Suihkumoottori

F-15 Eagle -hävittäjän Pratt & Whitney F100 -ohivirtaussuihkumoottori koekäytössä.

Ilman virtaus ohivirtaussuihkumoottorissa.

Suihkumoottori on reaktiomoottori, jonka toiminta perustuu nopeasti virtaavaan aineeseen, joka tuottaa työntövoimaa mekaniikan kolmannen peruslain mukaisesti. Yleisesti ottaen suurin osa suihkumoottoreista perustuu erilaisiin palamisreaktioihin.

Yleiskielessä suihkumoottorilla viitataan tavallisesti lentokoneiden voimalaitteena käytettäviin palamisreaktioihin perustuviin ilmaahengittäviin kaasuturbiineihin. Tällaiset moottorit koostuvat yleensä kolmesta pääosasta: ahtimesta, polttokammiosta ja turbiinista. Myös ramjetien ja patoputkimoottorien voidaan ajatella kuuluvan suihkumoottorin laajemman käsitteen alle.

Historia

Ensimmäinen sarjatuotantoon päässyt lentokoneen suihkumoottori oli Junkers Jumo 004.

Vuonna 1937 Hans von Ohain esitteli sentrifugaalista HeS-3B -moottoria, jota käytettiin Heinkel He 178:n voimanlähteenä. Heinkelin kone lensi ensi kerran 27. elokuuta 1939 ja oli ensimmäinen suihkumoottorin voimalla lennetty lento. Anselm Franzin kehittäessä moottoria Messerschmitt Me 262:een brittiläinen Frank Whittle kehitti moottorin Gloster Meteoriin. Bell XP-59A Airacomet oli ensimmäinen yhdysvaltalainen suihkumoottoria käyttänyt kone, joka lensi 1. lokakuuta 1942.

Junkersin valmistama Jumo 004 oli aksiaalisesti toimiva ja BMW 003:n ohella toinen tuotantoon asti ennen sodan loppua ehtinyt suihkumoottori. Daimler-Benzin ja Bramon kehittämät moottorit eivät ehtineet tuotantoon. Sentrifugaalinen kompressori on yksinkertaisempi rakentaa, mutta aiheuttaa enemmän ilmanvastusta. Jumo 004:n aksiaalinen kompressori mahdollisti pienemmän halkaisijan ja läpivirtauksen, jotka mahdollistivat suuremman nopeuden.

Sota-ajan Saksassa lämpöä kestävien materiaalien saatavuus oli heikko ja Jumo 004:llä oli keskimäärin 25 tunnin käyttöaika. Modernit suihkumoottorit kestävät 3 000–5 000 käyttötuntia huoltojen välillä.

Sodan jälkeen suihkumoottorien tehokkuutta parannettiin käyttämällä kahta toisistaan riippumatonta kompressoria. Molemmilla kompressoreilla oli myös oma turbiini sitä pyörittämässä. Modernit suihkumoottorit käyttävät jossakin määrin ohivirtausta (engl. bypass air) polttoainekulutuksen ja hyötysuhteen parantamiseen. Optimaalinen ohivirtaussuhde riippuu monesta tekijästä lentokoneen ja suorituskykyvaatimuksien mukaan.

Osa kompressorilta tulevasta paineistetusta ilmasta ei päädy polttokammioon vaan ohjataan uudelleen eri tarkoitukseen putkistojen ja venttiilien avulla. Vuodatusilma (engl. bleed air) on kuumaa (200–250 Celsiusta) ja korkeassa paineessa (40 psi), joka jäähdytetään ja käytetään muun muassa matkustamon paineistamiseen ja jäänestojärjestelmiin.

Yliäänikoneissa myös moottoriin tuleva ilma liikkuu yliäänen nopeudella, jota moottorin kompressori ei pysty käsittelemään. Ilmavirtaus hidastetaan ja iskuaaltojen muodostumista hallitaan moottorin ilmanotossa sijaitsevalla kartiolla.

Toimintaperiaate

Suihkumoottori on sisäiseltä toimintaperiaatteeltaan kaasuturbiini. Sen käyttö lentokoneen voimalaitteena perustuu siihen, että moottori aiheuttaa lävitseen virtaavalle ilmamassalle kiihtyvyyttä, jonka vastavoimana (reaktiona; tästä varhainen nimitys reaktiomoottori) syntyy työntövoimaa.

Rakenne ja toiminta

Suihkumoottorin tärkeimmät osat ovat ahdin, polttokammio ja turbiini.

