Warum erzielen Düsentriebwerke in großen Höhen eine bessere Kraftstoffeffizienz?

Für eine schnelle Erklärung müssen Sie das wissen

• Der Schub ist die Differenz zwischen dem Eintrittsimpuls der in den Motor eintretenden Luft und dem Austrittsimpuls des den Motor verlassenden erwärmten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Der Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit und wird durch einen Massenstrom ausgedrückt$\dot m$, Schub T ist $$T = \dot m \cdot (v_{exit} - v_{entry})$$
• Der Austrittsimpuls wird durch Beschleunigung des Luftstroms durch den Motor erhöht, und die Beschleunigung wird durch Erhitzen der Luft erreicht.
• Jedes Gramm Kraftstoff erwärmt eine bestimmte Luftmasse um eine bestimmte Anzahl von Grad Celsius. Die Definition des Energieinhalts von Brennstoffen ist die Fähigkeit, ein Pfund Wasser um ein Grad Fahrenheit zu erwärmen . Die Definition einer Kalorie ist ähnlich, jedoch in metrischen Einheiten. Da die Wärmekapazität sowohl von Wasser als auch von Luft bei moderaten Temperaturen nahezu konstant ist, macht die Starttemperatur bei gegebener Energiezufuhr wenig Unterschied zur absoluten Temperaturerhöhung.

Thermischen Wirkungsgrad

Der thermische Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der als Schub gewonnenen mechanischen Arbeit und der zum Erwärmen der Luft aufgewendeten Wärmeenergie und wird indirekt von der Flughöhe beeinflusst. Bitte lesen Sie den Wikipedia-Artikel zum Carnot-Zyklus . Dieser und ähnliche Zyklen beschreiben thermodynamisch die Funktionsweise aller Verbrennungsmotoren. Grundsätzlich besagt es, dass der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors nicht größer sein kann als das Temperaturverhältnis zwischen der Temperaturerhöhung von Umgebung ($t_{amb}$) auf die maximale Temperatur$t_{max}$des Prozesses, dividiert durch die Maximaltemperatur. Alle Temperaturen müssen als Gesamttemperatur ausgedrückt werden, wobei 0° 0 K oder -273,15°C bedeutet. Der Betrieb in kälterer Luft vergrößert das Verhältnis und verbessert die Effizienz.

Wenn$t_{amb}$290 K (16,85 °C oder 62 °F) beträgt und der Brennstoff die Luft auf 1400 K (2060 °F) erhitzt, beträgt der thermische Wirkungsgrad nach obiger Formel 79,3 %.

Auf Reiseflughöhe$t_{amb}$beträgt nur 220 K (-53,15 ° C oder -63,7 ° F), und der gleiche Kraftstoffstrom im Verhältnis zum Luftstrom erhöht die maximale Temperatur nur auf 1320 K (in Wirklichkeit sogar noch weniger; für eine genauere Begründung siehe unten). Jetzt beträgt der thermische Wirkungsgrad 83,33 %! Wenn die maximale Temperatur beibehalten wird, steigen sowohl der Schub als auch die thermische Effizienz; letztere auf 84,3 %.

In Wirklichkeit wird der Gesamtwirkungsgrad geringer sein, da wir Antriebswirkungsgrad , Reibungseffekte oder Leistungsabnahme durch Zapfluft, Pumpen und Generatoren nicht berücksichtigt haben. Die Vortriebseffizienz beschreibt, wie gut die Beschleunigung von Luft durchgeführt wird.

Erwärmung des Kraftstoff-Luft-Gemisches

Durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches wird Wärmeenergie hinzugefügt, etwa 43 MJ pro Kilogramm Kerosin (wenn wir von einer vollständigen Verbrennung ausgehen). Die isobare Wärmekapazität oder spezifische Wärme von Luft (genau genug, das Gemisch enthält sehr wenig Brennstoff, aber viel Luft) beträgt 29 J pro Mol und pro K, sodass diese 43 MJ 1000 Mol Luft um 1483 K erwärmen Die Wärmekapazität ändert sich leicht mit Feuchtigkeit und Temperatur, aber wenig genug, dass wir sie für diesen Zweck als konstant betrachten können. Wenn die Luft bei 220 K beginnt, wird sie durch die Vorverdichtung im Einlass auf ca. 232 K, weitere Kompression im Motor erwärmt ihn auf ca. 600 K, wenn wir ein Verdichtungsverhältnis von 25 annehmen, und das ist die Temperatur am Eintritt in den Brennraum.

