Aksiaalikompressorin animaatio. Paikallaan olevat siivet ovat staattoreita.

Turbojetin animaatio

Kaavio, joka esittää keskipakovirtausturbiinimoottorin toimintaa. Kompressori saa käyttövoimansa turbiinivaiheesta ja heittää ilmaa ulospäin, jolloin se on ohjattava työntöakselin suuntaisesti.

Kaaviokuva, joka osoittaa aksiaalivirtausturbiinimoottorin toiminnan. Tässäkin kompressoria ohjaa turbiini, mutta ilmavirta pysyy työntöakselin suuntaisena

Ilman imuaukkoEdit

Kompressorin eteen tarvitaan imuaukko eli putki, joka auttaa ohjaamaan tulevan ilman tasaisesti liikkuviin kompressorin siipiin. Vanhemmissa moottoreissa oli liikkuvien siipien edessä kiinteät siivet. Nämä siivet auttoivat myös ohjaamaan ilmaa siipiin. Turboturbiinimoottoriin virtaava ilma on aina ääntä hitaampaa riippumatta itse lentokoneen nopeudesta.

Turbosuihkumoottoriin syötettävän ilman on syötettävä ilmaa moottoriin niin, että siinä on hyväksyttävän pieni paineenvaihtelu (ns. vääristymä) ja että se on menettänyt matkalla mahdollisimman vähän energiaa (ns. paineen palautus). Imuilman ramppipaineen nousu on imuilman osuus työntövoimajärjestelmän kokonaispainesuhteeseen ja lämpöhyötysuhteeseen.

Imeenotto korostuu suurilla nopeuksilla, kun se tuottaa enemmän puristusta kuin kompressorivaihe. Tunnettuja esimerkkejä ovat Concorden ja Lockheed SR-71 Blackbirdin propulsiojärjestelmät, joissa imuilman ja moottorin osuus kokonaispuristuksesta oli 63 %/8 % Mach 2:ssa ja 54 %/17 % Mach 3+:ssa. Imuaukot ovat vaihdelleet Lockheed C-141 Starlifterin Pratt & Whitney TF33 -turbiinimoottorin ”nollapituisesta” asennuksesta Pohjois-Amerikan XB-70 Valkyrien 65 jalan pituisiin kaksoisaukkoihin, joista kumpikin syöttää kolmea moottoria noin 800 lb/sekunnin imuilmavirtauksella.

Kompressori Muokkaa

Kompressoria ohjaa turbiini. Se pyörii suurella nopeudella, lisää energiaa ilmavirtaan ja samalla puristaa (tiivistää) sen pienempään tilaan. Ilman puristaminen nostaa sen painetta ja lämpötilaa. Mitä pienempi kompressori on, sitä nopeammin se pyörii. Suuressa ääripäässä GE-90-115:n puhallin pyörii noin 2 500 kierrosta minuutissa, kun taas pienen helikopterimoottorin kompressori pyörii noin 50 000 kierrosta minuutissa.

Turbosuuttimet syöttävät kompressorista ilmaa lentokoneeseen esimerkiksi ympäristönhallintajärjestelmään, jäänestoon ja polttoainesäiliön paineistamiseen. Itse moottori tarvitsee ilmaa eri paineilla ja virtausnopeuksilla pitääkseen sen käynnissä. Tämä ilma tulee kompressorista, ja ilman sitä turbiinit ylikuumenisivat, voiteluöljy vuotaisi laakeripesistä, roottorin työntölaakerit luistaisivat tai olisivat ylikuormitettuja, ja nokkakartioon muodostuisi jäätä. Kompressorista tulevaa ilmaa, jota kutsutaan sekundääri-ilmaksi, käytetään turbiinin jäähdyttämiseen, laakeripesien tiivistämiseen, jäänestoon ja sen varmistamiseen, että roottorin aksiaalinen kuormitus ei kuluta sen työntölaakeria ennenaikaisesti. Vuotoilman syöttäminen ilma-alukseen vähentää moottorin hyötysuhdetta, koska se on puristettu, mutta se ei tällöin vaikuta työntövoiman tuottamiseen. Turboturbiinimoottorilla varustetussa Boeing 787:ssä ei enää tarvita ilmausilmaa lentokonehuoltoa varten.

Turbosuihkukoneissa käytetyt kompressorityypit olivat tyypillisesti aksiaali- tai keskipakokompressoreita. Varhaisissa suihkuturbiinikompressoreissa oli alhaiset painesuhteet, jopa noin 5:1. Aerodynaamiset parannukset, kuten kompressorin jakaminen kahteen erikseen pyörivään osaan, muuttuvien siipikulmien sisällyttäminen sisääntulon ohjainsiipiin ja staattoreihin sekä ilman poistaminen kompressorista, mahdollistivat myöhempien suihkuturbiinimoottoreiden kokonaispainesuhteet, jotka olivat 15:1 tai enemmän. Vertailun vuoksi mainittakoon, että nykyaikaisten siviilikäytössä olevien turbotuulettimien kokonaispainesuhteet ovat 44:1 tai enemmän. Kompressorista lähdettyään ilma pääsee polttokammioon.

