Een straalmotor is een type reactiemotor die een snel bewegende straal ontlaadt die stuwkracht genereert door straalvoortstuwing. Hoewel deze brede definitie raket-, waterstraal- en hybride voortstuwing kan omvatten, verwijst de term straalmotor typisch naar een verbrandingsmotor die lucht inademt, zoals een turbojet, turbofan, straalmotor of pulsstraal. Over het algemeen zijn straalmotoren verbrandingsmotoren.
Luchtademende straalmotoren hebben meestal een roterende luchtcompressor die wordt aangedreven door een turbine, waarbij het overgebleven vermogen voor stuwkracht door het voortstuwende mondstuk zorgt. Dit proces staat bekend als de Brayton-thermodynamische cyclus.
Straalvliegtuigen gebruiken dergelijke motoren voor langeafstandsreizen. Vroege straalvliegtuigen gebruikten turbojetmotoren die relatief inefficiënt waren voor subsonische vluchten. De meeste moderne subsonische straalvliegtuigen gebruiken complexere turbofanmotoren met een hoge bypass.
Ze geven een hogere snelheid en een lager brandstofverbruik dan vliegtuigmotoren met zuigers en propellers over lange afstanden. Een paar luchtademende motoren die zijn gemaakt voor toepassingen met hoge snelheden (ramjets en scramjets) gebruiken het ram-effect van de snelheid van het voertuig in plaats van een mechanische compressor.
Straalmotoren brengen het vliegtuig naar voren met een grote kracht die wordt geproduceerd door een enorme stuwkracht en ervoor zorgt dat het vliegtuig erg snel vliegt.
Alle straalmotoren, ook wel gasturbines genoemd, werken volgens hetzelfde principe. De motor zuigt lucht aan de voorkant aan met een ventilator. Een compressor verhoogt de druk van de lucht. De compressor is gemaakt met veel bladen die aan een as zijn bevestigd.
De bladen draaien met hoge snelheid en comprimeren of persen de lucht. De samengeperste lucht wordt vervolgens besproeid met brandstof en een elektrische vonk ontsteekt het mengsel. De brandende gassen zetten uit en schieten naar buiten door het mondstuk, aan de achterkant van de motor.
Terwijl de gasstralen achteruit schieten, worden de motor en het vliegtuig naar voren geduwd. Terwijl de hete lucht naar het mondstuk gaat, passeert het een andere groep bladen, de turbine. De turbine is bevestigd aan dezelfde as als de compressor. Door de turbine te laten draaien, gaat de compressor draaien.
Op onderstaande afbeelding is te zien hoe de lucht door de motor stroomt. De lucht gaat zowel door de kern van de motor als rond de kern. Hierdoor is een deel van de lucht erg heet en een deel koeler. De koelere lucht vermengt zich vervolgens met de warme lucht bij de motoruitgang.
Stuwkracht is de voorwaartse kracht die de motor en dus het vliegtuig naar voren duwt. Sir Isaac Newton ontdekte dat er voor "elke actie een gelijke en tegengestelde reactie is". Een engine gebruikt dit principe.
De motor zuigt een grote hoeveelheid lucht aan. De lucht wordt verwarmd en gecomprimeerd en vertraagd. De lucht wordt door vele draaiende bladen geperst. Door deze lucht te mengen met vliegtuigbrandstof kan de temperatuur van de lucht oplopen tot wel drieduizend graden.
De kracht van de lucht wordt gebruikt om de turbine te laten draaien. Eindelijk, wanneer de lucht weggaat, duwt deze achteruit uit de motor. Hierdoor beweegt het vliegtuig vooruit.
De ventilator is het eerste onderdeel van een turbofan. De grote draaiende ventilator zuigt grote hoeveelheden lucht aan. De meeste bladen van de ventilator zijn gemaakt van titanium. Vervolgens versnelt het deze lucht en splitst het in twee delen. Het ene onderdeel gaat verder door de "kern" of het midden van de motor, waar het wordt beïnvloed door de andere motorcomponenten.
