som i radialkompressormotorn. Därmed ökar effektiviteten och diametern på motorn kan minskas. För att få maximal effektivitet med jetmotorn bör hastigheten på luften vara ungefär dubbelt så stor som flygplanets hastighet. När man ökar dragkraften ökar även hastigheten på luften som lämnar motorn och då minskar effektiviteten. Detta problem kom man förbi genom att låta luft passera utanför brännkamrarna och blandas med förbränningsluften efter förbränningen, dubbelströmsmotorn var född.

Dubbelströmsmotorn
Dubbelströmsmotorn (eng. "bypass engine") arbetar genom att låta de två eller tre första stegen i lågtryckskompressorn fungera som fläkt åt luftmängden som går i fläktkanaler utanför brännkamrarna. Den luften blandas efter turbinen med luften som gått genom brännkamrarna och kyler ned denna. Genom detta bibehåller man effektiviteten och ökar dragkraften vid start och höjdökning. En variant av dubbelströmsmotorn är turbofläktmotorn som används av de flesta kommersiella jetflygplan. Turbofläktmotorn har en stor fläkt som suger in luft till kompressorn och "bypass luft". En modern turbofläktmotor med en fläkt på 3m i diameter suger i sig ca 1500 kg luft per sekund under start. Det motsvarar luften i två stycken normalstora villor.

Turbopropmotorn
Turbopropmotorn Turbopropmotorn är egentligen en turbojetmotor med ett extra turbinpaket installerat efter den vanliga turbinen som tar upp så mycket som möjligt av kraften som är kvar i luftströmmen. Detta turbinpaket, som kallas kraftturbin", är kopplat till en propeller med en axel och en växellåda som växlar ner turbinhastigheten till en hastighet som passar propellern. Turbopropmotorn är väldigt effektiv för flygplan som flyger relativt lågt och s akta, ca 600 km/h och 10000 m.

Ramjetmotorn
Ramjetmotorn Ramjetmotorn är den enklaste formen av jetmotor och har inga roterande delar. Ramjetmotorn utgörs i stort sett av en turbojetmotor utan kompressor med kontinuerlig förbränning och utlopp på ungefär samma sätt. Ramjetmotorn åstadkommer tillräcklig kompression genom att "ramma" luften, d.v.s. sänka hastigheten under tryckökning i inloppsdiffusorn. Detta innebär att ramjetmotorn kräver relativt höga hastigheter för att kunna användas. Ramjetmotorns största användningsområden är missiler som antingen släpps från flygplan och på så sätt har en hög utgångshastighet eller så har de en startraket med fast bränsle.

Pulsjetmotorn
Pulsjetmotorn arbetar ungefär likadant som ramjetmotorn med några få undantag.
* Det är ingen kontinuerlig insprutning av bränsle, det sprutas in i pulser.
* Inloppet har ett system med jalusier som omväxlande öppnas och stängs.
Arbetsmönstret hos pulsjetmotorn är så här: Jalusierna öppnas och luft trycks in i brännkammaren och blandas med bränsle. Jalusierna i öppningen stängs och luft-bränsle blandningen exploderar, vilket ökar trycket på luften som rusar ut bakåt genom utlo ppsventilen. Trycket i brännkammaren sjunker och blir lägre än utanförvarande lufttryck. Jalusierna öppnas och luft trycks in i brännkammaren för en ny cykel. Pulsjetmotorn är mest känd som motor till tyskarnas V-1 raketer under andra världskriget.

Litteraturlista

* Bonniers Lexikon, AB Nordiska Uppslagsböcker -64
* McGraw-Hill: Encyclopedia of Science & Technology 7:e utgåvan -92 ISBN nr 0-07-909206-3
* Flygets Världshistoria, AB Allhem Malmö -66
* "How a jet engine works" (http://www.allison.com/www/school/jet/home.html) januari 1998
* "intro to the jet" (http://members.aol.com/sbailliez/aerospace/engine/index.html) januari 1998
* " Jet engine theory" (http://www.aviation-history.com/engines/theory.html) januari 1998
* "Pratt & Whitney homepage" (http://lamb.pweh.com/engine) januari 1998

Skriv gärna något trevligt i min gästbok