Begrip van de hoofcomponenten van een straalmotor en hun functies

Een straalmotor gebruikt lucht en brandstof om vermogen te produceren om ofwel duwt uit de uitlaat te leveren of een as aan te drijven die verbonden is met een schroef of rotorblaadjes. Een straalmotor bestaat uit een koude en een warme sectie. De koude sectie omvat de inlaat, bypasskanalen, compressor, diffuser en aandrijfas. De warme sectie bestaat uit een verbrandingskamer, turbine, dijk, afterburner en uitlaat. De straalmotor werkt door koude lucht in te trekken, te comprimeren, te mengen met brandstof, te verbranden en vervolgens uit de uitlaat te expelleren. In dit artikel worden de hoofcomponenten van de straalmotor nader besproken.

Wat zijn de onderdelen van de warme sectie van een straalmotor?

De warme sectie van een straalmotor begint bij de verbrandingskamer, ook bekend als de gasgenerator. Dit is waar heet gas wordt gecreëerd en achterwaarts beweegt, uitdijtend door de turbinebladen, supersonische dijk, afterburner en tenslotte door de uitlaat. De warme sectie wordt als zodanig aangeduid omdat het het hete gas bevat dat in de verbrandingskamer geproduceerd wordt. Gassen in de uitlaat varieren tussen 550–850 °C, of tot 1.500 °C met een afterburner.

1. Verbrander

De verbrandingskamer is waar de lucht en brandstof worden gemengd en ontsteekt. De verbrandingskamer moet de luchtstroom vertragen van ongeveer 80–500 ft/s en een dode zone in het midden creëren waar de vlam wordt ontsteekt. De brandstof wordt rond de kamer gewerveld om een juiste menging met de lucht te garanderen. De temperatuur van de gassen vrijgekomen uit de verbrandingskamer ligt in het bereik van 1.800–2.000 °C. Om te voorkomen dat de kamer smelt, zijn twee dingen nodig. Ten eerste wordt een deel van de lucht uit de pre-verbrandingsluchtstroom als grenslaag tussen het hete gas en de kamer geïntroduceerd. Ten tweede is de verbrandingskamer gemaakt van een titaniumlegering gecoat met een keramische coating. Deze zeer dunne keramische coatings verlagen de materiaaltemperatuur naar ongeveer 300 °C. Titanium verbrandingskamers worden gegoten en vervolgens samengeweest voordat een keramische coating wordt aangebracht.

2. Turbine

Het hete gas verlaat dan de verbrandingskamer en drijft met hoge snelheden uit. De uitdijting van gas wordt deels geabsorbeerd door de turbinebladen om ze te laten draaien. De turbinebladen zijn via een aandrijfas verbonden met de compressorbladen om nieuwe lucht in te trekken. Turbinebladen worden vervaardigd uit een enkele nikkel-gebaseerde legeringkristal om kruip tussen metaalgrenslagen te voorkomen. De turbinebladen zijn ook gecoat met een keramische coating om smelting te voorkomen. Naast de coating hebben de bladen interne luchtkanaals die een koude luchtbloed laten uitstromen uit gaten op het oppervlak om een koele luchtgrenslaag over de bladen te creëren.

3. Supersonische dijk

In de meeste straalmotoren is de uitlaatdijk een convergerende kanaal. Het versnelt de gasstroom tot een supersonische snelheid voor introductie in de vrije stroomsnelheid buiten de motor.

4. Afterburner

Afterburners zijn simpelweg brandstofinjektiesystemen die extra brandstof toevoegen aan het hete gas na verbranding om voor korte duur extra vermogen aan de motor toe te voegen. Voor een straalmotor met een afterburner is er meestal een dubbele wand met een luchtruimte ertussen. Het bestaande hete gas wordt gemengd met een stroom koude lucht van de voorkant van de motor door de ruimte genaamd de interne wand van de motor. Dit voorkomt ook dat warmte overgedragen wordt aan de vliegtuigstructuur.

5. Uitlaat

Uitlaatgassen die de uitlaat verlaten liggen in het bereik van 550–850 °C. Om deze condities te weerstaan, is de uitlaat gemaakt van een nikkellegering of titaniumlegering. Een veelvoorkomende nikkellegering is Inconel®.

Wat zijn de onderdelen van de koude sectie van een straalmotor?

