Warum sind Strahltriebwerksdüsen mit verstellbarer Fläche meist auf militärische Zwecke beschränkt?

Eine variable Querschnittsdüse hilft dabei, den Austrittsdruck der Verbrennungsgase an den Umgebungsdruck anzupassen. Die Verbrennungsgase haben beim Verlassen der Turbine noch einen gewissen Restdruck, der durch eine konvergente Kontur der Düse in Geschwindigkeit umgesetzt wird.

Wenn die Verbrennungsgase genügend Druck haben, um auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt zu werden, ist die Düse tatsächlich zuerst konvergent und dann divergent, um die beste Beschleunigung der Strömung zu erreichen. Die konvergierende Unterschallströmung beschleunigt sich, bis im Abschnitt mit der kleinsten Fläche, dem Hals, die Schallgeschwindigkeit erreicht ist, und der folgende divergente Abschnitt beschleunigt die nun Überschallströmung weiter, bis ihr Druck auf Umgebungsdruck abfällt. Diese Con-Di-Düse muss sowohl den Querschnitt des Halses als auch den Querschnitt des Austrittsbereichs anpassen. Wenn insbesondere der Halsbereich nicht richtig eingestellt wird, führt dies zu einem erheblichen Schubverlust im Betrieb.

Nachverbrennungsmotoren benötigen aufgrund der unterschiedlichen Betriebsbedingungen im Trocken- und Nassbetrieb anpassbare Düsen und profitieren daher am meisten von verstellbaren Düsen. Das Wiedererhitzen des Abgases bedeutet, sein Volumen zu erhöhen, daher muss die Düse breiter werden, um richtig angepasst zu werden. Wenn die Austrittsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase Überschall ist, ist im Allgemeinen eine einstellbare Düse erforderlich. Sogar einige frühe Jets ohne Nachbrenner hatten eine einstellbare Düse: Der zentrale Kegel der Jumo-004- Düse konnte nach vorne und hinten bewegt werden, was die Position des bauchigen hinteren Abschnitts veränderte und dazu beitrug, den Halsbereich richtig einzustellen. Beachten Sie im Bild unten, dass sich der Querschnitt im letzten Teil der Düse wieder erweitert, was zeigt, dass der Abgasstrom des Jumo-Motors leichten Überschall hatte.

Airliner-Triebwerke würden nur wenig von einer verstellbaren Düse profitieren und hätten angesichts der Massenzunahme einer voll verstellbaren Düse insgesamt einen geringeren Wirkungsgrad. Kurzstreckenflugzeuge haben normalerweise Düsengeometrien, die für die Feldleistung optimiert sind, während Langstreckenflugzeuge es vorziehen, für die beste Reiseflugeffizienz zu optimieren. Ihre Kernströmungsaustrittsgeschwindigkeit liegt noch im Unterschall- oder nur leichten Überschallbereich – bitte beachten Sie, dass die Schallgeschwindigkeit im erhitzten Verbrennungsgas deutlich höher ist. Bei 500°C beträgt die Schallgeschwindigkeit fast 560 m/s.

Die Fächerdüse mit variabler Fläche versucht für die Fächerströmung das zu tun, was die reguläre Düse für die Kernströmung eines Strahls tut. Dies ist also tatsächlich ein verwandtes Konzept und hilft, die Leistung sowohl bei niedriger als auch bei hoher Geschwindigkeit zu optimieren. Das Bild unten ist aus dem US-Patent 2011/0302907A1 kopiert und zeigt ein verstellbares Endteil der Motorhaube (schraffiert, 54). Die Austrittsgeschwindigkeit des Bläserstroms ist beim Start Unterschall und im Reiseflug leicht Überschall, und da sein Massenstrom viel höher ist als der des Kerns in Verkehrsflugzeugtriebwerken, zahlt es sich früher aus, die Düse variabel zu machen. Durch Anpassen des Austrittsdrucks durch Variieren der Austrittsfläche können einige Leistungssteigerungen erzielt werden.

