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

(note: at the top of the page you can choose translation of this article to other languages, but don't expect the translation to be perfect — "Välj språk" means "Choose language")

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 den 24-cylindriga H-motorn Napier Sabre (se denna artikel — scrolla ned till Hawker Tempest). Det har även funnits flygplan med dieselmotorer, men detta har varit extremt ovanligt, eftersom dieselmotorer tidigare var betydligt tyngre än ottomotorer. Utvecklingen av moderna lättviktsdieslar har emellertid lett till att det numera finns en del småflygplan med dieselmotorer, och detta tycks bli allt vanligare.

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 Constellation 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, när den var färdigutvecklad, 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-6B 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 optimalt.

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 stötstänger och annat som går fram och tillbaka och öppnar och stänger ventiler och där allt måste ske 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 mekaniskt 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 via växellådor, 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 komprimeras 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.

Bilden visar kompressorsystemet för det amerikanska jaktplanet Republic Thunderbold P-47, vilket användes under WW2. Detta plan hade imponerande höghöjdsegenskaper och mycken möda hade lagts ned på kompressorsystemet.

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). Avgasrören på de stora kolvmotorerna för flygplan var dessutom riktade bakåt, vilket gav ett visst bidrag till dragkraften (de fungerade som en jetstråle). Allt för att utnyttja rörelseenergin hos avgasarna till sista droppen. Det hela gick helt enkelt ut på att krama så mycket kraft som möjligt 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. Det finns flera orsaker till detta. En är att när farten ökar så blir flödet runt spetsarna på propellerbladen supersoniskt (överljudsfart). Detta leder till att propellern förlorar alltmer av sin effektivitet. Ett ytterligare problem är att en propellers dragkraft (uttryckt i t ex newton) minskar över en viss fart hos flygplanet (storleken på denna fart beror på propellerns utformning). En viss motoreffekt ger således, när farten överskrider ett visst gränsvärde, mindre och mindre dragkraft allt eftersom flygplanets fart ökar. Samtidigt ökar luftmotståndet kubiskt med farten (proportionellt mot farten upphöjt till 3). När planet accelererar så "möts" därför så småningom dragkraft och luftmotstånd (dvs bli lika stora) och vidare acceleration är inte möjlig. För att övervinna denna gräns, måste motoreffekten ökas dramatiskt. Men hur stark motor man än har så kan man bara åstadkomma ganska blygsamma ökningar av maxfarten. Propellrar fungerar med andra ord utmärkt i lägre farter, men vid höga farter (600 km/h och uppåt) blir de alltmer ineffektiva eller kräver orealistiskt starka motorer. När höjden ökar, och luften blir allt tunnare, minskar dessutom effektiviteten hos en propeller (i vakuum fungerar en propeller inte alls medan en raketmotor, där själva drivningen sker efter samma princip som hos en jetmotor, fungerar utmärkt). Att flyga högt och fort är således svårt att förena med propellerdrift.

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 (orkar du inte titta på hela filmen kan du spola fram 3 minuter, så få du se när motorn startar). 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). Så småningom lyckades man lösa kylproblemet (bl a genom utvecklingen av bättre metallegeringar) och 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 von Ohain 1935 började arbeta med jetmotorer. Jag finner det osannolikt att von Ohain inte skulle känt till och tagit del av Wittles patent.

Otto von Ohain tillfrågades flera gånger under intervjuer efter kriget om han kände till Whittles patent när han började konstruera sin jetmotor. Han besvarade aldrig denna fråga.

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.

Det fanns också en svensk jetmotorpionjär, Anders Lysholm, som bl a var professor i ångteknik på KTH. Denne började designa en jetmotor under slutet av 1920-talet och tog patent 1932, dvs 2 år efter Whittle. Lysholmsmotorn var tänkt att driva en propeller, dvs det handlade inte om en renodlad jetmotor utan om en turbopropmotor (se slutet av föreliggande artikel). Bofors tillverkade en motor enligt Lysholms ritningar och anvisningar och denna provkördes (om man googlar så hittar man bilder på Lysholms motor). Problemet var att den var alldeles för tung och hade dålig tillförlitlighet bl a på grund av att man inte hade tillgång till lämpliga metallegeringar.

Som när det gäller så många andra stora uppfinningar så var tiden (början av 1930-talet) helt enkelt mogen för jetmotorn. Den låg så att säga i luften. Själva principen var kanske inte så svår att komma på för den som hade lite fantasi och kunskap. Men steget från att tänka ut en allmän motorprincip och att konstruera något praktiskt fungerande är enormt (ofta betydligt större än att tänka ut själva principen). En praktiskt fungerande flygplansmotor måste vara förhållandevis lätt, tillräckligt kraftfull, mycket tillförlitlig och ha acceptabel verkningsgrad. Utan att på något sätt förringa Anders Lysholm eller de andra jetmotorpionjärerna (dit också italienaren Secondo Campini måste räknas) så var Whittle först med att ta patent och först med få fram en hyfsat fungerande jetmotor. Whittle är därför den som skall ha största äran för jetmotorn.

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)!!!

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, (också kallade radialkompressorer) 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).

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. Utgastrycket ökar för varje steg. 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.

