Jetmotorer — turbojet, turbofläkt och turboprop

Kolvmotorerna har nått vägs ände. De består av hundratals delar som rycker och knycker fram och tillbaka och som inte kan göras mer kraftfulla utan att bli alltför komplicerade.
Framtidens motor måste producera 2000 hästkrafter med en enda rörlig del, en roterande turbin och kompressor.

Sir Frank Whittle

 

Ett påpekande: I föreliggande artikel diskuteras i praktiken oerhört komplexa konstruktioner. Framställningen nedan är därför av uppenbara skäl kraftigt förenklad och handlar om principer och inte om praktiska, tekniska lösningar. Den läsare som vill tränga djupare in i ämnet flygplansmotorer rekommenderas att läsa (helst engelskspråkiga) Wikipedias artiklar om de olika motortyperna.

Om inget annat sägs så gäller de prestandauppgifter som förekommer nedan för trafikflygplan och vid havsytans nivå.

 

Kolvmotorer

Förr i världen hade alla flygplan kolvmotorer. Även idag finns många kolvmotordrivna flygplan. Speciellt inom privatflyget. Fortfarande flyger också kolvmotordrivna flygplan med passagerare och last. Detta gäller huvudsakligen i tredje världen. I mer utvecklade länder har inom trafikflyget kolvmotorerna i stort sett helt ersatts av jet och turpoprop.

De kolvmotorer som används i flygplan (idag och tidigare) är med få undantag s k Ottomotorer, dvs helt enkelt vanliga bensinmotorer. Dessa kan ha förgasare eller vara direktinsprutade. De kan vara av två- eller fyrtaktstyp. De kan vara vanliga, raka motorer eller boxermotorer (ofta 4 eller 6-cylindriga på vanliga privatplan, typ Piper, Cessna etc), Tidigare användes alla möjliga konfigurationer för att få de effekter som var nödvändiga för större passagerarplan eller stridsplan. Vattenkylda V-motorer (ofta V12 eller t o m V24), eller luftkylda stjärnmotorer (där cylindrarna ligger som ekrarna i ett cykelhjul) var de vanligaste konfigurationerna. Även andra typer av motorer förekom, t ex H-motorn Napier Sabre (se denna artikel — scrolla ned till Hawker Tempest). Det har även funnits flygplan med dieselmotorer. Men detta är extremt ovanligt (dieselmotorer är visserligen driftsäkra och bränsleekonomiska men väger för mycket för att lämpa sig som flygplansmotorer).

En Wright-3350 18-cylindrig stjärnmotor (två lager med 9 cylindrar i varje). Till en början hade denna motor förgasare men försågs så småningom med direktinsprutning. Effekten var maximalt 3700 hkr (i turbocompoundversionen — se nedan). Denna motor drev bl a Lockheed Super Constellation (se bild nedan) och Douglas DC-7C, som var SAS sista propellerplan för interkontinentala rutter.

En typisk stjärnmotor, vilket passagerarplan ofta hade ända fram till 1960-talet (exempelvis Lockheed Constallation och Douglas DC-7/7C), kan bestå av flera lager av cylindrar, där varje lager måste ha ett udda antal cylindrar (annars fungerar inte tändföljden – vid jämnt antal cylindrar är det omöjligt att hitta en tändföljd som kan upprepas varv efter varv). Wrights flaggskepp hade beteckningen Wright-3350 och var på maximalt 3700 hkr. Den hade två lager med 9 cylindrar i varje, dvs totalt 18 cylindrar. Pratt & Wittneys största stjärnmotor, R4360, hade fyra lager med 7 cylindrar i varje (dvs totalt 28 cylindrar) och kunde leverera omkring 4500 hkr. Den gick under namnet "majskolven" och användes på tunga transportplan och USA:s enorma, strategiska bombplan B-36, som hade 6 kolvmotorer och 4 jetmotorer (smeknamnet på B-36 var "6 turning and 4 burning"). I och med dessa motorer kan man säga att kolvmotorerna hade nått vägs ände. De hade blivit alltför komplicerade och var därför inte helt tillförlitliga. Det sista stora propellerplan som SAS använde var DC-7C (ända fram till slutet av 1960-talet). Med detta flög man bl a Köpenhamn-Tokyo via Nordpolen. Planet var fyrmotorigt men kallades ofta bland piloter för "världens snabbaste tremotoriga flygplan", eftersom det inte var helt ovanligt att en motor lade av under en långflygning. Som tur var så flög planet bra på tre motorer, även om det gick lite långsammare.

Lockheed Super Constellation är en klassiker bland de stora, kolvmotordrivna propellerplanen (propellrarna i bilden ser ut att stå stilla på grund av att man använt en väldigt kort slutartid i kameran). I mina ögon är Super Constellation det ultimata (och vackraste) propellerdrivna trafikplanet (vilket inte innebär att jag förringar Douglas klassiska modeller DC-6 och DC-7C). Super Constellation var ett av de första trafikplan som hade tryckkabin (och därför ofta kunde flyga över ovädren). Planet hade (precis som Douglas DC-7C) 4 st Wright-3350 motorer (se tidigare bild).
Att man valde den ovanliga konfigurationen med tre (vertikala) fenor i stället för en, berodde på att en enda fena hade blivit så hög så att planet inte hade gått in i befintliga hangarer. Planet självt var ju ovanligt högt pga det höga landningsstället plus att stabilisator och fena var högt monterade på flygkroppen för att undvika nedsvep från vingarna. Att landningsstället var så högt berodde på den stora diametern hos propellrarna. Och propellrarna måste ha stor diameter för att kunna utnyttja motorernas stora effekt.

Kolvmotorer har generellt sett en stor och avgörande nackdel, eftersom kolvarnas fram- och återgående rörelse måste omvandlas till en roterande rörelse (genom en komplicerad mekanism av vevstakar och vevaxel och motvikter). Detta innebär en stor svaghet. Och så har vi en massa ventiler, stötstänger och annat som går fram och tillbaka, styrda av en eller flera kamaxlar och som måste öppna och stänga i exakt rätt ögonblick. Dessutom sker inte förbränningen jämnt utan i stötar (explosioner) vilket ger stora påfrestningar på t ex vevstakslager. Turbinmotorer (t ex jetmotorer och turbopropmotorer) innehåller enbart roterande delar och förbränningen sker kontinuerligt (dvs man slipper ett komplext tändsystem som skall leverera en gnista till varje cylinder vid precis rätt tidpunkt — vi talar om toleranser på storleksordningen en tusendels sekund eller mindre), vilket gör att dessa motorer utsätts för betydligt mindre mekaniska påfrestningar och dessutom inte behöver justeras och ställas in lika ofta. Turbinmotorer är därför betydligt mindre benägna att tappa prestanda eller att gå sönder. De flesta piloter idag flyger en hel yrkeskarriär utan att vara med om ett enda motorstopp. Så var det definitivt inte på kolvmotorernas tid.

Genomskärningsskiss av superchargern (överladdaren) på Rolls-Royce Merlinmotorn (en V12-motor som bl a användes av Spitfire). Anordningen hade två kompressorsteg (dessa kallas i bilden "1st och 2nd stage supercharger rotor") och var placerad längst bak på motorn. Mellan kompressorstegen fanns vattenkylda "interstage water cooling passages" (en s k intercooler — se förklaring i nästa stycke). Kompressorn drevs från motorn via en tvåstegs växellåda. Den högre hastigheten (utväxlingen), som gav mer kompression, kopplades automatiskt in när höjden ökade. Bilden ger en ganska representativ uppfattning av komplexiteten hos dessa kompressorsystem.

För att kolvmotorerna skulle få tillräckliga prestanda på hög höjd, där luften innehåller lite syre per volymsenhet, var man tvungen att förse dem med oerhört komplexa system av kompressorer och kylare (se bilden ovan). Kompressorerna kunde drivas direkt från motorerna eller av elektriska motorer eller av avgasturbiner (turbo). Ofta hade man flera kompressorsystem och kylare mellan dessa (intercooler) och/eller efter sista kompressorsteget (aftercooler). När luft komprimas värms den nämligen upp till hög temperatur. Genom att kyla ned den komprimerade heta luften, komprimeras den ytterligare, dvs innehåller ännu mer syre per kubikmeter när den leds in i motorn. Kompressorsystemen på de stora kolvmotorerna kunde vara lika stora som motorn själv. Vissa avancerade motorer hade till och med avgasturbiner, som via växellådor kopplades till propelleraxeln, och ökade motorns effekt med flera hundra hästkrafter (upp till ca 20% av motoreffekten). Dessa motorer kallades turbocompoundmotorer (senare modeller av Wright-3350 var av denna typ — systemet gav denna motor en effektökning av 550 hkr vid start och 240 hkr under cruise). Allt för att krama varje droppe kraft ur motorn.

Propellrar fungerar allt sämre när hastigheten ökar. De snabbaste propellerdrivna jaktplanen under WW2 kunde komma upp i 750 km/h (under dykning kunde man dock uppnå betydligt högre farter). Sedan tog det mer eller mindre stopp. Orsaken är att när farten ökar så blir flödet runt spetsarna på propellerbladen supersoniskt (överljudsfart). Detta leder till att propellern förlorar alltmer av sin effektivitet. När höjden ökar, och luften blir allt tunnare, minskar dessutom effektiviteten hos en propeller. Ur ekonomisk synpunkt är det mest gynnsamt att flyga så högt som möjligt, eftersom luftmotståndet då blir litet. Speciellt viktigt blir detta om man vill flyga fort. De krav på flygplan som kom efter WW2 (högt och fort) gjorde att kolvmotordrivna flygplan med propeller alltmer kom att ersättas av jetplan. Fortfarande finns dock nischer där propellerplan kommer till sin rätt (diskuteras nedan i avsnittet om turboprop) och i skrivande stund (maj 2019) tillverkas fortfarande en hel del propellerplan varje år. 2016 tillverkades t ex, över hela världen, 1019 kolvmotordrivna och 582 turbindrivna (turboprop) propellerplan (här är inte de hundratals hembyggen som byggs varje år inräknade). Och så finns det ju mängder av äldre propellerplan som fortfarande flyger. Totalt måste rimligen världens propellerplanbestånd röra sig om åtskilliga hundratusen.

