Gassturbinmotor : flytekniske fag 8258512927 [PDF]

Zitiervorschau

Gassturbinmotor U1T1 flytekniske fag »

SVEIN TORE JENSEN

Yrkesopplæring ans 1998

©Yrkesopplæring ans, Oslo 1998

1. utgave, 1. opplag

Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter november 1998 til bruk i videregående skole på studieretning for Flytekniske fagVK2 i faget Gassturbin, modul 5. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av mars 1996, og gjelder så lenge læreplanen er gyldig. Origmalarbeid: Scalare Data Omslag: Cover Design as

Illustrasjoner: Jens Tore Jensen. Se forøvrig egen oversikt på side 385. Printed in Norway by PDC Tangen a.s, 1930 Aurskog 1998

ISBN 82-585-1292-7

Det må ikke kopieres fra denne bok i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel.

Forord - 3

Forord

Boken er beregnet til bruk i den videregående skolen i faget Gassturbin, som er beskrevet i læreplanen forVK2 flytekniske fag, Reform 94. Denne boken beskriver og forklarer generelt og grunnleggende om de mest vanlige gassturbinene som nyttes i dagens fly. Den er beregnet til bruk i grunnopplæringen av flymekanikere, men kan også nyttes til selvstudium av andre som er interessert i emnet. Dagens gassturbiner som nyttes i de forskjellige fly- og helikoptertypene, er svært avanserte i forhold til de første gassturbinene som ble tatt i bruk. Det skyldes for en stor del bedre kunnskaper om stromningsdynamikk i kompressorer og turbmer og at det er tatt i bruk mye mer varmebestandige materialer, bedre syntetiske smøreoljer, elektronisk brennstoffregulering og i mange tilfeller en kontinuerlig elektronisk overvåkning av systemene i motoren. Det har vært naturlig å ta med litt om den historiske ut­ viklingen til flyet ogjetmotoren og noen grunnleggende fakta om atmosfæren som flyene og gassturbinene opererer i. Flyterminologien er svært preget av amerikansk/engelsk språk. Det er tilstrebet å nytte norske betegnelser og sette amerikanske/ engelske betegnelser i parentes eller i anførselstegn. Innholdet er samlet fra mange kilder som jeg har hatt tilgang til i forbindelse med arbeidet mitt i Luftforsvaret i ca. 42 år. Takk til Terje Langen, Luftforsvarets Tekniske Skolesenter, Kjevik, for hjelp med illustrasjoner til boka. Det internasjonale målesystemet, SI-systemet, er lagt til grunn i regneeksemplene. Men ettersom det engelske og det tekniske målesystemet ennå er mye i bruk og sikkert vil være det langt inn i framtiden, er disse målesystemene også tatt med. De forskjellige kapitlene inneholder tilstrekkelig til å få en generell innføring om gassturbiner som brukes i luftfarten. Spesi­ fikke motortyper av forskjellige slag er ikke dekket. De må dekkes senere under opplæringen på bestemte flytyper eller motorer.

Kristiansand, desember 1998 Svein T. Jensen

Innhold - 5

Innhold ' MMMM

1 Historikk 9

3 Grunnlaget for jetteorien 32

Det første bemannede motordrevne flyet 9 Stempelmotoren med propell og dens begrensning 11 De første gassturbinmotorene ogjetdrevne fly 11 Ægidius Elling og verdens første gassturbin 12 Whittle/Gloser E 28/39 - det første engelske turbojetflyet 14 Pabst von Oham/Ele 178 - verdens første turbojetfly 16 XP-59A - det første amerikanske turbojetflyet 17 Verdens første operative jetjagere - den engelske Gloster Meteor og den tyske Me 262 18 Verdens første turbopropfly 19 Verdens første jetpassasjerfly (de Haviland Comet) 19 Sammenlikning mellom propelldrevne ogjet­ drevne fly 19 Generelt om forskjellige utgaver av gassturbin-/ reaksjonsjetmotorer 21 Jetframdrift 24 Bruksområder 24

Grunnleggende fysikalske størrelser 32 Grunnenheter/malenheter 32 Lengde/vei 33 Masse 33 Tid 36 Hastighet 37 Kraft 37 Akselerasjon 37 Newtons bevegelseslover 38 Newtons 1. lov (om treghet) 38 Relative begrep som ro og bevegelse 39 Newtons 2. lov (om akselerasjon) 39 Tyngdens akselerasjon 40 Sentripetalakselelerasjon/sentripetalkraft og g-krefter 40 Sentripetalakselerasjon 40 g-pavirkning 41 Newtons 3. lov (om reaksjon) 44 Trykk 46 Statisk trykk, dynamisk trykk og totaltrykk 46 Kompresjon 46 Kompresjonsforhold og trykkforhold 47 Temperatur og varme 47 Temperatur 47 Varme 50 Absolutt nullpunkt 51 Forskjellige temperaturskalaer 51 Relative mål for hastighet og akselerasjon 52 Machtall 52 Lydhastighet i gasser 53 g-påvirkning/g-kraft 53 Arbeid 54

2 Atmosfæren 25

Inndelingen av atmosfæren 25 Troposfæren (0-12 kilometer) 25 Stratosfæren (12-80 kilometer) 26 Ionosfæren (80-600 kilometer) 26 Eksosfæren (600-1000 kilometer) 26 Sammensetningen av luften 27 Egenskapene til luften 28 Forhold som påvirker lufttettheten og dermed ytelsen til enjetmotor 29 Standarddag 30 Standardatmosfære 30

6 - Innhold

Energi 54 Effekt 55 Gasslovene 57 Gassers tilstandsforandringer 59 Adiabatisk tilstandsforandring 60 Isotermisk tilstandsforandring 61 Isometrisk tilstandsforandring 62 Isobarisk tilstandsforandring 63 Framdriftsmetoder for fly 64 Sirkelprosesser 64 Sirkelprosess for en firetakts bensinmotor 64 Sirkelprosess for en firetakts dieselmotor 66 Sirkelprosess for en turbojetmotor 67 Gasstrømning i kanaler 68 Kontinuitetsbetingelsen 68 Dyser og diffusorer 69 Dyse 69 Subsonisk dyse 70 Diffusor 73 Subsonisk diffusor 73 Forskjell på subsonisk- og supersonisk strømning 74 Subsonisk strømning 74 Supersonisk strømning forbi hjorner 75 Supersoniske dyser 77 Laval-dyse 78 Supersonisk diffusor 83 4 Turbojetmotoren 84

Generelt 84 Luftmntaket 85 Generelt 85 Typer av luftinntak 87 Turbojetmotorens oppbygning og hoved­ seksjoner 95 Kompressorer 96 Radialkompressoren 97 Kompressortrinn 100 Aksialkompressoren 102 Fordeler og ulemper som radialkompressorene og aksial kompressorene har i forhold til hverandre 107 Litt om aksialkompressorens aerodynamikk og kompressor stall/-surge 109 Normal luftgjennomstrømning i en aksialkompressor 113 Kompressorstall/-surge 115

Forbrenningsseksjonen 125 Forbrenningsprosessen 127 Turbinen 141 Turbmtyper 142 Kjøling av turbinledeskovler og turbmrotorblader 166 Eksoskanaler 171 Konstruksjon 172 Eksosdyser 173 5 Hovedtyper av jetmotorer 178

Turbojet 178 Turbofanmotoren (turboviftemotoren) 178 Propfanmotoren (propviftemotoren) 183 Turbopropmotoren 186 Turbopropmotor med friturbin 186 Turbopropmotor med fast turbin 188 Turboshaftmotoren (turboakselmotoren) 191 Ramjetmotoren 192 Pulsjetmotoren 193 Stasjonsnumre for gassturbinmotorer 196 6 Metoder for å øke skyvekraften 199

Generelt 199 Vanmnnsproytning 199 Etterbrennmg 201 Etterbrennerens konstruksjon 203 Virkemåte 207 Graden av økning i skyvekraft 208 7 Reversering og oppbremsing etter landing 210

Bremseskjerm 210 Bremsekrok 211 Reversering av eksosgassene 211 Reversering med blokkeringsdorer («clamshell doors») 213 Reversering med deflektordører («bucket doors») 213 Reversering av vifteluften med blokkeringsluker 213 Reversering av både vifteluften og eksos­ gassene 213 8 Opplagringer og drevseksjoner 216

Opplagringene i motoren 216 Drevseksjoner og drevoverfonnger 218

Innhold - 7

Kraftoverføringssystemet til drevseksjonen(e) 221 Innvendig vinkeldrev 221 Radiell drivaksel 224 Direkte drev-/kraftoverførmg 224 Tannhjulsoverføring 224 Drevseksjoner 224 Hjelpedrevseksjon 226 9 Kjøling og olje- og gasstetningsanordninger i gassturbinen 227

Kjøling av gassturbiner 227 Generelt 227 Innvendig kjøling 227 Innvendig kjøling av motoren 228 Utvendig kjøling av motoren 230 Olje- og gasstetningsanordninger i gassturbiner 233 Generelt 233 Labyrintpakning 234 Kullpakninger 234 10 Oljesystemer 236

Generelt 236 Oljetyper 237 Krav til oljen for en gassturbin 237 Lav viskositet 237 Høy viskositetsindeks 238 Høyt flammepunkt 238 Høy evne til å motstå oksidasjon (koksing) 238 Termisk stabilitet 238 Lav dyktighet 238 Høy evne til å motstå skumming 239 Håndtering av syntetiske oljer 239 Tørrsump/våtsump 240 Komponentene i oljesystemet 241 Oljetanken 242 Oljetrykkpumpe 242 Lensepumper 246 Magnetiske plugger («chip detectors») 246 Filtre 247 Oljekjøler 250 Sikkerhetsventil 251 Oljedyser 251 Luftutskiller («breather») 252 Trykk-, temperatur- og kvantummålere 252 Oljetemperaturreguleringsventil 252

Eksempel pa et oljesystem i en motor og virke­ måten 252 Generelt om oljesystemet i J85-motoren 253 Oljetanken 255 Oljetrykk-/lensepumpen 256 Oljefilter 258 Oljekjøler 258 Virkemåten til oljesystemet 259 Ventilasjonssystemet til oljesystemet 260 Treelements enveisventil 260 11 HøytrykksbrennstofFsystemer 262

