Komponenten von Strahltriebwerken - Components of jet engines
Dieser Artikel beschreibt kurz die Komponenten und Systeme, die in Düsentriebwerken zu finden sind .
Hauptkomponenten
Hauptkomponenten eines Turbojets einschließlich Referenzen zu Turbofans, Turboprops und Turbowellen:
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Kalter Abschnitt:
- Lufteinlass (Einlass) – Bei Unterschallflugzeugen ist der Einlass ein Kanal, der für einen reibungslosen Luftstrom in das Triebwerk erforderlich ist, auch wenn sich Luft aus anderen Richtungen als geradeaus dem Einlass nähert. Dies geschieht am Boden bei Seitenwind und im Flug bei Nick- und Gierbewegungen von Flugzeugen. Die Kanallänge wird minimiert, um Widerstand und Gewicht zu reduzieren. Luft tritt mit etwa halber Schallgeschwindigkeit in den Kompressor ein, so dass bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten die Strömung entlang des Einlasses beschleunigt und bei höheren Fluggeschwindigkeiten verlangsamt wird. Somit muss das Innenprofil des Einlasses sowohl die beschleunigende als auch die diffundierende Strömung ohne unnötige Verluste aufnehmen. Bei Überschallflugzeugen weist der Einlass Merkmale wie Kegel und Rampen auf, um die effizienteste Serie von Stoßwellen zu erzeugen, die sich bilden, wenn die Überschallströmung verlangsamt wird. Die Luft verlangsamt sich von der Fluggeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit durch die Stoßwellen, dann auf etwa die halbe Schallgeschwindigkeit am Kompressor durch den Unterschallteil des Einlasses. Das spezielle Stoßwellensystem wird im Hinblick auf viele Einschränkungen wie Kosten und Betriebserfordernisse gewählt, um Verluste zu minimieren, was wiederum die Druckrückgewinnung am Kompressor maximiert.
- Kompressor oder Lüfter — Der Kompressor besteht aus Stufen. Jede Stufe besteht aus rotierenden Laufschaufeln und stationären Statoren oder Leitschaufeln. Während sich die Luft durch den Kompressor bewegt, steigen ihr Druck und ihre Temperatur. Die Kraft zum Antrieb des Verdichters kommt von der Turbine , wie (siehe unten) Wellendrehmoment und Geschwindigkeit.
- Bypasskanäle führen die Strömung vom Ventilator mit minimalen Verlusten zur Bypass-Antriebsdüse. Alternativ kann der Bläserstrom mit dem Turbinenabgas gemischt werden, bevor er in eine einzelne Treibdüse eintritt. In einer anderen Anordnung kann zwischen Mischer und Düse ein Nachbrenner installiert werden.
- Welle – Die Welle verbindet die Turbine mit dem Kompressor und läuft fast über die gesamte Motorlänge. Es kann bis zu drei konzentrische Wellen geben, die sich mit unabhängigen Geschwindigkeiten drehen, mit ebenso vielen Sätzen von Turbinen und Kompressoren. Kühlluft für die Turbinen kann vom Verdichter durch die Welle strömen.
- Diffusorabschnitt: - Der Diffusor verlangsamt die Kompressorförderluft, um Strömungsverluste in der Brennkammer zu reduzieren. Außerdem ist langsamere Luft erforderlich, um die Verbrennungsflamme zu stabilisieren, und der höhere statische Druck verbessert die Verbrennungseffizienz.
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Heißer Abschnitt:
- Brennkammer oder Brennkammer — Kraftstoff wird nach der anfänglichen Zündung während des Motorstarts kontinuierlich verbrannt.
- Turbine — Die Turbine besteht aus einer Reihe von beschaufelten Scheiben, die wie eine Windmühle wirken und den heißen Gasen, die die Brennkammer verlassen, Energie entziehen . Ein Teil dieser Energie wird zum Antrieb des Kompressors verwendet . Turboprop-, Turboshaft- und Turbofan-Triebwerke haben zusätzliche Turbinenstufen zum Antrieb eines Propellers, Bypass-Fans oder Hubschrauberrotors. In einer freien Turbine dreht sich die Turbine, die den Kompressor antreibt, unabhängig von der Turbine, die den Propeller- oder Hubschrauberrotor antreibt. Kühlluft, die vom Verdichter abgezapft wird, kann verwendet werden, um die Turbinenlaufschaufeln, -leitschaufeln und -scheiben zu kühlen, um höhere Turbineneintrittsgastemperaturen für die gleichen Turbinenmaterialtemperaturen zu ermöglichen.**
- Nachbrenner oder Wiedererwärmungs (British) - (vor allem Militär) Erzeugt zusätzlichen Schub von Kraftstoff in der jetpipe brennt. Diese Wiedererwärmung des Turbinenabgases erhöht die Eintrittstemperatur der Treibdüse und die Austrittsgeschwindigkeit. Die Düsenfläche wird vergrößert, um das höhere spezifische Volumen des Abgases aufzunehmen. Dadurch wird der gleiche Luftstrom durch den Motor aufrechterhalten, um sicherzustellen, dass sich seine Betriebseigenschaften nicht ändern.
- Auspuff oder Düse — Turbinenabgase strömen durch die Treibdüse, um einen Hochgeschwindigkeitsstrahl zu erzeugen. Die Düse ist normalerweise mit einem festen Strömungsquerschnitt konvergent.
- Überschalldüse — Für hohe Düsendruckverhältnisse (Düseneintrittsdruck/Umgebungsdruck) wird eine konvergent-divergente (de Laval) Düse verwendet. Die Expansion auf Atmosphärendruck und Überschallgasgeschwindigkeit setzt sich stromabwärts des Halses fort und erzeugt mehr Schub.
Die verschiedenen oben genannten Komponenten unterliegen Einschränkungen hinsichtlich ihrer Zusammenstellung, um die höchste Effizienz oder Leistung zu erzielen. Leistung und Effizienz eines Motors können nie isoliert betrachtet werden; zum Beispiel maximiert die Kraftstoff-/Entfernungseffizienz eines Überschallstrahltriebwerks bei etwa Mach 2, während der Widerstand für das Fahrzeug, das es trägt, als quadratisches Gesetz zunimmt und viel zusätzlichen Widerstand im transsonischen Bereich hat. Die höchste Kraftstoffeffizienz für das Gesamtfahrzeug liegt somit typischerweise bei Mach ~0,85.
