Een vliegtuigturbinemotor bestaat uit een luchtinlaat, compressor, verbrandingskamers, een turbinesectie en uitlaat. Stuwkracht wordt geproduceerd door de snelheid van de lucht die door de motor stroomt te verhogen. Turbinemotoren zijn zeer wenselijke vliegtuigmotoren. Ze worden gekenmerkt door een soepele werking en een hoge vermogen-gewichtsverhouding, en ze gebruiken gemakkelijk verkrijgbare vliegtuigbrandstof. Voorafgaand aan de recente ontwikkelingen in materiaal-, motorontwerp en productieprocessen, was het gebruik van turbinemotoren in kleine/lichte productievliegtuigen onbetaalbaar. Tegenwoordig produceren of zijn verschillende luchtvaartfabrikanten van plan om kleine/lichte turbine-aangedreven vliegtuigen te produceren. Deze kleinere turbine-aangedreven vliegtuigen bieden meestal plaats tussen drie en zeven passagiers en worden zeer lichte jets (VLJ’s) of microjets genoemd. [Figuur 6-22]

6.9.1 Soorten turbinemotoren #

Turbinemotoren worden geclassificeerd volgens het type compressor dat ze gebruiken. Er zijn drie soorten compressoren: centrifugaalstroom, axiale stroom en centrifugaal-axiale stroom. Compressie van inlaatlucht wordt bereikt in een centrifugaalstroommotor door de lucht naar buiten loodrecht op de lengteas van de machine te versnellen. De axiale stromingsmotor comprimeert de lucht door een reeks roterende en stationaire vleugelprofielen die de lucht parallel aan de lengteas bewegen. Het centrifugaal-axiale stromingsontwerp maakt gebruik van beide soorten compressoren om de gewenste compressie te bereiken.

Het pad dat de lucht door de motor neemt en hoe het vermogen wordt geproduceerd, bepaalt het type motor. Er zijn vier soorten vliegtuigturbinemotoren: Turbojet, turboprop, turbofan en turboshaft.

6.9.2 Turbojet #

De turbojetmotor bestaat uit vier secties: compressor, verbrandingskamer, turbinesectie en uitlaat. De compressorsectie voert de inlaatlucht met een hoge snelheid naar de verbrandingskamer. De verbrandingskamer bevat de brandstofinlaat en ontsteker voor verbranding. De uitzettende lucht drijft een turbine aan, die door een as is verbonden met de compressor, die de motor in stand houdt. De versnelde uitlaatgassen van de motor zorgen voor stuwkracht. Dit is een basistoepassing van het samenpersen van lucht, het ontsteken van het brandstof-luchtmengsel, het produceren van vermogen om de motorwerking zelf in stand te houden en de uitlaat voor de voortstuwing. [Figuur 6-23]

Turbojet-motoren zijn beperkt in bereik en uithoudingsvermogen. Ze reageren ook traag op gastoepassingen bij lage compressorsnelheden.

6.9.3 Turboprop #

Een turbopropmotor is een turbinemotor die een propeller aandrijft door een reductietandwiel. De uitlaatgassen drijven een vermogensturbine aan die is verbonden door een as die het reductietandwielsamenstel aandrijft. Bij turbopropmotoren is reductieoverbrenging noodzakelijk omdat optimale propellerprestaties worden bereikt bij veel lagere snelheden dan het draaiende toerental van de motor. Turbopropmotoren zijn een compromis tussen turbojetmotoren en heen en weer bewegende krachtplanten. Turbopropmotoren zijn het meest efficiënt bij snelheden tussen 250 en 400 mph en hoogten tussen 18.000 en 30.000 voet. Ze presteren ook goed bij de langzame luchtsnelheden die nodig zijn voor het opstijgen en landen, en zijn zuinig. Het minimale specifieke brandstofverbruik van de turbopropmotor is normaal gesproken beschikbaar in het hoogtebereik van 25.000 voet tot de tropopauze. [Figuur 6-24]

6.9.4 Turbofan #

Turbofans zijn ontwikkeld om enkele van de beste eigenschappen van de turbojet en de turboprop te combineren. Turbofanmotoren zijn ontworpen om extra stuwkracht te creëren door een secundaire luchtstroom rond de verbrandingskamer om te leiden. De turbofan bypass-lucht genereert verhoogde stuwkracht, koelt de motor en helpt bij het onderdrukken van geluidsoverlast. Dit zorgt voor een turbojet-type kruissnelheid en een lager brandstofverbruik.

