De belangrijkste componenten van straalmotoren en hun functies begrijpen

Een straalmotor gebruikt lucht en brandstof om kracht te produceren om stuwkracht uit de uitlaat te leveren of een as aan te drijven die is verbonden met een propeller of rotorbladen. Een straalmotor bestaat uit een koud en een warm gedeelte. Het koude gedeelte omvat de inlaat, bypass-kanalen, compressor, diffusor en aandrijfas. Het hete gedeelte bestaat uit een verbrandingskamer, turbine, mondstuk, naverbrander en uitlaat. De straalmotor werkt door koude lucht aan te zuigen, deze te comprimeren, te mengen met brandstof, te verbranden en vervolgens uit de uitlaat te verdrijven. In dit artikel worden de belangrijkste componenten van de straalmotor verder besproken.

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

Het hete gedeelte van een straalmotor begint bij de verbrandingskamer, ook wel de gasgenerator genoemd. Hier ontstaat heet gas dat zich naar achteren beweegt en zich uitbreidt via de turbinebladen, het supersonische mondstuk, de naverbrander en uiteindelijk via de uitlaat. Het hete gedeelte wordt zo genoemd omdat het het hete gas bevat dat in de verbrandingskamer wordt geproduceerd. Gassen in het uitlaatgasbereik tussen 550 en 850 °C, of ​​tot 1.500 °C met een naverbrander.

1. Verbrander

In de verbrandingskamer worden de lucht en de brandstof gemengd en ontstoken. De verbrandingskamer moet de luchtstroom vertragen van ongeveer 25 tot 150 meter per seconde en in het midden een dode zone creëren waar de vlam wordt ontstoken. De brandstof wordt door de kamer rondgewerveld om een ​​goede vermenging met de lucht te garanderen. De temperatuur van de gassen die vrijkomen uit de verbrandingskamer ligt tussen 1.800 en 2.000 °C. Om te voorkomen dat de kamer smelt, zijn twee dingen nodig. Eerst wordt wat lucht uit de luchtstroom vóór de verbranding geïntroduceerd als grenslaag tussen het hete gas en de kamer. Ten tweede is de verbrandingskamer gemaakt van een titaniumlegering bedekt met een keramische coating. Deze zeer dunne keramische coatings verlagen de materiaaltemperatuur tot ongeveer 300 °C. Titanium verbrandingskamers worden gegoten en vervolgens aan elkaar gelast voordat er een keramische coating wordt aangebracht.

2. Turbine

Het hete gas verlaat vervolgens de verbrandingskamer en zet snel uit. De uitzetting van gas wordt gedeeltelijk geabsorbeerd door de turbinebladen om ze te laten draaien. De turbinebladen zijn via een aandrijfas verbonden met de compressorbladen om nieuwe lucht aan te zuigen. Turbinebladen zijn vervaardigd uit een enkel kristal op nikkelbasis om kruip tussen metalen grenslagen te voorkomen. De turbinebladen zijn bovendien voorzien van een keramische coating om te voorkomen dat ze smelten. Naast de coating hebben de bladen interne luchtkanalen waardoor koude lucht uit gaten in het oppervlak kan ontsnappen en zo een grenslaag voor koele lucht over de bladen ontstaat.

3. Supersonisch mondstuk

Bij de meeste straalmotoren is het uitlaatmondstuk een convergerend kanaal. Het versnelt de gasstroom tot een supersonische snelheid voor introductie in de vrije stroomsnelheid buiten de motor. 

4. Naverbrander

Naverbranders zijn eenvoudigweg brandstofinjectiesystemen die extra brandstof toevoegen aan de naverbranding van het hete gas om voor een korte duur extra vermogen aan de motor toe te voegen. Bij een straalmotor met naverbrander zit er meestal een dubbele wand met daartussen een luchtspleet. Het bestaande hete gas wordt gemengd met een stroom koude lucht vanaf de voorkant van de motor door de ruimte die de binnenwand van de motor wordt genoemd. Dit voorkomt ook dat de warmte wordt overgedragen naar de vliegtuigconstructie. 

5. Uitlaat

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

Wat zijn de onderdelen van het koude gedeelte van een straalmotor?

In het koude gedeelte van de straalmotor bevinden zich de luchtinlaat, de compressor, bypass-kanalen, assen die de compressor- en turbinebladen verbinden, en een diffusorgedeelte. Het koude gedeelte van de motor kan zelfs behoorlijk heet zijn vanwege de wrijving en compressie van lucht die het ervaart.  Het koude gedeelte is echter koud vergeleken met het hete gedeelte van de motor, dat de verbrandingskamer naar de uitlaat vormt.

