Când vă urcați la bordul unui avion, poate ați observat acel mic vârtej, sau hașura albă, chiar în mijlocul motorului, care se rotește încet ca o iluzie optică. În spatele acelui vârtej se află probabil cea mai complexă piesă de inginerie proiectată vreodată: Unul dintre motoarele cu reacție care vă propulsează avionul.
„Nu există contact metal pe metal. Ele pot funcționa mii de ore – 60.000 de ore – depinzând doar de aer și combustibil. Componentele sunt incredibil de durabile”, a declarat Dr. Magdy Attia, profesor de inginerie aerospațială la Universitatea Aeronautică Embry-Riddle.
Am vorbit cu dr. Attia și cu James Speich, directorul de marketing al Pratt & Whitney Commercial Engines, pentru a înțelege cum funcționează un motor cu reacție.
Attia este un expert îndelungat în domeniul ingineriei aerospațiale; are în palmares mai multe brevete aerospațiale, alături de un braț de publicații evaluate de colegi. El conduce, de asemenea, o instalație de cercetare a turbinelor cu gaz la universitate. Speich este un inginer mecanic care lucrează la Pratt de 45 de ani; a lucrat la primele modele computerizate de motoare cu reacție și la PW4000, succesorul primului motor proiectat de Pratt pentru Boeing 747. Mai multe despre asta mai târziu.
Cred că suntem pe mâini bune aici.
Primele lucruri mai întâi: Mult aer. Foarte mult.
Motoarele cu reacție funcționează în mod fundamental prin aspirarea de aer, mult aer, amestecarea acestuia cu combustibil și expulzarea gazelor rezultate prin spate la o viteză mare. Acest lucru mișcă motorul înainte prin reacție, precum și avionul atașat la el.
Dar nu este chiar așa cum funcționează motoarele cu reacție de astăzi. De fapt, cea mai mare parte a împingerii generate de un motor cu reacție modern provine pur și simplu prin deplasarea unui volum incredibil de aer, deodată, foarte repede. Un procent de 90% din aerul care intră în motoare trece direct prin ele fără a fi amestecat cu combustibil și aprins. Paletele ventilatoarelor din față sunt un sclav al miezului motorului – iar acel miez face ca acele ventilatoare să facă toată treaba grea.
La începuturile motorului cu reacție, avioanele foloseau un tip de motor cu reacție care nu mai este fabricat pentru utilizări comerciale: un turboreactor, în care tot aerul aspirat în motor trece prin miezul acestuia. În zilele noastre, avioanele cu reacție folosesc în schimb turbosuflante, care împing aproape tot aerul pe care îl ingerează în jurul miezului motorului. Acestea sunt mai silențioase și mult mai eficiente decât turboreactoarele.
Cele mai mari avioane de linie cu reacție aflate în serviciu în prezent au motoare cu bypass extrem de ridicat, în care există un raport ridicat între aerul accelerat prin motor – ocolind miezul – și aerul care intră în miezul motorului propriu-zis. Diametrul uriaș al acestor motoare, cum ar fi cele de pe Boeing 777, se datorează necesității de a avea un ventilator uriaș în partea din față.
Turbojeturile civile au încetat să mai zboare odată cu Concorde, care chiar a folosit ceva ce se găsește doar pe avioanele de vânătoare și bombardiere supersonice: postcombustiile – injectarea la propriu a combustibilului în eșapament pentru a crea un impuls uriaș de împingere – pentru a ajuta la accelerarea la decolare și, mai târziu în timpul zborului, pentru a sparge bariera sunetului.
Nu veți vedea flăcări izbucnind din spatele avioanelor civile la decolare în aceste zile.
