Suihkumoottori
Suihkumoottori on reaktiomoottori, jonka toiminta perustuu nopeasti virtaavaan aineeseen, joka tuottaa työntövoimaa mekaniikan kolmannen peruslain mukaisesti. Yleisesti ottaen suurin osa suihkumoottoreista perustuu erilaisiin palamisreaktioihin.
Suihkuturbiinien, ohivirtausmoottorien, ramjetien, patoputkimoottorien ja jopa rakettimoottorien voidaan ajatella kuuluvan suihkumoottorin laajemman käsitteen alle.
Yleiskielessä suihkumoottorilla viitataan tavallisesti lentokoneiden voimalaitteena käytettäviin palamisreaktioihin perustuviin ilmaahengittäviin kaasuturbiineihin. Tällaiset moottorit koostuvat yleensä kolmesta pääosasta: ahtimesta, polttokammiosta ja turbiinista.
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.
Suihkumoottorin tärkeimmät osat ovat "ahdin", "polttokammio" ja "turbiini".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. 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.
Tyypillinen ohivirtaussuihkumoottorin toiminta on seuraava:
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.
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.
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 tuottamat työntövoimat voidaan eri tapauksissa laskea seuraavilla yhtälöillä:
formula_1
formula_2
formula_3
formula_4
"laskennallisesti turbiini mielletään tukkeutuneeksi, mikäli suuttimen painesuhde ympäristön paineeseen ylittää vastaavan kriittisen painesuhteen"