Spřátelené weby
další odkazy

Typy leteckých motorů

Rozdělení leteckých motorů

• Pístové motory
• Turbínové motory
• Turbokompresorové (jednoproudové)
• Turbovrtulové
• Turbohřídelové
• Turbodmychadlové (dvouproudové)
• Propfan
• Bezturbínové motory
• Náporové
• Náporové s nadzvukovým spalováním (SCRAMJET)
• Pulzační
• Raketové motory
• Na kapalné pohonné látky
• Na tuhé pohonné látky
• Hybridní
• Kombinované motory
• Motokompresorové
• Turbonáporové
• Turboraketové
• Speciální motory
• Jaderné

Pístové motory pohání vrtuli, která se stará o vyvození tahu. Turbínové motory mají tzv. generátor plynu (jádro motoru), který se stará o proběhnutí termodynamických změn, vedoucích k vyvození tahu. Generátor plynu je rotační a skládá se z kompresoru, spalovací komory a turbíny pohánějící kompresor. Naopak bezturbínové motory nemají žádné pohyblivé části (s vyjímkou regulátorů chodu, membrány u pulzačních motorů a ovladatelného vstupu a výstupu) a pracují jen díky náporovému stlačení vzduchu na vstupu, zabezpečeným vysokou rychlostí letu. Raketové motory spalují palivo a okysličovadlo, spaliny reaktivní tryskou vystupují vzad. Tyto motory jako jediné nepotřebují ke své činnosti atmosférický kyslík. Kombinované motory v sobě slučují "výhody" různých druhů motorů. Vůbec se nerozšířily a fungovaly jen jako experimentální nebo jen jako pohon speciálních, malosériových letadel. Jaderné motory jsou jen desítky let starou vizí. Realizaci brání nedostatečná ochrana před radiací a obrovská hmotnost takového motoru.

Pístový

Zde není potřeba nic vysvětlovat. Pístové motory jsou motory podobné jako v osobním autě. Existují v několika základních skupinách, lišící se uložením válců a klikové hřídele - hvězdicové, rotační, řadové, ... Na samotný motor je obvykle napojen reduktor otáček a samozřejmě vrtule.

Turbokompresorový

Turbokompresorový (TK, jednoproudový, turbojet) je "nejjednoduchší" turbínový motor. Zjednodušeně řečeno se skládá pouze z generátoru plynu a vhodné trysky.

Vzduch je nasáván vstupním ústrojím, v kompresoru je stlačen, ve spalovací komoře je mu při konstantním tlaku dodána tepelná energie. Na rozváděcím kole turbíny (stator) je část tepelné energie převedena na energii kinetickou. Rychle proudící plyny předávají svou energii turbíně, pohánějící kompresor. Tlak za turbínou je ještě vysoký a tak jsou plyny vedeny do výstupní trysky, která část zbývající energie převede na energii kinetickou - rychle vystupující plyny z motoru vyvozují vlastní tah. Nadzvukové letouny mají motory s přídavným spalováním.

První TK motory se objevily ve 30. letech. Koncem druhé světové války prošly prvním bojovým nasazením. Okamžitě po válce začal jejich velký rozmach a velká část projektů nových letounů se začala opírat právě o TK motory. Zlaté časy končí v 70. a 80. letech, kdy se ke slovu dostávají turbodmychadlové motory. První dvě desetiletí 21. století budou pravděpodobně znamenat konec drtivé většiny dosluhujících TK motorů.

Výkon turbokompresorových motorů je s přídavným spalováním až 200 kN.

Turbovrtulový

Jednopoudové motory pracují při nízké rychlosti letu s nižší účinností, pro pomalé letouny proto vznikly motory turbovrtulové (TV, turbo-prop). Horní hranice, kdy jsou ještě vrtulové motory efektivnější než proudové je cca 800-900 km/h. Efektivnost už ale začíná klesat od rychlosti zhruba 550 km/h, při které začíná být rychlost proudění vzduchu přes vrtulové listy příliš velká, vznikají turbulence a ztrácí se energie při okolozvukové rychlosti špiček vrtulových listů.

