Oletpa sitten lentokoneen omistaja tai pelkkä lentoharrastaja, tiedät todennäköisesti jo, että lentokoneiden moottoreita on erilaisia. Mutta mitä et ehkä tiedä, on se, että 1930-luvulla mäntämoottorit olivat ainoa moottorityyppi, joka oli lentokoneiden suunnittelijoiden käytettävissä. Vaikka männät eri muodoissaan (pyörivät, ilmajäähdytteiset jne.) palvelivat tarkoituksensa, niillä oli omat rajoituksensa. Nämä rajoitukset ja korkean suorituskyvyn lentokoneiden tarve synnyttivät sen, mitä tunnemme nykyään suihkumoottoreina. Tässä artikkelissa vertaamme kahta yleistä suihkumoottorityyppiä –suihkuturbiini ja potkuriturbiini.
Käytännössä suurin ero suihkuturbiinimoottorin ja potkuriturbiinimoottorin välillä on se, että potkuriturbiini lisää potkurin eteen juuri ennen moottorin sisääntuloa. Yksinkertaisesti sanottuna potkuriturbiini on yksinkertaisesti muunneltu muunnelma suihkuturbiinista, joka on Sir Frank Whittlen vuonna 1930 suunnittelema alkuperäinen suihkumoottorityyppi.
Tämä rakennemuutos vaikuttaa suoraan kunkin moottorityypin toimintaan. Kun suihkuturbiinin turbiinissa tuotettu teho käyttää vain kompressoria, potkuriturbiini käyttää sekä kompressoria että potkuria.
Koska potkuriturbiinit ja suihkuturbiinimoottorit on valmistettu erilaisiin työolosuhteisiin, on melko mahdotonta sanoa, kumpi niistä on parempi kuin toinen.Vaikka suihkuturbiini on tehokkaampi korkeammilla korkeuksilla, potkuriturbiini on suunniteltu lennoille alhaisemmilla korkeuksilla. Toisin sanoen näillä kahdella kaasuturbiinityypillä on erilaiset edut ja haitat, ja niitä tarkastellaan yksityiskohtaisesti tässä artikkelissa.
Sisällysluettelo
Kuinka turbojetit toimivat?
Suihkuturbiinimoottorit ovat yksinkertaisin kaasuturbiinimoottorityyppi. Ne koostuvat peruskomponenteista, joita löydät kaikista suihkumoottoreista. Suihkuturbiini toimii periaatteella, joka puristaa, laajenee ja vapauttaa ilmaa suurella nopeudella. Suihkuturbiinimoottorin peruskomponentteja ovat mmtulo, kompressori, palotila, turbiini ja pakosuutin. Sisääntuloa ja kompressoria kutsutaan yleensä kylmäosiksi. Nämä ovat komponentteja, joissa ilman lämpötila on suhteellisen alhainen. Muut 3 komponenttia muodostavat kuuman osan.
Thesisääntuloon ensimmäinen osa aivan suihkuturbiinimoottorin edessä. Täällä ilma imetään ilmakehästä moottoriin ja ohjataan tietyssä kulmassa kompressorin siipiä kohti. Imuaukko säätelee ilmavirran nopeutta moottoriin, mikä on tarpeen moottorin optimaalisen toiminnan varmistamiseksi.
Vuonnakompressori, tuloaukosta tuleva ilma puristuu kompressorin roottorin ja staattorin siipien välisen vuorovaikutuksen seurauksena. Tätä puristusta tarvitaan lisäämään ilman painetta, joka myöhemmin lähetetään polttokammioon. Kompressorin roottori saa voimansa turbiinin lähettämästä energiasta.
Thepalotilanon osa, jossa kompressorista tuleva ilma poltetaan. Polttoaine tässä moottorin osassa polttaa korkeapaineisen ilman ja energiaa vapautuu prosessissa. Ilman korkea paine sisääntulossa muunnetaan suureksi nopeudeksi ulostulossa polttoaineen palamisen avulla.
Theturbiinisuorittaa päinvastaisen prosessin kuin kompressorissa. Myös roottorinsa ja staattorinsa lapojen avulla turbiini laajentaa sen läpi kulkevaa ilmaa. Sen tuottama nopea ilma pääsee lopulta ulospoistosuutin. Tämän seurauksena syntyy riittävästi työntövoimaa moottorin ja koneen tehon käyttämiseksi kokonaisuudessaan.
Kuinka potkuriturbiinit toimivat?