Obwohl ich kein Ingenieur bin, fliege ich Flugzeuge mit verstellbaren Düsen, und ich kann möglicherweise etwas Licht auf ihr grundlegendes Funktionsprinzip werfen:

Zweck

Der Zweck der Düse besteht im Unterschallstrom darin, den Luftstrom einzuschnüren und so den Schub beim Verlassen des Triebwerks stark zu erhöhen (technisch gesehen wandelt es das Gas in Schub um und macht den Gasgenerator dadurch zu einem Strahltriebwerk). Wenn keine Düse vorhanden wäre, würde das Gas, das die Turbine verlässt, nicht annähernd den gleichen Schub haben, der aus der Rückseite kommt, wie es der Fall ist, wenn die Düse einengt. Sie können sich das so vorstellen, als würden Sie Ihren Daumen über das Ende eines Schlauchs legen, der Fluss ist viel schneller, wenn Sie den Wasserfluss einschränken. Technisch gesehen steigt die Strömungsgeschwindigkeit, während der tatsächliche Druck abnimmt - der Venturi-Effekt. Bei Nachverbrennungsvorgängen haben die Düsen jedoch den umgekehrten Effekt, und ihr Schließen verringert sogar die Strömungsgeschwindigkeit. Somit öffnen sich die Düsen während der Überschallströmung tatsächlich.

Betrieb

Das Vorwärtsbewegen des Gashebels an einem Jet bewirkt ein paar Dinge, es erhöht den Kraftstoff, erzeugt mehr Gas und schränkt auch die Düsen ein. Während des Taxibetriebs würde ich vermuten, dass die Drosselung der Düsen beim Verlassen der Leerlaufstopps einen größeren Einfluss auf die Bewegung des Strahls hat als der tatsächliche Anstieg von N2. Würden die Düsen nicht richtig drosseln und sich während des Fluges plötzlich öffnen, würde der Strahl vom Himmel fallen. Es ist ein echter Notfall, den wir üben, weil gelegentlich Düsen ausfallen, was im schlimmsten Fall dazu führen kann, dass Sie zwei nutzlose Motoren haben. Wie bei den meisten Dingen gibt es jedoch eine Einschränkung. Beim Betrieb im Nachbrenner öffnen die Düsen wieder nach oben. Düsen, die in AB festsitzen, haben den gleichen Effekt wie Düsen, die in mil offen stecken – Sie werden zu einem Ziegelstein. Also im Wesentlichen, Düsen sind nur erforderlich, wenn Ihr Motor nachverbrennen und Überschallströmung erzeugen kann. Sie können keinen Schub mit offenen Düsen unterhalb des Brenners erzeugen, und Sie können keinen Schub mit geschlossenen Düsen im Brenner erzeugen. Es ist nur mehr Komplexität, die Nicht-AB-Triebwerke nicht benötigen, und mehr, die im Flug ausfallen können.

Effizienz

Wenn es einen Grund gäbe, warum Verkehrsflugzeuge nicht die gleichen Triebwerke haben wie wir, dann wäre es dieser. Mit Ausnahme von sehr ineffizienten Turbojet-Triebwerken sind fast alle Verkehrsflugzeuge mit Turbofan-Triebwerken ausgestattet, genauer gesagt High-Bypass-Turbofans. Ohne in das Unkraut zu geraten, ermöglicht der in modernen Motoren verwendete High-Bypass-Fluss, dass sie viel effizienter arbeiten als unsere Motoren. Bei einem High-Bypass-Motor bleibt die gesamte Strömung Unterschall, und ein fester Auspuff ist nicht nur wirtschaftlicher, sondern auch sicherer, da er sich nicht öffnen und den Schub verringern kann. Kampfflugzeuge verwenden ebenfalls Turbofans, unsere sind jedoch Low-Bypass und verbrauchen viel mehr Treibstoff als unsere zivilen Gegenstücke. Der Vorteil ist, dass wir auch in einer viel vielfältigeren Umgebung arbeiten können: hohe AoA's, Überschallströmung, schnelle Leistungsschwankungen, etc... Angesichts unserer Mission ist der Kompromiss zwischen Effizienzverlust und Leistungsgewinn sinnvoll. Als Referenz: Bei der Super Hornet verbrennen unsere Motoren über 38.000 PPH bei MAX. Diese Art von Ineffizienz würde eine Fluggesellschaft schnell bankrott machen, weil sie einfach nicht die gleichen betrieblichen Anforderungen hat. Zugegeben, wir fliegen nicht die ganze Zeit bei MAX herum, aber Sie verstehen schon.