Wichtig für die Motoroptimierung für seinen Einsatzzweck sind hier Luftansaugkonstruktion, Baugröße, Anzahl Verdichterstufen (Schaufelsätze), Kraftstoffart, Anzahl Abgasstufen, Metallurgie der Bauteile, Menge der verwendeten Bypassluft, wo der Bypass Luft eingeführt wird, und viele andere Faktoren. Betrachten Sie zum Beispiel das Design des Lufteinlasses.
Lufteinlässe
Der Lufteinlass kann so gestaltet werden, dass er Teil des Rumpfes des Flugzeugs ist ( Corsair A-7 , Dassault Mirage III , General Dynamics F-16 Fighting Falcon , Nase befindet sich nordamerikanische F-86 Sabre und Mikoyan-Gurewich MiG-21 ) oder Teil der Gondel ( Grumman F-14 Tomcat , McDonnell Douglas F-15 Eagle , Sukhoi Su-27 , Sukhoi Su-57 , Lockheed SR-71 Blackbird , Boeing 737 , 747 , Airbus A380 ). Intakes werden in den USA häufiger als Intakes bezeichnet
Unterschalleinlässe
Pitot-Einlässe werden für Unterschallflugzeuge verwendet. Ein Pitot-Einlass ist kaum mehr als ein Rohr mit einer aerodynamischen Verkleidung darum.
Wenn sich ein Flugzeug nicht bewegt und kein Wind weht, nähert sich die Luft dem Einlass aus allen Richtungen: direkt von vorne, von der Seite und von hinten.
Bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten hat das Strömungsrohr, das sich der Lippe nähert, einen größeren Querschnitt als die Strömungsfläche der Lippe, wohingegen bei der Machzahl des Ansaugflugs die beiden Strömungsflächen gleich sind. Bei hohen Fluggeschwindigkeiten ist das Strömungsrohr kleiner, wobei überschüssige Luft um die Lippe herum spritzt.
Die Abrundung der Lippe verhindert eine Strömungsablösung und eine Verzerrung des Verdichtereinlasses bei niedrigen Geschwindigkeiten während des Seitenwindbetriebs und der Startdrehung.
Überschalleinlässe
Überschalleinlässe nutzen Stoßwellen aus, um den Luftstrom am Verdichtereintritt auf einen Unterschallzustand zu verlangsamen.
Grundsätzlich gibt es zwei Formen von Stoßwellen:
- Normale Stoßwellen liegen senkrecht zur Strömungsrichtung. Diese bilden scharfe Fronten und schocken die Strömung auf Unterschallgeschwindigkeit. Mikroskopisch prallen die Luftmoleküle wie Alphastrahlen in die Unterschallmasse der Moleküle . Normale Stoßwellen neigen dazu, einen starken Abfall des Staudrucks zu verursachen . Grundsätzlich gilt: Je höher die Überschall-Eintritts-Mach-Zahl einer normalen Stoßwelle, desto niedriger die Unterschall-Austritts-Mach-Zahl und desto stärker ist der Stoß (dh desto größer ist der Staudruckverlust über die Stoßwelle).
- Konische (3-dimensional) und schräge Stoßwellen (2D) sind nach hinten abgewinkelt, wie die Bugwelle auf einem Schiff oder Boot, und strahlen von einer Strömungsstörung wie einem Kegel oder einer Rampe ab. Für eine gegebene Mach-Zahl am Einlass sind sie schwächer als die äquivalente normale Stoßwelle, und obwohl sich die Strömung verlangsamt, bleibt sie durchgehend Überschall. Konische und schräge Stoßwellen drehen die Strömung, die sich in der neuen Richtung fortsetzt, bis eine weitere Strömungsstörung stromabwärts auftritt. Hinweis: Anmerkungen zu 3-dimensionalen konischen Stoßwellen gelten grundsätzlich auch für 2D-schräge Stoßwellen.
Eine scharflippige Version des Pitot-Einlasses, die oben für Unterschallanwendungen beschrieben wurde, funktioniert bei moderaten Überschallfluggeschwindigkeiten recht gut. Eine abgelöste normale Stoßwelle bildet sich kurz vor der Einlasslippe und „schockt“ die Strömung bis auf Unterschallgeschwindigkeit. Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit wird die Stoßwelle jedoch stärker, was zu einer größeren prozentualen Abnahme des Stagnationsdrucks (dh einer schlechteren Druckwiederherstellung) führt. Ein früher US-Überschalljäger, die F-100 Super Sabre , verwendete eine solche Aufnahme.
Fortgeschrittenere Überschallaufnahmen, ausgenommen Pitots:
a) eine Kombination aus konischer Stoßwelle/n und einer normalen Stoßwelle ausnutzen, um die Druckrückgewinnung bei hohen Überschallfluggeschwindigkeiten zu verbessern. Konische Stoßwelle/n werden verwendet, um die Überschall-Mach-Zahl beim Eintritt in die normale Stoßwelle zu verringern, wodurch die resultierenden Gesamtstoßverluste verringert werden.
b) eine Design-Schock-auf-Lippen-Flug-Mach-Zahl aufweisen, bei der die konische/schräge Stoßwelle/n die Haubenlippe schneidet, wodurch der Fangbereich des Stromrohrs gleich dem Einlasslippenbereich ist. Unterhalb der Machzahl des Stoßes auf der Lippe sind die Stoßwellenwinkel/s jedoch weniger schief, was dazu führt, dass die Stromlinie, die sich der Lippe nähert, durch das Vorhandensein des Kegels/der Rampe abgelenkt wird. Folglich ist der Ansaugeinfangbereich kleiner als der Ansauglippenbereich, was den Ansaugluftstrom verringert. Abhängig von den Luftstromeigenschaften des Motors kann es wünschenswert sein, den Rampenwinkel zu verringern oder den Konus nach hinten zu bewegen, um die Stoßwellen auf die Windlauflippe neu zu fokussieren, um den Ansaugluftstrom zu maximieren.
