Zusammenfassung
Das Kapitel 18 stellt im Wesentlichen die gesamten, für Flugzeugtriebwerke er-forderlichen Grundlagen der Aerodynamik, der Gasdynamik und der Thermody-namik zusammen. Ein Großteil des gesamten Buches greift auf die Basisglei-chungen dieses Kapitels zurück.
Die Thermodynamik befasst sich insbesondere mit dem Ersten Hauptsatz, für stationär durchströmte, offene Systeme und der Gibbssche Fundamentalbezie-hung für Turbomaschinen (Zweiter Hauptsatz). Über die Zustandsänderungen werden die verschiedenen Wirkungsrade definiert und insbesondere wird auf den Unterschied zwischen isentropen und polytropen Wirkungsgraden eingegangen. Dem schließt sich die Thermodynamik idealer Arbeitsfluide an, ein wenig auch die der realen Arbeitsfluide. Zustandsgrößen, Zustandsgleichungen und Wärme-kapazitäten runden das Thema ab. Daran anschließend wird dann tiefer auf die Mittelwertbildung der spezifischen Wärmekapazitäten in Abhängigkeit der Tem-peratur bei der Berechnung isentroper und polytroper Zustandsänderungen ein-gegangen. Mit einigen Grundlagen zu rechtsläufigen Kreisprozessen endete dann dieser Teil zu den thermodynamischen Grundlagen.
Die daran anschließenden Grundlagen der Aero- und der Gasdynamik begin-nen mit der Schallgeschwindigkeit und der Machzahl, wobei die Machsche Linie, senkrechte und schräge Verdichtungsstöße und die Expansionswellen behandelt werden. Dem schließen sich Abhandlungen über kompressible, isentrope Strö-mungen an, die zur Eulerschen Bewegungsgleichung und der kompressiblen Bernoulli-Gleichung führen. Dabei wird geklärt, wie sich durchströmte Quer-schnitte in Unterschall- und Überschallströmungen verändern müssen, um be-schleunigte oder verzögernde Strömungen zu erhalten. Über die Massen-stromdichte wird gezeigt, dass es für jeden durchströmten Querschnitt ein Maxi-mum für den durchsetzbaren Massenstrom gibt (Sperrzustand). Mit dem so ge-nannten Kesselzustand werden die Total- oder Gesamtgrößen mit eingeführt und außerdem gezeigt, dass es eine maximale Strömungsgeschwindigkeit (Grenzge-schwindigkeit) beim Ausströmen aus einem Kessel bzw. einer Düse gibt (Glei-chung von de Saint-Venant und Wantzel). Mit den so genannten kritischen Strö-mungsgrößen werden die Laval-Zahl und die kritische Machzahl definiert, die in den Triebwerksturbinen dann als Sperrmachzahl bezeichnet wird. Darüber hinaus werden an dieser Stelle die Grundgleichungen der Machschen Ähnlichkeit zu-sammengestellt mit deren Hilfe in Verdichter- und Turbinenkennfeldern die so genannten reduzierten Kennfeldgrößen hergeleitet werden können.
Es schließen sich die Grundlagen des Impulssatzes der Strömungsmechanik an. Der Impulssatz für stationäre Strömungen ist wichtige Basis für die Schubglei-chung der Triebwerke, für die Berechnung der Axialkräfte seiner Komponenten, für die Eulersche Hauptgleichung der Turbomaschinen und auch für die Berech-nung der Brennkammerdruckverluste. Wegen dieser Signifikanz für praktisch alle Triebwerksgrundlagen, wird dem Impulssatz hier eine eigene, ausführliche Ab-handlung gewidmet. Beispiele für den Widerstand eines Profils und für die Kräfte an einer geschwenkten Schubdüse runden diesen sehr theoretischen Teil des Bu-ches mit etwas Anschaulichkeit ab.
Es werden darüber hinaus die Umrechnungsfaktoren zwischen physikalischen Einheiten aus dem englisch/amerikanischen und dem deutschen Sprachbereich zusammengestellt, so wie man sie manchmal benötigt, wenn man mit deutsch- und englischsprachiger Literatur gleichzeitig arbeitet.
Eine Auswahl von wesentlichen Triebwerken, zusammen mit ausgewählten Leistungsdaten, wird aufgelistet. Zum Ende dieses Kapitelteils gibt es einen aus-gewählten Überblick über die Bezeichnungen militärischer und ziviler Triebwer-ke, zusammen mit dem Versuch, dieses in eine gewisse Systematik zu bringen, was aber nicht immer so wirklich gelingen kann.
Es schließt sich eine Methodik an, mittels der die thermodynamischen Stoffe-igenschaften realer Verbrennungsgase ermittelt werden können, was reine, tro-ckene Luft als Gasgemisch mit einschließt. Dabei werden Gleichungen für die spezifische Wärmekapazität, die Enthalpieänderung und die so genannte Entro-piefunktion in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung und der Temperatur her-geleitet, die zusammen mit den dort angegebenen Literaturstellen auch auf weite-re Gaszusammensetzungen übertragen werden können. Für Molmasse und spezifi-sche Gaskonstante wird die formelmäßige Abhängigkeit von der Gaszusammen-setzung aufgezeigt.
Der letzte Abschnitt wird für das Kapitel 11.6.4.2 innerhalb des Hauptkapi-tels 11 zur Brennkammer benötigt. Hier werden die Totaldruckverlust infolge viskoser Vorgänge (die kalten Verluste) behandelt und in den Zusammenhang mit der so genannten Fanno-Kurve gebracht. Dieser Vorgang ist sehr mathematikin-tensiv, sodass dieser Anteil – der Überschaulichkeit wegen – in einen eigenen Abschnitt ans Buchende verlagert wurde. Da eine in jeder Beziehung vollständi-ge mathematische Herleitung des erforderlichen Gleichungsapparates in der ein-schlägigen Fachliteratur praktisch nicht zu finden ist, wurde auf diesen doch sehr mathematiklastigen Anhang aber auch bewusst nicht verzichtet.