Schub des Gasturbinentriebwerks - Gas turbine engine thrust
Die bekannte Studie über Düsenflugzeuge behandelt den Düsenschub mit einer "Black Box" -Beschreibung, die nur untersucht, was in das Düsentriebwerk gelangt, Luft und Kraftstoff und was austritt, Abgas und eine unausgeglichene Kraft. Diese Kraft, Schub genannt, ist die Summe der Impulsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang und jeder unausgeglichenen Druckkraft zwischen Ein- und Ausgang, wie in "Schubberechnung" erläutert.
Als Beispiel ein früher Turbojet, der Bristol Olympus Mk. 101, hatte einen Impulsschub von 9300 lb. und einen Druckschub von 1800 lb., was insgesamt 11.100 lb. ergibt. Ein Blick in die "Black Box" zeigt, dass der Schub aus allen unausgeglichenen Impuls- und Druckkräften resultiert, die im Motor selbst erzeugt werden . Diese Kräfte, einige vorwärts und einige rückwärts, wirken sich auf alle stationären und rotierenden Innenteile wie Kanäle, Kompressoren usw. aus, die sich im Primärgasstrom befinden, der von vorne nach hinten durch den Motor fließt. Die algebraische Summe all dieser Kräfte wird zum Antrieb an die Flugzeugzelle abgegeben. "Flight" gibt Beispiele für diese internen Kräfte für zwei frühe Triebwerke, den Rolls-Royce Avon Ra.14 und den de Havilland Goblin
Übertragung des Schubes auf das Flugzeug
Der Motorschub wirkt entlang der Motormittellinie. Das Flugzeug "hält" das Triebwerk am Außengehäuse des Triebwerks in einiger Entfernung von der Triebwerksmittellinie (an den Triebwerkshalterungen). Diese Anordnung bewirkt, dass sich das Motorgehäuse verbiegt (bekannt als Rückgratbiegen) und sich die runden Rotorgehäuse verziehen (Ovalisierung). Die Verformung der Motorstruktur muss mit geeigneten Montageorten kontrolliert werden, um ein akzeptables Rotor- und Dichtungsspiel aufrechtzuerhalten und ein Reiben zu verhindern. Ein bekanntes Beispiel für eine übermäßige strukturelle Verformung war die ursprüngliche Installation des Pratt & Whitney JT9D- Triebwerks im Boeing 747- Flugzeug. Die Motorbefestigungsanordnung musste mit einem zusätzlichen Druckrahmen überarbeitet werden, um die Durchbiegungen des Gehäuses auf ein akzeptables Maß zu reduzieren.
Rotorschub
Der Rotorschub auf ein Axiallager hängt nicht mit dem Motorschub zusammen. Bei einigen Drehzahlen kann sich sogar die Richtung ändern. Die Lagerbelastung wird durch Überlegungen zur Lagerlebensdauer bestimmt. Obwohl die aerodynamischen Belastungen des Kompressors und der Turbinenschaufeln zum Rotorschub beitragen, sind sie im Vergleich zu Hohlraumbelastungen im Rotor, die sich aus den Drücken des Sekundärluftsystems und den Dichtungsdurchmessern auf Scheiben usw. ergeben, gering. Um die Belastung innerhalb der Lagerspezifikationsdichtung zu halten Die Durchmesser werden dementsprechend wie vor vielen Jahren auf der Rückseite des Laufrads des de Havilland Ghost- Motors gewählt. Manchmal muss eine zusätzliche Scheibe, die als Ausgleichskolben bekannt ist, im Rotor hinzugefügt werden. Ein frühes Turbojet-Beispiel mit einem Ausgleichskolben war der Rolls-Royce Avon .
Schubberechnung
Der Nettoschub ( F N ) eines Motors ist gegeben durch:
| wo: | |
| ṁ Luft | = die Massenrate des Luftstroms durch den Motor |
| ṁ Kraftstoff | = die Massenrate des in den Motor eintretenden Treibmittelstroms |
| v e | = die effektive Abgasgeschwindigkeit des Strahls (die Geschwindigkeit der Abgasfahne relativ zum Flugzeug) |
| v | = die Geschwindigkeit des Lufteinlasses = die wahre Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs |
| ( ṁ Luft + ṁ Kraftstoff ) v e | = der Bruttoschub der Düse ( F G ) |
| ṁ Luft v | = der Stößelwiderstand der Ansaugluft |
Die meisten Arten von Strahltriebwerken haben einen Lufteinlass, der den Großteil der aus dem Auslass austretenden Flüssigkeit liefert. Herkömmliche Raketentriebwerke haben jedoch keinen Einlass, sodass ṁ Luft Null ist. Daher haben Raketentriebwerke keinen Stößelwiderstand und der Bruttoschub der Raketentriebwerksdüse ist der Nettoschub des Motors. Folglich unterscheiden sich die Schubcharakteristika eines Raketenmotors von denen eines luftatmenden Strahltriebwerks, und der Schub ist unabhängig von der Geschwindigkeit.