Att Whittle gjorde rätt i att för tillfället hålla fast vid radialkompressorn, visas av skillnaden i tillförlitlighet mellan de brittiska jetmotorerna och de tyska. Skillnaden var dramatisk och de tyska motorerna var notoriskt nyckfulla. Var man minsta oförsiktig vid pådrag stoppade ofta motorn på de tyska planen, vilket givetvis var till stor nackdel i luftstrid. Det var också stor skillnad i livslängd mellan de brittiska och de tyska jetmotorerna. De två viktigaste jetjaktplanen under WW2 var brittiska Meteor och tyska Messerschmitt 262 (Me-262). Meteors motor hade en livslängd på ca 1000 timmar jämfört med ca 25 timmar för Me-262:s motor (enligt det tyska flygaresset Adolf Galland var den snarare 12 timmar). De brittiska motorerna var kanske inte helt perfekta, men skillnaden var som sagt dramatisk till britternas fördel. Därför är det så löjligt när man i många WW2-dokumentärer framställer de Allierade som dräglande byfånar som står lamslagna och beundrande inför den totalt överlägsna tyska tekniken.

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).

Vissa stridplan har s k thrust vectoring för att öka sin manövrerbarhet. Detta innebär att man kan rikta jetstrålen rakt uppåt/nedåt eller rakt höger/vänster eller snett uppåt/nedåt. Om jetstrålen bara kan riktas längs en axel, t ex uppåt neadåt kallas detta 2d thrust vectoring. Det amerikanska superjaktplanet F-22 kan bara rikta utblåset upp och ned, dvs i pitchled, vilket redan det dramatiskt ökar manövrerbarheten. Kan jetstrålen riktas å alla håll talar man om 3d thrust vectoring. Ibland påstår man att vissa tvåmotoriga ryska plan har 3d thrust vectoring. Såvitt jag vet är inte detta helt korrekt. Skillnaden är axeln lutar 15° (tror jag) och genom att kombinera de två munstyckens vridning (de kan således vridas oberoende av varandra) kan man få krafter både i pitch-, roll- och yawled. 3d thrust vectoring ökar givetvis manövrerbarheten ytterligare, men är samtidigt mer komplicerat och ökar risken för felfunktion hos flygplanet. Som alla ingenjörslösningar så handlar det om kompromisser och vid konstruktion av ett stridsplan så vägs många faktorer mot varandra. Och mekanisk tillförlitlighet är här en mycket viktig faktor. Den intresserade läsaren rekommenderas att läsa mer om thrust vectoring på Wikipedia (helst engelska versionen).

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 bakåtriktad 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 (även i England användes motsvarande terminologi). 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).

Turbojetmotorer 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 för flygplan 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.

En del 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 en mindre kanon (vilket framgår av bilden ovan).

Boeing 787 Dreamliner, som är ett i stort sett helt elektrifierat flygplan, har elektriska startmotorer. Dessa kräver mycket elektrisk effekt och vid motorstart används externa markaggregat eller planets APU (en vanlig APU har en generator, Dreamlinerns APU har två).

Om en motor behöver återstartas under flygning, kan man ta bleedair (tryckluft från kompressorn — se förklaring nedan) 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) samt dålig dragkraft vid låg fart (t ex vid start).

Lite kuriosa: För en fysiker är i viss mening fyrtakts kolvmotorer ekvivalenta med jetmotorer. De fyra takterna i en kolvmotor kallas insug, kompression, explosion/expansion 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. Frank Whittle var pappa även till denna motor och tog patent på den redan 1936. Strax efter kriget började han arbeta med turbofläktmotorer. Det skulle dock dröja flera decennier innan sådana motorer började användas i någon större skala.

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 kommer att förklaras alldeles strax.

Ibland används uttrycken enkelströmsmotor/dubbelströmsmotor i stället för turbojet/turbofläkt. "Dubbelström" syftar på att turbofläktmotorn har två separata gasströmmar; varmluft (genom kärnmotorn) och kalluft (genom bypasskanalen — se bilden ovan och förklaring nedan).

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 (världens starkaste 2020) turbofläktmotor (en GE-90, se nästa bild). Planet är en Boeing 777 (vilket framgår av att landningsstället är en trippelboggie, dvs har 3 axlar, där de bakersta hjulen är styrbara). 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 ca 2500 varv/min. På en mindre jetmotor kan motsvarande varvtal ligga runt 30 000 respektive 4 500 varv/min (kuriosa: det finns mikroturbiner som har varvtal på 500 000 varv/min!). Fläkten på ett modernt passagerarplan har, som framgår av nästa bild, 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/tar 90-180 passagerare) var 3,3 m, dvs ungefär samma storleksordning som diametern hos de största jetmotorerna av idag.

En mindre del av kalluften, från något av kompressorstegen, 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 samt används för avisning av vingarna och ger också grundläggande hydraultryck till reservoarerna med hydraulvätska (sedan boostas detta tryck med hydraulpumpar, vilka drivs elektriskt eller direkt av planets motorer).

Ofta har jetmoterer inte ett utan två eller i vissa fall tre (Boeing 777) uttag för bleed air (bleed ports). Ett uttag i "början" av kompressorn (där trycket är lågt) och ett i "slutet" av kompressorn (där trycket är betydligt högre). Högtrycksuttaget används när motorvarvet är lågt (t ex vid taxning eller under descent på tomgång) och på hög höjd (där yttre lufttrycket är väldigt lågt) medan lågtrycksuttaget används vid höga varvtal (start, climb och cruise) och på låg höjd, där yttre lufttrycket är högt. Vilket uttag som används bestäms av en logikstyrd ventil som är programmerad för att hålla rätt tryck i planet med så små effektförluster i motorn som möjligt.

Boeing 787 Dreamliner har till stora delar 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 mellan 5:1 och 12:1 (BPR ökar för varje motorgeneration). 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 (jämfört med vid havsytans nivå). 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 kompressorstall (kompressorblad fungerar som vingprofiler och kan stalla om de får för hög anfallsvinkel i förhållande till luftströmmen). Kompressorstall kan leda till att motorn stoppar, vilket kallas engine surge. Kompressorstall och surge innebär således att motorn inte får tillräckligt med luft, vilket ger 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 F4 Phantom II, F-15, Mig-21, 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 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

General Electrics motor CJ805-23. Luftintaget är längst till vänster. Vi ser att fläkten är placerad efter kärnmotorn (gasgeneratorn) 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).