Generelt 262 Brennstofftyper 262 Jet A 263 JetA-1 263 D. Eng. R-D 2482 263 Jet B 263 Forurensning 264 Brennstoffsystemet i motoren (høytrykksbrennstoffsystem) 264 Manuell og automatisk kontroll 265 Komponenter i brennstoffsystemet i motoren 265 Brennstofforvarmer («fuel heater») 266 Brennstoffilter («fuel filter») 266 Brennstoffpumpe («fuel pump») 266 Brennstoffkontroll 267 Rusingsregulator («overspeed governor») 268 Oljekjøler («oil cooler») 268 Brennstofimanifold («fuel mamfold») 268 Trykk- og drenermgsventil («pressurizmg- and drain valve») 269 Brennere («fuel nozzles») 269 Fordelerventil («flow divider») 270 Eksempel på et høytrykksbrennstoffsystem (J85) 270 Hovedbrennstoffsystemet i J85-GE-13-motoren 271 Generelt 271 Hovedbrennstoffpumpe 271 Hovedbrennstoffkontrollen 273 Måleseksjonen («metering section») 275 Trykkreguleringsventilen («pressure regulating valve») 277 Innstilling av måleventilen 278 Stengeventilen («stop cock») 280 Beregnmgsseksjonen («computing section») 280 Utlopstrykksservoen for kompressoren («compressor discharge pressure servo») 282

8 - Innhold

Det turtallsregistrerende systemet («speed sensing system») 283 3D-kammen («3D cam») 285 Servoen for kompressorinntakstemperaturen («compressor inlet temperature servo») 285 Den variable geometriske servoen («variable geometry servo») 287 Lenkeoverføringen i beregningsseksjonen («computing linkage») 289 Virkemåten til brennstoffkontrollen ved en hurtig akselerasjon 289 Virkemåten til brennstoffkontrollen ved en hurtig retardasjon 293 Hoydeeffekt 295 Rusingsregulator («overspeed governor») 296 Hensikt 296 Virkemåte 297 Trykk- og drenermgsventilen («pressurizing and drain valve») 300 Hensikt 300 Virkemåte 300 Brennerne («fuel nozzles») 301 Elektronisk brennstoffregulering 303 Generelt 303 12 Start- og tenningssystemer 305

Generelt 305 Forskjellige typer startere 306 Elektrisk startmotor 307 Kombinert starter-generator 308 Pneumatisk starter / luftturbinstarter 309 Patronstarter («cartridge-/solid propellant starter») 310 Luft-brennstofforbrenningsstarter («fuel-air combustion starter») 311 Hydraulisk startmotor («hydraulic motor starter») 312 Gassturbinstarter («jet fuel starter») 313 Luftstrålestarter («air-impingement starter») 314 Manuell start ved hjelp av en håndsveiv 314 Hjelpeaggregat (APU, «Auxiliary Power Unit») 315 Tenningssystemer 316 Krav til et tenningssystem 316 Tenningssystem av høyenergitypen 317 Et høyspenningssystem 318 Et lavspenningssystem 320 Tennplugger 322

13 Beskyttelse mot ising 324

Generelt 324 Antiisingssystemer («engine anti-ice systems») 325 Avisingssystemer («de-ice systems») 328 14 Beskyttelse mot brann 330

Generelt 330 Brannforebyggmg 330 Brannvarslmg 331 Brannbegrensning 331 Brannslukking 331 Varsling av overtemp era tur i varmeseksjonen i motoren 333 15 Støydemping 334

Støyproblemer generelt 334 Støykilder i en gassturbin 336 Stoy fra viften («fan») 336 Kompressorstøy 336 Turbinstøy 337 Utblåsningsstøy 337 Sammenlikning mellom støykilder i motorer med lavt og høyt omløpsforhold 338 Støydempingstiltak 338 Fjerne inntaksledeblader 339 Øke avstanden mellom inntaksledebladene og rotorbladene 339 Tilpasse bladantallet 339 Oke omlopsforholdet («bypass ratio») 339 Benytte støydempende materialer 340 Redusere turbulensen i skjærmgsområdet mellom eksosstrålen oe atmosfæren 341 Bruke lyddempere i eksosutlopet 342 16 Virkemåten til gassturbinen og beregning av ytelser 343

Den generelle virkemåten til en turbojetmotor 343 Beregmnger 345 Skyvekraft 345 Faktorer som påvirker skyvekraften 358 Effekt 364 Den generelle virkemåten til en turboprop-Zturboshaftmotor 366 Virkningsgrader 369 Kontrollspørsmål 379 Illustrasjoner 385 Stikkord 387

Kapittel 1 - 9

1 Historikk

å lenge vi mennesker har eksistert, har vi ønsket å kunne fly. Mange menneskeliv har gått tapt under forsøk på å kopiere flygingen til fuglene. De som prøvde å etterlikne fuglenes måte å fly på, kjente lite eller ingenting til aerodynamikk eller de kreftene som er nødvendige for å kunne fly. I mange hundre år har menn kastet seg ut fra tårn og fjelltopper mens de forgjeves flakset med vinger som var spent fast til armene - og styrtet i bakken. Først i det 20. århundret, nesten 74 år etter den første bemannede motori­ serte flygingen, greide mennesket å fly av egen muskelkraft. Det skjedde ved hjelp av nye lettvektsmaterialer og nye teknologiske ferdigheter. I 1959 satte briten Henry Kremer opp en premie på 50 000 pund til den eller de første som fløy et muskeldrevet fly over en strekning på en engelsk mil (1609 meter). Prisen ble vunnet den 23. august 1977 med et pedaldrevet fly med et vingespenn på 29 meter. Flyet var konstruert av Paul B. MacCready og ble fløyet av konkurransesyklisten og hanggliderflygeren Bryan Allen.

S

Det første bemannede motordrevne flyet Historikerne er ikke enige om hvem som først gjennomførte en flyging med et motorisert og styrbart fly. De fleste har imidlertid gitt de amerikanske flypionerene brødrene og sykkelmekanikerne Orville og Wilbur Wright æren for å ha laget det første vellykkede styrbare motordrevne flyet. Allerede i begynnelsen av 1870-årene begynte flere flypionerer å bygge glidefly, og de gjorde korte vellykkede flyginger med dem. Disse eksperimentene førte til stadig bedre vingekonstruksjoner og styrekontroller. Blant disse flypionerene finner vi tyskeren Otto

10 - Kapittel 1

Lilienthal (1848-1896), som gjennom mange år studerte aero­ dynamikk ved a observere hvordan fuglene flyger. Han var den første som beviste fordelen med å ha vinger med en buet overflate. I 1891 utførte han sin første vellykkede flyging. Etter mer enn 2000 flyginger omkom han i 1896 i en glideflyulykke. Det skjedde like før han hadde planlagt å gjennomføre en flyging med et motordrevet fly. Etter at brødrene Wnght i 1896 hadde fått kjennskap til de første eksperimentene med glidefly i Europa, begynte de å interes­ sere seg for flyging. De utførte først forsøk med drager og modellglidefly og fant ut av de grunnleggende problemene med hvordan de kunne kontrollere dem i luften, det vil si hvordan de skulle kunne få et fly til å stige, synke og svinge. I 1902, etter at brødrene hadde utført mer enn 1000 vellykkede flyginger med modeller på en øde strand ved byen Kitty Hawk i Nord-Carolma, begynte de sammen med Charles Taylor å konstruere og bygge en stempelmotor som var lett og kraftig nok til å få et fly opp i luften. Resul­ tatet ble en 12-16 hk motor som overførte kreftene sine til to propeller gjennom kjededrift. Kl. 10.35 torsdag den 17. desember 1903 ved Kili Devils Hills ved Kitty Hawk, Nord-Carolina i USA, ble så Orville Wright, etter a ha kastet mynt og krone med sin bror det første mennesket som førte et motordrevet fly, se figur 1.1. Den første flygingen gikk over en strekning på bare ca. 36 meter (med en motvind på ca. 37 knop) og varte i 12 sekunder. Senere på dagen fløy Wilbur Wright en strekning på 260 meter på 59 sekunder.

Figur 1.1

Verdens første motoriserte styrbare fy, «The Flyer»

Kapittel 1-11

Stempelmotoren med propell og dens begrensning Nøkkelen til framgang innenfor luftfarten har vært motorene. Det ble fart i utviklingen først da den lette og effektive bensinmotoren kom. Kraftigere og mer effektive motorer og propeller ble tatt i bruk.Ytelsene og prestasjonene til flyene ble stadig bedre. Det kom et mangfold av flytyper i forskjellige størrelser. Etter hvert som motoreffekten og hastigheten ble større, ble propellen som bensinmotoren er avhengig av, en begrensning. Propellen var til å begynne med den eneste praktiske maten å omsette motorkreftene på til en framdriftskraft som flyet kunne nyttiggjøre seg. For at en propell skal produsere framdriftskraft, ma den aksele­ rere den luften som passerer gjennom den. En propell kan i beste fall akselerere luften opp til en hastighet på ca. 1200 km/t.Ved økende flyhastighet avtar virkningsgraden til propellen og dermed også hastigheten på luften ut fra propellen. I praksis er det derfor svært vanskelig å komme opp i flyhastigheter på over ca. 750 km/t med propelldrevne fly.

De første gassturbinmotorene og jetdrevne fly Det er en vanlig oppfatning at ideen til damp- eller gassturbinen og kunnskapen om reaksjonsprinsippet/jetdrift er gammel og kan føres tilbake til den såkalte Heron av Aleksandrias kule (Heron's Aeolipile) fra år 130 f.Kr. Herons kule var en hul kule som fikk tilført vanndamp gjen­ nom to rør fra en kjele. Disse rørene dannet en akse som kulen kunne rotere om. 180 grader fra hverandre pa kulen var det plassert to små rør eller dyser med utløp 90 grader på rotasjons­ aksen. Når vannet i kjelen kokte, strømmet dampen gjennom de to rørene, inn i kulen og derfra med stor hastighet ut gjennom de to dysene. Det gjorde at kulen roterte slik nåtidens vannspredere gjør, se figur 1.2. Opp gjennom århundrene har ideen om reaksjonsprmsippet opptatt mange, og mange forslag er blitt satt fram. Det var den britiske oppfinneren John Barber som i 1791 fikk verdens første patent på en gassturbin. I prinsippet inneholdt patentbeskrivelsen hans alle de komponentene som inngår i en moderne gassturbin, se figur 1.3. Men det ble aldri laget noen prototype, og det ble bare med ideen.