c) sind so ausgelegt, dass sie einen normalen Stoß in den Kanälen stromabwärts der Einlasslippe haben, so dass die Strömung am Verdichter-/Gebläseeintritt immer Unterschall ist. Dieser Einlass wird als Mischkompressionseinlass bezeichnet. Bei diesen Einlässen treten jedoch zwei Schwierigkeiten auf: Eine tritt während der Triebwerksdrosselung auf, während die andere auftritt, wenn sich die Flugzeuggeschwindigkeit (oder Mach) ändert. Wird der Motor gedrosselt, verringert sich der korrigierte (oder dimensionslose) Luftstrom des ND-Verdichters/-Lüfters, aber (bei Überschallbedingungen) bleibt der korrigierte Luftstrom an der Ansauglippe konstant, da er durch die Flug Machzahl und Inzidenz/Gier. Diese Diskontinuität wird dadurch überwunden, dass sich der normale Stoß zu einer niedrigeren Querschnittsfläche in der Leitung bewegt, um die Mach-Zahl beim Eintritt in die Stoßwelle zu verringern. Dies schwächt die Stoßwelle ab und verbessert die Gesamtrückgewinnung des Ansaugdrucks. Der absolute Luftstrom bleibt also konstant, während der korrigierte Luftstrom am Verdichtereintritt sinkt (wegen höheren Eintrittsdrucks). Überschüssiger Ansaugluftstrom kann auch über Bord oder in das Abgassystem geleitet werden, um zu verhindern, dass die konischen/schrägen Stoßwellen gestört werden, indem der normale Stoß durch die Motordrosselung zu weit nach vorne gedrückt wird.
Die zweite Schwierigkeit tritt auf, wenn sich die Machzahl des Flugzeugs ändert. Der Luftstrom muss an der Ansauglippe, am Hals und am Motor gleich sein. Diese Aussage ist eine Konsequenz der Massenerhaltung . Der Luftstrom ist jedoch im Allgemeinen nicht gleich, wenn sich die Überschallgeschwindigkeit des Flugzeugs ändert. Diese Schwierigkeit ist als Luftstromanpassungsproblem bekannt, das durch kompliziertere Einlasskonstruktionen gelöst wird, als sie für Unterschalleinlässe typisch sind. Um beispielsweise den Luftstrom anzupassen, kann eine Überschalleinlassöffnung variabel gemacht werden und etwas Luft kann um das Triebwerk herum geleitet und dann als Sekundärluft durch eine Ejektordüse gepumpt werden. Wenn der Einlassfluss nicht übereinstimmt, kann er instabil werden, da sich die normale Stoßwelle im Hals plötzlich über die Lippe nach vorne bewegt, bekannt als Einlass- Unstart . Der Überlaufwiderstand ist hoch und die Druckwiederherstellung gering, wobei nur eine ebene Stoßwelle anstelle des normalen Satzes von schrägen Stoßwellen vorhanden ist. In der SR-71- Installation lief der Motor weiter, obwohl manchmal ein Nachbrenner-Blowing auftrat.
Einlaufkegel
Viele Überschall-Kampfflugzeuge der zweiten Generation verfügten über einen Einlasskegel , der zur Bildung der konischen Stoßwelle verwendet wurde. Diese Art von Einlaufkegel ist zum Beispiel ganz vorne bei den Flugzeugen English Electric Lightning und MiG-21 deutlich zu sehen .
Der gleiche Ansatz kann für seitlich am Rumpf angebrachte Lufteinlässe verwendet werden, bei denen ein Halbkegel mit einem halbkreisförmigen Lufteinlass den gleichen Zweck erfüllt, wie beim F-104 Starfighter und BAC TSR-2 .
Einige Aufnahmen sind bikonisch ; das heißt, sie haben zwei konische Oberflächen: Der erste Kegel wird durch eine zweite, weniger schräge, konische Oberfläche ergänzt, die eine zusätzliche konische Stoßwelle erzeugt, die von der Verbindung zwischen den beiden Kegeln ausgeht. Eine bikonische Aufnahme ist normalerweise effizienter als die äquivalente konische Aufnahme, da die Eintritts-Mach-Zahl zum normalen Stoß durch das Vorhandensein der zweiten konischen Stoßwelle reduziert wird.
Der Einlass des SR-71 hatte eine sich verschiebende konische Spitze, die die Stoßwellenpositionen steuerte, um eine maximale Druckwiederherstellung zu erzielen.
Einlauframpe
Eine Alternative zum konischen Einlauf besteht darin, den Einlauf so abzuwinkeln, dass eine seiner Kanten eine Rampe bildet. Am Beginn der Rampe bildet sich eine schräge Stoßwelle. Die US-Jets der Century-Serie boten mehrere Varianten dieses Ansatzes, normalerweise mit der Rampe an der äußeren vertikalen Kante des Einlasses, die dann nach innen zum Rumpf hin abgewinkelt war. Typische Beispiele sind die Republic F-105 Thunderchief und die F-4 Phantom . Diese Konstruktion ist in der Druckrückgewinnung dem konischen Einlass etwas unterlegen, aber bei niedrigeren Überschallgeschwindigkeiten ist der Unterschied in der Druckrückgewinnung nicht signifikant, und die kleinere Größe und Einfachheit der Rampenkonstruktion machen sie für viele Überschallflugzeuge zur bevorzugten Wahl.
Später entwickelte sich dies so, dass sich die Rampe eher an der oberen horizontalen Kante als an der äußeren vertikalen Kante befand, mit einem ausgeprägten Winkel nach unten und hinten. Dieses Design vereinfachte die Konstruktion der Einlässe und ermöglichte die Verwendung variabler Rampen, um den Luftstrom in den Motor zu steuern. Die meisten Designs seit den frühen 1960er Jahren weisen heute diese Art der Aufnahme auf, zum Beispiel die Grumman F-14 Tomcat , McDonnell Douglas F-15 Eagle , Panavia Tornado und Concorde .