I själva verket var CJ805-23 General Electrics första försök att utveckla en turbofläktmotor från deras tidigare CJ805-3 (som var en turbojetmotor) genom att helt enkelt göra fläktenheten autonom och montera den längst bak på turbojetmotorn. En fördel med systemet var att man kunde skruva fast fläktenheten på i princip vilken gasgenerator som helst. Men eftersom idén med fläktenheten längst bak på motorn inte utvecklades vidare, blir slutsatsen att nackdelarna var större än fördelarna. Speciellt med tanke på att flygbolagen inte längre var intresserade av hög fart utan av lång räckvidd och stor last- och passagerarkapacitet.

På grund av den höga farten var en konventionell turbofläktmotor med relativt stort bypassförhållande inte lämplig av skäl som diskuteras nedan i samband med turbopropmotorer (turbofläktens propellerliknande egenskaper). General Electric hade tagit fram en motor med fläkten placerad längst bak och denna motor var som klippt och skuren för Coronado, eftersom den hade potential att vara mer effektiv än en konventionell turbofläkt vid höga farter. 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 luftintagen till kärnmotorn (de inre "cylindrarna"). Fläkten sitter, som framgått ovan, bakom kärnmotorn. Den stora bulan på vingens baksida är till för att uppfylla area rule (se artikeln om drag/luftmotstånd). Coronadon hade fyra sådana bulor. Genom dessa så fördelades planets tvärsnittsarea bättre, vilket minskade luftmotståndet vid höga farter. Coronadons räckvidd ökades samtidigt genom att man använde bulorna som bränsletankar.

Kuriosa: 1960 skrev Douglas ett kontrakt med franska Sud Aviation, enligt vilket Douglas skulle sälja och underhålla och eventuellt också licenstillverka 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 inledningen till 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?

I) Den första är att ljudnivån minskar dramatiskt. 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 stycken kräver vissa kunskaper i gymnasiematematik för att kunna förstås till fullo)

II) Nästa fördel är att bränsleförbrukningen reduceras avsevärt. En turbojetmotor accelererar en relativt liten mängd gas (luft) till hög hastighet medan en turbofanmotor accelererar en stor mängd gas till betydligt lägre hastighet (jämfört med vad som gäller i fallet turbojet). Rörelseenergi (W_k) ges av formeln

där m är massan och v hastigheten (v² = v⋅v, vilket uttalas "v i kvadrat" eller "v-två"). Hastighet är en vektor och betecknas därför med fetstil, men hastigheten skalärmultiplicerad med sig själv (i kvadrat) blir en skalär (se min artikel om klassisk fysik). Energi är också en skalär, eftersom energi inte har någon riktning. Av formeln framgår att rörelseenergin hos ett system är proportionell mot kvadraten av hastigheten (v²) och direkt propotionell mot massan (m). När vi accelererar ett objekt till en viss fart så får detta objekt en motsvarande rörelseenergi. I en jetmotor omvandlas den kemiska energi som finns lagrad i bränslet till rörelseenergi hos gasflödet genom motorn (genom att accelerera detta flöde). Om vi fördubblar gasflödets hastighet blir rörelseenergin hos gasflödet 4 gånger så stor, dvs bränsleförbrukningen fyrdubblas, medan om vi i stället fördubblar gasflödets massa så blir rörelseenergin dubbelt så stor och bränsleförbrukningen därmed dubbelt så stor.

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 gas/luft till samma hastighet som innan, medan det går åt fyra gånger så mycket energi att accelerera samma mängd gas som innan till dubbla hastigheten, vilket avspeglas i motsvarande bränsleförbrukning. Vi skall nu visa att båda dessa förändringar ger exakt samma ökning av dragkraften.

Rörelsemängd betecknas p och definieras som massan m hos ett objekt multiplicerad med objektets hastighet v, dvs p = m⋅v. Enligt Newtons andra lag gäller att mekanisk kraft F ges av sambandet F = dp/dt. Uttrycket dp/dt är derivatan av p med avseende på tiden och är ett mått på hur mycket p förändras per sekund. Kraft är således kopplad till förändring av rörelsemängd.

Förändringar anges genom derivator (som utgör en mått på hur en storhet förändras). Förändringen av funktionen f(x) per sekund, dvs derivatan av f(x) med avseende på tiden t, betecknas df(x)/dt.

De gamla grekerna menade att kraft åstadkommer rörelse. Galilei och Newton visade att detta är fel och att kraft åstadkommer förändring av rörelse (dvs acceleration). Grunden för denna insikt var upptäckten av fenomenet tröghet. Enligt tröghetslagen så bibehåller ett föremål som inte påverkas av några krafter sin hastighet (till både storlek och riktning). Att en kastad boll eller en rullande kula inte fortsätter rakt fram hur länge som helst beror på yttre krafter som gravitation och friktion. Ute i rymden fortsätter en kastad boll rakt fram i evigheters evighet (eller tills den kolliderar med något eller sugs in i en stjärnas eller planets graviationsfält).