Wenn die Geschwindigkeit des Strahls von einem Strahltriebwerk gleich der Schallgeschwindigkeit ist, wird die Düse des Strahltriebwerks als gedrosselt bezeichnet. Wenn die Düse gedrosselt ist, ist der Druck an der Düsenaustrittsebene größer als der atmosphärische Druck, und der obigen Gleichung müssen zusätzliche Terme hinzugefügt werden, um den Druckschub zu berücksichtigen. Allerdings v e ist die effektive Abgasgeschwindigkeit. Wenn ein Turbostrahltriebwerk eine rein konvergente Abgasdüse hat und die tatsächliche Abgasgeschwindigkeit bei Abgastemperatur und -druck die Schallgeschwindigkeit in Luft erreicht, kann das Abgas durch die Düse nicht weiter beschleunigt werden. In einem solchen Fall behält das Abgas einen Druck, der höher als der der Umgebungsluft ist. Dies ist die Quelle des "Druckschubs".
Die in den Motor eintretende Kraftstoffflussrate ist im Vergleich zur Luftströmungsrate oft sehr gering. Wenn der Beitrag von Kraftstoff zum Bruttoschub der Düse ignoriert werden kann, beträgt der Nettoschub:
Die Geschwindigkeit des Strahls ( v e ) muss die tatsächliche Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs ( v ) überschreiten, wenn ein Netto-Vorwärtsschub auf das Flugzeug erfolgen soll. Die Geschwindigkeit ( v e ) kann thermodynamisch basierend auf der adiabatischen Expansion berechnet werden .
Schubverstärkung
Die Schubvergrößerung hat viele Formen angenommen, am häufigsten, um einen unzureichenden Startschub zu ergänzen. Einige frühe Düsenflugzeuge benötigten Raketenunterstützung, um von Flugplätzen in großer Höhe zu starten oder wenn die Tagestemperatur hoch war. Ein neueres Flugzeug, der Überschallbomber Tupolev Tu-22 , wurde mit vier SPRD-63-Boostern zum Start ausgestattet. Möglicherweise war die extremste Anforderung, die Raketenunterstützung benötigte und nur von kurzer Dauer war, der Start ohne Länge . Fast ebenso extrem, aber sehr häufig ist die Katapultunterstützung durch Flugzeugträger. Raketenunterstützung wurde auch während des Fluges verwendet. Der Booster-Motor SEPR 841 wurde beim Dassault Mirage zum Abfangen in großer Höhe verwendet.
Frühe Heckventilatoranordnungen, die einem Turbostrahl einen Bypass-Luftstrom hinzufügten, wurden als Schubverstärker bezeichnet. Der Heckventilator des Turbostrahls General Electric CJ805-3 erhöhte den Startschub von 11.650 lb auf 16.100 lb.
Die Einspritzung von Wasser oder anderem Kühlmittel in den Kompressor oder die Brennkammer und die Einspritzung von Kraftstoff in das Strahlrohr ( Nachverbrennung / Wiedererwärmung) wurden zu Standardmethoden zur Erhöhung des Schubes, die als "nasser" Schub bezeichnet werden, um sich vom nicht trockenen "trockenen" Schub zu unterscheiden.
Die Kühlmitteleinspritzung (Vorkompressorkühlung) wurde zusammen mit der Nachverbrennung verwendet, um den Schub bei Überschallgeschwindigkeit zu erhöhen. Der 'Skyburner' McDonnell Douglas F-4 Phantom II stellte mit Wassereinspritzung vor dem Motor einen Geschwindigkeitsweltrekord auf.
Bei hohen Machzahlen liefern Nachbrenner zunehmend mehr Motorschub, wenn der Schub von der Turbomaschine gegen Null abfällt. Bei dieser Drehzahl ist das Motordruckverhältnis (epr) auf 1,0 gefallen und der gesamte Motorschub kommt vom Nachbrenner. Der Nachbrenner muss auch den Druckverlust über der Turbomaschine ausgleichen, der bei höheren Geschwindigkeiten, bei denen der epr weniger als 1,0 beträgt, ein Widerstand ist.
Die Schubverstärkung bestehender Nachverbrennungsmotorenanlagen für spezielle Aufgaben von kurzer Dauer war Gegenstand von Studien zum Starten kleiner Nutzlasten in erdnahe Umlaufbahnen mit Flugzeugen wie McDonnell Douglas F-4 Phantom II , McDonnell Douglas F-15 Eagle , Dassault Rafale und Mikoyan MiG-31 und auch zum Transportieren von Versuchspaketen in große Höhen mit einem Lockheed SR-71 . Im ersten Fall ist eine Erhöhung der vorhandenen Höchstgeschwindigkeit für Orbitalstarts erforderlich. Im zweiten Fall ist eine Erhöhung des Schubes innerhalb der vorhandenen Geschwindigkeitsfähigkeit erforderlich. Im ersten Fall wird die Kompressoreinlasskühlung verwendet. Ein Kompressorkennfeld zeigt, dass sich der Luftstrom mit zunehmender Kompressoreintrittstemperatur verringert, obwohl der Kompressor immer noch mit maximaler Drehzahl (aber reduzierter aerodynamischer Geschwindigkeit) läuft. Die Kühlung des Kompressoreinlasses erhöht die aerodynamische Geschwindigkeit sowie den Durchfluss und den Schub. Im zweiten Fall wurde eine geringfügige Erhöhung der maximalen mechanischen Drehzahl und der Turbinentemperatur zusammen mit einer Lachgasinjektion in den Nachbrenner und einer gleichzeitigen Erhöhung des Nachbrennerbrennstoffstroms zugelassen.