Ako funguje prúdový motor

História prúdových motorov

Už od čias mýtu o Ikarovi, v ktorom si Ikarus vyrobil krídla z vtáčieho peria a vzlietol, sa ľudia snažia pochopiť spôsob, akým sa niektoré druhy vznášajú na oblohe, aby ho mohli reprodukovať pomocou strojov. Leonardo da Vinci vypracoval prvé koncepcie v ^16. storočí. V tom čase však bola jedinou známou hnacou silou sila ľudských svalov. Základné princípy, ktoré nám neskôr umožnia pochopiť, ako lietadlá lietajú, sa objavia až v 17. a ^18. storočí vďaka vedcom ako Newton a Bernoulli. V ^19. storočí viedla priemyselná revolúcia k mnohým technickým pokrokom. Francúz Clément Ader ako prvý vzlietol s lietadlom pomocou parného stroja, pričom sa inšpiroval netopierom. O desať rokov neskôr, v roku 1903, uskutočnili bratia Wrightovci prvé riadené motorové lety v histórii.

Ako funguje prúdový motor

Prvý prúdový motor alebo turboreaktívny motor skonštruovali Nemci v roku 1939, ale bol výsledkom niekoľko storočí trvajúceho výskumu.

Toto video vysvetľuje, ako fungujú dnešné motory:

Princíp je jednoduchý:

Vzduch sa nasáva dúchadlom, potom sa trvalo stlačí a následne sa dostane do spaľovacej komory, kde reaguje s parafínom a zapáli sa. Vzniknutá reakcia rozpína plyny, ktoré sú potom cez dýzu vháňané späť a poháňajú lietadlo vpred. Plyny odchádzajú veľmi vysokou rýchlosťou, keď prechádzajú cez prúdový motor, ktorého tvar sa zmenšuje.

Navyše, keď plyny opúšťajú motor, roztočia turbínu umiestnenú na rovnakej osi ako kompresor, hneď za spaľovacou komorou. Pohyb turbíny spôsobuje pohyb kompresora, čo umožňuje, aby reakcia prebiehala nepretržite. Lietadlo sa pohybuje a vzduch prúdiaci cez jeho krídla ho núti lietať.

Letecké spoločnosti sa neustále snažia zlepšovať výkonnosť spaľovacích komôr s cieľom znížiť emisie lietadiel.

Newtonove pohybové zákony

V ^17. storočí Newton stanovil tri základné zákony na vysvetlenie pohybu. Prvým je princíp zotrvačnosti, druhým princíp dynamiky. Ten, ktorý nás zaujíma, je tretí Newtonov zákon, princíp vzájomného pôsobenia.

Reakčný pohon je založený na princípe akcie – reakcie, ktorý hovorí, že na každú akciu existuje rovnaká a opačná reakcia. Teda vzduch vymrštený dozadu bude pôsobiť na lietadlo rovnakou a opačnou silou, ktorá ho bude poháňať dopredu. Okrem toho, čím vyššia je rýchlosť prúdu hnaného plynu, tým väčší je ťah.

Newtonov zákon tiež vysvetľuje, ako lietadlá lietajú: ak krídlo pôsobí na vzduch silou (svojou hmotnosťou, silou smerom nadol), potom vzduch pôsobí na krídlo opačnou silou, ktorá sa nazýva vztlak (smerom nahor). Vyrovnávanie týchto síl udržuje lietadlo vo vzduchu.

Prvý prúdový motor

V roku 1731 začal Angličan John Barber registrovať patenty na plynovú turbínu s vnútorným spaľovaním, ktorá bola predchodcom prúdového motora. Jeho motor pozostával z kompresora, spaľovacej komory a turbíny, ktoré boli poháňané horľavou látkou. Barber však svoj vynález nedokázal uviesť do prevádzky, pretože vtedajšie technológie neboli schopné generovať dostatočný výkon.

Vývoj plynovej turbíny sa potom oneskoril kvôli úspechu parnej turbíny. Po práci Rumuna Henriho Coanda a Francúza Maxima Guillauma v 30. rokoch 20. storočia to bol nakoniec Brit, Sir Frank Whittle, ktorý spôsobil revolúciu v leteckej doprave pomocou turboreaktívneho pohonu. Namiesto piestového motora na stláčanie vzduchu sa Whittle rozhodol pre turbínu, ktorá využívala energiu výfukových plynov na pohon kompresora. Tento nový motor bol úspornejší a výkonnejší ako piestový motor.

