Jak se letadla dělí podle typu pohonu a principy fungování různých druhů letadlových motorů

27.11.2018

Svět letecké dopravy, díl osmnáctý V dnešním pokračování seriálu Svět letecké dopravy přinášíme vhled do toho, jak fungují jednotlivé typy letadlových motorů a jak se v závislosti na letadla kategorizují.

Letadla můžeme rozdělit do kategorií podle typu pohonu (pístová, turbovrtulová a trysková), velikosti (malá, střední, velkokapacitní), počtu motorů (nejčastěji od 2 do 4) nebo určení (regionální, střednětraťová, dálková).

Typy pohonu v letecké dopravě

Vzhledem k tomu, že druh motorů použitých k pohonu letadla zásadním způsobem ovlivňuje jeho konstrukci, možnosti a provozně ekonomické vlastnosti, je účelné si nejprve souhrnně vysvětlit druhy motorů používaných v historii i současnosti letecké dopravy.

Tento webový seriál obsahuje pouze výňatky z knihy Svět letecké dopravy II. K plnému pochopení problematiky poslouží jedině tato kniha jako celek. Kniha Svět letecké dopravy II. je jediná kniha na trhu, která se věnuje letecké dopravě tak globálně a podrobně. Využívá ji řada vysokých škol jako hlavní učebnici oborů letecké dopravy i mnoho firem pro doplnění vzdělání svých zaměstnanců. Poslouží ale i všem, kdo se o létání zajímají.
Objednat si ji můžete v našem e-shopu.

Pohonné jednotky letadla (tvořené samotným motorem nebo motorem s vrtulí) slouží k vyvození tažné síly potřebné k dopřednému pohybu letadla rychlostí dostatečnou pro vznik vztlakové síly na křídle letadla v důsledku obtékání profilu křídla proudícím vzduchem. Kromě toho se část výkonu motoru využívá k pohonu generátorů elektrické energie napájejících elektrickou soustavu letadla, případně lze v závislosti na typu motoru využít v dalších systémech letadla teplo nebo tlak z motoru. Základní členění dělí letecké motory na pístové a velkou skupinu proudových motorů.

Pístové motory

Tažnou sílu zde obstarává vrtule poháněná spalovacím pístovým motorem (buď přímo hřídelí motoru, nebo přes reduktor převádějící otáčky motoru na optimální rychlost otáčení vrtule). Letecké pístové motory se v principu neliší od motorů používaných v automobilech; díky snaze o co nejnižší hmotnost jsou však téměř vesměs benzínové a rostoucí požadavky na výkon vedly nejen k postupnému růstu jejich velikosti, ale i k vyššímu počtu válců, než je obvyklé u automobilů – což si mnohdy vyžádalo oproti automobilovým motorům odlišné uspořádání válců a uložení klikové hřídele (kromě řadových nebo vidlicových také hvězdicové a v nejstarších dobách dokonce poněkud neobvyklé rotační motory).

Proudové motory využívané v letecké dopravě

Název je odvozen od kontinuálního proudu vzduchu a posléze spalin vnitřkem motoru, který díky termodynamickým procesům uvnitř motoru (řízené změny teploty, tlaku a objemu) buď na výstupu z motoru vytváří tah na principu Newtonova zákona akce a reakce, nebo prostřednictvím turbíny pohání jiná zařízení pro vytváření tahu. Zároveň proud spalin slouží – opět s využitím turbíny – i k pohonu mechanismu udržujícího motor v chodu. Proudové motory dopravních letadel jsou tedy vesměs motory turbínové.

Společným prvkem všech druhů je tzv. generátor plynu: Vzduch přicházející vstupním ústrojím je stlačen kompresorem (zpravidla vícestupňovým), čímž se zároveň zahřívá, a následně je ve spalovací komoře při konstantním tlaku smísen s palivem a zapálen. Tlak zůstává téměř stejný, ale výrazně roste teplota a spaliny mají tendenci expandovat do místa s nižším tlakem – vzad. Tepelná energie spalin se tedy mění v energii kinetickou, jejíž část je pak využita rotorem turbíny, která pohání prostřednictvím hřídele procházející osou motoru zmíněný kompresor stlačující na vstupu vzduch.

Soustavu generátoru plynu (neboli jádro motoru) tvořenou kompresorem, spalovací komorou a turbínou pohánějící kompresor nademe u všech typů turbínových proudových motorů, které se pak liší tím, jakým způsobem je dále využit přebytek kinetické energie nad rámec energie využité turbínou k pohonu kompresoru. Dalším společným prvkem všech turbínových proudových motorů je skutečnost, že motor lze spustit teprve po dosažení požadovaného tlaku vzduchu ve spalovací komoře – buď roztočením soustavy turbína/kompresor (např. elektricky), nebo jejím přímým natlakováním z jiného zdroje stlačeného vzduchu.