1. Luchtinlaat

Luchtinlaten lijken eenvoudig, maar zijn in feite behoorlijk complex. De geometrie van een luchtinlaat is convergerend of divergerend. Een convergerende inlaat wordt gebruikt om de lucht te versnellen tot ongeveer 0,5 Mach voor motoren met snelheden onder 0,5 Mach. Uiteenlopende kanalen worden gebruikt om de lucht te vertragen tot 0,5 Mach voor motoren die boven 0,5 Mach werken. De luchtinlaten bevatten ook verwarmingssystemen om de vorming van ijs te voorkomen, waardoor een turbulente stroming in de motor ontstaat en de motor kan afslaan als deze in grote stukken eraf valt. 

2. Schacht

De assen van een gasturbine brengen het vermogen van de turbineschijven aan de achterkant van de motor over naar de compressorbladen aan de voorkant, zodat de compressor lucht kan aanzuigen. Het aantal assen is afhankelijk van de spoel van de motor. Een motor met enkele spoel heeft één compressorschijf, één turbineschijf en één as. Een dubbele spoel heeft twee compressor- en turbineschijven en assen die onafhankelijk van elkaar bewegen. De assen van een straalmotor zijn gemaakt van warmtebehandeld staal omdat ze bestand zijn tegen extreme temperaturen en koppel. Assen worden gewoonlijk uit grote stukken staal vervaardigd met behulp van een draaimachine. 

3. Compressor

Compressoren worden gebruikt om de binnenkomende luchtstroom te comprimeren door de kinetische energie van de lucht te vergroten. De diffusor vertraagt ​​vervolgens de lucht en zet de kinetische energie om in potentiële energie (druk), waardoor de efficiëntie van de motor toeneemt. De compressor kan een radiale stromingswaaier zijn die de stroming naar buiten versnelt naar een diffusor. Of de compressor kan een axiale stromingscompressor zijn die de luchtstroom naar achteren naar een diffuser versnelt. Beide lemmeten zijn traditioneel gemaakt van titanium, aluminium of staal. Titanium heeft vaak de voorkeur vanwege het lichte gewicht en de corrosie- en kruipweerstand. Koolstofvezelbladen worden ook gebruikt, met name in de GEnx-motor. Metalen compressorbladen worden gegoten met gesmolten metaal, gekoeld en vervolgens machinaal bewerkt tot hun uiteindelijke vorm. 

4. Bypasskanalen

Bypasskanalen zorgen ervoor dat lucht die door de bypassventilator wordt gecomprimeerd, rond de buitenkant van de motorkern kan stromen en kan worden gebruikt als stuwkracht of om opnieuw in de motor te worden gebracht voor koelfuncties. De bypass-kanalen vormen een groot deel van de motor en zijn daarom meestal gemaakt van aluminium of koolstofvezel om hun gewicht te verminderen. Aluminium wordt gebruikt om panelen te maken die worden gemonteerd om het kanaal te creëren. Koolstofvezelkanalen worden gemaakt door koolstofvezel in een mal te leggen en deze uit te harden met een hars. Eenmaal uitgehard kunnen de koolstofvezelpanelen op de motor worden geïnstalleerd om het kanaal te creëren. 

5. Ontmantelsectie

Het diffusorgedeelte wordt gebruikt om de kinetische energie van de lucht die door de compressorbladen wordt gecreëerd, om te zetten in potentiële (druk)energie om de verbrandingsefficiëntie te verhogen. Diffusors zijn meestal statorschoepen, in wezen statische compressorbladen die worden gebruikt om de luchtstroom in de motor te vertragen. Statorschoepen worden vervaardigd uit legeringen op staal- of nikkelbasis, zoals Inconel®. 

Wat is een straalmotor?

Een straalmotor is een motor die is opgebouwd uit een luchtinlaat, compressor, diffusor, verbrandingskamer, turbines en uitlaat. Straalmotoren zorgen voor stuwkracht uit de uitlaat of drijven een turbineschijf aan die een propeller of een hoofdrotor van een helikopter aandrijft. De straalmotor werkt volgens een continue cyclus, waarbij te allen tijde een luchtstroom wordt aangezogen, gecomprimeerd, verbrand en uitgestoten. 

