Was ist die Betriebstemperatur eines Turbofan-Triebwerks und wie wird es auf dieser Temperatur gehalten?

Ja, wenn Sie die Verbrennungstemperatur im heißen Abschnitt einer Gasturbine erhöhen könnten, könnten Sie den Wirkungsgrad des Motors dramatisch steigern. Das Problem besteht natürlich darin, Materialien zu finden, die die strukturelle Integrität in diesen Regimen über lange Betriebszeiten aufrechterhalten können und immer noch das heiße Gas enthalten; Wir sind derzeit an den thermischen Grenzen bestehender Materialien.

Die Kernprobleme sind hier:

Temperaturen - Heiße Abschnitte von Gasturbinen arbeiten bei 1600 °F (871 °C / 1144 K) bis hin zu 2600 °F (1427 °C / 1700 K) für Hochleistungs-Militärtriebwerke, um einen hohen Schub oder eine hohe Nutzarbeit zu erzielen für eine Einheit verbrannten Kraftstoffs. Keine bekannten Metalle können diese Obergrenzen überstehen und dennoch hohe Streckgrenzen beibehalten. Es verursacht auch große Wärmeausdehnungsprobleme zwischen nicht homogenen Materialien und Beschichtungen sowie Oxidation und galvanische Korrosion.

Belastungen – die Spulen einer Gasturbine können sich bei Hochdruckkompressoren und Hochdruckturbinen mit bis zu 40.000 U/min drehen. Dies erzeugt enorme zentripetale Belastungen an den Schaufeln und anderen Komponenten, denen sie standhalten müssen und die Streckgrenze des Materials nicht überschreiten dürfen.

Verlängerter Betrieb zwischen Wartung und Zuverlässigkeit – diese Belastungen muss der Motor über mehrere hundert Zyklen über einen Zeitraum von mehreren tausend Stunden zwischen den Generalüberholungen überstehen. Redundanz sowie Schadensresistenz müssen ebenfalls in das Design eingebaut werden. Die Folgen sind schwerwiegend; Die Vertrauenswürdigkeit und Zuverlässigkeit von zwei Gasturbinentriebwerken sind alles, was einen erfolgreichen Polarflug von Seattle nach Moskau in einer 777 und 320 erfrierende Menschen im Arktischen Ozean voneinander trennt.

Früher wurden heiße Abschnitte von Gasturbinen aus Legierungen von Metallen mit hohen Schmelzpunkten und guter Streckgrenze wie Nickel und Kobalt mit sehr hoher Reinheit hergestellt. Titan und Molybdän werden auch hier allmählich verwendet. Zusätzlich werden Umformtechniken wie das Gießen von Einkristallen verwendet, um Kristallkörner aus dem Material zu entfernen, um seine Festigkeit zu verbessern. Die Schaufeln ('Schaufeln') einer Hochdruckturbine sind ebenfalls mit Kanälen darin gegossen und haben feine Löcher, die in ihre Oberfläche lasergebohrt sind, um Kompressorzapfluft aufzunehmen und die Grenzschicht der Schaufel effektiv mit kühlerer Luft zu "baden". Wickeln Sie es in eine kühle Gasdecke, um es vor dem Hochtemperaturabgas zu schützen.

Dafür werden exotischere Materialien und Techniken in Betracht gezogen. Sowohl GEAE als auch P&W untersuchen den Einsatz von Verbund- und Keramikschaufeln in heißen Abschnitten. Diese bieten hohe Streckgrenzen bei hohen Temperaturen, stellen aber wiederum Herausforderungen in Bezug auf Oxidations- und Wärmeausdehnungsprobleme.

F1: Unter der Annahme, dass Sie mit Betriebstemperatur die Turbineneinlasstemperatur meinen, sagt dieser Artikel, dass das Pratt & Whitney F135-Triebwerk in der F-35 (JSF) eine TIT von 3600 ° F (1982 ° C / 2255 K) hat, aber das ist am höchsten Leistungsflugzeugmotoren überschreiten 1649 ° C / 1922 K (3000 ° F) nicht, während Nicht-Flugmotoren näher an 1482 ° C / 1755 K (2700 ° F) oder niedriger liegen. Genaue Zahlen für moderne Motoren dürften öffentlich kaum genannt werden. Mattingly hat in seinem Buch "Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets" eine Tabelle (6-2, P363), die eine allgemeine Richtlinie gibt, abhängig vom Alter des Motors. Er sagt:

• 1955-1965 2000 °R = 1540 °F (838 °C / 1111 K)
• 1965-1985 2500 °R = 2040 °F (1116 °C / 1389 K)
• 1985-2005 3200 °R = 2740 °F (1504 °C / 1778 K)
• 2005-2025 3600 °R = 3140 °F (1726 °C / 2000 K)

Die GE J79- Gasturbine, die 1954 zum ersten Mal lief, soll eine TIT von 1710 ° F (932 ° C / 1205 K) haben, daher sehen diese Richtlinien vernünftig aus.

Q2: Durch Erhöhen der Turbineneinlasstemperatur kann mehr Kraftstoff hinzugefügt werden, was den Schub und damit das Verhältnis von Schub zu Gewicht und den spezifischen Schub (Schub pro Pfund angesaugter Luft) erhöht. Eine Erhöhung der TIT (bei gleichem Druckverhältnis) hat auch eine gewisse Auswirkung auf die Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Bei gleicher TIT wird SFC durch Erhöhen des Kompressordruckverhältnisses verbessert. Die folgende Tabelle zeigt die Auswirkungen für einen bestimmten Motor, die spezifischen Auswirkungen unterscheiden sich für jeden Motor je nach Bypass-Verhältnis usw.

F3: Es gibt drei Methoden, die zum Kühlen von Turbinenteilen verwendet werden können. Der primäre Ansatz besteht darin, einen Teil der Verdichterausgangsluft abzuzweigen, die dann die Verbrennung umgeht und in die Turbinenleitschaufeln und -laufschaufeln eingespeist wird. Das folgende Bild enthält auch einige Zahlen für den prozentualen Durchfluss der verwendeten Kompressorausgangsluft.

Andere Verfahren, die ebenfalls häufig verwendet werden, umfassen die Verwendung kleiner Löcher über den Lauf- und Leitschaufeloberflächen, durch die der Kühlstrom austritt. Dadurch entsteht ein kühler Luftfilm über dem Teil, der als Filmkühlung bezeichnet wird (linkes Bild). Bei einigen moderneren Motoren kommen auch Wärmedämmschichten zum Einsatz (rechtes Bild). Dies sind keramische Beschichtungen, die als Isolierung des Grundmetalls gegenüber dem heißen Gas wirken. Normalerweise wird die TBC als zusätzliche Methode hinzugefügt, um die Lebensdauer der Teile zu verlängern. Aber manchmal wird die TBC benötigt, um die Basislebensdauer zu erhalten, und wird dann als "Prime Reliant" bezeichnet .