De inlaatlucht die door een turbofanmotor gaat, is meestal verdeeld in twee afzonderlijke luchtstromen. Eén stroom gaat door de motorkern, terwijl een tweede stroom de motorkern omzeilt. Het is deze bypass-stroom van lucht die verantwoordelijk is voor de term ‘bypass-engine’. De bypass-verhouding van een turbofan verwijst naar de verhouding van de massale luchtstroom die door de ventilator gaat, gedeeld door de massale luchtstroom die door de motorkern gaat. [Figuur 6-25]

6.9.5 Turboshaft #

Het vierde veel voorkomende type straalmotor is de turboshaft. [Figuur 6-26] Het levert stroom aan een as die iets anders dan een propeller aandrijft. Het grootste verschil tussen een turbojet en een turboshaft-motor is dat op een

Turboasmotor, het grootste deel van de energie die wordt geproduceerd door de uitzettende gassen wordt gebruikt om een turbine aan te drijven in plaats van stuwkracht te produceren. Veel helikopters gebruiken een turboshaft gasturbinemotor. Bovendien worden turboshaft-motoren op grote schaal gebruikt als extra krachtbronnen op grote vliegtuigen.

6.9.6 Turbinemotorinstrumenten #

Motorinstrumenten die de oliedruk, de olietemperatuur, het motortoerental, de uitlaatgastemperatuur en de brandstofstroom aangeven, zijn gemeenschappelijk voor zowel turbine- als reciprocerende motoren. Er zijn echter enkele instrumenten die uniek zijn voor turbinemotoren. Deze instrumenten geven indicaties van de motordrukverhouding, de persdruk van de turbine en het koppel. Bovendien hebben de meeste gasturbinemotoren meerdere temperatuurgevoelige instrumenten, thermokoppels genaamd, die piloten voorzien van temperatuurmetingen in en rond de turbinesectie.

6.9.7 Motordrukverhouding (EPR) #

Een motordrukverhouding (EPR) wordt gebruikt om het vermogen van een turbojet/turbofanmotor aan te geven. EPR is de verhouding van de turbine-ontlading tot de inlaatdruk van de compressor. Drukmetingen worden geregistreerd door sondes die in de motorinlaat en bij de uitlaat worden geïnstalleerd. Eenmaal verzameld, worden de gegevens naar een differentiële druktransducer gestuurd, wat wordt aangegeven op een EPR-meter van de cockpit. Het ontwerp van het EPR-systeem compenseert automatisch de effecten van luchtsnelheid en hoogte. Veranderingen in de omgevingstemperatuur vereisen dat een correctie wordt toegepast op EPR-indicaties om nauwkeurige motorvermogensinstellingen te bieden.

6.9.8 Uitlaatgastemperatuur (EGT) #

Een beperkende factor in een gasturbinemotor is de temperatuur van het turbinegedeelte. De temperatuur van een turbinesectie moet nauwlettend worden gevolgd om oververhitting van de turbinebladen en andere componenten van de uitlaatsectie te voorkomen. Een gebruikelijke manier om de temperatuur van een turbinesectie te bewaken, is met een EGT-meter. EGT is een motorbedrijfslimiet die wordt gebruikt om de algemene bedrijfsomstandigheden van de motor te controleren. Variaties van EGT-systemen dragen verschillende namen op basis van de locatie van de temperatuursensoren. Gemeenschappelijke turbinetemperatuurdetectiemeters zijn onder meer de turbine-inlaattemperatuur (TIT)-meter, turbine-uitlaattemperatuur (TOT)-meter, interstage-turbinetemperatuur (ITT) en turbinegastemperatuur (TGT) meter.

