Základní přehled
Výše uvedený obrázek ukazuje umístění proudového motoru v moderním vojenském letadle. V základním proudovém motoru vstupuje vzduch do předního sání a je stlačován (později uvidíme jak). Poté je vzduch vháněn do spalovacích komor, kde je do něj nastříkáno palivo a směs vzduchu a paliva je zapálena. Vzniklé plyny se rychle rozpínají a jsou odváděny zadní částí spalovacích komor. Tyto plyny působí stejnou silou ve všech směrech a při úniku dozadu poskytují tah vpřed. Když plyny opouštějí motor, procházejí soustavou lopatek ve tvaru ventilátoru (turbíny), která otáčí hřídelí zvanou turbínový hřídel. Tato hřídel zase otáčí kompresorem, čímž přivádí čerstvý vzduch přes sání. Níže je uvedena animace izolovaného proudového motoru, která znázorňuje právě popsaný proces přívodu vzduchu, stlačování, spalování, odvodu vzduchu a otáčení hřídele.
Proces lze popsat následujícím schématem převzatým z webových stránek společnosti Rolls Royce, populárního výrobce proudových motorů.
Tento proces je podstatou fungování proudových motorů, ale jak přesně dochází k něčemu takovému, jako je komprese (stlačování)? Chcete-li se dozvědět více o každém ze čtyř kroků při vytváření tahu proudovým motorem, podívejte se níže:
Vysávání
Motor nasává velký objem vzduchu prostřednictvím ventilátoru a kompresorového stupně. Typický komerční proudový motor nasaje při vzletu 1,2 tuny vzduchu za sekundujinými slovy, dokázal by vyprázdnit vzduch na squashovém kurtu za méně než sekundu. Mechanismus, kterým proudový motor nasává vzduch, je z velké části součástí kompresního stupně. V mnoha motorech je kompresor zodpovědný jak za nasávání vzduchu, tak za jeho stlačování. Některé motory mají přídavný ventilátor, který není součástí kompresoru a který nasává do systému další vzduch. Ventilátor je nejlevější součástí motoru znázorněnou výše.
KOMPRESOR
Kromě nasávání vzduchu do motoru kompresor také vzduch stlačuje a dodává ho do spalovací komory. Kompresor je na výše uvedeném obrázku zobrazen hned vlevo od ohně ve spalovací komoře a vpravo od ventilátoru. Kompresorové ventilátory jsou poháněny hřídelí od turbíny (turbína je zase poháněna vzduchem, který opouští motor). Kompresory mohou dosahovat kompresního poměru přes 40:1, což znamená, že tlak vzduchu na konci kompresoru je více než 40krát vyšší než tlak vzduchu, který do kompresoru vstupuje. Při plném výkonu se lopatky typického komerčního proudového kompresoru otáčejí rychlostí 1000 km/h (1600 km/h) a nasávají 2600 liber (1200 kg) vzduchu za sekundu.
Nyní se budeme zabývat tím, jak kompresor vzduch vlastně stlačuje.
Jak je vidět na obrázku výše, zelené ventilátory, které tvoří kompresor, se postupně zmenšují a zmenšují, stejně jako dutina, kterou musí vzduch projít. Vzduch se musí nadále pohybovat doprava, směrem ke spalovacím komorám motoru, protože ventilátory se točí a tlačí vzduch tímto směrem. Výsledkem je, že se dané množství vzduchu přesouvá z většího prostoru do menšího, a tím se zvyšuje tlak.
BANG
Ve spalovací komoře se palivo mísí se vzduchem a vzniká bang, který je zodpovědný za expanzi, která tlačí vzduch do turbíny. Uvnitř typického komerčního proudového motoru hoří palivo ve spalovací komoře při teplotě až 2000 stupňů Celsia. Teplota, při které se kovy v této části motoru začínají tavit, je 1300 stupňů Celsia, takže se musí používat pokročilé techniky chlazení.
Spalovací komora má obtížný úkol spalovat velké množství paliva, přiváděného rozprašovacími tryskami, s rozsáhlými objemy vzduchu, přiváděnými kompresorem, a uvolňovat vzniklé teplo takovým způsobem, aby se vzduch rozpínal a urychloval a vytvářel plynulý proud rovnoměrně ohřátého plynu. Tento úkol musí být splněn s minimální ztrátou tlaku a s maximálním uvolněním tepla v omezeném prostoru, který je k dispozici.
Množství paliva přidaného do vzduchu závisí na požadovaném zvýšení teploty. Maximální teplota je však omezena na určitý rozsah daný materiály, z nichž jsou vyrobeny lopatky a trysky turbíny. Vzduch byl již ohřát na teplotu 200 až 550 °C prací vykonanou v kompresoru, což dává požadavek na zvýšení teploty přibližně o 650 až 1150 °C z procesu spalování. Protože teplota plynu určuje tah motoru, musí být spalovací komora schopna udržet stabilní a účinné spalování v širokém rozsahu provozních podmínek motoru.
Vzduch přiváděný ventilátorem, který neprochází jádrem motoru a není tedy použit ke spalování, což činí asi 60 % celkového průtoku vzduchu, je postupně přiváděn do plamenné trubice, aby se snížila teplota uvnitř spalovacího prostoru a ochladily se stěny plamenné trubice.
VZDUCH
Reakce expandovaného plynusměsi paliva a vzduchu, který je protlačován turbínou, pohání ventilátor a kompresor a vyfukuje se z výfukové trysky a zajišťuje tah.
Takto má turbína za úkol poskytovat energii pro pohon kompresoru a příslušenství. Toho dosahuje tím, že získává energii z horkých plynů uvolňovaných ze spalovacího systému a expanduje je na nižší tlak a teplotu. Nepřetržitý proud plynu, kterému je turbína vystavena, může do turbíny vstupovat při teplotě 850 až 1700 °C, což je opět vysoko nad bodem tání současných technologií materiálů.
Pro vytvoření hnacího momentu se turbína může skládat z několika stupňů, z nichž každý využívá jednu řadu pohyblivých lopatek a jednu řadu stacionárních vodicích lopatek, které usměrňují vzduch podle potřeby na lopatky. Počet stupňů závisí na vztahu mezi výkonem požadovaným z proudu plynu, rychlostí otáčení, při které musí být vyroben, a povoleným průměrem turbíny.
Snaha o dosažení vysoké účinnosti motoru vyžaduje vysokou vstupní teplotu turbíny, což však způsobuje problémy, protože lopatky turbíny by musely pracovat a přežít dlouhou dobu provozu při teplotách nad bodem tání. Tyto lopatky, přestože žhnou do červena, musí být dostatečně pevné, aby unesly odstředivé zatížení způsobené rotací při vysokých otáčkách.
Pro provoz za těchto podmínek je chladný vzduch vytlačován z mnoha malých otvorů v lopatkách. Tento vzduch zůstává v blízkosti lopatek, čímž zabraňuje jejich roztavení, ale nijak výrazně nesnižuje celkový výkon motoru. Ke konstrukci lopatek turbíny a vodicích lopatek trysky se používají slitiny niklu, protože tyto materiály vykazují dobré vlastnosti při vysokých teplotách
.