Luftfahrtantriebe I

Weil vor der Triebwerksauslegung noch keinerlei Reibungskräfte oder andere Parameter speziellerer Natur bekannt sind.

F=Austrittsschub-Eintrittschub+Kraft auf Austrittsfläche

VL. Kap. 3 S. 10

- mit steigendem Kompressionsdruckverhältnis steigt T-total-4

- mit steigendem Kompressionsdruckverhältniswächst der Anteil der Turbinenarbeit, welcher für den Verdichter und die steigenden Verluste benötigt wird

--> i.d.R. muss T-total-4 konstant gehalten werden (Werkstoff/Kühlung)

--> somit schließt sich das Temperaturfenster über die Brennkammer, der einzulassende Brennstoffmassenstrom sinkt und mit ihm der spez. Schub

- mit steigendem Kompressionsdruckverhältnis steigt T-total-4

- mit steigendem Kompressionsdruckverhältniswächst der Anteil der Turbinenarbeit, welcher für den Verdichter und die steigenden Verluste benötigt wird

--> i.d.R. muss T-total-4 konstant gehalten werden (Werkstoff/Kühlung)

--> somit schließt sich das Temperaturfenster über die Brennkammer, der einzulassende Brennstoffmassenstrom sinkt und mit ihm der spez. Schub

- wenn Verdichterarbeit gesteigert werden muss muss mehr Arbeit durch die Turbine aufgebracht werden

--> weniger für Schub übrig

VL. Kap. 4 S. 4

--> Änderung = 0

Warum:

- umso höher die Ma-Zahl, desto höher die Einlaufverluste (ab Ma=1,3 nicht mehr vertretbar)

--> wenn regelbar dann können Totaldruckverluste gering gehalten werden

Was tun:

- verstellbare Rampen und Kegel

- Lufteinblas- und Ausblasklappen

- Grenzschichtabsaugung

VL. Kap. 4 S. 14

- tritt bei stakr unterkritischem Einlauf auf (zu kleine Verdichterdrehzahl --> passt nicht zu Volumenstrom am Eintritt des Überschalleinlaufs)

- senkrechter Verdichtungsstoß wandert weit vor den Einlauf aber findet dort keine feste Position sondern schwingt

- Regelungsmöglichkeit:

   - Änderung der Verdichterdrehzahl

   - Änderung der Einlaufgeometrie

   - Abblasklappen

VL. Kap. 4 S. 9

Für Ma<1,3 wird keine Regelung benötigt.

Warum:

- Problematisch ist Betrieb mit geringer Verdichterdrehzahl, z.B. beim Anfahren

- vordere Verdichterstofen werden mit zu geringer Axialgeschwindigkeit beaufschlagt

--> Fehlanströmung (Inzidenz) der Schaufel

--> Ablösung

--> zu geringer Druckaufbau an den hinteren Stufen

--> zu geringe Verzögerung der Strömung (führt ebenfalls zur Fehlanströmung)

Was tun:

- Leitschaufelverstellung (Entlastung der vorderen Stufen durch Änderung der Anströmrichtung)

- Abblasen (Entlastung der vorderen Stufen durch Erhöhung des Einlaufmassenstromes --> Erhöhter Druckaufbau)

Rohr-BK:

- ältester Typ

- seperate Brennräume

- heute keine Anwendung mehr:

   - hohes Gewicht

   - großes Volumen

   - ungünstige T-Verteilung über den Umfang

Ring-BK:

- moderner Typ

- Nachteil:

   - Festigkeitsprobleme durch Wärmedehnung

- Vorteile:

   - kompakte Bauweise

   - einfache Konstruktion

   - geringe Verluste

   - gleichmäßige T- und p-Verteilung über Umfang

OTDF:

- lokal höchste Temperatur an Turbineneintritt

- Gesamt-T-Verteilung an Turbineneintritt

- Entscheidend für Statorintegrität

RTDF:

- radiale T-Verteilung an Turbineneintritt

- Entscheidend für Rotorintegrität

epsilon:

- Kühleffektivität

- Wie gut wird Material gekühlt?

eta-c:

- Kühlwirkungsgrad

- Wie effektiv wird die verfügbare Kühlluft genutzt?

m*:

- Wieviel Kühlluft wird für bestimmte Temperatur benötigt?
 