6.9.9 Koppelmeter #

Turboprop/turboshaft motorvermogen wordt gemeten door de koppelmeter. Koppel is een twist-kracht die op een as wordt uitgeoefend. De koppelmeter meet het vermogen dat op de as wordt uitgeoefend. Turboprop- en turboshaft-motoren zijn ontworpen om koppel te produceren voor het aandrijven van een propeller. Torquemeters worden gekalibreerd in procenten, foot-ponds of psi.

6.9.10 N1-indicator #

N1 vertegenwoordigt het rotatietoerental van de lagedrukcompressor en wordt op de indicator weergegeven als een percentage van het ontwerp-toerental. Na het starten wordt de snelheid van de lagedrukcompressor bepaald door het N1-turbinewiel. Het N1-turbinewiel is via een concentrische as verbonden met de lagedrukcompressor.

6.9.11 N2-indicator #

N2 staat voor de rotatiesnelheid van de hogedrukcompressor en wordt op de indicator weergegeven als een percentage van het ontwerp-RPM. De hogedrukcompressor wordt geregeld door het N2-turbinewiel. Het N2-turbinewiel is via een concentrische as verbonden met de hogedrukcompressor. [Figuur 6-27]

6.9.12 Operationele overwegingen voor turbinemotor #

De grote verscheidenheid aan turbinemotoren maakt het onpraktisch om specifieke operationele procedures te dekken, maar er zijn bepaalde operationele overwegingen die alle turbinemotoren gemeen hebben. Het zijn motortemperatuurlimieten, schade aan het vreemde voorwerp, hete start, compressorstalling en flameout.

6.9.13 Beperkingen van de motortemperatuur #

De hoogste temperatuur in alle turbinemotoren vindt plaats bij de turbine-inlaat. De inlaattemperatuur van de turbine is daarom meestal de beperkende factor bij de werking van de turbinemotor.

6.9.14 Stuwkrachtvariaties #

De stuwkracht van de turbinemotor varieert direct met de luchtdichtheid. Naarmate de luchtdichtheid afneemt, neemt ook stuwkracht toe. Bovendien, omdat de luchtdichtheid afneemt met een temperatuurstijging, zullen verhoogde temperaturen ook resulteren in verminderde stuwkracht. Terwijl zowel turbine als reciprocerende aangedreven motoren tot op zekere hoogte worden beïnvloed door een hoge relatieve vochtigheid, zullen turbinemotoren een verwaarloosbaar verlies van stuwkracht ervaren, terwijl reciprocerende motoren een aanzienlijk verlies van remvermogen teweegbrengen.

6.9.15 Schade aan buitenlandse objecten (FOD) #

Door het ontwerp en de functie van de luchtinlaat van een turbinemotor bestaat de mogelijkheid van inname van puin altijd. Dit veroorzaakt aanzienlijke schade, met name aan de compressor- en turbinesecties. Wanneer inname van puin optreedt, wordt dit vreemde objectschade (FOD) genoemd. Typische FOD bestaat uit kleine inkepingen en deuken veroorzaakt door inname van kleine voorwerpen vanaf de helling, taxibaan of startbaan, maar er komen ook FOD-schade voor door vogelaanvallen of ijsinname. Soms resulteert FOD in totale vernietiging van een motor.

Preventie van FOD staat hoog in het vaandel. Sommige motorinlaten hebben de neiging om tijdens grondbewerkingen een vortex te vormen tussen de grond en de inlaat. Op deze motoren kan een Vortex-dissipater worden geïnstalleerd. Andere apparaten, zoals schermen en/of deflectors, kunnen ook worden gebruikt. Preflight-procedures omvatten een visuele inspectie voor elk teken van FOD.

6.9.16 Turbinemotor warm/hung start #

Wanneer de EGT de veilige limiet van een vliegtuig overschrijdt, ervaart het een ‘hete start’. Het wordt veroorzaakt door te veel brandstof die de verbrandingskamer binnendringt, of onvoldoende turbine-toerental. Wanneer een motor een hete start heeft, raadpleeg dan de AFM/POH of een geschikte onderhoudshandleiding voor inspectievereisten.

