Asaandrijving van een Turbofan

[JarnoG]

Hallo, 
 
Ik doorzocht even het internet om te zien hoe een Turbofan in zijn werk gaat. Meestal kom je filmpjes tegen hoe het al dat vermogen kan opwekken door de vele bladen in de fan en compressor, maar bijna nergens vind ik dan iets over de aandrijving van de as waar alles op gebeurt. 
 
Ik heb net een filmpje bekeken op Youtube waar duidelijk werd dat achter de verbrandingsruimte een hoop turbines zitten die de as aandrijven door de hoge luchtsnelheid die tegen de bladen drukt. En tot daar begrijp ik het ook. Maar ik begrijp de link niet met de ontbrandingsruimte, en al zeker niet met de ontsteking. 
Bij de motor van een auto is dit duidelijk, de vonk van de bougie in het zuurstof-brandstofmengsel zorgt voor een ontploffing die de cilinder achteruit stuwt, op zijn beurt brengt de cilinder de op- en afgaande beweging om in een cirkelvormige beweging op de as. Maar hoe zorgt de bougie bij een turbofan voor de roterende beweging van de turbines, en wat gebeurt er na de ontsteking zodat het proces continu blijft? Of is het gewoon de druk van de vlam dat de turbines laat draaien? 
 
Het vliegtuig waar ik met leerde vliegen had een 4-cilindermotor, waarvan ik de werking dus kon begrijpen en veronderstelde dat een turbofan een stervormige cilindermotor had, wat blijkbaar toch niet is.
 
 
Hopend op ondubbelzinnige antwoorden, 
 
Alvast bedankt, 
Jarno
 
 
In bijlage: een turbofan: Trent XWB (bron: aviationweek.com) 
Hierop heb ik omkadert: verbrandingskamer + aandrijvingsturbines
 

[Pinokkio]

Het principe van alle verbrandingsmotoren is in grote lijnen hetzelfde: atmosferische lucht wordt in een compressor op hoge druk gebracht, daarna verhit door verbranding van brandstof waardoor de druk nog verder stijgt, en door expansie drijft het verhitte gas drijft de compressor aan, en bij een auto bovendien de assen van de wielen. En bij propellervliegtuigen de propeller
 
Bij een zuigermotor is de verbranding discontinue.
Een turbofan heeft geen zuigers. De verbranding is continue en de axiale turbines drijven de axiale compressors en de fan aan waarna de nog steeds erg hete uitlaatgassen voor stuwkracht zorgen. De fan zorgt ook voor voortstuwing doordat het overgrote deel van de ingenomen lucht langs de motor stroomt.
 
Overigens heeft zo'n Rolls Royce turbofan drie in elkaar roterende holle assen: de fan wordt aangedreven door de lagedrukturbine, de middeldrukcompressor door de middeldrukturbine en de hogedrukcompressor door de hogedrukturbine. Op die manier draait iedere combinatie op zo'n eigen optimale toerental, onafhankelijk van de anderen.

[klazon]

Even inhaken op deze vraag. Door de verbranding wordt de druk in de verbrandingskamer verhoogd. Dat is me duidelijk. Maar waarom ontsnapt die verhoogde druk via de turbines naar achteren? Ik kan me zo voorstellen dat die net zo goed via de compressors naar voren kan gaan. Daarbij realiseer ik me dat het proces dan stopt omdat er geen verse lucht meer binnen komt. Maar het is voor mij een mysterie waarom de verbrandingsgassen alleen naar achteren gaan. Wie heldert dit op?

[Benm]

Om dezelfde reden dat een kamerventilator naar voren blaast als de bladen de juiste kant op draaien. 
 
Eenmaal draaiende zorgt het geheel ervoor dat lucht van voor naar achter door de motor gaat, als gevolg van de hoek waaronder de fanblades geplaatst zijn. Zolang de draairichting in het begin correct is, is dat effect zelf-versterkend en draait de motor altijd de juiste kant op. 
 
