Dvoprotočni turbomlazni motori

Sve je više velikih putničkih mlaznih aviona za duge linije, koji su snabdeveni dvoprotočnim turbomlaznim motorima (»Boeing 707«, »Caravelle« i dr.).

Zadnje verzije transportnih aviona koji se nalaze u toku ispitivanja (»Convair 990«, »Caravelle VII« i dr.) imaju dvoprotočne motore, kao što će to biti svakako slučaj i sa transportnim avionima koji se sada nalaze u stadiju projektovanja ili izgradnje (»Vickers VC-10«, »Super VC-10«, »De Havilland 121«, »Caravelle VIII«, »Boeing 727« i drugi).

Dvoprotočni turbomlazni motori pojavljuju se u praktičnoj primeni negde od pre oko 8-10 godina. Kao prvi pojavio se motor Conway firme Rolls-Royce. Ovaj motor je prvi put pušten u rad 1952. godine sa oko 4.000 kg potiska, da bi se do danas razvio u motor sa potiskom od oko 9.000 kg u verzijama R Co-17 i R Co-42.

U cilju skraćivanja vremena potrebnog za osvajanje novih tipova dvoprotočnih turbomlaznih motora firma Pratt i Whitney i firma General Electric su pristupile prilagođavanju i rekonstrukciji postojećih klasičnih turbomlaznih motora za ostvarenje istih sa dvojnim protokom. Ovo je postizano dodavanjem napred ili pozadi turboventilatora.

Za razliku od klasičnog turbomlaznog motora, kod koga sav vazduh iz kompresora prolazi kroz komore za sagorevanje odnosno turbinu, kod dvoprotočnog mlaznog motora samo jedan deo vazduha prolazi kroz ove organe motora, dok drugi deo tzv. »hladni mlaz« izbacuje se u vidu pot- puno ili delimično nezavisnog mlaza od prvog takozvanog » toplog mlaza«.

Namera nam je da kroz ovaj članak prikažemo osnovne principe rada dvoprotočnog turbomlaznog motora, kao i prednosti koje donosi njegova primena u domenu transportne avijacije.

Od elise do turbomlaznog motora

Elisa u sprezi sa klipnim motorom sa unutrašnjim sagorevanjem ima zadatak da snagu motora pretvori u vučnu ili potiskujuću silu koja pokreće avion. Ona ostvaruje ovaj zadatak svojim okretanjem, kojim zahvata relativno veliku količinu vazduha i ubrzavajući ga povećava mu količinu kretanja. Prirast količine kretanja ubrzanog vazduha jednak je vuči elise.

Koeficijent korisnosti elise sa klipnim motorom definišemo odnosom

Od pogonske grupe se zahteva s jedne strane, da u celom području brzina leta stalno stvara vuču ili potisak veću od otpora aviona i time obezbedi ubrzavanje aviona do željene najveće brzine, a s druge strane, da potrošnja bude prihvatljiva, što znači da pri određenoj količini ostvari potrebno trajanje leta.

Slika 1 - Dijagrami uporednih veličina i promena koeficijenta korisnosti elisoklipnih i turbomlaznih pogona

Klipni motor sa elisom i pored svoje relativno povoljne odnosno niske potrošnje, prihvatljiv je samo u oblasti relativno malih brzina, jer vuča sa povećavanjem brzine leta naglo opada (slika 1b).

Koeficijent korisnosti elisoklipnog pogona naglo opada porastom brzine leta preko jedne određene granice (slika 1a). Ova granica brzine leta vezana je sa brojem obrtaja elise, prečnikom elise, visinom leta a odražava se uticajem sabitljivosti vazduha na elemente kraka elise, približavanjem njihove obimne brzine brzini zvuka.

Ovaj nedostatak elisoklipnog pogona može da se delimično popravi stavljanjem elise u cev promenljivog preseka (slika 2b). Ulazna brzina vazduha se usled proširenja cevi smanjuje i elisa radi u povoljnijim uslovima, te joj se popravlja koeficijent korisnosti. Pri razmatranju ovakvog rešenja mora se uzimati u obzir i dodatno unutrašnje i spoljašnje trenje cevi koja obuhvata elisu.

Slika 2 - Razna rešenja koeficijenta korisnosti elisoklipnog i prelazak na turbomlazni pogon

Vazduh iza elise može se zagrevati izduvnim gasovima klipnog motora usled čega će mu se povećati zapremina i on će izlaziti iz oklopne cevi elise većom brzinom, te će zbog povećanja količine kretanja da poraste vuča elise. Ovo je zapravo prvi korak ka turbomlaznom motoru. Veće približavanje biće u slučaju kada se u ubrzanoj struji vazduha iza elise vrši sagorevanje čvrstog ili tečnog goriva, što će dalje da poveća brzinu isticanja iz cevi, pa prema tome i prirast količine kretanja odnosno vučnu silu (slika 2c). U ovakvoj kombinaciji elisa igra zapravo ulogu kompresora.

