Letecký turbínový motor se skládá z přívodu vzduchu, kompresoru, spalovacích komor, turbínového úseku a výfuku. Tah je produkován zvýšením rychlosti vzduchu protékajícího motorem. Turbínové motory jsou vysoce žádoucí pohonné jednotky letadel. Vyznačují se hladkým provozem a vysokým poměrem výkonu k hmotnosti a využívají snadno dostupné letecké palivo. Před nedávnými pokroky v materiálech, konstrukci motoru a výrobních procesech bylo použití turbínových motorů v malých/lehkých výrobních letadlech neúnosné. Dnes několik výrobců letectví vyrábí nebo plánuje výrobu malých/lehkých turbínových letadel. Tato menší letadla s turbínovým pohonem obvykle sedí mezi třemi a sedmi cestujícími a jsou označována jako velmi lehké trysky (VLJ) nebo mikrotrysky. [Obrázek 6-22]

6.9.1 Typy turbínových motorů #

Turbínové motory jsou klasifikovány podle typu kompresorů, které používají. Existují tři typy kompresorů – odstředivé proudění, axiální proudění a odstředivě-axiální proudění. Komprese vstupního vzduchu je dosaženo v motoru odstředivého proudění zrychlením vzduchu směrem ven kolmo k podélné ose stroje. Motor s axiálním prouděním stlačuje vzduch řadou rotujících a stacionárních profilů pohybujících se vzduchem rovnoběžně s podélnou osou. Konstrukce odstředivého axiálního proudění využívá oba druhy kompresorů k dosažení požadované komprese.

Dráha, kterou vzduch prochází motorem a jak se vyrábí výkon, určuje typ motoru. Existují čtyři typy leteckých turbínových motorů – turbodmychadlo, turbovrtulové, turboventilátorové a turbodmychadlové.

6.9.2 Turbojet #

Motor proudu se skládá ze čtyř sekcí: kompresor, spalovací komora, turbínová část a výfuk. Sekce kompresoru prochází vstupním vzduchem vysokou rychlostí do spalovací komory. Spalovací komora obsahuje přívod paliva a zapalovač pro spalování. Rozšiřující se vzduch pohání turbínu, která je spojena hřídelí s kompresorem, čímž udržuje provoz motoru. Zrychlené výfukové plyny z motoru zajišťují tah. Jedná se o základní aplikaci stlačování vzduchu, zapalování směsi paliva a vzduchu, výroby energie pro samočinný provoz motoru a výfuku pro pohon. [Obrázek 6-23]

Turbodetové motory mají omezený dosah a vytrvalost. Také pomalu reagují na aplikace plynu při pomalých rychlostech kompresoru.

6.9.3 Turbovrtulový výrobek #

Turbovrtulový motor je turbínový motor, který pohání vrtuli přes redukční převod. Výfukové plyny pohánějí výkonovou turbínu spojenou hřídelí, která pohání sestavu redukčního kola. U turbovrtulových motorů je nutné redukční ozubení, protože optimálního výkonu vrtule je dosaženo při mnohem nižších rychlostech, než jsou provozní otáčky motoru. Turbovrtulové motory jsou kompromisem mezi proudovými motory a vratnými pohonnými jednotkami. Turbovrtulové motory jsou nejúčinnější při rychlostech mezi 250 a 400 mph a nadmořskými výškami mezi 18 000 a 30 000 stopami. Fungují také dobře při pomalých vzdušných rychlostech potřebných pro vzlet a přistání a jsou úsporné. Minimální specifická spotřeba paliva turbovrtulového motoru je běžně k dispozici v rozsahu nadmořské výšky 25 000 stop k tropopauze. [Obrázek 6-24]

6.9.4 Turbofan #

Turboventilátory byly vyvinuty tak, aby kombinovaly některé z nejlepších vlastností proudového proudu a turbovrtulového motoru. Turboventilátory jsou navrženy tak, aby vytvořily další tah odkloněním sekundárního proudění vzduchu kolem spalovací komory. Obtokový vzduch turboventilátoru generuje zvýšený tah, ochlazuje motor a napomáhá potlačení hluku výfuku. To zajišťuje cestovní rychlost a nižší spotřebu paliva.

