Wanneer je aan boord van een vliegtuig stapt, heb je misschien die kleine draaikolk, of witte hash, in het midden van de motor opgemerkt, die langzaam draait als een optische illusie. Achter die werveling zit waarschijnlijk het meest complexe stukje techniek ooit ontworpen: Een van de straalmotoren die uw vliegtuig aandrijft.
“Er is geen metaal-op-metaal contact. Ze kunnen duizenden uren meegaan – 60.000 uren – alleen afhankelijk van lucht en brandstof. De componenten hebben een ongelooflijk lange levensduur”, aldus Dr. Magdy Attia, hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Embry-Riddle Aeronautical University.
Ik sprak met Dr. Attia en James Speich, marketingdirecteur voor Pratt & Whitney Commercial Engines, om te begrijpen hoe een straalmotor werkt.
Attia is al jarenlang een expert op het gebied van lucht- en ruimtevaarttechniek; hij heeft diverse lucht- en ruimtevaartpatenten op zijn naam staan, samen met een armlengte aan peer-reviewed publicaties. Hij leidt ook een gas-turbine onderzoeksfaciliteit aan de universiteit. Speich is een werktuigbouwkundig ingenieur die al 45 jaar bij Pratt werkt; hij heeft zijn tanden stukgebeten op vroege computermodellen van straalmotoren en op de PW4000, de opvolger van de eerste motor die Pratt ontwierp voor de Boeing 747. Daarover later meer.
Ik denk dat we hier in goede handen zijn.
Eerste dingen eerst: Veel lucht. Heel veel.
Jetmotoren werken door lucht aan te zuigen, heel veel lucht, die te mengen met brandstof en de gassen met grote snelheid naar buiten te stuwen. Dat beweegt de motor vooruit door reactie, evenals het vliegtuig dat eraan vastzit.
Maar dat is niet helemaal hoe de straalmotoren van vandaag werken. In feite komt het grootste deel van de stuwkracht die door een moderne straalmotor wordt gegenereerd, eenvoudigweg door het verplaatsen van een ongelooflijke hoeveelheid lucht, in één keer, zeer snel. Maar liefst 90% van de lucht die de motor binnenkomt, passeert de motor zonder met brandstof te worden gemengd en te worden ontstoken. De ventilatorbladen aan de voorkant zijn een slaaf van de kern van de motor – en die kern laat die ventilatoren al het zware werk doen.
Aan het begin van de straalmotor gebruikten vliegtuigen een type straalmotor dat niet meer voor commercieel gebruik wordt gemaakt: een turbojet, waarbij alle lucht die in de motor wordt gezogen door de kern gaat. Tegenwoordig gebruiken straalvliegtuigen in plaats daarvan turbofans, die bijna alle lucht die ze binnenkrijgen rond de kern van de motor duwen. Ze zijn stiller en veel efficiënter dan turbojets.
De grootste straalvliegtuigen die tegenwoordig in gebruik zijn, hebben extreem high-bypass motoren, waarbij er een hoge verhouding is tussen de lucht die door de motor wordt gejaagd – de kern omzeilend – en de lucht die in de kern van de motor zelf gaat. De enorme diameter van die motoren, zoals die op Boeing 777’s, is het gevolg van de noodzaak om een gigantische ventilator aan de voorkant te hebben.
Civiele turbojets stopten met vliegen met de Concorde, die zelfs iets gebruikte dat alleen te vinden was op supersonische gevechtsvliegtuigen en bommenwerpers: naverbranders – letterlijk brandstof in de uitlaat injecteren om een enorme stuwkrachtstoot te creëren – om te helpen versnellen bij het opstijgen en, later in de vlucht, om de geluidsbarrière te doorbreken.
Je ziet tegenwoordig geen vlammen meer uit de achterkant van civiele vliegtuigen bij het opstijgen.