Diese 1000 Mol Luft wiegen ungefähr 29 kg , und wenn Sie ein volles Kilo Kraftstoff hinzufügen und das Gemisch verbrennen, wird es auf 2083 K erhitzt. Wenn Sie weitere Einzelheiten zu den Parametern in einem typischen Strahltriebwerk wünschen, sehen Sie sich bitte das Diagramm in dieser Antwort an . Da das Gemisch beim Verbrennen an Geschwindigkeit gewinnt, die Kraftstoffmasse zusätzlich erhitzt wird und die Verbrennung nie vollständig ist, wird die hier angegebene Maximaltemperatur in der Realität nicht erreicht.

Wenn wir am Boden mit einer Lufttemperatur von 290 K starten, würde die Temperatur im Einlass etwas sinken, weil wir nicht schnell genug fliegen, um eine Vorverdichtung im Einlass zu erreichen. Jetzt wird der Kompressor die Luft auf 730 K erhitzen, und durch erneutes Hinzufügen und Verbrennen dieses Kilo Kerosin werden 1000 Mol Luft auf 2213 K erhitzt. Idealerweise.

In der Realität wird die Motorsteuerung sehen, dass die Grenztemperaturen nicht überschritten werden, aber hier können wir mit den Zahlen spielen, wie wir wollen. Die genauen Werte werden sicherlich etwas anders sein (mehr Reibungswärme im Kompressor, Wärmeverlust nach außen, leichte Drift der spezifischen Wärme mit der Temperatur), aber der Kern der Erklärung ist richtig.

Erklärung in Laiensprache

Durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird es erhitzt und das Gas expandiert. Dies geschieht bei nahezu konstantem Druck und in einem begrenzten Volumen, sodass die einzige Möglichkeit, Platz für diese Ausdehnung zu schaffen, darin besteht, dass das Gas schneller fließt. Nahezu konstanter Druck bedeutet, dass die Dichte des Gases abnehmen muss. Das Dichteverhältnis zwischen dem erhitzten und dem unverbrannten Gas ist proportional zu seinem Temperaturverhältnis , gemessen in absoluter Temperatur.

Die verbrannte Kraftstoffmenge bestimmt jedoch den absoluten Temperaturanstieg, den Gradunterschied zwischen dem verbrannten Gas im Brennraum und dem unverbrannten Gas am Einlass. Bei einer gegebenen Brennstoffmenge wird das erreichbare Temperaturverhältnis bei einer absoluten Temperaturerhöhung umso kleiner, je höher die Temperatur des unverbrannten Gases ist. Somit sinkt der Wirkungsgrad mit einer höheren Temperatur der Ansaugluft.

Entscheidend für ein Strahltriebwerk sind die Druck- und Temperaturunterschiede zwischen Abgas und Umgebungsatmosphäre. Es sind die Expansion und die hohe kinetische Energie des Abgases beim Austritt aus dem Triebwerk, die den Schub (und den Lärm) eines Jets liefern (beachten Sie, dass der Bypass-Teil eines Turbofans nicht berücksichtigt wird).

Der Umgebungsdruck ist Atmosphärendruck, der beispielsweise an der Oberfläche etwa 1000 hPa beträgt und bei Reiseflug 200 hPa oder etwa ein Fünftel des Drucks an der Oberfläche betragen kann. Die Temperatur in dieser Höhe liegt normalerweise auch bei etwa -50 ° C.

Der Abgasdruck und die Abgastemperatur werden durch ein paar Dinge gesteuert:

• Die Kompression durch die N2-Kompressorstufen -- Erhöht Temperatur und Druck
• Der heiße Abschnitt -- Erhöht Temperatur und Druck erheblich
• Die N1/N2-Turbinenstufen – leichte Abnahme der Temperatur/des Drucks (Arbeit, die beim Bewegen der Turbinen geleistet wird).

Da der Außendruck beim Steigen abfällt, benötigen wir weniger Temperatur und Druck im Motor, um den gleichen Druckunterschied im Motor aufrechtzuerhalten, und eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, den Luftstrom in den Motor und den Kraftstoffzusatz zu dieser Luft zu reduzieren. Die Atmosphäre kümmert sich um die Reduzierung des Luftstroms (es gibt nur weniger davon im Reiseflug, obwohl dies auch von der Fluggeschwindigkeit abhängt) und der FADEC kümmert sich um die Anpassung des Kraftstoffflusses. Das Nettoergebnis ist weniger Kraftstoff, der benötigt wird, um die gleiche Druckdifferenz zu erzeugen, wenn die Außenluft einen niedrigeren Druck hat, z. B. Reiseflug.

BEARBEITEN:

Einige der anderen Antworten / Kommentare beziehen sich auf den Massenstrom durch den Strahl und insbesondere auf den Massenstrom durch die Abgasdüse. Ich stimme dem zu, aber ich habe es nicht direkt erwähnt, weil dieser Massenstrom durch den Druckgradienten innerhalb des Motors aufgebaut wird. Ich sollte auch klarstellen, dass der Druck an der Düse bei oder sehr nahe am atmosphärischen Umgebungsdruck liegt und es der Druckgradient zwischen diesem Umgebungsdruck und dem im heißen Abschnitt ist, der den Massendurchsatz aus dem Motor festlegt.

