Kun nouset lentokoneeseen, olet ehkä huomannut tuon pienen pyörteen eli valkoisen hasardin aivan moottorin keskellä, joka pyörii hitaasti kuin optinen harha. Tuon pyörteen takana on luultavasti monimutkaisin koskaan suunniteltu tekniikka: Yksi lentokoneesi suihkumoottoreista.
”Metallin ja metallin välistä kosketusta ei ole. Ne voivat toimia tuhansia tunteja – 60 000 tuntia – riippuvaisina vain ilmasta ja polttoaineesta. Komponentit ovat uskomattoman pitkäikäisiä”, sanoo tohtori Magdy Attia, Embry-Riddle Aeronautical Universityn ilmailutekniikan professori.
Keskustelin dr. Attiaa ja Pratt & Whitney Commercial Enginesin markkinointijohtajaa James Speichia ymmärtääkseni, miten suihkumoottori toimii.
Attia on pitkän linjan asiantuntija ilmailu- ja avaruustekniikan alalla; hänellä on useita ilmailu- ja avaruustekniikan patentteja nimissään sekä käsivarren mittainen määrä vertaisarvioituja julkaisuja. Hän johtaa myös yliopiston kaasuturbiinitutkimuslaitosta. Speich on koneinsinööri, joka on työskennellyt Prattilla 45 vuotta; hän on työskennellyt suihkumoottoreiden varhaisten tietokonemallien parissa ja PW4000-moottorin parissa, joka on Prattin Boeing 747 -koneeseen suunnitteleman ensimmäisen moottorin seuraaja. Siitä lisää myöhemmin.
Luulen, että olemme hyvissä käsissä.
Ensimmäiset asiat ensin: Paljon ilmaa. Todella paljon.
Suihkumoottorit toimivat pohjimmiltaan imemällä ilmaa, paljon ilmaa, sekoittamalla sitä polttoaineeseen ja työntämällä syntyneet kaasut ulos takaa suurella nopeudella. Tämä liikuttaa moottoria reaktion kautta eteenpäin, samoin kuin siihen kiinnitettyä lentokonetta.
Mutta nykyiset suihkumoottorit eivät toimi aivan näin. Itse asiassa suurin osa nykyaikaisen suihkumoottorin tuottamasta työntövoimasta syntyy yksinkertaisesti liikuttamalla uskomatonta ilmamäärää kerralla hyvin nopeasti. Täysin 90 % moottoreihin tulevasta ilmasta kulkee suoraan läpi ilman, että se sekoittuu polttoaineeseen ja syttyy. Edessä olevat puhaltimen siivet ovat moottorin ytimen orjia – ja tuo ydin saa puhaltimet tekemään kaiken raskaan työn.
Suihkumoottorin alkuaikoina lentokoneissa käytettiin sellaista suihkumoottorityyppiä, jota ei enää valmisteta kaupalliseen käyttöön: suihkuturbiinimoottoria (turbojettimoottoria), jossa kaikki moottoriin imetty ilma kulkee moottorin ytimen läpi. Nykyään suihkukoneissa käytetään sen sijaan turboahtimia, jotka työntävät lähes kaiken imemänsä ilman moottorin ytimen ympäri. Ne ovat hiljaisempia ja paljon tehokkaampia kuin suihkuturbiinimoottorit.
Suurimmissa nykyisin käytössä olevissa matkustajakoneissa on erittäin suuren ohivirtauksen moottorit, joissa moottorin läpi kiihdytettävän – ytimen ohittavan – ilman ja itse moottorin ytimeen menevän ilman suhde on suuri. Näiden moottoreiden, kuten Boeing 777 -koneiden moottoreiden, valtava halkaisija johtuu siitä, että niiden etuosassa on oltava jättimäinen tuuletin.
Siviilikäyttöön tarkoitetut suihkuturbiinimoottorit lakkasivat lentämästä Concordella, joka käytti jopa jotakin sellaista, mitä löytyi vain yliäänihävittäjistä ja pommikoneista: jälkipolttimet – polttoaineen ruiskuttaminen kirjaimellisesti pakokaasuun valtavan työntövoiman lisäämiseksi – auttoivat kiihdyttämään lentoonlähdön aikana ja myöhemmin lennon aikana rikkomaan äänivallin.
Siviililentokoneiden takaosassa ei nykyään nähdä liekkejä nousemassa lentoon.
