Warum verwenden Flugzeuge ein Axialstrahltriebwerk anstelle eines kompakteren Zentrifugalstrahltriebwerks?

Zentrifugalverdichter erzeugen nur bei geringem Massenstrom, also geringem Schub, einen kompakteren Motor.

Die Menge an Schub, die ein Motor erzeugen kann, ist proportional zu seiner Einlassfläche mal der Auslassgeschwindigkeit. Eine Erhöhung des letzteren ist unerwünscht, da der Energie- und damit Kraftstoffverbrauch proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist . Triebwerkskonstrukteure zielen also auf den Massenstrom ab, um mehr Schub zu erreichen, nicht mehr Geschwindigkeit.

Da es sich um 3D-Strukturen in einem soliden Grunddesign handelt (das Sie in frühen Jets und kleinen modernen Turbinen finden würden), wächst das Volumen eines Zentrifugalkompressors in kubischem Verhältnis zu seinem Durchmesser, während die Frontfläche, die seinen Massenstrom begrenzt, und daher nimmt sein Schub nur mit dem Quadrat des Durchmessers zu . Dadurch entsteht ein Kubikquadratgesetz.

Große reale Teile sind mit Licht- und Kühlkanälen gefüllt, sodass das Masse-zu-Fläche- Gesetz komplexer ist. Dennoch kann es den Lautstärkeeffekt nicht vollständig eliminieren. Im Endeffekt wächst die Masse von Turboverdichtern deutlich schneller als ihr Massenstrom.

Auf den höchsten Leistungsniveaus werden Zentrifugalkompressoren selbst für Maschinen mit festen Triebwerken unerschwinglich schwer, wo ansonsten die Haltbarkeit das Gewicht übertrumpft, sodass die größten Grundlasttriebwerke vollaxial laufen. Bei Axialkompressoren ermöglicht die flache Bauweise mit kurzem Luftströmungsweg, dass die Masse nur direkt proportional zum Massenstrom wächst, und sehr leistungsstarke Motoren können innerhalb vernünftiger Abmessungen gebaut werden.

Es ist in beiden Fällen kein reines Kubikquadratgesetz, aber es ist so etwas wie k1 * Massenstrom ^ [2,5, 2,8] für Zentrifugal- versus k2 * Massenstrom ^ [2,2, 2,4] für Axial, wobei k2 > k1, was Radialverdichtern einen gewissen Vorteil verschafft kleine Größen. Zentrifugen sind auch viel billiger herzustellen (zumindest kleine).

Hochleistungstriebwerke, wie die in Verkehrsflugzeugen, müssen außerdem mehr Schub in den kleinstmöglichen Querschnitt packen und gleichzeitig die Effizienz beibehalten, um den Luftwiderstand zu verringern und auch unter die Tragflächen zu passen, was schwerere Jets ermöglicht. Axialverdichter bieten bei gleichem Querschnitt deutlich mehr Ansaugfläche – also mehr Schub.

Die kleinsten Jets, bei denen der Schubbedarf gering ist und der Querschnitt des Triebwerks im Vergleich zum Rumpf sehr klein ist, können sich den zusätzlichen Durchmesser eines Zentrifugal- oder Diagonalströmungskompressors leisten. Ja, es ist das gleiche Würfelquadratgesetz (in der Praxis auch etwas reduziert), das das Verhältnis von Motorquerschnitt zu Gesamtquerschnitt mit zunehmender Größe des Flugzeugs erhöht. Kleine Zentrifugalkompressoren sind einfacher, leichter zu bauen und robuster als kleine Axialkompressoren.

In jeder Branche gibt es also mit zunehmender Leistung einen Übergangspunkt von zentrifugal zu axial. Bei Flugzeugen, bei denen der Luftwiderstand kritisch ist, liegt er knapp über kleinen Bizjets, mobile Boden- und Hubschrauberturbinen bleiben zentrifugal oder gemischt bis zu einigen MW, und in den Dutzenden von Megawatt wechseln sogar feste Triebwerke von axial/zentrifugal zu vollaxial.

Motoren in der Nähe dieses Kreuzungspunkts kombinieren typischerweise Axial- und Zentrifugalstufen. Neuere Diagonalkompressoren liegen dazwischen und sind recht gut, da sie einen noch maßgeschneiderteren Kompromiss bieten.

Axialturbinenmotoren nehmen viel Platz ein ... in Längsrichtung. Zentrifugalkompressoren sind kürzer und breiter und werden sehr oft in Turboprop- und Turbowellentriebwerken verwendet, zum Beispiel ist der Rolls Royce Dart ein einachsiger Turboprop-Motor. Das Foto zeigt die Kompaktheit des Motors ... in Längsrichtung.

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Können Sie eine Zentrifugalluftpumpe bauen, die so viel Luft drückt wie ein Axialstrahltriebwerk?

