Grundläggande översikt
Bilden ovan visar hur en jetmotor skulle vara placerad i ett modernt militärflygplan. I den grundläggande jetmotorn kommer luften in i det främre intaget och komprimeras (vi kommer att se hur senare). Därefter tvingas luften in i förbränningskammare där bränsle sprutas in och blandningen av luft och bränsle antänds. Gaser som bildas expanderar snabbt och släpps ut genom bakre delen av förbränningskamrarna. Dessa gaser utövar lika stor kraft i alla riktningar och ger framåtgående dragkraft när de släpps ut bakåt. När gaserna lämnar motorn passerar de genom en fläktliknande uppsättning blad (turbin) som roterar en axel som kallas turbinaxel. Denna axel roterar i sin tur kompressorn och för på så sätt in en ny tillförsel av luft genom intaget. Nedan visas en animation av en isolerad jetmotor, som illustrerar processen med luftinflöde, kompression, förbränning, luftutflöde och rotation av axeln som just beskrivits.
Processen kan beskrivas med följande diagram som hämtats från webbplatsen för Rolls Royce, en populär tillverkare av jetmotorer.
Denna process är kärnan i hur jetmotorer fungerar, men hur exakt sker något som kompression (pressning)? Du hittar mer information om vart och ett av de fyra stegen i skapandet av dragkraft i en jetmotor nedan.
SUGNING
Motorn suger in en stor mängd luft genom fläkt- och kompressorstegen. En typisk kommersiell jetmotor suger in 1,2 ton luft per sekund under startenmed andra ord skulle den kunna tömma luften i en squashbana på mindre än en sekund. Den mekanism genom vilken en jetmotor suger in luften är till stor del en del av kompressionssteget. I många motorer ansvarar kompressorn både för att suga in luften och för att komprimera den. Vissa motorer har en extra fläkt som inte är en del av kompressorn för att suga in ytterligare luft i systemet. Fläkten är den mest till vänster liggande komponenten i den motor som illustreras ovan.
SQUEEZE
Förutom att suga in luft i motorn trycker kompressorn också upp luften och levererar den till förbränningskammaren. Kompressorn visas i bilden ovan precis till vänster om elden i förbränningskammaren och till höger om fläkten. Kompressionsfläktarna drivs från turbinen med en axel (turbinen drivs i sin tur av luften som lämnar motorn). Kompressorer kan uppnå kompressionsförhållanden på över 40:1, vilket innebär att trycket på luften i slutet av kompressorn är över 40 gånger högre än trycket på den luft som kommer in i kompressorn. Vid full effekt roterar bladen på en typisk kommersiell jetkompressor i 1600 km/h och tar in 1200 kg luft per sekund.
Nu ska vi diskutera hur kompressorn faktiskt komprimerar luften.
Som framgår av bilden ovan blir de gröna fläktarna som kompressorn består av successivt allt mindre och mindre, liksom det hålrum som luften måste ta sig igenom. Luften måste fortsätta att röra sig åt höger, mot motorns förbränningskammare, eftersom fläktarna snurrar och trycker luften i den riktningen. Resultatet är att en given mängd luft rör sig från ett större utrymme till ett mindre, och därmed ökar trycket.
BANG
I förbränningskammaren blandas bränsle med luft för att ge upphov till bang, som står för den expansion som tvingar in luften i turbinen. I en typisk kommersiell jetmotor brinner bränslet i förbränningskammaren vid upp till 2 000 grader Celsius. Den temperatur vid vilken metaller i denna del av motorn börjar smälta är 1300 grader Celsius, så avancerade kyltekniker måste användas.
Förbränningskammaren har den svåra uppgiften att förbränna stora mängder bränsle, som tillförs genom bränslespridarmunstycken, med stora luftvolymer, som tillförs av kompressorn, och att släppa ut den resulterande värmen på ett sådant sätt att luften expanderas och accelereras så att den ger en jämn ström av jämnt uppvärmd gas. Denna uppgift måste utföras med minsta möjliga tryckförlust och med maximal värmeavgivning inom det begränsade tillgängliga utrymmet.
Mängden bränsle som tillsätts till luften beror på den temperaturhöjning som krävs. Den maximala temperaturen är dock begränsad till ett visst intervall som dikteras av de material som turbinbladen och munstyckena är tillverkade av. Luften har redan värmts upp till mellan 200 och 550 °C av det arbete som utförts i kompressorn, vilket ger ett temperaturhöjningsbehov på cirka 650 till 1150 °C från förbränningsprocessen. Eftersom gastemperaturen bestämmer motorns dragkraft måste förbränningskammaren kunna upprätthålla en stabil och effektiv förbränning under ett stort antal driftförhållanden.
Den luft som förs in av fläkten och som inte går genom motorns kärna och därmed inte används för förbränning, vilket uppgår till cirka 60 procent av det totala luftflödet, förs successivt in i flamröret för att sänka temperaturen i förbränningskammaren och kyla flamrörets väggar.
BLOW
Reaktionen av den expanderade gasenBlandningen av bränsle och luft som tvingas genom turbinen driver fläkten och kompressorn och blåser ut ur avgasmunstycket som ger dragkraft.
Turbinen har alltså till uppgift att tillhandahålla kraft för att driva kompressorn och tillbehören. Det gör den genom att utvinna energi ur de heta gaser som frigörs från förbränningssystemet och expandera dem till ett lägre tryck och en lägre temperatur. Det kontinuerliga gasflöde som turbinen utsätts för kan komma in i turbinen vid en temperatur på mellan 850 och 1700 °C, vilket återigen ligger långt över smältpunkten för dagens materialteknik.
För att producera det drivande vridmomentet kan turbinen bestå av flera steg, var och en med en rad rörliga blad och en rad stationära ledskovlar för att styra luften på önskat sätt mot bladen. Antalet steg beror på förhållandet mellan den effekt som krävs från gasflödet, den rotationshastighet vid vilken den måste produceras och den tillåtna diametern på turbinen.
Den önskan att producera en hög motoreffekt kräver en hög turbininloppstemperatur, men detta medför problem eftersom turbinbladen skulle behöva prestera och överleva långa driftsperioder vid temperaturer över deras smältpunkt. Dessa blad måste, även om de glöder glödande, vara tillräckligt starka för att klara av centrifugalbelastningen till följd av rotationen vid hög hastighet.
För att fungera under dessa förhållanden tvingas kall luft ut genom många små hål i bladet. Denna luft förblir nära bladet och hindrar det från att smälta, men försämrar inte nämnvärt motorns totala prestanda. Nickellegeringar används för att konstruera turbinbladen och dysans styrskivor eftersom dessa material uppvisar goda egenskaper vid höga temperaturer
.