Tillämpat på en jetmotor med gasflödets (g) rörelsemängd lika med p_g blir således motorns dragkraft lika med förändringen av gasflödets rörelsemängd per tidsenhet (dvs accelerationen av gasflödet när det passerar genom motorn). Uttryckt matematiskt ges dragkraften F_d av sambandet

En jetmotors dragkraft F_d ges således av sambandet F_d = dp/dt (derivatan av p med avseende på tiden t), dvs dragkraften är lika med förändringen av rörelsemängden per sekund hos den luft/gas som passerar genom motorn. Det gäller nu för dragkraften F_d att

där v_g är gasflödets hastighet och m_g dess massa. Eftersom p_g = m_g⋅v_g. Vill man öka dragkraften kan man således antingen öka den strömmande gasens massa m_g eller dess hastighet v_g. Observera att kraft F och rörelsemängd p är vektorer (vilka har både storlek och riktning) och betecknas med fetstil medan massan m är en skalär (som bara har storlek) och betecknas med vanlig stil.

Antag nu att vi har en jetmotor, där gasflödet är m_g och hastigheten på detta flöde är v_g. Dragkraften F_d hos denna motor är då (enligt föregående stycke)

Antag nu att vi fördubblar antingen m_g eller v_g. Dragkraften blir då

Resultatet blir samma oavsett om det är m_g eller v_g som fördubblas. Derivering är en linjär operation och vi kan därför flytta ut faktorn 2 och sätta den framför/utanför derivatan, vilket vi gjort i sista likheten. Före dubbleringen av m_g eller v_g så hade vi dragkraften F_d = d(m_g⋅v_g)/dt. Efter dubbleringen av m_g eller v_g blir dragkraften F_d = 2⋅d(m_g⋅v_g)/dt (observera 2:an framför!). Vi ser att dragkraften nu fördubblats jämfört med tidigare (jämför de understrukna uttrycken). Generellt så gäller att dragkraften hos en jetmotor kommer att förändras proportionellt mot förändringen av gasflöde (mängden gas) eller flödeshastighet. Eftersom derivatan av p_g (dvs F_d) beror på produkten av massan och hastigheten, kommer en förändring av m_g (med bibehållen hastighet) att ge exakt samma förändring av dragkraften som en motsvarande förändring av v_g (med bibehållen massa). Givetvis kan en konstruktör av olika skäl välja att samtidigt förändra både m_g och v_g. Dragkraften kommer då att ändras i enlighet med detta.

Vi har således nu bevisat att en ökning av gasflödets hastighet i en jetmotor ger exakt samma förändring i motorns dragkraft som en lika stor förändring av gasflödets massa.

Någon läsare kanske nu undrar om man inte bara kunde bygga en större turbojetmotor och på så sätt öka massflödet utan att öka gasflödets hastighet och därmed slippa ha en motor med två axlar, två turbiner etc. Det kunde man givetvis, men det kommer inte att fungera lika bra. Hade det fungerat lika bra hade givetvis ingenjörerna valt detta alternativ! I en turbojetmotor, där förbränning sker, måste vi ha en viss hastighet på gasflödet för att den skall fungera. I en turbofläkt har vi två separata flöden. I kalluftflödet, som skapas av fläkten, vilken drivs av en särskild turbin, kan man bolla med gasflödets hastighet och massa hur man vill utan att ta hänsyn till att förbränningsprocesser skall fungera optimalt. Kärnmotorn kan optimeras för sin uppgift (att driva fläkten och att ge dragkraft genom sitt utblås) och fläkten för sin (att skyffla kalluft bakåt med lämplig fart och flöde). Detta, plus de två ytterligare fördelar som ges av punkt I och III, gör att turbofanmotorn är det för närvarande bästa alternativet för jetliners, utifrån det höjd- och fartregister som gäller för dessa.

Ovan har framgått att det är mer ekonomiskt att accelerera dubbelt så mycket gas till samma hastighet (kräver dubbelt så mycket energi, dvs innebär att bränsleförbrukningen fördubblas jämfört med innan) än att ge samma gasmängd dubbla hastigheten (vilket kräver fyra gånger mer energi och därmed ger fyra gånger så stor bränsleförbrukning som innan). I båda dessa fall får vi, som visats ovan, en fördubbling av dragkraften. Utan att gå in på närmare detaljer inser man att bränslevinsten med att accelerera mer gas (turbofläkt) i stället för att öka gasens 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.

I praktiken är turbofläktmotorer med stort bypassförhållande (BPR) inte riktigt så glamorösa som antyds ovan. Som redovisats tidigare så genererar fläkten, när höjden ökar, en allt mindre del av den totala dragkraften. Över 40 000 ft står fläkten för endast ca 20% av den totala dragkraften och kärnmotorn (gasgeneratorn) för ca 80% (beroende på BPR), dvs motorn är i detta fall till ca 80% en ren turbojet. Å andra sidan är luftmotståndet på 40 000 ft och uppåt så litet jämfört med på lägre höjder att det i alla fall lönar sig att flyga högt.

Även om turbofläktmotorer med stort BPR i praktiken inte helt lever upp till den fördelaktiga teoretiska kalkylen ovan så har de, generellt sett, en avsevärt bättre bränsleekonomi än rena turbojetmotorer — inom det höjd- och fartregister som normalt används av jetliners.

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.

III) Den tredje stora fördelen hos turbofläktmotorn är att den har betydligt bättre dragkraft än motsvarande turbojet 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 (turboprop, som har stora likheter med turbofan, har samma fördel — se avsnittet nedan om turboprop). 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?

I) 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.

II) 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 motorbelastning. Där är således inte en renodlad turbofläkt med stort BPR lämplig.

Unducted Fan

På 1980-talet började man experimentera med unducted-fan-motorer (unducted står för "utan yttre motorkåpa"). Här handlar det om en slags turbofläktmotor, där man tagit bort den yttre motorkåpan så att fläkten/fläktarna roterar helt öppet.

