Flugzeugtriebwerke

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Sowohl zur Bewegung oder Beschleunigung eines Fahrzeuges als auch zur Überwindung von Widerstandskräften wird eine Antriebskraft benötigt, die üblicherweise von einer Kraftmaschine bereitgestellt wird. Bei Fahrzeugen, die sich auf dem Land bewegen, wird die Antriebskraft über die abrollenden Räder infolge von Reibung auf den Untergrund übertragen.

Willy J.G. Bräunling

2. Klassifizierung der Flugzeugtriebwerke

Willy J.G. Bräunling

3. Was man weiß – was man wissen sollte

Zusammenfassung

Im Folgenden werden die wesentlichen physikalischen, strömungsmechanischen und thermodynamischen Grundlagen zum allgemeinen Verständnis der Funktionsweise eines Triebwerks und seiner Komponenten so beschrieben, dass auf einen tiefer gehenden mathematischen und physikalischen Hintergrund verzichtet werden kann. An der einen oder anderen Stelle wird deswegen die Darstellung zwangsläufig nicht immer vollständig und auch nicht immer begrifflich absolut exakt sein können. Dieses nachzuholen und zu vervollständigen wird dann den späteren, eher physikalisch und mathematisch orientierten Kapiteln vorbehalten sein.

Willy J.G. Bräunling

4. Hauptkomponentenbeschreibung und zugehörige Technologien

Zusammenfassung

Im Folgenden werden die Hauptkomponenten ziviler und militärischer Flugtriebwerke ohne Verwendung mathematisch-physikalischer Beziehungen beschrieben. Dieses Kapitel dient dem allgemeinen Verständnis der Funktionsweise und der Bedeutung der diversen Triebwerkskomponenten. Dabei werden die verschiedenen Komponenten in systematischer Reihenfolge vom Triebwerkseintritt bis zum Triebwerksaustritt hin abgehandelt. Zum Verständnis der nachfolgenden Ausführungen ist die Kenntnis der vorhergehenden Kapitel 1 bis 3 sehr hilfreich, da diese die grundlegenden Definitionen für eine Vielzahl von Fachbegriffen enthalten, die in den folgenden Kapiteln verwendet werden.

Willy J.G. Bräunling

5. Triebwerksschub

Willy J.G. Bräunling

6. Definitionen und Grundlagen

Zusammenfassung

Bild 6-1 zeigt den Längsschnitt durch ein Turbofantriebwerk mit Nachbrennern im Primär- und Sekundärkreis¹. Es sind alle wesentlichen Bezugsebenen des Triebwerks durch Ziffern gekennzeichnet und so seine verschiedenen Hauptkomponenten eingegrenzt worden.

Willy J.G. Bräunling

7. Parametrische Kreisprozessanalyse idealer Flugzeugtriebwerke

Zusammenfassung

Als Einführung in die Aero–Thermodynamik der Triebwerke – auf der Basis der sog. parametrischen Kreisprozessanalyse¹ – wird bewusst vom idealen Kreisprozess ausgegangen, weil dies zum einen übersichtlicher und zum anderen anschaulicher als die sofortige Behandlung der realen Triebwerke ist. So lassen sich wichtige und – trotz der dabei auftretenden Vereinfachungen – dennoch stets qualitativ richtige Auslegungstendenzen für Flugzeugtriebwerke aufzeigen. Die Quantität der Ergebnisse lässt naturgemäß zu wünschen übrig, sodass z. B. Schübe zu üppig und Brennstoffverbräuche zu günstig prognostiziert werden.

Willy J.G. Bräunling

8. Thermische Turbomaschinen

Zusammenfassung

Turbomaschinen sind Energiewandler. Das Prinzip der Energieumwandlung macht Bild 8-1 deutlich. Dabei erfolgt stets eine Wandlung zwischen an der Welle der Turbomaschine zu- oder abgeführter mechanischer Arbeit und im Strömungsfluid (in Triebwerken Luft bzw. Gas) enthaltener Strömungsenergie, die bei Gasen primär durch die Enthalpie¹ und die kinetische Energie des Fluides repräsentiert wird². Die potenzielle Energie ist bei Gasen im Vergleich zu diesen Energien vernachlässigbar klein. Das Niveau der Strömungsenergie eines Fluides wird also zwischen dem Ein- und Austritt einer Turbomaschine geändert.

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9. Triebwerkseinlauf

Zusammenfassung

Aufgabe eines Triebwerkeinlaufs ist es, dem Fan bzw. dem Verdichter unter allen Flugbedingungen und -geschwindigkeiten eine ausreichende, homogen über den gesamten Querschnitt verteilte und verlustminimierte Luftzufuhr mit Strömungsgeschwindigkeiten im Unterschallbereich bereitzustellen. Dabei sollen der Einlauf und die anschließende Triebwerksgondel so gestaltet sein, dass sie die aerodynamischen Eigenschaften der Flugzeuggesamtkonfiguration so wenig wie möglich stören.