Figur 1.2 Herons kule

12 - Kapittel 1

Figur 1.3 En prinsippskisse av John

Barbers patent fra 1791,

antakelig verdens første patent på en «gassturbin»

Ægidius Elling og verdens første gassturbin Nordmannen Ægidius Elling (1861-1949), en norsk ingeniør og oppfinner, er av mange kalt gassturbinens far på grunn av sitt banebrytende arbeid med å utvikle en gassturbinmotor.Vi finner lite om den betydning han har hatt i utenlandsk litteratur. Men allerede i 1884 patenterte han sin første gassturbin. Det var imid­ lertid ikke fysisk mulig å fa en gassturbin til å fungere etter paten­ tet, noe Elling siden innså selv. Dette utkastet til en gassturbin hadde ingen turbokompressor. Tanken var at turbinen i stedet skulle ha en injektoranordning som var drevet av gasstrykket i brennkammeret tilsatt vann, som skulle komprimere innsugningstrykket til forbrenningstrykket. I patentbeskrivelsen til denne gassturbinen gikk det imidlertid fram at Elling allerede da hadde funnet fram til divergerende kanaler for å ekspandere gass under høyt trykk. Det gjorde han faktisk for svensken Gustav de Laval fikk patent på en slik kanal i 1889. Kanalen er i stand til a akselerere hastigheten på gassen til overlydshastighet. Det kommer vi nærmere inn på siden. Kanalen har fatt betegnelsen «Laval-dyse» etter patentinnehaveren. I 1903 konstruerte og prøvekjørte imidlertid Elling det som trolig var verdens forste gassturbin som produserte overskuddskraft, se figur 1.4. Gassturbinen bestod av en sekstrmns radial-

Kapittel 1-13

kompressor med vridbare ledeskovler. De tre første trinnene hadde dobbeltsidig innløp, mens de tre siste hadde enkeltsidig innløp. Det ble brukt vanninnsprøytning mellom hvert trinn for å øke virkningsgraden til kompressoren. Turbinen var en sentripetalturbin med dobbeltsidig utløp. Aggregatet ytet 11 hk med en turbininnløpstemperatur på 400 °C. Effekten ble tatt ut som trykkluft etter siste kompressortrinn. Selve aggregatet var forholds­ vis lite. Turbinen hadde en diameter på bare 275 mm. Det som tok størst plass, var forbrenmngsrommet. Med denne konstruksjonen hadde Elling løst de varmetekmske og aerodynamiske problemene ved gassturbinen. Men på den tiden fantes det ikke materialer som kunne motstå de høye temperaturene som turbinen arbeidet under. Turbininnløpstemperaturen på 400 °C er riktig nok ikke høy sammenliknet med moderne flygassturbiner, som opererer med turbininnløpstemperaturer på opp til 1700 °C. Det viste seg derfor at etter bare litt over én times drift forlenget rotorbladene i turbinen seg så mye at de begynte å berøre turbinhuset.Ved lengre tids drift oksiderte bladene, det dannet seg glødeskall, og turbinbladene brant rett og slett opp. Deler av aggregatet befinner seg nå på Norsk Teknisk Museum på Kjelsås i Oslo. I årene fram til 1932 lanserte Elling flere forbedrede utgaver av gassturbinen. Allerede i 1906 (22. juni) tok han ut et generelt gass-

Figur 1.4 Fotografi av Ægidius Ellings gassturbin fra

1903, trolig verdens første gassturbin med over-

skuddskraft

14 - Kapittel 1

turbinpatent av stor betydning: «Nar turbiner samarbeider innen det samme system, bør de aggregater som arbeider under de høyeste trykk, ha et høyere turtall enn de aggregater som ligger i lavtrykksområdet.» Dette prinsippet nyttes i dagens moderne toog trespolers turbofanmotorer (turboviftemotorer). I 1933 skriver han: «Da jeg i 1882 begynte på arbeidet med gassturbinen, var det for luftfartens skyld, og denne tror jeg fremdeles venter på gass­ turbinen.» Det var en skuffelse for Elling at norsk industri aldri fattet interesse for gassturbinen hans. For ikke komme inn på altfor mye og detaljert historikk vil vi her bare ta for oss noe av det som skjedde i England,Tyskland og USA når det gjelder utviklingen av de første gassturbinene for fly, selv om det også ble eksperimentert med jetdnft av fly i Italia, Frankrike og Sovjetunionen. Historisk sett kan vi si at det er sjelden at en idé har oppstått så mange steder omtrent samtidig.

Whittle/Gloser E 28/39 - det første engelske turbojetflyet Etter ca. 1910 ble det lagt fram flere forslag om å ta i bruk turbinmotorer av forskjellige slag til framdrift av fly. Man ikke kan si at oppfinnelsen av turbojetmotoren skyldes én bestemt person. Det er imidlertid engelskmannen Frank Whittle som først kom på ideen om å nytte en gassturbin uten propell i den formen som vi nå kaller en turbojet. I 1928, i sitt siste semester ved Royal Air Force College i Cranvell, skrev han en avhandling med dette emnet: «Sannsynlig utvikling innen framtidige flykonstruksjoner». Her skisserte han en helt ny motortype som skulle gi framdriftskraft ved hjelp av reaksjonskraft. Et viktig problem var imidlertid å konstruere en motor som var satt sammen av komponenter med en høy nok virkningsgrad.1 Dessuten hadde han noe av det samme problemet som Elling hadde i 1903, det vil si å finne fram til materialer som kunne motstå de høye temperaturene og mekaniske belastningene inne i motoren. Heller ikke i 1928 fantes det gode nok metallegeringer. Whittle tok ut patent på motoren sin i januar 1930. Han prøvde å fa økonomisk støtte fra det britiske luftfartsministeriet til å konstruere og utvikle en motor. Men luftfartsministeriet var '

Totalvirkningsgraden er produktet av virkningsgraden til de enkelte komponentene. I en konstruksjon med mange enkeltkomponenter kan derfor totalvirkningsgraden bli temmelig liten dersom virkningsgraden til de enkelte komponentene er liten.

Kapittel 1-15

uinteressert i prosjektet.Viseministeren svarte lakonisk på denne måten: «Vitenskapelige undersøkelser har ikke gitt noen indika­ sjoner på at denne metoden kan være konkurransedyktig i forhold til kombinasjonen stempelmotor og propell. Det er lite trolig at De vil lykkes når så mange dyktige personer ikke har greid det før Dem.» Han fikk verken det britiske luftfartsministeriet eller sivile britiske selskaper interessert i å produsere en slik motor. Etter mange forsøk greide han imidlertid ved hjelp av venner å skaffe til veie ca. 40 000 kr. og startet i mars 1936 selskapet «Power Jets Ltd», som hadde som formål å konstruere og bygge en Whittle turbojetmotor. En slik motor, verdens første turbojetmotor, ble den 12. april 1937 for første gang prøvekjørt med hell i prøvebukk. Men som vi ser av figur 1.5, hadde den en form som ikke egnet seg for installasjon i et fly.

Figur 1.5 WU (Whittle Unit),

verdens første turbojet­

motor, ble prøvekjørt den

12. april 1937

Whittle var imidlertid skuffet over testresultatet, som ikke svarte helt til forventningene. Men etter mange og store konstruksjonsforbedringer med lovende resultater ble Whittles motor satt under full utvikling på statens bekostning fra mars 1940. Han fikk en kontrakt på å bygge en W. 1-motor (Whittle 1) som skulle prøves ut i fly. Den første W. IX ble prøvekjørt i motorbukk første gang den 14. desember 1940. Den hadde en skyvekraft på 390 kg (860 lb) og ble etterpå montert inn i den første av to Gloster E 28/39-fly for å få utført takseprøver.

16 - Kapittel 1

Den første W 1-motoren (figur 1.6) som var godkjent for flyg­ ing, ble testkjørt første gang den 12. april 1941. Flyet som motoren ble satt inn i, hadde betegnelsen Gloster E 28/39, W4041/G, se figur 1.7. Det hadde sin første offisielle prøvetur den 15. mai 1941, en prøvetur på 17 minutter som foregikk uten problemer av noe slag. Men flyet hadde allerede under hoyhastighetstakseprøver noen dager tidligere i april utilsiktet vært i luften i noen få sekunder. Det er svært sannsynlig at Ægidius Ellings ideer har hatt be­ tydning for Frank Whittles gassturbin, ettersom Whittle flere ganger skal ha uttalt seg rosende om Ellings innsats.

Figur 1.6

Whittle W lA-niotoren som ble benyttet i det

første engelske turbojetdrevne flyet - Gloster

E 28/39, W4041/G

Figur 1.7 Gloster E 28/39, det

første engelske turbojet­

flyet, hadde sin første provetur den 15. mai

1941

Pabst von Ohain/He 178 - verdens første turbojetfly Selv om Whittle var først ute med ideen til turbojetmotoren og var den første til å prøvekjøre en slik motor, visste han ikke at det

Kapittel 1-17

i Tyskland var en ung ingeniør, Hans-Joachim Pabst von Ohain, som arbeidet med et tilsvarende prosjekt. Det skulle vise seg at Otto von Ohain skulle bli førstemann til å få installert en turbojetmotor i et fly og få det prøvefløyet. Lenge før Gloster E 28/39 ble bygget, prøvefløy tyskerne verdens første fly som var drevet av en turbojetmotor. Det skjedde med et Heinkel «He 178» turbojetfly, se figur 1.8, som gjorde et kort hopp under takseprøver den 24. august 1939. Den første virkelige flygingen, som varte i seks minutter, foregikk tre dager senere, den 27. august 1939. Motoren var konstruert av von Ohain, hadde betegnelsen HeS 3B og hadde en skyvekraft på ca. 380 kp (838 lb). Denne motoren skulle få verdens første turbo­ jetfly i luften, se figur 1.9. En prototype, HeS 1, ble prøvekjørt første gang i september 1937 og produserte en skyvekraft på 250 kp (551 lb).

Figur 1.8 Heinkel He 178-

verdens første turbojetfly

XP-59A - det første amerikanske turbojetflyet Våren 1941 gav general H.H. Arnold, sjefen for den amerikanske hærens flyvåpen, selskapene Bell og General Electric en kontrakt om å lage et jagerfly og en turbojetmotor til et jetdrevet fly. Motoren, General Electric Type 1, ble prøvekjørt første gang den 18. april 1942.To modifiserte og forbedrede utgaver av denne motoren, General Electric I-A (se figur 1.10) hver på 1250 lb, ble installert i Bell XP-59A Airacomet (se figur 1.11), ble prøvefløyet den 1. oktober 1942 ved Lake Murdoc, nåværende Edwards Air Force Base. Motoren til flyet var basert på en Whittle-motor som amerikanerne hadde fått sendt over fra England i oktober 1941.