Peter Kämpf hat bereits eine gute lange Antwort mit schönen Diagrammen gegeben. tl; dr, die Sache läuft darauf hinaus, dass sich Unterschall- und Überschallströmung unterschiedlich verhalten. Ziel ist es, die Abgasgeschwindigkeit zu erhöhen. Für Unterschallströmung erreichen Sie dies, indem Sie sie einschränken, aber für Überschallströmung müssen Sie sie erweitern. Überschallmotoren (und Überschallabgasgeschwindigkeit wird ohne Nachbrenner selten erreicht) benötigen also eine Düse mit variabler Fläche, Unterschallmotoren (alle Verkehrsflugzeugmotoren außer Concorde) nicht.

Mir scheint, Ihr eigener Link gibt die Antwort:

Unterschalltriebwerke ohne Nachverbrennung haben Düsen mit fester Größe, da die Änderungen der Triebwerksleistung mit der Höhe und den Unterschallfluggeschwindigkeiten mit einer festen Düse akzeptabel sind. Bei Überschallgeschwindigkeiten, wie sie für die Concorde im Abschnitt „Düsenflächenregelung im Trockenlauf“ beschrieben sind, ist dies nicht der Fall.

Diese einstellbare Düse sorgt für eine Schubvektorsteuerung . Dies ist am effektivsten im hinteren Teil des Flugzeugs, weit weg vom Massenschwerpunkt, wo sie beim Nicken und Gieren Unterstützung bieten.

Bei den Unterflügelmotoren würde es also nur beim Rollen helfen. Nicken und Gieren werden in dieser Konfiguration nicht unterstützt und die vorhandenen Querruder sind mehr als genug dafür.

Der Mechanismus ist ein komplexer und schwerer Mechanismus, der Wartung und zusätzlichen Kraftstoff benötigt, um ihn mitzubringen.

Die meisten Verkehrsflugzeuge (alle seit der Concorde) sind Unterschallflieger, bei denen die Änderung der atmosphärischen Bedingungen die Wirkung der Düsenfläche nicht ausreichend verändert, um die zusätzliche Komplexität zu rechtfertigen.

Eine Sache, die bisher nicht erwähnt oder berücksichtigt wurde, ist, dass sich der statische Druck innerhalb der Strahlrohrdüse ändert, wenn sich der Bereich ändert. Folglich ändert sich auch der Differenzdruck über der LP-Turbine (unter der Annahme eines Doppel- oder Dreiwellenmotors). Dies beschleunigt oder verlangsamt den LP-Kompressor.

Sie fragen also: "Warum verwenden Strahltriebwerke mit Nachbrennern Düsen mit variablem Querschnitt?"

Solche Motoren können für militärische oder kommerzielle Zwecke bestimmt sein, werden aber verwendet, um das Flugzeug auf Überschall zu bringen. Die Concorde war ein Beispiel für ein nichtmilitärisches Überschallflugzeug, dessen Triebwerke nachbrennen.

Es gibt einen grundlegenden Grund, warum sich die Düsenfläche ändert, und zwar "um den Motorluftstrom aufrechtzuerhalten".