Vstupní vzduch, který prochází turboventilátorem, je obvykle rozdělen na dva samostatné proudy vzduchu. Jeden proud prochází jádrem motoru, zatímco druhý proud obchází jádro motoru. Právě tento obtokový proud vzduchu je zodpovědný za pojem „obtokový motor“. Poměr obtoku turboventilátoru se týká poměru hmotnostního proudění vzduchu, který prochází ventilátorem, dělený hmotnostním prouděním vzduchu, které prochází jádrem motoru. [Obrázek 6-25]

6.9.5 Turbodžem #

Čtvrtým běžným typem proudového motoru je turbodmychadlo. [Obrázek 6-26] Dodává energii do hřídele, která pohání něco jiného než vrtuli. Největší rozdíl mezi proudovým motorem a turbodmychadlem je ten na a

Motor s turbodmychadlem, většina energie produkované expandujícími plyny se používá k pohonu turbíny spíše než k výrobě tahu. Mnoho vrtulníků používá motor s plynovou turbínou s turbodmychadlem. Kromě toho jsou motory s turbodmychadlem široce používány jako pomocné pohonné jednotky na velkých letadlech.

6.9.6 Nástroje turbínového motoru #

Nástroje motoru, které indikují tlak oleje, teplotu oleje, otáčky motoru, teplotu výfukových plynů a průtok paliva, jsou společné jak pro turbínové, tak pro pístové motory. Existují však některé přístroje, které jsou jedinečné pro turbínové motory. Tyto přístroje poskytují indikace poměru tlaku motoru, tlakového tlaku turbíny a točivého momentu. Většina motorů s plynovou turbínou má navíc více přístrojů pro snímání teploty, nazývaných termočlánky, které poskytují pilotům s teplotními údaji v části turbíny a kolem ní.

6.9.7 Poměr tlaku motoru (EPR) #

Měřidlo tlaku motoru (EPR) se používá k indikaci výkonu motoru proudového/turboventilátoru. EPR je poměr výtlaku turbíny k vstupnímu tlaku kompresoru. Měření tlaku jsou zaznamenávána sondami instalovanými ve vstupu motoru a na výfuku. Po shromáždění jsou data odeslána do snímače diferenčního tlaku, který je indikován na měřidle EPR na letové palubě. Návrh systému EPR automaticky kompenzuje účinky rychlosti a nadmořské výšky. Změny okolní teploty vyžadují korekci na indikace EPR, aby bylo zajištěno přesné nastavení výkonu motoru.

6.9.8 Teplota výfukových plynů (EGT) #

Limitujícím faktorem v motoru s plynovou turbínou je teplota úseku turbíny. Teplota úseku turbíny musí být pečlivě sledována, aby se zabránilo přehřátí lopatek turbíny a dalších součástí výfuku. Jedním z běžných způsobů sledování teploty turbínového úseku je EGT měřidlo. EGT je provozní limit motoru používaný k monitorování celkových provozních podmínek motoru. Variace systémů EGT nesou různá jména na základě umístění teplotních senzorů. Mezi běžná měřidla snímání teploty turbíny patří měřidlo na vstupu turbíny (TIT), měřidlo výstupní teploty turbíny (TOT), měřidlo teploty turbíny (ITT) a měřidlo teploty turbíny (TGT).

6.9.9 Měřič točivého momentu #

Výkon motoru turbovrtulového/turbovrtulového motoru se měří točivým měřičem. Točivý moment je kroucená síla působící na hřídel. točivý moment měří výkon aplikovaný na hřídel. Turbovrtulové a turbodmychadlové motory jsou navrženy tak, aby produkovaly točivý moment pro pohon vrtule. Točivý moment je kalibrován v procentech jednotek, stop libry nebo PSI.

6.9.10 Indikátor N1 #

N1 představuje rychlost otáčení nízkotlakého kompresoru a je prezentována na indikátoru jako procento konstrukčních otáček. Po spuštění je rychlost nízkotlakého kompresoru řízena turbínovým kolem N1. Turbínové kolo N1 je připojeno k nízkotlakému kompresoru přes soustředný hřídel.

6.9.11 Indikátor N2 #

N2 představuje rychlost otáčení vysokotlakého kompresoru a je prezentován na indikátoru jako procento konstrukčních otáček. Vysokotlaký kompresor je řízen turbínovým kolem N2. Turbínové kolo N2 je připojeno k vysokotlakému kompresoru přes soustředný hřídel. [Obrázek 6-27]

6.9.12 Provozní úvahy o turbínovém motoru #

Díky velké rozmanitosti turbínových motorů je nepraktické pokrýt konkrétní provozní postupy, ale existují určité provozní úvahy společné pro všechny turbínové motory. Jsou to limity teploty motoru, poškození cizích předmětů, horký start, zastavení kompresoru a plameny.

6.9.13 Omezení teploty motoru #

Nejvyšší teplota v každém turbínovém motoru se vyskytuje na vstupu turbíny. Vstupní teplota turbíny je proto obvykle limitujícím faktorem v provozu turbínového motoru.