Als de motor na de ontsteking niet versnelt tot het juiste toerental of niet accelereert tot stationair toerental, is er een opgehangen of valse start opgetreden. Een opgehangen start kan worden veroorzaakt door een onvoldoende startstroombron of een storing in de brandstofregeling.

6.9.17 Compressorstallen #

Compressorbladen zijn kleine airfoils en zijn onderworpen aan dezelfde aerodynamische principes die van toepassing zijn op elke airfoil. Een compressorblad heeft een aanvalshoek die het gevolg is van de inlaatluchtsnelheid en de rotatiesnelheid van de compressor. Deze twee krachten vormen samen een vector, die de werkelijke invalshoek van het vleugelprofiel met de naderende inlaatlucht definieert.

Een compressorkraam is een onbalans tussen de twee vectorgrootheden, inlaatsnelheid en rotatiesnelheid van de compressor. Compressorsalles ontstaan wanneer de aanvalshoek van de compressorbladen de kritische aanvalshoek overschrijdt. Op dit punt wordt een soepele luchtstroom onderbroken en wordt turbulentie gecreëerd met drukfluctuaties. Compressorsalles zorgen ervoor dat de lucht die in de compressor vloeit, vertraagt en stagneert, soms omgekeerde richting. [Figuur 6-28]

Compressorstallen kunnen van voorbijgaande aard en intermitterend of stabiel en ernstig zijn. Indicaties van een tijdelijke/intermitterende stal zijn meestal een intermitterende “bang” als backfire en flow-omkering plaatsvinden. Als de stal zich ontwikkelt en stabiel wordt, kan er sterke trillingen en een luid gebrul ontstaan door de continue stroomomkering. Vaak vertonen de flight deck-meters geen milde of voorbijgaande stal, maar ze duiden wel op een ontwikkelde stalling. Typische instrumentaanduidingen zijn onder meer fluctuaties in rpm en een toename van de temperatuur van het uitlaatgas. De meeste voorbijgaande stallen zijn niet schadelijk voor de motor en corrigeren zichzelf vaak na een of twee pulsaties. De mogelijkheid van ernstige motorschade door een stabiele stalling is onmiddellijk. Herstel moet worden bereikt door snel het vermogen te verminderen, de aanvalshoek van het vliegtuig te verminderen en de luchtsnelheid te verhogen.

Hoewel alle gasturbinemotoren onderhevig zijn aan compressorstallingen, hebben de meeste modellen systemen die ze remmen. Eén systeem maakt gebruik van een variabele inlaatgeleider (VIGV) en variabele statorschoepen, die de binnenkomende lucht onder een geschikte hoek in de rotorbladen richten. Om luchtdruk te voorkomen, moet u het vliegtuig bedienen binnen de door de fabrikant vastgestelde parameters. Als er een compressorkraam ontstaat, volg dan de aanbevolen procedures in de AFM/POH.

6.9.18 Flameout #

Een flameout treedt op bij de werking van een gasturbinemotor waarbij de brand in de motor onbedoeld uitgaat. Als de rijke limiet van de brandstof/luchtverhouding in de verbrandingskamer wordt overschreden, zal de vlam uitblazen. Deze aandoening wordt vaak een rijke flameout genoemd. Het is over het algemeen het gevolg van een zeer snelle motorversnelling, waarbij een te rijk mengsel ervoor zorgt dat de brandstoftemperatuur onder de verbrandingstemperatuur daalt. Het kan ook worden veroorzaakt door onvoldoende luchtstroom om de verbranding te ondersteunen.

Een meer vaak voorkomend optreden is te wijten aan lage brandstofdruk en lage motortoerentallen, die doorgaans worden geassocieerd met vluchten op grote hoogte. Deze situatie kan zich ook voordoen als de motor tijdens een afdaling naar achteren wordt gesmoord, wat de flame-out van de magere toestand kan veroorzaken. Een zwak mengsel kan er gemakkelijk voor zorgen dat de vlam uitdooft, zelfs met een normale luchtstroom door de motor.

