Warum brauchen Turbinentriebwerke so lange, um hochzufahren?

Kolbenmotoren erreichen die volle Drehzahl innerhalb von ein oder zwei Sekunden, aber Turbinen brauchen viel länger. Warum das?

Aus deiner Frage geht nicht hervor, was du genau meinst. Meinen Sie die Zeit, um einen Motor zu starten oder die Drehzahl eines bereits laufenden Motors zu erhöhen (z. B. von Leerlauf auf Vollgas)?

Antworten (3)

Ich bin kein Ingenieur (was möglicherweise besser geeignet ist, dies zu beantworten), also handelt es sich um vereinfachte Dinge, mit denen sie Piloten füttern:

Düsentriebwerke brauchen viel länger zum Aufspulen (dh Drehzahl erhöhen) als Kolbentriebwerke, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, da das Druckverhältnis / der erhöhte Luftstrom erforderlich ist, um zu verhindern, dass der Kompressor bei jeder Änderung der Leistungseinstellungen stehen bleibt / überspringt / explodiert.

Der (vereinfachte) Strahltriebwerkszyklus enthält einen Kompressor, der Luft in eine Brennkammer drückt, wo sie verbrennt, und dann das hintere Ende ausbläst, das eine Turbine dreht, die den Kompressor von hinten bewegt, wo wir angefangen haben.

Wenn Sie "mehr Leistung hinzufügen" (dh mehr Kraftstoff einfüllen), dauert es eine Weile, bis dieser zusätzliche Kraftstoff mehr Schub erzeugt, was wiederum eine Weile dauert, um die Turbine zu beschleunigen, wodurch sich der Kompressor schneller dreht, was schließlich bringt mehr komprimierte Luft in die Brennkammer, um den gesamten zusätzlichen Kraftstoff zu nutzen, den Sie in Schritt 1 eingefüllt haben.

Durch plötzliches Hinzufügen von Leistung wird der Druck in der Brennkammer so stark erhöht, dass Luft, die "stromaufwärts" (dh noch im Kompressor) ist, nicht vordringen möchte. Der zusätzliche Druck in der Brennkammer hatte nicht genug Zeit, um die Turbine hochzuspulen, sodass der Kompressor jetzt zu wenig Leistung hat, um weiterhin Druckluft in die Brennkammer zu „drücken“. Die Luft beginnt rückwärts zu strömen (also vom Brennraum zum Kompressor), der Motor ruckelt, die Hölle bricht los.

Es gibt also eine Verzögerung (elektronisch können die Piloten heutzutage die Vertrauenshebel so schnell drücken, wie sie möchten), wenn die Motoren mit niedriger Drehzahl laufen, der FADEC fügt nur ein wenig zusätzlichen Kraftstoff hinzu und wartet dann, bis sich der Luftstrom stabilisiert hat fügt ein wenig mehr hinzu und so weiter.

Ich denke, die folgende Grafik könnte dies erklären. Jedes Mal, wenn Sie die Drehzahl ändern, erhöhen Sie das Druckverhältnis (dh bewegen Sie sich in der Grafik nach oben), und warten Sie dann ein wenig, bis der Luftmassenstrom zunimmt (dh sich nach rechts bewegt). Wenn Sie das Druckverhältnis zu stark erhöhen, gelangen Sie ohne den begleitenden Massenstrom (der aufgrund der Trägheit eine Weile dauert) in die Pumpgrenze.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Beim Abspulen passiert Ähnliches, wenn auch sanfter.

Vergleichen Sie dies mit dem Kolbenmotor, bei dem Sie mehr Luft / Gas-Gemisch in den Zylinder geben, es für einen größeren Knall sorgt, den Kolben schneller beschleunigt und beim nächsten Kolbenzyklus theoretisch die maximale Leistung abrufen kann.