Diverterless Überschalleinlass
Ein umlenkerloser Überschalleinlass (DSI) besteht aus einer "Beule" und einer nach vorne gepfeilten Einlassverkleidung, die zusammenarbeiten, um den Grenzschichtluftstrom vom Flugzeugmotor wegzuleiten, während sie die Luft komprimieren, um sie von der Überschallgeschwindigkeit zu verlangsamen. Der DSI kann verwendet werden, um herkömmliche Verfahren zur Steuerung von Überschall- und Grenzschichtluftströmungen zu ersetzen. DSI können die ersetzen , verwendet werden Einlaßrampe und Einströmdüse , die komplexer sind, schwer und teuer.
Kompressoren
Axialkompressoren beruhen auf rotierenden Schaufeln mit Tragflächenabschnitten, ähnlich wie Flugzeugflügel. Wie bei Flugzeugflügeln können die Blätter unter bestimmten Bedingungen abwürgen. In diesem Fall kann der Luftstrom um den blockierten Kompressor herum heftig umkehren. Jede Auslegung eines Kompressors hat ein zugehöriges Betriebskennfeld des Luftstroms gegenüber der Drehzahl für charakteristische Eigenschaften dieses Typs (siehe Kompressorkennfeld ).
Bei einem gegebenen Drosselklappenzustand arbeitet der Kompressor irgendwo entlang der Dauerlauflinie. Leider wird diese Betriebslinie bei Transienten verschoben. Viele Kompressoren sind mit Anti-Blockier-Systemen in Form von Entlüftungsbändern oder Statoren mit variabler Geometrie ausgestattet, um die Wahrscheinlichkeit eines Pumpens zu verringern. Eine andere Methode besteht darin, den Kompressor in zwei oder mehr Einheiten aufzuteilen, die auf separaten konzentrischen Wellen arbeiten.
Eine weitere Designüberlegung ist die durchschnittliche Bühnenbelastung . Dies kann entweder durch Erhöhung der Anzahl der Kompressionsstufen (mehr Gewicht/Kosten) oder der mittleren Schaufelgeschwindigkeit (mehr Schaufel/Scheibenbelastung) auf einem sinnvollen Niveau gehalten werden.
Obwohl Kompressoren mit großem Durchfluss normalerweise allaxial sind, sind die hinteren Stufen bei kleineren Einheiten zu klein, um robust zu sein. Folglich werden diese Stufen oft durch eine einzige Zentrifugaleinheit ersetzt. Kompressoren mit sehr kleinem Durchfluss verwenden oft zwei Kreiselkompressoren, die in Reihe geschaltet sind. Obwohl Kreiselverdichter für sich genommen in der Lage sind, bei ziemlich hohen Druckverhältnissen (zB 10:1) zu laufen, begrenzen Laufradbelastungsüberlegungen das Druckverhältnis, das in Motorzyklen mit hohem Gesamtdruckverhältnis verwendet werden kann.
Eine Erhöhung des Gesamtdruckverhältnisses impliziert eine Erhöhung der Austrittstemperatur des Hochdruckverdichters. Dies impliziert eine höhere Hochdruckwellendrehzahl, um die Machzahl der Bezugsschaufelspitze auf der hinteren Verdichterstufe beizubehalten. Belastungserwägungen können jedoch den Anstieg der Wellendrehzahl begrenzen, was dazu führt, dass der ursprüngliche Kompressor aerodynamisch auf ein niedrigeres Druckverhältnis als das Bezugsverhältnis drosselt.
Brennkammern
Flammenfronten bewegen sich im Allgemeinen mit nur Mach 0,05, während Luftströmungen durch Düsentriebwerke erheblich schneller sind. Brennkammern verwenden typischerweise Strukturen, um eine geschützte Verbrennungszone zu schaffen, die als Flammenhalter bezeichnet wird . Brennkammerkonfigurationen umfassen Can-, Ring- und Can-Ringel-Konfigurationen.
Es muss große Sorgfalt darauf verwendet werden, dass die Flamme in einem mäßig schnell bewegten Luftstrom unter allen Drosselbedingungen so effizient wie möglich brennt. Da die Turbine den stöchiometrischen Temperaturen (ein Mischungsverhältnis von etwa 15:1) nicht standhält , wird ein Teil der Verdichterluft verwendet, um die Austrittstemperatur der Brennkammer auf ein akzeptables Niveau zu bringen (ein Gesamtmischungsverhältnis zwischen 45:1 und 130: 1 wird verwendet). Für die Verbrennung verwendete Luft wird als Primärluftstrom betrachtet, während überschüssige Luft, die zum Kühlen verwendet wird, als Sekundärluftstrom bezeichnet wird. Der Sekundärluftstrom wird durch viele kleine Löcher in den Brennerdosen geleitet, um eine kühlere Luftdecke zu erzeugen, um die Metalloberflächen der Verbrennungsdose von der Flamme zu isolieren. Würde das Metall längere Zeit der direkten Flamme ausgesetzt, würde es schließlich durchbrennen.
Raketentriebwerke, die kein „Kanaltriebwerk“ sind, haben ganz unterschiedliche Brennkammersysteme, und das Mischungsverhältnis ist in der Hauptkammer normalerweise viel näher am stöchiometrisch. Diesen Motoren fehlen im Allgemeinen Flammenhalter und die Verbrennung findet bei viel höheren Temperaturen statt, da es keine Turbine stromabwärts gibt. Allerdings Flüssigkeitsraketentriebwerke verwenden häufig getrennte Brenner an der Macht Turbo- und dieser Brenner in die Regel weit weg stöchiometrischen laufen , um Turbinentemperaturen in der Pumpe zu senken.
Turbinen
Da sich eine Turbine von hohem zu niedrigem Druck ausdehnt, gibt es keinen Turbinenstoss oder Strömungsabriss. Die Turbine benötigt weniger Stufen als der Verdichter, hauptsächlich weil die höhere Eintrittstemperatur das deltaT/T (und damit das Druckverhältnis) des Expansionsprozesses verringert. Die Schaufeln weisen eine stärkere Krümmung auf und die Gasstromgeschwindigkeiten sind höher.
