Motorji

V osnovi je turboventilatorski motor enak turboreakcijskemu. Poglavitna razlika je v deljenju dotekajočega zraka na primarni in sekundarni del. To deljenje se imenuje obtočno razmerje (bypass ratio) in predstavlja količino zraka, ki gre mimo vročega dela motorja, v primerjavi s tistim, ki gre skozi vroči del. Na zunaj se to vidi kot velika školjka, ki običajno obdaja le sprednji del turboventilatorskega motorja.

Velikost te školjke je odvisna od obtočnega razmerja, za katerega je motor konstruiran. Silo, ki jo potrebujemo za potisk letala, pridobimo s produktom mase zraka, ki gre skozi motor, ter njegovim pospeševanjem (razlika med vstopno in izstopno hitrostjo zraka v motor). Pri turboreakcijskem motorju majhne mase zraka zelo pospešujemo, medtem ko pri turboventilatorskem motorju velike mase zraka malo pospešujemo. Pot primarnega zraka je povsem enaka kot pri turboreakcijskem motorju, vendar je razlika med vstopno in izstopno hitrostjo manjša. V enačbi F=m*a to pomeni, da je a precej manjši kot pri turboreakcijskih motorjih. Da bi potisna sila F ostala enako velika, moramo torej povečati maso zraka m, ki gre skozi hladni (ventilatorski) del motorja. Ventilator omogoča velik masni pretok zraka z velikim številom vrtljajev. Primerjava turboreakcijskih in turboventilatorskih motorjev pokaže, da imajo pri enakih vstopnih parametrih turboventilatorski motorji manjšo specifično porabo goriva, kar pomeni boljši izkoristek, hkrati pa so mnogo tišji.

Turboventilatorski motorji imajo v turbinskem delu dodano vsaj še eno ločeno stopnjo (običajno več), ki poganja ventilator. Ventilator ima podobno funkcijo kot propeler. V nasprotju s propelerjem ima od 30 do 40 lopatic, ki so na konicah obdane z ohišjem. Ta ima enako funkcijo kot vstopnik zraka pri turboreakcijskem motorju. Čelni presek turboventilatorskih motorjev je odvisen od obtočnega razmerja in je običajno precej večji kot pri turboreakcijskih motorjih. To pa pomeni tudi večji čelni upor letala, kar povečuje stroške.

Ventilator zagotavlja od 30 do 75 odstotkov celotne potisne sile motorja. Sekundarni zrak po ventilatorski stopnji (stator in rotor) običajno vodimo v atmosfero (motorji JT9D, PW2000, PW4000, V2500...). Ti motorji imajo obtočno razmerje do 10:1 in so v uporabi v potniških letalih. Vojaška letala uporabljajo motorje z manjšim obtočnim razmerjem do 2,5:1. Sekundarni zrak se jim lahko vodi ob vročem delu motorja do izpušne šobe. Hladen zrak se tako zmeša z vročim šele ob izstopu iz motorja. Posebne izvedbe turboventilatorskih motorjev omogočajo mešanje primarnega in sekundarnega zraka v komori za dodatno zgorevanje. Statični potisk teh motorjev se s tem poveča, njihov izkoristek pa pade.

Turboventilatorske motorje zaradi gospodarnosti in nizke ravni hrupa vgrajujejo v potniška, vojaška in tudi druga letala. Ti motorji omogočajo nadzvočno in podzvočno letenje, vendar pri hitrostih manjših od 400 km/h njihov izkoristek pade. Zato v letalih, ki letijo pri teh hitrostih, uporabljajo turbovijačne motorje.