En unducted-fan-motor, också kallad propfan. Skall man vara riktigt noggrann är unducted fan och propfan inte riktigt samma motortyp. Den intresserade läsaren hänvisas till Wikipedias artikel om propfan.

Unducted-fan-motorn har antingen två propellrar/fläktar som är motroterande eller också är den bakre propellerenheten fast med blad som har variable pitch och som optimerar luftflödet vid den främre, roterande fläkten/propellern. Det finns också sådana motorer med bara en enda propeller/fläkt. Bypassförhållandet blir inte så väldefinierat, eftersom det inte finns någon väldefinierad bypasskanal (se principskissen av turbofläktmotorn i början av avsnittet om denna motortyp). Givetvis bidrar gaserna från kärnmotorn till dragkraften. En unducted-fan-motor placerades på en MD-80 och provades under flera år på 1980-talet. Den visade sig ha många fördelar, bl a mycket bra bränsleekonomi men hade en extremt hög ljudnivå. Till och med på cruise (30 000 ft och uppåt) var ljudnivån oacceptabelt hög på marken. Entusiasmen för denna motortyp svalnade därför. Men under senare år har man återigen börjat experimentera med unducted fan. Dessa motorer utgör ett mellanting mellan fläktmotorer och turboprop. Men "propellrarna" är mer lika fläktar än konventionella propellrar. Inom branschen tycks förväntningarna på unducted fan vara stora. Man räknar med en bränslebesparing på 20-30%. Kanske har man på något sätt lyckats lösa problemet med höga ljudnivåer. Och kanske kommer denna motortyp så småningom att ersätta dagens turbofläktar. Den som lever får se.

Att motorer med unducted fan är så effektiva beror delvis på att man får ett mycket större bypassförhållande (eftersom yttre motorkåpa saknas) än vad som svarar mot motorns fysiska dimensioner. Fläktbladen är dessutom så utformade att uppkomsten av chockvågar vid bladspetsarna motverkas, vilket gör att motorn fungerar bra även vid farter där konventionella propellrar fungerar dåligt. I fallet motroterande fläktar så drivs de av två motroterande turbiner, vilket gör att man slipper en tung växellåda som annars är nödvändig vid motroterande propellrar.

En nackdel med unducted fan, som jag ser det, är att på en konventionell turbofläkt är den yttre motorkåpan tillräckligt stark för att innesluta ett turbin- eller fläktblad som lossnar. På en unducted fan sitter bladen helt öppet och om ett blad lossnar finns risken att det åker in i kabinen och kanske dödar passagerare eller ger ett plötsligt tryckfall som ställer till problem. Så frågan är om man verkligen vill placera sådana motorer under eller i vingarna. Placering så långt bak att fläktarna sitter bakom passagerarutrymmet (som på bilden ovan) verkar för mig ett betydligt säkrare alternativ.

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 (och därmed mindre gyralkrafter).

Hittills har fläkten på turbofanmotorer, med några få undantag, roterat med samma varvtal som lågtrycksturbinen (eftersom de normalt sitter på samma axel — N1-axeln), men idag finns s k växlade turbofläktar (geared turbofans), där man har en växellåda som växlar ner fläktens hastighet (precis som på turboprop — se nedan), vilket ger bättre bränsleekonomi.

Lågtrycksturbinen driver lågtryckskompressorn och fläkten via N1-axeln (se avsnittet ovan om turbofläktmotorn). En stor nackdel är att fläkten och lågtryckskompressorn (den senare har dramatiskt mycket mindre diameter än fläkten) då kommer att rotera med samma varvtal. Ett varvtal som är en kompromiss och inte optimalt för någon av dem. Om lågtryckskompressorn skulle rotera på sitt optimala varvtal, kommer fläkten att rotera alldeles för snabbt så att bladspetsarna överskrider ljudhastigheten, vilket dramatiskt minskar fläktens effektivitet. Och vice versa. I en växlad turbofläkt har man en växellåda mellan lågtryckskompressorn och fläkten. Denna växlar ner varvtalet så att fläkten kommer att rotera betydligt långsammare än kompressorn (varvtalen förhåller sig som ca 1:3). På så sätt kan både fläkt och lågtryckskompressor rotera med sina respektive optimala varvtal. Något som minskar bränsleförbrukningen med ca 15%.

Observera att N1-axelns (dvs fläktens/lågtryckskompressorns) varvtal och N2-axelns (dvs kärnmotorns) varvtal är oberoende av varandra! Kärnmotorns varvtal är betydligt högre än fläktenhetens och har så alltid varit. Växellådan som nämns ovan har inget med kärnmotorn att göra. I föregående stycke diskturerar vi enbart N1-axeln.

Problemet med växlade turbofläktar har varit de stora förlusterna hos växellådan vid de höga effekter som en stor jetmotor har (det har under många år funnits små jetmotorer med växlade turbofläktar, t ex på RJ75/85/100-familjen — ett högvingat, brittiskt passagerarplan med 4 pyttesmå motorer, vilket tar 70-100 passagerare). Men idag tycks man ha löst problemet även för lite större jetmotorer. 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.

Verkningsgrad defineras som uteffekt dividerad med ineffekt eller uttryckt i energi, som den energi man får ut dividerad med inmatad energi (verkningsgrad kan således både uttryckas i energi och i effekt — resultatet blir detsamma, eftersom effekt är lika med energi per tidsenhet). Får man ut all energi man stoppar in i en motor blir verkningsgraden således 1 eller som man ibland säger 100%. Verkningsgraden kan uppenbarligen aldrig vara större än 1 (detta skulle bryta mot energiprincipen). Får man ut hälften blir verkningsgraden 0,5 eller 50% etc.

