Kiedy wchodzisz na pokład samolotu, być może zauważyłeś ten mały wir, lub biały hash, w samym środku silnika, powoli obracający się jak złudzenie optyczne. Za tym zawirowaniem kryje się prawdopodobnie najbardziej skomplikowany element inżynierii, jaki kiedykolwiek zaprojektowano: Jeden z silników odrzutowych napędzających Twój samolot.
„Nie ma kontaktu metal-metal. Mogą one pracować przez tysiące godzin – 60 000 godzin – zależne tylko od powietrza i paliwa. Komponenty są niewiarygodnie trwałe” – powiedział dr Magdy Attia, profesor inżynierii kosmicznej na Embry-Riddle Aeronautical University.
Rozmawiałem z dr. Attia i James Speich, dyrektor ds. marketingu Pratt & Whitney Commercial Engines, aby zrozumieć, jak działa silnik odrzutowy.
Attia jest wieloletnim ekspertem w dziedzinie inżynierii lotniczej i kosmicznej; ma kilka patentów lotniczych na swoje nazwisko wraz z ramieniem długości recenzowanych publikacji. Prowadzi również ośrodek badań nad turbinami gazowymi na uniwersytecie. Speich jest inżynierem mechanikiem, który pracuje w firmie Pratt od 45 lat; zdobywał doświadczenie pracując nad wczesnymi modelami komputerowymi silników odrzutowych oraz nad PW4000, następcą pierwszego silnika zaprojektowanego przez Pratta dla Boeinga 747. Więcej o tym później.
Myślę, że jesteśmy w dobrych rękach.
Pierwsze rzeczy po pierwsze: Dużo powietrza. Naprawdę dużo.
Silniki odrzutowe działają zasadniczo poprzez zasysanie powietrza, dużej ilości powietrza, mieszanie go z paliwem i wydalanie powstałych gazów z tyłu z dużą prędkością. To porusza silnik do przodu w wyniku reakcji, jak również samolot do niego przymocowany.
Ale to nie do końca tak działają dzisiejsze silniki odrzutowe. W rzeczywistości, większość ciągu generowanego przez nowoczesny silnik odrzutowy pochodzi po prostu z przemieszczania niesamowitej ilości powietrza, wszystko na raz, bardzo szybko. 90% powietrza, które dostaje się do silnika, przechodzi przez niego bez zmieszania z paliwem i zapłonu. Łopatki wentylatora z przodu są niewolnikiem rdzenia silnika – a ten rdzeń sprawia, że wentylatory wykonują całą ciężką pracę.
Na początku istnienia silnika odrzutowego, samoloty używały typu silnika odrzutowego, który nie jest już produkowany do zastosowań komercyjnych: turboodrzutowego, w którym całe powietrze zasysane do silnika przechodzi przez jego rdzeń. Obecnie w odrzutowcach używa się turbowentylatorów, które przepychają prawie całe zasysane powietrze wokół rdzenia silnika. Są one cichsze i o wiele bardziej wydajne niż turboodrzutowce.
Największe samoloty odrzutowe będące obecnie w użyciu mają silniki o bardzo wysokim stopniu obejścia, w których istnieje wysoki stosunek pomiędzy powietrzem przyspieszanym przez silnik – omijającym rdzeń – a powietrzem wchodzącym do rdzenia samego silnika. Ogromna średnica tych silników, takich jak te na Boeingach 777, wynika z konieczności posiadania gigantycznego wentylatora z przodu.
Cywilne turboodrzutowce przestały latać wraz z Concorde’em, który używał nawet czegoś, co można znaleźć tylko w naddźwiękowych myśliwcach i bombowcach: dopalaczy – dosłownie wtryskujących paliwo do wydechu, aby stworzyć ogromny impuls ciągu – aby pomóc przyspieszyć przy starcie i, później w locie, przełamać barierę dźwięku.
W dzisiejszych czasach nie zobaczysz płomieni wybuchających z tyłu samolotów cywilnych podczas startu.