Um sich schließlich mit dem Kommentar zum Bypass-Verhältnis zu befassen, siehe Lnafzigers Kommentar. Die Turbofan-Triebwerke der EMB-145 sind insofern ähnlich, als der Bypass auf Meereshöhe mehr Schub liefert als im Reiseflug. Dies bezieht sich möglicherweise auf eine erhöhte Kraftstoffeffizienz im Reiseflug, da der N1-Lüfter weniger Arbeit verrichtet und somit die N1-Turbine weniger Energie aus dem Motor entzieht.

Erstens funktionieren sie in großer Höhe besser, weil die Luft kühler ist. Kalte Luft dehnt sich bei Erwärmung stärker aus als warme Luft. Es ist die Ausdehnung der Luft, die Verbrennungsmotoren antreibt.

Der zweite Grund ist die geringe Dichte der Luft. Eine geringe Dichte bewirkt einen geringen Widerstand und daher fliegt das Flugzeug in großer Höhe viel schneller als in geringer Höhe, wenn es den gleichen Schub erhält. Bei dieser hohen Geschwindigkeit ist der Massenstrom durch den Motor vergleichbar mit dem Massenstrom bei niedriger Geschwindigkeit in Luft mit hoher Dichte (niedrige Höhe). Die Menge an Energie, die benötigt wird, um die Luft auf Abgastemperatur zu erhitzen, ist zwischen großen und niedrigen Höhen vergleichbar. Da das Flugzeug in großer Höhe jedoch viel schneller fliegt, ist die erzeugte Strommenge höher$(Power=Thrust\times{Speed})$in der Höhe.

Der Unterschied zu Propellerflugzeugen besteht darin, dass der Propeller bei hohen Geschwindigkeiten an Effizienz verliert und daher die verfügbare Leistung mit der Höhe abnimmt.

Für einen nicht mathematischen Ansatz:

Denken wir einmal darüber nach, wie ein Strahltriebwerk funktioniert, und vergleichen wir Flüge in geringer Höhe mit Flügen in großer Höhe. Der Motor saugt Luft aus dem vorderen Ansaugstutzen an. Während Sie klettern, wird die Luft weniger dicht (es gibt weniger Luftmasse in einem Volumen), also müssen Sie etwas schneller fahren, nur damit die Masse der Luft, die durch den Einlass einströmt, in einer bestimmten Sekunde gleich ist. In großen Höhen erhalten Sie tatsächlich den gleichen Luftmassenstrom wie in niedrigen Höhen, aber Sie reisen tatsächlich schneller.

Dann komprimieren Sie diese Luft und denken daran, dass der Staueffekt Ihnen helfen wird, wenn Sie jetzt schneller nach oben reisen, und einen Teil dieser Luft für Sie komprimiert, indem Sie einfach Ihre Motoren mit hoher Geschwindigkeit hineinrammen. Während Sie es komprimieren, leiten Sie es in die Brennkammer, wo es verbrennt. Diese Verbrennungsphase ist sowohl für große als auch für niedrige Höhen gleich, obwohl die Tatsache, dass die Luft in größeren Höhen kälter ist, tatsächlich ein wenig hilft, da wir mehr Kraftstoff verbrennen können, ohne gefährliche Temperaturen zu erreichen, das ist also schön.

Nach dem Verbrennen wird die Luft durch eine Turbine geleitet und dann nach hinten ausgestoßen. Jetzt wird es etwas kompliziert: Sie sehen, es ist effizienter, viel Luft (Masse) ein wenig (kleines dv) zu beschleunigen, als ein wenig Luft (kleine Masse) auf eine sehr hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen ( DV). Das bedeutet wiederum, je schneller sich das Flugzeug bewegt, desto besser wird die Strahlantriebseffizienz. Wenn Sie also klettern, werden Sie schneller und die Strömung wird effizienter, und der niedrigere Luftdruck hinter Ihnen bedeutet, dass weniger Kraft gegen Ihren Ausfluss drückt.

Was haben wir also im Tiefflug im Vergleich zum Hochflug:

Gleiche Menge an Lufteinlass, gleiche Menge an Verbrennung, gleiche Menge an verbrauchtem Kraftstoff, besserer Strahlantrieb in größeren Höhen und bessere Geschwindigkeit in größeren Höhen. In größerer Höhe bekommen Sie einfach mehr für Ihr Geld.

