Letecké střípky 22 - Pratt & Whitney

• 28.01.2018 09:00

Pratt & Whitney

Je škoda, že na mnoha letištích, zejména těch velkých, vstupujete do svého letadla nástupním mostem, trochu jako byste procházeli spojovacím tunelem metra. Ty novější mají alespoň okna, zatímco starší provedení působilo dojmem tmavého, zaprášeného hranatého potrubí, redukujícího člověka do role hmoty, která má být přemístěna odněkud někam. Já vím, když prší, fouká vítr anebo je moc horko nebo zima, to jsou nástupní mosty pohodlné, a kromě toho se lidé nepotulují po letištní ploše, nemohou nastoupit do špatného letadla, a všechno je o dost rychlejší. Ale pokud si dobře vzpomínám, když jsem byl malý a do letadla nastupoval normálně po schodech, jak bývalo v těch dobách zvykem, byl jsem uchvácen neobvyklostí celého zážitku. Velikostí stroje, do kterého jsme vstupovali, exotikou prostředí, hlukem na ploše a zvláštními vůněmi, které vydávaly běžící motory jiných letadel. Nepohodlné to jistě bylo, ale taky ohromně zajímavé.

Na tyhle pocity jsem si nedávno vzpomněl, když jsem přicházel do svého letadla mimořádně ne z nástupního mostu, ale po schodech. Najednou jsem se zastavil v půli cesty, a s úžasem se zadíval na ohromný motor, připevněný k levému křídlu úzkým pylonem, až se zdálo, že něco tak tenkého nemůže ohromnou masu udržet. Ani na zemi, natož za letu. Matně jsem věděl už předtím, že na letadle nějaké motory máme, ale nikdy mi nedošlo, jak jsou veliké. Člověk vůbec o spoustě věcí nepřemýšlí, zkrátka jsou tu a slouží nám, jsme na to zvyklí. Tenhle zvyk a samozřejmost nám občas trochu brání vidět věci kolem sebe, kromě chvil, kdy se rozčilujeme, že něco nefunguje podle našich představ. Protože nikdo z těch milionů cestujících, co je letadla rozvážejí po celém světě, se nikdy, ani když procházejí vstupními dveřmi, nezamyslí nad tím, kde se něco tak dokonalého, jako letadlový proudový motor, vlastně vzalo. A obávám se, že ani ti vzdělanější neví přesně, jak funguje. Ne že by na tom záleželo, důležité je, aby pracoval, jak má. Při vzletu na hranici svých možností, za letu v cestovní hladině dlouhé hodiny spolehlivě a s minimální pozorností od posádky, v průběhu přistání připravený na go-around, tedy co nejrychlejší změnu z téměř volnoběžných otáček na maximální výkon, a to dvacet čtyři hodin denně, sedm dní v týdnu, tři sta pětašedesát dní v roce. Alespoň pět let, nebo déle. Aby tohle všechno splnil, musí být na hranici technické dokonalosti, ke které jsme na prahu jednadvacátého století dospěli.

Na světě jsou jen tři výrobci velkých proudových motorů pro dopravní letadla. Dva jsou ze Spojených států, ten třetí sídlí v městě Derby v Anglii. Jmenuje se Rolls Royce, ale se slavným výrobcem luxusních automobilů už dnes nemá nic společného. Jeho američtí kolegové a konkurenti nesou jména General Electric a Pratt&Whitney, což jsou všechno v leteckém světě pojmy, které zná každé malé dítě. Tedy takové, co dokáže rozeznat Airbus od Boeingu.