Energia propulsivă este cheia
Teoria pusă în practică cu turbopropulsoarele este ceva numit eficiență propulsivă. Este mult mai eficient să deplasezi un volum mare de aer la viteze relativ mai mici decât să deplasezi un volum mic de aer la viteze mai mari. (Attia mi-a repetat această maximă pe de rost din memorie). „În general, la decolare, 70% până la 80% din împingere este asigurată de bypass și aproximativ 20% este asigurată de miezul propriu-zis. Pe măsură ce aeronava atinge altitudinea de croazieră, aceasta tinde spre 95% până la 100% din împingere (fiind) asigurată de bypass”, a spus Attia. Motoarele turboreactoare, precum cele de pe Concorde, nu aveau niciun bypass, ceea ce le făcea foarte costisitoare pentru operare. Pentru a face ca acel jet să răcnească, motoarele trebuiau să ardă foarte mult combustibil.
Suck, Squeeze, Bang and Blow
„Suck, Squeeze, Bang, Blow” este modul în care piloții își amintesc diferitele etape ale unui motor.
Suck
Ventilatorul din față aspiră aer. 10 la sută din acest aer intră în așa-numitul „miez” al motorului. 90 la sută este accelerat și împins în jurul miezului.
Succesiune
Aerul care a intrat în miez se deplasează printr-o serie de palete mici, care se rotesc, atașate la un arbore numit compresor. Acțiunea de a roti aerul provoacă un cuplu, care face ca aerul să accelereze și îi crește presiunea.
Bang
Combustibilul este apoi injectat în aerul comprimat și aprins într-un arzător.
Suflare
În continuare, amestecul de gaze fierbinți, în expansiune rapidă, trece printr-un alt set de palete de ventilator numit turbină. Aceste gaze sunt prinse de lamele mici de pe turbină, determinând turbina să se învârtă.
Incredibil este această turbină.
Turbina care se învârte învârte un arbore care face să se învârtă compresoarele și învârte ventilatorul aflat chiar în față. Un lucru esențial de reținut: întregul scop al miezului motorului este de a roti ventilatorul din față – nu de a furniza cea mai mare parte a împingerii propriu-zise.
„Turbina convertește energia termică generată de combustie înapoi în energie mecanică. Lamele mici ale turbinei sunt cele care se rotesc și sunt conectate la un arbore, care este conectat la compresorul propriu-zis și la ventilator”, a explicat Attia. Acel arbore al turbinei se rotește în jur de 20.000 de rotații pe minut – ceea ce este foarte, foarte rapid.
Deci, de cât aer este nevoie pentru a asigura o mișcare înainte suficientă pentru a face aripile să funcționeze și pentru a genera portanță?
53 camioane UPS
Un motor cu reacție tipic va ingera aproximativ 1.500 de kilograme de aer pe secundă. Densitatea aerului la nivelul mării este de aproximativ 1,2 kilograme pe metru cub. Dr. Attia a făcut niște calcule rapide în beneficiul nostru: un camion UPS tipic are 23 de metri cubi și, în consecință, un motor cu reacție aspiră volumul a aproximativ 53 de camioane UPS în valoare de aer – pe secundă.
„Fluxul masic de aer este cea mai importantă parte a ecuației de împingere”, a spus Attia. Speich a fost de acord, menționând că Pratt & Whitney s-a concentrat timp de 20 de ani pe eficiența propulsiei: „pomparea unei cantități mari de aer”, după cum a spus el.
Paletele ventilatorului
Energia creată de paletele ventilatorului este uimitoare. Și fiecare producător de motoare pare să aibă un mod colorat de a explica energia captată de o singură paletă. Un producător a spus că energia dintr-o singură paletă de ventilator în funcțiune ar putea lansa o mașină mică peste o clădire cu șapte etaje. Altul: este suficientă pentru a ridica nouă autobuze cu două etaje (sau 13 elefanți taurine.)
Paletele de ventilator pentru motoarele Pratt sunt realizate din aliaj de aluminiu de înaltă rezistență, cu o margine de atac din titan. Alți producători de motoare cu reacție folosesc palete goale din titan sau palete învelite cu fibră de carbon. Fapt amuzant: paletele ventilatorului în sine sunt niște mini aripi, care generează portanță.
