Wie verbrennt ein Düsentriebwerk Treibstoff, wenn es nicht auf einem Nachbrenner steht?

Die normale Art, Kraftstoff zu verbrennen, besteht darin, keinen Nachbrenner zu verwenden. Der Nachbrenner ist eine Option, die einem normalen Motor nachgeschaltet ist, um dessen Schub vorübergehend zu erhöhen. Es ist eine interessante Alternative zur Ausrüstung des Flugzeugs mit einem größeren Motor. Der zusätzliche Schub, den er liefert, ist jedoch sehr teuer.

Die normale Art, Kraftstoff zu verbrennen, beinhaltet eine Brennkammer, die von einem Luftkompressor gespeist wird. Der Nachbrenner kann ohne Kompressor arbeiten, da er Luft aus dem vorgeschalteten Motor verwendet.

Ich werde meine Antwort in zwei Abschnitte aufteilen: Die normale Brennkammer und den Nachbrenner.

1. Normale Brennkammer, z. B. für einen Turbofan

Es gibt vier Schritte im Düsentriebwerk, die jeweils in einem anderen Abschnitt auftreten:

• Luftverdichtung im Kompressor.
• Luft- und Kraftstoffvermischung in der Brennkammer und Mischverbrennung.
• Heißgasexpansion in der Turbine zur Stromerzeugung.
• Gasfreisetzung im Auspuff.

Zusätzlich hat dieses Triebwerk, das ein Turbofan ist, einen großen Lüfter, um Schub zu erzeugen. Ein Ventilator ist wie ein Propeller. Von links nach rechts: Fan, Kompressor, Brennkammer, Turbine, Auspuff:

^{CFM56-5-Motor, Quelle}

Luft wird komprimiert, um eine große Menge zu speichern, damit mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Je mehr Kraftstoff pro Zeiteinheit verbrannt wird, desto größer ist die Leistung des Motors.

Luft und Kraftstoff werden in eine Brennkammer eingespritzt, die von unterschiedlicher Art sein kann, in diesem Beispiel ist dies ein ringförmiger Kanal mit einzelnen Kraftstoffdüsen.

Jede Brennstoffdüse sprüht Brennstoff in einen Bereich der Kammer. Luft vom Kompressor wird in diesen Bereich geleitet, um die Mischung zu erzeugen. Im Ringkanal findet eine Verbrennung statt.

Es gibt Zünder, um die Verbrennung zu starten, dann brennt das Gas kontinuierlich, und da die Temperatur extrem hoch ist (1.700 ° C für diesen Motor), ist die Verbrennung spontan. Die Zünder können dann ausgeschaltet, aktiv gehalten oder so eingestellt werden, dass sie im Falle eines Flammenausfalls automatisch reaktiviert werden (Auswahl von der Besatzung).

Der ringförmige Kanal besteht aus Auskleidungen mit Hunderten von Löchern. Luft tritt auch in die Löcher ein, um Wirbel in der Brennkammer zu erzeugen und die Kraftstoffverdünnung zu verbessern und um die Laufbuchsen zu kühlen, da dieser Abschnitt der heißeste des Motors ist und die Materialien nahe an ihrer Temperaturgrenze sind.

^{CFM56-5-Motor, Quelle}

Durch die Verbrennung erzeugtes Gas wird zu den Turbinenstufen geleitet. Die Turbine dreht sich, bewegt durch die Gasgeschwindigkeit. Die Rolle der Turbine besteht darin, Energie aus heißem Gas zu extrahieren, um den Kompressor und den Lüfter zu drehen.

Bei diesem Motor schiebt der Lüfter die Luft einfach nach hinten. Diese beschleunigte Luft erzeugt Schub durch Reaktion (80%). Ein kleiner Schub wird auch vom Kerntriebwerk erzeugt, wenn Gas im Auspuff freigesetzt wird (20 %).

Eine vollständigere Erklärung in diesem Video . Detail der Brennkammer:

^{Brennkammer CFM56-3, Quelle}

2. Nachbrenner (Nachverbrennung)

Der Nachbrenner ist ein zweiter Brenner, der aber nur im heißen Strom eines Strahltriebwerks vorgeschaltet arbeitet, er ist eine Ergänzung zu diesem Triebwerk.

Nachbrenner rationell

Wie in der Nasa-Folie in der Antwort von OragnicMarble gezeigt, wird der Schub in Flugzeugtriebwerken durch Erhöhen des Luftimpulses erzeugt , dem Produkt aus Masse und Geschwindigkeit. Es spielt keine Rolle, ob eine große Masse um einen kleinen Betrag oder eine kleine Masse um einen großen Betrag beschleunigt wird. Eine Beschleunigung um einen kleinen Betrag ist jedoch wirtschaftlich effizienter. Aus diesem Grund verwenden die Hersteller einen größeren Lüfter, um einen größeren Schub zu erzeugen, und nicht denselben Lüfter mit einer höheren Geschwindigkeit.