Turbokompresorový motor

Turbokompresorový = jednoproudový motor (turbojet engine) je konstrukčně nejjednodušší a vývojově nejstarší typ turbínového proudového motoru, vyvinutý paralelně ve Velké Británii a Německu během třicátých let 20. století. Tvoří jej vlastně „jenom“ generátor plynů a výstupní tryska, v níž je tlak plynů za turbínou pohánějící kompresor stále ještě dostatečně vysoký k tomu, aby po převedení na kinetickou energii v této trysce došlo k vyvození potřebného tahu motoru. U nadzvukových letounů se rychlost plynů vystupujících z trysky ještě urychluje přídavným spalováním paliva s využitím zbytku nespáleného kyslíku ve výstupních plynech přímo v trysce, čímž krátkodobě dojde k téměř zdvojnásobení tahu, ovšem za cenu několikanásobného zvýšení spotřeby paliva (a pochopitelně výrazného tepelného namáhání výstupní trysky s vlivem na její životnost).

Turbovrtulový motor

Turbovrtulový motor (turboprop engine) – generátor plynu pracuje stejně jako u jednoproudového motoru, turbína se však využije k pohonu nejen kompresoru, ale i reduktoru otáček, přes který se pohání vrtule vytvářející tah stejně jako u pístových motorů. Turbína je buď společná pro současný pohon kompresoru a reduktoru, nebo je vrtule poháněna vlastní turbínou nacházející se za turbínou pro pohon kompresoru (v takovém případě lze případně vhodnou konstrukcí této turbíny sladit její otáčky s požadovanými otáčkami vrtule a tím vynechat reduktor – turbína pohonu kompresoru má totiž vždy otáčky příliš vysoké pro přímý pohon vrtule; v tom případě je však nutná druhá hřídel umístěná uvnitř hřídele generátoru plynu spojující tuto zadní turbínu s pohonem vrtule).

Snahou je, aby turbíny využily co největší část kinetické energie spalin; tlak za turbínami proto klesá ideálně až k úrovni blízké atmosférickému tlaku a spaliny vystupující z motoru již potom prakticky žádný tah nevytváří. Turbovrtulový motor má podstatně nižší spotřebu paliva než jednoproudový, jeho rozsah použití – zejména rychlost – je však omezen schopností vrtule převádět výkon motoru na tah (viz dále).

Turbodmychadlový motor

Turbodmychadlový = dvouproudový motor (turbofan, by-pass jet engine) v podstatě kombinuje výhody a do jisté míry i principy jednoproudových a turbovrtulových motorů s cílem přiblížit se ekonomičnosti turbovrtulových motorů i v oblasti vyšších rychlostí, kde již turbovrtulový pohon nefunguje nebo není efektivní. Jádro motoru (generátor plynu) se nemění, za turbínou pohánějící kompresor je však další turbína pohánějící nízkotlaký kompresor, který může být vícestupňový a jehož první stupeň se také nazývá dmychadlo.

Dmychadlo je umístěno před generátorem plynu (hřídel spojující dmychadlo s jeho hnací turbínou proto také prochází vnitřkem hřídele generátoru plynů – motor má tedy obdobné uspořádání jako turbovrtulový s dvěma turbínami) a jeho průměr přesahuje průměr vstupního ústrojí generátoru plynu. Pouze část vzduchu procházejícího motorem tak proudí jádrem motoru, zbytek vzduchu (druhý, tzv. vnější proud – proto pojem „dvouproudový motor“) protéká po stlačení dmychadlem prostorem mezi jádrem motoru a vnitřní stranou vnějšího pláště motoru vhodně tvarovanou tak, aby byl při expanzi na výstupu urychlen, čímž se podílí na zvýšení tahu (část tahu motoru může být nadále generována díky zbytku kinetické energie spalin za turbínami podobně jako u jednoproudového motoru).

Plyny vystupující z dvouproudového motoru (tedy kombinace spalin z vnitřního proudu a vzduchu urychleného vnějším proudem) jsou sice pomalejší než u jednoproudových motorů, velikost tahu však lze zvětšovat celkovým množstvím vzduchu, které projde motorem (díky zvětšování průměru dmychadla), přičemž tah získaný tímto způsobem roste rychleji než spotřeba paliva, které je nutné k pohonu větších dmychadel – měrná spotřeba paliva v přepočtu na tah motoru tedy klesá.