Från kuriosakabinettet: Fram till slutet av WW1 var de flesta stjärnmotorer roterande. Dvs hela motorn (cylindrar etc) roterade tillsammans med propellern (som helt enkelt var fastskruvad på motorn). Detta ledde till vissa svårigheter, t ex hur man skulle överföra bränsle och tändström till motorn. Men detta löste man snart. Orsaken till denna konstruktion var att man inte hade lyckats lösa kylproblemet för luftkylda motorer (det fanns visserligen vattenkylda motorer men de vägde betydligt mer, vilket var en nackdel i flygsammanhang). När flygplanen stod stilla med den luftkylda motorn igång eller taxade på marken blev det för lite luftflöde runt motorn varvid den överhettades och skar. Alltså lät man hela motorn rotera. Roterande motorer visade sig ge en nästan optimal kombination av effekt, vikt och pålitlighet. Det fanns av detta skäl tidiga motorcyklar som hade roterande motorer.

Jag vet att många har svårt att acceptera existensen av roterande motorer. Folk tror ofta att man skämtar när man berättar om motorer som roterar och det är nästan omöjligt att få dem att tro att man menar allvar. Du som just nu hånler åt mig ber jag att klicka på denna länk, så får du se start av en roterande motor. Så kanske hånleendet försvinner. Hoppas jag i alla fall. Fast jag, eller någon annan, kan ju förstås ha gjort/manipulerat filmen i Photoshop. Man kan inte lita på nån nu för tiden.

På filmen ser det vid några tillfällen ut som att motor och propeller snurrar åt olika håll och att motorn roterar baklänges en stund. Detta beror på stroboskopeffekter. Eftersom kameran tar låt oss säga 24 bilder/s så får man interferenseffekter mellan motorns rotation och de bilder som tas (tar man t ex 24 bilder/s och motorn roterar med 24, 48, 72 etc varv/s kommer det på filmen att se ut som att motorn står still — den begåvade läsaren kan säkert tänka ut varför). Samma fenomen ser man ofta på spelfilmer. Speciellt tydligt blir detta på vagnshjul med grova ekrar (Vilda Västern), stridsvagnsband och liknande, vilka ofta ser ut att gå baklänges eller t o m stå still.

Roterande motorer hade en stor nackdel. En motor väger en hel del och när en sådan klump roterar med högt varvtal får man en ett enormt gyro som ställer till problem när planet skall svänga. Gyrot vill ju i princip bibehålla riktningen på sin rotationsaxel och gör därför motstånd när flygplanet försöker ändra riktning. Ett plan med roterande motor måste flygas med silkesvantar och om piloten betedde sig oskickligt kunde det sluta med att man tappade kontrollen över planet. På grund av detta fanns det en övre gräns för hur tung en roterande motor kunde vara, vilket i sin tur satte en övre gräns för den maximala effekten (ca 160 hästkrafter). När kraven på motoreffekt växte i slutet av WW1 försvann därför de roterande motorerna ganska snabbt.

 

Turbojetmotorn

Den moderna jetmotorns tillkomst tillskrivs dels engelsmannen Frank Whittle dels tysken Otto von Ohain. Whittle, som var flygofficer och provflygare, föreslog jetmotorprincipen för sina överordnade redan 1928 när han fortfarande var kadett. Whittle var också den som först sökte patent på en jetmotorkonstruktion (1930). Otto von Ohain påstås ofta ha kommit på jetmotorn oberoende av Whittle. Whittles patent fanns dock tillgängligt på tyska bibliotek när Ohain 1935 började arbeta med jetmotorer. Jag finner det osannolikt att Ohain inte skulle känt till och tagit del av Wittles patent. Personligen tror jag det är mest rättvisande att säga att det är Frank Whittle som är fader till jetmotorn (oavsett om Ohain kom på jetmotorn oberoende av Whittle, så var Whittle under alla omständigheter först). Punkt slut.

För att läsaren skall förstå vilket enormt steg framåt jetmotorn innebar kan nämnas att en jetmotor som väger lika mycket som en kolvmotor utvecklar någonstans mellan 5 och 10 (!) gånger så mycket dragkraft (beroende på höjd och fart och motortyp)!!!

Turbojetmotor med centrifugalkompressor (radialkompressor). Motorn ovan har 3 turbinsteg.

Turbojetmotorn bygger på den princip som utvecklades av Whittle. Principen är väldigt enkel. Luft sugs in genom luftintaget längst fram (till vänster i bilden ovan). Luften komprimeras sedan av kompressorn och går in i brännkammaren (tidiga motorer hade flera brännkammare, placerade runt motorns axel), där bränsle (flygfotogen) sprutas in. Den höga temperaturen i brännkammaren gör att luften expanderar våldsamt och trycks ut bakåt med mycket hög fart. På vägen ut passerar den heta gasen turbinen (som kan bestå av ett eller flera steg). Turbinens uppgift är att driva kompressorn (och en del hjälpapparater som generatorer och hydraulpumpar).

Saab J29 "Flygande Tunnan". Toppfart 1060 km/h. Eftersom Tunnans motor, en svensktillverkad version av de Havilland Ghost, hade centrifugalkompressor och därmed stor diameter, fick J29 formen av en tunna. Därav smeknamnet. Tunnan var det första svenska planet med bakåtsvepta vingar (pilvingar), vilket gjorde att den hade en del lömska egenskaper (speciellt vid landning — beroende på den s k girrollkopplingen, vilken förklaras i min artikel om hur flygplan svänger). Utbildningen av nya piloter visade sig vara otillräcklig (bl a eftersom det saknades en tvåsitsig skolversion av J29) och haveristatistiken under de första åren var skrämmande. Men i händerna på en erfaren och skicklig pilot var Tunnan ett utomordentligt flygplan och i klass med det bästa som USA (F-86 Sabre) och Sovjet (Mig 15) hade vid den här tiden. J29 var i tjänst mellan 1951 och 1972. 661 st J29 tillverkades och under några år i början av 1950-talet var Svenska Flygvapnet det fjärde största flygvapnet i världen.

Till en början använde Whittle centrifugalkompressorer, där luftflödet är radiellt, dvs riktat ut (bort) från kompressorns rotationsaxel (se bild ovan). Fördelen är att man får en kort motor. Nackdelen är att motorn får stor diameter. J29 Flygande Tunnans motor hade centrifugalkompressor. Därav planets bulliga utseende (det såg verkligen ut som en tunna).

Turbojetmotor med axialkompressor. Motorn ovan har 7 kompressorsteg och 4 turbinsteg.

Så småningom gick man över till att använda axialkompressorer, vilka består av en hel rad kompressorhjul (steg). Det kan handla om 10 steg eller fler. Här är luftflödet parallellt med kompressorns rotationsaxel. Denna typ av kompressor är mer effektiv än centrifugalkompressorn och är idag helt dominerande. Orsaken till att Whittle till en början använde centrifugalkompressorer var att man visste för lite om axialkompressorer för att han skulle våga satsa på sådana. Nackdelen med axialkompressorn är att motorn blir längre. Å andra sidan får den mindre diameter.

Luften som komprimerats (oberoende av kompressortyp) går således in i brännkammaren, där bränsle (flygfotogen) sprutas in i en jämn ström (flödet beror på throttleinställning). I brännkammaren finns tändstift, vilka används för start. När motorn väl startat behövs normalt inga tändstift. Vid starkt regn och liknande förhållanden är tändstiften inkopplade kontinuerligt för säkerhets skull (ifall man skulle få en flame out, dvs att motorn slocknar). I brännkammaren hettas luften upp till mycket hög temperatur och expanderar därvid kraftigt och pressas ut med hög hastighet genom utblåset eller dysan eller munstycket (det finns flera namn på denna del av en jetmotor). På stridsplan, som flyger inom ett brett fartområde och som har efterbrännkammare (se nedan), kan storleken på utblåsningsmunstycket varieras (ungefär som bländaren på en kamera). Klicka här för att se en demonstration av detta (snabbspola till 5:40).

Som framgått ovan så driver de heta gaserna från brännkammaren turbinen (som ofta har flera steg) och går sedan ut genom utblåset. Turbinens uppgift är, förutom att driva kompressorn, också att driva vissa hjälpapparater som generatorer och hydraulpumpar. Turbin och kompressor är fast hopkopplade genom en axel (båda roterar således med samma varvtal). Kopplade till axeln finns de kuggväxlar som driver hjälpapparaterna. Endast en mindre del av energin i den strömmande luften används för att driva turbinen.

Till en början tänkte sig Whittle att kompressorn skulle drivas av en separat bensinmotor. Ganska snart kom han på att detta nog inte var så praktiskt och ersatte bensinmotorn med en inre turbin i stället.

Eftersom jetmotorer accelererar stora kvantiteter luft bakåt (genom att påverka luften med en kraft), kommer den accelererade luften att påverka motorn och därmed flygplanet med en lika stor och framåtriktad kraft (motorfästena måste således vara tillräckligt starka för att klara av motorns dragkraft). Detta i enlighet med Newtons tredje lag, vilken säger att två kroppar alltid påverkar varandra med lika stora och motriktade krafter. Ibland talar man i detta sammanhang om aktion (motorn påverkar/accelererar luften genom en kraft riktad bakåt) och reaktion (den accelererande luften påverkar motorn/flygplanet med en lika stor kraft riktad framåt). I början av jeteran (1940- och 1950-talen) kallades därför (i Sverige) jetmotorer för reaktionsmotorer och jetplan för reaktionsplan. Ibland sade man kort och gott reaplan. Det sistnämnda kunde ju missförstås och så småningom gick man över till att säga jetmotorer och jetplan.

Medan vi är inne på ämnet passar jag på att klargöra en gammal myt man hör ibland. När man började prata om rymdfärder i början av 1900-talet menade vissa pessimister att en raketmotor omöjligen kan fungera ute i tomma rymnden, eftersom det inte finns något där att "ta spjärn mot". Man menade således att raketmotorer (och jetmotorer) får sin dragkraft genom att "ta spjärn" mot luften (eller marken). Men jet- och raketdrift handlar inte om att ta spjärn mot något utan om att accelerera en gasmassa bakåt varvid denna gasmassa, enligt fysikens lagar, kommer att påverka motorn med en lika stor och motriktad kraft (dvs framåt). Obs, både raketmotorn och jetmotorn utnyttjar samma princip, reaktionsprincipen — skillnaden är att jetmotorn tar syre från atmosfären medan en raket har med sitt eget syre (vilket är nödvändigt i samband med rymdfärder).