Binnen de koude sectie van de straalmotor zit de luchteinlaat, compressor, bypasskanalen, assen die de compressor- en turbinebladen verbinden, en een diffusersectie. De koude sectie van de motor kan eigenlijk behoorlijk heet zijn door de wrijving en compressie van lucht die het ervaart. Echter, de koude sectie is koud vergeleken met de warme sectie van de motor, wat de verbrandingskamer tot de uitlaat is.

1. Luchteinlaat

Luchteinlaten lijken simpel maar zijn in feite vrij complex. De geometrie van een luchteinlaat is ofwel convergerend ofwel divergerend. Een convergerende inlaat wordt gebruikt om lucht te versnellen tot ongeveer 0,5 Mach voor motoren die snelheden onder 0,5 Mach hebben. Divergerende kanalen worden gebruikt om de lucht te vertragen tot 0,5 Mach voor motoren die boven 0,5 Mach opereren. Luchteinlaten incorporeren ook verwarmingssystemen om de opbouw van ijs te voorkomen wat turbulente stroom in de motor creëert en de motor kan stallen als het in grote stukken afvalt.

2. As

De assen van een gasturbine transmitteren vermogen van de turbineschijven in het achterste deel van de motor naar de compressorbladen aan de voorkant om de compressor in staat te stellen lucht in te trekken. Het aantal assen hangt af van de spool van de motor. Een enkele spool motor heeft één compressorschijf, één turbineschijf en één as. Een tweespool heeft twee compressor- en turbineschijven en assen die onafhankelijk van elkaar bewegen. De assen van een straalmotor zijn gemaakt van warmtebehandeld staal omdat ze extreme temperaturen en koppel moeten weerstaan. Assen worden gemeenschappelijk uit grote stukken staal gefreesd met behulp van een draaibank.

3. Compressor

Compressoren worden gebruikt om de binnenkomende luchtstroom te comprimeren door de kinetische energie van de lucht te verhogen. De diffuser vertraagt dan de lucht en zet de kinetische om in potentiële energie (druk) wat de efficiëntie van de motor verhoogt. De compressor kan een radiale stroomwieltje zijn dat de stroom naar buiten versnelt naar een diffuser. Of de compressor kan een axiale stroomcompressor zijn die luchtstroom achterwaarts versnelt naar een diffuser. Beide bladen zijn traditioneel gemaakt van titanium, aluminium of staal. Titanium wordt vaak bevorzugd vanwege het lichte gewicht en de corrosie- en kruipweerstand. Koolstofvezelbladen zijn ook in gebruik, met name in de GEnx-motor. Metaalcompressorbladen worden gegoten met vloeibaar metaal, afgekoeld en vervolgens gemachineerd tot hun definitieve vorm.

4. Bypasskanalen

Bypasskanalen laten door de bypasswaaier gecomprimeerde lucht rond de buitenkant van de motorkern reizen en worden ofwel als duw gebruikt of voor herinvoering in de motor voor koelfuncties. De bypasskanalen zijn een groot deel van de motor, dus ze worden meestal gemaakt van aluminium of koolstofvezel om hun gewicht te verminderen. Aluminium wordt gebruikt om panelen te maken die gemonteerd worden om de kanaal te creëren. Koolstofvezelkanalen worden gemaakt door koolstofvezel in een vorm te leggen en te harden met een hars. Eenmaal uitgehard kunnen de koolstofvezelpanelen op de motor gemonteerd worden om de kanaal te creëren.

5. Diffusersectie

De diffusersectie wordt gebruikt om de kinetische energie van de lucht gecreëerd door de compressorbladen om te zetten in potentiële (druk) energie om de verbrandefficiëntie te verhogen. Diffusers zijn meestal statorveinen wat eigenlijk statische compressorbladen zijn die gebruikt worden om de luchtstroom in de motor te vertragen. Statorveinen worden geproduceerd uit staal of nikkel-gebaseerde legeringen zoals Inconel®.

Wat is een straalmotor?

Een straalmotor is een motor samengesteld uit een luchteinlaat, compressor, diffuser, verbrandingskamer, turbines en uitlaat. Straalmotoren zullen ofwel duw uit de uitlaat leveren of een turbineschijf drijven die een schroef of helikopter-hoofdrotor aandrijft. De straalmotor werkt op een continue cyclus waarbij te allen tijde een stroom lucht wordt ingetrokken, gecomprimeerd, verbrand en uitgeblazen.

