När du går ombord på ett flygplan har du kanske lagt märke till den lilla virveln, eller den vita hash, i mitten av motorn, som sakta vänder sig som en optisk illusion. Bakom den virveln finns förmodligen det mest komplexa ingenjörskonstverk som någonsin konstruerats: En av de jetmotorer som driver ditt flygplan.
”Det finns ingen kontakt mellan metall och metall. De kan gå i tusentals timmar – 60 000 timmar – och är bara beroende av luft och bränsle. Komponenterna har en otroligt lång livslängd”, säger Magdy Attia, professor i rymdteknik vid Embry-Riddle Aeronautical University.
Jag pratade med dr Magdy Attia, professor i rymdteknik vid Embry-Riddle Aeronautical University. Attia och James Speich, marknadschef för Pratt & Whitney Commercial Engines, för att förstå hur en jetmotor fungerar.
Attia är en mångårig expert inom flyg- och rymdteknik; han har flera flyg- och rymdpatent i sitt namn tillsammans med en armlängd av peer-reviewed publikationer. Han driver också en forskningsanläggning för gasturbiner vid universitetet. Speich är mekanisk ingenjör och har arbetat för Pratt i 45 år. Han har arbetat med tidiga datormodeller av jetmotorer och med PW4000, efterföljaren till den första motor som Pratt konstruerade för Boeing 747. Mer om det senare.
Jag tror att vi är i goda händer här.
Första sakerna först: Massor av luft. Mycket mycket.
Jetmotorer fungerar i grunden genom att suga in luft, mycket luft, blanda den med bränsle och utstöta de resulterande gaserna bakifrån med hög hastighet. Detta förflyttar motorn framåt genom reaktion, liksom flygplanet som är kopplat till den.
Men det är inte riktigt så dagens jetmotorer fungerar. Faktum är att större delen av den dragkraft som genereras av en modern jetmotor kommer helt enkelt genom att flytta en otrolig luftvolym, allt på en gång, mycket snabbt. Hela 90 procent av luften som kommer in i motorerna passerar rakt igenom utan att blandas med bränsle och antändas. Fläktbladen framtill är slavar till motorns kärna – och denna kärna får fläktarna att göra allt det tunga lyftet.
I jetmotorns begynnelse använde flygplanen en typ av jetmotor som inte längre tillverkas för kommersiellt bruk: en turbojet, där all luft som sugs in i motorn passerar genom dess kärna. I dag använder man i stället turbofläktar, som trycker nästan all luft som de tar in runt motorns kärna. De är tystare och mycket effektivare än turbojetmotorer.
De största passagerarflygplan som används i dag har motorer med extremt hög bypassgrad, där det finns ett högt förhållande mellan den luft som accelereras genom motorn – och som går förbi kärnan – och den luft som går in i själva motorns kärna. Den enorma diametern på dessa motorer, t.ex. på Boeing 777, beror på behovet av att ha en gigantisk fläkt framtill.
De civila turbojetmotorerna slutade flyga med Concorde, som till och med använde sig av något som bara finns på överljudskrigande jakt- och bombplan: efterbrännare – som bokstavligen sprutar in bränsle i avgaserna för att skapa en enorm dragkraftsförstärkning – för att hjälpa till med att accelerera vid start och senare under flygningen för att bryta ljudvallen.
Du kommer inte att se lågor som slår ut baksidan av civila flygplan vid start nuförtiden.
Propulsionsenergi är nyckeln
Teorin som omsätts i praktiken med turbofläktarna är något som kallas för propulsionseffektivitet. Det är mycket effektivare att förflytta en stor luftvolym i relativt låga hastigheter än att förflytta en liten luftvolym i högre hastigheter. (Attia upprepade denna maxim för mig genom ett utantillminne). ”Generellt sett tillhandahålls 70-80 % av dragkraften vid start av bypasset och cirka 20 % av själva kärnan. När flygplanet når marschhöjd tenderar detta att gå mot 95-100 % av dragkraften (som) tillhandahålls av bypasset”, sade Attia. Turbojetmotorer, som de i Concorde, hade ingen bypass alls, vilket gjorde dem mycket dyra i drift. För att få jetmotorn att brusa var motorerna tvungna att förbränna mycket bränsle.
Sug, kläm, knäpp och blås
”Sug, kläm, knäpp och blås” är hur piloter minns de olika stegen i en motor.
Sug
Fanen på framsidan suger in luft. 10 procent av denna luft går in i motorns så kallade ”kärna”. 90 procent får högre hastighet och trycks runt kärnan.
Skynda
Luften som kom in i kärnan rör sig genom en serie små, snurrande blad som är fästa vid en axel som kallas kompressor. Att luften snurrar orsakar ett vridmoment, vilket gör att luften blir snabbare och ökar trycket.
Bang
Bränsle sprutas sedan in i den komprimerade luften och antänds i en brännare.