Energia napędowa jest kluczem
Teoria zastosowana w praktyce z turbowentylatorami to coś, co nazywa się wydajnością napędową. Jest o wiele bardziej efektywne poruszanie dużej objętości powietrza przy relatywnie mniejszych prędkościach niż poruszanie małej objętości powietrza przy większych prędkościach. (Attia powtórzył mi tę maksymę na pamięć). „Generalnie, przy starcie, 70% do 80% ciągu jest dostarczane przez bypass, a około 20% przez sam rdzeń. Gdy samolot osiągnie wysokość przelotową, 95% do 100% ciągu jest dostarczane przez bypass” – powiedział Attia. Silniki turboodrzutowe, takie jak te w Concorde, nie miały w ogóle bypassu, co czyniło je bardzo drogimi w eksploatacji. Aby wywołać ryk odrzutowca, silniki musiały spalić dużo paliwa.
Suck, Squeeze, Bang and Blow
„Suck, Squeeze, Bang, Blow” to sposób, w jaki piloci zapamiętują różne etapy pracy silnika.
Suck
Wentylator z przodu zasysa powietrze. 10 procent tego powietrza trafia do tak zwanego „rdzenia” silnika. 90 procent jest przyspieszane i przepychane wokół rdzenia.
Wyciskanie
Powietrze, które dostało się do rdzenia, przechodzi przez serię małych, obracających się łopatek przymocowanych do wału zwanego sprężarką. Obracanie powietrza powoduje powstanie momentu obrotowego, który przyspiesza powietrze i zwiększa jego ciśnienie.
Bang
Paliwo jest następnie wtryskiwane do sprężonego powietrza i zapalane w palniku.
Dmuch
Następnie, szybko rozprężająca się, gorąca mieszanka gazów przechodzi przez kolejny zestaw łopatek wentylatora zwanego turbiną. Gazy te są wyłapywane przez małe łopatki turbiny, powodując jej obrót.
To właśnie turbina jest niesamowita.
Obracająca się turbina obraca wał, który wprawia w ruch obrotowy sprężarki i obraca wentylator znajdujący się na samym przodzie. Kluczowy wniosek: cały sens istnienia rdzenia silnika polega na obracaniu wentylatora z przodu, a nie na zapewnieniu większości siły ciągu.
„Turbina przekształca energię cieplną generowaną przez spalanie z powrotem w energię mechaniczną. To małe łopatki turbiny obracają się i są połączone z wałem, który jest połączony z samą sprężarką i wentylatorem” – wyjaśnia Attia. Wał turbiny obraca się z prędkością około 20 000 obrotów na minutę, czyli naprawdę bardzo szybko.
Jak dużo powietrza potrzeba, aby zapewnić wystarczający ruch do przodu, aby skrzydła mogły pracować i generować siłę nośną?
53 ciężarówki UPS
Typowy silnik odrzutowy wciąga około 1 500 kilogramów powietrza na sekundę. Gęstość powietrza na poziomie morza wynosi około 1,2 kilograma na metr sześcienny. Dr Attia wykonał dla nas szybką matematykę: typowa ciężarówka UPS ma 23 metry sześcienne, a zatem silnik odrzutowy wciąga objętość około 53 ciężarówek UPS wartych powietrza – na sekundę.
„To masowy przepływ powietrza jest najważniejszą częścią równania ciągu” – powiedział Attia. Speich zgodził się, zauważając, że Pratt & Whitney od 20 lat koncentruje się na wydajności napędowej: „pompowaniu dużej ilości powietrza”, jak to ujął.
Łopatki wentylatora
Energia tworzona przez łopatki wentylatora jest oszałamiająca. I wydaje się, że każdy producent silników ma swój barwny sposób na wyjaśnienie energii przechwyconej w jednej łopatce. Jeden z producentów powiedział, że energia zawarta w jednej łopatce wentylatora podczas pracy mogłaby wystrzelić mały samochód ponad siedmiopiętrowy budynek. Inny: wystarczy, aby unieść dziewięć piętrowych autobusów (lub 13 słoni.)
Łopatki wentylatora silników Pratt są wykonane z wysokowytrzymałego stopu aluminium z tytanową krawędzią prowadzącą. Inni producenci silników odrzutowych używają wydrążonych łopatek tytanowych lub łopatek owiniętych włóknem węglowym. Zabawny fakt: łopatki wentylatora same w sobie są mini skrzydłami, generującymi siłę nośną.
