Warum können Strahltriebwerke nicht mit Überschallluft betrieben werden und wie verlangsamen sie diese?

Kurzgesagt

Eine Verdichterschaufel funktioniert am besten in Unterschallströmung. Überschallströmung führt zusätzliche Widerstandsquellen ein, die vermieden werden sollten, wenn Effizienz wichtig ist. Die Ansaugung muss also die Luft auf eine Machzahl zwischen 0,4 und 0,5 bremsen. Beachten Sie, dass die hohe Umfangsgeschwindigkeit einer großen Lüfterschaufel immer noch bedeutet, dass ihre Spitzen bei etwa Mach 1,5 arbeiten, aber die nachfolgenden Kompressorstufen unter Unterschallbedingungen arbeiten.

Ein Scramjet ist mit Kraftstoffen mit Überschallgeschwindigkeit der Flammenfront und schnellem Mischen von Kraftstoff und Luft möglich. Wenn der Motor normales Kerosin verbrennen würde, würde die Flamme wie eine Kerze ausgeblasen werden, wenn die interne Fluggeschwindigkeit Überschall wäre, und selbst wenn Flammenhalter die Flamme an Ort und Stelle halten, würde die meiste Verbrennung erst stattfinden, nachdem das Kraftstoff-Luft-Gemisch abgereist ist des Motors aufgrund der langsamen Vermischung von Kerosin und Luft. Durch die Verwendung von Wasserstoff kann auch in Überschallströmung eine stabile Verbrennung erreicht werden. Aufgrund der hohen Fluggeschwindigkeiten ist eine Kompression durch eine Kaskade von Stößen möglich, sodass in Ramjets und Scramjets keine sich bewegenden Turbomaschinen benötigt werden.

Hintergrund: Maximale Erwärmung der Luft

Alle Jets verlangsamen die Luft in ihrem Einlass, um den Luftdruck zu erhöhen. Diese Kompression erwärmt die Luft, und um eine Verbrennung zu erreichen, die Schub erzeugt, muss diese Erwärmung begrenzt werden. Bei Erwärmung der Luft über ca. 6.000° K führt das Hinzufügen von mehr Energie zu einer Dissoziation des Gases mit einem geringen weiteren Wärmeanstieg. Da Schub erzeugt wird, indem Luft durch Erhitzen expandiert wird, wird brennende Luft, die bereits bei 6.000 ° K in den Verbrennungsprozess eintritt, nicht viel Schub erreichen. Wenn die Luft mit Mach 6 in den Einlass eintritt, darf sie nicht unter ca. Mach 2, um bei einer sinnvollen Temperaturerhöhung noch eine Verbrennung zu erreichen – deshalb werden Scramjets in Hyperschallfahrzeugen eingesetzt.

Vollständige Offenlegung: Sauerstoff beginnt je nach Druck bereits zwischen 2.000 ° und 4.000 ° K zu dissoziieren, während Stickstoff hauptsächlich oberhalb von 8.000 ° K dissoziiert. Die obige Zahl von 6.000 ° K ist ein grober Kompromiss für die Grenze, an der das Hinzufügen von mehr Energie beginnt immer weniger Sinn. Selbst 6.000° K Flammentemperatur sind natürlich eine Herausforderung für die Materialien der Brennkammer, Keramik mit Filmkühlung ist Pflicht.

Die Gleichung für die Stagnationstemperatur$T_0$Luft zeigt, wie wichtig die Fluggeschwindigkeit ist$v$ist:

$T_{\infty}$ist die Umgebungstemperatur,$c_p$die spezifische Wärme bei konstantem Druck und$\kappa$das Verhältnis der spezifischen Wärmen. Für zweiatomige Gase (wie Sauerstoff und Stickstoff)$\kappa$ist 1,405. Die Temperatur steigt mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit, so dass bei Mach 2 der Faktor der Wärmezunahme gegenüber der Umgebung nur 3,8 beträgt, während er bei Mach 6 26,3 beträgt. Selbst bei 220° K Lufttemperatur wird die Luft auf 5.800° K erwärmt, wenn sie im Falle eines Hyperschallfahrzeugs, das mit Mach 6 fährt, ideal komprimiert wird. Beachten Sie, dass echte Kompressionsprozesse die Luft aufgrund von Reibung noch mehr erwärmen.