Blow
Nästan passerar den snabbt expanderande, heta gasblandningen genom en annan uppsättning fläktblad som kallas turbin. Gaserna fångas upp av små blad på turbinen, vilket får turbinen att snurra.
Det är denna turbin som är otrolig.
Den snurrande turbinen vrider en axel som får kompressorerna att snurra och som vrider fläkten längst fram. En viktig poäng: hela poängen med motorkärnan är att den ska vrida fläkten längst fram – inte att ge den största delen av själva dragkraften.
”Turbinen omvandlar den termiska energi som genereras av förbränningen tillbaka till mekanisk energi. Det är de små turbinbladen som snurrar, och de är kopplade till en axel som är kopplad till själva kompressorn och fläkten”, förklarade Attia. Turbinaxeln snurrar runt 20 000 varv per minut – vilket är riktigt, riktigt snabbt.
Så, hur mycket luft behövs för att ge tillräckligt med framåtrörelse för att få vingarna att fungera och för att generera lyftkraft?
53 UPS-lastbilar
En typisk jetmotor tar in cirka 1 500 kilo luft per sekund. Lufttätheten på havsnivå är ungefär 1,2 kilo per kubikmeter. Dr Attia gjorde en snabb uträkning för vår skull: en typisk UPS-lastbil är 23 kubikmeter, och följaktligen drar en jetmotor in en luftvolym som motsvarar ungefär 53 UPS-lastbilar – per sekund.
”Det är luftmassaflödet som är den viktigaste delen av drivkraftekvationen”, säger Attia. Speich instämde och konstaterade att Pratt & Whitney i 20 år har fokuserat på framdrivningseffektivitet: ”Att pumpa mycket luft”, som han uttryckte det.
Fanbladen
Den energi som skapas av fanbladen är fantastisk. Och varje motortillverkare verkar ha ett färgstarkt sätt att förklara den energi som fångas upp i ett enda blad. En tillverkare sa att energin i ett enda fläktblad i drift skulle kunna skicka en liten bil över en sjuvåningsbyggnad. En annan: det räcker för att lyfta nio dubbeldäckade bussar (eller 13 tjurelefanter.)
Fanbladen till Pratt-motorerna är tillverkade av höghållfast aluminiumlegering med en framkant av titan. Andra tillverkare av jetmotorer använder ihåliga titanblad eller blad som är lindade med kolfiber. Ett roligt faktum är att fläktbladen i sig själva är minivingar som genererar lyftkraft.
En sak som man märker när man kommer nära motorn är hur nära fläktspetsarna är mot motorhuset. P&W byggde dem faktiskt med en sådan precision att de gnuggar mot det inre gummihöljet bara en liten millimeter, vilket skapar ett litet spår i gummit. Toleranserna måste vara otroligt små.
Supersonic Fan Tips and The Geared Turbofan Solution
Under flygning snurrar fläktbladen med cirka 3 000 varv per minut. Om det blir högre börjar fläktspetsarna gå supersoniskt, vilket ger upphov till ett enormt buller i form av ett genomträngande drönande ljud. Däremot snurrar lågtryckaxeln vid 12 000 varv per minut och högtryckaxeln vid cirka 20 000 varv per minut. Så hur bromsar man denna rotation – genom att gå från ett högt varvtal längst bak i motorn till ett lägre varvtal längst fram?
Tillbaka till motorns konstruktion.
Helt genom kärnans mitt går en ”axel i axeln”. Den ena axeln driver lågtrycksturbinen, lågtryckskompressorn och fläkten, vilket du kan se på diagrammet ovan. En annan axel driver högtrycksturbinen och högtryckskompressorn. Varje komponent måste rotera med olika hastigheter för varje steg.
För att få fläkten i fronten att sakta ner, ”behöver du fler steg med lägre tryck för att driva fläkten med lägre hastighet än högtryckaxeln”, säger Speich och hänvisar till den konventionella motorkonstruktionen med två spolar. Dessa ytterligare steg ökar vikten och påverkar bränsleeffektiviteten negativt.
Och det är där den växlade turbofläkten, eller GTF, kommer in i bilden. Det är den viktigaste utvecklingen inom motortekniken på 20 år.
För det första kom P&W med tiden fram till hur man kan göra en lättviktig växellåda. Den nuvarande växellådan väger cirka 250 pund; de första försöken var närmare 600 pund. Kugghjulet minskar rotationshastigheten tre till ett. Om lågtrycksaxeln går med 10 000 varv per minut kommer växellådan att verka för att minska själva fläkten till 3 000 varv per minut, men – kritiskt nog – utan att lägga till fler lågtryckssteg. Pratt har arbetat med detta sedan Speich kom till företaget, och aktivt för 20 års tester.
