Wie ändert sich das Kompressionsverhältnis, wenn überhaupt, von Meereshöhe zu größeren Höhen?

So wie ich es verstehe, ist das Verdichtungsverhältnis der maximale Druck im Motor geteilt durch den Umgebungsluftdruck. Dies gilt für Turbojets und Turbofans.

Der Luftdruck auf Meereshöhe beträgt etwa 100 kPa. Eine Höhe von 10 km hätte einen Umgebungsluftdruck von eher 26 kPa.

Sie würden also denken, dass das Kompressionsverhältnis um das 4-fache sinken muss, aber die Sache ist die, dreht sich die Turbine in großen Höhen schneller, um dies auszugleichen?

Wie ändert sich das Kompressionsverhältnis, wenn überhaupt, von niedrigen zu großen Höhen?

Edit: Vielleicht hätte ich mit harten Zahlen anfangen sollen. Was sind typische Verdichtungsverhältnisse für Turbojets und Turbofans?

Das Verhältnis sollte nicht fallen, der effektive Druck wird, aber es nimmt immer noch X Umgebungsdruck und komprimiert ihn um ein bestimmtes Verhältnis. Genau wie ein Kolbenmotor, der beispielsweise ein Verdichtungsverhältnis von 13: 1 hat, nimmt er 13 Volumeneinheiten und komprimiert sie auf 1 Volumeneinheit, unabhängig von dieser Volumeneinheit, wenn der Motor sie aufnimmt.
@RonBeyer Sie sagen also, wenn die Umgebungsluft um das 4-fache abfällt, sinkt auch der maximale Motordruck um das 4-fache? Bedeutet dies auch, dass sich die Turbinen mit der gleichen Drehzahl drehen?
Ein "Experte" für Düsentriebwerke muss das beantworten, aber soweit ich weiß, ändert sich das Kompressionsverhältnis für eine bestimmte Drehzahl basierend auf dem aufgenommenen Luftvolumen nicht. Der Unterschied besteht darin, dass sich das "Verdichtungsverhältnis" eines Turbinentriebwerks geringfügig vom Verdichtungsverhältnis eines Kolbentriebwerks unterscheidet, da das Gesamtverdichtungsverhältnis eines Strahltriebwerks das Verhältnis des Drucks ist, der vorne und hinten am Triebwerk gemessen wird. Dies impliziert, dass sich das Verhältnis nicht basierend auf der Höhe oder der Drehzahl ändert.
Genau genommen ist das Kompressionsverhältnis das Volumenverhältnis. In Düsentriebwerken verwenden wir (und Sie sprechen über) das Druckverhältnis . Aber grob gesagt wird die Kompressorarbeit durch dieses Druckverhältnis (zusammen mit den grundlegenden Lufteigenschaften und der Temperatur) und nicht durch den absoluten Druck bestimmt. Mit der Höhe bleiben das Verhältnis und die Drehzahl (grob) gleich, während die absoluten Werte: Druck, Kraftstoffverbrauch und Schub – fallen.

Antworten (1)

Das Kompressionsverhältnis der Turbomaschine ändert sich nicht mit der Höhe, solange sich die Drehzahl des Kompressors nicht ändert (ohne Effekte der Reynoldszahl). Dadurch wird der maximale Druck parallel zum Außendruck gesenkt.

Um jedoch den gleichen Auftrieb in der Höhe zu erzeugen, muss das Flugzeug schneller fliegen. Auf 10 km, wo die Luftdichte etwa 1/4 der Meeresspiegeldichte beträgt, muss das Flugzeug doppelt so schnell fliegen. Außerdem sinkt die Lufttemperatur mit der Höhe, sodass die Flugmachzahl noch weiter zunimmt. Und diese Machzahl bestimmt, wie viel RAM-Komprimierung vor und im Einlass stattfindet. Schnelles Fliegen erhöht das Ansaugdruckniveau, was den niedrigeren atmosphärischen Druck teilweise kompensiert. Da der Druck mit dem Quadrat der Machzahl steigt, sind schnelle Flugzeuge hier klar im Vorteil.

Nehmen Sie die Concorde : Ihre Olympus 593 hatte ein Verdichtungsverhältnis von schlappen 12, aber die Vorverdichtung um den Einlass fügte bei Mach 2 einen weiteren Faktor von 7 hinzu, sodass das Gesamtdruckverhältnis zwischen dem Spitzendruck im Motor und der Außenluft über 80 lag! Allerdings betrug dieser Luftdruck in Reiseflughöhe der Concorde nur 76 mbar, der absolute Spitzendruck im Triebwerk lag also bei deutlich weniger beeindruckenden 6 bar.

Typische Kompressionsverhältnisse

Um die Frage nach typischen Verdichtungsverhältnissen zu beantworten: Das korreliert stark mit dem Alter der Konstruktion: Der erste einsatzfähige Turbojet, der Junkers Jumo 004 von 1943, hatte mit 7 Verdichterstufen ein Verdichtungsverhältnis von gerade einmal 3,2. Der neuere Eurojet EJ200 des Eurofighter erreicht bei ähnlicher Größe und Gewicht mit 8 Verdichtungsstufen ein Verdichtungsverhältnis von rund 26, erzeugt aber fast 7 mal mehr Schub. Der Hauptunterschied ist die bessere Aerodynamik.

Die neuesten zivilen Triebwerke erreichen mit 15 Verdichterstufen ein Druckverhältnis von etwa 50. Sie können es sich leisten, die Luft stärker zu komprimieren, weil sie versuchen, die Luft während des Verbrennungsprozesses so wenig wie nötig zu erhitzen und zu beschleunigen. Da die maximale Wärme im Motor durch die verwendeten Materialien begrenzt ist, würde eine höhere Kompression in Militärmotoren weniger thermischen Spielraum für die Verbrennungserwärmung lassen. Die höheren Düsengeschwindigkeiten von überschallfähigen Motoren werden am besten mit weniger Kompression und mehr Verbrennungserwärmung erreicht.

Hier ist ein Diagramm der Druckverhältnistrends für kommerzielle Transportmotoren ( Epstein, 1998 )Druckverhältnistrends für kommerzielle Transportmotoren (Epstein, 1998)

Nochmals vielen Dank, aber berücksichtigt der OPR zu Beginn auch einen eventuellen Staudruck?
@ DrZ214: Nein, diese Tabelle verwendet den statischen Wert (Motor auf Prüfstand).
Wie ändert sich das Kompressionsverhältnis, wenn überhaupt, von Meereshöhe zu größeren Höhen?
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