Kompression mit Schocks

Die Überschallströmung wird durch einen Druckanstieg entlang des Strömungswegs verlangsamt. Da keine „Vorwarnung“ für das Kommende möglich ist, erfolgt dieser Druckanstieg plötzlich: Der Druck springt von einem festen Wert nach vorn auf einen höheren festen Wert nach dem Sprung. Dies wird als Schock bezeichnet. Die Energie für den Druckanstieg wird der kinetischen Energie der Luft entnommen, sodass nach dem Stoß alle anderen Parameter (Geschwindigkeit, Dichte und Temperatur) neue Werte annehmen.

F-16 Lufteinlass ( Bildquelle )

Der einfachste Schock ist ein gerader Schock. Dies ist an der Oberfläche von Pitot-Einlässen wie dem der F-16 (siehe Bild oben) im Überschallflug zu finden. Häufiger sind schräge Stöße, die entsprechend der Machzahl der freien Strömung geneigt sind. Sie treten an Vorder- und Hinterkanten, Rumpfnasen und Konturänderungen im Allgemeinen auf: Immer wenn etwas den Luftstrom aufgrund seiner Verdrängungswirkung krümmt, ist der Mechanismus für diese Krümmung des Strömungspfads ein schräger Stoß.

gerader und schräger Stoß (eigene Arbeit)

Der Index 1 bezeichnet Bedingungen vor dem Schock und 2 die nach dem Schock. Bei schwachen geraden Stößen das Produkt aus der Geschwindigkeit vor dem Stoß$v_1$und die Geschwindigkeit hinter dem Schock$v_2$gleich dem Quadrat der Schallgeschwindigkeit:

Die gleiche Gleichung funktioniert für die normale Geschwindigkeitskomponente$v_n$vor und hinter einem schwachen Schrägstoß:

Der Winkel der schrägen Stoßwelle wird durch die Machzahl vor dem Stoß bestimmt.

Überschalleinlässe

Schwache Stöße sind erwünscht, da sie nur geringe Reibungsverluste erzeugen. Pitot-Einlässe mit ihren einzelnen, geraden Stoßdämpfern funktionieren gut bei niedrigen Überschallgeschwindigkeiten, verursachen jedoch höhere Verluste bei höheren Machzahlen. Als Faustregel gilt, dass bei Geschwindigkeiten unter Mach 1,6 ein Pitot-Einlass der beste Kompromiss ist. Wenn die Designfluggeschwindigkeit höher ist, werden komplexere und schwerere Einlässe benötigt, um die Luft effizient abzubremsen. Dies geschieht durch eine Folge schwacher, schräger Stöße und durch eine Keilaufnahme. Das Bild unten zeigt den Einlass des Überschallflugzeugs Concorde :

Concorde Aufnahme ( Bildquelle )

Das allmähliche Erhöhen des Winkels des Keils verursacht eine Kaskade von immer steileren, schrägen Stößen, die die Luft allmählich verlangsamen. Das Konstruktionsziel besteht darin, diese Kaskade von Stößen, die durch den oberen Keil verursacht werden, so zu positionieren, dass sie die untere Einlasslippe treffen. Dies erfolgt durch eine bewegliche Kontur der oberen Einlaufgeometrie und/oder der Lippe. Ziel ist es, eine gleichmäßige Geschwindigkeit über den Ansaugquerschnitt zu erreichen und keine Druckluft an die Umströmung des Ansaugstutzens zu verschwenden. Sehen Sie sich das Bild des Eurofighter-Einlaufs unten als Beispiel für eine bewegliche Einlasslippe an (die zugegebenermaßen hauptsächlich dazu dient, den Erfassungsbereich bei niedriger Geschwindigkeit zu vergrößern und selbst bei einem kleinen Einlasslippenradius eine Strömungsablösung zu vermeiden).