Ugradnjom gasne turbine vezane sa kompresorom, a koju pokreće ubrzana struja vazduha i sagorelih gasova ostvaren je osnovni princip turbomlaznog motora (slika 2d).

Klipni motor sa elisom ubrzava znatne količine, vazduha do srazmerno malih brzina, dok turbomlazni motor ubrzava relativno malu količinu vazduha do znatnih brzina (reda oko i preko 450 m/sek). Međutim, u oba slučaja vuča odnosno potisak jednaki su promeni količine kretanja mase vazduha koja proteče kroz motor u jedinici vremena.

Slika 3 Odnos potiska nastalog protokom količine vazduha kod klipnih i mlaznih motora

Koeficijent korisnosti turbomlaznog motora izražavamo odnosom:

gde je:
m - masa vazduha koja protekne kroz motor u jedinici vremena (dodatna masa goriva može se zanemariti),
v - brzina vazduha na ulazu u motor, koja zavisi od brzine leta, 
w - brzina isticanja smeše vazduha i sagorelih gasova.

Odavde je lako uočiti da je koeficijenat korisnosti turbomlaznog motora utoliko niži ukoliko je brzina leta manja i da raste sa povećavanjem brzine leta i teorijski postaje ravan jedinici kada se brzina leta izjednači sa brzinom isticanja iz motora. Na slici 1a) prikazana je promena ukupnog koeficijenta korisnosti u zavisnosti od brzine leta.

Turboelisni motor

Uočavanjem dobrih i loših strana elisnog i turbomlaznog pogona u oblasti malih odnosno velikih brzina leta, nađeno je u kombinaciji turbomlaznog motora sa elisom rešenje koje daje povoljnije uslove rada i iskorišćenja od klipnoelisnog pogona u domenu većih brzina, kao i od klasičnog turbomlaznog u oblasti malih brzina.

Slika 4 - Turboelisni motor

Osnovno preimućstvo turboelisnog pogona je u mogućnosti njegovog korišćenja u oblasti srednjih podzvučnih brzina leta, kao i u znatno povoljnijem utrošku goriva nego što je to slučaj kod turbomlaznog, a povoljniji je u pogledu gabarita od klipnog motora. U stvari turboelisni motor je predstavnik dvoprotočnih turbomlaznih motora. Elisa gonjena gasnom turbinom stvara »hladni mlaz« odvojen od »toplog mlaza«, koji izlazi neposredno iz motora.

U ovakvoj kombinaciji ukupna masa vazduha ubrzava se do neke srednje brzine, manje od brzine isticanja klasičnog turbomlaznog motora a veće od brzine iza elise gonjene klipnim motorom. Usled ovoga povećan je ukupni potisak kao i koeficijenat korisnosti pogonske grupe. Međutim, ovo rešenje ima svojih nedostataka, koji uglavnom potiču od elise.

Uprošćenim posmatranjem dolazi se do zaključka da bi najpovoljnije rešenje dala elisa sa što je moguće većim prečnikom. Međutim, prečnik elise ograničen je sa više razloga mogućnošću ugradnje, brojem obrtaja i snagom, sabitljivošću vazduha i gubicima usled toga kao i sopstvenom težinom ovakve elise, te težinom reduktora za smanjenje broja obrtaja u odnosu na broj obrtaja turbine.

Zbog svega ovoga prednosti turboelisnog motora, nesumnjivo pri malim i srednjim brzinama, nestaju pri velikim brzinama. Međutim, princip poboljšanja korisnosti pogona povećavanjem mase radnog vazduha i smanjenjem njegove brzine isticanja ostaje i dalje u važnosti.

Ugradnjom ventilatora, vezanog sa gasnom turbinom klasičnog turbomlaznog motora, dolazi se do dvoprotočnog turbomlaznog motora, koji popravlja nedostatke turboelisnog pogona pri velikim brzinama.

Ventilator je u stvari kanalisana elisa smanjenog prečnika, što omogućava neposredan pogon i doprinosi smanjenju težine i to kako sopstvene tako i težine reduktora, koji sada otpada kao organ pogona.

Dvoprotočni turbomlazni motor

Kod turbomlaznog dvoprotočnog motora postoje dva mlaza - topli i hladni. Ventilator na istoj osovini sa turbinom mlaznog motora stvara dodatni hladni mlaz. Prema mestu postavljanja ventilatora kao i prema odnosu hladnog i toplog mlaza, imamo nekoliko tipova dvoprotočnih mlaznih motora.

Ventilator može da bude ugrađen ispred ili iza pogonske turbine, a hladni i topli mlaz mogu da se mešaju u motoru ili, pak, da nezavisno jedan od drugoga ističu iz motora.