Konstrukteure müssen jedoch verhindern, dass die Turbinenschaufeln und Leitschaufeln in einer Umgebung mit sehr hohen Temperaturen und Belastungen schmelzen. Folglich wird dem Verdichtungssystem entnommene Zapfluft häufig verwendet, um die Turbinenschaufeln/-leitschaufeln intern zu kühlen. Andere Lösungen sind verbesserte Werkstoffe und / oder spezielle isolierende Beschichtungen . Die Scheiben müssen speziell geformt sein, um den enormen Belastungen durch die rotierenden Klingen standzuhalten . Sie nehmen die Form von Impuls-, Reaktions- oder Kombinationsimpuls-Reaktionsformen an. Verbesserte Materialien helfen, das Scheibengewicht niedrig zu halten.
Nachbrenner (Nachheizen)
Nachbrenner erhöhen kurzzeitig den Schub, indem sie zusätzlichen Kraftstoff im Düsenrohr hinter dem Triebwerk verbrennen.
Düse
Die Treibdüse verwandelt eine Gasturbine oder einen Gasgenerator in ein Strahltriebwerk . Die im Gasturbinenabgas verfügbare Leistung wird durch die Düse in einen Hochgeschwindigkeits-Treibstrahl umgewandelt. Die Leistung wird durch typische Überdruck- und Temperaturwerte für einen Turbojet von 20 psi (140 kPa) und 1.000 °F (538 °C) definiert.
Schubumkehrer
Diese bestehen entweder aus Bechern, die über das Ende der Auspuffdüse schwingen und den Strahlschub nach vorne ablenken (wie bei der DC-9), oder es sind zwei Platten hinter der Verkleidung, die nach hinten gleiten und nur den Fanschub umkehren (der Fan produziert den Großteil des Schubs). Die Umleitung der Gebläseluft erfolgt durch Vorrichtungen, die als "Blockertüren" und "Kaskadenflügel" bezeichnet werden. Dies ist bei vielen großen Flugzeugen wie der 747, C-17, KC-10 usw. der Fall. Wenn Sie sich in einem Flugzeug befinden und Sie hören, dass die Triebwerke nach der Landung an Leistung zunehmen, liegt dies normalerweise daran, dass die Schubumkehrer ausgefahren sind. Die Motoren drehen sich nicht wirklich rückwärts, wie der Begriff vielleicht vermuten lässt. Die Reverser werden verwendet, um das Flugzeug schneller zu verlangsamen und den Verschleiß der Radbremsen zu reduzieren.
Kühlsysteme
Alle Strahltriebwerke erfordern Hochtemperaturgas für einen guten Wirkungsgrad, der typischerweise durch Verbrennen von Kohlenwasserstoff- oder Wasserstofftreibstoff erreicht wird. Die Verbrennungstemperaturen können in Raketen bis zu 3500 K (5841 F) betragen, weit über dem Schmelzpunkt der meisten Materialien, aber normale luftatmende Düsentriebwerke verwenden eher niedrigere Temperaturen.
Um die Temperatur der festen Teile unterhalb der Ausfalltemperatur zu halten, werden Kühlsysteme eingesetzt.
Luftsysteme
In die meisten Strahltriebwerke auf Turbinenbasis ist ein komplexes Luftsystem eingebaut, das hauptsächlich die Turbinenlaufschaufeln, -leitschaufeln und -scheiben kühlt.
Luft, die vom Verdichterausgang abgezogen wird, strömt um die Brennkammer herum und wird in den Rand der rotierenden Turbinenscheibe eingespritzt. Die Kühlluft strömt dann durch komplexe Kanäle innerhalb der Turbinenschaufeln. Nach dem Entfernen der Wärme aus dem Schaufelmaterial wird die Luft (jetzt ziemlich heiß) über Kühllöcher in den Hauptgasstrom entlüftet. Kühlluft für die Turbinenschaufeln durchläuft einen ähnlichen Prozess.
Das Kühlen der Vorderkante der Laufschaufel kann schwierig sein, da sich der Druck der Kühlluft gerade innerhalb des Kühllochs nicht wesentlich von dem des ankommenden Gasstroms unterscheidet. Eine Lösung besteht darin, eine Abdeckplatte auf der Scheibe einzubauen. Dieser wirkt als Zentrifugalkompressor, um die Kühlluft unter Druck zu setzen, bevor sie in die Schaufel eintritt. Eine andere Lösung besteht darin, eine hocheffiziente Turbinenranddichtung zu verwenden, um den Bereich unter Druck zu setzen, in dem die Kühlluft zur rotierenden Scheibe strömt.
Dichtungen werden verwendet, um Öllecks zu verhindern, Luft zum Kühlen zu steuern und Streuluftströmungen in Turbinenhohlräume zu verhindern.
Eine Reihe von (z. B. Labyrinth-)Dichtungen ermöglichen einen kleinen Strom von Zapfluft, um die Turbinenscheibe zu waschen, um Wärme zu entziehen und gleichzeitig die Turbinenranddichtung unter Druck zu setzen, um zu verhindern, dass heiße Gase in den inneren Teil des Triebwerks gelangen. Andere Arten von Dichtungen sind Hydraulik-, Bürsten-, Kohledichtungen usw.
Kleine Mengen Verdichterzapfluft werden auch verwendet, um die Welle, Turbinendeckbänder usw. zu kühlen. Ein Teil der Luft wird auch verwendet, um die Temperatur der Brennkammerwände unterhalb der kritischen Temperatur zu halten. Dies geschieht mit primären und sekundären Luftlöchern, die es einer dünnen Luftschicht ermöglichen, die Innenwände der Kammer zu bedecken, um eine übermäßige Erwärmung zu verhindern.
Die Austrittstemperatur ist abhängig vom Material von der oberen Temperaturgrenze der Turbine. Eine Reduzierung der Temperatur verhindert auch eine thermische Ermüdung und damit ein Versagen. Zubehör kann auch eigene Kühlsysteme benötigen, die Luft vom Kompressor oder Außenluft verwenden.