6.9.14 Změny tahu #

Tah turbínového motoru se mění přímo s hustotou vzduchu. S klesající hustotou vzduchu klesá i tah. Navíc, protože hustota vzduchu klesá s rostoucí teplotou, zvýšené teploty také povedou ke snížení tahu. Zatímco turbínové i vratné motory jsou do určité míry ovlivněny vysokou relativní vlhkostí, turbínové motory zaznamenají zanedbatelnou ztrátu tahu, zatímco vratné motory mají významnou ztrátu brzdného výkonu.

6.9.15 Poškození cizích předmětů (FOD) #

Vzhledem k konstrukci a funkci přívodu vzduchu turbínového motoru vždy existuje možnost požití nečistot. To způsobuje značné poškození, zejména sekce kompresoru a turbíny. Když dojde k požití trosek, nazývá se to poškození cizích předmětů (FOD). Typické FOD se skládá z malých zářezů a promáčklin způsobených požitím malých předmětů z rampy, pojezdové dráhy nebo přistávací dráhy, ale dochází také k poškození FOD způsobeným údery ptáků nebo požitím ledu. Někdy FOD vede k úplnému zničení motoru.

Prevence FOD je vysokou prioritou. Některé vstupy do motoru mají tendenci tvořit vír mezi zemí a vstupem během operací se zemí. Na tyto motory může být instalován rozptyl Vortex. Mohou být také použita jiná zařízení, jako jsou obrazovky a/nebo deflektory. Předletové postupy zahrnují vizuální kontrolu jakékoli známky FOD.

6.9.16 Turbínový motor Hot/Hung Start #

Když EGT překročí bezpečnou hranici letadla, zažije „horký start“. Je to způsobeno příliš velkým množstvím paliva, které vstupuje do spalovací komory, nebo nedostatečnými otáčkami turbíny. Kdykoli má motor horký start, přečtěte si požadavky na kontrolu AFM/POH nebo příslušnou příručku údržby.

Pokud motor po zapalování nezrychlí na správnou otáčku nebo nezrychlí na volnoběh, došlo k zavěšení nebo chybnému startu. Zavěšení může být způsobeno nedostatečným výchozím zdrojem energie nebo poruchou ovládání paliva.

6.9.17 Zastavení kompresoru #

Lopatky kompresoru jsou malé profily a podléhají stejným aerodynamickým principům, které platí pro jakýkoli profil. Lopatka kompresoru má úhel náběhu, který je výsledkem rychlosti vstupního vzduchu a rychlosti otáčení kompresoru. Tyto dvě síly se spojí a vytvoří vektor, který definuje skutečný úhel náběhu profilu na přibližující se vstupní vzduch.

Zastavení kompresoru je nerovnováha mezi dvěma vektorovými veličinami, vstupní rychlostí a rychlostí otáčení kompresoru. K zastavení kompresoru dochází, když úhel náběhu lopatek kompresoru překročí kritický úhel náběhu. V tomto bodě je plynulé proudění vzduchu přerušeno a turbulence se vytváří s kolísáním tlaku. Zastavení kompresoru způsobí, že vzduch proudící v kompresoru zpomalí a stagnuje, někdy i obrácený směr. [Obrázek 6-28]

Zastavení kompresoru může být přechodné a přerušované nebo stabilní a silné. Indikace přechodného/přerušovaného zastavení jsou obvykle přerušovaným „bouchnutím“, protože dochází k zpětnému ohnutí a obrácení toku. Pokud se zastavení rozvine a stane se stabilní, mohou se z obrácení proudění objevit silné vibrace a hlasitý řev. Měřidla letové paluby často nevykazují mírné nebo přechodné zastavení, ale indikují vyvinuté zastavení. Typické indikace přístroje zahrnují kolísání otáček a zvýšení teploty výfukových plynů. Většina přechodných pádů není pro motor škodlivá a často se po jedné nebo dvou pulscích koriguje. Možnost vážného poškození motoru v ustáleném stavu je okamžitá. Zotavení musí být dosaženo rychlým snížením výkonu, snížením úhlu náběhu letadla a zvýšením rychlosti vzduchu.

Přestože všechny motory s plynovou turbínou podléhají zastavení kompresorů, většina modelů má systémy, které je inhibují. Jeden systém používá variabilní vstupní vodicí lopatku (VIGV) a variabilní statorové lopatky, které vedou přiváděný vzduch do lopatek rotoru pod vhodným úhlem. Abyste zabránili zastavení tlaku vzduchu, obsluhujte letadlo v rámci parametrů stanovených výrobcem. Pokud dojde k zastavení kompresoru, postupujte podle postupů doporučených v AFM/POH.