1.) innere Kühlung

- z.B. Konvektions- oder Prallkühlung

- T=1300...1600K

2.) äußere Kühlung

- z.B. Film-/ Transpirations-/ Effusionskühlung

- T>1600K

- mit zusätzlicher Oberflächenbeschichtung aus Keramik
 

- massive Gussteillager im vorderen und hintern Bereich des TW (Frontframe/Turbinframe)

Ja, weil Schubdüse geöffnet werden muss um den Druck zu senken um den Druckgradienten anzupassen.

- NB an (A8=konstant --> P-total-8/p-total-5=konstant

- T-total-7/p-total-7 steigen

- Turbinenarbeit sinkt

- Verdichterarbeit sinkt

- T-total am Verdichter sinkt

- Drehzahl sinkt

--> wenn A8 erhöht wird --> p-total-8 und p-total-5 sinken --> Turbinenarbeit bleibt konstant
 

- Totalgrößen können nur über Rotoren verändert werden

Axialverdichter:

- Totaldruckerhöhung über Rotor durch E-Zufuhr

- statischer Druck steigt bei Stator und Rotor durch Verzögerung der Strömung

Axialturbine:

- Totaldruckerabfall über Rotor durch E-Abgabe

- statischer Druck sinkt bei Stator und Rotor durch Berschleunigung der Strömung

delta-His --> ideale Prozess

delta-Hp --> reale Prozess

d-His --> infinitisimal kleines isentropes Stück des idealen Prozesses

d-Hp --> realer Prozess

delta-His --> ideale Prozess

delta-Hp --> reale Prozess

d-His --> infinitisimal kleines isentropes Stück des idealen Prozesses

d-Hp --> realer Prozess

Gemeinsamkeiten:

- Turbinenluftstrahltriebwerke

- im Kerntriebwerk ist eine Turbomaschine

- luftatmend

Unterschiede:

- PTL: ähnelt Nutzleistungsgasturbine da ca. 90% der Leistungsaufnahme in der Turbine für den Propeller zur Verfügung gestellt wird

- ZTL:

   - hohe Schubkraft durch großen Massenstrom

   - Großteil des Massenstroms im Bypass

   - Lärmreduzierung durch langsam durchströmten Bypass

   - größerer Bauaufwand durch mehrwellige Ausführung

   - vorwiegend zivile Nutzung

- ETL:

   - geringerer Massenstrom

   - angesaugter Massenstrom = Kernmassenstrom

   - geringerer Bauaufwand

   - Schuberhöhung durch Nachbrenner möglich

   - vorwiegend militärische Nutzung

Schubkraft = Differenz von Ein- zu Austrittsimpuls

- E-Zufuhr am Verdichter

   - Totaldrucksteigerung durch Verdichterarbeit

- E-Zufuhr durch Massenstromerhöhung in Brennkammer

   - Totaltemperatursteigerung durch Verbrennung

--> Änderung des Impulsstromes zwischen Ein- und Austritt

--> Solang Eintritts-I > Austritts-I --> positiver Schub

- höhere Leistungsdichte der Turbomaschine (durch große Massenströme)

- kontinuierliche Arbeitsweise

- bei Kolbenmotor ist Luftzufuhr durch Ventilquerschnitt begrenzt

- TM ist wesentlich komplexer

--> teurer

--> höherer Bauaufwand

--> hohe Unterhaltungskosten

--> höherer Wartungsaufwand

- Q-Zufuhr bei Strömungen mit konstantem Querschnitt lässt bei gegebenem Ma1 (Eintritt) Ma2 maximal gegen 1 gehen

