Luftfahrtantriebe I
Gehalten an der TU Dresden im SS 2014
Gehalten an der TU Dresden im SS 2014
Fichier Détails
| Cartes-fiches | 41 |
|---|---|
| Utilisateurs | 51 |
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Technique |
| Niveau | Université |
| Crée / Actualisé | 02.08.2014 / 04.08.2024 |
| Lien de web |
https://card2brain.ch/box/luftfahrtantriebe_i
|
| Intégrer |
<iframe src="https://card2brain.ch/box/luftfahrtantriebe_i/embed" width="780" height="150" scrolling="no" frameborder="0"></iframe>
|
Was unterscheidet PTL-, ZTL- und ETL- Triebwerke ?
PTL --> Propeller-Turbinenluftstrahltriebwerk
ZTL --> Zweistrom-Turbinenluftstrahltriebwerk
ETL --> Einstrom-Turbinenluftstrahltriebwerk
Welche grundlegenden Gemeinsamkeiten weisen diese Bauformen auf ?
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
Beschreiben Sie die Schubentstehung im ETL.
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
Warum ist die Turbomaschine für grosse Leistungen dem Kolbenmotor als Flugantrieb auch für die
Propelleranwendung überlegen ?
- höhere Leistungsdichte der Turbomaschine (durch große Massenströme)
- kontinuierliche Arbeitsweise
- bei Kolbenmotor ist Luftzufuhr durch Ventilquerschnitt begrenzt
Welchen Grund vermuten Sie, dass die Turbomaschine für kleine Leistungen ( < 150 kW ) als Flugantrieb nicht zum
Einsatz kommt ?
- TM ist wesentlich komplexer
--> teurer
--> höherer Bauaufwand
--> hohe Unterhaltungskosten
--> höherer Wartungsaufwand
Was verstehen Sie unter thermischen Blockieren ?
- 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
Wie entwickelt sich die Machzahl in einer Unterschallströmung mit festem Querschnitt bei Wärmezufuhr ?
Begründen Sie Ihre Antwort.
- 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
Was geschieht mit dem Totaldruck in einer Unterschallströmung mit festem Querschnitt bei Wärmezufuhr ?
Begründen Sie Ihre Antwort.
- Totaldruck sinkt
Grund:
- höhere Strömungsverluste durch Beschleunigen
- höhere Totaldruckverluste durch erhöhte Teilchenbewegung --> Reibung
- durch Q-Zufuhr steigt die Entropie s
--> Verringerung des effektiven Querschnitts
Warum sind für eine Gasströmung bei gegebenen Totalzuständen für jeden gegebenen Querschnitt zwei Machzahlen
physikalisch möglich ?
1.) Unterschall mit hoher Dichte und niedriger Geschwindigkeit
2.) Überschall mit niedriger Dichte und hoher Geschwindigkeit
Warum wird bei einem konvergent - divergenten Kanalverlauf bei genügend geringem Gegendruck im engsten
Querschnitt die Schallgeschwindigkeit erreicht ?
Drücken Sie den Massenstrom in diesem Querschnitt für diesen Fall mit Hilfe von A* und den Totalzuständen aus.
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)
Was verstehen Sie unter einem senkrechten Verdichtungsstoß ?
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)
Was geschieht mit den Totalgrößen Tt und pt über einen Verdichtungsstoß ?
T-total: bleibt konstant da diskontinuierliche Zustandsänderung
p-total: sinkt stark
Wodurch wird die Energie zwischen Fluid und rotierendem Strömungskanal nach der Eulerschen
Turbomaschinengleichung übertragen ?
An der E-Übertragung in TM sind nur die umfangskomponenten der Geschwindigkeit beteiligt.
Warum liegt das Optimum für den Stufenwirkungsgrad bei relativ niedrigen Belastungskoeffizienten ?
- gesteigerte Umlenkung steigert die aerodynamische Belastung der Schaufeln
--> Strömungsablösung --> Strömungsverluste steigen --> Wirkungsgrad sinkt
Warum werden Turbomaschinenstufen nicht immer in diesem Optimum ausgelegt ?
- Gefahr der Strömungsablösung und Überschreitung der Stabilitätsgrenzen
- die variablen Betriebspunkte im "Leben" der TM; z.B. hoch oder runter fahren
Warum können Axial- Turbinenstufen höher belastet werden als Axial- Verdichterstufen ?
- 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
Welche Belastungskriterien kennen Sie für Axialverdichter ?
Welche Aussagen machen sie ?
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
Welche unterschiedlichen Betriebsgrenzen sind charakteristisch für die Kennfelder von Verdichter und Turbine ?
Was sind die strömungsmechanischen Gründe für die jeweilige Grenze ?
