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2015 | OriginalPaper | Buchkapitel

7. Parametrische Kreisprozessanalyse idealer Flugzeugtriebwerke

verfasst von : Willy J.G. Bräunling

Erschienen in: Flugzeugtriebwerke

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

In Kap. 7 werden die in Kap. 6 angelegten Grundlagen für Joule-Vergleichsprozesse (ideale, reversible Kreisprozesse) auf verschiedene Flugzeugtriebwerksarten und Fahrzeuggasturbinen übertragen und damit eine Basis geschaffen, sich einen tendenziellen Überblick über existierende Triebwerkstypen, deren Möglichkeiten und deren Machbarkeitsgrenzen zu verschaffen. Dabei werden die diversen Parameter in den Gleichungen systematisch variiert, in Diagrammen aufgetragen und die so erhaltenen Ergebnisse ausführlich diskutiert. Eine solche Art des Vorgehens nennt man parametrische Kreisprozessanalyse. Ergänzende Zahlenwertbeispiele veranschaulichen zusätzlich die Art und Weise der Rechnungsgänge. Da die Berechnung unter Verwendung von Vergleichsprozessen erfolgt, sind die Ergebnisse generell überbewertet, d. h. Schübe und Leistungen fallen immer zu hoch aus, Wirkungsgrade sind stets zu gut und Verbräuche sind generell zu niedrig. Wie auch immer, Vergleiche mit real ausgeführten Triebwerken zeigen, dass selbst so einfache Rechenmethoden, wie die hier verwendeten, von der Tendenz her bereits sehr gute Aussagen liefern. Die tendenzielle Qualität der Ergebnisse ist gut, die Quantität, d. h. die Zahlenwertergebnisse und manche Details lassen aber zu Wünschen übrig, sodass der Wunsch nach einer anderen Rechenmethode erwächst, die dann in Kap. 14 angeboten werden wird.

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Fußnoten
1
Die Methode der parametrischen Kreisprozessanalyse wurde erstmals am California Institute of Technology (CalTech) von Prof. Dr. Frank E. Marble eingeführt und später von Prof. Dr. G. Oates(†) an der University of Washington und von Prof. Dr. J. Kerrebrock am Massachusetts Institute of Technology (MIT) weiterentwickelt. Weitere ausführliche Darstellungen zur parametrischen Kreisprozessanalyse sind bei Oates (1988) und bei Mattingly (2006) zu finden.
Der Begriff parametrisch leitet sich vom Wort Parameter ab. Unter Parameter wird eine unbekannte Konstante in Gleichungen verstanden, von der diese Gleichungen abhängen und durch deren unterschiedliche Wahl sich das Ergebnis der Gleichungen ändert.
 
2
SST = Super Sonic Transport. Hier gab es z. B. das SST-Projekt der Firma Boeing (B 2707–200), für das General Electric das Triebwerk GE4-JP5 entwickelt hat. Dieses ist ein Einstromtriebwerk, mit einem Verdichterdruckverhältnis von etwa 12. Das Triebwerk OLYMPUS 593, für das SST-Flugzeug Concorde hat im Reiseflug ebenfalls ein Verdichterdruckverhältnis von etwa 12.
 
3
Seite 47: „For convenience in the cycle analysis, we denote the overall compression ratio through the fan and the compressor by π V , recognizing that this would in fact be the product of the fan and compressor pressure ratios“.
Hierbei handelt es sich um die Standardmethode zur Berücksichtigung von Druckänderungen über Triebwerkskomponenten. Dabei wird vereinfachend davon ausgegangen, dass die Strömung an den bezifferten Stationen hinreichend genau eindimensional ist, dazwischen aber durchaus stark dreidimensional sein kann. Für die grundlegende thermodynamische Kreisprozessanalyse ist es erst einmal nicht von Interesse, wie der Verdichter oder der Fan den Totaldruck erhöht. Dabei kann man sich den Fan so vorstellen, dass die ersten Stufen des Verdichters einfach nur extrem nach außen gelängt wurden, umso zusätzlich auch eine Kompression für den Außenstrom herbeizuführen. Werden diese gelängten Verdichterstufen begrifflich als Fan deklariert, so gehört dennoch dessen unterer Beschaufelungsteil zum Verdichter des Primärteils. Das Druckverhältnis des Primärstromverdichters schließt somit die Druckerhöhung des unteren Teils der Fanbeschaufelung mit ein. Die Bezugsebenen ⑫ = ② sind damit sowohl Eintrittsebene des Fans ⑫ als auch Eintrittsebene des Primärstromverdichters ②. Die Bezugsebene ⑬ liegt im Sekundärstrom hinter der Fan-Leitrad-Beschaufelung (Fan Exit Vanes).
In Realität ist es praktisch unmöglich, eine konstante radiale Totaldruckverteilung hinter der Fanbeschaufelung zwischen Nabe und Gehäuse zu realisieren, sodass die Druckerhöhung im unteren Beschaufelungsteil praktisch nie identisch mit der im äußeren Fanbereich ist.
 