Tubojetmotorer kan startas på olika sätt. Elektrisk startmotor, luftstart och krutpatron är de vanligaste. Eftersom man måste varva upp en jetmotor ganska mycket innan den går att starta (det kan ta flera minuter) är elektrisk start inte det optimala. Speciellt inte på större jetmotorer med tanke på vilket enormt batteri som skulle krävas. Det förekommer dock på mindre jetplan. Det vanligaste är luftstart, där tryckluft driver en pneumatisk motor som utgör startmotorn (effekten brukar ligga på 100-200 hkr). Luften kan komma från flygplanets APU (Auxiliary Power Unit), som är en liten turbinmotor vilken ofta sitter inbyggd i stjärten på trafikplan (denna startas elektriskt). Eller också kommer luften från ett markaggregat. Vissa jaktplan hade krutpatronstart (t ex Hawker Hunter, som bl a användes av Sverige). Där stoppade man in en krutpatron och tryckte på en utlösare, varvid patronen exploderade och via en turbin fick motorn att rotera tillräckligt snabbt för att den skulle starta (vilket utmärkt illustreras av denna video — notera den svarta röken).

Många större kolvmotorer startades också med hjälp av krutpatron. Denna gav motorn en snabb rotation på ca ett och ett halvt varv, vilket normalt räckte för att motorn skulle starta. Krutstart användes ofta i samband med stjärnmotorer, men också många andra typer av motorer, t ex den inledningsvis nämnda H-motorn, hade krutpatronstart (passagerarplan var sällan utrustade med krutstart med tanke på flygrädda passagerare). Det fanns t o m varianter av Merlinmotorn (som bl a användes av Spitfire) med startpatron.

Startpatronshylsan för Hawker Hunter och Canberra (ett brittiskt tvåmotorigt bombplan).

Många stridsvagnar under WW2 använde startpatroner. Och än idag så tror jag att livbåtsmotorer har sådana (åtminstone som reservsystem). Beträffande kolvmotorer så var patronen ofta av typ hagelpatron kaliber 12 (dvs den vanliga jaktpatronen, fast utan hagel). Napiers H-motor hade en något större patron, som satt i ett revolvermagasin med 5 patroner (det var inte ovanligt att flera patroner gick åt för att starta motorn). Jetmotorer kräver betydligt mer energi för att starta, varför patronen till Hawker Hunter var betydligt större och såg ut ungefär som hylsan till mindre kanon (vilket framgår av bilden ovan).

Om en motor behöver återstartas under flygning, kan man ta bleedair från den andra motorn (om den fungerar normalt) och genomföra en vanlig start. Om båda/alla motorerna stoppat (beroende på hur många motorer planet har), kan man starta APU:n och få startluft via den. Ett ytterligare alternativ, som fungerar även om APU:n inte fungerar, är s k windmilling. Genom fartvinden roterar fläktar och kompressorer. Om båda motorerna stoppat, glidflyger givetvis planet. För varje flygplanstyp/motortyp finns angivet vilket fart man skall hålla för att få optimal sannolikhet för en lyckad start genom windmilling. Normalt måste man också minska höjden rejält innan man kan göra ett startförsök, eftersom på normala flyghöjder (30 000-41 000 ft) mängden syre per kubikmeter luft är otillräcklig för att starta en motor.

Turbojetmotorn var den första typen av jetmotor. Första generationens jetdrivna passagerarplan som kom i slutet av 1950-talet hade alla turbojetmotorer (exempelvis tidiga versioner av de Havilland Comet, Boeing 707 och DC-8). Ganska snart gick man dock över till turbofläktmotorer (se nästa avsnitt). Concorden, det brittisk-franska överljudspassagerarplanet som flög mellan 1976 och 2003, hade dock turbojetmotorer under hela sin livslängd (av skäl som förklaras nedan).

Turbojetmotorer har dessvärre en hel del nackdelar. De största är extremt hög ljudnivå och dålig bränsleekonomi (med dagens mått).

Lite kuriosa: För en fysiker är i viss mening fyrtakts kolvmotorer ekvivalenta med jetmotorer. De fyra takterna i en kolvmotor kallas insug, kompression, explosion och utblås. En jetmotor har precis samma fyra takter. I en kolvmotor sker de fyra takterna i en och samma rumspunkt (cylindern) men vid olika tidpunkter. I en jetmotor sker i stället de fyra takterna i olika rumspunkter (luftintag, kompressor, brännkammare och utblås) men vid en och samma tidpunkt (dvs samtidigt och kontinuerligt).

 

Turbofläktmotorn (turbofan)

Så småningom kom den så kallade turbofläktmotorn, vilken har dramatiska fördelar jämfört med turbojetmotorn.

Turbofläktmotor

I centrum av motorn finns en vanlig turbojetmotor. Den kallas kärnmotor (core engine) alternativt gas generator (eftersom de heta gaser som genereras där driver hela motorn, dvs både bidrar till dragkraft och driver fläkt och kompressorer). Kärnmotorn utgör högtrycksdelen av turbofläktmotorn och dess varvtal kallas N2. När man startar en turbofläktmotor är det kärnmotorn som startas. Resten "hänger med", vilket förklaras i nästa stycke.

Turbofläktmotorn har två kompressorer och två turbiner med var sina axlar (inuti varandra). Varje kompressor och turbin består av ett antal steg. Kärnmotorns turbin och kompressor kallas högtrycksturbin respektive högtryckskompressor. När kärnmotorn startat (enligt beskrivningen i föregående avsnitt) och gas strömmar ut från brännkammaren med hög fart och tryck så börjar också den s k lågtrycksturbinen att rotera. Lågtrycksdelens varvtal kallas N1. Lågtrycksturbinen är genom en axel (N1-axeln) sammankopplad med fläkten (fan) och lågtryckskompressorn, vilka då börjar rotera. I en turbofläktmotor finns således två axlar (kallas "two spool engine"); N1-axeln (som driver fläkt och lågtryckskompressor) och N2-axeln, (som driver högtryckskompressorn och hjälpapparater som generatorer etc). N1-axeln går inuti N2-axeln. N2-axeln är som en roterande cylinder i vars centrum N1-axeln roterar (de två axlarnas respektive rotationer är därför helt oberoende av varandra). Det är ganska vanligt att högtrycksdelen (kärnmotorn) och lågtrycksdelen (fläkt etc) roterar åt motsatta håll. På så sätt minsker man gyralkrafterna (på trafikplan som undviker bryska manövrer och som är tunga så spelar gyralkrafter mindre roll än på militära flygplan).

Luftintaget på en stor turbofläktmotor (en GE-90, se nästa bild). Planet är en Boeing 777. Det vi ser längst fram är fläkten. Den målade vita spiralen i centrum av fläkten är till för att skrämma bort fåglar så att de inte kommer så nära att de sugs in i motorn. Försök visar att detta faktiskt har en viss effekt.

Det är fläkten man ser när man tittar in en modern jetmotor framifrån (t ex vid ombordstigning). Fläktens varvtal är mycket lägre än kärnmotorns. På en stor jetmotor ligger kärnmotorns rotationshastighet (N2) på ca 10 000 varv/min medan det för fläkten (N1) kan röra sig om 2500 – 4000 varv/min. På en mindre jetmotor kan kärnmotorns varvtal ligga runt 30 000 varv/min (kuriosa: det finns mikroturbiner som har varvtal på 500 000 varv/min!). Fläkten på ett modernt passagerarplan har betydligt större diameter än kärnmotorn. Motorerna på t ex en Boeing 777 har en fläktdiameter på 2,8 m och yttre motordiameter på 3,2 m (se bilden ovan)! Flygkroppens diameter på DC9 och MD-80 (som tog 140-180 passagerare) var 3,3 m, dvs ungefär samma storleksordning som diametern hos en stor jetmotor av idag.

En mindre del av kalluften från fläkten tas ut och leds in i flygkroppen. Denna luft kallas bleed air och används både för ventilation/AC och för att trycksätta kabin och lastrum. Boeing 787 Dreamliner har gått ifrån detta system och har elektriska kompressorer för ventilation etc. Vilket sparar bränsle, eftersom de elektriska kompressorerna bara går när de behövs (bleed air tappas hela tiden från motorn även när kabin och lastrum inte behöver mer luft) och dessutom har mycket bättre verkningsgrad (systemet med bleed air har förluster på ca 30 %).

Av principskissen ovan på turbofläktmotorn framgår att kärnmotorn är omgiven av en cylinder (motorhöljet/kåpan) med samma innerdiameter som fläkten. Denna (dvs fläkten) blåser in stora mängder luft via luftintaget. En mindre del av denna luft går genom kärnmotorn, medan största delen går mellan yttre motorhöljet och kärnmotorn (detta utrymme kallas bypasskanalen och bildar en cylinder runt kärnmotorn). Förhållandet mellan den mängd luft som går utanför kärnmotorn (dvs som går genom bypasskanalen) och den mängd luft som passerar genom kärnmotorn kallas bypass ratio (BPR). På svenska säger man bypassförhållande. Om BPR är 10:1 så innebär detta att 10 kg luft passerar genom bypasskanalen för varje kg luft som går in i kärnmotorn. En modern turbofläktmotor avsedd för passagerarplan har BPR ca 12:1. På en sådan motor kommer mellan 70 och 80% av dragkraften från fläkten (cold bypass air) och 20 till 30% från kärnmotorn (fläktens bidrag minskar dock med ökande höjd och vid 42 000 fots höjd ger fläkten bara runt 25 % — turbofläktmotorer med stort BPR blir med andra ord allt mindre effektiva på extremt höga höjder).

Hos en turbofläktmotor med BPR lika med 8:1 är dragkraften reducerad till 1/6 på 35 000 ft höjd. Den tunnare luften med ökande höjd (och därmed minskande luftmotstånd) kompenserar (som tur är) för minskningen av dragkraft. För en turbojetmotor är motsvarande siffra 1/3. På hög höjd är således turbojet mer effektivt än turbofläkt.

Större BPR ger bättre bränsleekonomi och tystare motorer men lägre maxhastighet (och lägre maxhöjd). Moderna stridsplan som JAS 39 Gripen och liknande har av detta skäl BPR mellan 1,5:1 och 0,5:1. Ju högre hastighet man vill flyga med och ju högre man vill flyga desto lägre BPR måste man ha. Enkelt uttryckt kan man säga att ju större BPR desto mer propellerplanliknande egenskaper får turbofläktmotorn (detta diskuteras ytterligare i avsnittet nedan om turboprop).