Jedną z rzeczy, którą można zauważyć, gdy zbliżymy się do silnika jest to, jak blisko obudowy silnika znajdują się końcówki wentylatora. W rzeczywistości, P&W zbudował je z taką precyzją, że ocierają się o gumową obudowę wewnętrzną tylko trochę, milimetr po milimetrze, co tworzy mały rowek w gumie. Tolerancje muszą być niewiarygodnie małe.
Supersonic Fan Tips and The Geared Turbofan Solution
W locie, łopatki wentylatora obracają się z prędkością około 3,000 RPM. Wyżej, łopatki wentylatora zaczynają pracować naddźwiękowo, wytwarzając ogromny hałas w postaci przeszywającego dronu. Dla porównania, wał niskiego ciśnienia obraca się z prędkością 12 000 RPM, a wał wysokiego ciśnienia z prędkością około 20 000 RPM. Jak więc spowolnić te obroty – przechodząc od wysokich RPM z tyłu silnika do niższych RPM z przodu?
Wracamy do konstrukcji silnika.
Przechodzący przez sam środek rdzenia jest „wałem w wale”. Jeden wał obraca turbiną niskiego ciśnienia, sprężarką niskiego ciśnienia i wentylatorem, co widać na powyższym schemacie. Inny wał obraca turbiną wysokiego ciśnienia i sprężarką wysokiego ciśnienia. Każdy element musi obracać się z inną prędkością dla każdego etapu.
Aby wentylator z przodu zwolnił, „potrzebujemy więcej etapów niższego ciśnienia, aby uruchomić wentylator z wolniejszą prędkością niż wał wysokiego ciśnienia,” powiedział Speich, odnosząc się do konwencjonalnej konstrukcji silnika z dwoma szpulami. Te dodatkowe stopnie zwiększają masę i negatywnie wpływają na wydajność paliwa.
I tu właśnie pojawia się turboprzepływowy turbowentylator z przekładnią (GTF). Jest to najbardziej znaczący postęp w technologii silników od 20 lat.
Po pierwsze, z czasem P&W wymyśliło, jak stworzyć lekką skrzynkę przekładniową. Obecna skrzynia biegów waży około 250 funtów; pierwsze próby były bliższe 600 funtów. Przekładnia zmniejsza prędkość obrotową trzy do jednego. Jeśli wał niskiego ciśnienia pracuje z prędkością 10 000 obrotów na minutę, przekładnia redukuje prędkość wentylatora do 3 000 obrotów na minutę, ale – co ważne – bez dodawania kolejnych stopni niskiego ciśnienia. Pratt pracował nad tym od momentu dołączenia Speicha do firmy, aktywnie przez 20 lat testów.
„Dzięki przekładni, można obracać wentylator wolniej, ale pozwolić reszcie komponentów obracać się z prędkością, która jest dla nich najbardziej wydajna,” wyjaśnia Speich. Z kolei, aby wentylator pracował z mniejszą prędkością, potrzeba mniejszej liczby stopni niskiego ciśnienia i mniejszej masy komponentów.
„Przekładnia znalazła zastosowanie w silniku” – powiedział Speich. „Wszystkie te nauki… i wreszcie dzisiaj technologia nadrobiła zaległości.”
Efficiency Gains Over Time
Speich pracuje w P&W od połowy lat 70-tych, a dołączył tuż po tym, jak P&W wprowadziła na rynek JT9D, który napędzał pierwszego Boeinga 747. „Te pierwsze silniki miały stosunek bocznikowania około 4,5 do 1,” powiedział Speich. Były one również wykonane ze stalowych obudów wentylatorów i kutych elementów stalowych, co było dość ciężkie.
Porównaj to z silnikiem GTF, który może pochwalić się współczynnikiem obejścia 12 do 1. Silnik ten podobno oferuje 15% wzrost wydajności paliwa. „To bardzo dużo w tej przestrzeni” – powiedział stanowczo Attia.
Speich zauważył, że jego firma odnotowuje lepsze niż 15% wzrosty wydajności. „Pamiętam, kiedy trafienie w jeden do dwóch procent wzrostu wydajności paliwa było trafieniem w kopalnię złota” – powiedział, patrząc wstecz na swoją karierę w firmie. GTF lata obecnie na pięciu platformach: serii Airbus A320Neo, Airbus A220, odrzutowcach Embraer E-2, rosyjskiej produkcji Irkut MC-21 oraz Mitsubishi MRJ. (Dwa ostatnie nie są jeszcze w służbie komercyjnej.) Będziesz nimi latał w USA między innymi z Hawaiian, Delta i Spirit.