4
\(\frac{\partial }{\partial \mu }{{x}^{2}}(\mu)=2\cdot x(\mu)\cdot \frac{\partial }{\partial \mu }x(\mu)\quad \text{mit}\quad x(\mu)={{\text{Ma}}_{0}}\cdot \frac{{{c}_{9}}}{{{c}_{0}}}\quad \text{und}\quad \frac{\partial }{\partial \mu }x(\mu)=-\left({{\text{Ma}}_{0}}\cdot \frac{{{c}_{19}}}{{{c}_{0}}}-{{\text{Ma}}_{0}}\right)\)
 
5
Oates (1988), S. 176: „Thus the optimal constant-pressure mixer is also the optimal constant-area mixer!
 
6
Prof. Dr. Klaus Broichhausen (MTU), Ingenieur des Jahres 2005: „Ob ich nun zwei Stunden oder zwei Stunden zwanzig fliege, ist mir als Fluggast ziemlich egal. In der Flugeffizienz macht das aber eine Menge aus.“ anlässlich einer Podiumsdiskussion der Körber-Stiftung zum Thema „Leben 2034: Die Zukunft der Mobilität“ am 27. Mai 2009 in Hamburg.
 
7
EPI, Europrop International GmbH, ist ein Joint-Venture aus vier europäischen Triebwerksherstellern, MTU Aero Engines (28 %), Snecma (28 %), Rolls-Royce (28 %) und Industria de Turbo Propulsores (Sener Aeronáutica und Rolls-Royce, 16 %) aus Spanien. Hauptsitz ist München. Eine Nebenstelle befindet sich in Madrid. Das einzige Produkt ist das EPI TP400-D6 Turboproptriebwerk für den militärischen Airbus A400M.
 
8
Die einfache Strahltheorie wurde 1862 von William, John Rankine (schottischer Ingenieur: *5.7.1820 †24.12.1872) begründet und 1878 von William Froude (englischer Ingenieur und Schiffsbauer: *1810 †1879) erweitert.
 
9
Es gibt keine Beeinflussung der Strömung durch den Gasgenerator und/oder durch das Flugzeug.
 
10
Exergie = Oberbegriff für alle unbeschränkt unwandelbaren Energien, deren Umwandlung in jede andere Energieform nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik gestattet ist. Der Begriff „Exergie“ wurde erstmals bei Rant (1956) erwähnt.
 
11
Lat.: recuperator = „Wiedererwerber“; zugehörig zu: recuperare = „wiedererlangen.“.
 
12
Für den neuen Abrams M1A2 hat die US Army die von Honeywell International Engines and Systems und General Electric neu entwickelte LV100-5 Gasturbine ausgewählt. Diese hat deutlich weniger Bauteile, ist dadurch leichter und kleiner. Sie zeichnet sich durch eine sehr gute Beschleunigungsfähigkeit, einen leiseren Lauf und einen kaum wahrnehmbaren Abgasstrom aus. Der Rekuperator dieses Antriebsaggregats kommt von der MTU Aero Engines in München und ist praktisch identisch mit dem Abb. 7.94 dargestellten Wärmetauscher.
 
13
Die Werte wurden1964 während zweier sechsstündiger Probeläufe des Triebwerks (ohne Getriebe) auf einem Prüfstand ermittelt.
 