Propulsiivinen energia on avainasemassa
Teoriaa, joka on toteutettu käytäntöön potkuriturbiinimoottoreiden avulla, kutsutaan propulsiiviseksi hyötysuhteeksi. On paljon tehokkaampaa liikuttaa suurta ilmamäärää suhteellisen hitaalla nopeudella kuin liikuttaa pientä ilmamäärää suuremmalla nopeudella. (Attia toisti minulle ulkoa muistinvaraisesti tämän periaatteen). ”Yleensä lentoonlähdössä 70-80 prosenttia työntövoimasta saadaan ohituksesta ja noin 20 prosenttia itse ytimestä. Kun lentokone nousee matkalentokorkeuteen, ohivirtaus tuottaa 95-100 prosenttia työntövoimasta”, Attia sanoi. Concorden kaltaisissa suihkuturbiinimoottoreissa ei ollut lainkaan ohivirtausta, mikä teki niiden käytöstä erittäin kallista. Jotta suihkukone saatiin jyrisemään, moottoreiden oli poltettava paljon polttoainetta.
Ime, purista, pamauta ja puhalla
”Ime, purista, pamauta, puhalla”, näin lentäjät muistavat moottorin eri vaiheet.
Suck
Tuuletin edessä imee ilmaa. Tästä ilmasta 10 prosenttia menee moottorin niin sanottuun ”ytimeen”. 90 prosenttia kiihdytetään ja työnnetään ytimen ympärille.
Puristus
Ytimeen tullut ilma liikkuu pienten, pyörivien lapojen läpi, jotka on kiinnitetty akseliin, jota kutsutaan kompressoriksi. Ilman pyöriminen aiheuttaa vääntömomentin, joka saa ilman nopeutumaan ja lisää sen painetta.
Pamaus
Polttoaine ruiskutetaan sitten puristettuun ilmaan ja sytytetään polttimessa.
Puhallus
Seuraavaksi nopeasti laajeneva, kuuma kaasuseos kulkee toisen puhaltimen siipien joukon läpi, jota kutsutaan turbiiniksi. Nämä kaasut tarttuvat turbiinissa oleviin pieniin siipiin, mikä saa turbiinin pyörimään.
Juuri tämä turbiini on uskomaton.
Pyörivä turbiini pyörittää akselia, joka saa kompressorit pyörimään ja pyörittää aivan etuosassa olevaa puhallinta. Keskeinen huomio: koko moottorin ytimen tarkoitus on pyörittää tuuletinta edessä – ei tuottaa suurinta osaa itse työntövoimasta.
”Turbiini muuntaa palamisen tuottaman lämpöenergian takaisin mekaaniseksi energiaksi. Pienet turbiinin lavat pyörivät, ja ne on liitetty akseliin, joka on yhteydessä itse kompressoriin ja puhaltimeen”, Attia selitti. Tuo turbiinin akseli pyörii noin 20 000 kierrosta minuutissa – mikä on todella, todella nopeaa.
Miten paljon ilmaa siis tarvitaan, jotta saadaan aikaan riittävästi eteenpäin suuntautuvaa liikettä, jotta siivet saadaan toimimaan ja noste syntyy?
53 UPS-kuorma-autoa
Tyypillinen suihkumoottori imee sisäänsä noin 1 500 kiloa ilmaa sekunnissa. Ilman tiheys merenpinnan tasolla on noin 1,2 kilogrammaa kuutiometrissä. Tohtori Attia teki meille nopean laskutoimituksen: tyypillinen UPS-kuorma-auto on 23 kuutiometriä, ja vastaavasti suihkumoottori imee sisäänsä noin 53 UPS-kuorma-auton verran ilmaa – sekunnissa.
”Ilman massavirta on työntövoimayhtälön tärkein osa”, Attia sanoi. Speich oli samaa mieltä ja totesi, että Pratt & Whitney on keskittynyt 20 vuoden ajan työntövoiman tehokkuuteen: ”pumppaamalla paljon ilmaa”, kuten hän asian ilmaisi.
Tuulettimen siivet
Tuulettimen siipien tuottama energia on huikea. Ja jokaisella moottorivalmistajalla näyttää olevan värikäs tapa selittää yhteen lapaan vangittu energia. Erään valmistajan mukaan yhden puhaltimen siiven toiminnassa oleva energia voisi laukaista pienen auton seitsenkerroksisen rakennuksen yli. Toisen mukaan se riittää nostamaan yhdeksän kaksikerroksista bussia (tai 13 härkänorsua.)
Pratt-moottoreiden puhaltimen siivet on valmistettu lujasta alumiiniseoksesta, jossa on titaaninen etureuna. Muut suihkumoottorivalmistajat käyttävät onttoja titaanisiipiä tai hiilikuidulla käärittyjä siipiä. Hauska fakta: puhaltimen siivet itsessään ovat minisiipiä, jotka tuottavat nostetta.