Propulsieve energie is de sleutel
De theorie die in de praktijk wordt gebracht met turbofans is iets dat propulsief rendement wordt genoemd. Het is veel efficiënter om een groot volume lucht te verplaatsen bij relatief lagere snelheden dan om een klein volume lucht te verplaatsen bij hogere snelheden. (Attia herhaalde deze stelregel voor mij uit mijn hoofd). “Over het algemeen wordt bij het opstijgen 70% tot 80% van de stuwkracht geleverd door de bypass en ongeveer 20% door de kern zelf. Wanneer het vliegtuig op kruishoogte komt, neigt dit naar 95% tot 100% van de stuwkracht die door de bypass wordt geleverd,” zei Attia. Turbinestraalmotoren, zoals die in de Concorde, hadden helemaal geen bypass, wat ze erg duur maakte in het gebruik. Om die straal te laten brullen, moesten de motoren veel brandstof verbranden.
Zuigen, knijpen, knallen en blazen
“Zuigen, knijpen, knallen, blazen” is hoe piloten zich de verschillende stadia van een motor herinneren.
Zuig
De ventilator aan de voorkant zuigt lucht aan. 10 procent van deze lucht gaat naar de zogenaamde “kern” van de motor. 90 procent wordt versneld en rond de kern geduwd.
Zuigen
De lucht die de kern is binnengekomen, beweegt door een reeks kleine, draaiende bladen die aan een as zijn bevestigd die de compressor wordt genoemd. Het ronddraaien van de lucht veroorzaakt een koppel, waardoor de lucht sneller gaat draaien en de druk toeneemt.
Bang
De brandstof wordt dan in de samengeperste lucht geïnjecteerd en in een verbrandingskamer tot ontbranding gebracht.
Blow
Daarna passeert het snel expanderende, hete gasmengsel een andere set ventilatorbladen, de turbine. Deze gassen worden opgevangen door kleine bladen op de turbine, waardoor de turbine gaat draaien.
Het is deze turbine die ongelooflijk is.
De draaiende turbine draait een as die de compressoren laat draaien en de ventilator helemaal vooraan laat draaien. De bedoeling van de motorkern is om de voorste ventilator te laten draaien, niet om de stuwkracht te leveren.
“De turbine zet de thermische energie die door de verbranding wordt opgewekt, om in mechanische energie. Het zijn de kleine turbinebladen die ronddraaien, en ze zijn verbonden met een as, die verbonden is met de compressor zelf en de ventilator,” legde Attia uit. Die turbine-as draait rond de 20.000 RPM – en dat is heel, heel snel.
Dus, hoeveel lucht is er nodig om genoeg voorwaartse beweging te leveren om de vleugels te laten werken, en om lift te genereren?
53 UPS vrachtwagens
Een doorsnee straalmotor verbruikt zo’n 1.500 kilogram lucht per seconde. De luchtdichtheid op zeeniveau is ongeveer 1,2 kilogram per kubieke meter. Dr. Attia maakte een snelle rekensom voor ons: een typische UPS-truck is 23 kubieke meter, en een straalmotor zuigt dus het volume van ongeveer 53 UPS-trucks aan lucht naar binnen – per seconde.
“Het is de massastroom van lucht die het belangrijkste deel uitmaakt van de vergelijking van de stuwkracht,” zei Attia. Speich was het daarmee eens en merkte op dat Pratt & Whitney zich al 20 jaar richt op stuwkrachtefficiëntie: “Het pompen van veel lucht,” zoals hij het uitdrukte.
De ventilatorbladen
De energie die door de ventilatorbladen wordt gecreëerd is verbluffend. En elke motorfabrikant schijnt een kleurrijke manier te hebben om de energie te verklaren die in één enkel blad wordt gevangen. Een fabrikant zei dat de energie in een enkel in werking zijnd ventilatorblad een kleine auto over een gebouw van zeven verdiepingen zou kunnen lanceren. Een andere: het is genoeg om negen dubbeldekkerbussen (of 13 olifanten) op te takelen.
