Warum hat der J58-Motor des SR-71 nach der Einlassspitze einen Diffusor?

Im Allgemeinen kann ein Kompressor aufgrund der Stoßwellen nicht effizient mit Überschallgeschwindigkeit arbeiten. Die Rolle des Einlasskegels und des Diffusors besteht darin, die Luft unter Mach 1 zu verlangsamen. Es besteht ein ähnlicher Bedarf an einem Staustrahl, damit die Verbrennung innerhalb des Triebwerks erfolgen kann und Schub erzeugen.

Kegelposition und Diffusorgeometrie werden entsprechend der Fluggeschwindigkeit angepasst. Die Gesamtform des Diffusors ist divergierend.

Nach dem Bernoulli-Prinzip verringert der Diffusor die Geschwindigkeit und erhöht den Druck gemäß:

$\frac 1 \rho \; dp = - \mathrm V\;d \mathrm V$wo$\rho$ist die Luftdichte.

Sehen Sie sich dieses Video an: Converging Diverging Nozzles für weitere Details darüber, wie Druck und Geschwindigkeit in einer Düse / einem Diffusor beeinflusst werden. Hier ist eine Zusammenfassung:

Der J58 ist ein Turbostrahl in einem Staustrahl. Der vordere Abschnitt des Motors spielt eine komplexe Rolle. Es passt sich an einen großen Geschwindigkeitsbereich (0 bis Mach 3,2) und Höhe (0 bis 85.000 Fuß) an und modifiziert den Luftstrom, um je nach Fluggeschwindigkeit entweder als Turbostrahl oder als Staustrahl zu arbeiten.

^{Vereinfachte Einstellung des Luftstroms ( Quelle ).}

Tatsächlicher Mechanismus, der bei verschiedenen Fluggeschwindigkeitsbereichen im J58 verwendet wird: ^{( Quelle )}

Eigentlich bestand die Aufgabe des Diffusors darin, Schub zu erzeugen. Hört sich komisch an? Dann lesen Sie weiter!

Bei Überschallgeschwindigkeit erzeugt die Spitze vor dem Einlass eine Kaskade von immer steileren Stößen, um die Luft zu verlangsamen und zu komprimieren. Im Inneren verengt sich der Querschnitt weiter, bis die Strömung in einem abschließenden, geraden Stoß auf unter Mach 1 abgebremst wird. Dies ist der Punkt mit dem kleinsten Querschnitt, der Hals genannt wird. Das Absinken auf Unterschallgeschwindigkeit verändert das Verhalten der Strömung grundlegend: Wenn es vorher bei Überschallgeschwindigkeit in einem sich verengenden Querschnittsprofil langsamer werden würde, braucht es jetzt ein sich erweiterndes Querschnittsprofil, um weiter zu verlangsamen. Beim Verlangsamen wird die kinetische Energie der Strömung in Druck umgewandelt, sodass die Strömung an der Kompressorfläche nur Mach 0,4 schnell ist, aber fast das 40-fache des Umgebungsdrucks hat. Beachten Sie, dass dies ungefähr das Druckverhältnis moderner Strahltriebwerke wie des F120 oder des GE90 ist und weit über den Druckverhältnissen von Turbokompressoren aus den 1950er Jahren liegt.

Durch Verschieben des Kegels wird die Position der Kehle so eingestellt, dass die Ansaugung über den gesamten Fluggeschwindigkeitsbereich funktioniert. Von Unterschall bis Mach 3,2 vergrößert sich der Erfassungsbereich um 112 %, während die Halsbreite auf 54 % des Unterschallwerts verengt wird.

Der Diffusor wird benötigt, um den Unterschallbereich der Einlassströmung zu verlangsamen. Gleichzeitig ist er mit Hochdruckluft gefüllt, die gegen seine Wände drückt. Der in Flugrichtung auf die Projektionsfläche wirkende Druck trägt den Großteil zum Gesamtschub des J58 bei. Die Aufgabe des Triebwerks besteht darin, die Luft im Diffusor abzusaugen und schließlich wieder auf Fluggeschwindigkeit und darüber zu beschleunigen. Ohne den Motor würde der gleiche Druck auf die Rückwand des Diffusors wirken und einen massiven Luftwiderstand verursachen – der Motor musste die gesamte Luft wegpumpen, um dies zu verhindern.