Generátor plynu zůstává zachován jako u předchozího typu, byl přidán reduktor otáček a vrtule. Vrtule (přesněji jen reduktor) je poháněna buď stávající nebo vlastní turbínou. Je snaha o to, aby turbíny využily veškerou energii spalin, protože tah není vyvoláván proudem horkého plynu, ale vrtulí urychleným vzduchem. Tlak za turbínou tak klesá až na hodnotu tlaku atmosférického.

TV motory se rozšířily v první polovině 50. let a to nejdříve na transportních a bombardovacích letounech. Během následujících desetiletí se ale široce rozšířily i do oblasti lehkých civilních letounů. Stále jsou a budou to nejlepší pro řadu dnešních a budoucích letounů, u kterých není priorita vysoká rychlost, ale ekonomičnost provozu.

Nejvyšší výkon na hřídeli takovýchto motorů dosahuje hodnoty 10000 kW

V tomto případě je vrtule poháněna vlastní turbínou, na kterou je ještě napojen nízkotlaký kompresor.

Turbohřídelový

Obdoba turbovrtulového motoru s tím rozdílem, že k němu není přímo napojena vrtule, ale z převodovky (reduktoru otáček) vystupuje jen hřídel, na kterou se až v konkrétním aplikaci napojují hnací ústrojí - rotory vrtulníků. Turbohřídelové motory (TH, turbo-schaft) se objevily v době počátku rozvoje moderních vrtulníků - koncem 50. let.

Turbodmychadlový

Turbodmychadlový motor (TD, dvouproudový, turbofan, by-pass jet engine) kombinuje ekonomičnost provozu turbovrtulových motorů při nízkých rychlostech s efektivností provozu turbokompresorových motorů při vyšších rychlostech.

Generátor plynu zůstává stejný, je však přidán nízkotlaký kompresor a turbína. Činnost motoru je podobná jako u turbokompresorového. Za první turbínou, pohánějící vysokotlaký kompresor, je umístěna druhá turbína, využívající část zbývající energie plynu k pohonu nízkotlakého kompresoru. Nízkotlaký kompresor je umístěn před generátorem plynu. Část vzduchu z nízkotlakého kompresoru proudí do jádra motoru, zbývající část stlačeného vzduchu protéká kolem jádra a ve výstupní trysce je urychlena, čímž je vyvozen tah. V mnoha případech bývají TD motory vybaveny přídavným spalováním.

Nízkotlaký kompresor se také, především u vysokých obtokových poměrů (viz dále), označuje dmychadlo. Dále budu v souvislosti s TD motory mluvit o nízkotlakém kompresoru jako o dmychadle. 

Turbodmychadlové motory mají oproti turbokompresorovým mnoho výhod. Některé z nic plynou z podobnosti s motory turbovrtulovými.

1. Výstupní plyny jsou pomalejší, motorem ale protéká více vzduchu. Kinetická energie jak známo roste se čtvercem výstupní rychlosti plynů. Tah roste pouze lineárně s výstupní rychlostí. Vzhledem k tomu, že kinetická energie vzniká přeměnou energie dodané pomocí spalování, je jasné, že čím je rychlost výstupních plynů nižší, tím je sice menší tah, ale také výrazně menší spotřeba. Z toho plyne asi největší výhoda turbodmychadlových motorů - výstupní plyny jsou pomalejší, motorem však protéká velké množství vzduchu - využití palivem dodané energie na tah je efektivnější = klesá specifická spotřeba paliva.

2. Velká dmychadla s obrovským průtokem vzduchu dnes umožňují dosáhnout výkonů stovek kN při stále se snižující specifické spotřebě paliva.

3. Smísením horkých spalin z jádra a studeného vzduchu z vnějšího proudu klesá teplota výstupních plynů.

4. Díky zvýšení průtoku vzduchu a snížení rychlosti výstupních plynů klesá hlučnost. 

V souvislosti s dvouproudovými motory se objevil nový parametr a to obtokový poměr. Ten udává poměr mezi průtokem vzduchu vnějším a vnitřním proudem. Pokud je tedy celkový průtok 160kg/s a obtokový poměr 0,6, proteče jádrem 100kg/s a vnějším proudem 60 kg/s.

