Turboskroef

'n Turboskroefmotor is 'n turbine-enjin wat gewoonlik 'n vliegtuig se skroef aandryf. 'n Turboskroefmotor is nie 'n ware straalmotor nie; die uitlaatgasse word nie gebruik om stukrag te verskaf nie, maar om die turbine aan te dryf.

In sy eenvoudigste ontwerp bestaan 'n turboskroefmotor uit 'n luginlaat, gaskompressor, ontbrandingskamer, turbine en uitlaatspuitstuk. Lug word deur die inlaat ingesuig en deur die kompressor saamgepers. Brandstof word by die saamgepersde lug gevoeg in die ontbrandingskamer, waar die lug-/brandstofmengsel ontbrand. Die warm gasse sit in die turbine uit. Van die energie in die warm gasse word gebruik om die turbine te draai; die res word deur die reduksieratkas na die skroef gestuur. Verdere uitsetting van die gasse vind plaas in die uitlaatspuitstuk, waar die druk tot atmosferiese druk verminder. Die uitlaatspuitstuk verskaf weinige stukrag, aangesien die meeste energie van die gasse deur die turbine en skroef geabsorbeer word.

Tegniese aspekte 

Die uitlaatgasstukrag in 'n turboskroef word in die aandrywing van 'n as omgeskakel: dus kinetiese energie, wat verkry word uit die uitsetting van gasse in die turbine. Die gasse wat in die ontbrandingskamer uitsit en na die turbine vloei se energie moet twee dinge doen: die gaskompressor en die skroef aandryf. As gevolg hiervan is die oorblywende energie wat die gasse nog oorhet wanneer dit by die uitlaatspruitstukke uitbeweeg, laag. Gevolglik dra die uitlaatgasse ongeveer 10% by tot die totale stukrag. Die skroef se bydrae tot die totale stukrag is groter teen laer snelhede as teen hoër snelhede.

Turboskroewe se omloopverhoudings kan van 50 tot 100 wees maar die aandrywinglugvloei is minder gedefinieerd vir skroewe as vir waaiermotore.

Die skroef word aan die turbine gekoppel met 'n reduksierat wat die hoë omwenteling / lae wringkrag na lae omwenteling / hoë wringkrag omskakel. Die skroef handhaaf normaalweg 'n konstante spoed met 'n veranderlike steekhoek, soos by tipes wat gebruik word deur vliegtuie aangedryf deur suierenjins.

In teenstelling met die klein waaiers soos gebruik in turbowaaiermotore, het die skroef van die turboskroef 'n baie groter deursnee, wat dit toelaat om 'n aansienlike klomp lug te versnel. Dit het tot gevolg dat die lugstroom se snelheid benodig om 'n gegewe stukrag te produseer minder is. Dit is doeltreffender om teen lae snelhede 'n groot volume lug effens te versnel as om 'n klein volume lug teen 'n groter graad te versnel; 'n lae skyflas (stukrag per skyfarea) verhoog die vliegtuig se energiedoeltreffendheid en verminder dus die brandstofgebruik.

Vliegtuigskroewe se doeltreffendheid neem af namate die vliegtuig se spoed vermeerder, derhalwe word turboskroefmotore gewoonlik nie gebruik vir vliegtuie wat vinniger as 0,6-0,7 Mach moet vlieg nie. Propfan-motore, soortgelyk aan turboskroefmotore, word gebruik vir snelhede tot 0,75 Mach. Om die skroef se doeltreffendheid te verbeter kan dit voorsien word van 'n meganisme wat die steekhoek relatief tot die lugspoed verander. 'n Veranderbare steekhoekskroef het die voordeel dat dit gebruik kan word om negatiewe stukrag te produseer, gewoonlik wanneer die vliegtuig land, en word gebruik om die vliegtuig te stop. Nog 'n voordeel van 'n veranderbare steekhoekskroef is dat in die geval van motorfaling, die skroef in die faanposisie gestel kan word, wat die lugweerstand van die stilstaande skroef minimaliseer.

Die meeste turbostraal- en turbowaaiermotore gebruik aksiale kompressors terwyl die meeste turboskroefmotore vir minstens een stadium 'n sentrifugale kompressor gebruik, wat die voordeel het dat dit eenvoudig en lig is, maar ten koste van vaartbelyning.

Turbo-as 

Normaalweg is die kragturbine 'n integrale deel van die gasverbrandingseksie, maar daar is ook 'n ontwerp vir 'n kragturbine wat onafhanklik van die gaskompressor draai en die turbo-as genoem word. Dit laat die skroef toe om vry en onafhanklik van die kompressor se spoed te draai. Die oorblywende potensiële stukrag van die turbo-as-motor word geneutraliseer deur die uitlaat van die turbine te verleng en 180 grade te swaai, wat opponerende kragte tot gevolg het. Behalwe die onafhanklike as is daar geen ander verskille tussen die turboskroef en turbo-as-motore nie. Turbo-asmotore word onder andere in helikopters gebruik.