Eurofighter-Aufnahme ( Bildquelle )

Sobald die Luft in den Einlass eingetreten ist, hat sie nur noch leichten Überschall und kann durch einen letzten, geraden Stoß an der engsten Stelle des Einlasses weiter abgebremst werden. Danach wird die Ansaugkontur allmählich verbreitert, sodass die Luft ohne Ablösung weiter verzögert wird. Um dies zu erreichen, ist eine sehr gleichmäßige Durchströmung des Ansaugbereichs zwingend erforderlich, und selbst die geringfügige Störung durch die Grenzschicht von allem, was vor dem Ansaug liegt, muss vermieden werden. Dies wird durch eine Splitterplatte erreicht, die auf den Bildern der F-16- und Eurofighter-Einlässe gut sichtbar ist. Das Splitterblech des Eurofighter-Einlasses ist sogar perforiert, um dort die frühe Grenzschicht abzusaugen.

Die Verlangsamung des Ansaugstroms führt zu einem deutlichen Druckanstieg: Im Falle der Concorde bei Mach 2,02 Reiseflug verursachte der Ansaugvorgang einen Druckanstieg um mehr als den Faktor 6, sodass der Triebwerkskompressor „nur“ einen Faktor von zugeben musste 12, so dass der Druck im Brennraum der vier Olympus 593 - Motoren das 80-fache des Umgebungsdrucks betrug (in der Reiseflughöhe von 18 km betrug dieser Umgebungsdruck allerdings nur 76 mbar).

Diese Druckerhöhung bedeutet, dass ein Überschalleinlass wie ein Druckbehälter gebaut werden muss und die rechteckige Fläche des Einlasses stromabwärts schnell in einen runden Querschnitt geändert werden muss, um die Masse der Einlassstruktur gering zu halten.

Ansaugt mit höherer Geschwindigkeit

Schneller zu fahren bedeutet, dass die Ansaugdruckwiederherstellung mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit zunimmt: Im Falle des SR-71-Ansaugs bei Mach 3,2 war der Druck an der Triebwerksfront bereits fast 40-mal höher als der Umgebungsdruck. Jetzt wird klar, dass schneller als Mach 3,5 die Notwendigkeit eines Turbokompressors überflüssig macht: Bei diesen Geschwindigkeiten kann ein richtig ausgelegter Einlass selbst genug Kompression erreichen, damit die Verbrennung genügend Schub erzeugt, und wenn man über Mach 5 hinausgeht, muss man sich beim Verlangsamen zurückhalten den Ansaugstrom nach unten, um genügend Temperaturspielraum für die Verbrennung zu haben, was eine Überschallströmung in der Brennkammer erfordert.

Um Stoßwellen an den Verdichterschaufeln zu vermeiden, die das Triebwerk unbrauchbar machen würden, sowohl wegen der sehr großen Druckschwankungen, die zu Ermüdung und Ausfall der Schaufeln führen würden, als auch wegen des hohen Widerstandsniveaus, das in Überschallströmungen entwickelt wird, was die Wirkung haben würde Verlangsamung der Klingen, wenn sie sich drehen. Tatsächlich würde der Motor einfach nicht laufen, wenn ein Überschallstrom in ihn eindringt.

Außerdem muss die Strömung so weit wie möglich verlangsamt werden, damit genügend Zeit in der Brennkammer bleibt, damit der Kraftstoff vollständig verbrennen kann.

Also ... eine Kegel- oder Rampenform am Einlass wird verwendet, um eine kleine Stoßwelle vor dem Triebwerk zu erzeugen, die die einströmende Luft auf Unterschallgeschwindigkeit verlangsamt und es dem Strahltriebwerk ermöglicht, effizient zu arbeiten.

Ein Staustrahl ist in der Lage, die Druckluft zu nutzen, weil er dafür ausgelegt ist. Eine hervorragende Fallstudie ist die SR-71 Blackbird, die Triebwerkskegel hatte, die sich je nach Geschwindigkeit/Höhe vorwärts und rückwärts bewegten, um von einem Turbinen- zu einem Staustrahl-Missionsprofil überzugehen. (Unterhaltsame Tatsache: Dieses Flugzeug ist so verdammt schnell, dass die Geschwindigkeitsbegrenzung nicht von der Motorleistung herrührt, sondern vom SCHMELZEN DES FLUGZEUGS , weil es so schnell fliegt.) Die SR-71 hatte "Bypass-Türen" zum Schließen der Hauptturbine des Triebwerks beim Betrieb auf einem Staustrahlprofil.