Und Turboprops nehmen den Mittelweg ein. Die Turbine läuft immer mit 100 % U/min und der Propeller ändert die Steigung, um sie bei 100 % zu halten, als Reaktion auf die Gaseingabe. Die Steigung der Propellerblätter ändert sich sehr schnell - weniger Masse, um sich über eine geringere Distanz zu bewegen; Schub kommt sofort.
@radarbob: So einfach ist das nicht, denn bei Turboprops ist ein Propeller an der Niederdruckturbine und ein Kompressor an der Hochdruckturbine angebracht. Die Hochdruckturbine muss also noch hochspulen. Glücklicherweise, während die Turbinen unabhängig sind, ändert das Halten der Niederdruckturbine bei hoher Drehzahl über die Propellersteigung den Druck, so dass die Hochdruckturbine auch eine hohe Drehzahl behält. Und Hochdruckturbinen laufen in der Regel sowieso immer mit höheren Drehzahlen.
Es sollte beachtet werden, dass die Ausgangsleistung eines Kolbenmotors auch durch die Drehzahl begrenzt ist, da ein Zyklus nur so viel Luft ansaugen und somit so viel Kraftstoff verbrennen kann. Nur der Spielraum zwischen gedrosselt und voll geöffnet ist viel größer.
@JanHudec, ich habe meinen Kommentar möglicherweise unterqualifiziert; Die Änderung der Propellersteigung und damit des Schubs war in dem Flugzeug, das ich flog, praktisch sofort. Die Turbine lief bei 100 % und die Stütze wurde geregelt, um 100 % U/min aufrechtzuerhalten. Wenn Teile des Motors anders waren, war dies sicherlich nicht in irgendwelchen Verfahren, Einschränkungen oder Anzeigen erkennbar.
@radarbob: Die Turbine sollte die Hochdruckstufe bedeuten. Ich nehme an, der geringe Widerstand, den die Leistungsturbine bei hoher Drehzahl, aber geringer Leistung bietet, kann die Hochdruckturbine bei 100% oder fast so laufen lassen.
@JanHudec, Die einzige Turbinenanzeige war eine Temperaturanzeige am Turbineneinlass - die Temperatur, die unmittelbar hinter den Brennerdosen in den Turbinenabschnitt eintritt. Bei der Motorleistung drehte sich alles um die Propellerregelung bei 100% U / min. Jedes Mal, wenn ich die Drosseln berührte, dachte ich, Propeller, niemals Turbine.

Autotyp hier.

Im Wesentlichen liegt es an Turbinentriebwerken, die sich auf die Kompressorladung verlassen, um das Abgas aus der Brennkammer durch die Turbinenschaufeln zu drücken. Ein zu schneller Druckanstieg in der Verbrennungskammer kann gegen die Strömung von der Kompressorseite zurückdrücken, was den Motor abwürgt und wahrscheinlich die Kompressorschaufeln beschädigen kann.

Bei einem Kolbenmotor wird die Leistung in (meistens) unterschiedlichen Hüben erzeugt. Ein schnelles Erhöhen des Drucks während des Arbeitstakts wird nicht gegen die Einlassladung zurückdrücken, da die Einlassventile für diesen Zylinder zu diesem Zeitpunkt geschlossen werden.

Und wenn die Kraftstoff-Luft-Ladung in einem Kolbenzyklus zu früh gezündet wird, kann dies den Motor zerstören! (Siehe "Klopfen".)

Impuls wird gegeben durch:

M Ö m e n t u m = M a s s × v e l Ö c ich t j

Die geleistete Arbeit wird gegeben durch:

W Ö r k   d Ö n e = F Ö r c e × D ich s t a n c e

Die geleistete Arbeit wird in Watt gemessen, definiert als Joule pro Sekunde.

Wenn Sie dies wissen, können Sie sehen, wie sich eine Batterie bei einer größeren Belastung verhält.

Ein Strahltriebwerk hat eine größere Masse und muss eine höhere Geschwindigkeit erreichen. Auch die dafür geleistete Arbeit wird zunehmen, da ein leistungsfähigerer Akku mehr Umdrehungen macht. Die Sache ist, es ist keine proportional größere Batterie. Wenn Sie Düsenflugzeugen eine wirklich leistungsstarke Batterie geben würden, wäre die geleistete Arbeit enorm, und in sehr kurzer Zeit würde viel Kraft aufgebracht (hohe Wattleistung), sodass sie gleichzeitig mit einer Stütze starten würde. Dies wäre jedoch sehr energieineffizient (aufgrund der Erwärmung), daher funktioniert es am besten, eine kleinere Batterie zu verwenden, um über einen längeren Zeitraum zu starten.