14
Die P-3 Orion ist ein militärisches Derivat der zivilen Lockheed L-188 Electra (Erstflug 6.12.1957). Die letzte P-3C Orion wurde 1990 gebaut. In den USA werden die P-3 Orion ab 2010 durch die P-8 Poseidon von Boeing, einer Militärversion der B-737-800, ersetzt. Die US-amerikanische Meteorologiebehörde National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) setzt zwei P-3 in der Version WP-3D ein, die speziell für die Aufnahme und Auswertung von meteorologischen Daten ausgerüstet wurden. In der deutschen Marine ersetzen seit Juni 2006 acht ehemals niederländische P-3 Orions aus der Produktionsreihe der 80er Jahre die veralteten Maschinen des Typs Breguet Atlantic.
 
15
Lärmregularien, vgl. hierzu auch Kap. 13.​2.
 
16
Der hier abgebildete Wärmetauscher ist auch im amerikanischen Kampfpanzer Abrams M1A2 vorbaut, der im Rahmen eines sog. Re-Engining-Programs mit der neuen Gasturbine LV100-5 von General Electric ausgerüstet wurde. Neben dem Wärmetauscher entwickelte die MTU im Übrigen auch die Arbeitsturbine für dieses neue Antriebsaggregat.
 
17
Aus der Technischen Thermodynamik (z. B. Hahne 2000) ist über den Ericsson-Prozess bekannt, dass isotherme Kompressionen und Expansionen zu Kreisprozessen führen, die ein Maximum an Nutzarbeit abgegeben, bei thermischen Wirkungsgraden, die dem des Carnot-Prozesses entsprechen. Isotherme Kompressionen stellen damit eine bessere Lösung dar als isentrope.
 
18
Lanzette = kleines zweischneidiges Stechinstrument in der chirurgischen Praxis (aus dem Französischen “lancette”, die Verkleinerungsform von: “lance” = Lanze)
 
19
Der Ackeret-Keller-Prozess ist ursprünglich ein Gasturbinenprozess mit geschlossenem Kreislauf und mit vollständiger innerer Wärmeübertragung, der technische Anwendung bei gasgekühlten Kernreaktoren finden sollte.
 