Luft aus den Verdichterstufen wird auch zur Beheizung des Lüfters, zur Enteisung der Flugzeugzelle und zur Kabinenheizung verwendet. Aus welcher Stufe geblutet wird, hängt von den atmosphärischen Bedingungen in dieser Höhe ab.
Kraftstoffsystem
Abgesehen von der Kraftstoffversorgung des Motors wird das Kraftstoffsystem auch zur Steuerung der Propellerdrehzahl, des Kompressorluftstroms und des Kühlschmieröls verwendet. Der Kraftstoff wird normalerweise durch ein zerstäubtes Spray eingebracht, dessen Menge automatisch in Abhängigkeit von der Luftmenge gesteuert wird.
Die Folge von Ereignissen zur Erhöhung des Schubs ist also, dass die Drosselklappe öffnet und der Kraftstoffsprühdruck erhöht wird, wodurch die verbrannte Kraftstoffmenge erhöht wird. Das bedeutet, dass die Abgase heißer sind und daher mit höherer Beschleunigung ausgestoßen werden, dh sie üben höhere Kräfte aus und erhöhen somit direkt den Triebwerksschub. Es erhöht auch die von der Turbine entzogene Energie, die den Kompressor noch schneller antreibt und so auch mehr Luft in den Motor strömt.
Offensichtlich ist die Geschwindigkeit der Masse des Luftstroms von Bedeutung, da die Impulsänderung (Masse x Geschwindigkeit) die Kraft erzeugt. Die Dichte variiert jedoch mit der Höhe und somit ändert sich auch der Massenzufluss mit der Höhe, Temperatur usw., was bedeutet, dass die Drosselwerte gemäß all diesen Parametern variieren, ohne sie manuell zu ändern.
Aus diesem Grund wird der Kraftstofffluss automatisch gesteuert. Normalerweise gibt es 2 Systeme, eines zur Druckkontrolle und das andere zur Kontrolle des Durchflusses. Die Eingaben stammen normalerweise von Druck- und Temperatursonden aus dem Einlass und an verschiedenen Stellen durch den Motor. Auch Gaseingaben, Motordrehzahl etc. werden benötigt. Diese wirken sich auf die Hochdruck-Kraftstoffpumpe aus.
Kraftstoffsteuergerät (FCU)
Dieses Element ist so etwas wie ein mechanischer Computer. Es bestimmt die Leistung der Kraftstoffpumpe durch ein Ventilsystem, das den Druck ändern kann, der verwendet wird, um den Pumpenhub zu bewirken, wodurch die Durchflussmenge variiert wird.
Nehmen Sie die Möglichkeit einer erhöhten Höhe, wo der Lufteinlassdruck reduziert wird. In diesem Fall dehnt sich die Kammer in der FCU aus, was dazu führt, dass das Überströmventil mehr Kraftstoff ablässt. Dies bewirkt, dass die Pumpe weniger Kraftstoff fördert, bis der Druck der Gegenkammer dem Luftdruck entspricht und das Überströmventil in seine Position zurückkehrt.
Wenn die Drosselklappe geöffnet wird, gibt sie ab, dh verringert den Druck, der die Drosselklappe fallen lässt. Der Druck wird übertragen (aufgrund eines Rückschlagventils, dh keine Luftspalte im Kraftstofffluss), wodurch die FCU-Überströmventile (wie sie allgemein genannt werden) geschlossen werden, wodurch der Druck erhöht und eine höhere Durchflussrate verursacht wird.
Der Motordrehzahlregler wird verwendet, um ein Überdrehen des Motors zu verhindern. Es hat die Fähigkeit, die FCU-Steuerung zu ignorieren. Dies geschieht durch die Verwendung einer Membran, die die Motordrehzahl in Bezug auf den Zentrifugaldruck erfasst, der durch den rotierenden Rotor der Pumpe erzeugt wird. Bei einem kritischen Wert bewirkt diese Membran, dass sich ein weiteres Überströmventil öffnet und den Kraftstofffluss ablässt.
Es gibt andere Möglichkeiten, den Kraftstofffluss zu steuern, zum Beispiel mit dem Drosselklappen-Gashebel. Die Drossel hat ein Zahnrad, das mit dem Steuerventil kämmt (wie eine Zahnstange und Ritzel), wodurch es entlang eines Zylinders gleitet, der an verschiedenen Positionen Öffnungen hat. Durch Bewegen der Drosselklappe und damit Verschieben des Ventils entlang des Zylinders werden diese Anschlüsse wie vorgesehen geöffnet und geschlossen. Es gibt tatsächlich 2 Ventile, nämlich. die Drosselklappe und das Regelventil. Das Steuerventil wird verwendet, um den Druck auf einer Seite des Drosselventils so zu steuern, dass es dem Drosselsteuerdruck den richtigen Widerstand entgegensetzt. Dies geschieht durch die Steuerung des Kraftstoffauslasses aus dem Inneren des Zylinders.
Wird also beispielsweise die Drosselklappe nach oben bewegt, um mehr Kraftstoff einzulassen, bedeutet dies, dass sich die Drosselklappe in eine Position bewegt hat, in der mehr Kraftstoff durchfließen kann, und auf der anderen Seite werden die erforderlichen Druckanschlüsse geöffnet, um dies zu halten Druckausgleich, damit der Gashebel dort bleibt, wo er ist.
Bei der anfänglichen Beschleunigung wird mehr Kraftstoff benötigt und die Einheit ist so angepasst, dass mehr Kraftstoff fließen kann, indem andere Öffnungen an einer bestimmten Drosselklappenposition geöffnet werden. Druckänderungen der Außenluft, dh Höhe, Geschwindigkeit des Flugzeugs usw. werden durch eine Luftkapsel erfasst.
Treibmittelpumpe
Üblicherweise sind Treibmittelpumpen vorhanden, um den Treibmitteldruck über den Druck in der Brennkammer anzuheben, damit der Kraftstoff eingespritzt werden kann. Kraftstoffpumpen werden normalerweise über Getriebe von der Hauptwelle angetrieben.