Straalmotoren zijn grote, complexe machines die in delen gemonteerd worden. Eenmaal het ontwerp van een motor goedgekeurd is, moeten de componenten geproduceerd worden. Sommige worden in-house gemaakt, maar veel worden van andere bedrijven gebracht en dan gemonteerd. Bijvoorbeeld, de Rolls-Royce Trent wordt in acht modules gemaakt. Hoofdcomponenten zoals de verbrandingskamer en compressor worden apart gebouwd en dan bij de eindproductie samengebracht. Na de assemblage van de hoofddelen worden accessoires zoals kabels en hydraulica toegevoegd. De eindfase van productie is testen, waarbij de motor op een testbed wordt gedraaid om te garanderen dat het voldoet aan de operationele prestatiespecificaties. Voor meer informatie, zie onze gids over Wat is Aluminium Gieten?

Hoe werkt de straalmotor?

Een straalmotor werkt door lucht in te trekken via de inlaat en te comprimeren. Compressie wordt bereikt door lucht snel te versnellen en te vertragen om kinetische energie te creëren en om te zetten in drukenergie. De gecomprimeerde lucht wordt dan gemengd met brandstof en ontsteekt. Het ontsteekte mengsel drijft dan snel uit. Het uitdijgende gas bereikt twee dingen: ten eerste drijft het de turbines die de compressor aandrijven om meer lucht in te trekken. Ten tweede drijft het het vliegtuig voort door ofwel snel als duw de uitlaat te verlaten of door een ander stel turbines aan te drijven die een schroef of hoofdtor van een helikopter aandrijven.

Hoe worden straalmotoren geproduceerd?

Straalmotoren zijn grote, complexe machines die in delen gemonteerd worden. Eenmaal het ontwerp van een motor goedgekeurd is, moeten de componenten geproduceerd worden. Sommige worden in-house gemaakt, maar veel worden van andere bedrijven gebracht en dan gemonteerd. Bijvoorbeeld, de Rolls-Royce Trent wordt in acht modules gemaakt. Hoofdcomponenten zoals de verbrandingskamer en compressor worden apart gebouwd en dan bij de eindproductie samengebracht. Na de assemblage van de hoofddelen worden accessoires zoals kabels en hydraulica toegevoegd. De eindfase van productie is testen, waarbij de motor op een testbed wordt gedraaid om te garanderen dat het voldoet aan de operationele prestatiespecificaties.

Wat zijn de materiaalsamenstellingen van de straalmotor?

Straalmotoren zijn gemaakt uit veel geavanceerde, sterke en ook lichte materialen door de extreme belasting en omgevingen die ze ervaren. Het kost een ongelooflijke hoeveelheid kracht om te vliegen, dus gewicht minimaliseren terwijl vermogen maximaliseren is een sleuteldoel voor straalmotorfabrikanten. De meeste materialen zijn metalen legeringen die onder andere omvatten:

1. Nikkel-gebaseerde legeringen
2. Cobalt-gebaseerde legeringen
3. Titaniumlegering

Motoren gebruiken ook niet-metalen materialen zoals:

1. Siliciumcarbide
2. Koolstofvezel

Het produceren van straalmotoren is extreem moeilijk vanwege hun extreme bedrijfsomstandigheden alsook de veiligheidseisen waaraan een motor moet voldoen. Straalmotoren zijn onderworpen aan extreme thermische, mechanische en aerodynamische belasting. Ze moeten ook een zeer lage foutkans hebben om veiligheidsredenen. Deze twee gecombineerde factoren maken het produceren van straalmotoren zo moeilijk.

Daarnaast worden sommige onderdelen van straalmotoren 3D-geprint. Hoewel het uitdagend is om motoronderdelen te printen door de vereiste mechanische eigenschappen, omvat de productie van sommige onderdelen nu deze methode. General Electric's GE9X heeft 3D-geprinte turbinebladen die het materiaal TiAl gebruiken dat te broos is om met andere productietechnieken te worden gebruikt. Voor meer informatie, zie onze gids over 3D-printen in de luchtvaartindustrie.

Hoe is de kwaliteitscontrole voor het produceren van straalmotorcomponenten?

Veel fabrikanten houden zich aan AS9100 wat het luchtvaart-gegenhanger is van het ISO 9001 Kwaliteitsmanagementsysteem (KMS). AS9100 is een internationaal erkende standaard die de eisen voor effectief kwaliteitsmanagement vastlegt. De eisen omvatten het implementeren van werksystemen en het gebruik van de correcte documentatie om te garanderen dat alle onderdelen van de juiste kwaliteit en traceerbaar zijn.