Ja, du kannst. Es wird zwei Hauptprobleme haben:

1. Die Verluste in den Zentrifugalkompressoren sind höher als bei einer axialen Konfiguration, die das gleiche Kompressionsverhältnis erreicht.
2. Ein Teil des vorderen Bereichs kann nicht für den Luftstrom verwendet werden.

Was sind die Hauptnachteile von Zentrifugalluftmotoren gegenüber Standard-Axialmotoren?

Zentrifugalkompressoren:

• Sind etwas weniger effizient als Axialkompressoren (für ein bestimmtes Kompressionsverhältnis).
• Leiten Sie den Luftstrom senkrecht zum freien Strahl aus, sodass der Luftstrom, wenn mehrere Stufen erforderlich sind, in einen recht kurvenreichen Weg geleitet werden muss, was sich zusätzlich negativ auf die Effizienz auswirkt.
• Ergebnis ist ein Motor mit größerer Stirnfläche.

Vorteile sind:

• Zentrifugalverdichter erreichen höhere Verdichtungsverhältnisse als Axialverdichter – pro Stufe. Verdichtungsverhältnisse von 4 - 6, während eine Axialstufe nur 1,4 - 1,6 schafft.
• Sie sind robuster und oft kostengünstiger konstruiert.

Größere Motoren (hoher Massenstrom, hohes Verdichtungsverhältnis und minimale Stirnfläche) verwenden fast ausschließlich Axialverdichter: Die inneren Verluste sind am geringsten. Zentrifugalkompressoren werden für Auslegungsfälle verwendet, in denen andere Faktoren als der Wirkungsgrad von Interesse sind, wie z. B. Kosten und Längenbeschränkung für Hubschrauberturbowellen.

Ein Beispiel für den Einsatz eines Zentrifugalkompressors in einem Turbofan-Triebwerk ist der Garrett AiResearch ATF3 . Ein 3-Wellen-Motor mit dem Lüfter auf Welle 1, fünf Axialstufen auf Welle 2 und einer Zentrifugalstufe auf Welle 3.

Bildquelle

Der heiße Abgasstrom wird zurück in den Lüfter-Bypass gelenkt, der ihn abkühlt und zu einer niedrigen IR-Signatur führt. Dieser Motor wird im Dassault Falcon verwendet. Beachten Sie, dass es keine prinzipiellen technischen Schwierigkeiten gibt, dieses Triebwerk auf A380-Niveau zu skalieren, abgesehen von der verringerten Effizienz aufgrund der mehrfachen Umlenkungen im Luftstrom. Der breitere Frontbereich ist im Kompressorteil kein Problem, und das Gesamtkompressionsverhältnis steigt mit dieser Endstufe stark an.

Wie beim ATF3 werden Zentrifugalverdichter oft mit einer Axialstufe kombiniert, die den Luftstrom in den Zentrifugalverdichter vorwirbelt und sowohl die Effizienz als auch das maximale Verdichtungsverhältnis pro Einzelstufe im Vergleich zu einer flachen Einzelstufe erhöht.

Während ein Zentrifugalkompressor eine größere Kompression erreichen kann als eine einzelne Kompressorstufe in einem Axialströmungsmotor, ermöglicht die Axialströmungskonstruktion mehrere Kompressorstufen, wodurch eine höhere Gesamtkompression der Luft und folglich ein größerer Wirkungsgrad erreicht wird. Strahltriebwerke mit Zentrifugalströmung sind jedoch robust und zuverlässig.

Zentrifugalkompressoren sind durch die Größe und den scharfen Winkel des Diffusorkanals begrenzt, der den nach außen strömenden Luftstrom vom Laufradkompressor begradigen und ihn zurück zu den Brennkammern umleiten muss. Dies begrenzt die Luftmenge, die durch diesen Motor strömen kann. Axialströmungsmotoren sind durchgängig konstruiert und haben diese Einschränkung nicht.

Alle existierenden Zentrifugalkompressor-Flugzeugtriebwerke waren Turbojets oder Turboprops.

Abgesehen von ihrer geringen Leistung im Vergleich zu modernen Turbofans (der in einer anderen Antwort erwähnte Rolls-Royce Dart produzierte etwa 1 MW, verglichen mit 50 MW für einen modernen großen Turbofan-Triebwerkskern) würde der größere Durchmesser eines Zentrifugalkompressors es schwierig machen, einen effizienten zu entwerfen Turbofan, indem die Fläche des Lüfterkanals eingeschränkt wird.

Das Erhöhen des Außendurchmessers der Bläserblätter zum Vergrößern des Umgehungskanals ist keine praktische Option, da dies durch die Bodenfreiheit des Flugzeugs begrenzt ist. Der Versuch, dieses Problem mit am Heck montierten Motoren mit sehr großem Durchmesser zu vermeiden, würde nur eine andere Reihe von Konstruktionsproblemen schaffen.