En General Electric GE-90 turbofläktmotor med stort bypassförhållande. Till vänster i bilden ser vi fläkten och till höger kärnmotor och turbinenhet för lågtrycksturbin. GE-90 sitter bl a på Boeing 777 och var åtminstone tidigare världens största jetmotor. Monterad på ett flygplan omges motorn av en cylindrisk kåpa (enligt föregående bild).

GE-90 har en maximal dragkraft (thrust) på ca 52 ton (en mer "normal" motor, CFM56, som t ex sitter på Boeing 737-800, har en maximal dragkraft på drygt 12 ton).

Ton är en massenhet och inte en kraftenhet. Kraft mäts i newton (N). I själva verket är dragkraften på GE-90-motorn 511 kN (kilonewton). Att man ibland (formellt felaktigt) anger dragkraften i ton i stället för i kN är av pedagogiska skäl. 511 kN är helt enkelt den kraft som går åt att lyfta 52 ton lodrätt, vilket ger en tydlig känsla av vilka krafter det handlar om. Sambandet mellan tyngdkraft och massa ges av F =  mg, där F är tyngdkraften, m massan och g tyngdaccelerationen. Den senare är ca 9,82 m/s2 (men varierar något med bl a latituden). Vi får således sambandet 511 ≈ 52⋅9,82.

Eftersom Boeing 777 har två motorer, blir totala dragkraften 104 ton. Speciellt inom militärflyg talar man om dragkraft/viktförhållande. Om detta är större än 1 kan ett flygplan stiga lodrätt och t o m accelerera. Det amerikanska jaktplanet F-15C har dragkraft/viktförhållande ca 1,04 (beroende på bränslelast etc). Många moderna jaktplan kan således stiga lodrätt utan att tappa fart, om det behövs. När man skall beräkna dragkraft/viktförhållande är det av uppenbara skäl enklast att ange motorernas dragkraft i ton. För trafikplan ligger dragkraft/viktförhållandet runt 0,2-0,4. Boeing 777-200ER har t ex en maxmal startvikt på 297 ton. Dragkraft/viktförhållandet blir i detta fall 104/297=0,35 (och för ett lätt lastat plan ännu mer).

Normalt använder man dragkraft (enhet newton) och inte effekt (enhet kilowatt eller hästkrafter) för att ange "styrkan" hos jetmotorer. Det finns mycket goda skäl till detta. För det första går dragkraften hos en jetmotor ganska lätt att mäta objektivt. Däremot är effekt svårt att mäta på en jetmotor. Effekt kan mätas objektivt och enkelt på motorer som driver via en drivaxel (som en bilmotor eller en turbopropmotor). Axlarna i en jetmotor ger inte hela bilden av effekten hos motorn, eftersom turbinerna inte använder hela motorns effekt (dessutom finns jetmotorer som helt saknar axlar; ramjet, scramjet och efterbrännkammare — dessa diskuteras i den följande texten). Att försöka omvandla dragkraft till effekt genom beräkningar leder för det andra till stora svårigheter. Resultatet av en sådan omvandling kommer att bero på flera faktorer som inte har med själva motorn att göra (t ex flygplanets fart). Resultatet blir dessutom väldigt olika beroende på hur man räknar (vilken modell man använder). Det hela urartar lätt till ett jonglerande med siffror. Jag har gjort en liten djupdykning i ämnet här (obs! nördvarning!). Formellt kommer jag i min analys fram till att en stor jetmotor kan ha effekter på långt över 50 000 hkr (beroende på fart). Av min analys framgår att begreppet effekt utgör ett tämligen meningslöst begrepp i jetmotorsammanhang. Och det är därför det inte heller används (annat än populärvetenskapligt).

Det finns dock ett sammanhang när det kan vara meningsfullt att tala om hästkrafter i samband med jetmotorer och det är när man vill ange hur mycket effekt som försvinner till generatorer och hydraulpumpar och bleed air. De två första drivs ju från motorns N2-axel, och i sådana sammanhang är begreppet effekt väldefinierat. Här kan det röra sig om effekter på 500 hkr eller mer. Även när det gäller att producera bleed air kan hästkrafter vara relevant. Att trycksätta och ventilera kabinen på ett passagerarplan med storleksordningen 300 passagerare kan kräva runt 700 hkr.

Utformningen av luftintagen till jetmotorer är avgörande för dessa motorers funktion. Grundläggande så måste den luft som går in i motorn vara fri från turbulens och tryckvariationer. Jetmotorer för trafikflygplan, som flyger max mach 0.85 (ca 900 km/h beroende på höjd och temperatur), kan ha ganska enkla intag. När det gäller flygplan avsedda för överljudsfart, krävs mer omfattande anordningar, eftersom den luft som går in i motorn måste bromsas ned till subsonisk fart (lägre än ljudets hastighet).

Luftintaget på en av de fyra motorerna hos Concorde (som hade turbojetmotorer). Bilden visar konfigurationen vid start, dvs vid låg fart. "Spill door" är öppen för att släppa in extra luft vid den låga farten i samband med start. Samma dörr kan öppnas åt motsatta hållet för att i vissa situationer släppa ut överskottsluft. Som synes finns det en hel del rörliga portar och ramper, vilka öppnas eller stängs eller ändrar vinkel beroende på om flygplanet startar eller stiger eller flyger på cruise etc (den läsare som vill sätta sig in mer i hur Concordes luftintag fungerade kan klicka här).

Luften som går in i en jetmotor måste alltså ha ett jämnt flöde utan turbulens. Intaget måste klara av stark sidvind (t ex vid start) och höga anfallsvinklar och oren flygning (dvs olika typer av snedanblåsning). Givetvis måste luftintagen på trafikplan uppfylla dessa krav, men eftersom passagerarplan opererar inom mer begränsade fart- och anfallsvinkelområden, kan intagen göras betydligt enklare än när det gäller stridsplan (speciellt sådana som förväntas fungera i jaktrollen och därmed är avseddda att momentant kunna flygas i extrema anfallsvinklar). Turbulens hos luften in till motorn kan leda till engine surge (kompressorblad fungerar som vingprofiler och kan stalla om de får för hög anfallsvinkel i förhållande till luftströmmen — ibland används termen kompressorstall). Surge medför att motorn inte får tillräckligt med luft, vilket innebär minskad dragkraft och i värsta fall motorbortfall. Ofta har man på överljudsflygplan (vilket normalt är liktydigt med stridsplan — enda undantaget är Concorde) ganska långa kanaler mellan luftintag och motor och dessutom speciell utformning av själva öppningen på luftintagen. I intagskanalen skapas (genom lämpliga förträngningar) stötvågor, vilka bromsar in luften från höga mach-tal till runt 500 km/h. Dessa stötvågor flyttar sig när farten ökar. Vissa flygplan avsedda för supersonisk fart har fasta luftintag (dvs utan rörliga delar), som F-16, F-18 och JAS 39 Gripen. Eftersom stötvågorna flyttar sig när farten varierar, blir dessa luftintag mindre effektiva när farten avviker från det värde intaget optimerats för. Andra flygplan (som F-15 och Su-27 och Concorde) har rörliga intag med plåtar som ändrar sig (automatiskt) med farten (och ser till att stötvågorna ligger rätt i hela fartregistret) och luckor som öppnas och stängs (se bilden ovan) för att ta in mer luft (t ex vid låg fart där otillräckligt med luft kommer in genom intagets öppning) eller dumpa luft (vid höga farter). Allt för att ge luften som går in i motorn optimal underljudsfart utan turbulens och tryckvariationer och se till att motorn får tillräckligt med luft (varken för lite eller för mycket). Fasta luftintag fungerar allt sämre när man överskrider mach 1,5, men är givetvis enklare och väger mindre (därför är F-16 etc inga renodlade mach 2-flygplan, även om de kanske kortvarigt kan skrämmas upp till i närheten av mach 2). För Concorde, som på cruise (dvs under flera timmar i sträck) flög i drygt mach 2, så var fasta luftintag uppenbarligen inget alternativ. I själva verket är utformning av luftintag en hel vetenskap, som vi dessvärre inte kan gå in på här (läs mer i Wikipedias artikel "Components of jet engines").

Motorhöljet på trafikplan är konstruerat för att innesluta turbinblad etc som lossnar och andra större skador på motorn. Risken finns annars, med tanke på de höga varvtalen, att en motordel kan penetrera kabinen och skada eller döda personer ombord. En motorintallation måste också (inom rimliga gränser) klara att fåglar sugs in utan att den stannar. Starkt regn och hagel får givetvis inte heller stoppa en motor. Under utprovning av en motor har man en motor fast monterad i en provbänk. Sedan utsätter man den för olika moment. Man testar turbin-, kompressor- och fläktblad som lossnar under maximalt varvtal (man har då i förväg försvagat det blad som skall lossna). Man skjuter in (döda) fåglar av olika storlek med hjälp av en tryckluftkanon (så att fåglarna har en realistisk hastighet relativt motorn). En modern jetmotor klarar av ett begränsat antal fåglar (även större sådana) men blir det för många så kommer motorn att skadas och stoppa (vilket hände det flygplan som i januari 2009 nödlandade på Hudsonfloden i New York — här flög man in i en fågelflock så att båda motorerna stoppade). Man sprutar också under utprovningen in stora mängder vatten (i droppform och i form av hagel i varierande storlekar) i motorn (det kan handla om 4 ton vatten i minuten eller mer) och en motor måste givetvis klara detta för att bli godkänd. Att en flygplansmotor skulle riskera att stanna, ens i det värsta tänkbara skyfall, vore helt enkelt oacceptabelt (klicka här för att se en sådan test).

De flesta jetmotorer har möjlighet att reversera jetstrålen, dvs rikta den framåt. Detta sker genom olika plåtar och kåpor som ändrar jetstrålens riktning 180°. Reversering används vid inbromsning av flygplan efter landning och kopplas normalt ur när farten gått ner till 60-80 knop. Detta för att minska risken för att skräp på marken sugs in i motorerna. Teoretiskt skulle man också kunna backa ut ett plan från gaten genom att reversera motorerna. Detta undviks, både av bullerskäl och eftersom risken att motorerna suger in grus och andra föremål från marken är mycket stor (de flesta jetplan har motorerna under vingarna, dvs bara några decimeter från marken).