TD motory se na letounech objevily v polovině 60. let, k většímu rozšíření došlo v 70. letech. V 80. letech byl už TD motor samozřejmostí nově projektovaných proudových letounů. Dodnes je to nejvhodnější koncepce pro letouny dosahující maximálních rychlostí 900 až cca 2500 km/h.

Maximální tah motorů s přídavným spalováním pro nadzvukové letouny nepřekračuje v případě velkých bombardérů 300 kN, v případě stíhacích letounů se dnes obvykle drží pod hranicí 150 kN. TD motory s vysokým obtokovým poměrem pro velké dopravní letouny se dnes s tahem blíží ke 450 kN.

Základní schéma turbodmychadlového motoru s dvěmi hřídeli - vysokotlakou a nízkotlakou. Vnější proud prochází uvnitř motoru kolem celého jádra a před tryskou se mísí s horkými spalinami z jádra. Motory podobného schématu mívají obtokový poměr většinou ne větší než 1,5 a jsou využívány malými a středními letouny.

Schéma dvouproudového motoru s vysokým obtokovým poměrem. Jádro motoru je pro efektivnější činnost vybaveno dvěmi hřídeli, třetí hřídel spojuje dmychadlo s nízkotlakou turbínou. Vnější a vnitřní proud se před výstupem nemísí, obtokový poměr dosahuje běžně hodnot 3 i více.

Zatím nerozšířená koncepce s protiběžným dmychadlem. V tomto případě je přímo bez hřídele spojeno s turbínovými rotory. Není to už typický dvouproudový motor. Motor s takto řešeným protiběžným dmychadlem je až do rychlosti 800 km/h o 5-10% efektivnější než turbodmychadlové motory s vysokým obtokovým poměrem.

Propfan

Propfan, další variace dvouproudového a turbovrtulového motoru, jde s efektivností ještě dále a to tak daleko, že její průběh je až do 500 km/h stejný jako u turbovrtulových motorů, efektivnost dokonce i za touto rychlostí roste a největší je při rychlosti okolo 900 km/h, což je mezní rychlost provozu tohoto typu motoru. Díky těmto velice příznivým vlastnostem se propfany (stejně jako předchozí motory s protiběžným dmychadlem) stávají ideální náhradou starších turbodmychadlových a turbovrtulových motorů třeba u civilních a transportních letounů.

Propfany (od slova prop - vrtule a fan - dmychadlo) mají nezvykle široké listy. Jsou poháněny jednou turbínou, obě vrtule se díky reverzoru točí proti sobě.

Náporový

U těchto motorů není generátor plynu s rotačními součástmi nutný. Ke stlačení vzduchu dojde jeho náporem při vysoké vstupní rychlosti. Do vzduchu je přidáno palivo a zapáleno. Horké plyny expandují tryskou ven a vyvozují tah. Turbína není vzhledem k absenci kompresoru zapotřebí. Nevýhodou těchto motorů je, že efektivně pracují jen při vysokých rychlostech (řádově M=1 a více). Při nulové rychlosti nepracují a proto je letoun s těmito motory nutné nejprve urychlit na provozní rychlost jeho náporových motorů. Výhodou je ale vysoká účinnost při vysokých rychlostech, kdy je stlačení vzduchu opravdu vysoké. Pro nadzvukové rychlosti je ale potřeba vybavit motor nadzvukovým vstupem a konvergentní-divergentní tryskou.

Základní schéma náporového motoru. Má divergentní vstup, ve kterém se kinetická energie vstupujícího vzduchu mění na tlak. Ve spalovacím prostoru je přidána tepelná energie, expandující spaliny pak vystupují konvergentní trysku. V praxi jsou náporové motory určeny pro vysoké nadzvukové rychlosti a vyžadují tak regulovatelné vstupním zařízení obvykle s centrálním kuželem a konvergentní-divergentní trysku.