Figur 1.9

Pabst Ohain HeS 3Bmotoren i He 178

18 - Kapittel 1

Figur 1.10

Amerikanernes første

jetmotor- General Electric 1-A

Figur 1.11

Det første amerikanske

jetflyet - Bell XP-59A Airacomet

Verdens første operative jetjagere - den engelske Gloster Meteor og den tyske Me 262 Den første operative jetjageren var den britiske tomotors Gloster Meteor (se figur 1.12) i RAFs 616. skvadron og ble satt i tjeneste den 12. juli 1944. Det skjedde bare noen få uker før den tyske tomotors jetjageren Me 262 (se figur 1.13) den 21. august 1944 ble Luftwaffes første operative jetjagerfly. Det bør tilføyes at mange kilder oppgir at Me 262 var verdens første operative jetjagerfly. Figur 1.12 Gloster Meteor - den første engelske operative jetjageren

u.

Kapittel 1-19

Figur F 13 Me 262 - den første

tyske operative jetjågeren

Verdens første turbopropfly En variant av turbojetmotoren, propellturbin- eller turbopropmotoren, ble prøvefløyet første gang i september 1945 i en modi­ fisert Gloster Meteor.

Verdens første jetpassasjerfly (de Haviland Comet) Det første jetdrevne passasjerflyet var det britiske de Haviland «Comet», se figur 1.14, som ble prøvefløyet første gang den 27. juli 1949 og satt inn i regulær passasjertransport den 2. mai 1952.

Figur 1.14 Comet - verdens første

jetdrevne passasje fly

Sammenlikning mellom propelldrevne og jetdrevne fly Felles for propelldrevne og jetdrevne fly er at de drives fram ved at luft akselereres. Jetmotoren gjør det ved å tilføre luften varme- og trykkenergi inne i motoren, og etterpå omformer motoren ved hjelp av en utløpsdyse noe av denne energien til en stor utlops-

20 - Kapittel 1

hastighet.Vi kan si at jetmotoren akselererer luften termisk ved å varme den opp, slik at den utvider seg bakover, mens propellen akselererer luften ved hjelp av aerodynamiske krefter ved at propellbladene kaster luften bakover. Forskjellen på hvordan et propelldrevet fly og et jetdrevet fly får drivkraften sin, er illustrert på figur 1.15.

Figur 1.15

Sammenlikning mellom

jetdrift og propelldrift

Propell

Turbojet

Liten lufthastighet inn

Stor utløpshastighet (ca. 2000-2500 km/t)

Stor luftmasse inn

En turbojet akselererer en liten masse forholdsvis mye. (Den store utløpshastigheten muliggjør høy flyhastighet.)

Liten utløpshastighet (maks. ca. 1200 km/t)

En propell akselererer en stor luftmasse forholdsvis lite. (Den lave utløpshastig­ heten begrenser flyhastigheten.)

Generelt kan vi si at den fordelen som jetmotoren har sammen­ liknet med stempelmotoren med propell, er at den på grunn av den store utlopshastigheten til utløps- eller eksosgassen (2000-3000 km/1 eller enda mer) er i stand til å bringe et fly opp til mye storre hastigheter enn det en stempelmotor med propell kan. Den maksimale hastigheten flyet kan oppnå i kontinuerlig horisontal flyging, vil bestandig være mindre enn utlopshastig­ heten fra propellen eller jetmotoren. Fordi virkningsgraden til propellen avtar med økende flyhastighet, avtar propellens evne til å akselerere luften med økende flyhastighet. I praksis vil det si at det er svært vanskelig å komme opp i hastigheter på mer enn ca.

Kapittel 1-21

750 km/t i horisontal flyging med rene propelldrevne fly. Jet­ drevne fly trives derimot best i hoyere hastigheter.

Generelt om forskjellige utgaver av gassturbin-/ reaksjonsjetmotorer Gassturbinen eller jetmotoren skulle vise seg å bli noe av en flykonstruktørs drøm. Den er mer pålitelig enn en stempelmotor, og den kan som nevnt komme opp i større hastigheter og høyder. Innføringen av jetframdnft er flyhistoriens største enkeltframskritt siden brødrene Wnghts første flyging. I dag nyttes gassturbiner i alle slags fly, med unntak av små privatfly. Gassturbinen er konstruert enten slik at den gir ren jetreaksjonskraft (turbojetmotor), eller slik at den driver en propell, det vil si en turbopropmotor. Turbofanmotorer (turboviftemotorer, en mellomting mellom turbojetmotorer og turbopropmotorer) har etter hvert erstattet større turbojetmotorer tordi de har et mye lavere brennstofforbruk og støyer mindre. En avansert form for turbofanmotor, propellfan, som foreløpig bare er under utprøving og ikke er satt i produksjon’, har et enda lavere brennstofforbruk. De forskjellige motortypene har spesielle hastighetsområder som de egner seg best for. En annen utgave av gassturbinmotoren er turboshaftmotoren (turboakselmotoren). Det er en motor der en regulær gassturbin driver en uavhengig friturbm, som så driver enten en helikopterrotor eller en propell. Så godt som alle moderne helikoptre nytter slike motorer. Disse og andre typer jetmotorer blir nærmere be­ skrevet senere.

Den ukrainske Zaporozhye D-27.

22 - Kapittel 1

Turbopropmotor med totrinns enkeltsidig

aksiell strømning

Turbojetmotor med en enkel spole og aksiell strømning

Turboshaftmotor med dobbel spole og totrinns friturbin

Figur 1.16

Forskjellige jetmotorer

Kapittel 1 - 23

Kontraroterende fan (høyt omløpsforhold), utkast

24 - Kapittel 1

Jetframdrift De rene jetflyene med turbojetmotorer får framdriftskraft ved at en eller flere motorer tar inn luft som blir komprimert av en kom­ pressor og oppvarmet inne i et eller flere brennkamre, og deretter passerer gjennom en turbin som er mekanisk forbundet med kom­ pressoren. Etter at den har passert turbinen, ledes gassen ut av motoren gjennom en utløpsdyse. Fordi hastigheten på de varme gassene som forlater motoren, er mye høyere enn hastigheten på den luften som kommer inn i motoren, må motoren ha tilført inntaksluften en kraft. Denne kraften er basert på Newtons tredje bevegelseslov, som sier at en­ hver aksjon har en like stor og motsatt rettet reaksjon. Motoren har altså tilfort gassene som strømmer ut av motoren, en aksjonskraft. Derfor vil en motsatt rettet kraft, reaksjonskraft, påvirke motoren og skyve den framover. Det er derfor vi har betegnelsen reaksjonsmotor. Denne betegnelsen har etter hvert gått mer og mer ut av bruk og er blitt erstattet med betegnelsen jetmotor. På engelsk kan ordet jet bl.a. bety stråle eller dyse.Vi kan derfor si at den engelske betegnelsen jet engine på norsk betyr strålemotor eller dysemotor. Det er i grunnen en god betegnelse på motortypen, ettersom den sender gassen ut av motoren i en stråle gjennom en dyse. Hastighetsområdet til turbojetmotoren er normalt 0 - ca. 2000 km/t.

Bruksområder I dag er nesten alle kampfly og større sivile transport- og passasjer­ fly jetdrevne. Den mest benyttede motortypen er turbofanmotoren, som har en overdimensjonert lavtrykkskompressor. Kompressorens overskudd av luft slippes ut av motoren konsent­ risk med eksosgassen ut fra turbinen(e). Disse motorene har et mye mindre brennstofforbruk og støyer mye mindre enn vanlige turbojetmotorer.

Kapittel 2-25

2 Atmosfæren

lyene og de forskjellige luftjetmotortypene opererer i jordens atmosfære, vanligvis under 12 000 meter. Men det finnes også fly med luftjetmotorer som kan operere opp til en høyde på ca. 24 000 meter. Før vi går videre, skal vi derfor se litt på atmosfæren. Av figur 2.1 skjønner vi at flyene opererer i den aller nederste delen av atmosfæren. Det gasslaget som omgir jorden, kaller vi atmosfæren (av gresk «damp» og «kule»). Dette gasslaget er en blanding av mange for­ skjellige gasser som vi kaller luft. Mange av de fysiske og kjemiske prosessene som skjer i atmosfæren, er en direkte følge av sammen­ setningen av luften.

F

Inndelingen av atmosfæren Vi deler vanligvis inn atmosfæren i fire lag, nedenfra og oppover. Hvert lag har ulike temperaturområder.

Troposfæren (0-12 kilometer) Hvor høyt troposfæren strekker seg, varierer med breddegraden, fra ca. 17 kilometer ved ekvator til ca. 8 kilometer ved polene.Ved midlere breddegrader regner vi med at den strekker seg opp til en høyde på ca. 12 kilometer. I troposfæren faller temperaturen ca. 6,5 °C pr. kilometer oppover.Ved ekvator har temperaturen ved troposfærens yttergrense falt til ca. -80 °C og ved polene til ca. -45 °C, ved midlere breddegrader til -56,5 °C. Ca. 99 prosent av all vanndamp i atmosfæren befinner seg i troposfæren og ca. 90 prosent under 5000 meter. Derfor foregår stort sett all atmosfærisk

26 - Kapittel 2

aktivitet med skydannelse og regn av den typen som vi kaller «vær», i den nedre halvdelen av troposfæren. Grenseskillet mellom troposfæren og neste lag, stratosfæren, kaller vi tropospausen.

Stratosfæren (12-80 kilometer) Stratosfæren strekker seg fra tropospausen og opp til ca. 80 kilo­ meter. I den nedre delen av stratosfæren forandrer ikke tempera­ turen seg med høyden. I den øvre delen øker temperaturen med økende høyde. Overgangen mellom stratosfæren og neste lag, ionosfæren, kaller vi stratospausen.