„Jeśli chodzi o aerodynamikę, materiały, struktury, fizykę… wszystko – wszystko to jest doprowadzone do granic możliwości” – powiedział Attia. „Myślę, że są to najbardziej fascynujące maszyny, jakie kiedykolwiek stworzył człowiek.”
I na wypadek, gdybyś się zastanawiał, małe zawirowanie w środku nosa silnika jest po to, aby dać znać – wizualnie – czy wentylator się kręci, czy nie.
Mike Arnot jest założycielem Boarding Pass NYC, nowojorskiej marki turystycznej i prywatnym pilotem.
Featured obraz przez autora.
Oferta powitalna: 80 000 punktów
WARTOŚĆ BONUSOWATPG*: $1,650
CARD HIGHLIGHTS: 2X punkty na wszystkie podróże i posiłki, punkty można przenosić do ponad tuzina partnerów turystycznych
*Wartość bonusu jest wartością szacunkową obliczoną przez TPG, a nie przez wydawcę karty. Zobacz nasze najnowsze wyceny tutaj.
Złóż wniosek teraz
More Things to Know
- Zdobądź 80 000 punktów bonusowych po wydaniu 4 000 USD na zakupy w ciągu pierwszych 3 miesięcy od otwarcia konta. To jest 1,000 dolarów, gdy można zrealizować za pośrednictwem Chase Ultimate Rewards ®. Dodatkowo zyskaj do $50 w zestawieniu kredytów na zakupy w sklepie spożywczym w ciągu pierwszego roku od otwarcia konta.
- Zdobądź 2X punkty na posiłki, w tym kwalifikujące się usługi dostawcze, jedzenie na wynos i na wynos oraz podróże. Plus, zarobić 1 punkt za dolara wydanego na wszystkich innych zakupów.
- Zdobądź 25% więcej wartości, gdy można zrealizować na bilety lotnicze, hotele, wypożyczalnie samochodów i rejsy przez Chase Ultimate Rewards ®. Na przykład, 80 000 punktów jest warte 1000 dolarów na podróże.
- Z Pay Yourself Back℠, Twoje punkty są warte o 25% więcej podczas bieżącej oferty, kiedy wymieniasz je na punkty za istniejące zakupy w wybranych, zmieniających się kategoriach.
- Zdobądź nieograniczone dostawy z opłatą za dostawę w wysokości 0 dolarów i obniżonymi opłatami za obsługę kwalifikujących się zamówień powyżej 12 dolarów przez minimum rok z DashPass, usługą subskrypcji DoorDash. Aktywuj do 31 grudnia 21 r.
- Zaliczaj na ubezpieczenie od rezygnacji z podróży/przerwania podróży, ubezpieczenie Auto Rental Collision Damage Waiver, ubezpieczenie od zagubionego bagażu i inne.
- Zyskaj do 60 USD zwrotu na kwalifikujące się członkostwo Peloton Digital lub All-Access Membership do 31 grudnia 2021 r. i uzyskaj pełny dostęp do biblioteki treningów za pośrednictwem aplikacji Peloton, w tym cardio, bieganie, siłowe, joga i inne. Weź udział w zajęciach za pomocą telefonu, tabletu lub telewizora. Nie jest wymagany sprzęt fitness.
Zastrzeżenia redakcyjne: Opinie wyrażone tutaj są wyłącznie opiniami autora, a nie opiniami jakiegokolwiek banku, wystawcy karty kredytowej, linii lotniczych lub sieci hotelowej, i nie zostały zweryfikowane, zatwierdzone lub w inny sposób poparte przez którykolwiek z tych podmiotów.
Zrzeczenie się odpowiedzialności: Odpowiedzi poniżej nie są dostarczone lub zlecone przez bank reklamodawcy. Odpowiedzi nie zostały przejrzane, zatwierdzone lub w inny sposób poparte przez bank reklamodawcy. To nie jest odpowiedzialność banku reklamodawcy, aby zapewnić wszystkie posty i / lub pytania są odpowiedział.
.