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10. Verdichter

Zusammenfassung

Über den Verdichter werden das Druckverhältnis und der Massenstrom des Triebwerks gesteuert und dadurch der thermische Wirkungsgrad bzw. der spez. Brennstoffverbrauch wesentlich beeinflusst. Da die Brennstoffkosten einen erheblichen Anteil an den DOC‘s (direct operation costs) eines Flugzeuges haben, wird bei der Triebwerksentwicklung ein hoher Aufwand betrieben, die Druckverhältnisse und Wirkungsgrade von Verdichtern zu optimieren. Für militärische Triebwerke kommt hinzu, dass der vom Verdichter angesaugte Luftmassenstrom im Vergleich zum Eintrittsquerschnitt und zum Triebwerksgewicht möglich groß sein sollte. Des Weiteren ist ein hohes Augenmerk auf einen stabilen Verdichterbetrieb zu legen, der die Wartungsintervalle und gar die gesamte Lebensdauer eines Triebwerks signifikant beeinflussen kann. Ein Gesichtspunkt, der für militärische Triebwerke, die einen weiten und zum Teil extremen Bereich von Betriebsbedingungen abdecken müssen, besonders herausragend ist.

Willy J.G. Bräunling

11. Brennkammer

Zusammenfassung

In einer Brennkammer wird dem vom Verdichter kommenden Luftstrom Wärme zugeführt, die aus der chemischen Energie des Brennstoffs – die durch den sog. Heizwert H_u beziffert wird – durch Verbrennung mit dem Luftsauerstoff gewonnen wird. Da die Gastemperatur nach der Verbrennung des Flugbrennstoffs (Kerosin) mit der Luft signifikant über der vom Werkstoff ertragbaren Turbineneintrittstemperatur liegt, wird in der Brennkammer mit sog. Luftüberschuss verbrannt. Das hinter der Brennkammer und anschließenden Turbine strömende Heißgas enthält somit vor seinem Eintritt in die primäre Schubdüse noch ausreichend Sauerstoff, um z. B. bei Nachbrennertriebwerken zum Zwecke der Schubsteigerung in dem zwischen Turbine und primärer Schubdüse angeordneten Nachbrenner eine weitere Wärmezufuhr durch Verbrennung zu realisieren.

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12. Turbine

Zusammenfassung

Vieles von dem, was im Kap. 10 zu Verdichtern gesagt wurde, kann in analoger Weise durchaus auch auf Turbinen übertragen werden, wobei es aber zwei signifikante Unterschiede gibt:

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13. Schubdüse

Zusammenfassung

Aufgabe der Schubdüse ist es, die Geschwindigkeit und damit den Austrittsimpuls des Heißgases vor dem Austritt aus dem Triebwerk hinsichtlich des gewünschten Schubes zu steigern. Für große Schübe müssen deswegen die kinetische Energie des Abgasstrahles und damit schließlich die Düsenaustrittsgeschwindigkeit hoch ausfallen. Dieses wird durch Wandlung von Druckenergie in kinetische Energie erreicht, ein Vorgang, der geläufiger Weise als Expansion bezeichnet wird. Dabei steuert das sog. Düsendruckverhältnis (Druckänderung über die Düse) den Expansionsvorgang. Für ein gegebenes Triebwerk wird maximaler Schub genau dann erreicht, wenn der Düsenaustrittsdruck p9 gleich dem Umgebungsdruck p0 ist (vgl. hierzu Kap. 5.3.1 über ideale Expansion und angepasste Schubdüsen). Bei den Flugzeugtriebwerken werden im Wesentlichen zwei Arten von Schubdüsen unterschieden

Willy J.G. Bräunling

14. Reale Triebwerkskreisprozesse

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden nun alle Zustandsänderungen innerhalb der diversen Triebwerksbaugruppen (Module) als verlustbehaftet angesehen und der Verbrennungsvorgang soll zudem unvollständig sein, was durch die Einführung des Verbrennungswirkungsgrades ɳ _BK < 1 entsprechend Gl.

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15. Triebwerkslärm

Zusammenfassung

Mechanische Schwingungen im Frequenzbereiche 16 Hz … 16 000 Hz werden als Schall bezeichnet. Man unterscheidet dabei im Wesentlichen zwischen

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16. Triebwerkssysteme

Zusammenfassung

Unter den Hilfseinrichtungen eines Triebwerks sollen solche verstanden werden, die im mittelbaren und unmittelbaren Zusammenhang mit dem Abblasen von Verdichterluft (bleed air) stehen (airbleed-driven accessories). Unter Hilfsgeräten (mechanically- driven accessories) sollen solche verstanden werden, die mechanisch über Winkelgetriebe und über Zahnräder und Wellen des Hilfsgeräteträgers (gear box) mit der Hochdruckwelle verbunden sind und von dieser angetrieben werden. Den letztgenannten mechanischen Aufbau zeigen Bild 4-22 und Bild 16-5.

Willy J.G. Bräunling

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