Geskiedenis 
Alan Arnold Griffith het reeds in 1926 'n dokument gepubliseer oor die ontwerp en werking van die turboskroefmotor. Daarna is ontwikkelingswerk deur die Britse Lugmag se navorsingseenheid Royal Aircraft Establishment gedoen; hulle het gefokus op aksiale turbines wat krag na 'n as kan oordra om 'n skroef aan te dryf. Van 1929 af het Frank Whittle begin werk aan sentrifugale turbine-ontwerpe wat slegs straalenjinstukrag lewer.

Die wêreld se eerste turboskroef is deur die Hongaarse meganiese ingenieur György Jendrassik ontwerp. Hy het in 1928 'n ontwerp oor 'n turboskroefmotor gepubliseer en op 12 Maart 1929 is sy ontwerp gepatenteer. In 1938 het hy 'n kleiner (100 perdekrag; 74,6 kW) eksperimentele weergawe van die gasturbine gebou. Die groter Jendrassik Cs-1, met 'n verwagte uitset van 1 000 bruto perdekrag, is tussen 1937 en 1941 by die Ganzwerke in Boedapest vervaardig en getoets. Dit was 'n asvloei-ontwerp met vyftien kompressor- en sewe turbinefases, 'n ringvormige verbrandingskamer met vele moderne kenmerke. Die motor het in 1940 die eerste keer geloop, maar ontbrandingsprobleme het die uitset tot 400 bruto perdekrag beperk. In 1941 is die ontwikkelingswerk gestaak weens die Tweede Wêreldoorlog en die fabriek is gebruik vir konvensionele motorvervaardiging. Die wêreld se eerste turboskroef wat in massa geproduseer is, is in 1942 deur Max Adolf Mueller ontwerp.

Die publiek het in Februarie 1994 die eerste keer van die turboskroefmotor kennis geneem nadat 'n artikel daarvan in die Britse lugvaarttydskrif Flight verskyn het. Die artikel het 'n gedetailleerde wegsnyskets bevat van hoe die turboskroef moontlik kan lyk. Die skets het baie ooreengekom met die nog toekomstige Rolls-Royce Trent-motor. Die eerste Britse turboskroefmotor was die Rolls-Royce RB.50 Trent, 'n motor wat ontwikkel is van die Rolls-Royce Derwent II en toegerus is met 'n reduksierat en vyfbladskroef. Die Gloster Meteor EE227 was toegerus met twee van die Trent-motore en daar is na verwys as die Trent-Meteor, wat dit die wêreld se eerste turboskroefvliegtuig gemaak het, al is dit slegs gebruik vir toetse en ontwikkeling en nie vir produksie nie. Hierdie vliegtuig het op 20 September 1945 sy eerste vlug voltooi.

Met die ondervinding wat Rolls-Royce hier opgedoen het, het hulle die Rolls-Royce Clyde-motor ontwikkel. Dit is die eerste turboskroefmotor wat ten volle gesertifiseer is vir militêre en burgerlike gebruik asook die Rolls-Royce Dart-motor. Laasgenoemde is een van die betroubaarste turboskroefmotore ooit gebou en die motor was vir 50 jaar in produksie. Die Vickers Viscount is die eerste vliegtuig wat aangedryf is met turboskroefmotore wat in massa geproduseer is; daar is 'n groot aantal van die vliegtuie verkoop. Dit was ook die eerste viermotorige turboskroefvliegtuig en het sy nooiensvlug op 16 Julie 1948 onderneem. Die eerste enkelmotorige turboskroefvliegtuig was die Boulton Paul Balliol, aangedryf deur 'n Armstrong Siddeley Mamba-motor, sy nooiensvlug was op 24 Maart 1948.

Die Sowjetunie het na die Tweede Wêreldoorlog voortgebou op die ontwikkeling van die Duitse maatskappy Junkers Motorenwerke terwyl BMW, Heinkel en Daimler-Benz ook motore ontwikkel en getoets het. Alhoewel die Sowjetunie in daardie stadium die vermoë gehad het om die raamwerk en romp te bou vir 'n straalaangedrewe strategiese bomwerper, wat vergelykbaar is met die Boeing B-52 Stratofortress, het hulle eerder die Toepolef Tu-95 Bear gebou wat aangedryf is deur vier Kuznetsov NK-12-turboskroefmotore – elk toegerus met twee kontraroterende skroewe. Die skroewe se punte was aangepas om teen supersoniese snelhede te kan werk om sodoende 'n maksimumkruissnelheid van 575 mpu te verseker. Dit was in daardie stadium vinniger as die eerste straalaangedrewe vliegtuie en vergelykbaar met die kruissnelhede van die meeste vliegtuie. Die Bear het die Sowjetunie lank gedien; dit is tewens hulle suksesvolste gevegs- en verkenningsvliegtuig en 'n simbool van Sowjetse magsvertoon gedurende die 20ste eeu. Die Verenigde State het ook vliegtuie vervaardig met kontraroterende turboskroefmotore soos die rampspoedige Allison T40-motor. Dit was in wese twee Allison T38-motore langs mekaar met 'n gemeenskaplike ratkas om die kontraroterende skroewe aan te dryf. Dit het gelei tot 'n reeks eksperimentele vliegtuie gedurende die 1950's wat aangedryf is met die T40. Een model is die Convair R3Y Tradewind-vliegboot wat egter nooit deur die Amerikaanse Vloot gebruik is nie.