Kuten aiemmin mainittiin,potkuriturbiinissa on samat komponentit kuin suihkuturbiinissa, mutta niiden eteen on kiinnitetty suuri tuuletin, jota kutsutaan potkuriksi. Potkurin pyörimistä ohjaa vaihteisto, joka on kiinnitetty sen ja päämoottorin imuaukon väliin. Sekä potkuri että vaihteisto on yhdistetty muuhun moottoriin (kaasugeneraattoriin) pitkällä liitosakselilla.
Toisin kuin suihkuturbiini, potkuriturbiini ei syötä vain kompressoria vaan myös potkuria. Suuri osa turbiinin tuottamasta energiasta välittyy potkurille sen pyörimisen aikaansaamiseksi.
Potkurin pyörimisnopeutta ohjaa sen ja imuaukon välinen vaihteisto. Toisin sanoen potkuri on kiinnitetty siten, että sen nopeus on riippumaton turbiinin nopeudesta. Tämä säätö saavutetaan kytkemällä pienimmän nopeuden vaihde suoraan potkuriin.
Tämän seurauksena potkurin pyörivä liike synnyttää työntövoiman koko lentokoneen käyttämiseksi. Joten toisin kuin suihkuturbiini, turbiini ja pakokaasu ovat suoraan vastuussa vain pienestä prosenttiosuudesta (noin 10 %) moottorin työntövoimasta.
Sovellus: Suihkuturbiinimoottorit vs. potkuriturbiinit
Lyhyesti sanottuna turboreetit soveltuvat täydellisesti lentoihin korkeammilla korkeuksilla ja suurilla yliäänenopeuksilla. Niistä tulee vähemmän tehokkaita, kun niitä käytetään muihin tehtävän vaatimuksiin. Potkuriturbiinit sen sijaan toimivat tehokkaammin matalammilla korkeuksilla ja aliäänenopeuksilla.Suihkuturbiini- ja potkuriturbimoottoreiden käyttöä voidaan verrata seuraavien tekijöiden perusteella:
Korkeus
Turboreetit on rakennettu polttoainetehokkaammiksi korkeammissa korkeuksissa. 41 000 jalan ja 45 000 jalan korkeuksia pidetään ihanteellisina.Aikaisemmin on todettu, että turboreettiset moottorit tuottavat kaiken työntövoimansa moottorin ytimessä tapahtuvan puristus-laajenemisprosessin kautta.
Turboreetit ovat tehokkaampia korkeammissa korkeuksissa, koska ilma on näillä korkeuksilla viileämpää. Polttomoottorin työntövoiman muodostusprosessi perustuu yksinomaan siihen tulevan ilman nopeuteen, lämpötilaan ja paineeseen. Viileä ilma laajenee paremmin ja on siksi tehokkaampi kuin alemmille korkeuksille tyypillinen lämmin ilma.
Toinen huomioon otettava tekijä on ilman tiheys. Korkeammilla korkeuksilla ilma on paljon ohuempaa ja tiheämpää. Tämän tyyppinen ilma aiheuttaa siten vähemmän vastusta ja mahdollistaa lentokoneen lentää nopeammin suurilla korkeuksilla.
Sitä vastoin potkuriturbiinien sovellus soveltuu paremmin mataliin lentoihin. Niiltä voidaan odottaa optimaalista polttoainetehokkuutta alle 25 000 jalan korkeudessa. Potkuriturbiinit voivat saavuttaa edelleen 30 000 jalan kattokorkeuden.
Potkuriturbiinimoottorit on rakennettu tuottamaan työntövoimaa ensisijaisesti potkurien pyörimisen kautta. Nämä potkurit toimivat tehokkaammin alemmilla korkeuksilla, joissa ilma on tiheämpää. Tämä johtuu siitä, että ne voivat työntää suuremman määrän ilmaa ja tuottaa enemmän työntövoimaa prosessissa.
Koska suihkuturbiinikoneet lentävät korkeammissa korkeuksissa, ne ovat vähemmän alttiita muuttuvista sääolosuhteista johtuville törmäyksille kuin potkuriturbiinit.
Nopeus
Suihkuturbiinimoottorit on optimoitu korkean nopeuden lentoon.Tämä johtuu siitä, että ne luottavat täysin ilmaan, joka virtaa moottorin ytimen läpi työntövoiman tuottamiseksi. Mitä nopeampi tuloilma on, sitä enemmän kompressori voi tuottaa painetta.Suihkuturbiinimoottorit sopivat täydellisesti lennoille, joiden matkanopeus on 370–450 solmua (425–520 mailia tunnissa).Tämä tekee niistä optimaalisia pitkien matkojen kattamiseen lyhyemmässä ajassa.
Suihkuturbiinien kantama voi tyypillisesti olla jopa 8 meripeninkulmaa, kuten Gulfstream 650ER:n tapauksessa on osoitettu. Tämä vähentää myös lentokoneen kokonaiskiertoja.
