Warum strömen Gase in der Brennkammer bei einem Strahltriebwerk nur in eine Richtung zur Gasturbine?

Tatsächlich ist es gar nicht so einfach, in einer Gasturbine für die richtige Gasgeschwindigkeit zu sorgen. Im Verdichter will man die Strömungsgeschwindigkeit über die Verdichterschaufeln auf den hohen Unterschallbereich begrenzen, also muss der Einlass die Strömung auf ca. Mach 0,4 - 0,5. Weniger würde weniger Durchsatz und folglich weniger Schub bedeuten.

Diese Drehzahl ist jedoch für eine Zündung viel zu hoch. Der Kraftstoff braucht einige Zeit, um sich mit der Druckluft zu vermischen , und bei hoher Strömungsgeschwindigkeit wird Ihr Brennraum sehr lang und der Motor schwerer als nötig. Deshalb wird der Querschnitt vom Verdichter zum Brennraum gezielt aufgeweitet, um den Luftstrom ohne Ablösung zu verlangsamen (siehe Abschnitt unten „Diffusor“). Rund um die Einspritzdüsen finden Sie die niedrigste Gasgeschwindigkeit im gesamten Motor. Nun erwärmt die Verbrennung das Gas und lässt es expandieren. Der höchste Druck im ganzen Triebwerk ist direkt an der letzten Kompressorstufe - von da an fällt der Druck nur noch weiter ab. Dadurch ist sichergestellt, dass keine Rückströmung in den Kompressor möglich ist. Allerdings, wenn der Kompressor Stalls (das ist ziemlich wie ein Flügelstillstand - die Kompressorschaufeln sind kleine Flügel und haben die gleichen Einschränkungen), es kann den hohen Druck nicht aufrechterhalten und Sie erhalten einen Rückfluss. Dies wird als Anstieg bezeichnet .

Die folgende Grafik zeigt typische Werte von Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Druck in einem Strahltriebwerk. Diese richtig hinzubekommen, ist die Aufgabe des Motorenkonstrukteurs.

Diagramm der Triebwerksströmungsparameter über die Länge eines Turbojets (Bild aus dieser Veröffentlichung)

Der hintere Teil des Motors muss den Fluss des expandierenden Gases weniger blockieren als der vordere Teil, um sicherzustellen, dass es weiterhin in die richtige Richtung strömt. Indem der Motorkonstrukteur den Querschnitt der Brennkammer konstant hält, stellt er sicher, dass das expandierende Gas beschleunigt und thermische Energie in kinetische Energie umwandelt, ohne seinen Druck zu verlieren (der geringe Druckabfall in der Brennkammer wird durch Reibung und den Rayleigh-Effekt verursacht ). Nun trifft die beschleunigte Strömung auf die Turbine und der Druck des Gases sinkt in jeder ihrer Stufen, was wiederum dafür sorgt, dass kein Rückstrom entsteht. Die Turbine muss der Strömung so viel Energie entziehen, wie nötig ist, um den Kompressor und die angeschlossenen Pumpen und Generatoren anzutreiben, ohne die Strömung zu stark zu blockieren.

Der Restdruck wird in der Düse wieder in Drehzahl umgewandelt . Jetzt ist das Gas immer noch viel heißer als Umgebungsluft, und obwohl die Strömung am Ende der Düse in modernen Verkehrsflugzeugtriebwerken immer noch Unterschall ist, ist die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit viel höher als die Fluggeschwindigkeit. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Fluggeschwindigkeit und der Austrittsgeschwindigkeit des Gases in der Düse erzeugt Schub .

Jagdtriebwerke haben normalerweise eine Überschallströmung am Ende der Düse, was eine sorgfältige Formgebung und Anpassung der Düsenkontur erfordert. Lesen Sie hier alles darüber .

Die Luft im Kompressor wird sowohl komprimiert als auch stromabwärts zum Verbrennungsabschnitt bewegt. Die Verbrennung erzeugt nicht genug Druck, um all dies zu überwinden, und es gibt einen niedrigeren Druck, wenn die Luft durch die Turbinenabschnitte expandiert wird.