Die eerste Amerikaanse turboskroefmotor is die General Electric XT31-motor, wat in die eksperimentele Consolidated Vultee XP-81 gebruik is. Die XP-81 het in Desember 1945 sy eerste vlug onderneem en is die eerste vliegtuig wat aangedryf is met beide turboskroef- en turbostraalmotore. Die kennis en ondervinding opgedoen met die Allison T38 is gebruik en het gehelp met die ontwikkeling van die Allison T56-turboskroefmotor. Vier van die T56's is gebruik om die Lockheed L-188 Electra aan te dryf, asook sy militêre weergawe die Lockheed P-3 Orion en die C-130 Hercules-transportvliegtuig. Een van die turboskroefmotore waarvan die meeste in burgerlugvaart vervaardig en gebruik is, is die Pratt & Whitney Canada PT6-motor.

Die eerste turbo-as-aangedrewe helikopter is die Kaman K-225, 'n ontwikkeling van Charles Kaman se K-125 helikopter met twee gesinchroniseerde skroewe. Die K-225 het 'n Boeing T50 turbo-as-motor gebruik en sy eerste vlug op 11 Desember 1951 onderneem.

Operasionele gebruik 

In teenstelling met turbowaaiermotore is turboskroefmotore die doeltreffendste teen snelhede onder 725 km/h (450 mpu; 390 knope), want die snelheid van die lug oor die skroef is redelik stadig. Moderne turboskroefvliegtuie se kruissnelheid is bykans dieselfde as dié van kleiner streekstralervliegtuie, maar gebruik slegs tweederdes van die brandstof per passasier teenoor die stralermotore. Skroefaangedrewe vliegtuie vlieg egter teen laer hoogtes as straalaangedrewe vliegtuie omrede laasgenoemde vinniger kan vlieg op hoër hoogtes, en ook meer brandstofdoeltreffend is op hoër hoogtes.

In vergelyking met suierenjins is die voordele van die turboskroefmotore 'n beter krag-tot-gewig-verhouding (wat korter opstygafstande tot gevolg het) met goeie betroubaarheid; wat die aanvanklike hoër koste, instandhouding en hoër brandstofverbruik (teenoor suierenjins) aanvaarbaar maak. Omrede stralerbrandstof meer beskikbaar is as aangepaste motorvoertuigbrandstof vir vliegtuigenjins, word turboskroefaandrywing verkies vir die Cessna 208 Caravan en Quest Kodiak wat as bosvliegtuie (op afgeleë plekke) gebruik word.

Turboskroefmotore word gewoonlik vir kleiner subsoniese vliegtuie gebruik, maar die Toepolef Tu-114 kan snelhede van tot 470 knope bereik. Groot militêre vliegtuie soos die Toepolef Tu-95 en burgerlike vliegtuie soos die Lockheed L-188 Electra word ook aangedryf deur turboskroefmotore. Die Airbus A400M Atlas word aangedryf deur vier Europrop TP400-motore wat naas die Kuznetsov NK-12-motore die tweede kragtigste turboskroefmotore is wat vervaardig word.

In 2017 was hierdie mees vervaardigde turboskroefvliegtuie nog in gebruik: ATR 42/72 (950 vliegtuie), Bombardier Q400 (506) en Dash 8-100/200/300 (374), Beechcraft 1900 (328), de Havilland Canada DHC-6 Twin Otter (270) en die Saab 340 (225). Ander minder bekende en ouer vliegtuie is: BAe Jetstream 31, Embraer EMB 120 Brasilia, Fairchild Swearingen Metroliner, Dornier 328, Saab 2000, Xian MA60, MA600 en MA700, Fokker F27 Friendship en Fokker 50.

Betroubaarheid 
Die Australiese Vervoerveiligheidsraad het tussen 2012 en 2016 altesaam 417 insidente aangeteken waarby turboskroefvliegtuie betrokke was. Daar het ongeveer 83 insidente per jaar, met 1,4 miljoen vliegtuie, plaasgevind – dus 2,2 insidente per 10 000 uur. Drie van die insidente is as hoë risiko geklassifiseer wat motorfaling en onbeplande landings deur enkelmotorige vliegtuie, Cessna 208 Caravan, insluit. Vier is as medium risiko en 96% as lae risiko geklassifiseer.

Twee insidente het gelei tot ligte beserings as gevolg van die motorfalings asook botsings op die grond (landbouvliegtuie) en vyf ongelukke waar die vliegtuie in die lug was: vier in landbou- en een deur 'n ambulansvliegtuig.

Turboskroefmotore tans in gebruik

Notas

Verwysings

Bibliografie 
 Green, W. and Cross, R.The Jet Aircraft of the World (1955). London: MacDonald
 
 
 James, D.N. Gloster Aircraft since 1917 (1971). London: Putnam & Co.

Eksterne skakels 

Vliegtuigenjins
Voorbladartikels