Ein Staustrahltriebwerk , manchmal auch als fliegendes Ofenrohr oder Athodyd bezeichnet, ist eine Form eines luftatmenden Düsentriebwerks, das die Vorwärtsbewegung des Triebwerks nutzt, um die einströmende Luft ohne einen Rotationskompressor zu komprimieren. Ramjets können bei Fluggeschwindigkeiten von Null keinen Schub erzeugen; Sie können ein Flugzeug nicht aus dem Stillstand bewegen. Ein mit einem Staustrahl angetriebenes Fahrzeug erfordert daher einen unterstützten Start wie ein JATO, um es auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, bei der es anfängt, Schub zu erzeugen. Ramjets arbeiten am effizientesten bei Überschallgeschwindigkeiten um Mach 3. Dieser Triebwerkstyp kann bis zu Geschwindigkeiten von Mach 6 betrieben werden.

Ein Scramjet ist eine Variante eines luftatmenden Staustrahltriebwerks, bei dem die Verbrennung im Überschallluftstrom stattfindet. Wie bei Staustrahltriebwerken ist ein Scramjet auf eine hohe Fahrzeuggeschwindigkeit angewiesen, um die einströmende Luft vor der Verbrennung kraftvoll zu komprimieren, aber ein Staustrahltriebwerk bremst die Luft vor der Verbrennung auf Unterschallgeschwindigkeit ab, während der Luftstrom in einem Scramjet im gesamten Triebwerk Überschall ist. Dadurch kann der Scramjet bei extrem hohen Geschwindigkeiten effizient arbeiten: Theoretische Projektionen legen die Höchstgeschwindigkeit eines Scramjets zwischen Mach 12 und Mach 24 fest.

Neben der Tatsache, dass die Verbrennung über diese 6000 K hinaus keine große Ausdehnung bietet, ist auch die Tatsache, dass das Abbremsen der Strömung auf Unterschall den Luftwiderstand des Motors erhöht, da Stoßwellen nicht reversibel sind und daher der Druck hinten nicht wiederhergestellt wird (stellen Sie sich eine Abschaltung vor Motor mit innerer Unterschallströmung, der sich mit dieser Geschwindigkeit fortbewegt, hätte er aufgrund von Stoßwellen einen hohen Luftwiderstand). Bei Hyperschallgeschwindigkeiten wäre die Überwindung dieses Luftwiderstands über dem Luftwiderstand der Flugzeugzelle ein No-Go. Deshalb bezweifle ich, ob die Lösung für den SABRE-Motor (Sie können ihn googeln) mit interner Unterschallströmung machbar ist, selbst wenn er einen hohen Grad an Kühlung erreicht, bevor er den Kompressor erreicht.

Warum können Strahltriebwerke nicht mit Überschallluft betrieben werden?

"Weil es keinen Business Case gab, einen Motor mit Überschallströmung am Eintritt in den Kompressor zu entwickeln." Die Vorteile wären die gleichen, die zu den heutigen transsonischen (relative Überschallströmung über einen Teil der Schaufelspannweite) Kompressoren geführt haben, dh kleiner und leichter. Kompressoren mit relativer Überschallströmung über die gesamte Schaufelspannweite wurden bei stationären Drehzahlen im Prüfstand getestet, siehe zB Naca RM E55A27. Probleme, die angegangen werden müssen (es gibt viele), wären eine stoßinduzierte Grenzschichtverdickung und -ablösung in den Kompressorschaufelpassagen, die einen unannehmbar hohen Verlust der potenziell "nützlichen" Energie verursachen, die der Kompressorrotor in die Luft abgibt (es gäbe zu starker Temperaturanstieg und zu wenig Dichte- und Druckanstieg) Sie können jedoch mit Überschallluft arbeiten und tun dies auch, aber nur über den äußeren Teil der vorderen Stufen des Lüfters und des Kernkompressors. Beachten Sie, dass diese Luft relativ zu den sich schnell drehenden Rotorblättern nur Überschall ist und innerhalb des Motors selbst erzeugt wird, dh nicht als Überschallluft vom Einlass empfangen wird (siehe Grund dafür, dass Luft, die den Einlass verlässt und in den Motor eintritt, in der folgenden Antwort Unterschall ist).