Literatur
Zurück zum Zitat Ackeret J, Keller C (1939) Eine aerodynamische Wärmekraftanlage. Schweiz Bauzeitg 113:229–230 Ackeret J, Keller C (1939) Eine aerodynamische Wärmekraftanlage. Schweiz Bauzeitg 113:229–230
Zurück zum Zitat Baehr HD (1992) Thermodynamik. Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen, 8. Aufl. Springer-Verlag, Berlin Baehr HD (1992) Thermodynamik. Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen, 8. Aufl. Springer-Verlag, Berlin
Zurück zum Zitat Bathie WW (1996) Fundamentals of gas turbines, 2. Aufl. Wiley, New York Bathie WW (1996) Fundamentals of gas turbines, 2. Aufl. Wiley, New York
Zurück zum Zitat Bronstein IN, Semendjajew KA (1977) Taschenbuch der Mathematik, 17 Aufl. BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, LeipzigMATH Bronstein IN, Semendjajew KA (1977) Taschenbuch der Mathematik, 17 Aufl. BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, LeipzigMATH
Zurück zum Zitat Cohen H, Rogers GFC, Saravanamuttoo HIH (1996) Gas turbine theory, 4 Aufl. Longman Group, Ltd., Harlow Cohen H, Rogers GFC, Saravanamuttoo HIH (1996) Gas turbine theory, 4 Aufl. Longman Group, Ltd., Harlow
Zurück zum Zitat Frost TH (1966) Practical bypass mixing systems for fan jet aero-engines. Aeronaut Q 17:141–160 Frost TH (1966) Practical bypass mixing systems for fan jet aero-engines. Aeronaut Q 17:141–160
Zurück zum Zitat Grieb H, Eckardt D (1986) Turbofan and propfan as basis for future economic propulsion concepts, AIAA/ASME/SEA/ASEE 22nd Joint Propulsion Conference, Huntsville Alabama, U.S.A., June 16–18, AIAA paper No. 86-1474 Grieb H, Eckardt D (1986) Turbofan and propfan as basis for future economic propulsion concepts, AIAA/ASME/SEA/ASEE 22nd Joint Propulsion Conference, Huntsville Alabama, U.S.A., June 16–18, AIAA paper No. 86-1474
Zurück zum Zitat Hahne E (2000) Technische Thermodynamik. Einführung und Anwendung, 3. Überarbeitete Aufl. Oldenbourg, München Hahne E (2000) Technische Thermodynamik. Einführung und Anwendung, 3. Überarbeitete Aufl. Oldenbourg, München
Zurück zum Zitat Jensen DT, Leonard JM (2002) The Forgotten Allison Engines, AIAA-Paper 2002-3566, 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Indiana Convetion Center & RCA Dome Indianapolis, Indiana, U. S. A., 7–10 Juni 2002 Jensen DT, Leonard JM (2002) The Forgotten Allison Engines, AIAA-Paper 2002-3566, 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Indiana Convetion Center & RCA Dome Indianapolis, Indiana, U. S. A., 7–10 Juni 2002
Zurück zum Zitat Keller C (1946) The Escher-Wyss-AK closed-cycle turbine, its actual development and future prospects. Transactions ASME 68:791–822 Keller C (1946) The Escher-Wyss-AK closed-cycle turbine, its actual development and future prospects. Transactions ASME 68:791–822
Zurück zum Zitat Kerrebrock JL (1996) Aircraft engines and gas turbines, 2 Aufl. The MIT Press, Cambridge Kerrebrock JL (1996) Aircraft engines and gas turbines, 2 Aufl. The MIT Press, Cambridge
Zurück zum Zitat Langfeldt F (2009) Parametrische Kreisprozessanalyse für einen rekuperativen Turbofan mit variabel positionierbarer Zwischenkühlung. Studienarbeit. Hochschule Hamburg Langfeldt F (2009) Parametrische Kreisprozessanalyse für einen rekuperativen Turbofan mit variabel positionierbarer Zwischenkühlung. Studienarbeit. Hochschule Hamburg
Zurück zum Zitat Lösch S (1990) Influence of flow mixing on the performance of a turbofan engine of high by-pass ratio. Z Flugwiss Weltraumforsch 14:333–341 (Springer-Verlag) Lösch S (1990) Influence of flow mixing on the performance of a turbofan engine of high by-pass ratio. Z Flugwiss Weltraumforsch 14:333–341 (Springer-Verlag)
Zurück zum Zitat Mattingly JD (1996) Elements of gas turbine propulsion. McGraw-Hill, Inc., New York (1st Printing) Mattingly JD (1996) Elements of gas turbine propulsion. McGraw-Hill, Inc., New York (1st Printing)
Zurück zum Zitat Mattingly JD (2006) Elements propulsion: gas turbines and rockets. AIAA Education Series, Reston Mattingly JD (2006) Elements propulsion: gas turbines and rockets. AIAA Education Series, Reston
Zurück zum Zitat Mattingly JD, Heiser WH, Daley DH (1987) Aircraft engine design. AIAA Education Series, Washington DC Mattingly JD, Heiser WH, Daley DH (1987) Aircraft engine design. AIAA Education Series, Washington DC