De ventilatorbladen voor de Pratt-motoren zijn gemaakt van een zeer sterke aluminiumlegering met een titanium voorrand. Andere straalmotorfabrikanten gebruiken holle titanium bladen of bladen die omwikkeld zijn met koolstofvezel. Leuk weetje: de ventilatorbladen zelf zijn mini vleugels, die lift genereren.
Eén ding dat opvalt als je in de buurt van de motor komt, is hoe dicht de uiteinden van de ventilatoren bij de motorbehuizing staan. In feite, P&W bouwde hen aan met zulk een precisie dat zij tegen de rubber binnenbehuizing enkel een beetje wrijven, millimeters, die een kleine groef in het rubber creëert. De toleranties moeten ongelooflijk klein zijn.
Supersonic Fan Tips and The Geared Turbofan Solution
In de vlucht, draaien de ventilatorbladen bij ongeveer 3.000 RPM. Hoger, dan beginnen de ventilatorbladen supersonisch te draaien, wat een enorm lawaai veroorzaakt in de vorm van een doordringende dreun. Daarentegen draait de lagedrukas bij 12.000 RPM en de hogedrukas bij ongeveer 20.000 RPM. Dus, hoe vertraag je deze rotatie – van een hoog toerental aan de achterkant van de motor naar een lager toerental aan de voorkant?
Terug naar het motorontwerp.
Door het midden van de kern loopt een “as binnen de as”. De ene as laat de lagedrukturbine, de lagedrukcompressor en de ventilator draaien, die u op het bovenstaande schema kunt zien. Een andere as draait de hogedrukturbine en de hogedrukcompressor. Elk onderdeel moet bij verschillende snelheden voor elke fase draaien.
Om de ventilator aan de voorkant langzamer te krijgen, “heb je meer stadia van lagere druk nodig om de ventilator bij een langzamere snelheid dan de hogedrukas in werking te stellen,” zei Speich, verwijzend naar het conventionele motorontwerp met twee spoelen. Deze extra fasen voegen gewicht toe en hebben een negatieve invloed op de brandstofefficiëntie.
En dat is waar de geared turbofan, of GTF, om de hoek komt kijken. Het is de belangrijkste ontwikkeling in motortechnologie in 20 jaar.
Ten eerste heeft P&W in de loop der tijd uitgevonden hoe een lichtgewicht tandwielkast te maken. De huidige versnellingsbak weegt ongeveer 250 pond; de eerste pogingen waren dichter bij 600 pond. Het tandwiel vermindert de rotatiesnelheid drie tot één. Als de lagedrukas 10.000 toeren per minuut draait, zal de versnellingsbak de ventilator zelf terugbrengen tot 3.000 toeren per minuut, maar – kritisch – zonder meer lagedruktrappen toe te voegen. Pratt heeft eraan gewerkt sinds Speich zich bij het bedrijf aansloot, en actief voor 20 jaar van testen.
“Met het toestel, kunt u de ventilator langzamer draaien maar de rest van de componenten laten roteren bij de snelheid die voor hen het meest efficiënt is,” verklaarde Speich. Op zijn beurt heb je minder trappen van lage druk nodig – en minder gewicht aan componenten – om de ventilator bij die lagere snelheid te laten draaien.
“De versnelling kocht zijn weg in de motor,” zei Speich. “
Efficiency Gains Over Time
Speich werkt sinds het midden van de jaren zeventig bij P&W en kwam in dienst vlak nadat P&W de JT9D had gelanceerd, die de eerste Boeing 747 aandreef. “Die eerste motoren hadden een omloopverhouding van ongeveer 4,5 tot 1,” zei Speich. Ze werden ook gemaakt met stalen ventilatorhuizen en gesmede stalen componenten, wat behoorlijk zwaar was.
Vergelijk dat met de GTF-motor, die een bypassverhouding heeft van 12 tot 1. De motor zou naar verluidt 15% winst in brandstofefficiëntie bieden. “Dat is enorm in deze ruimte,” Attia zei nadrukkelijk.