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
Skizzieren Sie je ein Vedichterkennfeld mit vollständiger Bezeichnung der Achsen und der Ihnen
bekannten Parameterlinien und Betriebsgrenzen.
Verdichter
Skizzieren Sie je ein Turbinenkennfeld mit vollständiger Bezeichnung der Achsen und der Ihnen
bekannten Parameterlinien und Betriebsgrenzen.
Turbine
Erläutern Sie die Begriffe Nettoschub und Bruttoschub.
Bruttoschub:
- Nur Differenz der impulskräfte
- wichtige Kenngröße für den Hersteller
Nettoschub:
- Bruttoschub mit Beachtung der Reibungskräfte und Druckkräfte auf Ein- und Austrittsfläche
- wichtige Kenngröße für Betreiber
Warum wird bei der Triebwerkskonzeption und -auslegung zunächst nur der Bruttoschub betrachtet ?
Weil vor der Triebwerksauslegung noch keinerlei Reibungskräfte oder andere Parameter speziellerer Natur bekannt sind.
Geben Sie die allgemeine Schubgleichung an und erklären Sie die physikalische Bedeutung der darin vorkommenden
Terme.
F=Austrittsschub-Eintrittschub+Kraft auf Austrittsfläche
Geben Sie die Definition und die wertende Bedeutung der folgenden Triebwerkskennwerte an :
spez. Schub, spez. Brennstoffverbrauch, innerer Wirkungsgrad, äusserer Wirkungsgrad, Gesamtwirkungsgrad.
VL. Kap. 3 S. 10
Warum fällt der spez. Schub ( bei Tt4 / T0 = konst ) nach Erreichen seines Maximalwertes für weiter wachsendes
Kompressionsverhältniss auf Null ab ?
- 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
Warum fällt der maximale spez. Schub bei konstantem Temperaturverhältnis Tt4 /T0 mit steigender Flugmachzahl ab ?
- 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
Wieso geht die zur Verfügung stehende Nutzarbeit in einem ETL bei Tt4 = konst für sehr hohe Druckverhältnisse pt3/p0 auf Null zurück ?
- wenn Verdichterarbeit gesteigert werden muss muss mehr Arbeit durch die Turbine aufgebracht werden
--> weniger für Schub übrig
Geben Sie die Änderung der Totalenthalpie von der Ebene 0 bis 2 im Einlauf eines TL-TW bei einer Flugmachzahl von
0.5 an.
VL. Kap. 4 S. 4
--> Änderung = 0
Warum muss ein Überschalleinlauf regelbar sein ?
Welche Regelmöglichkeiten kennen Sie ?
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
Erklären Sie das Phänomen „Einlaufbrummen“.
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
Geben Sie die ungefähre untere Flug- Machzahl an, für die eine Einlaufregelung evtl. noch vermieden werden kann ?
VL. Kap. 4 S. 9
Für Ma<1,3 wird keine Regelung benötigt.
Warum benötigt ein mehrstufiger Hochleistungsverdichter Verstell- Leitreihen und Abblaseventile ? Was bewirken
diese beiden Eingriffsmöglichkeiten ?
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)
Skizzieren Sie das Schema einer Rohrbrennkammer. Welche anderen Brennkammertypen kennen Sie ?
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
Erläutern Sie die physikalische Bedeutung der beiden Kennwerte OTDF und RTDF.
OTDF:
- lokal höchste Temperatur an Turbineneintritt
- Gesamt-T-Verteilung an Turbineneintritt
- Entscheidend für Statorintegrität
RTDF:
- radiale T-Verteilung an Turbineneintritt
- Entscheidend für Rotorintegrität
Erläutern Sie die physikalische Bedeutung der dimensionslosen Schaufelkühlparameter ε, m* und ηc.
Worin besteht der Wert der Funktion ε = f( m*, ηc ) ?
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?
Welche Methoden der Schaufelkühlung kennen Sie, um den Wärmestrom vom Heissgas in die Schaufelwand deutlich zu verringern ?
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
Wie wird der Axialschub von Verdichter und Turbine bei einem Triebwerk in die Aufhängung gelenkt ?
( Skizze )
- massive Gussteillager im vorderen und hintern Bereich des TW (Frontframe/Turbinframe)
Ein TL- TW wird im AP betrieben. Es soll der Nachbrenner gezündet werden. Muß die Schubdüse verstellt werden ?
Begründung
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
Skizzieren Sie den Verlauf des totalen und des statischen Drucks über eine Verdichterstufe / Turbinenstufe.
- 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
Erläutern Sie den physikalischen Unterschied zwischen dem polytropen und dem isentropen Wirkungsgrad am
Beispiel Verdichter.
delta-His --> ideale Prozess
delta-Hp --> reale Prozess
d-His --> infinitisimal kleines isentropes Stück des idealen Prozesses
d-Hp --> realer Prozess