Jako základní pravidlo platí, že cena jednoho motoru v této kategorii se rovná o něco méně než deseti procentům katalogové ceny celého letadla. To je, kromě spotřeby paliva, dalším důvodem, proč dnes nikdo čtyřmotoráky nechce. Jsou zbytečně drahé. Nejen na pořízení, ale celých dvacet let životnosti se musíte starat a opravovat bud’ dva nesmírně složité technologické celky, nebo čtyři. Ale aby se dospělo k výkonu a spolehlivosti, nutné pro provoz velkého letadla jen se dvěma motory, trvalo to více než padesát let. Původní koncepce tryskového motoru, o níž se od roku 1935 přetahují Angličané a Němci, je pořád stejná, jen s malým rozdílem, že místo původního radiálního kompresoru se dnes používá axiální. Ale jinak se proměnil k nepoznání.

Na každém křídle máme přidělaný jeden motor P&W 4170. To je vlastně nesmysl, letadlo není zkonstruováno tak, že by k trupu byla přišroubována křídla, ale naopak k jednomu křídlu je přidělaný trup. Tak tedy na levé, i na pravé polovině křídla máme jeden motor. Váží necelých šest tun, přesně 5 850 kilogramů, a disponuje výkonem převyšujícím třicet jedna tun statického tahu. Každý. Ve skutečnosti jsou ale v každé motorové gondole schované motory dva, v případě Rolls Royce dokonce tři. N2, jak se správně nazývá vysokotlaký rotor, není s nízkotlakou a nízkootáčkovou částí N1 nijak mechanicky propojen, oba stroje pracují jeden uvnitř druhého ve vzájemné shodě díky tlakovým a termodynamickým procesům, které je spojují do jediného celku. Vnitřní část, kterou nikdy nezahlédnete, at’ se do motoru podíváte zepředu nebo zezadu, se točí celý dvanáctihodinový let rychlostí okolo devíti tisíc otáček za minutu. Vnější, nízkotlaký rotor, jehož lopatky vidíte v motoru vpředu, má tak tři tisíce. Ale zase má obrovský průměr, přesně dva metry a padesát čtyři centimetrů, což znamená, že špičky lopatek se pohybují značnou rychlostí. Nejen nedaleko rychlosti zvuku, dokonce ji překračují. Patřím k těm, kteří mají o aerodynamice jen poněkud mlhavé představy, ale dosud jsem žil s tím, že proudění vzduchu v motoru musí být redukováno na podzvukové rychlosti, aby nedošlo k destrukci jednotlivých částí. Zřejmě si budu muset doplnit vzdělání.

V porovnání s pohonnými jednotkami na menších letadlech, které při pojíždění na zemi zvoní, a při přidání plynu na dráze vydávají zvuky, které můžete přirovnat ke zpívání, vyniká několik důležitých, a nejen zvukových rozdílů. Předně ty velké jsou, relativně ke svým rozměrům a výkonu, ekonomičtější. Ale i tak za hodinu motor spotřebuje kolem tří tun paliva, každý. Rozdílné je také startování neboli nahazování na zemi. Trvá mnohem delší dobu, jako by nechtěl nikam spěchat, když už má před sebou tak dlouhou práci. Roztáčí se pomalu a rozvážně, ale vzhledem k několika tunám pohyblivých součástí uvnitř to vlastně není nic divného. Vydává přitom hluboké bručivé zvuky, asi jako rozmrzelý medvěd, který našel včelí hnízdo, ale zjistil, že je prázdné, a tak je lepší klidit se mu z cesty. A za letu? Celou dobu brumlají v hluboké tónině, asi C-dur.

Když tak stojíte na zemi vedle motoru, teprve si všimnete, že vlastně není pod křídlem, ale před ním. Je to proto, aby svou přítomností neovlivňoval aerodynamické proudění okolo křídla, aby křídlo neztrácelo část vztlaku, a proto je celá tahle věc o velikosti menšího autobusu pověšená na úzkém dlouhém pylonu, spojujícím motor a křídlo. V něm jsou také všechny palivové, hydraulické a pneumatické trubky, spousta elektrických drátů od generátorů, které jsou přímo na motoru, a také několik úzkých vodičů, které pilotům umožní ovládání motoru z kokpitu. Jak se tohle všechno do pylonu vejde, je úžasná věc sama o sobě.