6.9.18 Flameout #

Při provozu motoru s plynovou turbínou dochází k plamenům, při kterém neúmyslně zhasne oheň v motoru. Pokud je ve spalovací komoře překročena mezní hranice poměru paliva a vzduchu, plamen vybuchne. Tento stav je často označován jako bohatý plamen. Obecně je výsledkem velmi rychlého zrychlení motoru, při kterém příliš bohatá směs způsobuje pokles teploty paliva pod teplotu spalování. Může to být také způsobeno nedostatečným prouděním vzduchu pro podporu spalování.

Častější výskyt plamenů je způsoben nízkým tlakem paliva a nízkými otáčkami motoru, které jsou obvykle spojeny s letem ve vysokých nadmořských výškách. Tato situace může nastat také se škrcením motoru během sestupu, což může nastavit chudý plamen. Slabá směs může snadno způsobit, že plamen vyhasne, a to i při normálním proudění vzduchu motorem.

Jakékoli přerušení přívodu paliva může mít za následek plamen. To může být způsobeno dlouhodobými neobvyklými postoji, nefunkčním systémem řízení paliva, turbulencemi, námrazou nebo nedostatkem paliva.

Příznaky vyhoření jsou normálně stejné jako příznaky po selhání motoru. Pokud je plamen způsoben přechodným stavem, jako je nerovnováha mezi průtokem paliva a otáčkami motoru, lze se po opravě stavu pokusit o vzduchový start. V každém případě musí piloti dodržovat příslušné nouzové postupy uvedené v AFM/POH. Obecně tyto postupy obsahují doporučení týkající se výšky a rychlosti vzduchu, kde je letecký start s největší pravděpodobností úspěšný.

6.9.19 Porovnání výkonu #

Je možné porovnat výkon pístové pohonné jednotky a různých typů turbínových motorů. Aby bylo srovnání přesné, musí být použit tahový výkon (použitelný výkon) pro vratnou pohonnou jednotku, nikoli brzdný výkon, a pro motory s turbínovým pohonem musí být použit čistý tah. Konfigurace a velikost konstrukce letadla navíc musí být přibližně stejná. Při porovnávání výkonu jsou užitečné následující definice: brzdný výkon (BHP) – výkon ve skutečnosti dodávaný do výstupního hřídele. brzdný výkon je skutečný použitelný výkon. Čistý tah – tah vytvořený proudovým motorem nebo turbodmychadlem. tahový výkon (THP) – koňský ekvivalent tahu produkovaného proudovým motorem nebo turbodmychadlem. Ekvivalentní výkon hřídele (ESHP) – S ohledem na turbovrtulové motory součet výkonu hřídele (SHP) dodávaného do vrtule a THP produkovaného výfukovými plyny. Obrázek 6-29 ukazuje, jak se čtyři typy motorů porovnávají v čistém tahu, když se zvyšuje rychlost vzduchu. Tento údaj je pouze pro vysvětlující účely a není určen pro konkrétní modely motorů. Následují čtyři typy motorů:

• Reciproční pohonná jednotka
• turbína, kombinace vrtule (turbovrt)
• turbínový motor obsahující ventilátor (turboventilátor)
• proudový proud (Pure Jet)

Vynesením výkonnostní křivky pro každý motor lze porovnat kolísání maximální rychlosti letadla s typem použitého motoru. Protože graf je pouze prostředkem pro srovnání, číselné hodnoty pro čistý tah, rychlost letadla a odpor nejsou zahrnuty.

Porovnání čtyř pohonných jednotek na základě čistého tahu ukazuje určité výkonové schopnosti. V otáčkovém rozsahu zobrazeném nalevo od řádku A překonává vratná pohonná jednotka ostatní tři typy. Turbovrtulový motor předčí turboventilátor v řadě nalevo od řady C. Turboventilový motor překonává proudový proud v řadě nalevo od řady F. Turbomotor předčí vratnou pohonnou jednotku napravo Linka B a turbovrtulový otvor napravo od vedení C. Turbodyt převyšuje vratnou pohonnou jednotku napravo od čáry D, turbovrtulový motor napravo od čáry E a turboventilátor napravo od čáry f.

Body, kde křivka odporu letadla protíná křivky čistého tahu, jsou maximální rychlosti letadla. Svislé čáry od každého z bodů k základní linii grafu ukazují, že proudové letadlo může dosáhnout vyšší maximální rychlosti než letadlo vybavené jinými typy motorů. Letadlo vybavené turbomotorem dosáhne vyšší maximální rychlosti než letadla vybavená turbovrtulovým nebo vratným pohonným zařízením.