Ionosfæren (80-600 kilometer) Ionosfæren er den delen av atmosfæren som ligger i ca. 80-600 kilometers høyde. Ionosfæren har fatt navnet sitt etter ioniserte partikler (atomer eller molekyler som er elektrisk ladet). I ionosfæren blir disse partiklene til ved at ultrafiolett stråling eller annen stråling fra solen spalter elektrisk nøytrale atmosfæriske gassmolekyler eller gassatomer i negative og positive ioner. På grunn av denne ioniseringen oppstår det elektrisk ledende lag i forskjellige høyder, de såkalte D-, E-, Fr og E-lagene, som reflekterer radiobølger med forskjellige frekvenser.Temperaturen i ionosfæren varierer mye og kan bli svært høy. I 200 kilometers hoyde kan temperaturen for eksempel variere mellom 350 °C og 1250 °C. Når vi angir temperaturen i disse høydene, må vi imidlertid huske på at den er knyttet til de enkelte gassmolekylene eller gassatomene, og at avstanden mellom dem er svært stor.

Eksosfæren (600-1000 kilometer) Den ytre delen av atmosfæren, eller det som er igjen av den uten­ for ca. 600 kilometers høyde, kaller vi eksosfæren.Yttergrensen setter vi skjønnsmessig ofte til ca. 1000 kilometer. Her er gasstettheten svært liten. De mest framtredende gassene her er heliumog hydrogenatomer, hovedsakelig helium som «lekker» ut i verdensrommet. De tyngre gassartene er svært sjeldne så langt ute.

Kapittel 2-27

Stratosfæren strekker seg ut til ca. 80 km høyde (dvs. 0,4 mm på tegningen)

Figur 2.1 Atmosfærens utstrekning i forhold til Jorden

Ionosfæren strekker seg ut til ca. 600 km høyde (dvs. 3 mm på tegningen) Eksosfæren strekker seg ut til ca. 1000 km høyde (dvs. 5 mm på tegningen)

12 754 km

Troposfæren strekker seg ut til ca. 8 km (0,04 mm) ved polene og til ca. 17 km (0,085 mm) ved ekvator. Det er der­ for ikke mulig å antyde troposfærens utstrekning i denne målestokken.

Målestokk 1 : 200 000 000 Dvs. 1 mm = 200 km

Sammensetningen av luften Tørr, ren luft består av ca. 78 % nitrogen (N) ca. 21 % oksygen (O2) 1 argon (Ar) 1 neon (Ne) I krypton (Kr.) Edelgasser/trege gasser. Argon ca-1 /o helium (He) utgjør ca. 90 % av disse gassene. xenon (Xe) \ radon (Rn) ( kullsyre (CO2) hydrogen (H) ozon (O3) + flere andre sjeldne gasser

28 - Kapittel 2

Selv om karbondioksid (CO2) utgjør bare 0,032 volumprosent av jordens atmosfære, er den en svært viktig faktor i varmebalansen i atmosfæren, fordi den svært effektivt fanger opp infrarød stråling, det vil si varmestråling. Vanndampinnholdet i atmosfæren varierer mye, fra ca. 5 prosent i tropene ned til nesten ingenting ved polene og i store høyder. Relativ fuktighet vil si forholdet mellom den vanndampen som finnes i luften, og den maksimale mengden den kan inneholde. I fri luft er den relative fuktigheten vanligvis ca. 50-80 prosent. I regnvær blir luften gjerne mettet med vanndamp, og den relative fuktigheten blir 100 prosent. En annen viktig gass er ozon. Den er konsentrert i et lag i ca. 25 kilometers høyde. Selv om den utgjør bare ca. 0,0012 volum­ prosent av jordatmosfæren, absorberer den ultrafiolett stråling så effektivt at dette ozonlaget danner et skjold som nesten fullstendig beskytter livet på jorden mot skadelig ultrafiolett stråling. Atmosfæren inneholder også en del støvpartikler av forskjellige slag. Disse partiklene danner kondenskjerner, slik at vanndampen i luften lettere kondenserer.

Egenskapene til luften Alle stoffer har sine spesifikke egenskaper. På en standarddag kan vi si at luft har disse fem egenskapene: 1

Vekt (1,2257 kg/m3) Luften er gjennomsiktig, og vi kan ikke se den. Derfor tenker vi vanligvis ikke på at luft veier noe, at den har vekt. Men det har den, og det gir seg forskjellige utslag. Når det for eksempel blåser, merker vi det som en kraft mot kroppen vår, og vi kan også observere at trær beveger seg. På en standarddag veier 1 m3 luft 1,2257 kilo.

2 Trykk (1,033 kp/cm2,14,7 psi, 760 mm hg, 29,92" hg, 1013,2 mb) Med trykk mener vi kraft eller vekt pr. flateenhet. Det betyr for eksempel at en luftsøyle med et grunnareal på 1 cm2 som strekker seg fra havflaten og ut til atmosfærens yttergrense, på en standarddag veier 1,033 kilo.

Kapittel 2-29

3 Kompnmeringsevne Med komprimeringsevne mener vi at luften lar seg trykke sammen. Luft er forholdsvis lett å komprimere, i motsetning til en væske, som omtrent ikke lar seg komprimere. At luften lar seg komprimere, er en svært viktig egenskap i forbindelse med alle slags forbrenmngsmotorer. I dag har de største gass­ turbinene som nyttes i fly, et luftforbruk på 1000 kg/s eller mer. Ved 1 atmosfæres trykk vil denne luften fylle et volum på 1000 kg/1,2257 kg/m3 ~ 816 m3. Vi forstår da lett at jo mer luften kan komprimeres, desto mindre og lettere kan motorene bygges. I fly er vekt og størrelse svært viktig.

4 Viskositet (indre friksjon mellom molekylene) Med viskositet mener vi indre friksjon mellom molekylene i et stoff, eller sagt på en annen måte: hvor lettflytende stoffet er. Luft har liten viskositet, det vil si at det er liten friksjon mellom molekylene. Det betyr at luft forholdsvis lett kan forandre volum og form. Men med de store hastighetene og hastighetsforandringene som luften/forbrenningsgassene utsettes for inne i en gassturbin, går det likevel med store krefter.

5 Tetthet/densitet (masse pr. volumenhet) Med tetthet/densitet mener vi masse pr. volumenhet. Lufttett­ heten har mye å si for ytelsen til en jetmotor. La oss derfor se litt på dette forholdet.

Forhold som påvirker lufttettheten og dermed ytelsen til en jetmotor Som vi skal se senere, er det i grunnen bare to faktorer som avgjør ytelsen til en jetmotor. Disse faktorene er 1 luftforbruket pr. tidsenhet 2 den akselerasjonen som luften/forbrenningsgassene blir utsatt for

Det er fire faktorer som har innflytelse på vekten av den luften som går inn i en luftjetmotor, og dermed på skyvekraften. Det er indikert med piler på figur 2.2:

30 - Kapittel 2

Figur 2.2 Faktorer som virker inn

i) Friluftstemperatur

pa lufttettheten (vekten)

2) Barometertrykk

og skyvekraften til en

3) Vanndampinnhold

jetmotor

4) Ramtrykk (flyhast.)

i

1

Lufttetthet

♦

Lufttetthet

T

Skyvekraft («thrust») * A Skyvekraft («thrust»)

1

Skyvekraft («thrust») ▼ Skyvekraft («thrust») 4

Lufttetthet i

Lufttetthet

Standarddag Ifølge internasjonal overenskomst er en standarddag ved havover­ flaten definert til å ha en lufttemperatur på 15 °C (59 °F), et barometertrykk på 760 mm hg (29,92 "hg) og 0 prosent relativ luftfuktighet (det vil si ingen vanndamp). Nar gassturbiner blir sammenliknet og testet i testbukk, blir ytelsen deres korrigert (omregnet) til forholdene ved havoverflaten på en standarddag.

Standardatmo sfære Ytelsen til en jetmotor varierer som tidligere nevnt blant annet med lufttettheten. I atmosfæren varierer lufttettheten mye. Den varierer med høyde, tid og sted. For at vi skal ha en referanse når vi skal sammenlikne ytelsen til forskjellige fly og motorer, er det innfort en teoretisk atmosfære. Denne atmosfæren eksisterer bare gjennom tabeller og kurver. I denne atmosfæren er trykk, temperatur og tetthet kjent i alle høyder, og det finnes ikke skyer eller vind. Denne «idealatmosfæren» kaller vi standardatmosfære. Standardatmosfæren, som har ren, tørr luft (ingen fuktighet), ble basert på observerte data og tre antakelser/fastleggelser: 1) Barometertrykket ved havnivå ble satt til 29,92 "hg (760 mm hg). 2) Temperaturen ved havnivå ble satt til 15 °C (59 °F). 3) Temperaturen avtar med 6,5 °C pr. kilometer oppover til tropospausen.

Ut fra disse antakelsene kan vi beregne barometertrykket og tempe­ raturen matematisk (ved hjelp av gasslovene) i alle høyder.Ved høyder over tropospausen (1 i 000 meter / 36 089 fot) må vi ta i betraktning at temperaturen er konstant (-56,5 °C) opp til 20 117 meter / 66 000 fot, der temperaturen øker med økende høyde.

Kapittel 2-31

Diagrammene på figur 2.3 viser hvordan temperaturen og trykket forandrer seg med høyden i standardatmosfæren.

Figur 2.3 Diagrammene viser

hvordan temperaturen og trykket forandrer seg med

høyden (standarddag)

Temperatur i grader celsius

1,33" hg (0.04 atm/0,65 psi) i 70 000 ft (21 336 m)

70 000

66 000 T

60 000

2,14" hg (0,07 atm/1,05 psi) i 60 000 ft (18 288 m) 3,44" hg (0.12 atm/1,69 psi) i 50 000 ft (15 240 m)

Å 50 000

5,56" hg (0,19 atm/2,73 psi) i 40 000 ft (12 192 m)

1 , q

>- 1 I

40 000 _

36 089

Tropospausen i 36 089 ft (11 000 m)

B,90" hg (0,30 atm/4,37 psi) i 30 000 ft (9 144 m)

30 000

13,76" hg (0.46 atm/6.76 psi) i 20 000 ft (6 096 m)

20 000

20,58" hg (0,69 atm/10,1 psi) i 10 000 ft (3 048m)

10 000

29,92" hg (1,0 atm/14,7 psi) ved havflatenivå

0 0

10

20 Trykk i" hg

30

32 - Kapittel 3

3 Grunnlaget for jetteorien

et er betegnelsen på den strålen som oppstår nar en gassmasse eller væske strømmer ut gjennom en åpning til et lavere trykk. Denne strålen forårsakes av en kraft, aksjonskraft, som blant annet kan nyttes til framdrift av fly. For å få en forståelse av hvordan det foregår, må vi ha litt kjenn­ skap til atmosfæren som flyene og dermed motorene opererer i, og til noen grunnleggende fysikalske størrelser og lover.