Dobrá efektivnost při vysokých rychlostech, relativně jednoduchá konstrukce a možnost provozu na atmosférický kyslík činí z náporových motorů ideální pohonnou jednotku pro rychlé řízené střely s dlouhým doletem.  

Náporový s nadzvukovým spalováním (SCRAMJET)

Tato kategorie je jedna z nejmladších. Motory nacházejí uplatnění v projektech vysoko a extrémně rychle létajících prostředků (cca M=7). Důležité je u nich, že proud vzduchu se před spalovacím prostorem nemusí zpomalovat na podzvukovou rychlost. Při zpomalení vzduchu na podzvukovou rychlost totiž dochází k jeho značnému zahřátí - při M=5 je to ještě cca 1000°C, ale při M=7 je teplota už 2100°C a při rychlosti letu M=10 dokonce až kolem 4200°C. To je příliš mnoho jak z hlediska pevnosti materiálu, tak z hlediska chemické stability paliva. U motorů scramjet je vzduch zpomalen rázovými vlnami na hranách klínů s malým úhlem břitu. Za rázovými vlnami je rychlost proudění ještě nadzvuková a při této rychlosti také probíhá spalování. Spaliny vystupují divergentní tryskou. V USA vyvíjený motor není osově souměrný, tryska může být z jedné strany otevřená - tvoří ji tak šikmá spodní část trupu tzv. propulzního tělesa. Příkladem takovéhoto prostředku je X-43.

Vývoj scramjetu začal v Langleyově výzkumném centru NASA v polovině 60. let.  Rusové také vyvíjí scramjety, příkladem je osově souměrný motor GPVRD pro řízené střely o rychlosti přes M=6.

Pulzační

Toto je úprava náporového motoru tak, aby pracoval i při nulové rychlosti. Motor pracuje ve dvou fázích, které se pravidelně střídají. Nejprve je při otevření ventilů nasáván vzduch do spalovacího prostoru, kde je do něj vstřikováno palivo. Poté dojde k zapálení směsi, přetlakem se ventil uzavře a plyny vystupují tryskou ven. Následný podtlak otevře ventil a cyklus se opakuje. Motor tak pulzuje, čímž dostává charakteristický zvuk. Motory jsou startovány přetlakem na vstupu, který může zajistit kompresor nebo stlačený vzduch. Vstupní ventily mohou být řešeny několika způsoby - uzávěr na pružině, plechová membrána ve tvaru hvězdice atd. Ve spalovací komoře vzniká větší tlak než u náporových motorů, což vyžaduje robustnější konstrukci. 

Pulzační motory vznikly nejprve pro pohon rotoru prvních vrtulníků, veřejnosti nejznámější je použití na válečných létajících střelách V-1, dnes jsou používány amatéry pro pohon některých dálkově řízených modelů. Širšímu rozšíření brání vysoká spotřeba paliva při nízkém výkonu

Raketové motory

Ke své činnosti nepotřebují atmosférický kyslík a jsou tak vhodné pro prostředky létající v extrémních výškách nebo až zcela mimo naši atmosféru. Raketové motory mohou mít obrovský výkon, pro "normální" letectví jsou ale nepoužitelné, vzhledem k nutnosti nést množství paliva a okysličovadla když kyslíku je i desítky kilometrů nad zemským povrchem dostatek. Na druhé straně pro prostředky, kde je potřeba vysokého výkonu po krátkou dobu (řízené a neřízené střely, ...) jsou raketové motory maximálně vhodné. V mnoha případech totiž nepotřebují drahé a složité komponenty jako je kompresor a turbína a jak bylo řečeno, po dobu obvykle ne déle než několika desítek sekund dokáží poskytnout obrovský tah.