Na slici (5) prikazana su šematski četiri tipa dvoprotočnih mlaznih motora. Prva tri tipa imaju ventilator napred a četvrti tip pozadi.

Slika 5 Šematski prikaz raznih tipova dvoprotočnih turbomlaznih motora

Kod prvog tipa hladni mlaz optiče oko osnovnog motora i pre isticanja se meša sa toplim mlazom, tako da se isticanje, vrši u vidu jedinstvenog mlaza sa istom temperaturom i brzinom.

Drugi tip je sličan prvom, s tim što se isticanje vrši na izlazu motora u dva odvojena mlaza, koji se razlikuju i po brzini isticanja i po temperaturi.

Kod trećeg tipa hladni mlaz odmah iza ventilatora ističe iz motora, tj. opticanje osnovnog motora nije kanalisano. Topli i hladni mlaz se ne mešaju. Ovaj tip je po svom radu najbliži turboelisnom motoru.

Kod četvrtog tipa nema mešanja toplog i hladnog mlaza koji stvara ventilator iza turbine. Put hladnog mlaza je kratak i on ne optiče osnovni motor.

Povoljnost dvoprotočnog motora je i u tome što se za ventilator mogu koristiti više kola, što omogućuje dalje smanjenje prečnika ventilatora, pa samim tim i motora, te povećanje broja obrtaja.

Povećanje korisnosti pogona kod dvoprotočnih mlaznih motora nastaje uvećavanjem ubrzane mase vazduha koja ističe iz motora (masa toplog i hladnog mlaza zajedno) kao i smanjenjem brzine isticanja, tj. smanjenjem razlike u brzini leta i brzini isticanja.

Povećanje korisnosti pogona odnosno smanjenje potrošnje kod dvoprotočnog mlaznog motora u odnosu na klasični turbomlazni pogon sa istim stepenom sabijanja i istom radnom temperaturom kreće se u granicama od oko 8 do 12%.

Sem pogodnosti u pogledu potrošnje, dvoprotočni motori pokazuju izrazite prednosti i u pogledu povećanja potiska pri poletanju i penjanju, što dozvoljava poletanje sa većim opterećenjem ili pak sa istim opterećenjem poletanje sa kraćih uzletnih staza.

Dobitak na potisku pri poletanju može da bude vrlo značajan. Upoređenjem američkih turbomlaznih motora sa ugrađenim ventilatorom i bez njega pokazalo se da ovaj dobitak može da bude reda oko 40%.

Veoma značajna odlika dvoprotočnih mlaznih motora je manja buka pri radu. Glavni činilac visoke zvučnosti jeste brzina isticanja mlaza iz motora, koja je bitno smanjena kod dvoprotočnih motora u odnosu na klasične. Pitanje buke je naročito značajno pri poletanju, kada se koristi puni potisak, i kada je prema tome i nivo zvučnosti najviši.

Pokušaj da se nivo buke smanji kod klasičnih turbomlaznih motora ugradnjom raznih prigušivača, nije dao značajnije rezultate, jer su gubici kroz prigušivače bili takvi da su se ozbiljno odražavali na potrošnji i doletu.

Slika 6 - Dijagram rasprostiranja buke motora

Nivo zvučnosti kod dvoprotočnih motora smanjio se u odnosu na klasični turbomlazni motor za oko 10 decibela, odnosno nešto oko 10%, ali je mnogo značajnije smanjenje zone prostiranja visoke zvučnosti, što je vrlo uočljivo na dijagramu izrađenom od firme Bristol-Siddeley (slika 6).

Zaključak

Sve prikazane prednosti dvoprotočnih turbomlaznih motora u pogledu potrošnje, potiska i buke u zavisnosti su od odnosa mase hladnog i toplog mlaza, tj. od stepena »razblaživanja« toplog mlaza klasičnog turbomlaznog motora.

Ovaj odnos koji je u samom početku nastajanja dvoprotočnih motora bio reda 0 (kod motora Conway), danas se kreće od 1,5 do oko 2. Danas već postoje ostvareni motori sa odnosom 1,75 (motor BS-75 firme Bristol- Siddeley).

Povećanje ovoga odnosa povoljno se odražava kako neposredno na korisnost pogona odnosno potrošnju, tako i na potisak pri poletanju. Isto važi za smanjenje nivoa i zone zvučnosti. S druge strane, povećavanje ovoga odnosa se nepovoljno odražava na težinu i dimenzije motora, ali s obzirom na opštu tendenciju smanjenja težine kod klasičnih turbomlaznih motora iz kojih dvoprotočni konačno i proizilaze, i ovaj činilac težine gubi na značaju.

Sve navedene prednosti dvoprotočnih turbomlaznih motora učinile su da ova vrsta pogona postupno zamenjuje klasične turbomlazne i turboelisne motore kao pogonske grupe kod aviona srednje i teške transportne avijacije.