J

Grunnleggende fysikalske størrelser La oss se litt på noen målenheter og grunnleggende lover som nyttes i fysikken. Det er utviklet flere målesystemer for å beskrive og kvantifisere fysikalske størrelser.

Grunnenheter/målenheter Enhetene for lengde, masse og tid og enheten for elektrisk strøm, ampere, er de fire grunnenhetene i fysikken. Disse enhetene be­ nevner vi med henholdsvis meter (m), kilogram (kg), sekund (s) og ampere (A). Alle andre fysikalske størrelser kan vi definere ved hjelp av disse fire grunnenhetene og de fysiske lovene. Dette systemet, MKSA-systemet, som står for meter-, kilogram-, sekundog amperesystemet, bygger på enhetene for lengde, masse, tid og elektrisk strømstyrke. På Generalkonferansen for vekt og mål i 1960 ble det vedtatt et nytt internasjonalt samstemt system for målenheter og storrelsesligninger som bygger på MKSA-systemet. Dette systemet fikk be­ tegnelsen SI-systemet (av fransk Systéme International d Unités)

Kapittel 3-33

og ble basert på de sju grunnenhetene: meter, kilogram, sekund, ampere, kelvin, mol og candela. SI-systemet er i ferd med å bli ene­ rådende overalt i verden, og det er dette systemet som primært vil bli benyttet ved regneeksemplene senere i boken. Men ettersom det engelske og det tekniske målesystemet ennå er svært mye i bruk, er regneeksemper i disse målesystemene tatt med i gråmerkede felt. La oss se litt på de fysikalske størrelsene som vi skal benytte i regneeksemplene våre.

Lengde/vei Meter er en grunnenhet i SI-systemet. Den ble av den franske nasjonalforsamlingen i 1791 definert til a være 1/10 000 000 av avstanden fra pol til ekvator. En meter er nå definert som den avstanden som lyset tilbakelegger på 1/299 792 458 sekund. Lengde betegnes med symbolet / og vei med s, målenheten (benevningen) er meter (m).

Masse Ethvert legeme har masse. Masse betegnes med symbolet m, har benevningen kg, og vi kan enklest se på den som mengden av stoff i et legeme. Masse gir seg til kjenne ved tre tilsynelatende uav­ hengige egenskaper som kan males:

1

Treghet Treghet er noe som kan måles. Det vil si at vi kan måle den kraften (F) som skal til for å overvinne tregheten til massen. Treghet er et legemes evne til å motsette seg forandringer i bevegelsestilstanden (det vil si hastighet og bevegelsesretning) og er direkte proporsjonal med legemets masse. Jo større masse et legeme har, desto større er altså tregheten og evnen til å motsette seg akselerasjon (det vil si forandring av hastighet og/eller bevegelsesretning). Det er uttrykt i Newtons 2. bevegelseslov:

F a------- => F - m • a m Her er størrelsen på kraften (F) produktet av legemets masse (m) multiplisert med den akselerasjonen (a) det far.

34 - Kapittel 3

2 Tyngde eller vekt Den andre målemetoden er å male de gravitasjonskreftene som et legeme utsettes for i et gravitasjonsfelt (tyngdefelt), det vil si den vekten et legeme får i et tyngdefelt. Ordet gravitasjon bruker vi om den egenskapen at alle masser øver en kraftvirkning pa hverandre. Hvor stor denne kraften er, varierer med hvor store massene er, og med avstanden mellom dem. Den generelle gravitasjonsloven som ble formulert av Isaac Newton, sier at tiltrekningskraften mellom to legemer er proporsjonal med produktet av massen til de to legemene og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom dem. Kraften er rettet langs den rette linjen mellom tyngdepunktene til de to legemene. Dersom de to massene er og m2 og avstanden mellom dem r, blir kraften F

llr der f er en konstant, gravitasjonskonstanten, som har verdien f= 66,72 • 10 '2N • m2/kg2.

Begrepet masse og vekt blandes ofte sammen. Vekt er rett og slett et mål for de gravitasjonskreftene som virker på et legeme, og varierer med denne kraften. Massen til et legeme er derimot den samme, det vil si konstant, uansett hvor store gravitasjonskreftene er. Tyngden eller vekten til et legeme, angitt med symbolet G, er proporsjonal med massen (tn) og tyngdeakselerasjonen (g) på det stedet det befinner seg, det vil si G - m ■g

Kapittel 3-35

Ved at benevningene for masse (m) og tyngdeakselerasjon (g) settes inn i ligningen, får vekt (G) i SI-systemet benevningen

G = m • g - kg ■ m/s2

som er det samme som N (newton). Ettersom vekt er en kraft, blir den uttrykt i kraftenheter. I SI-systemet er 1 N definert som den kraften som får et legeme med massen 1 kilo til å akselerere med 1 m/s2. I det tekniske målesystemet har vekt benevningen kg.Ved at benevningene for masse (masse har benevningen kgs2/m i det tekniske systemet) og tyngdens akselerasjon (m/s2) blir satt inn i formelen for vekt, får vekt benevningen kg i det tekniske systemet: _ kgs m _ G - m • g----- — • — - kg & m s2 Vektenheten kg i det tekniske målesystemet er definert som vekten av 1 dm3 vann ved 4 °C ved tyngdeakselerasjonen g 9,80665 m/s2. Den tekniske vektenheten 1 kg = 9,80665 N ~ 9,81 N i SI-systemet.

Dersom det ene legemet er jordkloden (mt) og det andre legemet et fly (m?), regnes avstanden r fra flyets sentrum til jordklodens sentrum, se figur 3.1. Kraften (F) som virker på flyet og prøver å trekke det loddrett ned mot bakken, kaller vi vekten (G) - eller tyngden - av flyet.Vi ser av formelen at kraften - eller vekten av flyet - avtar når flyets høyde øker. Dersom flyet kunne komme høyt nok, ville tyngdekraftvirknmgen fra jorden etter hvert avta, slik at flyet ble omtrent vektløst. Tilnærmet vektløshet oppstår i verdensrommet når avtanden til andre himmellegemer er så stor at g ~ 0, eller under fritt fall i vakuum.

36 - Kapittel 3

Figur 3. 1 Jordens tiltrekningskraft

3 Energi Albert Einstein fant en tredje egenskap, energien, som er pro­ porsjonal med massen. Det er uttrykt i ligningen E - ni • C 2

der C er lysets hastighet i vakuum. Denne ligningen viser at massen (hJ og energien (E) er fast knyttet til hverandre.

Tid Tid benyttes til å måle varighet eller tidsavsnitt, betegnes med symbolet t og benevningen sekund (s). Ett sekund ble før 1956 definert til a være 1/86 400 av et midlere soldøgn (24 timer = 24 • 12 • 60 = 86 400 sekunder) Ett sekund er nå definert til å være varigheten til 9 192 631 770 perioder av den strålingen som tilsvarer overgangen fra to hyperfme nivåer i grunntilstanden til cesium -133.

Kapittel 3-37

Hastighet Hastighet (eller fart) har symbolet v og defineres som tilbakelagt veilengde pr. tidsenhet. Dersom veilengden er s og tiden t, kan vi beregne hastigheten etter denne formelen: s v----t Dersom 5 males i meter og t i sekunder, får v benevningen m/s i SI-systemet.

Hastighet får samme benevning i det tekniske målesystemet. Andre alminnelige benevninger for hastighet er for eksempel km/t, mph (miles1 pr. hour) og knop2 (nautiske mil pr. time).

Kraft En kraft er en vektorstørrelse, det vil si at den har av to kompo­ nenter, som både har en verdi (størrelse) og en retning. Dersom én eller begge komponentene forandres, forandres kraften. Kraft har symbolet F og benevningen newton (N) i SI-systemet. Andre benevninger er kilopond3 (kp) og pund (lb). I det tekniske systemet nyttes kraftenheten kilopond for å skille den fra vektenheten kilogram, det vil si at 1 kp er lik 1 kg kraft.

Akselerasjon Når hastigheten øker, sier vi at vi har en akselerasjon, og når hastigheten avtar, sier vi at vi har en retardasjon.Vi vil imidlertid her bruke betegnelsen akselerasjon i begge tilfeller og sier at akselerasjonen er positiv når hastigheten øker, og at den er negativ når hastigheten avtar. Akselerasjon betegnes med symbolet a og defineres som hastighetsendring pr. tidsenhet. Her vil vi bare betrakte jevn akselerasjon. Det vil si at hastighetsendringen pr. tidsenhet er den samme i hele tidsintervallet. Dersom hastigheten endres fra v1 til v2 i løpet av tiden t, kan vi ifølge definisjonen for akselerasjon sette opp denne formelen for akselerasjon: _ D“F 1 mile = 1,609 km 1 knop = 1,852 km 1 kp = 1000 pond (= 9,80665 N, som er det samme som 9,80665 joule)

38 - Kapittel 3

Av formelen ser vi at a er positiv når u2 er større enn begynnelseshastigheten v}, og at a blir negativ, det vil si at det blir en retarda­ sjon, dersom slutthastigheten v2 er mindre enn begynnelseshastigheten Eksempel: En bil akselererer fra stillstand til 90 km/t på 10 sekunder. Hvor stor er akselerasjonen i m/s2?