Figuren visar hur verkningsgraden hos jetmotorer för flygplan förbättras sedan 1960-talet. Enligt grafen har verkningsgraden förbättras med ca 0,4% per år sedan 1960-talet.

En bensinmotor har en verkningsgrad på 0,30-0,35 och en dieselmotor drygt 0,40. Med verkningsgrad hos en förbränningsmotor (kallas ibland värmemotor) menar man (lite löst uttryckt) hur stor del av energiinnehållet i bränslet som omvandlas till nyttigt arbete. Verkningsgraden hos en förbränningsmotor ökar med kompression och förbränningstemperatur (vilka är relaterade till varandra). Det är därför en dieselmotor är mer effektiv än en vanlig bensinmotor (ottomotor). De urspungliga jetmotorerna hade låga verkningsgrader (sämre än 20%) men detta har förbättrats dramatiskt sedan 1960-talet. 2010 hade de bästa jetmotorerna för flygplan verkningsgrader på runt 55%! Imponerande eller hur? Enligt General Electric ökar verkningsgraden hos jetmotorer med ca 1% per decennium (enligt grafen ovan är den långsiktiga trenden sedan 1960-talet 0,4% per år, vilket blir 4% per decennium, dvs betydligt mer än 1% — skillnaden kan bero på att verkningsgraderna inte ökar lika snabbt idag som för 40-60 år sedan).

Stationära jetmotorer, där man i likhet med en turbopropmotor (se nedan) tar ut effekten från någon av axlarna, kallas gasturbiner. Sådana används i vissa kraftverk och kan ha verkningsgrader på nästan 60%. Enligt General Electric så har en av deras gasturbinanläggningar i Frankrike en verkningsgrad på drygt 62%, vilket är rekord. Stationära gasturbiner har fördelen att vikten sällan spelar någon roll. Man kan således ha lösningar som inte går att ha i flygmotorer (t ex konstant vatten- eller ånginsprutning). Den här typen av gasturbiner arbetar normalt alltid vid ett och samma varvtal och kan därför specialdesignas för just detta varvtal, vilket man inte kan göra med en flygmotor. En stor stationär gasturbin kan f ö behöva 30 minuter för att accelerera från tomgång till driftvarvtal. En sådan motor skulle uppenbarligen inte fungera på ett flygplan.

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, dvs motorn kan alltid arbeta på det varvtal där den är som mest effektiv. På 1960-talet konstruerade Turbomeca en motor med variable pitch, som de kallade Astafan. Den testades på flygplan, men eftersom den aldrig kom att användas på operativa flygplan, kan man gissa att det fanns en hel del problem man inte lyckades komma tillrätta med. Flera andra motortillverkare har också tittat på detta koncept. Just nu (2021) håller Rolls-Royce på och utvecklar en variable pitch motor, kallad Trent Ultrafan. Om de, eller någon annan, så småningom lyckas konstruera en praktiskt fungerande motor med variable pitch på fläkten, så kommer detta antagligen att innebära ett ytterligare kvantsprång när det gäller bränsleekonomi.

Uppdatering (231123): Rolls-Royce (RR) räknar med att ha sin variable pitchmotor Ultrafan klar 2025 eller något senare. Den kommer att ha en växlad turbofläkt där fläktbladen är av typ variable pitch (vp). Enligt RR kommer denna motor att ha 25% mindre bränsleförbrukning, dvs den kommer att innebära ett kvantsprång när det gäller jetmotorteknik. Bypassförhållandet kommer att vara 15:1. Redan nu provkörs Ultrafanmotorer som har allt som den slutgiltiga motorn kommer att ha (kärnmotor, växlad turbofläkt etc). Det enda som ännu inte är implementerat är fläkten med variable pitch. En stor fördel med vp är att man inte behöver ha anordningar för att rikta jetstrålen framåt för att bromsa planet vid landning (thrust reverse). Dessa väger mycket och är komplexa och dyra. På vp-motorn får man thrust reverse genom att vinkla fläktbladen så att luftströmmen riktas framåt (precis som en turboprop med ställbara propellrar).

En kolvmotor svarar direkt på gaspådrag. Detta gäller inte för jetmotorer (eller turbopropmotorer). 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 20 sekunder(!) innan den var uppe i maximalt varvtal.

Generellt är jetmotorer mer känsliga för hur de hanteras än kolvmotorer. Snabba pådrag av jetmotorer var tidigare ett problem och kunde leda till motorstopp. Moderna jetmotorer har därför s k FADEC (Full Authority Digital Engine Control). Denna anordning är helt enkelt en liten dator, genom vilken motorerna kontrolleras. Throttlehandtagen går till FADEC, som tar hänsyn till throttlepådrag, lufttemperatur, lufttryck, anfallsvinkel och andra faktorer, och utifrån denna information regleras motorerna så att motorstopp förhindras vid oskicklig motorhantering från piloternas sida. FADEC begränsar inte på något sätt hur stora pådrag piloterna kan göra utan är enbart till för att förhindra motorstörningar vid felhantering av motorerna (det är därför det heter "full authority", eftersom piloterna har "full auktoritet" när det gäller motorernas dragkraft). FADEC tillåter således piloterna att göra hur stora motorpådrag de vill, även pådrag som på sikt kommer att skada motorerna (vilket kan vara nödvändigt för att rädda planet i en nödsituation). Tack vare FADEC behöver inte piloterna oroa sig för motorstörningar om de skulle råka använda throttlehandtagen oförsiktigt.