Motor na tuhé pohonné hmoty (TPH) pracuje tak, že postupně odhořívá tuhá náplň válcového zásobníku paliva. Nedá se regulovat jeho výkon a pokud je jednou spuštěn, není možné jej zastavit. Díky jednoduchosti konstrukce jsou tyto motory vhodné například pro vojenské střely do hmotnosti řádově stovek kilogramů. U řízených střel je tah několik desítek kN vyvozen po dobu přibližně 10 sekund. Jiným příkladem mohou být startovací rakety raketoplánů, každá vyvíjí tah 11800 kN po dobu 120 sekund.

Motor na kapalné pohonné hmoty (KPH) má dvě nádrže - jedna na palivo a druhá na okysličovadlo. Lze regulovat výkon, je možné jej spustit a zase zastavit. Motory na KPH byly používány některými válečnými, povětšinou pokusnými, letouny. Jejich použití je vzhledem k relativní složitosti konstrukce a provozu opodstatněné až u raket s hmotností od několika tun dále. Zde jsou již složitější konstrukční prvky nutné - zejména výkonná čerpadla paliva a okysličovadla.

Hybridní motor má tuhé palivo a kapalné okysličovadlo.

Motokompresorový

Jde o jednoproudový motor bez turbíny. Pro pohon kompresoru je použit klasický pístový motor. Tyto motory vznikly během 2. sv. války, uvažovány byly například pro japonské sebevražedné letouny Oka. Pístový motor byl ale pro pohon kompresoru příliš slabý, motor dával nízký výkon a tak se tato koncepce nikdy nerozšířila.

Turbonáporový

Kombinuje výhodu účinnosti proudového motoru při nulové a nízké rychlosti a účinnost motoru náporového při výrazně nadzvukové rychlosti. Jeho použití je opodstatněné jen u letounů, létajících běžně rychlostí přesahující M=3. Snad jediným zástupcem této kategorie je motor J58 z průzkumných letounů SR-71. "Přepnutí" režimu z proudového na náporový je zajištěno uzavřením přívodu vzduchu do kompresoru a otevřením cesty kolem jádra motoru. Spalování v náporovém režimu se děje v komoře přídavného spalování. Samozřejmostí je regulovatelný vstup vzduchu do motoru a regulovatelná výstupní tryska

Turboraketový

Na celkovém tahu se zde podílí především kompresor, stlačující vzduch, který pak expanduje v trysce. Kompresor je poháněn turbínou, která je roztáčena rozpínajícími se spalinami po hoření paliva s okysličovadlem. K dodatečnému zvýšení tahu je před trysku umístěna komora přídavného spalování. Praktické využití motor nejspíše nikdy nenašel. Kombinuje sice zdánlivé výhody proudových a raketových motorů, ale výsledná účinnost pravděpodobně není příliš ohromující. 

Jaderný

Myšlenka pohánět letadla jaderným motorem se objevila hned během prvních pokusů s touto technologií začátkem 40. let. Ve druhé polovině 40. let už byly navrhovány konkrétní experimentální letouny a některé dokonce byly i postaveny. O americkém programu více zde. Krátce projdu jaké výhody a nevýhody by tento pohon měl. nedořešené stínění

Typické podmínky použití jednotlivých typů motorů

Běžný rozsah letových podmínek, při kterých pracují jednotlivé typy motorů. Náporové motory jsou schopny činnosti i při podzvukové rychlosti, ale jejich použití je výhodné až při vysoce nadzvukových letech.

Graf závislosti efektivnosti nejdůležitějších turbínových motorů na rychlosti letu.

Čeho je důležité si všimnout:

• Do rychlosti 600 km/h jsou jednoznačně nejefektivnější turbovrtulové motory a propfany.

• Do rychlosti 900 km/h si udržují nejvyšší efektivnost propfany. Motory s protiběžným dmychadlem se svou efektivností leží mezi turbodmychadly a propfany.

• Pro vyšší rychlosti jsou jednoznačně nejlepší turbodmychadlové motory.

• Efektivnost turbokompresorových motorů, jakožto prapředka všech dalších turbínových motorů, je při nízkých a středných rychlostech malá. K efektivnosti turbodmychadlových motorů se začíná blížit až v oblasti nadzvukových rychlostí.

Lety balónem   Vyhlídkové lety   Zážitky