Potkuriturbiinit ovat kuitenkin ihanteellisia alhaisilla nopeuksilla lentämiseen.Moottorin edessä oleva potkuri heikkenee nopeammin liikkuvan ilman myötä.Potkuriturbiinimoottorit lentävät 20–30 % pienemmillä nopeuksilla kuin saman luokan suihkuturbiinimoottorit.Tämä tekee niistä erinomaiset lyhyen matkan lennolle. Niiden suurin etu on korkea polttoainetehokkuus optimaalisissa olosuhteissa.
Kiitotie
Turboreitteille on ominaista niiden alhainen lentoonlähtötyöntövoima.Siksi ne tarvitsevat pidemmän betonisen kiitotien saavuttaakseen tarvittavan nopeuden lentoonlähtöön. Keskimäärin suihkuturbiinikoneet tarvitsevat päällystetyn kiitotien, jonka pituus on vähintään 5 000 jalkaa.Tästä syystä suihkuturbiinimoottorit onnistuvat hyvin nousemisessa ja laskussa vain tavallisilla lentoasemilla.
Sitä vastoin potkuriturbiinit ovat monipuolisempi vaihtoehto. Potkuriturbiinimoottorin potkuri pystyy tuottamaan enemmän työntövoimaa lentoonlähdössä.Tämä mahdollistaa potkuriturbiinien laskeutumisen ja nousun lyhyemmiltä ja päällystämättömiltä kiitoradoilta.Pöly ja muut esineet eivät vaikuta potkuriturbiinin terveyteen yhtä paljon kuin suihkuturbiinin.Potkuriturbiinikone voi usein laskeutua 3200 jalkaa pitkille kiitoradoille.
Potkuriturbiinien laskeutumisnopeudet ovat myös pienemmät, joten ne voivat laskeutua lyhyelle kiitotielle. Erittäin hyvä esimerkki ovat Twin Otters, jotka voivat laskeutua niin lyhyille kiitoradoille kuin 1000 jalkaa. Joten jos aiot laskeutua lentokoneesi parantamattomalle ruohokiintoradalle, potkuriturbiinikone sopii paremmin tähän työhön. Potkuriturbiinia käytetään pääasiassa tilauslennoilla.
Mökin ehdot
Viimeinen huomioon otettava ehto on matkustamon kunto.Lentokoneen edessä pyörivien suurten ulkoisten siipien ansiosta potkuriturbiinikoneiden hytissä on korkeampi melu- ja tärinätaso. Johtajat ja lentokoneiden omistajat, jotka haluavat tehdä töitä matkan aikana, saattavat haluta harkita suihkuturbiinia. Vaikka on yleisesti tiedossa, että turbopuhaltimet ovat kaikista moottorityypeistä hiljaisimmat.
Saman luokan turboreetit ovat kuitenkin paljon hiljaisempia ja värisevät vähemmän.Tämä johtuu siitä, että kaikki niiden terät sijaitsevat moottorin ytimen sisällä. Matkustajilla on siis paljon hiljaisempi matkustamokokemus. Suurin osa turboreettien ohjaamosta kuuluvasta melusta tulee rungon yli kulkevasta ilmasta.
Hankintakustannukset: Suihkuturbiinimoottorit vs. potkuriturbiinit
Jos vertailisimme saman luokan suihkuturbiinia ja potkuriturbiinia,Turboreettimoottoreista aiheutuisi yleensä enemmän hankintakustannuksia. Useimmat suihkuturbiinikoneet ovat suurempia, lentävät enemmän ihmisiä ja maksavat siksi enemmän.
Esimerkiksi upouusi Gulfstream G450, pitkän matkan suihkuturbiinikone, jossa on 14 istumapaikkaa, voi maksaa 40 miljoonaa dollaria. Vaihtoehtoinen hankintavaihtoehto on ostaa käytetty malli. Tämä voi mennä vain 14 miljoonaa dollaria riippuen lentokoneen iästä ja kunnosta. Toinen esimerkki on Bombardier Challenger 605, jonka arvo on noin 27 miljoonaa dollaria.
Gulfstream G450:n kaltainen potkuriturbiinikone on Viking Air DHC-6 Twin Otter.Twin Otter on keskikokoinen monipotkuriturbiini, johon mahtuu noin 19 henkilöä. Upouusi yksikkö maksaa noin 6,5 miljoonaa dollaria.Lentokone on erittäin suosittu vaihtoehto kaupallisiin laskuvarjohyppyihin.
