Warum gibt es im Verbrennungsabschnitt eines Strahltriebwerks einen Druckabfall?

Dieses Bild, auf das in dieser Frage verwiesen wird , zeigt den Druckwert in einem Düsentriebwerk in Grün:

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Im Verbrennungsabschnitt zwischen Verdichter und Turbine wird Kraftstoff eingespritzt, mit Luft vermischt und verbrannt. Warum gibt es während der Verbrennung einen Druckabfall und die Temperatur steigt plötzlich um 1.500 °C (zu vergleichen mit dem Druckanstieg nach der Zündung in einem Hubkolbenmotor).

Antworten (5)

Die Luft bewegt sich¹ in Richtung abnehmenden Drucks, außer wo es durch den Kompressor erzwungen wird. Der Druck muss also abnehmen, um den gewünschten Durchfluss aufrechtzuerhalten. Wenn der Druck ansteigt, würde der Fluss stoppen und sich umkehren und der Motor würde aufhören zu arbeiten.

Tatsächlich passiert genau das, wenn Kraftstoff zu schnell hinzugefügt wird: Die Energie steigt schnell an, aber die immer noch langsam drehende Turbine bietet zu viel Widerstand, sodass der Druck über das hinaus ansteigt, was der Kompressor liefern kann, und der Kompressor abwürgt, der Motor wird einen lauten Knall und einige Flammen von beiden Enden aus und flammt wahrscheinlich aus, wenn ihm für einen Moment der Sauerstoff ausgeht.

Wie bereits erläutert, erhöht in der normalen Strömung die freigesetzte Energie die Strömungsgeschwindigkeit statt den Druck.

¹ Genauer beschleunigt. Wenn der Druck konstant wäre, würde es sich weiter bewegen. Aber es darf nicht ansteigen. Sie nimmt durch Reibung leicht ab.

Idealerweise ist der Prozess im Brayton-Zyklus eine Wärmezugabe bei konstantem Druck, und die Tatsache, dass die Brennkammer offen gelassen wird, ermöglicht es ihr, sich auszudehnen, sodass der Druck nicht zunimmt. Aber ich habe auch gehört, dass Brennkammern in Gasturbinentriebwerken unter Berücksichtigung der Strömung als konstruiert sind Rayleigh-Strömung. Und in einer Rayleigh-Strömung für den Unterschallfall nimmt der statische Druck und der Stagnationsdruck während der Wärmezufuhr ab. Ist die Strömung also eine Rayleigh-Strömung?
@AbhishekPallipparagopakumar: Es scheint in erster Näherung: " Die Brennkammern in Turbostrahltriebwerken haben normalerweise eine konstante Fläche und die Zugabe der Kraftstoffmasse ist vernachlässigbar. Diese Eigenschaften machen das Rayleigh-Strömungsmodell für die Wärmezugabe zum Durchfluss durch die Verbrennung anwendbar ". In Ringbrennkammern beträgt der Druckabfall etwa 2 %, hauptsächlich aufgrund von (Kälte-)Reibung. Quelle (S. 66)
@mins ja du hast recht. Ich hatte aus einer anderen Frage und Antwort herausgefunden , dass der Rayleigh-Fluss tatsächlich anwendbar ist, und die Tatsache, dass die Massenaddition sehr klein ist, stützt die Annahme eindeutig . Obwohl ich eigentlich verwirrt war, dass der in der Brennkammer auftretende Druckabfall ausschließlich auf Reibungsabfälle zurückzuführen ist oder der Druckabfall während der Rayleigh-Strömung daran beteiligt ist. Von den Fragen und Antworten hat es einen Teil.
@AbhishekPallipparagopakumar: Das ist mein Verständnis. Dasselbe Dokument, S. 70: " Die Wärmezufuhr verursacht eine Abnahme des Staudrucks, der als Rayleigh-Effekt bekannt ist und bei der Konstruktion von Verbrennungssystemen kritisch ist ". Laut Farokhi beträgt der Druckverlustbereich für die Wärmefreisetzung 0,5–1 %, der „Reibungs“-(Kälte-)Verlust 4–7 % für einige Brennkammern.
@mins Ich habe gerade schnell ein paar Seiten des Textes durchgelesen (die Mathematik ist zu komplex, um sich damit zu beschäftigen) und wenn ich richtig liege, steigt der Druckverlust durch Wärmezufuhr mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und dem Vorhandensein eines Diffusors, um sicherzustellen geringe Mach am Brennkammereintritt hält die Heißverluste vergleichsweise gering. Sie haben auch die Bernoulli-Gleichung verwendet, unter der Annahme, dass die Strömung innerhalb von cc inkompressibel ist, und die Heißdruckverluste bestimmt.
@AbhishekPallipparagopakumar: Das habe ich auch gelesen. Das erste Dokument erläutert die Bestimmung von " Machzahl, Druck und Temperatur des Gases am Austritt und [...] des Staudruckverlustes beim Aufheizen ", Seite 76, Aufgabe 2.14. Obwohl es Gleichungen gibt, ist die Argumentation gut erklärt und kann ohne die Gleichungen verstanden werden. Ich gehe davon aus, dass dieser Verlust willkommen ist, um den Druck in den Auskleidungen niedriger als im Brennkammergehäuse zu halten, damit wirbelnde / kühlende Luft die Auskleidungslöcher kreuzen und verhindern kann, dass heißes Gas aus den Auskleidungen austritt, aber das ist nur eine Vermutung.
@AbhishekPallipparagopakumar: Ein weiteres interessantes Papier .
Achtung, auch druckerhöhende Brennkammern existieren in der Forschung und Erprobung, nicht kommerziell in Gasturbinen.

