Wozu dient eigentlich die Bypass-Luft in einem Turbofan-Triebwerk?

Bei modernen Turbojets bietet die Bypass-Luft (mindestens) zwei Dinge

1. Schub

   Die Luft umgeht den Triebwerkskern, wird jedoch durch den N1-Lüfter beschleunigt und liefert Schub, wenn sie nach hinten aus dem Triebwerk ausgestoßen wird. Schub aus der Umgehungsluft kann mehr als die Hälfte des vom Triebwerk erzeugten Gesamtschubs beitragen (bei einigen Triebwerken in bestimmten Flugphasen über 80 % des Gesamtschubs). Die Umgehungsluft ist unter anderem deshalb so effizient, weil dem Kernabgas viel Energie entzogen wird, um die Hoch- und Niederdruckturbinen (Doppelspule) anzutreiben, die den N1-Lüfter und die N2-Verdichterstufen antreiben.

2. Motorkühlung und Geräuschreduzierung

   Kühle Umgehungsluft kann mit der heißen Luft vermischt werden, die durch den Kern an der Rückseite des Motors strömt. Dieses Mischen kühlt die Triebwerksabgase und reduziert das Strahltriebwerksgeräusch, das aus der schnellen Expansion dieser Luft resultiert, sobald sie das Triebwerk verlässt. Die um den Triebwerkskern strömende kühle Bypassluft kann auch zur allgemeinen Triebwerkskühlung genutzt werden.

Ein Flugzeugtriebwerk liefert Schub, indem es Luft (plus einige Verbrennungsprodukte) rückwärts beschleunigt. Wenn Luft rückwärts beschleunigt wird, wird das Flugzeug dank Impulserhaltung vorwärts beschleunigt.

Der Impuls ist proportional zur Geschwindigkeit, aber die kinetische Energie ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. Das Ergebnis davon ist, dass es fiktiv effizienter ist, eine größere Luftmenge auf eine niedrige Geschwindigkeit zu beschleunigen als eine kleinere Menge auf eine höhere Geschwindigkeit.

In der Praxis wird dies dadurch erschwert, dass sich die Luft bereits relativ zum Flugzeug bewegt. Es ist schwierig, einer bereits schnell bewegten Luft effizient eine kleine Menge zusätzlicher Geschwindigkeit hinzuzufügen. Die beste Abgasgeschwindigkeit hängt also von der Geschwindigkeit ab, mit der das Flugzeug fliegen wird.

Die Abgasgeschwindigkeit eines Gasturbinenkerns ist höher als es für die meisten Flugzeuge wünschenswert ist. Eine Turbine und ein Lüfter werden also verwendet, um Energie aus den Abgasen zu gewinnen und sie zur Beschleunigung der Bypass-Luft zu verwenden, was zu einem Turbofan führt.

Für Flugzeuge, die viel Zeit bei niedrigen Geschwindigkeiten verbringen, können Konstrukteure anstelle des Lüfters ein Getriebe und einen Propeller verwenden, was zu einem Turboprop führt.

Die Umgehungsluft ist eigentlich das, was dem Düsentriebwerk den größten Teil seines Schubs verleiht. Wenn die Luft in das Triebwerk eintritt, gelangt ein Teil davon zum Turbinenkern und treibt das gesamte Triebwerk an. Aber die meiste Luft geht durch und wird durch den großen Lüfter beschleunigt, der ihm den Schub gibt. Auf diese Weise erhöht sich der Wirkungsgrad, da der Motor mehr Luft bewegt, wenn auch mit etwas geringerer Geschwindigkeit, als nur ein Low-Bypass-Motor, der etwas Luft mit hoher Geschwindigkeit bewegt.

Im Wesentlichen ist es aus Antriebssicht effizienter.

Lassen Sie mich dies an einem sehr einfachen Beispiel erklären. Stellen Sie sich vor, Sie sind über einem Skateboard und möchten sich mit Ihren Händen antreiben, um sich selbst den Schub zu geben.

Sie haben 2 Möglichkeiten, entweder Sie verwenden Ihre Hände über einer anderen Person über einem Skateboard oder Sie treiben sich selbst mit einem schweren Schreibtisch an?

Wie Sie sich vorstellen können, fährt der andere Typ mit dem Skateboard mit ähnlicher Geschwindigkeit in die andere Richtung, und der Schreibtisch wird leicht bewegt.

Aber ... es ist Ihnen klar, dass es effizienter ist, den Schreibtisch zu benutzen, außerdem werden Sie es vorziehen, eine Wand zu benutzen.

Was ist los?

Wenn Sie versuchen, sich selbst einen Impuls zu geben (drittes Newtonsches Gesetz), erzeugen Sie die gleiche Kraft auf der anderen Seite, aber wenn Sie einen größeren und schwereren Körper verwenden, wird dieser Körper langsamer. Im Wesentlichen ist es effizienter, eine schwerere Masse bei niedrigerer Geschwindigkeit zu "antreiben" als eine leichtere Masse bei höherer Geschwindigkeit.

Ist genau das gleiche Prinzip, das Sie im Wasser anwenden, wenn Sie Tauchflossen verwenden, erreichen Sie schnellere Geschwindigkeiten, da Sie Ihre Beine langsamer bewegen, aber eine größere Menge Wasser bewegen, genau wie beim Skateboard.

Das gleiche Prinzip gilt für Turbofans statt Wasser verwenden sie Luft. Anstelle von Tauchflossen verwenden sie Klingen.

Durch die Schaffung eines Bypasses nutzen sie auch die Luft, die durch den Bypass strömt, um Vortrieb zu erhalten. Ist effizienter als ein einzelner Kern mit sehr hoher Geschwindigkeit.

Düsenflugzeuge wie Kampfflugzeuge haben ihre Geometrie für Überschallgeschwindigkeit ausgelegt, die normalerweise mit Hochgeschwindigkeits-Verbrennungsstrahlabgasen aus dem Strahltriebwerk erreicht wird. Dies verbraucht viel Kraftstoff im Hochdruckkompressorabschnitt.

Andererseits sind Passagierflugzeuge nicht dafür ausgelegt, mit Überschallgeschwindigkeit zu fliegen, so dass Hochgeschwindigkeitsstrahlabgase mit hoher Treibstoffverbrauchsrate nicht erwünscht sind. Der brennstoffoptimierte Weg, dies zu erreichen, besteht darin, die kinetische Energie aus dem verbrannten Strahlabgas zu extrahieren und sie wieder in mechanische Energie umzuwandeln. Diese Energie wird verwendet, um den Turbolüfter anzutreiben, der nur Umgehungsluft durch den Umgehungsabschnitt des Triebwerks zum Auspuff komprimiert, um alle Vorteile des Umgehungsstrahltriebwerks zu erreichen, wie in vielen anderen Kommentaren oder Artikeln beschrieben. Beachten Sie, dass hier im Bypass-Abschnitt kein Kraftstoff verbraucht wird, sondern nur die überschüssige kinetische Energie des heißen Abgases extrahiert und zum Betrieb des/der Bypass-Lüfter verwendet wird.

Es ist möglich, einen anderen Triebwerksmechanismus zu konstruieren, um hier dasselbe zu tun wie ein (Hoch-)Bypass-Strahltriebwerk, aber es kann komplizierter sein und den Nachteil eines schwereren Triebwerks haben; daher weniger effizient als die aktuelle Implementierung.