Prvé prúdové motory boli vyvinuté súčasne v Anglicku a Nemecku. Nemec Hans Von Ohain vyvinul prvý prúdový motor pre spoločnosť Heinkel v roku 1939. Prvým prúdovým lietadlom bol Heinkel He-178, ktorý sa používal na bojové účely. Prvý let však bol prerušený, keď do motora nasal vták. Preteky v zbrojení počas druhej svetovej vojny urýchlili zrod moderného letectva. Na konci vojny ich dobehli Spojené štáty a Sovietsky zväz a po nich Francúzsko, ktoré bolo zdržiavané nemeckou okupáciou. Prvé civilné lietadlá poháňané prúdovými motormi sa objavili v 50. rokoch 20. storočia.

Rôzne typy prúdových motorov

Vo všeobecnosti platí, že prúdové motory premieňajú chemickú energiu obsiahnutú v palive na kinetickú energiu. Vývoj prúdových motorov bol od začiatku veľkou výzvou vo vojenskej aj civilnej sfére. Dnešné prúdové motory sú oveľa zložitejšie ako v minulosti. Sú napríklad vybavené reverzátormi ťahu, ktoré slúžia na brzdenie lietadla. Prúd je presmerovaný smerom k prednej časti motora.

Existuje niekoľko podkategórií prúdových motorov:

• Odstredivé kompresorové prúdové motory
• Axiálne kompresorové prúdové motory
• Dvojprúdové prúdové motory
• Ramjetové motory
• Turbovrtuľové motory
• Voľné turbínové motory

Opísané motory sú odstredivé kompresorové prúdové motory. Sú jednoduché na výrobu a robustné, ale ich nevýhodou je, že vyžadujú motor s veľkým priemerom, čo znižuje konečnú rýchlosť lietadla. Preto boli vynájdené axiálne prúdové motory. Vzduch sa stláča cez sériu vrtúľ a účinnosť je lepšia, ale vyžaduje si to pokročilejšie materiály. V oboch prípadoch musí byť motor schopný odolať teplotám až do 2 000 °C.

V obtokovom reaktore je pred kompresorom umiestnený ventilátor. Nasáva väčšie množstvo vzduchu, ktoré sa potom rozdelí na primárny a sekundárny tok. Primárny prúd prechádza spaľovacou komorou, takže ide o prúd horúceho vzduchu. Sekundárny prúd je vyvrhovaný priamo na obe strany motora; je to prúd studeného vzduchu, ktorý zabezpečuje 80 % ťahu. Na výstupe sa studený vzduch mieša s horúcim vzduchom, čo vedie k ochladzovaniu. Tento systém sa používa vo väčšine komerčných lietadiel na zlepšenie ťahu a zníženie hlučnosti motora.

Ramjetové motory sa v súčasnosti používajú v stíhačkách a raketách, pretože môžu dosahovať veľmi vysoké rýchlosti. Ich ťah je väčší, pretože palivo sa opätovne vstrekuje do spaľovacej komory, čo je proces známy ako dohorievanie. Navyše nemajú žiadne pohyblivé časti, a preto sú ľahké. Nevýhodou je, že nemôžu pracovať pri nižšej ako určitej rýchlosti a teplota je veľmi vysoká, čo je pre mnohé materiály dlhodobo neudržateľné. Na ich prevádzku je tiež potrebné zabezpečiť počiatočnú rýchlosť. Superstatorjetové motory môžu dosahovať nadzvukové rýchlosti. Motor Concorde bol hybridom medzi turboreaktívnym a ramjetovým motorom.

Turbovrtuľové motory zvyšujú svoj ťah tým, že vypúšťajú čo najviac plynu. V prípade turbovrtuľových motorov to tak nie je. Tie sa spoliehajú na rotačnú silu vrtule, ktorá je pripevnená na vonkajšej strane lietadla a poskytuje väčšinu ťahu. Turbovrtuľové lietadlá predstavujú najhospodárnejšie riešenie pre lety na krátke vzdialenosti. Sú efektívnejšie a spotrebujú menej paliva, ale sú obmedzené z hľadiska výšky a vzdialenosti. Viac informácií o rôznych typoch turbovrtuľových lietadiel nájdete na tejto stránke.

Turbovrtuľové motory boli navrhnuté pre vrtuľníky. Podobne ako prúdové motory sú vybavené turbínou. Dnešné vrtuľníky, ako napríklad Dauphin, majú voľnú turbínu. Tá premieňa kinetickú a tepelnú energiu výfukových plynov na mechanickú energiu a umožňuje, aby sa lopatky vrtuľníka otáčali inou rýchlosťou ako kompresor, čím sa zabezpečuje stabilita lietadla.