Amikor beszállsz egy repülőgépbe, talán észrevetted már azt a kis örvényt, vagy fehér hasist a hajtómű közepén, amely lassan forog, mint egy optikai csalódás. E mögött az örvény mögött valószínűleg a valaha tervezett legbonyolultabb mérnöki munka áll: Az egyik sugárhajtómű, amely az Ön repülőgépét hajtja.
“Nincs fém-fém érintkezés. Több ezer órán át – 60 000 órán át – képesek működni, csak a levegőtől és az üzemanyagtól függenek. Az alkatrészek hihetetlenül hosszú élettartamúak” – mondta Dr. Magdy Attia, az Embry-Riddle Aeronautical University repülőmérnöki professzora.
Beszéltem dr. Attia és James Speich, a Pratt & Whitney Commercial Engines marketingigazgatója, hogy megértsem, hogyan működik egy sugárhajtómű.
Attia régóta a repülőgép- és űrtechnika szakértője; számos repülőgép-ipari szabadalom fűződik a nevéhez, valamint egy sereg szakmailag lektorált publikáció. Az egyetemen egy gázturbina-kutató létesítményt is vezet. Speich gépészmérnök, aki 45 éve dolgozik a Pratt cégnél; a sugárhajtóművek korai számítógépes modelljein és a PW4000-en, a Pratt által a Boeing 747-eshez tervezett első hajtómű utódján dolgozott. Erről később bővebben.
Azt hiszem, itt jó kezekben vagyunk.
Először a legfontosabb dolgok: Sok levegő. Tényleg sok.
A sugárhajtóművek alapvetően úgy működnek, hogy levegőt szívnak be, rengeteg levegőt, összekeverik az üzemanyaggal, és az így keletkező gázokat nagy sebességgel kilökik hátul. Ez reakciószerűen mozgatja előre a hajtóművet és a hozzá kapcsolt repülőgépet is.
De a mai sugárhajtóművek nem egészen így működnek. Valójában a modern sugárhajtóművek által generált tolóerő nagy része egyszerűen abból származik, hogy hihetetlen mennyiségű levegőt mozgatnak meg, egyszerre, nagyon gyorsan. A hajtóművekbe jutó levegő teljes 90%-a áthalad a hajtóműveken anélkül, hogy üzemanyaggal keveredne és meggyulladna. Az elülső ventilátorlapátok a hajtómű magjának rabszolgái – és ez a mag veszi rá a ventilátorokat a nehéz munka elvégzésére.
A sugárhajtóművek hajnalán a repülőgépek egy olyan típusú sugárhajtóművet használtak, amelyet ma már nem gyártanak kereskedelmi célokra: a turbóhajtóművet, amelyben a hajtóműbe beszívott összes levegő a magon keresztülhalad. Manapság a sugárhajtású repülőgépek inkább turbóventilátorokat használnak, amelyek szinte az összes beszívott levegőt a hajtóműmag köré nyomják. Ezek csendesebbek és sokkal hatékonyabbak, mint a turbóventilátorok.
A ma forgalomban lévő legnagyobb utasszállító repülőgépek rendkívül nagy átvezetésű hajtóművekkel rendelkeznek, ahol nagy az arány a hajtóművön keresztül gyorsított – a magot megkerülő – levegő és maga a hajtómű magjába kerülő levegő között. Ezeknek a hajtóműveknek, például a Boeing 777-eseknek a hatalmas átmérője annak köszönhető, hogy elöl egy óriási ventilátorra van szükség.
A polgári turbóhajtóművek a Concorde-dal szűntek meg, amely még olyasmit is használt, ami csak a szuperszonikus vadászgépeken és bombázókon található: az utánégetőket – szó szerint üzemanyagot fecskendeznek a kipufogóba, hogy hatalmas tolóerőt adjanak -, hogy segítsék a felszálláskor a gyorsulást, később pedig a repülés során a hanghatár áttörését.
Nem fogsz lángokat látni manapság a polgári repülőgépek hátuljából felszálláskor.