Turbopumpen
Turbopumpen sind Kreiselpumpen, die von Gasturbinen angetrieben werden und dazu dienen, den Treibmitteldruck über den Druck in der Brennkammer zu erhöhen, damit dieser eingespritzt und verbrannt werden kann. Turbopumpen werden sehr häufig bei Raketen verwendet, aber auch Staujets und Turbojets sind dafür bekannt. Die Treibgase für die Turbopumpe werden in der Regel in separaten Kammern mit außerstöchiometrischer Verbrennung erzeugt und der relativ kleine Massenstrom entweder durch eine spezielle Düse oder an einer Stelle in der Hauptdüse abgelassen; beides führt zu einer geringen Leistungseinbuße. In einigen Fällen (insbesondere beim Space-Shuttle- Haupttriebwerk ) wird eine gestufte Verbrennung verwendet, und das Pumpgasabgas wird in die Hauptkammer zurückgeführt, wo die Verbrennung abgeschlossen ist und dann im Wesentlichen kein Leistungsverlust aufgrund von Pumpverlusten auftritt.
Staustrahl-Turbopumpen verwenden Stauluft, die sich durch eine Turbine ausdehnt.
Motorstartsystem
Das oben erläuterte Kraftstoffsystem ist eines der beiden Systeme, die zum Starten des Motors erforderlich sind. Die andere ist die eigentliche Zündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in der Kammer. Üblicherweise wird zum Starten der Motoren ein Hilfstriebwerk verwendet. Es verfügt über einen Startermotor, der ein hohes Drehmoment auf die Kompressoreinheit überträgt. Wenn die optimale Drehzahl erreicht ist, dh der Gasdurchfluss durch die Turbine ausreichend ist, übernehmen die Turbinen.
Es gibt verschiedene Startmethoden wie elektrisch , hydraulisch , pneumatisch usw.
Der Elektrostarter arbeitet mit Zahnrädern und Kupplungsscheibe, die den Motor und den Motor verbinden. Die Kupplung wird zum Auskuppeln verwendet, wenn die optimale Geschwindigkeit erreicht ist. Dies geschieht in der Regel automatisch. Die Stromversorgung dient sowohl zum Starten des Motors als auch zum Zünden. Die Spannung wird normalerweise langsam aufgebaut, wenn der Anlasser an Geschwindigkeit gewinnt.
Einige Militärflugzeuge müssen schneller gestartet werden, als es die elektrische Methode erlaubt, und verwenden daher andere Methoden wie einen Patronen-Turbinenstarter oder "Cart-Starter". Dies ist eine Impulsturbine, die von brennenden Gasen aus einer Patrone beeinflusst wird, die normalerweise durch Zünden eines festen Treibmittels ähnlich wie Schießpulver erzeugt wird. Es ist darauf ausgerichtet, den Motor zu drehen und ist auch mit einem automatischen Trennsystem oder einer Überholkupplung verbunden. Die Patrone wird elektrisch gezündet und verwendet, um die Turbine des Anlassers zu drehen.
Ein anderes Turbinenstartersystem ist fast genau wie ein kleiner Motor. Auch hier ist die Turbine über Zahnräder mit dem Motor verbunden. Die Turbine wird jedoch durch das Verbrennen von Gasen angetrieben - normalerweise ist der Brennstoff Isopropylnitrat (oder manchmal Hydrazin), der in einem Tank gespeichert und in eine Brennkammer gesprüht wird. Auch hier wird mit einer Zündkerze gezündet. Alles wird elektrisch gesteuert, wie Geschwindigkeit usw.
Die meisten Verkehrsflugzeuge und großen militärischen Transportflugzeuge verwenden normalerweise eine sogenannte Auxiliary Power Unit (APU). Es ist normalerweise eine kleine Gasturbine. Somit könnte man sagen, dass die Verwendung einer solchen APU bedeutet, eine kleine Gasturbine zu verwenden, um eine größere zu starten. Niederdruck (40–70 psi oder 280–480 kPa) Luft mit hohem Volumen aus dem Kompressorabschnitt der APU wird durch ein Rohrsystem zu den Motoren abgelassen, wo sie in das Startsystem geleitet wird. Diese Zapfluft wird in einen Mechanismus geleitet, um das Drehen des Motors zu starten und mit dem Ansaugen von Luft zu beginnen. Der Starter ist normalerweise ein Luftturbinenstarter, ähnlich dem Kartuschenstarter, verwendet jedoch die Zapfluft der APU anstelle der brennenden Gase der Treibmittelkartusche. Die meisten Wagenstarter können auch APU-Luft verwenden, um sie zu drehen. Wenn die Drehzahl des Motors ausreicht, um genügend Luft anzusaugen, um die Verbrennung zu unterstützen, wird Kraftstoff eingeführt und gezündet. Sobald der Motor zündet und die Leerlaufdrehzahl erreicht, werden die Zapfluft- und Zündsysteme abgeschaltet.
Am äußersten Heck des Flugzeugs sind die APUs von Flugzeugen wie der Boeing 737 und dem Airbus A320 zu sehen. Dies ist der typische Ort für eine APU bei den meisten Verkehrsflugzeugen, obwohl sich einige als Beispiele in der Flügelwurzel ( Boeing 727 ) oder im hinteren Rumpf ( DC-9 / MD80 ) befinden und einige Militärtransporter ihre APUs in einer der Hauptlandungen tragen Getriebekapseln ( C-141 ).
Einige APUs sind auf Rollwagen montiert, sodass sie geschleppt und in verschiedenen Flugzeugen verwendet werden können. Sie sind über einen Schlauch mit dem Luftkanal des Flugzeugs verbunden, der ein Rückschlagventil enthält, damit die APU-Luft in das Flugzeug strömen kann, während die Zapfluft des Haupttriebwerks nicht durch den Kanal austreten kann.