”Med växeln kan man vrida fläkten långsammare men låta resten av komponenterna rotera med den hastighet som är mest effektiv för dem”, förklarade Speich. I gengäld behövs färre steg av lågt tryck – och mindre komponentvikt – för att driva fläkten med det lägre varvtalet.
”Kugghjulet köpte sig in i motorn”, sade Speich. ”Alla dessa lärdomar … och idag har tekniken äntligen kommit ikapp.”
Effektivitetsvinster med tiden
Speich har arbetat på P&W sedan mitten av 1970-talet och började strax efter att P&W lanserade JT9D, som drev den första Boeing 747. ”De första motorerna hade ett bypassförhållande på cirka 4,5 till 1”, säger Speich. De tillverkades också med fläkthus i stål och komponenter i smittat stål, vilket var ganska tungt.
Jämför det med GTF-motorn, som har ett bypassförhållande på 12 till 1. Motorn rapporteras ge en 15-procentig ökning av bränsleeffektiviteten. ”Det är enormt i det här området”, sade Attia med eftertryck.
Speich noterade att hans företag ser effektivitetsvinster på mer än 15 %. ”Jag minns när en ökning av bränsleeffektiviteten med en till två procent var en guldgruva”, sade han när han såg tillbaka på sin karriär på företaget. GTF flyger för närvarande på fem plattformar: Airbus A320Neo-serien, Airbus A220, Embraers E-2 jetplan, det rysktillverkade Irkut MC-21 och Mitsubishi MRJ. (De två sistnämnda är ännu inte i kommersiell trafik.) Du flyger dem i USA med bland annat Hawaiian, Delta och Spirit.
”När det gäller aerodynamik, material, strukturer, fysik … allt – allt detta pressas till sin spets”, sade Attia. ”Jag tycker att det är de mest fascinerande maskinerna som människan någonsin har tillverkat.”
Och om du skulle undra, den lilla virveln i mitten av motorns nos är till för att låta vem som helst veta – visuellt – om fläkten snurrar eller inte.
Mike Arnot är grundare av Boarding Pass NYC, ett New York-baserat resevarumärke, och privatpilot.
Featured image by the author.
Välkomsterbjudande: 80 000 poäng
TPG:s bonusvärde*: 1 650 dollar
Kortets höjdpunkter: 2X poäng på alla resor och restauranger, poäng överförbara till över ett dussin resepartners
*Bonusvärdet är ett uppskattat värde som beräknats av TPG och inte av kortutgivaren. Se våra senaste värderingar här.
Ansök nu
Mer saker att veta
- Tjäna 80 000 bonuspoäng efter att du spenderat 4 000 dollar på köp under de första tre månaderna från kontoöppning. Det är 1 000 dollar när du löser in via Chase Ultimate Rewards®. Dessutom tjänar du upp till 50 dollar i kontokrediter för inköp i livsmedelsbutiker inom det första året efter att du öppnat kontot.
- Tjäna 2X poäng på middagar, inklusive berättigade leveranstjänster, hämtmat och restaurangbesök samt resor. Dessutom tjänar du 1 poäng per spenderad dollar på alla andra köp.
- Få 25 % mer värde när du löser in flygbiljetter, hotell, hyrbilar och kryssningar via Chase Ultimate Rewards®. Till exempel är 80 000 poäng värda 1 000 dollar för resor.
- Med Pay Yourself Back℠ är dina poäng värda 25 % mer under det aktuella erbjudandet när du löser in dem för kontokrediter mot befintliga köp i utvalda, roterande kategorier.
- Få obegränsat antal leveranser med en leveransavgift på 0 dollar och reducerade serviceavgifter på berättigade beställningar över 12 dollar under minst ett år med DashPass, DoorDashs prenumerationstjänst. Aktivera senast den 31/12/21.
- Räkna med försäkring för avbeställning/avbrott av resa, biluthyrningsförsäkring för kollisionsskador, försäkring för förlorat bagage med mera.
- Få upp till 60 dollar tillbaka på ett berättigat Peloton Digital- eller All-Access-medlemskap fram till och med den 31/12/2021 och få full tillgång till sitt träningsbibliotek via Peloton-appen, inklusive konditionsträning, löpning, styrketräning, yoga och mycket mer. Ta lektioner med hjälp av en telefon, surfplatta eller tv. Ingen träningsutrustning krävs.
Redaktörens ansvarsfriskrivning: De åsikter som uttrycks här är författarens egna, inte de som kommer från någon bank, kreditkortsutgivare, flygbolag eller hotellkedja, och har inte granskats, godkänts eller på annat sätt godkänts av någon av dessa enheter.
Hältighetsförklaring: Svaren nedan har inte tillhandahållits eller beställts av bankens annonsör. Svaren har inte granskats, godkänts eller på annat sätt godkänts av bankens annonsör. Det är inte bankannonsörens ansvar att se till att alla inlägg och/eller frågor besvaras.