PolttokammioMuutos

Polttokammiossa tapahtuva palamisprosessi eroaa merkittävästi mäntämoottorin palamisprosessista. Mäntämoottorissa palavat kaasut rajoittuvat pieneen tilavuuteen, ja polttoaineen palaessa paine kasvaa. Turboturbiinimoottorissa ilman ja polttoaineen seos palaa polttokammiossa ja kulkee turbiiniin jatkuvana virtauksena ilman paineen nousua. Sen sijaan polttimossa tapahtuu pieni painehäviö.

Polttoaine-ilmaseos voi palaa vain hitaasti liikkuvassa ilmassa, joten polttoainesuuttimilla ylläpidetään käänteisen virtauksen aluetta noin stökiometristä palamista varten primäärialueella. Lisäksi syötetään paineilmaa, joka viimeistelee palamisprosessin ja laskee palamistuotteiden lämpötilan turbiinin hyväksymälle tasolle. Tyypillisesti alle 25 % ilmasta käytetään palamiseen, koska turbiinin lämpötilarajojen sisällä pysymiseksi tarvitaan kaiken kaikkiaan laihaa seosta.

TurbiiniEdit

Turbiinipyörissä käytetään erilaisia siipiä. Turbiinien tyypillisiä materiaaleja ovat inconel ja Nimonic. Moottorin kuumimmissa turbiinipyörissä ja siivissä on sisäiset jäähdytyskanavat. Kompressorista tuleva ilma johdetaan niiden läpi, jotta metallin lämpötila pysyy rajoissa. Muut vaiheet eivät tarvitse jäähdytystä.

Ensimmäisessä vaiheessa turbiini on suurelta osin impulssiturbiini (samanlainen kuin peltonpyörä), ja se pyörii kuuman kaasuvirran vaikutuksesta. Myöhemmät vaiheet ovat konvergenssikanavia, jotka kiihdyttävät kaasua. Energia siirtyy akselille impulssinvaihdon kautta päinvastaisella tavalla kuin energiansiirto kompressorissa. Turbiinin kehittämä teho pyörittää kompressoria ja lisävarusteita, kuten polttoaine-, öljy- ja hydraulipumppuja, joita lisävaihteisto pyörittää.

SuutinMuokkaa

Pääartikkeli: Potkurisuutin

Turbiinin jälkeen kaasut laajenevat pakosuuttimen läpi tuottaen suuren nopeuden suihkun. Konvergentissa suuttimessa kanavisto kapenee asteittain kurkkuun. Turbojetin suuttimen painesuhde on riittävän suuri suuremmilla työntövoima-asetuksilla aiheuttaakseen suuttimen tukkeutumisen.

Jos kuitenkin asennetaan konvergentti-divergentti de Laval -suutin, divergentti (virtauspinta-alan kasvattaminen) osa sallii kaasujen saavuttavan yliääninopeuden divergentin osan sisällä. Näin syntyvä suurempi pakokaasunopeus tuottaa lisää työntövoimaa.

Työntövoiman lisääminen Muokkaa

Työntövoimaa lisättiin suihkuturbiinimoottoreissa yleisimmin veden ja metanolin ruiskutuksella tai jälkipoltolla.Joissakin moottoreissa käytettiin molempia samanaikaisesti.

Nesteen ruiskutusta testattiin Power Jets W.1 -moottorimoottorissa vuonna 1941 aluksi ammoniakilla, minkä jälkeen se vaihdettiin ensin veteen ja sitten veteen ja sen jälkeen vesimetanoliin. Järjestelmä tekniikan kokeilemiseksi Gloster E.28/39:ssä suunniteltiin, mutta sitä ei koskaan asennettu.

JälkipolttoEdit

Pääartikkeli: Jälkipoltin

Jälkipoltin tai ”jälkilämmityssuihkuputki” on turbiinin pakokaasujen jälkilämmitystä varten lisätty polttokammio. Polttoaineen kulutus on erittäin suuri, tyypillisesti nelinkertainen päämoottoriin verrattuna. Jälkipolttimia käytetään lähes yksinomaan yliäänilentokoneissa, joista useimmat ovat sotilaslentokoneita. Kaksi yliäänilentokonetta, Concorde ja Tu-144, käyttivät myös jälkilämmittimiä, samoin Scaled Compositesin White Knight, joka on kokeellisen SpaceShipOne-suborbitaaliavaruusaluksen kantorakennuskone.

Jälkilämmitintä kokeiltiin lentokokeilussa vuonna 1944 Gloster Meteor I -lentokoneen W.2/700-moottoreissa.