Ein Düsentriebwerk besteht aus sich schnell bewegenden Teilen. Diese Teile bewegen sich in eine Luftmasse, die sich von der umgebenden Luftmasse unterscheidet, in die das Flugzeug hineinfliegt.
Die Turbinenteile drehen sich ziemlich schnell, daher können sich ihre Schaufelspitzen mit Überschallgeschwindigkeit bewegen. Aber die Luftmasse kann sich auch drehen, wodurch die Geschwindigkeit der Blätter in die Luftmasse verändert wird. Darüber hinaus kann die Temperatur der Luft in diesem Stadium die Schallgeschwindigkeit verändern .
Die erste Stufe des Kompressors dreht sich bei einer sehr vertrauten Lufttemperatur und einem vertrauten Druck, daher kann es einfacher sein, festzustellen, ob sich die Spitzen dieser Kompressorschaufeln schneller als mit Schallgeschwindigkeit bewegen. Aber der Druck (und damit die Temperatur) ist vor und nach jeder Verdichterstufe nicht gleich. Es kann schwierig sein, die Schallgeschwindigkeit für diese Luftmasse zu definieren, die durch den Kompressor strömt.
Da sich die Luftmasse in einem Düsentriebwerk von der umgebenden Luftmasse unterscheidet, gibt es in einem Düsentriebwerk ein bewegliches Teil, dessen Geschwindigkeit (Bezugsrahmen: die Luftmasse, in der es sich bewegt) größer als die Schallgeschwindigkeit ist?
Ja, die Spitzen der Lüfterblätter.
Schauen wir uns ein Beispiel an: Der GE-90 hat einen Lüfterdurchmesser von 3124 mm und eine maximale Drehzahl von 2475 U/min. Ihre Umfangsgeschwindigkeit beträgt d·π·41,25 = 405 m/s oder Mach 1,19 auf Meereshöhe und ISO-Atmosphäre. Jetzt müssen Sie die Strömungsgeschwindigkeit der Luft hinzufügen, aber diese Berechnung allein sollte ausreichen, um den Punkt zu beweisen.
Das Fan-Innenteil und alle zum Kerntriebwerk gehörenden Verdichterstufen werden mit Unterschallgeschwindigkeit umströmt, auch wenn das gesamte Triebwerk mit Überschallgeschwindigkeit fliegt (siehe Bild unten). Um eine möglichst vollständige Zündung zu erreichen, wird die Strömungsgeschwindigkeit mit zunehmender Annäherung an die Einspritzdüsen kontinuierlich reduziert . Da die Luft in der Brennkammer erhitzt wird, hat das heißere Gas eine höhere Schallgeschwindigkeit, und die gesamte Strömung durch die Turbine ist ebenfalls Unterschall. Dazu gehört die Niederdruckturbine. Selbst die unten gezeigten 1.600 ft/s an der Turbine sind Unterschall, denn bei 1100 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 720 m/s oder 2.362 ft/s.
Übersicht der Parameter in einem typischen Strahltriebwerk.
Erst im hinteren Teil einer konvergent-divergenten Düse mit eingeschalteter Nacherwärmung wird wieder Überschallströmung erreicht. Dies ist genau hinter dem engsten Abschnitt, der als Kehle bezeichnet wird, wo die Fluggeschwindigkeit gleich der Schallgeschwindigkeit ist und die Blütenblätter der Düse hier die einzigen beweglichen Teile sind. Und sie bewegen sich ziemlich langsam.
In einem Turbofan-Triebwerk sind die sich am schnellsten bewegenden Teile normalerweise die Bypass-Fan-Spitzen. Denn bei gleichen Drehzahlen haben die äußeren Spitzen einen größeren Abstand und höhere Lineargeschwindigkeiten. Bei einigen Triebwerken erreichen die Spitzen Überschallgeschwindigkeiten, normalerweise bei Bedingungen mit hohem Schub. Dies ist der Grund für eine überstrichene Schaufel (wie einen überstrichenen Flügel) in Turbofans mit hohem Bypass.
Quelle: sheffield.ac.uk
Im Fall von Turbinenschaufeln (und in geringerem Maße Kompressoren) ist die lokale Temperatur hoch (aufgrund von Verbrennung und Kompression); dies erhöht die Schallgeschwindigkeit (da sie proportional zu ist für ein ideales Gas). Aufgrund dieses Effekts ist die lokale Strömung Unterschall. Außerdem ist die Blattgröße im Vergleich zum Bypass-Lüfter sehr klein.
Der nächste Teil, an dem die Strömung in Überschallrichtung geht, ist der divergente Abschnitt der konvergent-divergenten Düse, die in Militärjets verwendet wird (beachten Sie, dass es hier keine beweglichen Teile gibt).
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