A hajtóerő a kulcs
A turbóventilátoroknál a gyakorlatba átültetett elméletet hajtóerő-hatékonyságnak nevezik. Sokkal hatékonyabb egy nagy mennyiségű levegőt viszonylag lassúbb sebességgel mozgatni, mint egy kis mennyiségű levegőt nagyobb sebességgel. (Attia ezt a maximát ismételgette nekem emlékezetből). “Általában felszálláskor a tolóerő 70-80%-át a bypass adja, és körülbelül 20%-át maga a mag. Ahogy a repülőgép eléri az utazómagasságot, a tolóerő 95-100%-át a bypass biztosítja” – mondta Attia. A Concorde-hoz hasonló turbó sugárhajtóművekben egyáltalán nem volt bypass, ami nagyon drágává tette az üzemeltetésüket. Ahhoz, hogy a sugárhajtómű felbőgjön, a hajtóműveknek rengeteg üzemanyagot kellett elégetniük.
Szívás, szorítás, bumm és fújás
“Szívás, szorítás, bumm, fújás” – így emlékeznek a pilóták a hajtómű különböző fázisaira.
Szívás
A ventilátor elöl beszívja a levegőt. Ennek a levegőnek a 10 százaléka a motor úgynevezett “magjába” kerül. 90 százalékát felpörgetik és a mag körül tolják.
Sajtoló
A magba jutott levegő egy sor apró, forgó lapáton halad keresztül, amelyek egy kompresszornak nevezett tengelyhez vannak rögzítve. A levegő megpörgetése nyomatékot okoz, aminek hatására a levegő felgyorsul és megnő a nyomása.
Bumm
A sűrített levegőbe ezután üzemanyagot fecskendeznek, és egy égéstérben meggyújtják.
Fúvás
Ezután a gyorsan táguló, forró gázkeverék egy másik, turbinának nevezett ventilátorlapát-csoporton halad át. Ezeket a gázokat a turbinán lévő kis lapátok felfogják, így a turbina megpördül.
Ez a turbina az, ami hihetetlen.
A forgó turbina egy tengelyt forgat, amely a kompresszorokat forgatja, és a legelöl lévő ventilátort forgatja. A legfontosabb tanulság: a hajtóműmag lényege, hogy az elülső ventilátort forgatja – nem pedig az, hogy maga adja a tolóerő nagy részét.”
“A turbina az égés során keletkező hőenergiát alakítja vissza mechanikai energiává. A kis turbinalapátok forognak, és egy tengelyhez vannak csatlakoztatva, amely magához a kompresszorhoz és a ventilátorhoz kapcsolódik” – magyarázta Attia. Ez a turbina tengely körülbelül 20 000 fordulat/perc körül forog – ami nagyon-nagyon gyors.
Szóval, mennyi levegőre van szükség ahhoz, hogy elegendő előremozgást biztosítson a szárnyak működéséhez és a felhajtóerő előállításához?
53 UPS teherautó
Egy tipikus sugárhajtómű másodpercenként mintegy 1500 kilogramm levegőt szív be. A levegő sűrűsége tengerszinten körülbelül 1,2 kilogramm köbméterenként. Dr. Attia végzett néhány gyors számítást a kedvünkért: egy tipikus UPS teherautó 23 köbméter, és ennek megfelelően egy sugárhajtómű körülbelül 53 UPS teherautónyi levegő mennyiségét szívja be – másodpercenként.
“A levegő tömegáramlása a tolóerő-egyenlet legfontosabb része” – mondta Attia. Speich egyetértett, megjegyezve, hogy a Pratt & Whitney már 20 éve a meghajtási hatékonyságra összpontosít: “sok levegőt pumpál”, ahogy ő fogalmazott.
A ventilátorlapátok
A ventilátorlapátok által létrehozott energia lenyűgöző. És úgy tűnik, minden motorgyártónak van egy színes magyarázata az egyetlen lapátban megragadott energiára. Az egyik gyártó szerint egyetlen működő ventilátorlapát energiája egy kisautót egy hétemeletes épület fölé tudna repíteni. Egy másik: kilenc emeletes busz (vagy 13 bikaelefánt) felemelésére elegendő.”
A Pratt-hajtóművek ventilátorlapátjai nagy szilárdságú alumíniumötvözetből készülnek, titán elülső éllel. Más sugárhajtómű-gyártók üreges titánlapátokat vagy szénszállal körbetekert lapátokat használnak. Vicces tény: maguk a ventilátorlapátok mini szárnyak, amelyek felhajtóerőt generálnak.