Elke onderbreking van de brandstoftoevoer kan leiden tot een flame-out. Dit kan te wijten zijn aan langdurige ongebruikelijke houdingen, een defect brandstofregelsysteem, turbulentie, ijsvorming of bijna geen brandstof meer.

Symptomen van een flame-out zijn normaal gesproken hetzelfde als die na een motorstoring. Als de flameout te wijten is aan een tijdelijke toestand, zoals een onbalans tussen de brandstofstroom en het motortoerental, kan een luchtstart worden geprobeerd zodra de toestand is gecorrigeerd. In ieder geval moeten piloten de toepasselijke noodprocedures volgen die zijn beschreven in de AFM/POH. Over het algemeen bevatten deze procedures aanbevelingen met betrekking tot hoogte en luchtsnelheid, waarbij de luchtstart het meest waarschijnlijk succesvol is.

6.9.19 Prestatievergelijking #

Het is mogelijk om de prestaties van een heen en weer bewegende krachtbron en verschillende soorten turbinemotoren te vergelijken. Om de vergelijking nauwkeurig te laten zijn, moet stuwkracht (bruikbare pk’s) voor de heen en weer gaande krachtbron worden gebruikt in plaats van remvermogen, en netstuwkracht moet worden gebruikt voor de turbine-aangedreven motoren. Bovendien moeten de configuratie en grootte van het vliegtuigontwerp ongeveer hetzelfde zijn. Bij het vergelijken van prestaties zijn de volgende definities nuttig: remvermogen (BHP) – de pk die daadwerkelijk aan de uitgaande as wordt geleverd. Brake pk’s zijn de werkelijke bruikbare pk’s. Net stuwkracht – de stuwkracht geproduceerd door een turbojet- of turbofanmotor. Stuwkracht (THP) – het pk-equivalent van de stuwkracht die wordt geproduceerd door een turbojet- of turbofanmotor. Equivalente schachtkracht (ESHP) – Met betrekking tot turbopropmotoren, de som van de as pk (SHP) geleverd aan de propeller en THP geproduceerd door de uitlaatgassen. Figuur 6-29 laat zien hoe vier soorten motoren zich verhouden in de netto stuwkracht naarmate de luchtsnelheid wordt verhoogd. Dit cijfer is alleen voor verklarende doeleinden en is niet voor specifieke motormodellen. De volgende zijn de vier soorten motoren:

• Vergeldende krachtcentrale
• Turbine, propellercombinatie (turboprop)
• Turbinemotor met een ventilator (turbofan)
• Turbojet (pure jet)

Door de prestatiecurve voor elke motor uit te zetten, kan een vergelijking worden gemaakt van maximale snelheidsvariatie van het vliegtuig met het gebruikte type motor. Aangezien de grafiek slechts een vergelijkingsmiddel is, zijn numerieke waarden voor netto stuwkracht, vliegtuigsnelheid en weerstand niet inbegrepen.

Vergelijking van de vier krachtcentrales op basis van netto stuwkracht maakt bepaalde prestatiemogelijkheden duidelijk. In het snelheidsbereik dat links van lijn A wordt weergegeven, presteert de heen en weer gaande krachtbron beter dan de andere drie typen. De turboprop presteert beter dan de turbofan in het bereik links van lijn C. De turbofanmotor presteert beter dan de turbojet in het bereik links van lijn F. Turboprop rechts van lijn C. De turbojet presteert beter dan de heen en weer bewegende krachtbron rechts van lijn D, de turboprop rechts van lijn E en de turbofan rechts van lijn F.

De punten waar de vliegtuigweerstandscurve de netto stuwkrachtcurves snijdt, zijn de maximale vliegtuigsnelheden. De verticale lijnen van elk van de punten tot de basislijn van de grafiek geven aan dat het turbojet-vliegtuig een hogere maximumsnelheid kan bereiken dan vliegtuigen die zijn uitgerust met de andere soorten motoren. Vliegtuigen die zijn uitgerust met de turbofanmotor zullen een hogere maximumsnelheid bereiken dan vliegtuigen die zijn uitgerust met een turboprop of een reciprocerende krachtbron.