V dnešní době létáme s letadly, která mají schopnost do značné míry postarat se sama o sebe. To samé platí i pro motory. Každý je řízen systémem FADEC, což znamená Full Authority Digital Engine Control a funguje to následovně: pro nastartování jen otočím knoflík, kterým aktivuji FADEC, a otevřu kohout přívodu paliva. FADEC uzavře klimatizaci do kabiny, protože stlačený vzduch bude potřeba na roztočení motoru, a dá elektrický signál startéru. Při dosažení otáček N2 okolo 23 % aktivuje zapalovací svíčky a otevře přísun paliva, čímž dojde k zapálení směsi vzduchu a paliva ve spalovací komoře, následně zvýšení teploty výstupních plynů EGT a roztáčení rotoru N1. Při dosažení otáček N2 asi 50 % ( v závislosti na okolní teplotě a nadmořské výšce) vypne startér, otevře ventil klimatizace do kabiny cestujících a celou dobu hlídá, aby parametry motoru byly v normálu. Kdyby tomu tak nebylo, motor vypne uzavřením přívodu paliva a posádce vydá varování, co se děje. Celý proces je autonomní, tedy postará se o sebe sám, ale posádka samozřejmě celou dobu hlídá, co se děje, a v případě potřeby zasáhne. Stejně nemají v tu dobu co lepšího na práci.

Podobně to je při vzletu. Už předtím jsme do palubního počítače zadali, jaký výkon budeme dnes potřebovat, a FADEC to ví. Takže na dráze jen trochu přidám motorům plyn, aby se oba stabilizovaly, a pak pomalu táhnu obě páky dopředu a usadím je do zarážky FLEX, nebo výjimečně TOGA, pokud budu chtít maximum. FADEC už ví, jakou hodnotu představuje požadovaný výkon. Spočítal si to v závislosti na okolních podmínkách, na teplotě a tlaku vzduchu, a na motorových přístrojích udělá malou značku, abych věděl, jaké hodnoty mi dnes nastaví. Takže při rozjezdu jen zkontroluju, že obě ručičky EPR jsou na značkách, ale upřímně řečeno to nemusím dělat. Kdyby tam z nějakých důvodů nebyly, sám mě upozorní. Kdyby hodnoty byly mimo toleranci, asi by tentokrát nevypnul palivo, to by od něj byla sprost’árna. Potřebujeme přece odletět. Jen by vyslal výstrahu, a museli bychom se rychle rozhodnout, co s tím.

Pánové Pratt ani Whitney neměli původně s letectvím nic společného. Ani nemohli, protože když spolu založili továrnu na přesné obráběcí stroje v roce 1860, letadla ještě nebyla. Až o nějakých šedesát pět let později, roku 1925, byli požádáni jiným průmyslníkem, panem Rentschlerem z Ohia, o spolupráci a zakoupení jména pro nově vznikající firmu. Tenhle ředitel továrny na letecké motory Wright, který právě neuspěl v dozorčí radě se svým plánem na další rozvoj, se rozhodl opustit své místo, a s několika klíčovými zaměstnanci, které bral s sebou, založit novou firmu. Jméno P&W bylo již v té době velmi cenné, a protože konstruktéři a ředitelé od Wrightu byli také skvělí, ani jedna strana svého rozhodnutí nelitovala. Většinou nejlepšího úspěchu dosáhnete, když vezmete ty nejlepší lidi od konkurence, a dáte tomu nový nápad. Anebo také jinak, kdo chce porušovat pravidla, nejdřív se je musí naučit dodržovat. Pratt&Whitney to umí.