Un lucru pe care îl observați când vă apropiați de motor este cât de aproape sunt vârfurile ventilatorului de carcasa motorului. De fapt, P&W le-a construit la cu o asemenea precizie încât se freacă de carcasa interioară de cauciuc doar puțin, milimetric, ceea ce creează o mică canelură în cauciuc. Toleranțele trebuie să fie incredibil de mici.
Supersonic Fan Tips and The Geared Turbofan Solution
În zbor, paletele ventilatorului se rotesc la aproximativ 3.000 RPM. La o valoare mai mare, vârfurile ventilatorului încep să funcționeze supersonic, producând o cantitate uriașă de zgomot sub forma unui zumzet pătrunzător. În schimb, arborele de joasă presiune se rotește la 12.000 RPM, iar cel de înaltă presiune la aproximativ 20.000 RPM. Așadar, cum încetinești această rotație – trecând de la o turație mare în partea din spate a motorului la o turație mai mică în față?
Înapoi la proiectarea motorului.
Pasând chiar prin mijlocul miezului se află un „arbore în interiorul arborelui”. Un arbore învârte turbina de joasă presiune, compresorul de joasă presiune și ventilatorul, pe care le puteți vedea pe diagrama de mai sus. Un alt arbore învârte turbina de înaltă presiune și compresorul de înaltă presiune. Fiecare componentă trebuie să se rotească la viteze diferite pentru fiecare etapă.
Pentru ca ventilatorul din față să fie încetinit, „avem nevoie de mai multe etape de presiune mai mică pentru a rula ventilatorul la o viteză mai mică decât cea a arborelui de înaltă presiune”, a spus Speich, referindu-se la designul convențional al motorului cu două arbori. Aceste etape suplimentare adaugă greutate și afectează în mod negativ eficiența combustibilului.
Și aici intervine turbosuflanta cu angrenaje, sau GTF. Este cea mai semnificativă dezvoltare în tehnologia motoarelor din ultimii 20 de ani.
În primul rând, în timp, P&W și-a dat seama cum să facă o cutie de viteze ușoară. Cutia de viteze actuală are în jur de 250 de lire sterline; primele încercări au fost mai aproape de 600 de lire sterline. Angrenajul reduce viteza de rotație cu trei la unu. Dacă arborele de joasă presiune funcționează la 10.000 de rotații pe minut, cutia de viteze va acționa pentru a reduce ventilatorul propriu-zis la 3.000 de rotații pe minut, dar – aspect critic – fără a adăuga mai multe trepte de joasă presiune. Pratt a lucrat la acest lucru de când Speich s-a alăturat companiei și în mod activ timp de 20 de ani de teste.
„Cu reductorul, puteți roti ventilatorul mai încet, dar lăsați restul componentelor să se rotească la viteza care este cea mai eficientă pentru ele”, a explicat Speich. La rândul său, aveți nevoie de mai puține trepte de joasă presiune – și de o greutate mai mică a componentelor – pentru a face să funcționeze ventilatorul la acea viteză mai mică.
„Angrenajul și-a cumpărat drumul în motor”, a spus Speich. „Toate aceste învățături… și în cele din urmă, astăzi, tehnologia a ajuns din urmă.”
Câștig de eficiență în timp
Speich lucrează la P&W de la mijlocul anilor ’70 și s-a alăturat imediat după ce P&W a lansat JT9D, care a propulsat primul Boeing 747. „Aceste prime motoare aveau un raport de bypass de aproximativ 4,5 la 1”, a declarat Speich. De asemenea, au fost realizate cu carcase de ventilator din oțel și componente din oțel forjat, ceea ce era destul de greu.
Comparați acest lucru cu motorul GTF, care se mândrește cu un raport de bypass de 12 la 1. Se pare că motorul oferă un câștig de 15% în ceea ce privește eficiența combustibilului. „Acest lucru este uriaș în acest spațiu”, a spus Attia cu emfază.