Az egyik dolog, ami feltűnik, amikor közel kerülsz a hajtóműhöz, az az, hogy a ventilátorcsúcsok milyen közel vannak a hajtómű burkolatához. Valójában a P&W olyan precízen építette meg őket, hogy csak egy kicsit, milliméterekkel súrlódnak a gumi belső burkolathoz, ami egy kis barázdát hoz létre a gumiban. A tűréshatároknak hihetetlenül kicsinek kell lenniük.
Szuperszonikus ventilátorcsúcsok és a hajtóműves turbóventilátor megoldás
Repülés közben a ventilátorlapátok körülbelül 3000 fordulat/perc sebességgel forognak. Ennél magasabb fordulatszámon a ventilátorcsúcsok szuperszonikusan kezdenek el működni, hatalmas zajt keltve, átható drone formájában. Ezzel szemben a kisnyomású tengely 12 000 fordulat/perc, a nagynyomású tengely pedig kb. 20 000 fordulat/perc sebességgel forog. Hogyan lehet tehát lelassítani ezt a forgást – a motor hátsó részén lévő magas fordulatszámról az elülső részen lévő alacsonyabb fordulatszámra áttérve?
Visszatérve a motor tervezéséhez.
A mag közepén egy “tengely a tengelyben” halad keresztül. Az egyik tengely forgatja az alacsony nyomású turbinát, az alacsony nyomású kompresszort és a ventilátort, ami a fenti ábrán látható. Egy másik tengely a nagynyomású turbinát és a nagynyomású kompresszort forgatja. Mindegyik alkatrésznek különböző sebességgel kell forognia az egyes fokozatoknál.
Az elülső ventilátor lelassításához “több, alacsonyabb nyomású fokozatra van szükségünk, hogy a ventilátor lassabb sebességgel működjön, mint a nagynyomású tengely” – mondta Speich, utalva a hagyományos kéthengeres motorkonstrukcióra. Ezek a további fokozatok súlyt növelnek és negatívan befolyásolják az üzemanyag-hatékonyságot.
És itt jön a képbe a hajtóműves turbóventilátor, vagy GTF. Ez a hajtóműtechnológia legjelentősebb fejlesztése az elmúlt 20 évben.
Először is, idővel a P&W rájött, hogyan lehet könnyű hajtóművet készíteni. A jelenlegi sebességváltó körülbelül 250 font; az első próbálkozások közelebb voltak a 600 fonthoz. A fogaskerék háromszorosára csökkenti a fordulatszámot. Ha az alacsony nyomású tengely 10 000 fordulat/perc sebességgel jár, a sebességváltó úgy hat, hogy magát a ventilátort 3000 fordulat/perc sebességre csökkenti, de – ami kritikus – anélkül, hogy további alacsonyabb nyomású fokozatokat adna hozzá. A Pratt azóta dolgozik rajta, amióta Speich a vállalathoz csatlakozott, és aktívan 20 éve tesztel.
“A fogaskerékkel a ventilátort lassabban lehet forgatni, de a többi alkatrész a számukra leghatékonyabb fordulatszámon foroghat” – magyarázta Speich. A ventilátor lassabb fordulatszámon történő működtetéséhez viszont kevesebb alacsony nyomású fokozatra – és kisebb alkatrésztömegre – van szükség.
“A fogaskerék bevásárolta magát a motorba” – mondta Speich. “Mindezek a tanulságok… és végül mára a technológia felzárkózott.”
A hatékonyságnövekedés az idők során
Speich az 1970-es évek közepe óta dolgozik a P&W-nél, és közvetlenül azután csatlakozott, hogy a P&W piacra dobta a JT9D-t, amely az első Boeing 747-es gépet hajtotta. “Ezeknek az első hajtóműveknek körülbelül 4,5:1 volt a bypass-aránya” – mondta Speich. Emellett acél ventilátorházakkal és kovácsolt acél alkatrészekkel készültek, ami elég nehéz volt.
Versenyezzük ezt a GTF hajtóművel, amely 12:1 arányú bypass aránnyal büszkélkedhet. A hajtómű a jelentések szerint 15%-os üzemanyag-hatékonysági javulást kínál. “Ez óriási ezen a téren” – mondta Attia nyomatékosan.
