Lotnictwo cywilne

Jak to się dzieje?

Zasada działania silnika odrzutowego (turbowentylatorowego) - samoloty poddźwiękowe

Silnik odrzutowy - rysunek: Tomasz Elantkowski
Autorem rysunku jest Tomasz Elantkowski.

Jak widzimy na rysunku, główne części silnika odrzutowego to wentylator, sprężarka (najczęściej spotykany typ sprężarki to sprężarka osiowa, ale występują też inne typy sprężarek), komora spalania oraz turbina. W niniejszym opisie ograniczymy się więc tylko do tych części silnika.

W wielkim uproszczeniu... Powietrze trafia wlotem przez wentylator (łopatki osadzone na wale, stanowiące wirnik) do sprężarki (zwanej również kompresorem od ang. compressor). Zadaniem sprężarki jest, jak sama nazwa wskazuje, sprężenie powietrza, czyli wyhamowanie go (zmniejszenie prędkości przepływu) oraz podniesienie jego ciśnienia.

Zanim przejdziemy dalej, niezbędne jest wyjaśnienie, co to jest spręż i co to jest stopień sprężarki.

Sprężem nazywamy stosunek ciśnień na wylocie i wlocie sprężarki.

Zapewne spotkaliście się już gdzieś z pojęciem wielostopniowości sprężarki. Otóż trzeba wiedzieć, że na wentylator silnika lotniczego składają się 2 następujące po sobie "wieńce" (tj. "rzędy") obracających się łopatek. Zwane są one łopatkami wirnika. Po nich następuje pojedynczy wieniec łopatek kierowniczych. Są to łopatki, których wierzchołki skierowane są do środka silnika. Nie są one wirujące tak jak łopatki wirnika, lecz są osadzone na stałe w sprężarce. Otóż wieniec wirujących łopatek wirnika razem z następującym po nim wieńcu osadzonych na stałe łopatek kierownic zwany jest stopniem sprężarki. W jednym stopniu (z wyjątkiem samolotów naddźwiękowych) spręż nie przekracza 1,6. Jak widać, jest zatem nieduży, co więcej, maleje na każdym kolejnym stopniu.

Współczesne sprężarki osiowe mogą wirować z prędkością do 20 000 obrotów na minutę.

Ale wróćmy do zasady działania silnika. Sprężone powietrze trafia do komory spalania. Tam wtryskiwacze podają paliwo. Zmieszane z powietrzem paliwo ulega zapaleniu. Warto zaznaczyć, że podczas rozruchu silnika na ziemi, do zapalenia paliwa wykorzystywana jest świeca zapłonowa. Wracając jednak "w powietrze"... Paliwo ulega zapaleniu. Nadmiar powietrza przy spalaniu jest bardzo duży, dlatego też zapalenie się paliwa prowadzi do powstania gorących gazów wylotowych. Gorące gazy następnie natrafiają na turbinę. Turbina połączona jest wałem ze sprężarką silnika, napędza więc sprężarkę, co powoduje, że silnik może pracować nieprzerwanie. Natomiast ciąg powstaje poprzez "wyrzucenie" gorących gazów (które po przejściu przez turbinę i dyszę wylotową ulegają rozprężeniu i wydostają się na zewnątrz). Strumień gorących gazów "pcha" samolot do przodu.

Trzeba jednak powiedzieć, że nie całe powietrze dostaje się do komory spalania, gdzie znajduje się turbina. Część powietrza opływa turbinę. Większość ciągu powstaje z powietrza, które przelatuje przez turbinę, mimo że to powietrze, które ją omija, także jest przyspieszone (choć oczywiście w mniejszym stopniu niż to, które przechodzi przez turbinę). Każdy silnik posiada współczynnik dwuprzepływowości (bypass ratio) - współczynnik ilości powietrza omijającego turbinę do ilości powietrza przepływającego przez nią. Im wyższy współczynnik dwuprzepływowości, tym wydajniejszy jest silnik (jako że najwięcej paliwa potrzeba na zwiększenie ilości powietrza przepływającego przez turbinę). Np. silnik GEnx ma bypass ratio 10:1, co oznacza, że 10 razy więcej powietrza opływa turbinę niż przechodzi przez nią. Dla porównania, w (bardzo nieekonomicznych) silnikach turboodrzutowych, stosowanych w samolotach ponaddźwiękowych, całe powietrze przepływa przez turbinę (bypass ratio 0:1). Silniki te mogą rozwijać bardzo duże prędkości, ale wymagają ogromnych ilości paliwa.

Pierwszym samolotem pasażerskim o napędzie odrzutowym był de Havilland DH106 Comet, który rozpoczął służbę w 1952. Niestety, na skutek błędów w konstrukcji samolotu (co nie miało jednak związku z konstrukcją silnika) nie odniósł on komercyjnego sukcesu. Stało się tak dlatego, że uległ kilku katastrofom, tak więc w niedługim czasie po wejściu na trasy został on wycofany.
Za pierwszy odrzutowiec pasażerski będący wielkim sukcesem uznaje się zatem Boeinga 707 - samolot, który rozpoczął regularne loty w roku 1958. Był on wyposażony w 4 silniki Pratt & Whitney JT3 o ciągu 4500 kg każdy.

Najbardziej znani producenci odrzutowych silników lotniczych stosowanych w samolotach pasażerskich:

Najczęściej stosowane układy montowania silników to:

Odladzanie silników

Bardzo niebezpieczna sytuacja może powstać w sytuacji oblodzenia wlotu silnika (jak również oblodzenia skrzydeł, ale w tym miejscu chciałem zwrócić uwagę na silniki). Lód osadzający się na wlocie zmniejsza jego przekrój (wynoszący ok. 2 m), a więc również zmniejszyłoby ilość powietrza dostarczonego do silnika. Dlatego też jest powszechnie stosowane ogrzewanie wlotów. Może to być dokonywane elektrycznie lub przy pomocy gorącego powietrza pobieranego ze sprężarki.

Silnik turbowentylatorowy

Silnik turbowentylatorowy to odmiana silnika turboodrzutowego dwuprzepływowego, cechującego się dużym stopniem dwuprzepływowości. Co to jest silnik dwuprzepływowy? Jak podaje Wikipedia, jest to silnik turboodrzutowy, w którym "w którym główny strumień powietrza rozdziela się na przepływ wewnętrzny i przepływ zewnętrzny.
Strumienie powietrza rozdzielają się za pierwszym (lub pierwszymi) stopniami sprężarki silnika. Przepływ zewnętrzny omija dalsze stopnie sprężarki kierując się kanałem wzdłuż całego silnika bezpośrednio w kierunku dyszy wylotowej silnika. Przepływ wewnętrzny kierowany jest na wszystkie stopnie sprężarki i bierze udział w spalaniu paliwa. Energię gazów przekazuje poprzez kilkustopniową turbinę na wał do sprężarki, po czym kieruje się do dyszy wylotowej dając ciąg.
Silnik dwuprzepływowy może mieć jeden wał, jednak częściej spotyka się układy dwóch wałów współosiowych, podobnie jak w silniku turbowentylatorowym.
Konstrukcyjnie jest rozwiązaniem pośrednim pomiędzy silnikiem turboodrzutowym a turbowentylatorowym. Umożliwia on ograniczenie zużycia paliwa na jednostkę ciągu w stosunku do silnika turboodrzutowego, jednak zużycie to jest większe niż w silniku turbowentylatorowym."