Was macht ein rauchfreies Strahltriebwerk aus?

Ich habe kürzlich über die MiG-29 und ihre vielen Upgrades gelesen, von denen eine (MiG-29M) rauchfreie Motoren war.

Was macht ein rauchfreies Strahltriebwerk aus? Ist es nur der Kraftstoff oder etwas mit der Art und Weise, wie der Motor selbst funktioniert?

Ich habe beobachtet, dass rauchige Motoren in der Vergangenheit häufiger waren, und ich frage mich, warum das auch so ist. Waren sie aus irgendeinem Grund einfach einfacher zu bauen?

Nur als Vermutung: effizientere Verbrennung. Rauch besteht im Grunde aus nicht vollständig verbrannten Teilen. Je mehr Kraftstoff Sie verbrennen, desto weniger Rauch haben Sie. ( Wie Sie darauf kommen, weiß ich nicht, weshalb ich keine Antwort poste :) ).
Das Abwürgen des Kompressors macht ein Düsentriebwerk rauchfrei, aber dieser Zustand ist während des Fluges zu vermeiden.
@HowardMiller Ich würde denken, dass ein Flammenausfall eher einen rauchfreien Motor als einen Kompressorstillstand erzeugen würde (obwohl letzteres zu ersterem führen könnte, dabei aber dazu neigt, erhebliche Mengen Rauch zu erzeugen .)
@reirab, ich muss zugeben, dass ich nicht viele Flammenausfälle gesehen habe, aber ja, Kompressorstillstände sind in der Regel ziemlich dramatisch. Als ich in Cam Ranh Bay war, bestand der übliche Startplan für Flugzeuge darin, so schnell wie möglich auf der Landebahn loszulegen, sich zu drehen und so schnell wie möglich davonzusteigen. Für Überschalljäger bedeutete dies, mit Nachbrennern zu starten, und ich habe nie viel Rauch gesehen. C-130, die Turbinentriebwerke haben, ziemlich gleich. C-124 injizieren beim Start eine Wasser-Alkohol-Mischung in die Triebwerke und neigen dazu, eher einen Rauchschweif zu haben.

Antworten (2)

Im Allgemeinen kommt Rauch von unvollständig verbranntem Kraftstoff.

Normalerweise verbrennt ein Strahltriebwerk ein sehr mageres Gemisch (aufgrund von Turbinentemperaturbeschränkungen). Trotzdem ist es eine erhebliche Herausforderung, den gesamten Kraftstoff zum Verbrennen zu bringen, vor allem weil das Luft/Gemisch schneller im Motor strömt als die Flammenfront. Um also für eine stabile Verbrennung zu sorgen, kommen viele Tricks ins Spiel: Die Brennkammer dehnt sich nach dem Kompressor aus; es gibt spezielle Wirbelgeneratoren, die das Gemisch zum Rückfluss und Zirkulieren zwingen; die Luft kann stufenweise entlang der Kammer zugeführt werden usw.

Diese komplizierte Gasdynamik ist schwer zu optimieren, insbesondere in den 70er Jahren, als die Triebwerke der MiG-29 (RD-33) entwickelt wurden. Was normalerweise passiert, ist, dass sich in der Brennkammer Taschen mit zu fettem Gemisch befinden und der zusätzliche Kraftstoff sich aufgrund der hohen Temperatur zersetzt, bevor er verbrennen kann.

Soweit ich weiß, hat RD-33MK (unter anderem) eine neu gestaltete Brennkammer erhalten, aber was genau die Änderungen sind, ist schwer zu sagen. Ich kann spekulieren, dass die Ursache des ursprünglichen Problems darin bestand, dass RD-33 ein frühes Beispiel für die ringförmige Brennkammer hatte, die damals nicht gut untersucht wurde. Aber das Problem war schlimm genug, um die MiG-29 im Sichtkampf leichter erkennbar zu machen.

Ist mageres Brennen nicht heißer als fettes?
@Agent_L Nicht, wenn Sie genug überschüssige Luft haben, die die Abgase 5-10: 1 verdünnt. Ich glaube, es ist eine stöchiometrische (ideale) Mischung, die am heißesten brennt, da kein überschüssiger Kraftstoff oder Luft zum Erhitzen vorhanden ist.
@Agent_L, vergaserte Kolbenmotoren mit Funkenzündung, wie sie immer noch in vielen GA-Flugzeugen verwendet werden, werden immer mit hohem Spitzenwert betrieben, da sie aufgrund von Ungleichmäßigkeiten in der Kraftstoffverteilung dazu neigen, rau mit magerem Spitzenwert zu laufen. Magerer bedeutet also heißer, weil es näher an der Stöchiometrie liegt. Aber Turbinen (und Selbstzündungsmotoren) laufen mager mit viel überschüssiger Luft und magerer bedeutet dort kälter.

Rauch entsteht durch Ruß in den Verbrennungsgasen, sodass der Kohlenstoffanteil des Kohlenwasserstoffbrennstoffs unvollständig verbrannt wurde.

Die Literatur (sorry, paywalled, aber Sie können die erste Seite lesen) berichtet, dass in den ersten Jahrzehnten der Konstruktion von Strahltriebwerken ein Großteil der Brennkammerentwicklung auf Versuch und Irrtum beruhte. Um zu einer rauchfreien Brennkammer zu gelangen, musste das JT9D -Team 465 Modifikationen und 140 vollständige Motortests durchführen. Dabei helfen vor allem diese Tricks:

  • Niedrige Strömungsgeschwindigkeiten durch sorgfältiges Diffusordesign am Kompressorausgang
  • Verwirbelung der Strömung am Brennkammereintritt zur Verbesserung der Brennstoff-Luft-Mischung
  • Gemessenes Einströmen von Luft in die Brennkammer, so dass der Brennstoffeinspritzbereich ein im Wesentlichen stöchiometrisches Gemisch für die beste Flammenstabilität aufweist. Dann wird in einem sekundären und einem dritten Verdünnungsbereich mehr Luft hinzugefügt. Diese Verdünnung trägt dazu bei, die Gastemperatur zu senken, sodass der Gasstrom für die Turbine schmackhaft ist.
  • Längere Brennkammern, damit am Ende des Sekundärbereichs 99 % Verbrennung erreicht werden können.

Auch die Wahl des richtigen Brennstoffs hilft. Wenn Sie Methanol oder Ethanol verbrennen würden, ist eine rauchfreie Verbrennung einfacher zu erreichen, aber die Energiedichte des Brennstoffs leidet darunter. Leichtere Kraftstoffe mit kürzeren Kohlenwasserstoffketten helfen, sind aber teurer in der Herstellung und verringern die Energiedichte, daher wurde Kerosin bevorzugt, auch wenn bei seiner Verbrennung Ruß entsteht.

Was macht ein rauchfreies Strahltriebwerk aus?
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