Warum hat der Nachbrennerauspuff "Impulse"?

Diese sind als "Mach-Diamanten" oder "Shock-Diamanten" (und eine Reihe anderer Namen) bekannt und sind kein Merkmal des Nachbrenners an sich, sondern werden durch stehende Wellen im Auspuff gebildet, wenn der Druck der expandierten Abgase dies nicht tut exakt dem äußeren Umgebungsdruck entsprechen. Sie können entweder durch Überexpansion oder Unterexpansion der Abgase gebildet werden. Die Diamanten bilden sich am Übergang von der Schall- zur Überschallströmung, die unmittelbar auf der "stromabwärtigen" Seite einer Raketen- oder Strahltriebwerksdüse auftritt.

Foto unter folgendem Link:

SR-71 Blackbird beim Start.

Bei Raketen ist die Strömung durch eine solche Düse am Hals immer Schall (in allen außer trivialen Niederdrucksystemen, in denen es Unterschall sein kann - aber diese sind in der Praxis normalerweise nicht anzutreffen.

Bei Strahltriebwerken hängt es von der Konstruktion ab, ob die Strömung am Auslass Schall oder Überschall ist, was wiederum tendenziell von der Anwendung abhängt. "Reine Strahl"-Triebwerke, die einen verbrennungsgetriebenen Kompressor verwenden, um die Eingangsluft zu komprimieren, und die ihren Schub aus dem Strahlabgas entwickeln, haben normalerweise Überschallabgase. Die laufende Entwicklung hat zu einer Reihe von "Jet"-Triebwerkstypen mit etwas unterschiedlichen Fähigkeiten geführt - Turbojet ("reiner" Jet), Turbofan (strahlgetriebener interner "Lüfter" erzeugt Luft, die den eigentlichen Jet teilweise umgeht), Turboprop (Jet treibt externen Propeller an) , Propfan (Turboprop auf Steroiden, optimiert für Kreuzfahrten nahe Mach 1) und einige Mitreisende wie Turboshaft - wie ein Turboprop, aber mit Wellenleistung - nützlich, wenn Sie zB einen Hubschrauber antreiben möchten.

In einem Turbofan-Triebwerk wird die Luftmenge, die das eigentliche Strahltriebwerk umgeht, durch das "Bypass-Verhältnis" bestimmt. Motoren mit hohem Bypass schicken die meiste Luft am eigentlichen Jet vorbei, um mit dem Jet-Auspuff kombiniert zu werden und den eigentlichen Triebwerksauspuff zu bilden. Reine Jet- oder einige Turbofan-Triebwerke mit "niedrigem Bypass-Verhältnis" können Überschallabgase haben, während Turbofan mit "hohem Bypass-Verhältnis" immer Unterschall sind. Moderne Langstreckenflugzeuge (insbesondere Verkehrsflugzeuge), die auf maximale Kraftstoffeinsparung abzielen, haben tendenziell hohe Bypass-Verhältnisse. Da Mach-Diamanten nur mit Trans-Sonic-Betrieb in Verbindung gebracht werden, werden Sie keine Mach-Diamanten von z. B. einer 747 sehen.

Daher können Fanjets mit niedrigem Bypass für einen Teil ihres Betriebs Überschallabgase haben. Ein Turbostrahl kann Unter- oder Überschall sein, und ein Nachbrenner erzeugt fast immer (aber nicht unbedingt theoretisch) einen Überschall-Auslassstrom.

In Systemen, die Überschallaustrittsgeschwindigkeiten haben, besteht das Ziel darin, den Austrittsdruck genau an den Umgebungsdruck anzupassen, wenn sich die Strömung von Schall am Düsenhals zu Überschall im Expansionssystem ändert. "Genau" kommt in der Praxis nie genau vor. Wo die Fehlanpassung auftritt, wird es eine Schockwelle geben – eine „Impedanzfehlanpassung in einer anderen Perspektive“ – und der sichtbare Beweis dafür sind die Mach-Diamanten.

Da sich sowohl der Abgasdruck als auch der Umgebungsdruck mit den Bedingungen ändern, wird es im Wesentlichen immer ein gewisses Maß an solchen Stoßwellen in "qualifizierenden" Systemen geben, aber umso mehr, wenn der Motorbetrieb deutlicher vom Ideal abweicht. Kleinere Versionen sind ohne sorgfältige Prüfung möglicherweise nicht offensichtlich. Da das Gesamtsystem normalerweise für "normale" Bedingungen optimiert ist, verursacht der Nachbrennerbetrieb eher eine größere Druckfehlanpassung, da er von der normalen Verwendung abweicht.