På många flygplatser (exempelvis Arlanda) får man i samband med landning bara göra "idle reverse", dvs man får bara bromsa med tomgång på motorerna. Detta av bullerskäl. I samband med hala banor får man givetvis bromsa med så mycket effekt som behövs. Klicka här för att se exempel på reversering av jetmotorer (delvis i slow-motion).

 

En udda turbofläktmotor

I början av 1960-talet konstruerade Convair en serie extremt snabba, fyrmotoriga jetplan avsedda för passagerartrafik. Den större och senare modellen, Convair Coronado 990, hade en planerad toppfart av 1000 km/h och en marschfart av 896 km/h (i praktiken lyckades man aldrig uppnå, dessa farter). Bortsett från överljudsplanet Concorde är Coronado 990 det snabbaste jetplan för passagerartrafik som någonsin byggts. Dessvärre var planet alltför oekonomiskt på grund av sin höga bränsleförbrukning och byggdes bara i 37 exemplar. SAS köpte in ett par Coronado 990. Själv flög jag i ett sådant plan när jag skulle mönstra på ett fartyg i Las Palmas julen 1967. Den sista Coronadon togs ur trafik 1987.

General Electrics motor CJ805-23. Luftintaget är längst till vänster. Vi ser att fläkten är placerad efter kärnmotorn och att den (lågtrycks)turbin som driver fläkten sitter i centrum av fläkten (fläkten och lågtrycksturbinen är helt enkelt samma "hjul", dvs någon N1-axel behövs inte). Avgaserna från kärnmotorn passerar genom denna turbin. En mycket ovanlig konstruktion, men som hade vissa fördelar vid de höga farter som Convair Coronado 990 var avsedd för (bortåt 1000 km/h).

På grund av den höga farten var en konventionell turbofläktmotor med relativt stort bypassförhållande inte så lämplig av skäl som diskuteras nedan i samband med turbopropmotorer (turbofläktens propellerliknande egenskaper). General Electric tog därför fram en motor med fläkten placerad längst bak i stället. En unik motor, vars nackdelar uppenbarligen var större än fördelarna, eftersom den försvann ganska snabbt.

Convair Coronado 990 kändes lätt igen på sina ovanliga luftintag. Normalt ser man fläktbladen när man framifrån tittar in i en jetmotor avsedd för trafikplan. Här ser man i stället luftintaget till kärnmotorn. Fläkten sitter, som framgått ovan, bakom kärnmotorn.

Kuriosa: 1960 skrev Douglas ett kontrakt med franska Sud Aviation, enligt vilket Douglas skulle sälja och underhålla en amerikansk version av Sud Aviations tvåmotoriga, jetdrivna medeldistansplan Caravelle. Inga flygbolag var dock intresserade och Douglas började då projektera sitt eget medeldistansplan, vilket blev den klassiska DC-9 (se min artikel om Boeing Max). Den amerikanska versionen av Caravelle, Caravelle MA, var tänkt att ha samma udda motorer som Coronado 990.

 

Vilka är då fördelarna med turbofläktmotorn?

Den första är att ljudnivån minskar dramatisk. Den heta luften som kommer ut ur en turbojetmotor (och kärnmotorn i en turbofläkt) har en oerhört hög ljudnivå på grund av dess höga hastighet (stor, stor risk för bestående hörselskador om man befinner sig alltför nära). I turbofläktmotorn omges den heta, snabba luften från kärnmotorn av den långsammare, kalla luften från fläkten, som via bypasskanalen leds förbi kärnmotorn. Den kalla luften som passerar genom bypasskanalen fungerar således som en mycket effektiv ljudisolering. En modern turbofläktmotor med stort bypassförhållande har reducerat ljudeffekten med 95% jämfört med en ren turbojet, vilket väl kan sägas vara en dramatisk förbättring.

(Följande stycke kräver vissa kunskaper i gymnasiematematik för att kunna förstås till fullo)
Nästa fördel är att bränsleförbrukningen reduceras avsevärt. En turbojetmotor accelererar en relativt liten mängd luft till hög hastighet medan en turbofanmotor accelererar en stor mängd luft till betydligt lägre hastighet. Rörelseenergi (Wk) ges av formeln Wk = mv2/2, där m är massan och v hastigheten (v2 = vv, vilket uttalas "v i kvadrat" eller "v-två"). Rörelseenergin hos ett system är således proportionell mot kvadraten av hastigheten (v2) och direkt propotionell mot massan (m).

Att rörelseenergin är proportionell mot kvadraten av hastigheten innebär att om man fördubblar hastigheten så fyrdubblas rörelseenergin (2⋅2 = 4). Tredubblar man hastigheten så niodubblas rörelseenergin (3⋅3 = 9). Etc. Att rörelseenergin är proportionell mot massan betyder att om man fördubblar massan så fördubblas rörelseenergin. Och tredubblar man massan så tredubblas rörelseenergin etc.

Det går således åt dubbelt så mycket energi att accelerera dubbelt så mycket luft (till samma hastighet som innan) medan det går åt fyra gånger så mycket energi (bränsle) att accelerera en viss mängd luft till dubbla hastigheten. Vi skall strax se att båda dessa förändringar ger exakt samma ökning av dragkraften.

Dragkraften hos en jetmotor är en funktion av den accelererade luftens rörelsemängd, vilken betecknas p. Rörelsemängd definieras som massan (m) hos den accelererade luften/gasen multiplicerad med luftens/gasens strömningshastighet (v), dvs p = mv. Dragkraften (F) ges av sambandet F = dp/dt (derivatan av p med avseende på tiden t — dvs dragkraften är lika med förändringen av den strömmande luftens rörelsemängd per sekund). Det gäller således att dragkraften F = dp/dt = d(mv)/dt (eftersom p = mv). Vill man öka dragkraften kan man således antingen öka den strömmande luftens massa m eller dess hastighet v.

Antag att vi har en jetmotor, där gasflödet är m och hastigheten på detta flöde är v. Dragkraften F hos denna motor är då (enligt föregående stycke) F = d(mv)/dt. Antag nu att vi fördubblar antingen m eller v. Dragkraften blir då F = dp/dt = d(2⋅mv)/dt = 2⋅d(mv)/dt (resultatet blir samma oavsett om det är m eller v som fördubblats). Eftersom derivering är en linjär operation, kan vi flytta ut faktorn 2 och sätta den framför derivatan, vilket vi gjort i sista likheten. Före dubbleringen av m eller v så hade vi dragkraften F = d(mv)/dt. Efter dubbleringen av m eller v blir dragkraften F = 2⋅d(mv)/dt. Vi ser att dragkraften nu fördubblats jämfört med tidigare (jämför de understrukna termerna). Generellt så gäller att dragkraften hos en jetmotor kommer att förändras proportionellt mot förändringen av gasflöde (mängden gas) eller flödeshastighet. Eftersom derivatan av p (dvs F) beror på produkten av massan och hastigheten, kommer en förändring av m (med bibehållen hastighet) att ge exakt samma förändring av dragkraften som en motsvarande förändring av v (med bibehållen massa). Givetvis kan en konstruktör av olika skäl välja att samtidigt förändra både m och v. Dragkraften kommer då att ändras i enlighet med detta.

Ovan har framgått att det är mer ekonomiskt att accelerera dubbelt så mycket luft till samma hastighet (kräver dubbelt så mycket energi, dvs dubbelt så mycket bränsle) än att ge samma luftmängd dubbla hastigheten (vilket kräver fyra gånger mer energi). I båda dessa fall får vi, som visats ovan, en fördubbling av dragkraften. Utan att gå in på några närmare detaljer inser man att bränslevinsten med att accelerara mer luft (turbofläkt) i stället för att öka luftens hastighet (ren turbojet), måste vara avsevärd. Och det handlar om stora pengar med tanke på hur mycket bränsle ett stort trafikplan drar. Vid en interkontinental flygning med en jumbojet kan bränsleförbrukningen ligga på över 100 ton.

En KC-135 (som egentligen är en Boeing 707 anpassad för lufttankning) startar med vatteninsprutning. Att planet är försett med turbojetmotorer framgår av motorernas blygsamma diameter. Se texten nedan.

Den tredje stora fördelen hos turbofläktmotorn är att den har betydligt bättre dragkraft vid låg hastighet, vilket är viktigt i samband med start. Ett trafikplan med turbofläktmotor kan således starta från kortare banor och vid högre temperatur och höjd än ett motsvarande plan med turbojetmotorer. På den tiden när passagerarplanen hade turbojetmotor (första generationerna av DC-8 och Boeing 707) sprutade man in vatten (eller en blandning av vatten och metanol — metanolen fungerade som frysskydd) i motorerna (vilket gav en markant ökning av dragkraften) när man skulle starta från korta banor eller det var hett eller banan låg högt (exempelvis Madrid sommartid). Man fick då en rejäl rökstråle ut från motorerna bestående av vattenånga och oförbränt bränsle. Detta ser man ibland i gamla filmer.

 

Har turbofläktmotorn några nackdelar?

Turbofläktmotorer med stort BPR blir, som vi sett ovan, ineffektiva på riktigt höga höjder (där t ex höghöjdsspaningsplan opererar). Vill man flyga fort (över 1000 km/h) och högt så måste man minska bypassförhållandet (BPR) alltmer. Stridsplan har av denna anledning litet BPR. Man försöker undvika rena turbojetmotorer, eftersom dessa har hög bränsleförbrukning, vilket ger kortare räckvidd. Turbofläkten har ju också högre dragkraft i samband med start, något som är intressant även för stridsplan. Concorden flög i mach 2 (dubbla ljudhastigheten) på ca 60 000 ft höjd. Dvs extrem marschfart och extrem höjd. Därför valde man för detta plan rena turbojetmotorer utan fläkt.

Turbofläktmotorer med stort BPR har svårt att hantera snabba ändringar i pådrag. De fungerar bäst vid konstant belastning (t ex under cruise, där man flyger timme efter timme med konstant dragkraft/thrust). Vid luftstrid handlar det ju i hög grad om stora och snabba variationer i belastning. Där är således inte en renodlad turbofläkt med stort BPR lämplig.