Het tweede deel "omzeilt" de kern van de motor. Het gaat door een kanaal dat de kern omringt naar de achterkant van de motor, waar het veel van de kracht produceert die het vliegtuig vooruit stuwt. Deze koelere lucht helpt de motor stil te maken en geeft de motor meer stuwkracht.
De compressor is het eerste onderdeel in de motorkern. De compressor bestaat uit ventilatoren met veel schoepen en is bevestigd aan een as. De compressor perst de lucht die erin komt in steeds kleinere gebieden, wat resulteert in een toename van de luchtdruk.
Dit resulteert in een toename van het energiepotentieel van de lucht. De samengeperste lucht wordt in de verbrandingskamer geperst.
In de verbrandingskamer wordt de lucht gemengd met brandstof en vervolgens ontstoken. Er zijn maar liefst 20 sproeiers om brandstof in de luchtstroom te spuiten. Het mengsel van lucht en brandstof vat vlam. Dit zorgt voor een luchtstroom met hoge temperatuur en hoge energie.
De brandstof verbrandt met de zuurstof in de perslucht en produceert hete expanderende gassen. De binnenkant van de verbrandingskamer is vaak gemaakt van keramische materialen om een hittebestendige kamer te bieden. De hitte kan 2700° bereiken.
De hoogenergetische luchtstroom die uit de verbrandingskamer komt, gaat de turbine in, waardoor de turbinebladen gaan draaien. De turbines zijn verbonden door een as om de bladen in de compressor te laten draaien en om de inlaatventilator aan de voorkant te laten draaien.
Deze rotatie kost wat energie van de hoge energiestroom die wordt gebruikt om de ventilator en de compressor aan te drijven. De gassen die in de verbrandingskamer worden geproduceerd, bewegen door de turbine en laten de bladen draaien. De turbines van de jet draaien duizenden keren rond. Ze zijn bevestigd op assen met daartussen meerdere sets kogellagers.
Het mondstuk is het uitlaatkanaal van de motor. Dit is het motorgedeelte dat daadwerkelijk de stuwkracht voor het vliegtuig produceert. De energiearme luchtstroom die de turbine passeerde, naast de koudere lucht die de motorkern omzeilde, produceert een kracht bij het verlaten van het mondstuk die de motor, en dus het vliegtuig, voortstuwt.
De combinatie van warme lucht en koude lucht wordt uitgestoten en produceert een uitlaat, die een voorwaartse stuwkracht veroorzaakt. Het mondstuk kan worden voorafgegaan door een mixer, die de lucht met een hoge temperatuur die uit de motorkern komt, combineert met de lucht met een lagere temperatuur die in de ventilator werd omgeleid. De mixer helpt om de motor stiller te maken.
De 5 belangrijkste soorten straalmotoren voor vliegtuigen
Het basisidee van de turbojetmotor is eenvoudig. Lucht die via een opening aan de voorkant van de motor wordt aangezogen, wordt gecomprimeerd tot 3 tot 12 keer de oorspronkelijke druk in de compressor. Brandstof wordt aan de lucht toegevoegd en verbrand in een verbrandingskamer om de temperatuur van het vloeistofmengsel te verhogen van ongeveer 1.100°F tot 1.300°F. De resulterende hete lucht wordt door een turbine geleid, die de compressor aandrijft.
Als de turbine en compressor efficiënt zijn, zal de druk bij de turbine-afvoer bijna tweemaal de atmosferische druk zijn, en deze overdruk wordt naar het mondstuk gestuurd om een gasstroom met hoge snelheid te produceren die een stuwkracht produceert. Aanzienlijke verhogingen van de stuwkracht kunnen worden verkregen door gebruik te maken van een naverbrander.
Het is een tweede verbrandingskamer die achter de turbine en voor de verstuiver is geplaatst. De naverbrander verhoogt de temperatuur van het gas voor het mondstuk. Het resultaat van deze temperatuurstijging is een toename van ongeveer 40 procent in stuwkracht bij het opstijgen en een veel groter percentage bij hoge snelheden als het vliegtuig eenmaal in de lucht is.