Speich megjegyezte, hogy cége 15%-nál is nagyobb hatékonyságnövekedést tapasztal. “Emlékszem, amikor az egy-két százalékos üzemanyag-hatékonysági növekedés elérése aranybánya volt” – mondta, visszatekintve a vállalatnál töltött karrierjére. A GTF jelenleg öt platformon repül: az Airbus A320Neo sorozat, az Airbus A220, az Embraer E-2 típusú repülőgépei, az orosz gyártmányú Irkut MC-21 és a Mitsubishi MRJ. (Az utóbbi kettő még nem áll kereskedelmi forgalomban.) Az Egyesült Államokban többek között a Hawaiian, a Delta és a Spirit járatain repülnek velük.
“Amikor az aerodinamikáról, az anyagokról, a szerkezetekről, a fizikáról… mindenről van szó – ezek mind a határaikat feszegetik” – mondta Attia. “Szerintem ezek a leglenyűgözőbb gépek, amelyeket valaha is készített az ember.”
És ha esetleg kíváncsiak lennének, a kis örvény a hajtómű orrának közepén azért van, hogy bárki tudhassa – vizuálisan -, hogy a ventilátor forog-e vagy sem.
Mike Arnot a Boarding Pass NYC, egy New York-i utazási márka alapítója és magánpilóta.
A képet a szerző készítette.
VALÓS AJÁNLAT: 80.000 pont
TPG BÓNUSZÉRTÉK*: A KÁRTYA Kiemelt jellemzői: 2X pontok minden utazásra és étkezésre, több mint egy tucat utazási partnerre átvihető pontok
*A bónuszérték a TPG és nem a kártyakibocsátó által számított becsült érték. Tekintse meg legfrissebb értékbecslésünket itt.
Jelentkezzen most
Még több tudnivaló
- A számlanyitástól számított első 3 hónapban 4.000 $ vásárlásra költött összeg után 80.000 bónuszpontot szerezhet. Ez 1000 dollárt jelent, ha a Chase Ultimate Rewards®-on keresztül váltod be. Ráadásul a számlanyitástól számított első évben akár 50$-os számlaegyenleg jóváírást is szerezhet élelmiszerboltban történő vásárlásokért.
- Étkezzen 2X pontokat étkezésekért, beleértve a jogosult kiszállítási szolgáltatásokat, az elvitelre és az étteremben történő étkezést, valamint az utazást. Ráadásul minden más vásárláskor elköltött dolláronként 1 pontot szerezhet.
- Szerezzen 25%-kal több értéket, amikor a Chase Ultimate Rewards®-on keresztül repülőjegyekre, szállodákra, autóbérlésre és körutazásokra vált be. Például 80 000 pont 1000 dollárt ér utazásra.
- A Pay Yourself Back℠ programmal a pontjaid 25%-kal többet érnek az aktuális ajánlat ideje alatt, amikor beválthatod őket a meglévő vásárlások ellenében, kiválasztott, forgó kategóriákban.
- Korlátlan kiszállítást kapsz 0 dollár szállítási díjjal és csökkentett szolgáltatási díjakkal 12 dollár feletti, jogosult megrendelések esetén legalább egy évig a DashPass-szal, a DoorDash előfizetéses szolgáltatásával. Aktiválja 12/31/21-ig.
- Számítson az utazás lemondása/megszakítása biztosításra, az autóbérlés ütközéskár-mentességére, az elveszett poggyász biztosításra és még sok másra.
- Nyerjen vissza akár 60 $-t egy jogosult Peloton Digital vagy All-Access tagságra 2021. 12/31-ig, és kapjon teljes hozzáférést az edzéskönyvtárukhoz a Peloton alkalmazáson keresztül, beleértve a kardió, futás, erőnlét, jóga és sok más edzést. Vegyen részt az órákon telefon, tablet vagy TV segítségével. Nincs szükség fitneszeszközre.
Szerkesztői nyilatkozat: Az itt kifejtett vélemények kizárólag a szerző sajátjai, nem pedig bármely bank, hitelkártya-kibocsátó, légitársaság vagy szállodalánc véleménye, és azokat e szervezetek egyike sem vizsgálta, hagyta jóvá vagy támogatta más módon.
Kizáró nyilatkozat: Az alábbi válaszokat nem a banki hirdető nyújtja vagy bízza meg. A válaszokat a banki hirdető nem vizsgálta felül, nem hagyta jóvá és más módon sem támogatta. Nem a banki hirdető felelőssége annak biztosítása, hogy minden hozzászólásra és/vagy kérdésre választ kapjon.