 

Allmänt om jetmotorer

Utvecklingen när det gäller jetmotorer har varit anmärkningsvärd. Det är inte bara turbofläktmotorer med stort bypassförhållande som förbättrat bränsleekonomin. Genom nya material har man kunnat öka verkningsgraden avsevärt. En metod är att öka förbränningstemperaturen. Tidigare har det inte funnits material som klarat de höga temperaturer man eftersträvat (man var begränsad till en turbintemperatur av ca 800°C). Numera tillverkas turbinskovlarna av keramiska material och är luftkylda och klarar då 1400-2000°C. Man har också minskat vikten hos jetmotorer. Bl a så tillverkas själva fläkten idag ofta av kolfiber, vilket ger stor hållfasthet och mycket låg vikt (plus att gyralkrafterna blir mindre). Hittills har fläkten roterat med samma fart som lågtrycksturbinen, men idag finns s k växlade turbofläktar, där man har en växellåda som växlar ner fläktens hastighet (precis som på turboprop), vilket ger bättre bränsleekonomi. Problemet med detta har varit de stora förluster som en sådan växellåda ger vid de höga effekter som en stor jetmotor har. Men idag tycks man ha löst detta problem. Airbus 320 Neo och Boeing 737 Max, dvs de senaste modellerna av Airbus 320 respektive Boeing 737, har växlade turbofläktar och därmed betydligt lägre bränsleförbrukning än sina föregångare. Boeing 737-8 Max förbrukar t ex ca 14% mindre bränsle än sin motsvarighet i föregående generation, Boeing 737-800.

Under många år har man försökt att kontruera turbofläktmotorer med variable pitch (variabel stigning) på fläkten (detta innebär att fläktbladens vinkel kan ändras — se avsnittet om propellrar nedan för närmare förklaring av variable pitch). Fördelen är att man här kan ha konstant varvtal på motorn, oberoende av belastning. En sådan motor har byggts (Turbomeca Astafan) och testats på flygplan, men eftersom den aldrig använts på operativa flygplan, kan man gissa att det fanns en hel del problem man inte lyckades lösa. Flera motortillverkare har tittat på detta koncept och om någon så småningom skulle lyckas konstruera en praktiskt fungerande turbofläktmotor med variable pitch på fläkten, så kommer detta antagligen att innebära ett ytterligare kvantsprång när det gäller bränsleekonomi.

En kolvmotor svarar direkt på gaspådrag. Detta gäller inte för jetmotorer. De tar god tid på sig för att gå från tomgång till maximalt varvtal. Att varva upp en jetmotor till fullt varvtal (eller varvtal för go around) kallas spool up och den tid det tar kallas spool up time. I begynnelsen av jetmotoreran var detta ett stort problem. Drog man på med throtteln tog det flera sekunder innan motorn överhuvudtaget började gensvara och ytterligare kanske 10 sekunder innan den var uppe i maximalt varvtal. Drog man på för snabbt fanns dessutom risken att motorn stoppade. Detta har förbättrats under årens lopp men fortfarande är en jetmotor betydligt segare än en kolvmotor. När man landar på hangarfartyg ger piloten omedelbart fullt pådrag med full efterbrännkammare så snart hjulen tar mark. Om planets krok (tail hook) missar alla bromsvajrarna, måste man nämligen omedelbart ha maximal dragkraft för att kunna göra en go around. Har motorn hunnit varva ned för mycket, hinner den inte spoola upp och planet kommer att hamna i vattnet framför fartyget. Att man har full dragkraft på motorn har ingen betydelse för stoppsträckan. Bromsvajern bromsar in planet lika snabbt oavsett motorns dragkraft. Problemet med spool up tid på jetmotorer gör att man måste ha ganska högt tomgångsvarvtal under flygning (man skiljer mellan flight idle och ground idle, dvs flygtomgång och marktomgång — varvtalen för dessa brukar ligga på 60 respektive 40 % av maximalt varvtal). Inom civilflyget finns kravet att en jetmotor måste kunna varva upp från flygtomgång till 95 % av go-around thrust inom 6 sekunder. En motor med kort spool up tid kan därför ges ett lägre tomgångsvarvtal, vilket sparar bränsle i samband med landning (speciellt gäller detta vid s k grön inflygning, där motorerna går på tomgång under nästan hela descent). Motorerna på Boeing 787 Dreamliner (Rolls Royce Trent 1000) sparar under varje descent (nedgång inför landning) ca 330 kg flygbränsle tack vare sin korta spool up tid och därmed lägre tomgångsvarvtal. Speciellt på korta rutter, där det blir många landningar per dygn, kan man spara stora pengar. Och för stora flygbolag med många flygplan blir effekten avsevärd. SAS har ca 160 flygplan. Om vi tänker oss att alla dessa plan har motorer av ovanstående typ och i genomsnitt gör 2 gröna landningar/dygn och att man varje gång sparar 330 kg, så blir summan 105 ton/dygn, dvs en nätt besparing av ca 38 000 ton flygbränsle per år!

Generatorer på jetliners levererar växelström 115 V och 400 Hz (ombord finns också 28 V likspänning, vilken tas från växelspänningen genom nedtransformering och likriktning). Orsaken till den höga frekvensen (normalt har växelström frekvensen 50 eller 60 Hz) är att transformatorer (som i princip väger mycket) kan göras mindre (och därmed lättare) ju högre frekvensen är. Ett problem är att om man direktkopplar generatorerna till flygplanets motorer, så kommer generatorernas varvtal att variera med motorernas varvtal. Därmed kommer den genererade växelspänningens frekvens att variera, vilket leder till problem för en del apparatur ombord (vindkraftverk lider av samma problem).
Bilar har precis som flygplan trefas växelspänningsgeneratorer trots att bilar har 12 V likspänningssystem. Den genererade trefasväxelspänningen likriktas därför. Frekvensen spelar här ingen roll eftersom slutprodukten blir likspänning (att man använder trefas växelspänningsgeneratorer på bilar, beror på att dessa generatorer är mycket mer effektiva än likspänningsgeneratorer).
För att generera en konstant frekvens så drivs flygplansgeneratorer via en hydraulisk slirkoppling, vilken gör att generatorerna alltid roterar med samma varvtal och därmed alltid levererar 400 Hz oberoende av motorpådrag. Tidigare hade man en CSD (Constant Speed Drive) mellan motor och generator men numera är denna funktion inbyggd i generatorn och systemet kallas IDG (Integrated Drive Generator). Slirkopplingar och liknande har dessvärre dålig verkningsgrad, vilket rimmar illa med flygindustrins ambitioner att minska bränsleförbrukningen. På Dreamlinern (som hittills är ensam om detta) har Boeing tagit bort slirkopplingarna och låter således generatorernas varvtal variera. Frekvensen kommer då att ligga mellan 360 och 800 Hz. För många växelspänningsdrivna apparater (t ex lampor av olika typer) spelar frekvensen ingen roll och för de relativt få förbrukare som behöver exakt 400 Hz så likriktar man den variabla växelspänningen och växelriktar den sedan (elektroniskt) till frekvensen 400 Hz. En sådan elektronisk omformare har mycket högre verkningsgrad (97-99%) än en hydraulisk/mekanisk omformare, plus att endast en mindre del av effekten behöver omformas. Boeings lösning innebär en betydande bränslebesparing.

En enda Dreamliner, med sina toppmoderna motorer och aerodynamiska och tekniska optimeringar, släpper under 20 års flygning ut 77 miljoner ton mindre växthusgaser än föregående generation av motsvarande flygplan (denna minskning av utsläpp är lika med vad 1,2 miljoner bilar släpper ut under samma tidsperiod). Vad säger månne Miljöpartiet om det?

I ett tv-program om Airbus 350, som jag såg i juni 2019, redovisades några intressanta siffror beträffande hur trafikflygplan blivit alltmer bränsleekonomiska.
1950 låg bränsleförbrukningen inom trafikflyget i snitt på 10 l/passagerare/100 km, dvs 10 liter per passagerare per 100 kilometer.
2005 hade bränsleförbrukningen minskat till 3 l/passagerare/100 km.
2016 hade man kommit ned till knappt 2,5 l/passagerare/100 km.
En modern, liten bil drar ca 0,4 l/10 km, dvs 4 l/100 km. En modern bil med endast förare är således betydligt mer miljöskadlig än flyget. Med två personer i bilen går det ungefär på ett ut jämfört med att flyga.

De olika motortillverkarna försöker hitta olika sätt att optimera motorerna. Rolls-Royce har t ex motorer med tre axlar (N1, N2 och N3), dvs högtrycks-, mellantrycks- och lågtrycksturbiner och motsvarande kompressorer. Detta kallas "three spool engine" och sägs ge vissa fördelar men ökar komplexiteten. En stor jetmotor till ett jumboplan (som tar 400 passagerare eller mer) kan kosta 10-12 miljoner dollar och uppåt (vi talar om priset per motor). Det påstås att motortillverkarna säljer sina motorer med förlust, trots det höga priset. Det de tjänar pengar på är reservdelar och underhållsprogram (dvs ungefär som bläckstråleskrivare). Rolls-Royce har exempelvis ett centrum som övervakar motorstatus på flygplan i luften. Sensorer i motorerna sänder regelbundet information via satellit till centret, som hela tiden ser status på motorerna. Så plötsligt, mitt ute på Atlanten, kan piloterna få ett textmeddelande från Rolls-Royce, som säger att man upptäckt en vibration i 3:ans motor och att man rekommenderar piloterna att stänga av denna. Självklart tar Rolls-Royce betalt för den typen av service. Jag antar de andra stora motortillverkarna har liknande tjänster.

En McDonnell Douglas F-4 Phantom 2 med tänd efterbrännkammare några sekunder före start från ett hangarfartyg.

