De straalmotor

Er zijn twee soorten straalmotoren:

Deze afbeelding bij de beschrijving van de straalmotor op de hoofdpagina is niet zo heel erg duidelijk:

We gaan de drie onderdelen nog eens beter bekijken.

De Axiale straalmotor

Eerst de compressor

In foto 1 t/m 7 zie je de axiale General Electric J-79, de straalmotor van de F-104 Starfighter. Die motor is gebouwd in de jaren vijftig, maar de werking is hetzelfde als een moderne motor. Deze motor is een turbojet. Op de hoofdpagina heb je kunnen lezen dat daarbij alle aangezogen lucht door de straalmotor gaat. 
Op de kleine tekening hierboven zie je een holle as met de compressorbladen, de kleine "vleugeltjes". Die as wordt naar rechts toe steeds dikker en de lengte van de bladen steeds korter. De as met al die bladen draait heel snel rond, bij deze motor 7500 omwentelingen per minuut. Wat in de tekening niet goed te zien is, zijn de bladen die vast zitten in de buitenkant.

Op foto 3 kun je zien hoe het eigenlijk in elkaar zit. De bladen met de letter R zitten op de holle as, de rotor. De rotor is het draaiende gedeelte. Er zitten ook van die bladen op het vaste gedeelte (het omhulsel of de stator). Op de foto is dat de letter S. De bladen van de rotor lopen heel dicht langs dat omhulsel, om ervoor te zorgen dat er geen lucht langs kan stromen.

Je hebt dus rotorbladen die draaien, en statorbladen die vast zitten aan het omhulsel:


Op foto 1 zie je de rotorbladen en de statorbladen in de voorkant van de straalmotor, die als eerste de lucht aanzuigen.

In de afbeeldingen 2 en 4 kun je zien dat de as van de rotor steeds dikker wordt, en de lengte van de bladen wordt minder.Wat foto 2 een beetje ingewikkeld maakt, is het mechanisme om de statorbladen van de lagedruk compressor (lichtblauw)  te kunnen verdraaien. Sommige motoren hebben dat. In de hogedruk compressor zitten die verdraaibare statorbladen weer niet.

1   voorkant van de compressor 2 de "lagedruk" compressor met verstelbare statorbladen; 
de zuiger laat de stang bewegen, die laat weer ringen rond de
motor draaien en die ringen bedienen via een armpje weer de
statorbladen

Hoe kunnen deze turbinebladen nu lucht samendrukken? Kijk eens naar foto 3. De rotorbladen R scheppen in de lucht en geven de lucht een grote snelheid. De statorbladen S die in een heel andere stand staan, veranderen die snelheid in druk. Dus na 1 stel rotorbladen en statorbladen is de druk iets verhoogd. En druk verhogen geeft warmte. Denk maar aan een fietspomp. Na elke ring met rotorbladen is de temperatuur 20 graden hoger...
Het volgende stel rotorbladen en statorbladen heeft weer een iets kortere lengte, want die moeten de druk weer iets verhogen.
Op deze manier wordt de druk stapje voor stapje opgebouwd door de lagedruk- en de hogedrukcompressor. Tijdens al die stapjes gaat de luchtdruk dus zigzaggend door de motor.
Uiteindelijk kan de druk achter de compressor tegenwoordig oplopen tot 40 bar (vroeger 40 atmosfeer). Bijvoorbeeld bij de Rolls Royce Trent 900. Die druk is 20 maal zo hoog als de druk in de band van een personenauto. General Electric denkt zelfs al aan 60 bar.

Omdat de compressor meer dan genoeg lucht pompt voor de verbrandingskamer, kan er ook een gedeelte afgetapt worden. In het Engels heet dat bleed air en ik ken er eigenlijk geen goed Nederlands woord voor. Die bleed air kan een temperatuur hebben van 200 - 250 graden Celcius, met soms uitschieters tot 300 graden. Deze hete lucht kan gebruikt worden in de ijsbestrijding van de vleugel voorranden en de omkappingen van de motoren.

Als die hete lucht heel erg wordt gekoeld door een warmte-uitwisselbaar waarin de zeer koude lucht op grote hoogte de bleed air afkoelt, en als "nabehandeling" nog een airco, is het prima bruikbaar om de cabine van het vliegtuig op druk te houden en ook om de lucht te verversen. Daarom ruik je wel eens de uitlaatgassen als het vliegtuig de straalomkeerders gebruikt om te remmen.

3    R = Rotorbladen S = Statorblad             Terug 4   Links langere rotorbladen, rechts kortere 
        (richting verbrandingskamer) 

De verbrandingskamer

Na de compressor komt de lucht in de verbrandingskamer (foto 5). In de foto's hieronder zie je dat die bestaat uit een aantal bussen die met elkaar verbonden zijn door buisjes, maar tegenwoordig is het meestal één ronde verbrandingskamer. Links in de bus wordt brandstof gespoten (als een heel fijne nevel). Op foto 6 zie je dat wat duidelijker. De bussen zitten vol gaatjes, zodat de samengeperste lucht langs het metaal kan stromen. Op die manier wordt het materiaal gekoeld, zodat het niet kan verbranden. Ook zorgen die gaatjes ervoor dat de luchtsnelheid in de bus niet te hoog is, anders worden de vlammen uitgeblazen. Bij het starten wordt er een soort bougie gebruikt om het mengsel van brandstof en lucht aan te steken, maar als de motor eenmaal werkt, dan blijven de vlammen vanzelf branden. Alleen als een piloot door regen of sneeuw vliegt, zet hij de ontsteking weer aan, omdat de kans op het uitgaan van de vlammen dan groter is.

