Suihkumoottori

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
F-15 Eagle -hävittäjän Pratt & Whitney F100 -ohivirtaussuihkumoottori koekäytössä
Ilman virtaus ohivirtaussuihkumoottorissa

Suihkumoottori (engl. jet engine) on reaktiomoottori, jonka toiminta perustuu nopeasti virtaavaan aineeseen, joka tuottaa työntövoimaa mekaniikan kolmannen peruslain mukaisesti. Yleisesti ottaen suurin osa suihkumoottoreista perustuu erilaisiin palamisreaktioihin. Suihkuturbiinien, ohivirtausmoottorien, ramjetien, patoputkimoottorien ja jopa rakettimoottorien voidaan ajatella kuuluvan suihkumoottorin laajemman käsitteen alle.

Yleiskielessä suihkumoottorilla viitataan tavallisesti lentokoneiden voimalaitteena käytettäviin palamisreaktioihin perustuviin ilmaahengittäviin kaasuturbiineihin. Tällaiset moottorit koostuvat yleensä kolmesta pääosasta: ahtimesta, polttokammiosta ja turbiinista, joka tuottaa ahtimen pyörittämiseen vaadittavan voiman.

Toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suihkumoottori on sisäiseltä toimintaperiaatteeltaan kaasuturbiini. Sen käyttö lentokoneen voimalaitteena perustuu siihen, että moottori aiheuttaa lävitseen virtaavalle ilmamassalle kiihtyvyyttä, jonka vastavoimana (reaktiona; tästä varhainen nimitys reaktiomoottori) syntyy työntövoimaa.

Rakenne ja toiminta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suihkumoottorin tärkeimmät osat ovat ahdin, polttokammio ja turbiini.

  • Ahtimen tehtävänä on kasvattaa moottoriin tulevan ilman painetta. Ahdin voi olla joko keskipako- tai (yleisimmin) aksiaalityyppinen ja koostuu yleensä useista vyöhykkeistä. Nykyisin valtaosa suihkumoottoreista on ohivirtausmoottoreita, joissa ahtimen ensimmäinen vyöhyke on rakennettu ns. puhaltimeksi (engl. fan). Ahtimessa sisään tuleva ilma puristuu kokoon ja sen paine ja lämpötila kasvavat. Korkein suihkumoottorin sisällä vallitseva paine saavutetaankin välittömästi ahtimen ulostulossa.
  • Polttokammiossa ahtimen puristamaan ilmaan sekoitetaan polttoainetta, ja siellä aikaansaatu polttoaine+ilma-seos palaa. Palamisreaktio kasvattaa voimakkaasti kaasun tilavuutta ja lämpötilaa. On huomattava, että vain pieni osa ahtimen puristamasta ilmamäärästä osallistuu suoraan palamistapahtumaan; suurin osa tarvitaan jäähdyttämään kuumia palokaasuja ja ohjaamaan ne niin, etteivät moottorin sisäiset osat ylikuumene.
  • Turbiini koostuu useista vyöhykkeistä ja on käytännössä aina aksiaalityyppinen. Suihkumoottorin turbiinin tehtävänä on ottaa palokaasujen virtauksesta talteen ahtimen, mahdollisen puhaltimen ja apulaitteiden tarvitsema akseliteho. Turbiinin jälkeen kaasuvirtaus ohjataan suihkuputken kautta ulos moottorista.

Suihkumoottorin pyörivät osat (ahdin ja turbiini) voidaan jakaa myös useampaan osaan niin, että eri osat yhdistetään sisäkkäisillä akseleilla. Tällöin korkeapaineturbiini pyörittää korkeapaineahdinta ja matalapaineturbiini puolestaan pyörittää matalapaineahdinta sekä puhallinta. Kolmiakselisiakin suihkumoottoreita on rakennettu.

Hävittäjissä voi olla jälkipoltin, joka sijaitsee suihkuputkessa. Suihkuputkeen ruiskutetaan lisää polttoainetta, joka palaessaan tuottaa lisää suihkunnopeutta ja siten työntövoimaa. Polttoaineen kulutus kasvaa kuitenkin erittäin voimakkaasti ja jälkipoltinta voidaan yleensä käyttää vain joitakin minuutteja kerrallaan.