Militära stridsplan har ofta efterbrännkammare/ebk (after burner eller reheat). Detta innebär att man efter turbinerna sprutar in stora mängder bränsle i avgaserna från motorn. Dessa acceleras då ytterligare och ger ett väsentligt bidrag till dragkraft och därmed fart och acceleration, utan vikten av ytterligare en motor (ebk kan ses som en "extramotor" med minimal vikt, vilken kan startas upp vid akut behov av extra dragkraft). När ebk är tänd slår en lång eldslåga ut från utblåset på planet (se bilden ovan). Ebk är mer effektiv i samband med turbofläktmotorer (jämfört med turbojet), eftersom det i detta fall finns mer syre i avgaserna från motorn (tack vare fläkten). En efterbrännkammare kan öka en jetmotors dragkraft med upp till 70%! Nackdelen är att bränsleförbrukningen blir katastrofal. Med full ebk kan de flesta moderna stridsplan bara flyga några minuter innan bränslet är slut. Ebk är något man tar till i speciella situationer, t ex luftstrid eller om man vill starta på en kort bana med tung last eller vid start från hangarfartyg (där man dessutom har en katapult som hjälper till) eller om man vill stiga snabbt. När man säger att JAS Gripens topphastighet är mach 2+, dvs ligger över dubbla ljudhastigheten, är detta således en sanning med modifikationer. Detta kräver full ebk och man kan bara flyga med den farten under några minuter. 90 procent av tiden (förmodligen betydligt mer) flyger moderna stridsplan i underljudshastighet. Det finns dock undantag. Concorde hade ebk (det enda trafikplan som haft ebk) men efter att ha accelererat upp till mach 2 kunde man stänga av ebk och flyga i mach 2 på grundmotorn. Att kunna flyga i överljudsfart (dvs över mach 1) utan ebk kallas supercruise. En del stridsplan idag har supercruise, t ex Eurofighter (UK, Tyskland m fl), F-22 Raptor (USA), JAS Gripen (Sverige) och Rafale (Frankrike).

 

Ramjetmotorn

För fullständighetens skull kan jag nämna en ytterligare typ av jetmotor, den s k ramjetmotorn. Den går bara att starta i farter över mach 2,5, varför flygplan med ramjet måste ha en vanlig jetmotor eller raketmotor för att komma upp i denna fart.

Principen för ramjetmotorn. Konen i luftintaget är till för att minska den inkommande luftens fart till underljudsfart och sedan komprimera luften. Flamhållarna kontrollerar var förbränningen sker. Principen är som sagt väldigt enkel. Man sprutar bara in bränsle och inget mer. Inga rörliga delar. Kan det bli bättre?

Ramjetmotorn fungerar ungefär som en turbojetmotor men saknar rörliga delar, dvs har varken turbin eller kompressor. Vid farter över mach 2,5 har luften som kommer in i motorn så högt tryck att ingen kompressor behövs. Och behövs ingen kompressor behövs ingen turbin för att driva denna. Elektrisk ström och hydraultryck får genereras på annat sätt, genom ett batteri eller någon liten generator. Eftersom det inte finns någon turbin kan man ha betydligt högre förbränningstemperaturer än vad man har i en turbojet eller turbofläkt. Och får därmed en mer effektiv motor. Ramjetmotorn lämpar sig uppenbarligen bäst för mycket höga farter. Vissa robotar (luftförsvarsrobotar) har ramjetmotor (t ex Meteor, som kommer att användas av JAS Gripen), vilket ger betydligt större räckvid än en vanlig raketmotor. Det berömda spaningsplanet SR-71 hade en mycket speciell motor (Pratt & Whitney J58) som vid farter upp till mach 2,5 fungerade som en vanlig turbojet men vid högre farter automatiskt konfigurerades om så att den fungerade som ramjet. Detta kallades turboramjet (klicka här för ytterligare detaljer!).

Scramjet (supersonic combustion ramjet) är en variant av ramjet. Skillnaden är att den luft som sugs in inte bromsas ner till underljudsfart i luftintaget. Här har man supersoniskt luftflöde i hela motorn. För att starta en scramjetmotor måste flygplanet accelereras upp till mach 4. Scramjetmotorer har potential att driva flygfarkoster i hastigheter upp till mach 10 och över (det finns rykten om att NASA fått upp en scramjetdriven, obemannad farkost till mach 20). Raketmotorer kan visserligen åstadkomma ännu högre hastigheter men de är inte "luftandande" (som man brukar säga), dvs de har med sitt eget syre (vilket är nödvändigt vid rymdfärder men inte vid färder inom atmosfären). En stor del av en rakets drivmedelslast består således av syre. Em ramjetmotordriven luftförsvarsrobot (som den europeiska Meteor) får därför betydligt större räckvidd än motsvarande raketdriven robot.

Jetmotorer (turbojet, turbofläkt, ramjet och scramjet) är "luftandande" motorer, dvs de använder atmosfärens syre för förbränning, vilket gör att man kan ha med betydligt mer bränsle än när det gäller raketdrivna farkoster. Första steget på Saturnusraketen (som förde människan till månen) gjorde av med ca 635 ton raketbränsle och 1 441 ton (!) flytande syre under de 168 sekunder som stegets motorer brann. Hade motorerna varit luftandande (vilket givetvis inte skulle fungera vid rymdfärder), hade man kunnat ha med ytterligare 1 441 ton bränsle.

 

Turboprop

Propellerdrivna trafikplan av idag är nästan alltid av typ turboprop. Åtminstone gäller detta plan som tar mer än 10 passagerare. Turbopropmotorn kan ses som en vanlig turbofläktmotor, där man tagit bort kåpan runt fläkten och bytt fläkten mot en propeller. Dessutom har man en växellåda mellan propellerturbin och propeller för att få ner varvtalet — en stor propeller kan inte rotera med 5 000 varv/min eller mer (dvs ca 100 varv/s). Bl a så skulle då propellerbladens spetsar röra sig med flera gånger ljudhastigheten, vilket skulle göra propellern väldigt ineffektiv plus att centrifugalkraften skulle tendera att slita sönder den (vanliga turbopropflygplan som Dash-8 och ATR 42/72 har en propellerdiameter omkring 4 m — maximalt tillåtet propellervarvtal på t ex Dash-8 ligger på drygt 1000 till 1200 varv/min beroende på modell). Motorn är så designad att större delen av effekten tas upp av den turbin som driver propellern (propellerturbinen). Endast en mindre del driver kompressorer och hjälpapparater eller går ut i avgaserna.

En normal propeller har betydligt större diameter än fläkten hos en motsvarande jetomotor (ju större propellerdiameter desto effektivare blir propellern, dvs desto mer av motorernas effekt blir dragkraft).

Principen för en turbopropmotor. Bilden visar en enaxlad turbopropmotor. De flesta turboprop idag är tvåaxlade, där turbinsteget/-stegen längst till höger i bilden driver propellern medan övriga turbinsteg driver kompressorn.

Precis som hos turbofläktmotorn så har turbopropmotorn (oftast) två axlar (det finns t o m turbopropmotorer med tre axlar). Enda skillnaden är egentligen att hos en turbofläkt så driver lågtrycksturbinen en fläkt medan den hos en turboprop driver en nedväxlad propeller.

Turbopropmotorn kan således betraktas som en variant av turbofläktmotorn. Man skulle kunna kalla den "en unducted turbofan", eftersom kåpan som bildar yttre delen av bypasskanalen saknas (unducted betyder "utan kåpa"). En turbopropmotor har betydligt större BPR (50-100:1) än en turbofläktmotor (ca 12:1). Bypasskanalen är ju hela luftströmmen från propellern, runt motorkåpan, och är därmed inte speciellt väldefinierad ("bypasskanalen" saknar ju yttre kåpa). Vissa motorer tillverkas både i turbofläkt- och turbopropversion (med samma kärnmotor).

Omvänt kan man betrakta ett flygplan med turbofläktar som ett propellerplan (mellan 70 och 80% av dragkraften kommer ju från kalluften genom fläkten — på lägre höjder). Skillnaden är att "propellern" (fläkten) hos turbofläktmotorn har många flera blad och roterar med betydligt högre varvtal än propellern hos en turboprop. Plus att "propellern" är omgiven av ett "rör" (duct).

Men om det nu finns så stora likheter mellan turbofläkt och turboprop uppstår omedelbart en följdfråga. Varför har inte flygplan med turbofläktmotorer samma fartbegränsningar som ett propellerplan. Problemet med propellrar var ju att man vid hög fart får supersonisk strömning runt bladspetsarna och att propellrar därför inte fungerar i farter över ca 750 km/h medan ett modernt, jetdrivet trafikplan har en marschfart på bortåt 900 km/h. Hur kommer det sig således att turbofläktmotorer inte har samma problem? Svaret är mycket enkelt (och har redan diskuterats ovan). Luftintag på jetmotorer är så utformade att den inkommande luften, innan den når fläkten, bromsas in till betydligt lägre fart än själva flygplanets fart (fläkten sitter ju en bit in i luftintaget — läs mer om luftintag i avsnittet om turbojet). Dessutom är fläkten omgiven av en kåpa med minimalt spel mellan fläkt och kåpa (ca 3 mm). Detta eliminerar ytterligare virvelbildningen runt bladspetsarna på fläkten.

En Rolls-Royce Allison AE-2100 turbopropmotor på 4000-4700 hkr (beroende på version). 2015 var listpriset på den kraftfullaste versionen 3,10 miljoner USD. Fram till 2015 hade Rolls-Royce levererat 2000 motorer av denna typ. Både det klassiska, fyrmotoriga transportplanet C-130 Hercules och den tvåmotoriga Saab 2000 (se nedan) använder denna motor. Längst till vänster i bilden ser vi propellerväxeln. Läsaren kanske noterar att motorn är bak-och-framvänd, dvs luftintaget är längst bak (längst till höger i bilden). Denna princip används av de flesta turbopropmotorer och kallas reverse-airflow. Luft sugs in längst fram på motorkåpan och går i en kanal parallellt med motorn och gör en 180° sväng alldeles bakom motorn och sugs sedan in i motorn. Avgaserna går ut längst fram i motorn och via ett rör som är krökt 180° går de sedan ut bakåt. Dessa kanaler finns inte med i bilden, eftersom de inte utgör en del av motorn utan av motorinstallationen. Fördelarna med reverse-airflow är att man får en kort axel mellan den turbin som driver propellern och själva propellern plus att man slipper komplexa lösningar med roterande axlar inuti varandra.

När det gäller turbopropmotorer så är effekten den mest relevanta parametern för att ange "styrkan" hos motorn. Effekten uttrycks normalt i hästkrafter och mäts på propelleraxeln, precis som att en bilmotors effekt mäts på drivaxeln ut från motorn.