Jetmotorer har således genom tekniska optimeringar i själva motorerna och införandet av FADEC blivit lättare för piloterna att kontrollera, men fortfarande är en jetmotor betydligt segare än en kolvmotor. När man landar på hangarfartyg ger piloten omedelbart fullt pådrag (eventuellt också med full efterbrännkammare) så snart hjulen tar mark (eller snarare tar däck). 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 inflygningen/descent). Motorerna på Boeing 787 Dreamliner (Rolls Royce Trent 1000) sparar under varje grön inflygning 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 trefas växelspänning (klicka här för att läsa om trefas) 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 och ledningarna från de tre faserna kopplas ihop till en ledning. 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 Boeing 787 Dreamliner (som hittills är ensam om att till fullo använda detta system) har Boeing tagit bort slirkopplingarna och låter således generatorernas varvtal variera (kallas ibland wild frequency eller frequency wild generator). 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 slirkoppling, plus att endast en mindre del av effekten behöver omformas. Boeings lösning innebär en betydande bränslebesparing. Plus att den tar mindre plats och kräver mindre underhåll än det konventionella systemet.

Dreamlinern har förutom 115 V och 28 V även ett 235-voltssystem. Orsaken till den högre spänningen är att Dreamlinerna är mer "elektrifierad" än andra jetliners. Den har t ex, som nämnts ovan, elektriska startmotorer medan andra jetliners använder tryckluft för start, och trycksättning/ventilation av kabin sker hos Dreamlinern genom elektriskt drivna kompressorer etc. Genom att fördubbla spänningen (235/115=2,04≈2) kan man distribuera dubbelt så mycket effekt med samma verkningsgrad utan att göra ledningarna grövre.

Effekt (P) är lika med spänning (U) gånger ström (I), dvs P=U⋅I. Fördubblar man spänningen (2U), men strömmen är densamma, blir således effekten P dubblerad (P=2U⋅I). Strömmen bestämmer hur grova ledningarna måste vara. Ju större ström desto grövre ledningar måste man ha för att få samma förluster, dvs samma verkningsgrad, vid överföringen av den elektriska effekten.

Genom att fördubbla spänningen sparar man vikt (det finns miltals med elledningar i ett stort trafikflygplan).

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 (när de sitter i sin Range Rover på väg till jobbet)?

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.

Boeing 787 Dreamliner (första kommersiella flygningen 2011) har den lägsta bränsleförbrukningen av alla trafikplan idag (såvitt jag vet). Den ligger på 2 l/passagerare/100 km!

Obs! Siffrorna ovan gäller vid fullt passagerarantal.

En modern, liten bil drar ca 0,4 l/10 km (landsvägskörning), 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.

En ytterligare jämförelse som visar jetmotorernas fantastiska utveckling är följande:
Convair 880 som flög första gången 1959, tog 84 passagerare och drog ca 6 ton bränsle per timme lika med 71 kg/passagerare/timme.
Boeing 737 Max 7, första flygning 2016, tar 160 passagerare och drar 2 ton bränsle per timme lika med 12,5 kg/passagerare/timme.

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 300 passagerare eller mer) kan kosta mycket pengar. En Rolls-Royce Trent 1000 motor, som används på Boeing 787, kostar ca 41 miljoner dollar (423 miljoner kronor). 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). Att flyga utan ebk kallas att flyga på grundmotorn (planets konventionella jetmotor). 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 (4-7 gånger större än för grundmotorn). 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 stiga snabbt eller om man vill starta på en kort bana med tung last. Ebk används också ibland vid start från hangarfartyg (beroende på planets vikt och motorstyrka). I det senare fallet har man dessutom, i de flesta fall, en katapult som står för större delen av accelerationen. 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 (eller snarare grundmotorerna, eftersom Concorde hade fyra motorer).

Att kunna flyga i överljudsfart (dvs över mach 1) utan ebk kallas supercruise. Många moderna stridsplan kan göra detta på hög höjd och utan yttre vapenlast. Verklig supercruise innebär emellertid att man kan flyga på enbart grundmotorn i överljudsfart och med normal last (vapen och extratankar) och i planflykt, dvs utan att dyka. Endast fyra stridsplan idag har verklig supercruise; Eurofighter (UK, Tyskland m fl), F-22 Raptor (USA), JAS Gripen (Sverige) och Rafale (Frankrike). Raptor kan supercruisa i mach 1,8! Denna anmärkningsvärt höga fart förklaras av att hela Raptors vapenlast förvaras inuti flykroppen. Gripen kan (med "normal" yttre vapenlast) supercruisa i mach 1,1.

Ramjet-, scramjet- och pulsjetmotorn

För fullständighetens skull kan jag nämna några ytterligare typer av jetmotorer. Vi börjar med 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 (eftersom en raket måste bära med sig sitt eget syre medan en ramjet tar syre från atmosfären). 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 eller annat oxidationsmedel (vilket är nödvändigt vid rymdfärder men inte vid färder i atmosfären). En stor del av en rakets drivmedelslast består således av oxidationsmedel. En 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.

Det finns faktiskt en ytterligare jetmotortyp — pulsjetmotorn. Denna, som knappast förekommer idag, bygger på en mycket enkel princip. Genom backventiler pressas en bränsle/luftblandning in i förbränningsrummet. Förbränningen sker inte kontinuerligt som i vanliga jetmotorer utan stötvis, genom att bränsle/luftblandningen antänds av en pulsad gnista (ca 40-50 gånger per sekund, vilket ger pulsjetmotorn ett mycket speciellt motorljud). Vid explosionen stängs backventilerna (av trycket) och gaserna strömmar ut bakåt med hög fart. När trycket sjunker i brännkammaren, öppnar backventilerna igen och mer bränsle/luft strömmar in. Pulsjetmotorn har kort livslängd, eftersom slitaget på backventilerna är stort. Den har dessutom mycket dålig verkningsgrad (det finns varianter av pulsjetmotorn utan backventiler men de har ännu lägre verkningsgrad). Så något alternativ för moderna flygplan är den knappast, trots sin enkelhet. Pulsjetmotorn är f ö en svensk uppfinning från 1800-talet (Martin Wiberg, 1826-1905) och är mest känd för att den användes på de tyska V1-bomberna som regnade över bl a London under Andra Världskriget (läs mer om V1-bomben här). Ljudfilen som länkas till ovan är en inspelning av ljudet från en flygande V1-bomb.