- wenn Ma=1 --> keine Q-Zufuhr mehr möglich

- bei weitere Q-Zufuhr wird Geschwindigkeit im Unterschall reduziert und im Überschall erhöht

--> Rückwirkung auf Eintritt --> thermisches Blockieren

--> Q-Zufuhr ist begrenzt durch maximale Totaltemperatur und Massenstromdichte bei Ma=1

- v erhöht sich auf maximal Ma=1 (begrenzt durch thermisches Blockieren)

- Grund:

   - Q-Zufuhr bzw. T-Erhöhung wirkt wie Querschnittsreduzierung

   - Gasvolumen steigt an

   - Gasdichte steigt

   - bei Massenstrom = konstant --> v steigt

- Totaldruck sinkt

Grund:

   - höhere Strömungsverluste durch Beschleunigen

   - höhere Totaldruckverluste durch erhöhte Teilchenbewegung --> Reibung

   - durch Q-Zufuhr steigt die Entropie s

   --> Verringerung des effektiven Querschnitts

1.) Unterschall mit hoher Dichte und niedriger Geschwindigkeit

2.) Überschall mit niedriger Dichte und hoher Geschwindigkeit

Konvergent:

 - Unterschallströmung beschleunigt

 - Ma=1 kann erreicht werden

 - Ma=1 ist nur im engsten Querschnitt stabil

Divergent:

 - Unterschallströmung verzögert

 - Überschallströmung beschleunigt

 - hier kann nicht Ma=1 erreicht werden

Massenstrom: Km= (m-Strom*Wurzel(T))/A*p --> m-Strom=(p*A*Km)/Wurzel(T)

Allgemein:

 - Verdichtungsstöße --> gasdynamisches Phänomen

 - führen zu diskontinuierlicher Zustandsänderung

- senkrechter VS geht mit E-Dissipation in unendlich kurzer Zeit einher

- ist im Regelfall mit einer Verzögerung der Strömung von Ma>1 auf Ma<1 verbunden

- hohe Totaldruckverluste bei gleichzeitiger Erhaltung der Totaltemperatur

--> Entropieerhöhung --> Anstieg der stat. Größen (Druck, Dichte, Temperatur)

T-total: bleibt konstant da diskontinuierliche Zustandsänderung

p-total: sinkt stark

An der E-Übertragung in TM sind nur die umfangskomponenten der Geschwindigkeit beteiligt.

- gesteigerte Umlenkung steigert die aerodynamische Belastung der Schaufeln

--> Strömungsablösung --> Strömungsverluste steigen --> Wirkungsgrad sinkt

- Gefahr der Strömungsablösung und Überschreitung der Stabilitätsgrenzen

- die variablen Betriebspunkte im "Leben" der TM; z.B. hoch oder runter fahren

- Turbinenstufen arbeiten MIT dem negativen Druckgradienten d.h. in Richtung des sinkenden Drucks (natürliche Strömungsrichtung)

--> Fluid folgt freiwillig der Umlenkung

- Verdichterstufen arbeitet gegen den positiven Druckgradienten d.h. in Richtung des steigenden Drucks

--> Gefahr der Strömungsablösung --> Begrenzung der realisierbaren Umlenkung

De-Haller-Zahl

   - Beurteilung der Ablösegefahr durch Verzögerung an Gehäuse und Nabe

Belastungszahl

   - Beurteilung der Ablösegefahr durch Umlenkung am Schaufelprofil

Diffusionszahl

   - kombiniertes Kriterium aus De-Haller-Zahl und Belastungszahl

Verdichter --> Pumpgrenze

- zeitlicher Wechsel zwischen axialer Vor- und Rückströmung am gesamten Verdichterumfang

Turbine --> Schluck/Stopfgrenze

- Sperren des engsten Querschnitts der ersten Leitreihe

- Ma wird 1 --> maximale Massenstromdichte erreicht

Verdichter

Turbine