Die Aufgabe des Kompressors besteht darin, zu komprimieren, und so muss der Rotor, nachdem er zuerst die Luft ergriffen und mit hoher Geschwindigkeit herumgewirbelt hat, sie auch im Durchgang zwischen den sich drehenden Rotorblättern (und auch durch die folgenden Statorflügelpassagen) verlangsamen, dh es muss es komprimieren, wenn es als Kompressor bezeichnet werden soll (keine Verlangsamung würde bedeuten, dass der Druck nicht zunimmt). Die Profile der Kompressorrotorschaufeln und der divergierende Bereich der Passagen zwischen ihnen erzeugen die Art von Stoßwellen, die eine Unterschallströmung hinter sich haben. Die Stoßwellen, die der natürliche Mechanismus sind, um von Überschall- zu Unterschallströmung zu gelangen, interagieren mit den Schaufelgrenzschichten, und die Verdickung und Trennung von Bl bedeutet hohe Verluste, und Verluste sind das, wofür der Kompressorwirkungsgrad ein Maß ist.

Wie verlangsamen Strahltriebwerke Überschallluft?

Die Frage ist, wie funktioniert der Motorverlangsamen die Luft. Es wird oft gesagt, dass das Ansaugen die Luft verlangsamt. Die Luft wird sich jedoch sowieso verlangsamen, mit oder ohne Ansaugung. Der Luftstrom durch das Triebwerk und damit die Unterschallgeschwindigkeit am Eintritt in den Kompressor wird in erster Linie durch die Anforderung des Piloten eingestellt, dh Kompressordrehzahl/Kraftstoffstrom. Bei Überschallgeschwindigkeit verlangsamt sich die Luft, wenn kein Einlass vorhanden ist, durch eine ebene Stoßwelle auf die Unterschalleintrittsgeschwindigkeit. Um den „Gesamtdruckverhältnis“-Teil des Motorwirkungsgrads zu verbessern, wird ein Einlass hinzugefügt, der ein effizienterer Überschallkompressor als der Freistrom ist, dh er hat Merkmale, die einen höheren Stauanstieg am Kompressoreintritt und weniger Überlaufwiderstand um den herum erzeugen außerhalb des Motors (siehe später, wann dies der Fall ist)

Wenn die Einnahme ihre Aufgabe nicht erfüllt. Dies trat viele Male auf, wenn YF12- und SR71-Flugzeuge mit hohen Überschallgeschwindigkeiten geflogen wurden. In Sekundenbruchteilen würde der Einlass den Gesamtdruckverlust der in den Kompressor eintretenden Luft von seinem niedrigen Auslegungswert von etwa 20 % auf etwa 70 % erhöhen. Die Ansaugung hatte sich von einer effizienten Überschallansaugung zu der ineffizientesten Art geändert (dh ungestartet), dh eine Pitot-Ansaugung mit Verlangsamung der Luft von Mach 3 auf Unterschall in einem heftigen Schritt statt in mehreren sanfteren.

Die Luft im Einlass verlangsamt sich, „weil der Motor Steuerbereiche innerhalb des Motors hat, die die durchschnittliche axiale Geschwindigkeit der Luft durch den Motor (die niedrig sein muss, um Druckverluste auf einem akzeptablen niedrigen Niveau zu halten) und damit am Eintritt einstellen des Motors und diese Geschwindigkeit ist Unterschall". Hohe Luftgeschwindigkeiten treten nur dort auf, wo ein Energieaustausch stattfindet, also von den Verdichterrotoren zur einströmenden Luft und von den austretenden Verbrennungsgasen zur Turbine, und wo die geringe Machzahl im Strahlrohr strömt (es ist gering, um die Druckverluste zu halten ein akzeptabler Wert) am Düsenhals auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt.

Kontrollbereiche sind die Halsbereiche der Leitschaufeln der Turbinendüse und der Abgasdüse, wo die Machzahl des Gases 1 ist und nicht höher werden kann. Wie in einer vorherigen Antwort angegeben, bestimmt die niedrige Luftgeschwindigkeitsanforderung durch die Brennkammer die Luftgeschwindigkeit am Eintritt in den Kompressor. Aus dieser Unterschallströmung kann der Verdichter relativ zu seinen Laufschaufeln eine eigene Überschallströmung erzeugen, wenn er von seiner Turbine schnell genug angetrieben wird.