Yksi asia, jonka huomaa, kun lähestyy moottoria, on se, kuinka lähellä puhaltimen kärjet ovat moottorin koteloa. Itse asiassa P&W rakensi ne niin tarkasti, että ne hankaavat kumista sisäkoteloa vain hieman, millimetrejä, mikä luo pienen uran kumiin. Toleranssien on oltava uskomattoman pieniä.
Supersonic Fan Tips and The Geared Turbofan Solution
Lennossa puhaltimen siivet pyörivät noin 3000 RPM:n nopeudella. Tätä korkeammalla puhaltimen kärjet alkavat pyöriä yliäänisesti, mikä aiheuttaa valtavan melun lävistävän drone-äänen muodossa. Matalapaineakseli sen sijaan pyörii 12 000 kierrosta minuutissa ja korkeapaineakseli noin 20 000 kierrosta minuutissa. Miten siis hidastetaan tätä pyörimistä – siirryttäessä korkeasta kierrosluvusta moottorin takaosassa matalampaan kierroslukuun moottorin etuosassa?
Takaisin moottorin suunnitteluun.
Suoraan ytimen keskeltä kulkee ”akseli akselin sisällä”. Yksi akseli pyörittää matalapaineturbiinia, matalapainekompressoria ja puhallinta, jotka näet yllä olevasta kaaviosta. Toinen akseli pyörittää korkeapaineturbiinia ja korkeapainekompressoria. Kunkin komponentin on pyörittävä eri nopeuksilla kussakin vaiheessa.
Voidaksemme saada edessä olevan puhaltimen hidastumaan, ”tarvitsemme useampia alemman paineen vaiheita, jotta puhallin pyörii hitaammalla nopeudella kuin korkeapaineakseli”, Speich sanoi viitaten perinteiseen kaksikierukkaiseen moottorirakenteeseen. Nämä lisävaiheet lisäävät painoa ja vaikuttavat kielteisesti polttoainetaloudellisuuteen.
Juuri tässä kohtaa hammaspyöräturbotuuletin eli GTF tulee kuvaan. Se on merkittävin kehitysaskel moottoritekniikassa 20 vuoteen.
Ensiksi P&W keksi ajan mittaan, miten tehdä kevyt vaihteisto. Nykyinen vaihdelaatikko painaa noin 250 kiloa, ensimmäiset yritykset olivat lähemmäs 600 kiloa. Vaihde pienentää pyörimisnopeutta kolmeen yhteen. Jos matalapaineakseli pyörii 10 000 kierrosta minuutissa, vaihdelaatikko toimii siten, että se vähentää itse puhaltimen kierrosluvun 3 000 kierrokseen minuutissa, mutta – mikä on kriittistä – lisäämättä lisää matalapainevaiheita. Pratt on työskennellyt sen parissa siitä lähtien, kun Speich liittyi yhtiöön, ja aktiivisesti 20 vuoden testauksen ajan.
”Vaihteen avulla puhallinta voi kääntää hitaammin, mutta antaa muiden komponenttien pyöriä niille tehokkaimmalla nopeudella”, Speich selitti. Puhaltimen käyttämiseen hitaammalla nopeudella tarvitaan puolestaan vähemmän matalapainevaiheita – ja vähemmän komponenttien painoa.
”Hammaspyörä osti tiensä moottoriin”, Speich sanoi. ”Kaikki nuo opit… ja vihdoin nykyään tekniikka on saavuttanut sen.”
Hyötysuhde paranee ajan myötä
Speich on ollut P&W:n palveluksessa 1970-luvun puolivälistä lähtien, ja hän tuli töihin juuri sen jälkeen, kun P&W toi markkinoille JT9D:n, joka oli ensimmäisen Boeing 747:n käyttövoimana. ”Noiden ensimmäisten moottoreiden ohitussuhde oli noin 4,5:1”, Speich sanoi. Niissä käytettiin myös teräksisiä tuuletinkoteloita ja taottuja teräskomponentteja, mikä oli melko raskasta.
Vertaa sitä GTF-moottoriin, jonka ohitussuhde on 12:1. Moottorin kerrotaan parantavan polttoainetehokkuutta 15 prosenttia. ”Se on valtavaa tällä alalla”, Attia sanoi painokkaasti.