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 på 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 skall föreställa en enaxlad turbopropmotor (men det är lite otydligt ritat). De flesta turboprop idag är tvåaxlade, där turbinsteget/-stegen längst till höger i bilden driver propellern medan övriga turbinsteg driver kompressorn och olika hjälpapparater (generatorer, hydraulpumpar etc). Man kan således betrakta en tvåaxlad turbopropmotor som en turbofläktmotor med nedväxlad fläkt (propellern) och öppen (unducted) bypasskanal.

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 (se också avsnittet "Unducted fan" ovan). 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 (5-12:1). 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), och vissa kärnmotorer som används idag började sin bana som turbojetmotorer för 50 år sedan.

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 ovan om turbofläktmotorn). 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.

Avgaserna från turbopropmotorer blåser normalt ut bakåt och ger på så sätt ett litet bidrag till dragkraften. På Saab 340 ger avgaserna från varje motor (som har en axeleffekt på ca 1900 hkr) en dragkraft på 743 newton vid start. Vilket uttryck i ton blir 0,075 ton, dvs 0,150 ton (150 kg) för båda motorerna. Förvisso ett blygsamt bidrag men många bäckar små... Alla bidrag välkomnas. Omräknat till axeleffekt så svarar avgasernas dragkraft mot 55 hkr/motor. Alltid något.

För Saab 340 erbjöd Saab ett intressant alternativ, nämligen att använda en av motorerna som APU (för att ge ström etc på marken). Eftersom motorerna hade två axlar så ledde man gaserna från kärnmotorn så att de enbart drev högtrycksturbinen, dvs propellerturbinen påverkades inte. Därmed drevs generatorer och hydraulpumpar och man kunde ta ut bleed air från kompressorn. I stället för att installera en separat APU, som kostar en massa pengar och tar plats och väger en hel del, så kunde man på detta sätt använda en av motorernas gasgenerator (kärnmotor — se diskussionen ovan om tubofan) som APU. Nackdelen var förstås att man tog gångtid från en motor, vilket förkortade intervallet till nästa motorservice. Men detta måste vägas mot fördelarna. Jag vet inte om någon kund nappade på detta alternativ, men jag tror inte det. Förmodligen ville man inte slösa motorgångtid på att generera markström.

Turboprop har stora fördelar jämfört med jetmotorer 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 betydligt mer driftsäkra än kolvmoterer (eftersom de inte har kolvar som går fram och tillbaka utan enbart innehåller roterande delar) 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).

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.

Klicka här för att lyssna till det maffiga motorljudet från en stor turbopropmotor. Filmen (ca 5 min) visar motorstart och sedan take off från Innsbruck med en Dash-8 400. Både bild och ljud håller högsta klass. Vid motorstarten hör man ett visslande ljud innan propellern börjar rotera. Det man då hör är kärnmotorn som startar. När denna gått igång och varvat upp börjar lågtrycksturbinen, som driver propellern, att rotera.

Lite mer om propellrar

Här återfinner läsaren en kort genomgång av propellerteori och de olika faktorer som påverkar en propellers verkningsgrad (varvtal, diameter, antal propellerblad etc).

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.

Propellerblad är normalt twistade (vridna) och har därför olika anfallsvinklar på olika delar av bladet. Detta framgår tydligt av Herculespropellern i nästnästa figur. Orsaken till detta är att propellerbladets hastighet relativt luften ökar när man går från centrum och utåt. När vi talar om pitch menar vi således någon form av medelvinkel för propellerbladet.

Pitchen har mycket stor betydelse för en propellers verkan. Man fick helt enkelt 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 längdaxel (hydrauliskt eller elektriskt eller mekaniskt). 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. 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.

Dagens ställbara propellrar kan justera bladvinkeln kontinuerligt. När man började använda propellrar med variable pitch hade man ofta bara två lägen att välja på; fine och coarse. Detta var t ex vanligt på jaktplan i början av WW2. Redan detta enkla system innebar en enorm förbättring jämfört med en fast propeller. Vid start ställde man in fine och väl uppe i luften ändrade man till coarse och så gick man tillbaka till fine på finalen när man skulle landa. Även idag talar man om fine och coarse. Skillnaden är man idag kan finjustera pitch så att man alltid har exakt samma motorvarvtal.

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 trä- eller plåtskiva 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.

Och här en Airbus 400 (ett militärt transportplan) med vänster yttermotor flöjlad. Här ser man tydligt hur propellerbladen är i stort sett parallella med luftströmmen, vilket motverkar självrotation av propellern och därmed ger minimalt luftmotstånd.

Vid motorbortfall måste man omedelbart "nollställa" propellerbladen, dvs vrida dem så att bladen blir parallella med fartvinden. Propellerns rotation upphör då plus att bladens luftmotstånd blir minimalt. 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 de band som "säkrar" propellern närmast i bild från att rotera i vinden (vilket nämnts ovan). Banden går från de två nedre bladspetsarna till en ögla under motorn.

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