Tyypillinen ohivirtaussuihkumoottorin toiminta on seuraava:

  • Ilmanottoaukosta (engl. air inlet) ilma johdetaan puhaltimelle, joka on myös ahtimen ensimmäinen vyöhyke.
  • Puhaltimesta suurin osan moottoriin tulevasta ilmasta johdetaan moottorin kaasuturbiinin ohitse suoraan ohivirtauskanavaan.
  • Loput ilmasta puristetaan ensin ahdinsiivistöissä pieneen tilaan ja korkeaan paineeseen (tyypillisesti 10–20 bar).
  • Puristunut ilma johdetaan polttokammioon, jossa siihen sumutetaan polttoainetta, yleensä lentopetrolia.
  • Tämä ilman ja polttoaineen seos sytytetään suihkumoottoria käynnistettäessä sytytystulpalla, jonka jälkeen polttokammiossa palaa jatkuva liekki. Palotapahtumassa ilma laajenee voimakkaasti ja syöksyy kohti turbiinia.
  • Kaasuseoksen lämpötila polttokammiossa nousee useampaan tuhanteen asteeseen. Osia jäähdytetään polttokammion seinämiä kiertävällä kylmemmällä ilmalla.
  • Polttokammiosta tulevien pakokaasujen energia otetaan suurimmaksi osaksi talteen turbiinisiivistöissä ja käytetään ahtimen ja puhaltimen pyörittämiseen.
  • Lopuksi kaasusuihku tulee suihkuputkeen ja sitä kautta ulkoilmaan. Suihkuputkesta tuleva virtaus antaa (ohivirtaussuhteesta riippuen) n. 10-20 % työntövoimasta.

Kaasuturbiini ei periaatteessa ole erityisen vaativa käyttämänsä polttoaineen suhteen. Suihkumoottorissa käytetään polttoaineena kerosiinia, joka muistuttaa lähinnä valopetrolia. Useimmissa suihkumoottoreissa voitaisiin käyttää myös tavallista bensiiniä, mutta se on kalliimpaa ja tulenarkuutensa, suuren haihtuvuutensa, huonon voitelukykynsä ym. syiden vuoksi muutenkin huonommin suihkumoottorikäyttöön sopivaa. Jotkut moottorit kykenevät hätätilassa käyttämään jopa dieselöljyä.

Suihkumoottorin tyyppejä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suora suihkumoottori[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ensimmäiset suihkumoottorit olivat ns. suoria suihkumoottoreita (engl. turbojet), joissa ei ole lainkaan puhallinta eikä ohivirtausta vaan kaikki ahtimen pumppaama ilma johdetaan moottorin läpi. Suorat suihkumoottorit olivat vuosikymmeniä käytössä sotilas- ja siviilikoneissa, mutta nykyisin ohivirtausmoottori on syrjäyttänyt ne sekä taloudellisista että ympäristösyistä.

Suora suihkumoottori on aikaisemmin ollut yleisin hävittäjissä käytetty moottorityyppi, koska se on yksinkertainen ja tehokas yliääninopeuksissa. Uudemmissa hävittäjissä käytetään kuitenkin yleensä pienen ohivirtaussuhteen omaavaa ohivirtausmoottoria. Suuriin nopeuksiin suunnitelluissa moottoreissa on tyypillisesti pienempi ohivirtaussuhde, koska suuren ohivirtaussuhteen vaatima suuri ilmamäärä merkitsee ylimääräistä ilmanvastusta. Matkustajakoneissa suoravirtausmoottoreista ohivirtausmoottoreihin siirryttiinkin ennen sotilaskoneita.

Ohivirtausmoottori[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Boeing 747-230:ssa 1970-luvulla käytetty ohivirtausmoottori, Rolls-Royce RB.211.

Nykyaikainen matkustajalentokoneen suihkumoottori on ns. ohivirtausmoottori; myös nimitystä puhallinturbiini (engl. turbofan) käytetään. Ohivirtausmoottori on suoraa suihkumoottoria hiljaisempi ja taloudellisempi.

Ohivirtausmoottorissa merkittävä osa ahtimen ensimmäisen vyöhykkeen, puhaltimen, puristamasta ilmasta johdetaan moottorin ohi. Näin saadaan ohivirtaavalle suurelle ilmamassalle suhteellisen pieni nopeuslisä, kun moottorin läpi virtaavalle pienemmälle ilmamassalle taas saadaan suuri nopeuslisä. Työntövoiman yhtälössä sekä kaasun nopeus että sen massa ovat osoittajassa ja massaa on helpompi lisätä kuin nopeutta, koska massan lisääntyessä tehontarve lisääntyy sen mukana lineaarisesti, mutta nopeuden lisääntyessä tehontarve nousee neliöllisesti.

Puhaltimen osuus työntövoimasta riippuu puhaltimen koosta: hävittäjissä osuus (ilman jälkipoltinta) on n. 10-40 %, ja isoissa liikennelentokoneissa se on jopa n. 50-80 %.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta lentokoneiden moottorit.
Tämä ilmailuun liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.