Speich totesi, että hänen yrityksensä on havainnut yli 15 prosentin tehokkuushyötyjä. ”Muistan, kun yhden tai kahden prosentin lisäys polttoainetehokkuudessa oli kultakaivos”, hän sanoi muistellessaan uraansa yrityksessä. GTF lentää tällä hetkellä viidellä alustalla: Airbus A320Neo -sarjalla, Airbus A220:lla, Embraerin E-2-suihkukoneilla, venäläisvalmisteisella Irkut MC-21:llä ja Mitsubishi MRJ:llä. (Kaksi jälkimmäistä ei ole vielä kaupallisessa käytössä.) Niillä lentää Yhdysvalloissa muun muassa Hawaiian, Delta ja Spirit.
”Kun on kyse aerodynamiikasta, materiaaleista, rakenteista, fysiikasta… kaikesta – kaikki nämä ovat äärirajoilla”, Attia sanoi. ”Mielestäni ne ovat kiehtovimmat koneet, joita ihminen on koskaan tehnyt.”
Ja jos ihmettelit, pieni pyörre keskellä moottorin nokkaa kertoo – visuaalisesti – onko puhallin pyörimässä vai ei.
Mike Arnot on New Yorkissa toimivan Boarding Pass NYC -matkustusbrändin perustaja ja yksityislentäjä.
Tekijän ottama kuva.
TERVETULOTARJOUS: 80 000 pistettä
TPG:n BONUSARVO*: KORTIN KESKEISET TEKIJÄT: 2X pisteet kaikista matkoista ja ruokailuista, pisteet siirrettävissä yli kymmeneen matkakumppaniin
*Bonusarvo on TPG:n eikä kortin myöntäjän laskema arvioitu arvo. Katso viimeisimmät arviot täältä.
Hae nyt
Lisätietoa
- Saavutat 80 000 bonuspistettä kulutettuasi 4 000 dollaria ostoksiin ensimmäisten 3 kuukauden aikana tilin avaamisesta. Se on 1 000 dollaria, kun lunastat pisteitä Chase Ultimate Rewards®:n kautta. Lisäksi ansaitset jopa 50 dollaria tiliöintihyvityksiä päivittäistavarakauppaostoksista ensimmäisen vuoden aikana tilin avaamisesta.
- Tienaa 2X pisteitä ruokailusta, mukaan lukien kelpoisuusehdot täyttävät toimituspalvelut, noutoruokailu ja ulkoruokailu sekä matkat. Lisäksi ansaitset 1 pisteen käytettyä dollaria kohden kaikista muista ostoksista.
- Saat 25 % enemmän arvoa, kun lunastat lentolippuja, hotelleja, autonvuokrausta ja risteilyjä Chase Ultimate Rewards®:n kautta. Esimerkiksi 80 000 pistettä on 1 000 dollarin arvoinen matkoihin.
- Maksa itsellesi takaisin℠, pisteesi ovat 25 % arvokkaammat tämänhetkisen tarjouksen aikana, kun lunastat ne tilisiirtohyvityksiksi olemassa olevia ostoksia vastaan tietyissä, vaihtuvissa kategorioissa.
- Saa rajoittamattomat toimitukset, joiden toimitusmaksu on 0 dollaria, ja alennetut palvelumaksut tukikelpoisista yli 12 dollarin arvoisten tilausten osalta vähintään vuoden ajan DashPassilla, DoorDash:in tilauspalvelulla. Aktivoi 31.12.21 mennessä.
- Laske matkan peruutus-/keskeytysvakuutus, autonvuokrauksen kolarivahinkovapautus, matkatavaroiden katoamisvakuutus ja paljon muuta.
- Saat jopa 60 dollaria takaisin tukikelpoisesta Peloton Digital- tai All-Access-jäsenyydestä 31.12.21 asti ja saat täyden pääsyn harjoituskirjastoonsa Peloton-sovelluksen kautta, mukaan lukien kardio-, juoksu-, voimaharjoittelu-, voima-, joogaharjoittelu- ja paljon muuta. Osallistu tunneille käyttämällä puhelinta, tablettia tai televisiota. Kuntolaitteita ei tarvita.
Toimituksellinen vastuuvapauslauseke: Tässä ilmaistut mielipiteet ovat kirjoittajan omia, eivät minkään pankin, luottokortin myöntäjän, lentoyhtiön tai hotelliketjun mielipiteitä, eikä mikään näistä tahoista ole tarkistanut, hyväksynyt tai muulla tavoin tukenut niitä.
Disclaimer: Alla olevat vastaukset eivät ole pankin mainostajan toimittamia tai tilaamia. Pankin mainostaja ei ole tarkistanut, hyväksynyt tai muuten tukenut vastauksia. Pankin mainostaja ei ole vastuussa siitä, että kaikkiin viesteihin ja/tai kysymyksiin vastataan.