Løsning: Vi setter opp formelen for akselerasjon, setter inn verdiene og regner om benevningene slik at de passer til hverandre:

iN -v

a = —-------t

' Til aspiratoren

ilt>---------

■ Servo­ trykk

Referansetemperaturføler

----------

iwi

mi

Omløpstrykk

Fy Luft inn til kompressor

Oi Temperaturregistreringsvæske

Kapittel 11 - 287

Den variable geometriske servoen («variable geometry servo») Operasjonen av de variable inntaksledebladene og blødeventilene kontrolleres av en kontur på 3D-kammen som er en funksjon kompressorinntakstemperaturen og motorturtallet. En hydraulisk kraftforsterker kontrollerer brennstofftrykket til aktuatorene i det variable geometriske systemet. Servotrykket kommer inn til servostempelet fra høyre side (se figur 11.12) og setter oversiden av stempelet under trykk. Brenn­ stoffet passerer så gjennom en fast dyse til undersiden av stempe­ let. Trykket på undersiden av stempelet blir kontrollert av en variabel dyse. Åpningen på den variable dysen blir igjen kontrol­ lert av gap et/avstanden mellom dysen og en arm som styres av IGV-kamfølgeren («IGV cam follower») for det geomtnske systemet.Ved konstante operasjonsforhold er de hydrauliske kreftene på oversiden og undersiden av stempelet i balanse. La oss tenke oss at den høyre enden av armen som styres av IGV-kamfølgeren, beveges ned fordi 3D-kammen har beveget seg (enten aksielt eller at den har dreiet på seg). Gapet mellom den variable dysen og armen øker, trykket på undersiden av stempelet avtar, og stempelet beveger seg nedover. Stempellandene avdekker den øvre porten og tillate at det strømmer brennstoff til høyre side av aktuatorene (2 stk) som opererer det variable geometriske systemet. Brennstoff på venstre side av aktuatorene returnerer gjennom den nedre porten på stempelet til retur («bypass fuel»). Bevegelsene til aktuatorene overføres til tilbakekobhngskammen («feedback cam»), som dreier mot klokken, og armen beveger seg oppover, slik at utløpsgapet på den variable dysen reduseres. Trykket på undersiden av stempelet øker og beveger det opp. Bevegelsen stopper når aktuatorene, det vil si det variable geometriske systemet, har inntatt den planlagte stillingen. Da blir også servostempelet holdt på plass av de hydrauliske kreftene, som er i balanse.

288 - Kapittel 11

Servopress Figur 11.12 Det variable geometriske

systemet og servoen for det

Høyt trykk

Lavt trykk

Kapittel 11 - 289

Lenkeoverføringen i beregningsseksjonen («computing linkage») Denne lenken av kamfølgere og stagoverførmger kombinerer throttlestillingen, turtallet og kompressorinntakstemperaturen til et enkelt signal (W/P3) som bestemmer posisjonen til rullene, det vil si avstanden Z pa Wrarmen, se figur 11.13. Rullene kan innstilles direkte fra gasshåndtaket («throttle») gjennom den manuelle turtallskammen (manuell speed cam), turtallsinnstillingskammen («speed set cam»), topparmen («topping lever»), Z-stangen («Z-rod») og drivstangen («drive rod»). Bevegelsene til rullene fordi brennstofftilførselen forandres, blir nøye kontrollert av de begrensende faktorene gjennom lenke­ overføringen. Bevegelsen til Z-stangen blir begrenset av kam­ følgere for å kontrollere toppturtallet til motoren, akselerasjonsbegrensningen og begrensningen i toppturtallet ved lave kompressorinntakstemperaturer.

Virkemåten til brennstoffkontrollen ved en hurtig akselerasjon Den mest dramatiske akselerasjonen av motoren er uten tvil når gasshåndtaket («throttle») beveges hurtig fra tomgang til maksimalt turtall. Gjennomgangen nedenfor vil hovedsakelig dreie seg om en akselerasjon av denne typen, men vil også dekke mindre raske akselerasjoner der gasshåndtaket beveges bare et lite stykke og ikke så hurtig, se figurene 11.13 og 11.14. Diagrammet på figur 11.13 er laget ved at en J85-motor, som er installert i et F-5-fly, ble kjørt på forskjellige turtall, og at de verdiene som ble avlest på motorinstrumentene, ble plottet inn. Ettersom det skjer raske forandringer i turtallet og brennstofftilførselen ved hurtige akselerasjoner og retardasjoner, og fordi avlesningen ble foretatt manuelt, gir figuren bare en indikasjon på hva som skjer. Når gasshåndtaket («throttle») beveges hurtig fra tomgang til maksimalt turtall, dreies den manuelle turtallskammen («manual speed cam») slik at radien på den der den øvre enden av turtallsinnstillingsarmen («speed set arm») ligger an, reduseres. Turtallsinnstillmgsarmen («speed set arm») dreier derfor med klokken om opplagringspunktet sitt, og drivarmen («drive rod») beveger seg til venstre. Ettersom topparmen («topping lever») er hengslet til drivstangen («drive rod»), beveger den seg over til venstre sammen med drivstangen («drive rod») og forlater både 3D-kammen og Z-stangen («Z-rod»).

290 - Kapittel 11

Lenkeladningsfjæren («linkage loading spring») belaster alltid Z-stangen («Z-rod») til venstre. Nar topparmen («topping lever») forskyver seg til venstre, forsøker derfor Z-stangen («Z-rod») å følge etter. Drivstangen («drive rod») dreier mot klokken, og rullene beveger seg til høyre. Det øker momentarmen på toppen av Wr armen, slik at Wrarmen dreier med klokken. Et øket gap mellom Wrarmen og servodysen for måleventilen gir en øket strøm og et redusert trykk på den høyre siden av måleventilen. Kreftene på stempelet i måleventilen er nå i ubalanse, og stempelet åpner for en øket brennstoffleveranse til motoren (linjen A-B på figur 11.13). Ettersom bevegelsen til den manuelle turtallskammen («manual speed cam») i dette tilfellet var stor, er den resulterende lenkebevegelsen også stor. Bevegelsen til Z-stangen («Z-rod») fortsetter inntil den kontakter akselerasjonsbegrensmngsarmen («acceleration limit lever»), Akselerasjonsbegrensmngsarmen («acceleration limit lever») dreier nå med klokken, inntil den øvre enden kontakter 3D-kammen. Når det skjer, stanser bevegelsen til Z-stangen («Z-rod») (punkt B på figur 11.13) og dermed også bevegelsen til rullene. Brennstofftilførselen øker nå ikke mer før 3D-kammen begynner å bevege seg over til venstre. Når økningen i brennstofftilførselen når brennkammeret, begyn­ ner motorturtallet å oke. Sentrifugalkraften på vektene til turtallsregulatoren («governor») overvinner fjærkraften. Dermed svinger vektene utover, samtidig som de skyver styreventilen («pilot valve») til hoyre. Servobrennstofftrykk som dermed strømmer til høyre side av arbeidsstempelet, beveger stempelet og 3D-kammen til venstre. Nå dreier akselerasjonsbegrensmngsarmen («acceleration limit lever») mer og mer med klokken, ettersom den øvre enden følger konturen på 3D-kammen etter hvert som den beveger seg mer og mer over til venstre. Det tillater Z-stangen («Z-rod») å bevege seg til venstre og rullene mot hoyre. Da oker tilførselen av brennstoff til motoren. Nå som turtallet går opp på grunn av den okende brennstofftilforselen til motoren, oker også kompressorutgangstrykket (P3). Det ekspanderer P3 -belgen, og dermed øker kraften nedover pa Wrarmen. Kurven B-C på figur 11.13 er en følge av at P3trykket øker ved økende turtall, og at akselerasjonsbegrensnmgsarmen («acceleration limit lever») styrer posisjonen til rullene (akselerasjonshastigheten er programmert inn i konturen på 3Dkammen) under akselerasjonen. Under akselerasjonen fra punkt B til punkt C beveger 3Dkammen og Z-stangen («Z-rod») seg mot topparmen («topping lever»). Ettersom bevegelsen til Z-stangen («Z-rod») blir avbrutt av akselerasjonsbegrensmngsarmen («acceleration limit lever»), får den vanskeligheter med å komme i kontakt med topparmen («topping

Kapittel 11 - 291

lever»). Det fører til en tilstand der topparmen («topping lever») ikke er belastet mellom 3D-kammen og Z-stangen («Z-rod»),Topp­ turtallet under denne typen akselerasjon blir derfor ikke kontrollert av konturen på den venstre enden av 3D-kammen, men av akselerasjonskonturen på siden av 3D-kammen. Like før motoren når det turtallet som er blitt valgt med gasshåndtaket («throttle»), kontakter 3D-kammen den øvre enden av «topping lever» og dreier den mot klokken inntil den nedre enden kontakter Z-stangen («Z-rod») (punkt C).Ved punkt C forlater akselerasjonsbegrensningsarmen («acceleration limit lever») akselerasjonsprogrammet på 3D-kammen, fordi Z-stangen («Z-rod») beveger seg til høyre. 3D-kammen be­ veger seg videre mot venstre, og topparmen («topping lever») skyver dermed Z-stangen («Z-rod») til høyre og rullene til venstre. Det gjør at brennstofftilførselen til motoren avtar fra punkt C til punkt D. I punkt D har turtallet stabilisert seg på det turtallet som ble valgt med gasshåndtaket, i dette tilfellet 100 prosent. Det må bemerkes at enhver forandring i kompressorinntakstemperaturen (T2) vil gjøre at motoren akselererer etter et annet program. Akselerasjonsprogrammet endres ved atT2-servoen dreier 3D-kammen slik at akselerasjonsbegrensningsarmen («acceleration limit lever») må følge en annen kontur. 3D-kammen er program­ mert til å gi motoren en maksimal akselerasjon uten at vi får kom­ pressorstall eller for høye turbintemperaturer, og uten at motoren slukker på grunn av en altfor rik brennstoff-luftblanding. Alle tilsvarende akselerasjoner, det vil si hurtige bevegelser av gasshåndtaket («throttle») over et større område, vil følge det samme mønsteret. Raske akselerasjoner kan startes og avsluttes et hvilket som helst sted på kurven for konstant turtall, det vil si langs kurven A-D. Likevel følger ikke alle akselerasjoner det samme mønsteret. La oss tenke oss at gasshåndtaket («throttle») bare beveges noen få grader fra K-M. Denne moderate bevegelsen dreier den manuelle turtalls­ kammen («manual speed cam») bare over et lite område, slik at turtallsmnstillmgsarmen («speed set lever») dreier litt med klokken og trekker drivstangen («drive rod») og dermed topparmen («topping lever») litt til venstre. Lenkeladningsfjæren («Linkage loading spring») sørger for at Z-stangen («Z-rod») følger den nedre enden av topp­ armen («topping lever») til venstre, og nar rullene beveger seg til høyre, øker brennstofftilførselen moderat, linje K-L. Men i motset­ ning til den raske akselerasjonen som er forklart tidligere, beveger ikke Z-stangen («Z-rod») seg nå langt nok til å kontakte akselera­ sjonsbegrensningsarmen («acceleration limit lever») før den når topparmen («topping lever»). Den økede brennstofftilførselen øker motorturtallet. Det registreres av turtallsregulatoren («governor»). De økede sentrifugalkreftene på regulatorvektene overvinner fjær-

292 - Kapittel 11

Figur 11.13

Diagram som viser kurver for konstant turtall, raske og moderate akselera­ sjoner/ retardasjonerfor

J8 5-GE-13-motoren under bakkekjøring

kraften, og styreventilen («pilot valve») beveger seg til hoyre. Brennstofftrykket beveger arbeidsstempelet og 3D-kammen til venstre, og dermed dreier topparmen («topping lever») mot klokken. Ettersom Z-stangen («Z-rod») er i kontakt med topparmen («topping lever»), beveger den seg til høyre og rullene til venstre. Det gjør at brenn­ stofftilførselen til motoren avtar langs linjen L-M. Bevegelsen til 3Dkammen svinger tilbakekoblingsarmen («feedback lever») med klokken, slik at fjærpresset mot styreventilen («pilot valve») øker. Styreventilen beveger seg over mot høyre inntil fjærkraften og kraften på sentrifugalvektene igjen er i balanse. Motoren opererer nå på et konstant turtall som er valgt med gasshåndtaket («throttle»). Det er punkt M. En moderat akselerasjon kan gjøres fra hvilket som helst sted langs kurven A-D, og forløpet går som beskrevet i foregående avsnitt.