Zgorevalna komora je prostor, kjer se gorivo in stisnjeni zrak zmešata in zgorita. Proces poteka kontinuirano, pri tem pa se iz kemične energije, ki je shranjena v gorivu, pridobiva kinetična energija. Nadzorovana eksplozija zmesi goriva in zraka zagotavlja vso potrebno energijo za pogon kompresorja, pomožnih pogonskih enot ter potisk letala. Pri turboreakcijskih in turboventilatorskih motorjih se približno 75 % sproščene energije porabi za pogon kompresorja in pomožnih pogonskih enot, ostalo pa za potisk letala (curek zraka). Pri turbovijačnih in turbogrednih motorjih pa se večina pridobljene energije porabi za pogon kompresorja in pomožnih pogonskih enot. Hitrost izpušnih plinov bistveno ne vpliva na potisk letala.

Zgorevalna komora je zgrajena tako, da omogoča čim boljše mešanje zraka in goriva ter s tem čim boljše zgorevanje (čim nižje emisije). Kerozin najbolj učinkovito zgoreva pri razmerju 15:1 v korist zraka. Celotno razmerje zrak/gorivo v motorju pa je med 150-200:1. To pomeni, da je presežek zraka večji od 10. In ta presežek se porabi za različne namene (hlajenje, dodatno zgorevanje …).

Zgorevalna komora je razdeljena na primarni in sekundarni del. Še preden se komprimiran zrak vodi v zgorevalno komoro, se razdeli na dva dela. Primarni del zraka (približno 15-20 %) se vodi v neposredno bližino gorivnih šob, kjer se zavrtinči in zmeša z gorivom ter zgori. Sekundarni tok zraka se ponovno razdeli na dva dela. Do 10 % se porabi za dokončanje zgorevalnega procesa, ostali zrak pa za hlajenje ohišja zgorevalne komore ter nenazadnje za hlajenje produktov zgorevanja, ki morajo - preden dosežejo turbinske lopatice - izgubiti nekaj temperature. Kaj lahko bi se namreč zgodilo, da bi bila temperatura po zgorevanju previsoka, s tem pa bi lahko prevroči plini deformirali turbinske lopatice. V najslabšem primeru bi to lahko privedlo do poškodbe turbinskega dela motorja in končno fizične poškodbe motorja. Zgorevalna komora mora zagotavljati kontinuiran, stabilen in temperaturno enakomeren masni pretok plinov na turbinski del motorja.

Ločimo več vrst zgorevalnih komor. V zgodnje turbinske motorje so vgrajevali sodčkaste zgorevalne komore, ki so bile razporejene po obodu jedra motorja. Vsaka zase je bila samostojna, skupaj pa so predstavljale celoto. Na zadnjem delu komor je oblikovan poseben prostor, ki naprej zagotavlja enakomeren dotok plinov na turbinske lopatice. Kasneje so razvili komore obročaste oblike, ki so danes najbolj razširjene. Dva obroča drug v drugem sta postavljena okrog jedra motorja. Zgorevanje se dogaja v vmesnem prostoru, tudi tu pa so produkti zgorevanja vodeni na turbinski del. Sčasoma se je pojavila kombinacija obeh komor ter komora z nasprotnim tokom zraka. Slednje delujejo na povsem enakem načelu kot prej opisane, le da je tok zraka v komoro speljan po posebnem sistemu cevi. Zgorevalna komora je v tem primeru postavljena okrog turbine v nasprotni smeri letenja. Zrak iz kompresorja mora, preden pride do turbine, dvakrat spremeniti smer za 180°, enkrat pred komoro in enkrat za njo. Takšni motorji (npr. JT-15, PT6, Garrett TPE311) so precej krajši in lažji, njihov izkoristek pa je zaradi trenja ob spremembi smeri toka zraka manjši.

Zgorevalne komore so zgrajene iz materialov, ki dobro prenašajo visoke temperature in so nekorozivni. Materiali morajo vzdržati velike vibracije, ki jih povzroča motor. Zgorevalne komore gradijo iz nikljevih zlitin, v prihodnje pa jih bodo najverjetneje nadomestili keramični kompozitni materiali.

Pomemben del zgorevalne komore je tudi sistem za vžig.