Ich denke, die Behauptung von 80 % Schub, die auf dieser Seite aufgestellt wird, ist nicht ganz richtig, aber sie veranschaulicht den Punkt.

Bei einer Reisegeschwindigkeit von Mach 3,2 lieferte das Einlasssystem selbst tatsächlich 80 Prozent des Schubs und das Triebwerk nur 20 Prozent, was den J58 in Wirklichkeit zu einem Turbo-Staustrahltriebwerk macht.

Etwas weiter unten präsentiert es uns glaubwürdigere Zahlen:

Bei Mach 3 erzeugt der Einlass selbst 54 % des Gesamtschubs durch Druckrückgewinnung, der Motor trägt nur 17 % und das Ejektorsystem 29 % bei. Das Verdichtungsverhältnis im Reiseflug beträgt 40 zu 1.

Außerdem ist der Grund, es Turbo-Staustrahl zu nennen, eigentlich ein anderer, wie auf dieser Seite angegeben :

Die Pratt & Whitney J58-Triebwerke der SR-71 waren eher ungewöhnlich. Sie könnten im Flug weitgehend von einem Turbostrahl zu einem kompressorunterstützten Staustrahl umgebaut werden. Bei hohen Geschwindigkeiten (über Mach 2,4) verwendete der Motor Schaufeln mit variabler Geometrie, um überschüssige Luft durch 6 Bypass-Rohre von stromabwärts der vierten Kompressorstufe in den Nachbrenner zu leiten. 80 % des Schubs des SR-71 bei hoher Geschwindigkeit wurden auf diese Weise erzeugt, was zu einem viel höheren Schub führte, den spezifischen Impuls um 10–15 % verbesserte und einen Dauerbetrieb bei Mach 3,2 ermöglichte. Der für diese Konfiguration geprägte Name lautet Turbo-Ramjet.

Bitte beachten Sie, dass alle Diagramme, die zeigen, wie Luft vom Diffusor direkt zum Nachbrenner strömt, nicht ganz richtig sind: Etwas Luft wurde zum Kühlen benötigt, aber auch die ersten vier Stufen des Kompressors waren noch beteiligt , und der Rest der Auch Turbomaschinen mussten mit Mach 3,2 arbeiten, um den Kompressor mit Drehmoment zu versorgen. Die J-58 entnahm Druckluft aus dem Kompressor auf Stufe 4 und leitete sie direkt in die Strömung hinter der Turbine. Dadurch wurde der in den Nachbrenner eintretende Abgasstrom gekühlt, sodass die Starttemperatur dort niedriger und die Dichte höher war, was Effizienz und Schub erhöht. Siehe die dicken schwarzen Rohre im J58-Bild unten ( Quelle ) - diese leiteten die Druckluft zum Nachbrenner.

Alle Überschalleinlässe verwenden dieses Prinzip: Nachfolgend finden Sie eine Aufschlüsselung der Schubbeiträge im Inneren des Olympus 593 -Triebwerks und der Gondel der Concorde:

Querschnitt der Concorde-Gondel und Schubzusammenbruch ( Bildquelle )

Der Grund für den Diffusor ist dieser .... die Spitze verlangsamt die Luft auf Unterschall um Mach 0,8. Der Diffusor verlangsamt die Luft weiter auf etwa Mach 0,4, bevor sie in den Motoreinlass eintritt. Es ist das gleiche Konzept wie bei einem Druckwasserschlauch mit einer Größe von 1/2 Zoll bis 2 Zoll. Die Luft sich ausdehnen zu lassen, verlangsamt sie, hält aber den Druck durch das schiere Volumen aufrecht. Ich war 10 Jahre lang Triebwerksmechaniker (nicht bei der SR) und liebe es, über dieses unglaubliche Triebwerkssystem zu diskutieren. Ich freue mich, alle Informationen zu teilen, die ich darüber erfahren habe.