Straalmotoren zijn grote, complexe machines die in onderdelen worden geassembleerd. Zodra het ontwerp van een motor is goedgekeurd, moeten de componenten worden vervaardigd. Een deel ervan zal in eigen huis worden gemaakt, maar een groot deel zal van andere bedrijven worden gehaald en vervolgens worden geassembleerd. Zo wordt de Rolls-Royce Trent in acht modules gemaakt. Belangrijke componenten zoals de verbrandingskamer en de compressor worden afzonderlijk gebouwd en vervolgens bij de uiteindelijke productie samengevoegd. Na de montage van de hoofdonderdelen worden accessoires zoals bekabeling en hydrauliek toegevoegd. De laatste productiefase bestaat uit testen, waarbij de motor op een testbank wordt gedraaid om er zeker van te zijn dat deze 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 uit de inlaat aan te zuigen en deze te comprimeren. Compressie wordt bereikt door de lucht snel te versnellen en te vertragen om kinetische energie te creëren en deze om te zetten in drukenergie. De perslucht wordt vervolgens gemengd met brandstof en ontstoken. Het ontstoken mengsel zet dan snel uit. Het uitzettende gas bereikt twee dingen:ten eerste drijft het de turbines aan die de compressor aandrijven om meer lucht aan te zuigen. Ten tweede stuwt het het vliegtuig voort door ofwel snel te vertrekken als stuwkracht door de uitlaatgassen, ofwel door een ander stel turbines aan te drijven die een propeller of hoofdrotorkop van een helikopter aandrijven. 

Hoe worden straalmotoren vervaardigd?

Straalmotoren zijn grote, complexe machines die in onderdelen worden geassembleerd. Zodra het ontwerp van een motor is goedgekeurd, moeten de componenten worden vervaardigd. Een deel ervan zal in eigen huis worden gemaakt, maar een groot deel zal van andere bedrijven worden gehaald en vervolgens worden geassembleerd. Zo wordt de Rolls-Royce Trent in acht modules gemaakt. Belangrijke componenten zoals de verbrandingskamer en de compressor worden afzonderlijk gebouwd en vervolgens bij de uiteindelijke productie samengevoegd. Na de montage van de hoofdonderdelen worden accessoires zoals bekabeling en hydrauliek toegevoegd. De laatste productiefase bestaat uit testen, waarbij de motor op een testbank wordt getest om er zeker van te zijn dat deze voldoet aan de operationele prestatiespecificaties.

Wat zijn de materiaalsamenstellingen van de straalmotor?

Straalmotoren zijn gemaakt van veel geavanceerde, sterke en ook lichtgewicht materialen vanwege de extreme belastingen en omgevingen die ze ervaren. Er is ongelooflijk veel kracht nodig om te vliegen, dus het tot een minimum beperken van het gewicht en het maximaliseren van het vermogen is een belangrijk doel voor fabrikanten van straalmotoren. De meeste materialen zijn metaallegeringen, waaronder:

1. Legeringen op nikkelbasis 
2. Op kobalt gebaseerde legeringen 
3. Titaniumlegering 

Motoren gebruiken ook niet-metalen materialen zoals:

1. Siliciumcarbide 
2. Koolstofvezel 

Het vervaardigen van straalmotoren is uiterst moeilijk vanwege de extreme bedrijfsomstandigheden en de veiligheidseisen waaraan een motor moet voldoen. Straalmotoren zijn onderworpen aan extreme thermische, mechanische en aerodynamische belastingen. Om veiligheidsredenen moeten ze ook een zeer laag uitvalpercentage hebben. Deze twee factoren samen maken de productie van straalmotoren zo moeilijk. 

Bovendien worden sommige onderdelen van straalmotoren 3D-geprint. Hoewel het een uitdaging is om motoronderdelen te printen vanwege de vereiste mechanische eigenschappen, omvat de productie van sommige onderdelen nu deze methode. De GE9X van General Electric heeft 3D-geprinte turbinebladen die het materiaal TiAl gebruiken, dat te bros is om met andere productietechnieken te worden gebruikt. Raadpleeg onze gids over 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie voor meer informatie.

Hoe verloopt de kwaliteitscontrole voor de productie van straalmotoronderdelen?

Veel fabrikanten houden zich aan AS9100, de luchtvaarttegenhanger van het ISO 9001 Quality Management System (QMS). AS9100 is een internationaal erkende standaard die de eisen voor effectief kwaliteitsmanagement vastlegt. De vereisten omvatten het implementeren van werksystemen en het gebruik van de juiste documentatie om ervoor te zorgen dat alle onderdelen van de juiste kwaliteit en traceerbaar zijn.