Es gibt Fälle, in denen ein zusätzlicher Schub nur zu bestimmten Zeiten erforderlich ist und in denen ein größerer Motor nicht wünschenswert ist (Gewicht und Größe). Für sie ist es sinnvoll, die Luftgeschwindigkeit etwas mehr zu erhöhen und die Masse unverändert zu lassen. Der Nachbrenner glänzt in dieser Nische.

Das Prinzip besteht darin, die Gasmasse nach dem normalen Motorausgang zu nehmen und sie erneut zu erhitzen, um ihren Druck zu erhöhen. Energie ist wieder Brennstoffverbrennung mit Sauerstoff, der noch im Gas vorhanden ist. Der Kompressor muss die zu verbrennende Luftmasse nicht erhöhen. Da kein Kompressor vorhanden ist, kann auch die Turbine entfernt werden. Ein Nachbrenner ist also eine sehr einfache Lösung.

^{Motor-Nachbrenner-Konzept}

Diese zusätzliche Wärme dehnt das Gas aus und erhöht seinen Druck, und eine zweite Düse wandelt den zusätzlichen Druck in Geschwindigkeit um.

Nachbrenner haben viele Nachteile: Lärm, Flamme und Ineffizienz ( etwa 5-mal mehr Brennstoff als eine normale Brennkammer). Sie werden nicht in der Zivilluftfahrt eingesetzt, außer bei der Concorde und der Tu-144, dem einzigen zivilen Überschallflugzeug. Die Nachverbrennung wurde zum Start und zur Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit verwendet.

^{Nachbrenner am Olympus 593-Motor (Concorde), Quelle}

Ein anderer NASA- Artikel zeigt Ihnen das Diagramm, das Sie benötigen.

Sie können die beiden Stellen sehen, an denen Kraftstoff eingespritzt werden kann, vor und nach der Turbine. Wie du sagst

Es gibt zwei getrennte Phasen, um dem Luftstrom Kraftstoff hinzuzufügen

Die grundlegende Antwort ist ja. Kraftstoff wird im Hauptabschnitt verbrannt, um Schub zu erzeugen (und einen Lüfter in dieser Art von Motor anzutreiben) und den Kompressions- / Verbrennungszyklus am Laufen zu halten und um richtig zu funktionieren (nicht selbst zu schmelzen), der größte Teil der Luft, die durch komprimiert wurde Der Kompressorabschnitt wird verwendet, um die Flammengrenzen innerhalb des Brennergehäuses zu steuern und den Motor zu kühlen. Vielleicht wird nur ein 3. bis die Hälfte des in die Brennerdose eintretenden Massenstroms im Kerntriebwerk tatsächlich verbrannt, dh sein Sauerstoff verbraucht; der Rest dient der Flammenkontrolle und Kühlung und wird mit der verbrannten Luft vermischt, die in die Turbine strömt.

Die Luft, die den Turbinenabschnitt des Kerntriebwerks verlässt, hat also immer noch den größten Teil ihres Sauerstoffgehalts. Der Nachbrenner nutzt dies einfach aus, indem er mehr Kraftstoff ablässt, um den Rest des Sauerstoffs zu verbrauchen und einen Schubbonus zu erhalten, während die Luft noch komprimiert ist. Ein Nachbrenner ist eine Art Staustrahl, der am Ende des normalen Triebwerks steckt, außer dass er keine hohe Geschwindigkeit benötigt, um den Staueffekt zu erzielen. Der Hauptmotor liefert den Staueffekt sowie ausreichend Sauerstoff, damit er funktioniert.

Bedeutet das also, dass es zwei getrennte Phasen gibt, um dem Luftstrom Kraftstoff hinzuzufügen, die erste (obligatorisch) für den normalen Betrieb und die zweite (optional) für den Nachbrenner?

Ja.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass sich der normale Brenner zwischen dem Kompressor und der Turbine befindet, der Nachbrenner jedoch das letzte Element auf der Rückseite des Motors ist. Das bedeutet, dass der normale Brenner bei einer Temperatur arbeiten muss, die die Turbine nicht zerstört. Dadurch laufen Jet-Brenner mager, die Abgase enthalten noch viel Sauerstoff.

Nachbrenner können viel heißer laufen, was einen höheren Schub für eine bestimmte Größe / ein bestimmtes Gewicht des Motors bedeutet. Der Kompromiss ist, dass ihre Kraftstoffeffizienz schrecklich ist.