Für einen mathematischen Ansatz:

Strahltriebwerk (Gasturbine) Wirkungsgrad

Dies liegt daran, dass die Luft kühler und weniger dicht ist, was bedeutet, dass in größeren Höhen weniger Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhanden ist, was zu einer besseren Kraftstoffeffizienz führt

Je höher die Höhe, desto dünner die Atmosphäre bedeutet weniger Luftwiderstand oder Luftwiderstand für das Flugzeug, sodass es weniger Triebwerksschub benötigt, um es anzutreiben. Das ist ein Glück, denn der Motor verliert mit der Höhe fast im gleichen Maße an Schub, denn da dem Motor weniger Luft zur Verfügung steht, muss das Kraftstoffsystem den Kraftstoff reduzieren, um das richtige Luft / Kraftstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten, um die Verbrennung zu unterstützen und den Motor am Laufen zu halten. Es ist eine Win-Win-Situation.

Der Motor eines Verkehrsflugzeugs ist so konstruiert, dass er während einer Reise mit Start, Steigflug und die meiste Zeit in einer Höhe von 35.000 bis 40.000 Fuß, wo der Luftdruck etwa 1/4 bis 1/5 des Bodens beträgt, so effizient wie möglich ist . Der Motor verfügt über einige zusätzliche Kompressionsstufen, um im normalen Reiseflug effizient zu arbeiten, auf Kosten der Überhitzung, wenn er aufgrund zu hoher Kompression am Einlass lange mit voller Leistung in Bodennähe geflogen wird. Suchen Sie unter Wassereinspritzung nach einer interessanten Möglichkeit, Startschub in einem Motor in mittlerer Höhe in der 707 zu erhalten.

Ich denke, die meisten denken einfach zu viel nach. Die einfachste und wahrscheinlich vollständigste Antwort ist Widerstand (oder Reibung). Die Luft in großer Höhe ist weniger dicht, was das Durchqueren erleichtert. Der Sauerstoffgehalt in großer Höhe entspricht genau dem Meeresspiegel. Während die Luft dort oben dieselbe Luft ist, die wir atmen, befindet sich weniger dieser Luft in einem Behälter mit demselben Volumen. Raumfahrzeuge verwenden keine Strahltriebwerke. Um sich zu drehen oder eine Bewegung auszuführen, haben sie "Düsen" an verschiedenen Stellen rund um das Shuttle. "Jets" sind in diesem Fall keine Strahltriebwerke, sondern einfach kleine Düsen, durch die unter Druck stehende Gase freigesetzt werden. Denken Sie daran, dass es bei null Luft keinen Bewegungswiderstand gibt, erinnern Sie sich an die Newtonschen Bewegungsgesetze: Jede Aktion hat eine gleiche und eine entgegengesetzte Reaktion.

Wie Sie wissen, verringern sich Druck und Temperatur, da die Höhe zunimmt, beide bis zur Stratosphäre, nachdem die Temperatur konstant bleibt. Der Druckabfall setzt sich fort, sodass die Luftdichte abnimmt, sodass weniger Luftwiderstand bei hoher Geschwindigkeit entsteht. Dieser Druckverlust wird durch den Anstieg des Staudrucks am Einlass überwunden von Triebwerk und Flugzeug erfordert weniger Leistung, um sich in einer Höhe von 36.000 Fuß bis 40.000 Fuß schneller zu bewegen.

Ich bin nicht einmal in der Nähe eines Experten. Aber hier geht es.

Luft ist wie Wasser dick. U-Boote sind langsamer als Boote. Jets sind schneller als Boote. Autos sind schneller als Boote.

Raum hat keine Reibung, weil es keine Materie gibt. Aber ich denke, Jets funktionieren immer noch im Weltraum. Natürlich brauchen sie Sauerstoff. Genauso wie Superman keine Bodenreibung braucht, um schnell zu laufen, während einige andere Superhelden dies tun. Deshalb finde ich es unrealistisch, wie ein Superheld, der Bodenreibung braucht, so schnell laufen und scharfe Kurven fahren kann, ohne den Boden ernsthaft zu beschädigen.

Ich vermute also, dass die Luft weniger dick ist, je höher es ist, desto einfacher ist es, hindurchzureisen. Die Jets sind nicht wie Propeller auf Reibung angewiesen. Superman braucht keine Reibung wie Flash Gordon oder Wonder Woman. Im Weltraum wäre Wonder Woman also hilflos, weil ihre Propeller nicht funktionieren, während Supermans Jets gut funktionieren.

Natürlich brauchen Jets Sauerstoff. Ich bin mir also nicht sicher, wie das alles funktioniert.

Und etwas, woran ich nicht gedacht habe, war das, was in einem anderen Beitrag erwähnt wurde. Schall braucht Luft. Also ja. Geräusche können die Reibung erhöhen.