• Ahtimen tehtävänä on kasvattaa moottoriin tulevan ilman painetta. Ahdin voi olla joko keskipako- tai (yleisimmin) aksiaalityyppinen ja koostuu yleensä useista vyöhykkeistä. Nykyisin valtaosa suihkumoottoreista on ohivirtausmoottoreita, joissa ahtimen ensimmäinen vyöhyke on rakennettu niin sanotuksi puhaltimeksi. Ahtimessa sisään tuleva ilma puristuu kokoon ja sen paine ja lämpötila kasvavat. Korkein suihkumoottorin sisällä vallitseva paine saavutetaankin välittömästi ahtimen ulostulossa.
• Polttokammiossa ahtimen puristamaan ilmaan sekoitetaan polttoainetta, ja siellä aikaansaatu polttoaineen ja ilman seos palaa. Palamisreaktio kasvattaa voimakkaasti kaasun tilavuutta ja lämpötilaa. On huomattava, että vain pieni osa ahtimen puristamasta ilmamäärästä osallistuu suoraan palamistapahtumaan; suurin osa tarvitaan jäähdyttämään kuumia palokaasuja ja ohjaamaan ne niin, etteivät moottorin sisäiset osat ylikuumene.
• Turbiini koostuu useista vyöhykkeistä ja on käytännössä aina aksiaalityyppinen. Suihkumoottorin turbiinin tehtävänä on ottaa palokaasujen virtauksesta talteen ahtimen, mahdollisen puhaltimen ja apulaitteiden tarvitsema akseliteho. Turbiinin jälkeen kaasuvirtaus johdetaan suihkuputkeen, josta se poistuu työntövoimaa tuottaen ulos moottorista.

Suihkumoottorin pyörivät osat (ahdin ja turbiini) voidaan jakaa myös useampaan osaan niin, että eri osat yhdistetään sisäkkäisillä akseleilla. Tällöin korkeapaineturbiini pyörittää korkeapaineahdinta ja matalapaineturbiini puolestaan pyörittää matalapaineahdinta sekä puhallinta. Turbojettimoottorissa virtaus kulkee jokaisen vaiheen läpi (korkea- ja matalapainevaiheet) kun ohivirtausmoottorissa (engl. turbofan) osa virtauksesta ohittaa osan vaiheista. Kolmiakselisiakin suihkumoottoreita on rakennettu.

Hävittäjissä voi olla jälkipoltin, joka sijaitsee suihkuputkessa. Suihkuputkeen ruiskutetaan lisää polttoainetta, joka palaessaan tuottaa lisää suihkunnopeutta ja siten työntövoimaa. Polttoaineen kulutus kasvaa kuitenkin erittäin voimakkaasti ja jälkipoltinta voidaan yleensä käyttää vain joitakin minuutteja kerrallaan.

• 
  Kompressori (GE J79)
• 
  Polttokammio (GE J79)
• 
  Turbiini (GE J79)
• 
  Jälkipoltin (GE J79)

Tyypillinen ohivirtaussuihkumoottorin toiminta on seuraava:

• Ilmanottoaukosta ilma johdetaan puhaltimelle, joka on myös ahtimen ensimmäinen vyöhyke.
• Puhaltimesta suurin osan moottoriin tulevasta ilmasta johdetaan moottorin kaasuturbiinin ohitse suoraan ohivirtauskanavaan.
• Loput ilmasta puristetaan ensin ahdinsiivistöissä pieneen tilaan ja korkeaan paineeseen (tyypillisesti 10–20 bar).
• Puristunut ilma johdetaan polttokammioon, jossa siihen sumutetaan polttoainetta, yleensä lentopetrolia.
• Tämä ilman ja polttoaineen seos sytytetään suihkumoottoria käynnistettäessä sytytystulpalla, jonka jälkeen polttokammiossa palaa jatkuva liekki. Palotapahtumassa ilma laajenee voimakkaasti ja syöksyy kohti turbiinia.
• Kaasuseoksen lämpötila polttokammiossa nousee useampaan tuhanteen asteeseen. Osia jäähdytetään polttokammion seinämiä kiertävällä kylmemmällä ilmalla.
• Polttokammiosta tulevien pakokaasujen energia otetaan suurimmaksi osaksi talteen turbiinisiivistöissä ja käytetään ahtimen ja puhaltimen pyörittämiseen.
• Lopuksi kaasusuihku tulee suihkuputkeen ja sitä kautta ulkoilmaan. Suihkuputkesta tuleva virtaus antaa (ohivirtaussuhteesta riippuen) noin 10–20 % työntövoimasta.

Kaasuturbiini ei periaatteessa ole erityisen vaativa käyttämänsä polttoaineen suhteen. Suihkumoottorissa käytetään polttoaineena kerosiinia, joka muistuttaa lähinnä valopetrolia. Useimmissa suihkumoottoreissa voitaisiin käyttää myös tavallista bensiiniä, mutta se on kalliimpaa ja tulenarkuutensa, suuren haihtuvuutensa, huonon voitelukykynsä ynnä muiden syiden vuoksi muutenkin huonommin suihkumoottorikäyttöön sopivaa. Jotkut moottorit kykenevät hätätilassa käyttämään jopa dieselöljyä.