Eine Ausnahme würde auftreten, wenn die Designer entschieden, dass sie unter bestimmten Bedingungen eine absolut maximale Leistung des Nachbrenners wünschen (damit z. B. ein Abfangjäger bei Bedarf die absolute Höchstgeschwindigkeit erreichen kann) – in diesem Fall könnten die Mach-Diamanten beim Nachbrenner minimiert werden und wären ausgeprägter in normale Operation.

Auf dieser Seite finden Sie einige gute Fotos und die folgenden Diagramme -

• Aviation Aerospace - Shock Diamonds und Mach Disks

Unten: Erzeugung von Mach-Diamanten aus unterexpandiertem Fluss.

Unten: - Erzeugung von Mach-Diamanten aus überdehntem Fluss.

Gute Erklärung mit Bildern hier - Wikipedia - Shock Diamond

Zahlreiche relevante Bilder - jedes mit einer verwandten Webseite verlinkt.

Verwandt:

Wikipedia - Düsentriebwerk ausgezeichnet.

He178 0 - das allererste Jet-Flugzeug

NASA visuelle Turbojet-Simulation

Dieser Effekt braucht

• Überschallauspuffgeschwindigkeiten u
• hohe Umgebungsdichte

passieren. Normale Jets haben Unterschall-Ausstoßgeschwindigkeiten, und nur die konvergent-divergente Düse von Nachverbrennungsmotoren kann die erforderliche Überschallgeschwindigkeit erzeugen. Innerhalb der Düse wird die Luft beschleunigt, indem Druck in einem Diffusor, dem letzten Teil, in dem sich der Querschnitt stromabwärts vergrößert, in Geschwindigkeit umgewandelt wird.

Denken Sie daran, dass Überschallgas nicht durch das beeinflusst werden kann, was stromabwärts passiert. In der Düse lässt sich das Abgas leicht so stark beschleunigen, dass sein Druck unter 1 bar abfällt – man muss nur den Endquerschnitt des Diffusors breit genug machen. Wenn dieser Niederdruck-Überschallstrahl die Düse verlässt und mit Umgebungsluft konfrontiert wird, verdichtet der Luftdruck den Strahl. Auf dem unteren Bild von Russel ist dies sehr gut zu sehen: Am Umfang der Düse bildet sich ein Stoß, der einen Kegel erzeugt, der den Niederdruckkern der Abgase vom luftdruckbeaufschlagten Nachströmabschnitt trennt.

Nun passiert etwas Interessantes: Wenn sich die Stoßwellen in der Mitte treffen, werden sie nach außen reflektiert, und was folgt, ist eine Folge von nach innen und außen wandernden Stößen, die dieses ausgeprägte Rautenmuster bilden. Dass er überhaupt sichtbar ist, liegt an den Kohlenstoffatomen im Kraftstoff, die durch ihre Hitze orange leuchten. Die vom Umfang der Düse ausgehenden Verdichtungsstöße werden im Zentrum reflektiert, werden bei der Reflexion an der Grenze der heißen Abgase und der Umgebungsluft zu Expansionsfächern und bei der nächsten Reflexion an der Grenze wieder zu Verdichtungsstößen. Die Kompression erwärmt die Strömung, entzündet den verbleibenden Brennstoff und verstärkt so das Leuchten der Kohlenstoffatome, und die Expansion kühlt sie ab, sodass Sie abwechselnd helle und dunkle Muster sehen, die durch die schrägen Stöße getrennt sind.

Das gleiche passiert mit Raketen in niedrigeren Höhen mit hoher Dichte. Raketenkonstrukteure müssen einen Kompromiss finden zwischen kleinen, leichten Düsen, die einen hohen Austrittsdruck haben (und einen Teil der Energie im Raketentreibstoff verschwenden, indem sie die Abgase nicht so stark wie möglich beschleunigen) und größeren Düsen, die auch einen niedrigeren Austrittsdruck haben als 1 bar. Ist die Düse für größere Höhen optimiert und dehnt die Abgase bei Betrieb in Bodennähe überdehnt aus, werden die gleichen Stoßwellen sichtbar. Das obige Bild stammt von Kopenhagener Suborbitalen .