Jedním z nejúspěšnějších pístových leteckých motorů v historii byl Wright R-3350. Používal se na velkých letadlech za války a také ještě v padesátých letech. Jednalo se o dvouhvězdicový osmnáctiválec, s výkonem okolo tří tisíce koní a obsahem padesát čtyři litrů. Jen odborník si dokáže představit, o jak nesmírně složitou věc šlo z hlediska konstrukčního, a také provozního. Stinnou stránkou těchto motorů zůstává, že byly, z dnešního hlediska, poměrně poruchové. Ale kdyby to šlo, vystavil bych si tenhle skvost do obýváku a místo na televizi bych se koukal na něj.

Nicméně to by nebyl Pratt&Whitney, aby se nechal zahanbit. Ten postavil motor P&W R-4360, ještě větší a složitější. Měl neuvěřitelných dvacet osm válců, uspořádaných do čtyř hvězdic za sebou a obsahem sedmdesát jedna litrů se jednalo o největší pohonnou jednotku, jaká byla kdy na letadle použita. Tím klasické, pístové motory dosáhly vrcholu, který se nepodařilo překonat. Cesta kupředu, k vyšším výkonům a rychlostem, vedla přes proudové motory.

Pratt&Whitney nejdříve, stejně jako všichni ostatní, vyráběl klasické pístové motory, ale už počátkem padesátých let se mu podařilo vymyslet proudový J57, který se stal velkým úspěchem. Jak označení napovídá, šlo o armádní záležitost a to takového kalibru, že byl použit jak na B-52, tak na řadě stíhacích letounů. Tento výrobce byl také u toho, když se koncem toho desetiletí vznesl slavný B-707, a spolu s RR, který byl dvorním dodavatelem pro BOAC, dodával pohonné jednotky pro tenhle veleúspěšný typ dalších pětadvacet let. Následující kapitolu ve vývoji, dvouproudový motor, sice první v provozu použil jeho britský rival, ale P&W kontroval pokrokovějším JT3D, který byl lepší. Dvouproudové motory první generace byly trochu jiné, než dnes. Zatímco původní proudové byly dlouhé, úzké a vydávaly příšerný rachot, dvouproudové byly širší a trochu tišší, z jednoduchého důvodu. První, přední část kompresoru, byla použita pro takzvaný obtokový proud, tedy vzduch, který neprochází motorem, ale obtéká ho kolem a vzadu se spojí s horkým proudem. Výsledný tah je tedy kombinací jak normálního proudu z motoru, tak obtoku, a protože ten je pomalejší, tlumí hluk, vznikající tím, jak se velmi rychlý horký proud z motoru zpomaluje o okolní vzduch. Další výhodou byla snížená měrná spotřeba paliva v poměru k výkonu, a přestože se proudové motory používají dodnes třeba ve stíhačkách, dopravní letadla už mají jen a pouze dvouproudové. Původně měly obtokový poměr 0,3, to znamená, že na jednotku hmotnosti vzduchu, procházející motorem, připadala další třetina v obtokovém proudu. Tenhle poměr se rychle obrátil, takže ve vnějším, chladném proudu je dnes více vzduchu, než uvnitř. Nešlo by to bez nových materiálů, ze kterých je motor vyráběn, ale vývoj motorů je neustálý. I když to na nich nepoznáte, každý rok se objeví něco nového, protože konkurence nespí, ale pořád něco vymýšlí. Tak jsme dospěli k moderním motorům, které mají obtokový poměr téměř deset ku jedné. Pozná se to snadno, jsou relativně krátké a ohromně široké.

Tryskový motor je jednoduchý. Dokonce tak, že by ho malé dítě dokázalo nakreslit jedním tahem (to dítě, které umí rozeznat…). Trubkou přivedete palivo, které zapálíte. Horké plyny zvětší svůj objem a snaží se uniknout ven. Dopředu nemohou, z důvodů, o nichž bude řeč za moment, a tak jdou dozadu, do výstupní trysky. Ale ještě předtím se jim do cesty postaví turbína, která je bohužel okrade o část energie. Jinak to nejde, musí touto energií roztočit kompresor, který je vpředu. Ten potřebujeme, aby ve spalovací komoře byl vzduch upravený, tedy stlačený na takovou hodnotu, že v něm bude palivo dobře hořet. A to je všechno, ten zbytek jsou jen všelijaké technické drobnosti. Na rozdíl od pístového motoru je vlastně sestrojen z několika málo částí, které vykonávají jednoduchý točivý pohyb, a díky tomu je daleko spolehlivější, a má mnohem méně závad.