Düsenleistung für konvergente Düse:

Ein Düsenleistungsdiagramm zeigt den Strömungsparameter – Wg·Sqrt(Tt)/[Pt·A] – gegenüber dem Düsendruckverhältnis – Pt8/Ps8, wobei:
Wg = Luftstrom plus Verbrennungsnebenprodukte, daher verunreinigte Luft
Tt = Gesamt Temperatur
Pt = Gesamtdruck
A = Fläche am
Düsenhals Pt8 = Gesamtdruck am
Düsenhals Ps8 = statischer Druck am Düsenhals

erreicht ein Maximum bei M = 1 (Düsenhals-Machzahl = 1).

Der Wert des Durchflussparameters liegt bei etwa 0,5318. Wg Sqrt(Tt)/[Pt A] = f(M,k,R), wobei
k = spezifisches Wärmeverhältnis,
R = Gaskonstante

Ohne Nachbrenner

Während des Trockenbetriebs bei „Militärleistung“ befindet sich das Triebwerk an seinem Auslegungspunkt, bei 100 % Verdichterdrehzahl und Turbinenauslegungspunkt, wenn Verdichter und Turbine so ausgelegt sind, dass sie einen guten Übereinstimmungspunkt haben (thermodynamisch und aerodynamisch).

An diesem Punkt ist der Strömungsparameter am Düsenhals auf seinem Maximum ~= 0,5318.

Mit Nachbrenner

Wenn der Nachbrenner gestartet wird, dann steigt die Gesamttemperatur in die Düse, Tt8, stark an. Angenommen, die Temperatur verdoppelt sich?
dann ist Sqrt(2·Tt8) = 1,4·Sqrt(Tt8), und Sie haben das 1,4-fache des gedrosselten Durchflussparameters am Hals.

Aber der Strömungsparameter kann nicht zunehmen, was passiert ist, dass der Luftstrom um den Faktor 1,4 abnimmt. Und woher kommt dieser Luftstrom? Vom Turbinenausgang, der vom Brennerausgang kommt, der vom Kompressorausgang kommt, der vom Kompressoreinlass kommt.

Was passiert als nächstes? Ein Motorstoß, wenn die FADEC (Full Authority Digital Electronic Control) versucht, die Verdichterrotordrehzahl aufrechtzuerhalten, indem der Kraftstofffluss zum Brenner erhöht wird, um die Turbinenleistung zu erhöhen. Tatsächlich könnte dies zu einer Übertemperatur der Turbine führen, sodass die FADEC die Nachfrage drosseln muss.

Es wird nicht nur der Nachbrenner gezündet, wodurch Tt8 ansteigt, sondern auch Pt8 sinkt ... es gibt einen Druckabfall, der auf die Erwärmung zurückzuführen ist. Dies ist ein Rayleigh-Prozess und erklärt die „heißen Verluste“. Bei einem A/B (Nachbrenner) treten Reibungs- oder Kälteverluste auf, die aber im Vergleich zu den Heißverlusten minimal sind. Diese Gesamtdruckverluste führen auch zu einer Erhöhung des Strömungsparameters, da Pt im Nenner des Strömungsparameters ist, und tragen zum Verlust des Luftstroms bei.

Die Lösung für das Problem von höherem Tt und niedrigerem Pt, das den Düsenfluss einschränkt, besteht darin, die Düsenfläche zu vergrößern – dann sind alle anderen Komponenten des Motors zufrieden. Glücklich ist auch der Pilot, der einen Gegner jagt oder von ihm verfolgt wird und nicht möchte, dass eine Rakete in sein Auspuffrohr gefeuert wird, weil sein Motor bei ihm ausgeht.

Über den divergenten Abschnitt der Düse - er dient dazu, die Gase auf nahezu Umgebungstemperatur auszudehnen und dabei etwas mehr Schub zu erhalten.