Ylläpito- ja käyttökustannukset
Potkuriturbiinien tiedetään olevan polttoainetehokkaampia ja siten myös kustannustehokkaampia, etenkin lyhyillä matkoilla. Tuloksena,suihkuturbiinimoottorit vaativat yleensä enemmän käyttökustannuksia kuin potkuriturbiinimoottorit. Tässä on luettelo joidenkin yleisten suihkuturbiini- ja potkuriturbiinikoneiden käyttökustannuksista tunnissa. Moottorin malli on ilmoitettu suluissa:
Turboruihkukoneet
Airbus ACJ319(CFM56-5B7) -5369,42 dollaria
Bombardier Challenger 650(CF34-3B MTO) -2 724,25 dollaria
Cessna Citation CJ4(FJ44-4A) –1 540,13 dollaria
Dassault Falcon 7X(PW307A) -3 070,62 dollaria
Gulfstream G650(BR 725 A1-12) –3 790,25 dollaria
Turbopotkurit
Beechcraft King Air 250(PT6A-52) –1 180,48 dollaria
Cessna 208 Caravan(PT6A-114A) –508,73 dollaria
Siksi - Socata TBM 930(PT6A-66D) –673 dollaria
Piper M600(PT6A-42A) –535,84 dollaria
Viking Air DHC 6-400 Twin Otter(PT6A-34) –968,40 dollaria
Nämä arvioidut kustannukset kerättiin Conklinin ja de Deckerin analyysistä, joka toimitettiin yksinomaan AOPA Pilotille vuonna 2016. Analyysin tiedot saatiin 10 vuoden ajalta.
Turvallisuus: suihkuturbiinit vs. potkuriturbiinit
On melko yleinen myytti, että potkuriturbiinit ovat vähemmän turvallisia kuin muun tyyppiset suihkumoottorit niiden eteen kiinnitettyjen silmiinpistyjen potkurien vuoksi. Mutta on useita tekijöitä, jotka vaikuttavat lentokoneen turvallisuuteen.Yksi tekijä, joka asettaa potkuriturbiinit erittäin huonoon asemaan, on sää. Koska potkuriturbiinikoneet lentävät alemmilla korkeuksilla, myrskyisät sääolosuhteet vaikuttavat niihin todennäköisemmin.
Toisaalta suihkuturbiinit ovat myös alttiimpia vaurioille, jos jokin vieras esine pääsee moottorin ytimeen (esim. Mutta se riippuu myös vieraan esineen koosta. Suuri lintu aiheuttaa lähes yhtä suurta vahinkoa sekä suihkuturbiinille että potkuriturbiinille.
Siksi on vaikea antaa lopullista tuomiota siitä, mikä lentokone on toista turvallisempi.Potkuriturbiinien on kuitenkin todistettu tallentavan vähemmän ja vähemmän kuolemaan johtaneita laskeutumisonnettomuuksia alhaisen laskunopeudensa vuoksi.
Tässä on youtube-video, jossa molempien vaihtoehtojen turvallisuutta käsitellään tarkemmin:
Plussat (turbojetit)
- Suhteellisen yksinkertainen muotoilu.
- Vähemmän liitososia, mikä vähentää kitkasta johtuvia häviöitä.
- Suhteellisen alhaiset tuotanto- ja ylläpitokustannukset.
- Epätasapainoisten voimien puuttuminen. Tämä tarkoittaa, että niissä ei ole tärinää, joka on suuri häviöiden lähde.
- Pystyy saavuttamaan erittäin suuria nopeuksia.
Miinukset (turbojetit)
- Korkea polttoaineenkulutus.
- Huono suorituskyky (pieni työntövoima) lentoonlähdössä ja alhaisilla nopeuksilla.
Plussat (turboprop)
- Erittäin tehokas alemmilla korkeuksilla (tiheässä ilmassa).
- Vaatii lyhyempiä kiitoratoja.
- Potkurit voidaan höyhenyttää vastuksen minimoimiseksi moottorivian sattuessa.
- Korkea polttoainetehokkuus.
Miinukset (turboprop)
- Potkurit menettävät tehokkuutta korkeissa korkeuksissa.
- Vaihteistojärjestelmät ovat raskaita ja alttiita rikkoutumaan.
- Korkea tärinätaso, joka voi aiheuttaa matkustajien epämukavuutta.
Mikä on paras valinta?
Tämän artikkelin sisällöstä käy selvästi ilmi, että lentokonetyypin oikea valinta näiden kahden välillä riippuu suurelta osin tehtävän vaatimuksesta.
Lopuksi voidaan todeta, että suihkuturbiinimoottorit sopivat erinomaisesti pitkän matkan ja nopeille lennoille, kun taas potkuriturbiinimoottorit sopivat erinomaisesti tilauslentoihin, jotka yleensä edellyttävät kuljetusta lyhyemmällä matkalla.
Suositeltu kurssi!