Koncepce je, jak bylo řečeno, jednoduchá. Ale provedení je ve skutečnosti velmi složité. Vzduch, letící motorem, nesmí mít žádné překážky. Jak to ale udělat, když tlak stále vzrůstá od vstupního ústrojí, přes kompresor až do spalovací komory, a dále zas přes turbínu poklesne, aby byl následně maximální rychlostí vypuzen ve výstupní trysce? Při volnoběhu má motor přece úplně jiný režim práce, než při nejvyšším výkonu. Důležitá je také schopnost rychle měnit otáčky, stáhnout na minimum, když je třeba, nebo naopak co nejrychleji přidat. Při přistání je motor téměř na volnoběhu, má jen mírně zvýšené otáčky, a najednou se pilot rozhodne, že nepřistane, ale provede go-around. Tím, že dá páky motorů dopředu, jen zvýší množství paliva, proudící do motoru, ale hmotnost pohyblivých součástí je několik tun, a ty se musí nejdřív roztočit, než dostane nějaký výkon. Trvá to asi sedm vteřin. V začátcích se také někdy přihodilo, že motor nešel vypnout, ale naopak samovolně se roztáčel do stále vyšších otáček, až nakonec došlo k destrukci. I dnes se někdy se může stát, že tlak v kompresoru je příliš velký, že se proud vzduchu zastaví, otočí zpátky dopředu a výsledkem je takzvaná pumpáž, doprovázená obrovskou ránou a plameny z přední části motoru. Ten to může přežít, anebo ne.

Všechny profily na jednotlivých lopatkách na kompresoru, turbíně i na statorových věncích se vlastně chovají jako malá jednotlivá křídla, a pro každé musíme vytvořit ideální podmínky, aby dělaly to, co mají. Ve spalovací komoře, kde je palivo „atomizováno“, rozprašováno pod velmi vysokým tlakem, jsou tak vysoké teploty, že by roztavily lopatky turbíny, která je těsně za nimi. Takže se musí rychle ochladit, na vzdálenosti pouhých pár centimetrů. Mezi rotujícími lopatkami a vnějším pláštěm nesmí být téměř žádná vůle, aby tlak neunikal právě tudy a nesnižovala se účinnost celého motoru. A vstupní dmychadlo musí být zkonstruováno tak, že více než metrové lopatky nejen táhnou dvousettunové letadlo, ale také vydrží náraz letící husy.

Ve vší úctě k báječným vynálezům předchozí éry, dnešní proudové motory spíše než ohromný kus železa připomínají živoucí organismus, schopný nevídaných výkonů, ale vyžadující dobré zacházení. Třeba poměrně malý kámen, který by ležel na rozjezdové dráze při vzletu, by ho po nasátí mohl úplně zničit. Nebo znečištěné palivo by mohlo zmást řídící jednotku FADEC, a motor by mohl piloty přestat poslouchat, nedávno se něco podobného stalo. Za letu, v silné tropické bouřce, by se voda mohla dostat až do spalovací komory a uhasit oheň, motory by se mohly normálně „utopit“. Na co všechno posádka musí myslet? A kdyby vinou nepatrné nečistoty došlo k ucpání kanálků chlazení uvnitř lopatek turbíny, všechny by během několika vteřin pravděpodobně ztratily tvar, opustily motor výstupní tryskou a s tím už se toho moc dělat nedá.

Návod, jak si naklonit technická božstva, mezi check-listy nemáme. A tak alespoň pokaždé, když jdu před letem kolem motorů, je přátelsky poplácám a trochu si popovídáme. O čem, to je naše věc.