Die APUs liefern auch genügend Leistung, um die Kabinenbeleuchtung, den Druck und andere Systeme eingeschaltet zu lassen, während die Motoren ausgeschaltet sind. Die zur Steuerung des Luftstroms verwendeten Ventile werden normalerweise elektrisch gesteuert. Sie schließen automatisch mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit. Als Teil des Startvorgangs bei einigen Motoren wird Kraftstoff mit der zugeführten Luft kombiniert und verbrannt, anstatt nur Luft zu verwenden. Dies erzeugt normalerweise mehr Leistung pro Gewichtseinheit.
Normalerweise wird eine APU durch einen eigenen elektrischen Startermotor gestartet, der bei der richtigen Geschwindigkeit automatisch abgeschaltet wird. Wenn der Hauptmotor anspringt und die richtigen Bedingungen erreicht, wird dieses Nebenaggregat ausgeschaltet und langsam ausgekuppelt.
Hydraulikpumpen können auch verwendet werden, um einige Motoren über Zahnräder zu starten. Die Pumpen werden am Boden elektrisch gesteuert.
Eine Variante davon ist die APU, die in einer Boeing F/A-18 Hornet installiert ist; es wird von einem hydraulikmotor gestartet, der selbst in einem speicher gespeicherte energie erhält. Dieser Akkumulator wird nach dem Starten des rechten Motors aufgeladen und baut Hydraulikdruck auf, oder durch eine Handpumpe im rechten Hauptfahrwerksschacht.
Zündung
Normalerweise befinden sich im Verbrennungssystem zwei Zündkerzen an unterschiedlichen Positionen. Ein Hochspannungsfunke wird verwendet, um die Gase zu entzünden. Die Spannung wird aus einer Niederspannungsversorgung (normalerweise 28 V DC) gespeichert, die von den Flugzeugbatterien bereitgestellt wird. Es baut sich in den Zünderregern (ähnlich wie bei Automobilzündspulen) auf den richtigen Wert auf und wird dann als hochenergetischer Funke freigesetzt. Abhängig von verschiedenen Bedingungen, z. B. bei starkem Regen, erzeugt der Zünder weiterhin Funken, um ein Versagen der Verbrennung zu verhindern, wenn die Flamme im Inneren erlischt. Für den Fall, dass die Flamme erlischt, muss natürlich ein erneutes Anzünden vorgesehen werden. Es gibt eine Grenze der Höhe und Luftgeschwindigkeit, bei der ein Triebwerk ein zufriedenstellendes Wiederzünden erreichen kann.
Zum Beispiel verwendet der General Electric F404-400 einen Zünder für die Brennkammer und einen für den Nachbrenner; Das Zündsystem für A/B enthält einen ultravioletten Flammensensor, um den Zünder zu aktivieren.
Die meisten modernen Zündsysteme liefern genügend Energie (20–40 kV), um eine tödliche Gefahr zu verursachen, falls eine Person beim Aktivieren des Systems mit der elektrischen Leitung in Kontakt kommt. Daher ist die Teamkommunikation bei der Arbeit an diesen Systemen von entscheidender Bedeutung.
Schmiersystem
Ein Schmiersystem dient dazu, die Schmierung der Lager und Zahnräder zu gewährleisten und ausreichend kühle Temperaturen, meist durch Eliminierung von Reibung, aufrechtzuerhalten. Das Schmiermittel kann auch verwendet werden, um andere Teile wie Wände und andere Bauteile direkt über gezielte Ölströme zu kühlen. Das Schmiersystem transportiert auch Verschleißpartikel aus dem Inneren des Motors und spült sie durch einen Filter, um das Öl und die ölbenetzten Komponenten sauber zu halten.
Das Schmiermittel ist durch verschiedene Dichtungsmechanismen von den äußeren Teilen des Motors isoliert, die auch verhindern, dass Schmutz und andere Fremdkörper das Öl verunreinigen und die Lager, Zahnräder und andere bewegliche Teile erreichen, und fließt normalerweise in einer Schleife (ist nicht absichtlich durch Motornutzung verbraucht). Der Schmierstoff muss bei relativ niedrigen Temperaturen leicht fließen können und bei sehr hohen Temperaturen nicht zerfallen oder zerfallen.
Normalerweise hat das Schmiersystem Teilsysteme, die sich individuell mit dem Schmiermittelversorgungssystem eines Motors, dem Spülen (Ölrückführungssystem) und einer Entlüftung (Entlüften von überschüssiger Luft aus den Innenräumen) befassen.
Die Drucksystemkomponenten umfassen typischerweise einen Öltank und Entlüfter , Hauptölpumpe , Hauptölfilter / Filterbypassventil , Druckregelventil (PRV) , Ölkühler / Bypass - Ventil und die Rohrleitung / Düsen.
Normalerweise wird der Fluss vom Tank zum Pumpeneinlass und zum PRV geleitet, zum Hauptölfilter oder dessen Bypassventil und Ölkühler gepumpt, dann durch einige weitere Filter zu Düsen in den Lagern.
Die Verwendung der PRV-Regelungsmethode bedeutet, dass der Druck des Speiseöls unter einem kritischen Wert liegen muss (normalerweise von anderen Ventilen gesteuert, die überschüssiges Öl zurück in den Tank entweichen können, wenn es den kritischen Wert überschreitet). Das Ventil öffnet bei einem bestimmten Druck und das Öl wird mit konstanter Geschwindigkeit in den Lagerraum gefördert.
Wenn die Motorleistungseinstellung erhöht wird, erhöht sich typischerweise auch der Druck in der Lagerkammer, was bedeutet, dass die Druckdifferenz zwischen der Schmiermittelzufuhr und der Kammer verringert wird, was die Durchflussmenge des Öls bei Bedarf noch weiter reduzieren könnte. Dadurch können einige PRVs ihre Federkraftwerte über diese Druckänderung im Lagerraum proportional anpassen, um den Schmierstofffluss konstant zu halten.
Kontrollsystem
Die meisten Düsentriebwerke werden digital unter Verwendung von Full Authority Digital Electronics Control- Systemen gesteuert , einige Systeme verwenden jedoch mechanische Geräte.
Verweise