Die von Ihnen verlinkte Frage enthält die Antwort auf Ihre Frage:

der kleine Druckabfall in der Brennkammer wird durch Reibung verursacht

@mins: Sie haben ein begrenztes Volumen in einem Kolbenmotor, während das Volumen innerhalb der Brennkammer am hinteren Ende offen ist. Zugegeben, einige Turbinenschaufeln sind im Weg, aber im Allgemeinen geht es bei der Konstruktion von Strahltriebwerken darum, den Durchfluss vorne stärker und hinten weniger einzuschränken, damit die Luft weiß, in welche Richtung sie strömen soll .

Der Druckverlust im Brennraum wird auf zwei Ursachen zurückgeführt:

  1. Reibung (mit dem Liner), Vermischung und Turbulenz
  2. Der Temperaturanstieg aufgrund der Verbrennung von Kraftstoff. Dieser Druckverlust wird als „Grunddruckverlust“ bezeichnet. Eine Erhöhung der Temperatur bewirkt eine Abnahme der Dichte und damit eine Erhöhung der lokalen Geschwindigkeit der Strömung. Druckverluste sind proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit.

In einem Hubkolbenmotor werden die Gase eingeschlossen, bis sich das Auslassventil öffnet, im Gegensatz zu einem Strahltriebwerk, bei dem es sich um einen offenen Auslass handelt. In einem Zylinder werden die Gase nicht beschleunigt. Also v steigen in einem Jet, p steigen in einem Motorzylinder. Temperaturanstieg bei beiden.

Wie jemand anderes sagte, sollte eine Geschwindigkeitserhöhung nicht mit einem Druckverlust verbunden sein, da wir mit "Druckverlust" den Verlust des Stagnations- / Gesamtdrucks meinen, nicht den statischen Druck. Wenn also die Geschwindigkeit isentropisch zunimmt, würde der Gesamtdruck immer noch gleich bleiben. Der (Gesamt-)Druckverlust im Brennraum ist hauptsächlich auf entropieerzeugende Prozesse wie Reibung und Turbulenz zurückzuführen.

Warum gibt es im Verbrennungsabschnitt eines Strahltriebwerks einen Druckabfall?
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