Turboprop har stora fördelar vid korta banor och korta flygsträckor. Vid korta sträckor flyger man inte på så hög höjd att det är någon nackdel med propeller. Eftersom ett propellerplan accelererar bra kan det starta från korta banor. Dessutom kan ett propellerplan gå ner väldigt brant. Jetplan är så strömlinjeformade att det är svårt att hålla farten nere när man vill minska höjden snabbt. Många propellerplan kan "bromsa" oerhört effektivt med propellrarna och kan tvärdyka om det behövs (fast detta kanske inte helt uppskattas av passagerarna). Visserligen är propellerplan långsammare än jetplan, men vid korta flygsträckor utgör climb och descent (stigning och sjunk) en stor det av flygtiden och den högre farten hos jetplan tjänar propellerplanet in i samband med start och landning. När Widerøe flyger i Norge kan flygtiden ibland vara så kort som 8 minuter. Så vid den här typen av linjenät är turboprop betydligt mer ekonomiskt än jet.

En turbopropmotor är betydligt mindre och lättare än en konventionell kolvmotor med samma hästkraftantal.

En kolvmotor väger knappt ett kilogram per hästkraft (en kolvmotor på 1000 hkr väger således ca 1000 kg). En turbopropmotor väger en femtedel av detta per hästkraft, dvs 200 kg per 1000 hkr. På ett kolvmotordrivet flygplan kommer således motorernas vikt att utgöra en avsevärd del av totala vikten. Detta gäller uppenbarligen inte ett turbopropplan.

Tack vare detta kan relativt små propellerplan ha oerhört starka motorer, vilket ger bra kortbaneegenskaper och hög marschfart. Att turbopropmotorer dessutom är mycket mer driftsäkra än kolvmoterer innebär givetvis ett ytterligare plus för denna motortyp.

Läsaren inser säkert (utifrån principskissen ovan för turbopropmotorn) att en turbopropmotor inte har någon kompression (vilket en kolvmotor har). Dvs propellern snurrar mer eller mindre fritt när motorn är avstängd. Vid stark vind kan propellrarna på ett parkerat turboprobplan av detta skäl snurra snabbt (som en väderkvarn). Därför säkrar man dem med band eller rep för att undvika att t ex ombord- eller avstigande passagerare skadas (se sista bilden i denna artikel).

Saab 2000 under taxning. Varje motor är på 4150 hkr!

Vanliga turbopropplan idag är olika varianter av Dash-8 (100, 200, 300 och 400) och ATR (42 och 72) och Fokker (27 och 50) för att nämna några som tillverkas i Väst (sista bilden nedan visar en Dash-8 Q100). Kapaciteten ligger mellan 30 och 90 passagerare. Forna Östblocket har Antonov 26, LET L-410 och en del andra. Även Saab har legat långt fram inom detta område. Saab 340 (flög första gången 1983) var det mest sålda propellerplanet i världen (459 exemplar tillverkades och 226 flyger forfarande 2019) i sin storleksklass (ca 34 passagerare). Saab 2000 (50 passagerare) från 1992, en större och snabbare kusin till 340, var ett mycket lovande plan, men tillverkades tyvärr bara i mindre antal (63 st), eftersom flygbolagen vid den tidpunkt när Saab 2000 introducerades inte trodde att turboprop hade någon framtid (vilket visade sig vara totalt fel). Saab 2000 hade så att säga dålig tajming (eller med andra ord otur). Vilket var synd, eftersom Saab 2000 är ett utmärkt plan, som har nästan samma marschhastighet (665 km/h) som ett mindre jetplan.

 

Lite mer om propellrar

(det mesta jag skriver nedan gäller också för kolvmotordrivna propellerplan)

Propellrar var från början fasta, dvs bladen hade en fixerad stigning (anfallsvinkel för propellerbladen). Stigning betyder helt enkelt vinkeln mellan propellerbladen och luftsströmningen. På engelska används begreppet pitch. Pitchen har mycket stor betydelse för en propellers verkan. På den tiden fick man välja propeller beroende på inom vilket fartregister man skulle flyga och om propellern skulle vara optimerad för hög fart, bra acceleration, bra bränsleekonomi etc. Så småningom kom ställbara propellrar (variable pitch propellers). Där kan stigningen varieras genom att bladen vrids kring sin axel (hydrauliskt eller elektriskt). Pitch kontrolleras antingen av piloten eller automatiskt (eller båda). På så sätt kan man få en propeller som är optimerad i alla situationer (moderna fartyg har f ö liknande propellerstystem). Vissa flygplan har s k constant speed propellers. Motorn (och propellern) roterar då med samma varvtal oberoende av om planet stiger eller sjunker eller flyger på en viss höjd, dvs oberoende av belastningen (en motor är som mest effektiv vid ett visst varvtal och kan man hålla detta varvtal oberoende av belastningen är det en stor fördel). Svenska Wikipedia beskriver detta på följande sätt:

För att förenkla arbetssituationen för piloten och även göra flygningen mer ekonomisk är flygplan med omställbar propeller ofta, men inte alltid, försedd med en regulator som anpassar bladvinkeln efter motorns belastning så att varvtalet och därmed effektuttaget hålls konstant.

Vid start har man liten bladvinkel (fine pitch) och får därmed högt varvtal på motorerna, vilket gör att motorerna ger full effekt och därmed maximal dragkraft (ljudnivån blir samtidigt hög). Detta svarar mot ettans växel i en bil. Någon minut innan landning ställs propellrarna också in för fine pitch, eftersom man vill ha stor dragkraft om man skulle behöva gå om (göra en go around). Titta gärna på denna video som visar en Dash-8 Q100 landande på Honingsvåg i Nordnorge (vid ca 3:28 ändras propellerinställningen inför landningen, vilket framgår av motorljudet — observera att inflygningen sker vinkelrätt mot banan på grund av omgivande terräng). Fine pitch ger dock dålig ekonomi och alltför hög ljudnivå, varför bladen under climb, cruise och descent ställs in med stor stigning (coarse pitch). Då får man lågt motorvarv (och behaglig ljudnivå) och bra ekonomi. Bladen "biter" så att säga bättre i luften och då kan propellrarna ha lägre varvtal och ändå ge samma dragkraft. Detta svarar mot att man i en bil kör på femmans växel.

Genomskärning av en Hamilton Standard constant speed propeller från WW2. Denna propeller användes av många amerikanska jakt-, bomb- och transportplan. Tyskarna licenstillverkade den under WW2 och betalade t o m licensavgift till Hamilton Standard (som var ett amerikanskt företag) under hela kriget (typiskt tysk byråkrati). Ovanstående propeller är en av de klassiska propellrarna i flygets historia. Den var oerhört tillförlitlig och dessutom förhållandevis lätt att underhålla och finns än idag på många flygplan.
Hamilton Standard (sedan 2018 en del av Collins Aerospace) har varit, och är fortfarande, bland världens största tillverkare av ställbara propellrar.

På många propellerplan kan bladen också vinklas för reversering. Detta används på samma sätt som reversering av jetmotorer, dvs för att bromsa in planet vid landning. Och i princip också för att backa planet. Vid ett tillfälle skulle jag flyga från Havanna till Cayo Largo (på Kuba) i en Antonov An-26 (ett tvåmotorigt turbopropplan, konstruerat i Ukraina). När vi skulle backa ut från gaten gjorde planet detta för egen maskin, genom att reversera propellrarna. Eftersom An-26 är ett högvingat plan, är motorerna placerade högt över marken och risken att suga in grus och annat skräp (FOD — Foreign Object Damage) blir liten. På jetplan, som oftast har vingarna lågt placerade och dessutom motorerna under vingarna, är risken för FOD alltför stor för att man skall våga sig på något sådant.

Ett enmotorigt flygplan som får motorbortfall är hänvisat till att försöka glidflyga till något näraliggande flygfält eller att nödlanda i terrängen. Ett modernt, tvåmotorigt turbopropplan flyger däremot alldeles utmärkt på en motor. Det finns emellertid en hake. Eftersom en turbopropmotor inte har någon kompression, roterar propellrarna utan motstånd och propellern på den trasiga motorn kommer då, på grund av fartvinden, att rotera med högt varvtal (windmilling). Man skulle kanske kunna tro att detta inte borde spela någon roll. Men det gör det dessvärre. Det spelar en mycket stor roll. En fritt roterande propeller ger nämligen samma luftmotstånd som en tvärställd, cirkulär träskiva med samma diameter som propellern. Detta gör att planet vill svänga kraftigt åt den trasiga motorns håll och blir mycket svårt att manövrera. Vilket måste motverkas genom sidorodret. Inträffar motorstoppet i samband med start eller landning är en sådan situation direkt livsfarlig, eftersom farten är så låg att sidorodret har begränsad verkan. Många haverier med dödlig utgång har inträffat i detta läge.

Bilden visar en flöjlad propeller på en C-130 Hercules

Vid motorbortfall måste man omedelbart "nollställa" propellerbladen, dvs vrida dem så att bladen blir parallella med fartvinden. Propellerns rotation upphör då. Detta kallas att flöjla propellern. På engelska säger man feather.

I samband med start och landning är det således livsviktigt att propellern på den havererade motorn flöjlas med minimal tidsfördröjning. De flesta moderna turbopropplan har s k auto feather (autoflöjling), som aktiveras före start och landning. Om en motor stannar under start eller go around, så gör detta system att den aktuella propellern blixtsnabbt flöjlas automatiskt. Något som avsevärt ökar säkerheten.

Även vid flöjlad propeller på den stoppade motorn vill planet givetvis svänga mot denna motor (eftersom vi har asymmetrisk dragkraft). I detta fall räcker dock sidorodret till för att kompensera för asymmetrin, även i samband med start och landning.

Låt mig avslutningsvis visa en bild på mitt favoritturbopropflygplan — Bombardier Dash-8 Q100 (Q står för "Quiet", dvs tyst, eftersom man har en aktiv ljuddämpning — "active noise and vibration suppression").

Min gode vän Bengt på väg att kliva ombord på en Dash-8 Q100 (eller möjligen en Q200, som har lite starkare motor), parkerad på flygplatsen i Hammerfest (världens nordligaste stad). Visst ser planet kraftfullt och kompakt ut?! Detta plan flygs i Norge av Widerøe. Det är ett av de få plan i den storleksklassen (max 39 passagerare) som klarar banor med bara 800 m längd.
Den observante läsaren kanske lägger märke till att propellrarna (som f ö är av märket Hamilton Standard) är flöjlade. Anstränger man sig lite så urskiljer man också det band som "säkrar" propellern närmast i bild från att rotera i vinden (vilket nämnts ovan). Bandet går mellan de två nedre bladspetsarna och en ögla under motorn.

Tillbaka till huvudartikeln "Varför flyger flygplan?"
Tillbaka till Kristers Flygsida