5   de verbrandingskamer 6   de verstuiver van de kerosine (in het midden)

De turbine

Het hete gas komt dan in de turbine. Ook daar zijn weer telkens combinaties van rotorbladen en statorbladen. Daar werkt het omgekeerd, vergeleken bij de compressor, want de druk neemt nu weer af. Als je goed kijkt zie je dat de achterste turbinebladen daarom langer zijn dan de voorste.
De turbine laat de as draaien, zodat de compressor weer lucht kan aanzuigen. Soms wordt er te veel lucht aangezogen en samengeperst, wat dan door de compressor naar voren geblazen kan worden. Dit is heel schadelijk voor een straalmotor. Vandaar dat men soms gebruik maakt van verdraaibare statorbladen (foto 2). Op die manier kan men dan de opbrengst van de compressor regelen (meer of minder druk). Andere motoren hebben kleppen die worden geopend om zodoende het teveel aan lucht weg te laten lopen (ja, dat sist enorm...).  

7   de turbine

Veel straalmotoren, of beter: gasturbines, hebben een apart hoge- en lagedruk gedeelte. Dat voorkomt oplossingen 

zoals de variabele statorbladen en grote kleppen om het teveel aan lucht te laten weglopen, omdat elk turbine/compressor stel op een eigen, ideaal toerental draait. In de tekening hierboven zie je dat twee hogeduk turbines (paars) de hogedruk compressor aandrijft en de (groene) lagedruk turbines drijven de lagedruk compressor en de fan aan. Dit noemt men in het Engels een two-spool engine. De assen draaien dus over elkaar heen. Rolls Royce gebruikt in alle zware moteren drie van die stellen: three-spool engine. Men heeft  dan een intermediate compressor/intermediate turbine toegevoegd. Die zit tussen het lage- en hogedruk gedeelte in.

Bij het starten wordt de hogedruk compressor en turbine gestart. Als die genoeg heet gas levert volgt het lagedruk stel. (Of bij Rolls Royce nog eerst het intermediate stel).
Het op gang komen van de lagedruk compressor en de fan geven het lage geluid bij de start.

De Centrifugale straalmotor

Een van de oudste compressors is de centrifugale compressor. Die werd in de eerste straalmotoren gebruikt, maar voor kleine motoren tot ongeveer 1000 pk wordt die nog steeds gebruikt. Op de foto zie je een Rolls Royce Nene straalmotor.

 

8   dubbele centrifugale compressor van de Rolls Royce Nene 9   de centrifugale compressor

In foto 8 zie je de hele motor. Wat meteen opvalt, is de lengte van een motor met centrifugale compressor. Die is veel korter dan een axiale straalmotor. Daarom wordt dit type motor vaak voor kleine helicopters gebruikt en voor de hulpmotor achterin een modern verkeersvliegtuig. Deze "APU's" zorgen voor de luchtverversing aan boord en de elektriciteit, als het vliegtuig aan de grond staat. Ook worden ze gebruikt om de motoren te starten.

Op foto 9 zie je een uitvergroting van de centrifugale compressor. De lucht wordt in het midden (waar de bladen breder zijn) aangezogen en met kracht naar buiten geslingerd. Daarna zetten speciaal gebogen platen de luchtsnelheid weer om in druk. Voor de rest is de werking hetzelfde als bij de axiale straalmotor. Dus zijn er ook verbrandingskamers en een turbine.

Van snelheid naar druk

Als je er zin in hebt gaan nog een stapje verder. Want hoe komt het dat snelheid omgezet kan worden in druk?
De centrifugale compressor en de vaantjes in de axiale straam geven de lucht eigenlijk alleen maar snelheid. Net zo als een ventilator. En snelheid is nog geen druk. Hier kunnen wel een wet van meneer Bernoulli gebruiken:

Als je een opening kleiner maakt wordt de druk omgezet
in snelheid. Het mooiste voorbeeld is een water slang.
Als je die dichtknijpt spuit het water heel ver, omdat de
snelheid hoger wordt. Bij lucht gaat het net zo.

Als de opening wijder wordt, neemt de snelheid af en wordt de druk hoger. Dat is dus het omgekeerde van hiernaast.

 

Bij de Rolls Royce Derwent motor is dat heel goed te zien:

De lucht komt van boven, gaat langs de drie geleidingsplaatjes en dan wordt de opening wijder. Eigenlijk begint dat al bij die drie plaatjes. Op deze manier wordt snelheid dus omgezet in druk. De druk bij de ingang van de verbrandingskamer (rechts) is zo meteen verhoogd tot 4 bar.

Bij een axiale straalmotor zoals de General Electric J-79 is dat wat lastiger te zien, maar de statorbladen zijn zo gemaakt dat ze de openingen steeds wijder maken. De lucht wordt dus versneld en de druk verhoogd. In het volgende rotor/stator gedeelte wordt de lucht opnieuw versneld en weer de druk verhoogd, enz. 
De druk wordt dus in kleine stapjes opgebouwd.

 

Hans Walrecht

de mooie animatie komt van Wikipedia
foto's General Electric J79: Technik Museum Sinsheim (Duitsland)
foto's Rolls Royce Nene: Militair Luchtvaart Museum (Soesterberg)

beide museums zijn een aanrader!

Youtube filmpjes:

Rolls Royce Trent 1000 voor de Boeing 787: http://www.youtube.com/watch?v=_AvzoXPEXxk 
Vliegende testbank voor de Trent 1000: http://www.youtube.com/watch?v=877vfTgYuPw
General Electric GEnx 2b voor de nieuwe Boeing 747-8: http://www.youtube.com/watch?v=AV79wnNwSWQ 

Zie voor animaties deze pagina: http://www.hansonline.eu/leerlink/technieklinks.htm

 

Terug Terug

 

English version - main page