Wenn der Druck im Verdichterteil zu stark abfällt, dehnen sich die Verbrennungsflammen in beide Richtungen aus. Dies wird als „ Kompressorstoß “ bezeichnet.

Haftungsausschluss: Ich habe möglicherweise mehrere Stunden auf Wikipedia verbracht, um diese Frage für mich selbst zu beantworten!

Düsentriebwerke verwenden den Brayton-Zyklus, der ein "isobarer" Prozess während der Verbrennung ist, was bedeutet, dass der Druck während dieser Phase konstant gehalten wird. Dies steht im Gegensatz zum Otto-Zyklus eines typischen Viertakt-Kolbenmotors, der während der Verbrennung "isochor" ist, was bedeutet, dass er während dieser Phase das Volumen konstant hält.

Der Brayton-Zyklus besteht aus 3 Teilen, von denen die Verbrennung in der Mitte stattfindet

1. Die einströmende Luft wird komprimiert. Dies erfordert Arbeit, die von der Turbine am Ende des Zyklus während des Betriebs des Motors oder einem externen Motor beim Starten des Motors geliefert wird. Dadurch wird der Luftdruck erhöht (Volumen verringert).
2. Brennstoff wird mit der Luft vermischt und gezündet. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess (im Gegensatz zu Kolbenmotoren). Dieser Prozess ist "konstanter Druck", das ist der Teil, nach dem Sie fragen. Es ist nicht intuitiv ersichtlich, warum, also werden wir uns im nächsten Abschnitt damit befassen. Das Endergebnis ist ein größeres Luftvolumen bei demselben Druck wie der Einlass in die Kammer vom Kompressor.
3. Die Luft wird durch eine Turbine in einer Form geleitet, die den Druck vom komprimierten Druck auf atmosphärischen Druck verringert. Mit dieser Turbine treibt es den Kompressor an. Die gesamte Druckdifferenz, die nicht zum Antreiben des Kompressors benötigt wird, wird verwendet, um die Luft rückwärts zu beschleunigen, um Schub zu liefern.

Wie funktioniert diese Sache mit dem „konstanten Druck“? Betrachten Sie die Brennkammer für einen Moment als eine Art Kiste. Unabhängig davon, ob es eine Verbrennung gibt oder nicht, wird im Inneren der Box im Allgemeinen ein konstanter Druck herrschen. Luft wird vom Kompressor mit einer gewissen Geschwindigkeit und Druck hineingedrückt. Wenn die Turbine am Ende der Kammer Luft mit ausreichend hoher Geschwindigkeit "entsorgen" kann, kann sie den Druck am anderen Ende der Kammer gleich dem am vorderen Ende halten.

Wie also hält diese Sache mit dem „konstanten Druck“ die Flammenfront tatsächlich davon ab, sich vorwärts zu bewegen? Der Trick besteht darin, dass die Flammenfront versucht , sich vorwärts zu bewegen, aber die Geschwindigkeit der Luft durch die Kammer der Geschwindigkeit der Flammenfront entspricht und sie an einem konstanten Ort in der Kammer hält. Dies ist ein dynamischer Prozess, also brauchen wir etwas Dynamik. Das wichtigste Detail ist, dass sich Turbine und Kompressor auf einer Achse befinden, was also mit dem einen passiert, wirkt sich auf den anderen aus.

Betrachten Sie drei Fälle, die die Luftströmungsgeschwindigkeit mit dem Kraftstoff vergleichen:

• Zu langsam für die Verbrennungsrate – dies passiert, wenn Sie die Drosselklappe erhöhen oder beim Starten des Motors.
  • Die Verbrennung beginnt zu gewinnen und bewegt die Flammenfront in Richtung des Kompressors, genau wie Sie es erwarten würden.
  • Jetzt kommt jedoch die Dynamik ins Spiel. Wenn sich die Flammenfront vorwärts bewegt, erhöht sie den Druck am Auslass des Kompressors und verlangsamt die Luftgeschwindigkeit durch den Kompressor.
  • Dies bedeutet, dass der Kompressor nicht so viel Luft unter Druck setzen muss, sodass seine Last abnimmt.
    • (Der Kompressor muss das Volumen auf einen höheren Druck setzen, aber es ist trivial zu sehen, dass dieser Effekt durch das verringerte Luftvolumen überschattet wird, wenn man den Randfall eines sehr schwachen Kompressors betrachtet, der sich deutlich unterstützt, wenn Sie ihn unter Druck setzen von der Andere Seite.)
  • Die Turbine sieht immer noch den gleichen Druck, ist aber weniger belastet. Dies dreht die Turbine hoch und erhöht den Luftstrom, was uns zu ...
• Getrimmter Motor - Hier versuchen Flugzeuge normalerweise zu operieren, und hier sehen Sie keine Flammen, die sich nach vorne ausbreiten.
  • In diesem Zustand reicht die Geschwindigkeit der einströmenden Luft aus, um sich der Ausbreitung der Flammenfront nach vorne anzupassen.
  • Die Flammenfront versucht immer wieder, sich vorwärts zu bewegen, aber Luft wird genauso schnell vor sie geschoben, wie sie brennen kann.
• Zu schnell für die Verbrennungsrate – dies passiert, wenn Sie das Gas verringern.
  • Bei weniger Brennstoff beginnt die Flammenfront nach hinten in Richtung der Turbine zu fallen.
  • Wie im „zu langsam“-Fall kommt Dynamik ins Spiel. Wenn sich die Flammenfront nach hinten bewegt, verringert dies auch den Druck am Einlass zur Brennkammer und zum Kompressor.
  • Die Turbine sieht jetzt mehr Last und dreht die Turbine nach unten. Das Verlangsamen der Turbine verringert den Luftstrom durch den Kompressor und bringt uns zurück zu einem Trimmmotor.

Eine Erkenntnis aus diesem Muster ist, warum Düsentriebwerke den Schub nicht schnell ändern können. Wenn Sie durch Drosseln schnell Kraftstoff hinzufügen, verstopfen Sie den Motor, sodass Sie nicht viel zusätzliche Leistung erhalten, bis die Turbine und der Kompressor hochdrehen können, um den Motor auszugleichen.

Ich bin zufällig auf diese Frage gestoßen und dachte, ich könnte einige Informationen hinzufügen, da ich das Triebwerk sofort erkannte.

Dies ist keine weitere vollständige Antwort, sondern nur eine Antwort an @albin und @PeterKampf bezüglich des Motormodells. Ich kann noch keine Kommentare hinzufügen, also bearbeite dies nach Bedarf.

Das Motorbild, das Sie in Ihrer Antwort verwendet haben, ist der Leistungsteil der Allison 501-Serie, die mehrere zivile und militärische Flugzeuganwendungen hatte. Das Untersetzungsgetriebe und der Propeller wurden aus diesem Bild weggelassen (aus welchem ​​Grund auch immer). Diese Auslassung ist verwirrend, bitte sehen Sie sich mein Bild unten an, um ein vollständiges Bild davon zu erhalten, was in diesem Kraftwerk passiert. Normalerweise wurde ein Aeroproducts- oder Hamilton-Standard-Propeller eingebaut.

@PeterKampf, du warst auf dem richtigen Weg - es bleibt wenig Energie für den Strahlschub übrig, nachdem die Turbine ihn extrahiert hat, da die meiste Leistung zum Antrieb des RGB und des Propellers benötigt wird. Sehr typisch für ein Turboprop-Design (oder Turbowelle für Hubschrauber) - der verbleibende Strahlschub ist von geringem Nutzen. In diesem Fall kann die Turbine unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen und bei eingeschalteter Drehzahl (13.820) ungefähr 10.000 PS aus dem Gasstrom extrahieren. Es braucht ~6000 PS, um den Kompressor anzutreiben, was ungefähr 4000 Wellen-PS für RGB und Propeller übrig lässt.

Die Convair 580 verwendet 2 dieser Triebwerke, die Lockheed C-130 Hercules verwendet 4.

Wenn dies ein Turbojet-Design wäre, hätte das Triebwerk wahrscheinlich nur 2 statt 4 Turbinenstufen. Dies würde nur genug Energie extrahieren, um den Kompressor anzutreiben (und damit das Triebwerk selbst zu erhalten), wobei viel Schub für den Einsatz übrig bleibt.