Suihkumoottorin tyyppejä

Suora suihkumoottori

Ensimmäiset suihkumoottorit olivat niin sanottuja suoria suihkumoottoreita, joissa ei ole lainkaan puhallinta eikä ohivirtausta vaan kaikki ahtimen pumppaama ilma johdetaan moottorin läpi. Suorat suihkumoottorit olivat vuosikymmeniä käytössä sotilas- ja siviilikoneissa, mutta nykyisin ohivirtausmoottori on syrjäyttänyt ne sekä taloudellisista että ympäristösyistä.

Suora suihkumoottori on aikaisemmin ollut yleisin hävittäjissä käytetty moottorityyppi, koska se on yksinkertainen ja tehokas yliääninopeuksissa. Uudemmissa hävittäjissä käytetään kuitenkin yleensä pienen ohivirtaussuhteen omaavaa ohivirtausmoottoria. Suuriin nopeuksiin suunnitelluissa moottoreissa on tyypillisesti pienempi ohivirtaussuhde, koska suuren ohivirtaussuhteen vaatima suuri ilmamäärä merkitsee ylimääräistä ilmanvastusta. Matkustajakoneissa suoravirtausmoottoreista ohivirtausmoottoreihin siirryttiinkin ennen sotilaskoneita.

Ohivirtausmoottori

Boeing 747-230:ssa 1970-luvulla käytetty ohivirtausmoottori, Rolls-Royce RB.211.

Nykyaikainen matkustajalentokoneen suihkumoottori on niin sanottu ohivirtausmoottori, myös nimitystä puhallinturbiini käytetään. Ohivirtausmoottorissa merkittävä osa ahtimen ensimmäisen vyöhykkeen, puhaltimen, puristamasta ilmasta johdetaan moottorin ohi. Näin saadaan ohivirtaavalle suurelle ilmamassalle suhteellisen pieni nopeuslisä, kun moottorin läpi virtaavalle pienemmälle ilmamassalle taas saadaan suuri nopeuslisä. Työntövoiman yhtälössä sekä kaasun nopeus että sen massa ovat osoittajassa ja massaa on helpompi lisätä kuin nopeutta, koska massan lisääntyessä tehontarve lisääntyy sen mukana lineaarisesti, mutta nopeuden lisääntyessä tehontarve nousee neliöllisesti. Tällä teknisellä kehityksellä on niin ikään saatu alennettua huomattavasti suihkumoottorien polttoaineenkulutusta, päästöjä sekä meluhaittoja.

Ohivirtausmoottorissa moottorin ohi johdettavan virtauksen määrää kuvastaa ns. ohivirtaussuhde (BPR), joka määritellään ohivirtauksen massavirran suhteena varsinaisen kaasugeneraattorin eli moottorin läpi menevään massavirtaan. Vanhemmilla, 60–70-luvulla käytetyillä ohivirtausmoottoreilla ohivirtaussuhde oli tyypillisesti 1–2 välillä, mutta nykyisillä tehokkaammilla moottoreilla se on kasvanut luokkaan 5–10.

Puhaltimen osuus työntövoimasta riippuu puhaltimen koosta: hävittäjissä osuus (ilman jälkipoltinta) on noin 10–40 %, ja isoissa liikennelentokoneissa se on jopa noin 50–80 %.

Suihkumoottorien laskenta

Suihkumoottorien tuottamat työntövoimat voidaan eri tapauksissa laskea seuraavilla yhtälöillä:

Suora suihkumoottori

Tukkeutumaton

$F=(qm,air+qm,fuel)v,exhaust-qm,air*v,air$

Tukkeutunut

$F=(p,exit-p,air)A,nozzle+(qm,air+qm,fuel)v,exhaust-qm,air*v,air$

Ohivirtausmoottori

Tukkeutumaton

$F=qm,by-pass*v,fan+(qm,core+qm,fuel)v,primary-qm,air*v,air$

Tukkeutunut

$F=(p,exit-p,air)A,nozzle+qm,by-pass*v,fan+(qm,core+qm,fuel)v,primary-qm,air*v,air$

"laskennallisesti turbiini mielletään tukkeutuneeksi, mikäli suuttimen painesuhde ympäristön paineeseen ylittää vastaavan kriittisen painesuhteen"

Katso myös

• Jälkipoltin
• Ohivirtaussuhde
• Potkuriturbiini
• Turbiinimoottori

Aiheesta muualla

• Hallen Hävittäjäsivu: Suihkumoottori (Arkistoitu – Internet Archive)
• Ilmailutoimittajat ry.: Suihkumoottorin ensiaskelia (Arkistoitu – Internet Archive)

Suihkumoottorit

Tyypit	Turbojetti Ohivirtausmoottori Turbiinimoottori Potkuriturbiini Patoputkimoottori SCRAMJET
Osat	Ahdin Polttokammio Turbiini Jälkipoltin
Muuta	Ohivirtaussuhde