Speich opgemerkt dat zijn bedrijf is het zien van beter dan 15% efficiency winsten. “Ik herinner me dat het raken van een tot twee procent verhoging van de brandstofefficiëntie een goudmijn was,” zei hij, terugkijkend op zijn carrière bij het bedrijf. De GTF vliegt momenteel op vijf platforms: de Airbus A320Neo serie, de Airbus A220, Embraer’s E-2 jets, de Irkut MC-21 van Russische makelij en de Mitsubishi MRJ. (De laatste twee zijn nog niet in commerciële dienst.) Je vliegt ze in de VS met Hawaiian, Delta en Spirit onder anderen.
“Als het gaat om aerodynamica, materialen, structuren, natuurkunde… alles – deze worden allemaal tot het uiterste gedreven,” zei Attia. “Ik denk dat het de meest fascinerende machines zijn die ooit door de mens zijn gemaakt.”
En voor het geval je je afvroeg, de kleine werveling in het midden van de neus van de motor is om iedereen te laten weten – visueel – of de ventilator draait of niet.
Mike Arnot is de oprichter van Boarding Pass NYC, een in New York gevestigd reismerk, en een privépiloot.
Afbeelding door de auteur.
WELKOM AANBOD: 80.000 Punten
TPG’S BONUSWAARDERING*: $1,650
CARD HIGHLIGHTS: 2X punten op alle reizen en dineren, punten overdraagbaar aan meer dan een dozijn reispartners
*Bonus waarde is een geschatte waarde berekend door TPG en niet de uitgever van de kaart. Bekijk onze meest recente waarderingen hier.
Apply Now
More Things to Know
- Verdien 80.000 bonuspunten nadat u $4.000 hebt besteed aan aankopen in de eerste 3 maanden vanaf de opening van de rekening. Dat is $1.000 wanneer u inwisselt via Chase Ultimate Rewards®. Plus verdienen tot $ 50 in verklaring credits naar supermarkt aankopen binnen uw eerste jaar na rekening opening.
- Verdien 2X punten op dineren met inbegrip van in aanmerking komende bezorgdiensten, takeout en uit eten en reizen. Plus, verdien 1 punt per uitgegeven dollar op alle andere aankopen.
- Krijg 25% meer waarde wanneer u inwisselt voor vliegtickets, hotels, autoverhuur en cruises via Chase Ultimate Rewards®. Bijvoorbeeld, 80.000 punten zijn $ 1.000 waard in de richting van reizen.
- Met Pay Yourself Back℠, uw punten zijn 25% meer waard tijdens de huidige aanbieding wanneer u ze inwisselt voor statement credits tegen bestaande aankopen in geselecteerde, roterende categorieën.
- Krijg onbeperkte leveringen met een $ 0 bezorgkosten en gereduceerde servicekosten op in aanmerking komende bestellingen van meer dan $ 12 voor een minimum van een jaar met DashPass, DoorDash’s abonnement service. Activeer voor 12/31/21.
- Geld op Reisannulerings-/onderbrekingsverzekering, Auto Rental Collision Damage Waiver, Verloren bagageverzekering en meer.
- Geef tot $ 60 terug op een in aanmerking komend Peloton Digital of All-Access-lidmaatschap tot en met 12/31/2021, en krijg volledige toegang tot hun workoutbibliotheek via de Peloton-app, inclusief cardio, hardlopen, kracht, yoga en meer. Neem deel aan lessen met behulp van een telefoon, tablet of tv. Er is geen fitnessapparatuur nodig.
Editorial Disclaimer: Meningen hier geuit zijn van de auteur alleen, niet die van een bank, credit card uitgever, luchtvaartmaatschappijen of hotelketen, en zijn niet beoordeeld, goedgekeurd of anderszins onderschreven door een van deze entiteiten.
Disclaimer: De reacties hieronder zijn niet verstrekt door of in opdracht van de adverteerder van de bank. De reacties zijn niet beoordeeld, goedgekeurd of anderszins onderschreven door de adverteerder van de bank. Het is niet de verantwoordelijkheid van de bankadverteerder om ervoor te zorgen dat alle berichten en/of vragen worden beantwoord.