Motor je navíc výrazně tišší jak oproti jednoproudovým motorům (díky nižší výstupní teplotě i rychlosti spalin), tak především turbovrtulovým (vnější plášť dmychadla těsně přiléhající k lopatkám eliminuje víry na jejich konci, které jsou u vrtule podstatným zdrojem hluku a vibrací). Konstrukci (a v konečném důsledku i určení) dvouproudových motorů výstižně charakterizuje tzv. obtokový poměr, udávající průtok vzduchu vnějším proudem motoru k množství vzduchu, které projde jeho jádrem.

Vojenské letouny s požadavkem na malý čelní odpor (a tedy i malý průřez motoru) a rychlejší změny tahu mají motory s obtokovým poměrem zpravidla do 1 a ke zvýšení tahu mohou být opět vybaveny přídavným spalováním ve výstupní trysce společné pro oba proudy motoru (tzv. dvouproudové motory s vnitřním mísením); naopak motory dopravních letadel pracující v ustáleném režimu jdou cestou zvyšování tahu růstem obtokového poměru (i 6 a více), díky čemuž největší z nich s průměrem dmychadla až několik metrů mohou vyvinout vzletový tah přesahující 400 kN.

U takových motorů už vnitřní a vnější proud nesdílí výstupní trysku (mluvíme o dvouproudových motorech s oddělenými proudy) a většinou lze vidět přímo na letadle plášť dmychadla s výstupem vnějšího proudu vzduchu oddělený od menší zadní výstupní trysky vnitřního proudu (tedy spalin). Neustálá snaha o snížení měrné spotřeby paliva vede i k různým variacím vnitřního uspořádání motoru, jako je např. trojhřídelový motor (mezi nízkotlaký a vysokotlaký kompresor je uvnitř jádra vsazen ještě mezistupeň kompresoru s vyššími otáčkami, než má dmychadlo, což vyžaduje pohon samostatnou turbínou a tedy třetí = prostřední souosou hřídel), nebo se téhož efektu (tedy mezistupeň kompresoru ve vnitřním proudu s vyššími otáčkami než má dmychadlo) docílí instalací planetového reduktoru pro snížení otáček dmychadla oproti zrychlené soustavě zadní turbíny a nízkotlakého kompresoru (v poslední době velmi populární, tzv. „geared turbofan“ – motor si vystačí s dvojhřídelovým uspořádáním, i když za cenu ztrát v reduktoru).

Propfan

Propfan – je další formou hybridu mezi tryskovým a turbovrtulovým motorem. Jediná nízkotlaká turbína zde přes reduktor pohání dvojici protiběžných vrtulí (mezi vrtulemi je revertor, díky kterému se obě točí stejně rychle, ale v opačném směru), přičemž vrtule mají malý průměr a velkou šířku listů, jejichž profil je optimalizován pro vyšší obvodové rychlosti. Vrtule rotují zpravidla okolo zadní části jádra motoru, ale mohou být umístěny i do proudu spalin z jádra nebo dokonce před vstup vzduchu do motoru (tedy podobně jako vrtule turbovrtulového pohonu).

Výhodou je oproti turbovrtulovým motorům použitelnost až do rychlostí kolem 900 km/h, přičemž mezi 800 – 900 km/h jsou tyto motory nejefektivnější a vykazují spotřebu paliva o 30 –35 % nižší oproti dvouproudovým motorům o stejném tahu. Nevýhodou je hlučnost, takže navzdory velké budoucnosti předpovídané tomuto typu pohonu v osmdesátých a devadesátých letech minulého století by takto poháněné letouny neplnily dnes platné hlukové normy a kromě několika zkušebních letounů a zatím nezahájené sériové výroby rusko-ukrajinského transportního letadla Antonov An-70 tento typ pohonu na své případné širší uplatnění teprve čeká.

Turbodmychadlový motor s protiběžným dmychadlem

Turbodmychadlový motor s protiběžným dmychadlem – lze popsat jako hybrid mezi propfanem a turbodmychadlovým motorem. Dvě protiběžná dmychadla jsou poháněna přímo (bez reduktoru a dokonce bez hřídele) nízkotlakou turbínou a rotují tedy kolem jádra motoru (nikoli před vstupem vzduchu do motoru jako jednoduché dmychadlo u běžných dvouproudových motorů). Stejně jako u turbodmychadlových motorů ovšem dmychadla rotují uvnitř vnějšího pláště, který kromě usměrnění proudu vzduchu kolem dmychadel a jeho stlačení za nimi podstatně eliminuje vnější hluk oproti propfanu. Daní za to je snížení účinnosti, takže spotřeba paliva oproti dnešním turbodmychadlovým motorům o srovnatelném tahu by byla nižší jen asi o 10 –15 %. Nicméně jde o jednu z možných cest budoucího vývoje.

Jiří Žežula