Vanuit stilstand zou je je nog kunnen voorstellen dat het systeem de verkeerde kant op draait. Het praktische ontwerp van een turbofan laat dat feitelijk niet toe, maar het is ook gewoon een kwestie van starten in de juiste draairichting: Een turbofan start je normaliter met lucht onder druk die je er van voor naar achter doorheen stuwt waardoor het in de juiste richting gaat draaien tot de snelheid voldoende is om brandstof te ontsteken etc. 
 
Wellicht zou je de meest simpele, single shaft, turbofan motoren 'in zn achteruit' kunnen laten draaien door ze te starten met een luchtstroom van achter naar voor, al vraag ik me wel af hoe je dat ooit voor elkaar zou krijgen. 
 
Praktisch gezien is de draairichting altijd correct: zelfs als een motor uitvalt door pakweg geen brandstof te krijgen zorgt de luchtsnelheid ervoor dat de bladen in de correcte richting draaien (windmilling) en is het onder gunstige omstandigheden mogelijk de motor te herstarten tijdens een vlucht. Dit is uiteraard niet echt de bedoeling, maar als een motor uitvalt door een kortstondige onderbreking in brandstoftoevoer of iets dergelijks dat is die te herstarten dankzij de rotatie verkregen via luchtwrijving. Normaliter zou je dat niet echt doen gezien ze kunt starten met druk vanaf de andere motor of de APU, maar als echt alles mis gaat en alle motoren er even mee stoppen is het een optie - waarbij ze nooit in de verkeerde richting gaan draaien. 

[Pinokkio]

Ik zie nu dat ik me niet goed uitgedrukt heb.
 
Zowel in een zuigermotor als in een turbofan (in feite een gasturbine) wordt atmosferische lucht gecomprimeerd en daarna verhit, maar In een turbofan gebeurt de verhitting (door kerosineverbranding) niet bij constant volume maar bij constante druk waardoor het volumedebiet van het gas toeneemt. Door expansie drijft het verhitte gas via turbinebladen en assen de compressors aan.
 
Zoals al gezegd gebruikt RR drie assen:

[shimmy]

Een turbofan start je normaliter met lucht onder druk die je er van voor naar achter doorheen stuwt waardoor het in de juiste richting gaat draaien tot de snelheid voldoende is om brandstof te ontsteken etc. 

 

Voor de volledigheid, die lucht onder druk wordt natuurlijk niet door door de motor gestuwd maar drijft een aparte startmotor aan die vervolgens met de N2 rotor gekoppeld wordt.

[JarnoG]

En hoe komen de blades in beweging? Elektrisch met behulp van de APU? 
Want voor de lucht kan samengedrukt worden in de compressor moet er toch eerst een luchtstroming zijn? 
 
Over de 3 assen, is dit dan dezelfde compressor dat ze alle 3 in beweging houdt? 

[shimmy]

Zoals ik hierboven schrijf. De motor beschikt over een startmotor die via de accesorie gearbox is verbonden aan de N2 compressor. De startmotor moet de N2 as ongeveer richting 25% motorren voordat brandstof en vonk toegevoegd worden. De startmotor zelf word pneumatisch aangedreven. Normaal gesproken door de APU. Alternatief bij kapotte APU is een ground source (airstarter) op 1 van de twee motoren en dan een crossbleed start naar de andere motor.

[shimmy]

Over de 3 assen, is dit dan dezelfde compressor dat ze alle 3 in beweging houdt?

De fan en de compressors worden natuurlijk in beweging gehouden door de turbines. Bij een 2 assige motor houdt de lage druk turbine de fan en de lagedruk compressor in beweging. Bij een drie asser is de hoge lage turbine alleen verbonden met de fan en is de lage druk compressor via de tweede as verbonden aan de intermediate turbine stages zoals te zien in het plaatje hier boven.