Zurück zum Zitat McDonald CF, Massardo AF, Rodgers C, Stone A (2008a) Recuperated gas turbine aero engines, part I: early development activities. Aircr Eng Aerosp Technol J 80(2):139–157 McDonald CF, Massardo AF, Rodgers C, Stone A (2008a) Recuperated gas turbine aero engines, part I: early development activities. Aircr Eng Aerosp Technol J 80(2):139–157
Zurück zum Zitat McDonald CF, Massardo AF, Rodgers C, Stone A (2008b) Recuperated gas turbine aero engines, part II: engine design studies following early development testing. Aircr Eng Aerosp Technol 80(3):280–294 McDonald CF, Massardo AF, Rodgers C, Stone A (2008b) Recuperated gas turbine aero engines, part II: engine design studies following early development testing. Aircr Eng Aerosp Technol 80(3):280–294
Zurück zum Zitat McDonald CF, Rodgers C (2009) Heat Exchanged Propulsion Gas Turbines: A Candidate for Future Lower SFC and Reduced Emission Military and Civil Aero Engines. Proceedings of ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air, GT2009-59156, 8–12 Juni 2009, Orlando, Florida, USA McDonald CF, Rodgers C (2009) Heat Exchanged Propulsion Gas Turbines: A Candidate for Future Lower SFC and Reduced Emission Military and Civil Aero Engines. Proceedings of ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air, GT2009-59156, 8–12 Juni 2009, Orlando, Florida, USA
Zurück zum Zitat Mörgenthaler KD et al (1989) Herstellungsverfahren für Turbinenräder aus keramischen Werkstoffen für eine Pkw-Gasturbine. Abschlussbericht (Final Report) zum BMFT-For-schungsvorhaben 03 ZC 083 (1.10.1983–30.6.1989) Mörgenthaler KD et al (1989) Herstellungsverfahren für Turbinenräder aus keramischen Werkstoffen für eine Pkw-Gasturbine. Abschlussbericht (Final Report) zum BMFT-For-schungsvorhaben 03 ZC 083 (1.10.1983–30.6.1989)
Zurück zum Zitat MTU (2000) Operation Zukunft. MTU-Report-Spezial, Ausgabe 1/2000 MTU (2000) Operation Zukunft. MTU-Report-Spezial, Ausgabe 1/2000
Zurück zum Zitat Oates GC (1988) Aerothermodynamics of gas turbine and rocket propulsion – revised and enlarged, AIAA Education Series, Washington DC (3rd Printing) Oates GC (1988) Aerothermodynamics of gas turbine and rocket propulsion – revised and enlarged, AIAA Education Series, Washington DC (3rd Printing)
Zurück zum Zitat Paterson RW (1982) Turbofan forced mixer-nozzle internal flow field – a benchmark experimental study. NASA CR 3492 Paterson RW (1982) Turbofan forced mixer-nozzle internal flow field – a benchmark experimental study. NASA CR 3492
Zurück zum Zitat Presz WM Jr, Morin BL, Gousy RG (1988) Forced mixer lobes in ejector designs. AIAA J Propuls Power 4:350–355CrossRef Presz WM Jr, Morin BL, Gousy RG (1988) Forced mixer lobes in ejector designs. AIAA J Propuls Power 4:350–355CrossRef
Zurück zum Zitat Rant Z (1956) Exergie, ein neues Wort für technische Arbeitsfähigkeit. Forsch Ingenieurwesen 22:36–37 Rant Z (1956) Exergie, ein neues Wort für technische Arbeitsfähigkeit. Forsch Ingenieurwesen 22:36–37
Zurück zum Zitat Rolls-Royce (1996) The jet engine. Rolls-Royce plc. 5. Aufl. Derby Rolls-Royce (1996) The jet engine. Rolls-Royce plc. 5. Aufl. Derby
Zurück zum Zitat Schliemann K (2001) Parametrische Kreisprozessanalyse für ein rekuperatives Turbofantriebwerk mit Zwischenkühler. Diplomarbeit, Hochschule Hamburg Schliemann K (2001) Parametrische Kreisprozessanalyse für ein rekuperatives Turbofantriebwerk mit Zwischenkühler. Diplomarbeit, Hochschule Hamburg
Zurück zum Zitat Stephan K, Mayinger F (1998) Thermodynamik. Band 1: Einstoffsysteme. Grundlagen und technische Anwendungen, 15. Aufl. Springer-Verlag, BerlinCrossRef Stephan K, Mayinger F (1998) Thermodynamik. Band 1: Einstoffsysteme. Grundlagen und technische Anwendungen, 15. Aufl. Springer-Verlag, BerlinCrossRef
Zurück zum Zitat Stevens JH (1964) Allison T78. Regenerative Turboprop for Long-Endurance Aircraft. Flight International 12. November 1964, S 834–836 Stevens JH (1964) Allison T78. Regenerative Turboprop for Long-Endurance Aircraft. Flight International 12. November 1964, S 834–836
Zurück zum Zitat Walsh PP, Fletcher P (1999) Gas turbine performance. Blackwell Science, Oxford (1st published 1998, reprinted 1999) Walsh PP, Fletcher P (1999) Gas turbine performance. Blackwell Science, Oxford (1st published 1998, reprinted 1999)
Metadaten
Titel
Parametrische Kreisprozessanalyse idealer Flugzeugtriebwerke
verfasst von
Willy J.G. Bräunling
Copyright-Jahr
2015
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-34539-5_7

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