De turbojetmotor is een reactiemotor. In een reactiemotor duwen uitzettende gassen hard tegen de voorkant van de motor. De turbojet zuigt lucht aan en comprimeert of knijpt deze samen. De gassen stromen door de turbine en laten deze draaien. Deze gassen kaatsen terug en schieten uit de achterkant van de uitlaat, waardoor het vliegtuig naar voren wordt geduwd.
Een turbopropmotor is een straalmotor die aan een propeller is bevestigd. De turbine aan de achterkant wordt door de hete gassen gedraaid en dit verandert in een as die de propeller aandrijft. Sommige kleine vliegtuigen en transportvliegtuigen worden aangedreven door turboprops.
Net als de turbojet bestaat de turbopropmotor uit een compressor, verbrandingskamer en turbine. De lucht- en gasdruk wordt gebruikt om de turbine aan te drijven, die vervolgens het vermogen creëert om de compressor aan te drijven.
Vergeleken met een turbojetmotor heeft de turboprop een betere voortstuwingsefficiëntie bij vliegsnelheden onder ongeveer 500 mijl per uur. Moderne turbopropmotoren zijn uitgerust met propellers met een kleinere diameter maar een groter aantal bladen voor een efficiënte werking bij veel hogere vliegsnelheden.
Om de hogere vliegsnelheden te accommoderen, zijn de bladen kromzwaardvormig met teruggeslagen voorranden aan de bladuiteinden. Motoren met dergelijke propellers worden propfans genoemd.
Een turbofanmotor heeft een grote ventilator aan de voorkant, die lucht aanzuigt. De meeste luchtstroom rond de buitenkant van de motor, waardoor deze stiller is en meer stuwkracht geeft bij lage snelheden. De meeste hedendaagse vliegtuigen worden aangedreven door turbofans.
In een turbojet gaat alle lucht die de inlaat binnenkomt door de gasgenerator, die is samengesteld uit de compressor, verbrandingskamer en turbine. In een turbofanmotor gaat slechts een deel van de binnenkomende lucht de verbrandingskamer in.
De rest gaat door een ventilator of lagedrukcompressor en wordt direct als een "koude" straal uitgeworpen of gemengd met de uitlaat van de gasgenerator om een "hete" straal te produceren. Het doel van dit soort bypass-systeem is om de stuwkracht te vergroten zonder het brandstofverbruik te verhogen.
Het bereikt dit door de totale luchtmassastroom te vergroten en de snelheid binnen dezelfde totale energietoevoer te verminderen.
Dit is een andere vorm van de gasturbinemotor die net als een turbopropsysteem werkt. Het drijft geen propeller aan. In plaats daarvan levert het stroom voor een helikopterrotor. De turboshaft-motor is zo ontworpen dat de snelheid van de rotor van de helikopter onafhankelijk is van de rotatiesnelheid van de gasgenerator.
Hierdoor kan de rotorsnelheid constant worden gehouden, zelfs wanneer de snelheid van de generator wordt gevarieerd om de hoeveelheid geproduceerd vermogen te moduleren.
De eenvoudigste straalmotor heeft geen bewegende delen. De snelheid van de straal "ramt" of dwingt lucht in de motor. Het is in wezen een turbojet waarin roterende machines zijn weggelaten. De toepassing ervan wordt beperkt door het feit dat de compressieverhouding volledig afhangt van de doorstuursnelheid.
De straalmotor ontwikkelt geen statische stuwkracht en in het algemeen zeer weinig stuwkracht onder de geluidssnelheid. Als gevolg hiervan vereist een straalmotorvoertuig een vorm van geassisteerd opstijgen, zoals een ander vliegtuig. Het is voornamelijk gebruikt in geleide raketsystemen. Ruimtevoertuigen gebruiken dit type jet.