Dan, ich habe die Frage anders interpretiert. Nicht wie lange es dauert, den Motor aus dem Stillstand zu starten, sondern wie lange es dauert, bis ein Motor im Leerlauf hochläuft. Ich weiß, dass Strahltriebwerke der ersten Generation längere Aufrollzeiten hatten und moderne Designs viel schneller aufspulen, aber ich kenne die Physik nicht, warum.
Ah, gut, das Gleiche kann angewendet werden. Die Änderung des Drehimpulses zwischen zwei Geschwindigkeiten ist bei einem Düsentriebwerk aus dem gleichen Grund wie oben viel, viel größer :)
Dan, ich habe das gerade in der Überschrift eines Artikels in einem „JET POWER“-Blog gefunden. "Der Motorschub ist ungefähr proportional zur Motordrehzahl, die auf die Potenz von 3,5 erhöht wird". Wenn dies richtig ist, bedeutet dies, dass ein im Leerlauf befindliches Düsentriebwerk sehr wenig überschüssige Leistung hat, wenn der Schubhebel vollständig vorgeschoben wird, bis das Triebwerk hochfährt. In Verbindung mit Ihren korrekten obigen Kommentaren darüber, dass die rotierende Masse und der Drehimpuls größer sind als bei einem Kolbenmotor, ist klar, dass es länger dauern wird, bis der Jet seine volle Leistung erreicht.
Nicht alle Strahl- und nicht alle Turbinentriebwerke haben eine größere Masse als Kolbentriebwerke.
Auch im Start-up ist dies nicht der einzige oder gar der Hauptgrund. Bei einem Kolbenmotor trägt der Motor selbst dazu bei, sich im ersten Zyklus hochzudrehen. Sobald der erste Kolben zündet, beschleunigt der Motor sehr, sehr schnell auf Leerlaufdrehzahl. Tatsächlich brauchen Sie nicht einmal einen Elektrostarter. Sie sind eher ein Gebrauchsgegenstand und frühe Kolbenmotoren hatten sie nicht. Sie können einen Kolbenmotor starten, indem Sie einfach den Strom einschalten und an der Stütze ziehen. Sobald der erste Kolben zündet, übernimmt der Motor den Rest von dort.
Bei einem Turbinentriebwerk sind die Dinge ganz anders. Es ist nicht sicher, mit der Verbrennung zu beginnen, bis die Kompressoren bereits mit einer relativ hohen Drehzahl laufen, so dass die Verbrennung innerhalb der Brennkammer eingeschlossen ist. Ein Strahltriebwerk hat keine abgeschlossene Brennkammer wie ein Kolbentriebwerk. Die Verbrennung wird durch den von den Kompressoren erzeugten hohen Luftdruck eingedämmt. Wenn dieser Luftdruck noch nicht vorhanden ist (was bei einem Motor, der sich nicht dreht, nicht der Fall ist), würde die Verbrennung nicht eingedämmt und direkt aus der Vorderseite des Motors ausgelöst. Unnötig zu sagen, das ist schlecht.
Bearbeiten: In dem Teil zum Kolbenmotor hätte ich wirklich sagen sollen: "Sie können einen Kolbenmotor starten, indem Sie einfach Strom und Kraftstoff einschalten und an der Stütze ziehen." Offensichtlich springt er nicht an, wenn du ihm kein Benzin gibst.
Oh, ein weiteres Problem in Bezug auf Turbinenmotoren: Sie verwenden normalerweise überhaupt keine Elektrostarter. Sie werden mit externen Hochdruckluftströmen gestartet (entweder Zapfluft von einer APU oder einem bereits laufenden Triebwerk oder von einem Startwagen). Siehe diese Frage: Wie werden Turbinentriebwerke gestartet? .
Obwohl diese Frage/Antwort alt ist: Arbeit wird in Joule (oder NewtonMeter oder WattSekunden) gemessen. Leistung wird in Watt gemessen. Ein Mensch kann ein Gewicht von 100 kg in wenigen Minuten über eine Entfernung von 100 m ziehen, während ein Auto dies in wenigen Sekunden schafft. Die Arbeit ist die gleiche, aber die Kraft bestimmt die benötigte Zeit.
Diese Antwort ergibt überhaupt keinen Sinn. Es versucht, das Verhalten von Turbinentriebwerken zu erklären, ohne tatsächliche Eigenschaften von Turbinentriebwerken zu verwenden, so dass es unmöglich richtig sein kann. Und was ist das Verhältnis einer Batterie zu Kraft, Arbeit oder Turbinentriebwerken?
Strahltriebwerke haben eine geringere Masse als Kolbentriebwerke gleicher Leistung.
Warum brauchen Turbinentriebwerke so lange, um hochzufahren?
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