Speich a remarcat că firma sa observă câștiguri de eficiență mai mari de 15%. „Îmi amintesc când atingerea unei creșteri de unul până la două procente a eficienței combustibilului însemna să atingi o mină de aur”, a spus el, privind în urmă la cariera sa în cadrul companiei. În prezent, GTF zboară pe cinci platforme: seria Airbus A320Neo, Airbus A220, avioanele E-2 de la Embraer, Irkut MC-21 de fabricație rusească și Mitsubishi MRJ. (Ultimele două nu sunt încă în serviciul comercial.) Le veți zbura în SUA cu Hawaiian, Delta și Spirit, printre altele.
„Când vine vorba de aerodinamică, materiale, structuri, fizică… totul – toate acestea sunt împinse la limită”, a spus Attia. „Cred că sunt cele mai fascinante mașini făcute vreodată de om.”
Și, în caz că vă întrebați, micul vârtej din mijlocul botului motorului este pentru a permite oricui să știe – vizual – dacă ventilatorul se învârte sau nu.
Mike Arnot este fondatorul Boarding Pass NYC, un brand de călătorie cu sediul în New York, și pilot privat.
Imaginea principală a autorului.
Ofertă de bun venit: 80.000 de puncte
Valoarea bonusului TTPG*: 1.650 $
DETALIILE CARDULUI: puncte 2X la toate călătoriile și mesele, puncte transferabile la peste o duzină de parteneri de călătorie
*Valoarea bonusului este o valoare estimată calculată de TPG și nu de emitentul cardului. Vezi cele mai recente evaluări aici.
Aplică acum
Mai multe lucruri de știut
- Câștigă 80.000 de puncte bonus după ce cheltuiești 4.000 de dolari pe cumpărături în primele 3 luni de la deschiderea contului. Asta înseamnă 1.000 $ atunci când răscumperi prin Chase Ultimate Rewards®. În plus, câștigați până la 50 $ în credite de extras de cont pentru achizițiile de la magazinele alimentare în primul an de la deschiderea contului.
- Câștigați puncte 2X la mese, inclusiv la serviciile de livrare eligibile, la pachet și la mesele în oraș și la călătorii. În plus, câștigați 1 punct la fiecare dolar cheltuit pentru toate celelalte cumpărături.
- Obțineți cu 25% mai multă valoare atunci când răscumpărați pentru bilete de avion, hoteluri, închirieri auto și croaziere prin Chase Ultimate Rewards®. De exemplu, 80.000 de puncte valorează 1.000 de dolari pentru călătorii.
- Cu Pay Yourself Back℠, punctele dvs. valorează cu 25% mai mult în timpul ofertei curente atunci când le răscumpărați pentru credite de extras de cont împotriva achizițiilor existente în categorii selectate, prin rotație.
- Obțineți livrări nelimitate cu o taxă de livrare de 0 dolari și taxe de serviciu reduse pentru comenzi eligibile de peste 12 dolari pentru cel puțin un an cu DashPass, serviciul de abonament al DoorDash. Activați până la 12/31/21.
- Contați pe asigurarea de anulare/întrerupere a călătoriei, renunțare la daune de coliziune pentru închiriere auto, asigurare pentru bagaje pierdute și multe altele.
- Obțineți până la 60 $ înapoi pe un abonament eligibil Peloton Digital sau All-Access până la 12/31/2021 și obțineți acces complet la biblioteca lor de antrenamente prin aplicația Peloton, inclusiv cardio, alergare, forță, yoga și multe altele. Urmați cursurile folosind un telefon, o tabletă sau un televizor. Nu este necesar niciun echipament de fitness.
Denegare de responsabilitate editorială: Opiniile exprimate aici sunt doar ale autorului, nu ale vreunei bănci, emitent de carduri de credit, companii aeriene sau lanț hotelier, și nu au fost revizuite, aprobate sau susținute în alt mod de niciuna dintre aceste entități.
Disclaimer: Răspunsurile de mai jos nu sunt furnizate sau comandate de către banca reclamantă. Răspunsurile nu au fost revizuite, aprobate sau susținute în alt mod de către banca reclamantă. Nu este responsabilitatea advertiserului bancar să se asigure că se răspunde la toate mesajele și/sau întrebările.
.