3000 2800 2600 2400

2200 2000

o iæ— o

1800 1600 1400 1200 1000

m

800 600 400 200

Min brennstoffstopp — 190t15 PPH

50

60

70

80

90

100

110

Turtall i % av maksimum A-D

Kurve for brennstoff­ behov ved konstant turtall

A-B-C-D

Kurve for brennstoffbehov ved maksimal akselerasjon

D-E-F-A

Kurve for brennstoffbehov ved maksimal retardasjon

N-O-P

Kurve for brennstoffbehov ved en liten retardasjon

K-L-M

Kurve for brennstoffbehov ved en liten akselerasjon

G-H-l-J

Kurve for brennstoffbehov ved en rask akselerasjon fra ca 80%- 95% turtall

D-E-Q-R

Kurve for brennstoffbehov ved en rask retardasjon fra 100%- ca 65% turtall

Kapittel 11 - 293

Virkemåten til brennstoffkontrollen ved en hurtig retardasjon Alt etter hvordan gasshåndtaket («throttle») trekkes tilbake, har vi to typer retardasjoner. En rask tilbaketrekking av gasshåndtaket («throttle») fra et høyt turtall gjør at rullene kontakter W/P3stoppen, mens en forsiktig retardasjon ikke vil gjøre det. Enhver tilbaketrekking av gasshåndtaket («throttle») fører til at den manuelle turtallskammen («manual speed cam») dreies mot en større radius.Turtallsinnstillingsarmen («speed set lever») dreier mot klokken og beveger dreiepunktet til topparmen («topping lever») mot høyre. Ettersom den øvre enden av topparmen («topping lever») allerede er i kontakt med 3D-kammens toppkontur («topping contour»), beveger den nedre enden av armen seg til høyre. Det skyver Z-stangen («Z-rod») til høyre mot kraften fra lenkeladningsfjæren («linkage loading spring»). Drivarmen («drive lever») dreier seg mot klokken, og rullene går mot venstre og reduserer brennstofftilførselen til motoren. Hvordan gasshåndtaket («throttle») trekkes tilbake, og stillingen til 3D-kammen i det øye­ blikket throttlebevegelsen begynner, bestemmer om rullene skal bevege seg så mye til venstre at de kontakter Wf/P3-stoppen. Posi­ sjonen til 3D-kammen varierer direkte med motorturtallet. Den befinner seg til venstre ved høye turtall og til høyre ved lave turtall. Dersom vi tenker oss at motoren går på 100 prosent turtall og vi plutselig trekker gasshåndtaket («throttle») tilbake til tomgang, dreier den manuelle turtallskammen («manual speed cam») mot en større radius.Turtallsinnstillingsarmen («speed set lever») dreier mot klokken, drivstangen («drive rod») og omdremingspunktet til og den nedre enden av topparmen («topping lever») gar mot høyre. Etter­ som motoren går på et høyt turtall, befinner 3D-kammen seg alle­ rede til venstre. Med den øvre enden av topparmen («topping lever») i kontakt med 3D-kammen fører en bevegelse av opplagrmgspunktet til topparmen («topping lever») derfor til at selve armen dreier seg mot klokken. Det skyver Z-stangen («Z-rod») til høyre og rullene så langt mot venstre som det er mulig, det vil si at de kontakter Wf/P3-stoppen.Ved at kraften på toppen av Wrarmen avtar, dreier måleventilfjæren («metermg valve spring») Wt-armen mot klokken og reduserer gapet mellom den og servodysen.Trykket på høyre side av stempelet i måleventilen øker, og måleventilen be­ veger seg til venstre og reduserer øyeblikkelig brennstofftilførselen til motoren fra punkt D til punkt E.Ved punkt E begynner turtallet å avta, og P3-trykket avtar nå etter hvert som turtallet faller. Det er reduksjonen i P3-trykket som styrer brennstofftilførselen fra punkt E til punkt E

294 - Kapittel 11

I mellomtiden har Z-stangen («Z-rod») beveget seg videre mot høyre, fordi gasshåndtaket («throttle») ble beveget over et så stort område. Derfor forlater drivarmen («drive lever») omdreiningspunktet sitt og får et nytt omdreiningspunkt helt nederst der den er festet til lenkeforbmdelsen til rullene. Kraften fra lenkeladningsfjæren («linkage loading spring») holder nå rullene motWf/P3stoppen.Ved punkt E begynte turtallet å avta. Sentrifugalvektene til turtallsregulatoren («governor») beveget seg samtidig innover, og styreventilen («pilot valve») beveget seg til venstre. Brennstofftrykk på venstre side av arbeidsstempelet har beveget 3D-kammen til høyre. Den øvre enden av topparmen («topping lever») har fulgt 3D-kammen og fort til at topparmen («topping lever») har dreiet seg med klokken. Z-stangen («Z-rod») har fulgt den nedre enden av topparmen («topping lever») inntil drivarmen («drive lever») igjen har fått kontakt med omdreiningspunktet sitt. Selv om brennstofftilførselen avtar fra punkt E til punkt F, er forholdet Wf/P3 konstant, ettersom det blir styrt av P3-trykket. Under hele retardasjonen fra punkt E til punkt F beveger drivarmen («drive lever») seg i retning mot omdreiningspunktet sitt, og rullene står mot minimum Wr/P3-stopp. Ved punkt F treffer drivarmen («drive lever») omdreingspunktet sitt og begynner å dreie seg om det, og rullene trekkes bort fra stoppen. Brennstoff­ tilførselen til motoren vil nå øke langs linjen F-A. I punkt A har turtallet stabilisert seg på tomgang. Dersom gasshåndtaket («throttle») blir trukket forsiktig tilbake, fører det til tilsvarende små bevegelser i lenkesystemet. Dersom gasshåndtaket («throttle») trekkes forsiktig tilbake ved for eksempel punkt N, beveger rullene seg til venstre, men ikke så mye at de kontakter minimum Wf/P3-stop. Brennstofftilførselen til motoren avtar langs linjen N-O. Turtallsregulatoren («governor») føler at turtallet avtar, og som et resultat blir 3D-kammen beveget litt til høyre.Topparmen («topping lever») dreier litt med klokken. Det fører til at Z-stangen («Z-rod») beveger seg til venstre og rullene til høyre. Brennstofftilførselen til motoren øker nå langs linjen O-P til det valgte turtallet i punkt P. Når kompressorinntakstemperaturen (T->) avtar, avtar også lydhastigheten i luften (se kapittel 3 om lydhastighet i gasser).Ved 100 prosent turtall og kompressorinntakstemperaturer under -27 °C er periferihastigheten på rotorbladene i det første trinnet i kompressoren kommet opp i lydhastighet, og luftstrømningen over bladene blir uregelmessig. For å unngå at vi kommer inn i et om­

Kapittel 11 - 295

råde med kompressorstall, blir nå toppturtallet til motoren gradvis redusert etter hvert som kompressormntakstemperaturen synker mer og mer under -27 °C. Det kalles T2-redusermg («T2 cut back»). MedT2-temperaturer pa -43 °C eller lavere kan topp­ turtallet til motoren være helt nede i 90 prosent av det maksimale turtallet. Selv om maksimumsturtallet til motoren blir redusert ved T^-temperaturer under -27 °C, blir skyvekraften til motoren opprettholdt. Ja, vi får til og med en liten oppgang i skyvekraften. Det kommer av at økningen i lufttettheten mer enn kompenserer for fallet i turtall. Reduseringen av maksimumsturtallet til motoren ved T2-temperaturer under -27 °C blir utført avT2omjusteringsarmen («T2 bias lever»), som følger et program pa 3D-kammen. Når 3D-kammen dreier pa grunn av en redusert T2temperatur, fører det til atT2-omjusteringsarmen («T2 bias lever») dreier mot klokken. Den nedre enden av turtallsinnstillingsarmen («speed set lever») beveger seg til høyre og tar med seg drivstangen («drive rod»), den nedre enden av topparmen («topping lever») og Z-stangen («Z-rod») til høyre. Det gjør at rullene beveges litt til venstre og reduserer litt på brennstofftilførselen til motoren.

Høydeeffekt Høyde er i hovedsak et tetthetsfenomen. Etter hvert som flyet kommer opp i større høyder, avtar atmosfæretrykket og luft­ temperaturen. Fallet i atmosfæretrykket har en effekt som redu­ serer lufttettheten, mens fallet i lufttemperaturen har en effekt som prøver å øke lufttettheten. Det er altså to motvirkende effekter. Men ettersom fallet i atmosfæretrykket har en større innvirkning på lufttettheten enn fallet i lufttemperaturen, avtar lufttettheten med økende høyde. I 35 000 fots høyde er for eksempel luft­ tettheten ca. 27 prosent av det den er på havflatenivå på en stan­ darddag. Brennstofftilførselen til motoren må stå i forhold til luft­ tettheten i den høyden motoren opererer i. I 35 000 fot får derfor diagrammet på figur 11.13 en form som er vist på figur 11.14. Som vi ser av figuren, er diagrammet for brennstoffbehovet blitt trykket sammen, og den nedre delen av diagrammet har kommet inn i det skraverte feltet. Det skraverte feltet er under måleventilens minimum brennstoffstopp satt til 190+15 pph. Det betyr at den delen av diagrammet som befinner seg i det skraverte feltet, ikke er tilgjengelig. Derfor øker tomgangsturtallet til motoren når flyet kommer opp i store høyder.

296 - Kapittel 11

3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 c