Ist der Kompressor bei Strahltriebwerken erforderlich? Kann Luft in die Turbine gerammt werden?

Deine Fragen

An welchem ​​Punkt (wenn überhaupt) hört die Luft auf, in die Turbine gesaugt zu werden, und wird nur noch hineingestampft?

Bei einem CFM56-7B-Triebwerk (Boeing 737 NG) wird der Druck durch den Lüfter, den Niederdruckkompressor und den Hochdruckkompressor mit jeweiligen Druckverhältnissen von etwa 1, 3 und 9 bereitgestellt, dh der Druck wird zuvor um den Faktor 28 erhöht Luft wird der Brennkammer für eine Reisegeschwindigkeit von etwa Mach 0,8 zugeführt.

Dieses erforderliche Kompressionsverhältnis wird tatsächlich verringert, wenn die Fluggeschwindigkeit zunimmt und der Druck von der Geschwindigkeit zunimmt. Diese am Motoreinlass auftretende natürliche Verdichtung wird als Staudruck bezeichnet:

^{Ram-Kompressionsverhältnis vs. Fluggeschwindigkeit, Quelle}

Bei etwa Mach 2,5 oder 3 kann der Brennkammer ohne Kompressor Luft in ausreichender Menge zugeführt werden. Der Lüfter wird nicht mehr benötigt, alle in den Motor eintretende Luft wird mit Kraftstoff vermischt. Die Turbine kann auch entfernt werden, da es nichts mehr zu drehen gibt.

Solche Triebwerke ohne Kompressor heißen Ramjets und Scramjets. Sie haben keine Rotoren oder Statoren. Theoretisch könnte ein Staustrahl ab Mach 0,5 funktionieren, aber er erzeugt keinen nützlichen Schub:

^{Rakete, Turbostrahl, Staustrahl, Scramjet-Effizienz, Quelle}

Fliegen Flugzeuge mit Turbofan-Antrieb schnell genug, dass sie keine Luft mehr "ansaugen" müssen, um die Leistung aufrechtzuerhalten?

Ein Turbofan kombiniert ein Kerntriebwerk und einen Fan. Der Fan erzeugt den größten Teil des Schubs, das Kerntriebwerk dreht hauptsächlich den Fan.

Ventilatoren können nicht mit Überschallgeschwindigkeit arbeiten, sie wären nicht effizient. Wenn der Kompressor nicht benötigt wird, ist die Fluggeschwindigkeit daher zu hoch für einen Lüfter. Eigentlich haben weder der Staustrahler noch der Scramjet einen Lüfter, sie sind reine Reaktionstriebwerke.

Ramjet

Die ersten Triebwerke, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind Staustrahltriebwerke . Die Schwierigkeit besteht darin, eine Verbrennung bei dieser Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten (dies ist ein Wind von 3.000 km/h). Um dieses Problem zu lösen, verlangsamt ein Staustrahl die Luft, bevor sie in der Brennkammer mit Kraftstoff vermischt wird.

^{Ramjet-Prinzip, Wikipedia}

^{Nord 1500 Griffon II, eines der ersten Staustrahlflugzeuge, Quelle}

Scramjet

Mit einigen Verbesserungen wurden Überschallbrenner gebaut, wenn auch sehr ineffiziente. Dieser Motor ist als Scramjet bekannt . Es arbeitet mit höheren Geschwindigkeiten als ein Staustrahl.

^{Scramjet-Prinzip, Wikipedia}

Brauchen Sie ein wenig Hilfe

Jedoch kann kein Staustrahl und noch weniger ein Scramjet einen statischen Schub erzeugen. Beide benötigen eine gewisse anfängliche Vorwärtsgeschwindigkeit, um die Verbrennung zu starten. Sie können von einem anderen Flugzeug aus gestartet werden :

^{Leduc 010 auf SE-161 für einen Luftstart, Quelle}

Flugzeuge können mit einem zusätzlichen Unterschalltriebwerk, einem Cabrio-Triebwerk (Turbojet oder Ramjet) oder mit Raketenboostern ausgestattet werden.

^{J-58 , konvertierbarer Turbojet / Ramjet, der in SR-71 und anderen Flugzeugen verwendet wird, Quelle}

Trotz ihrer Unannehmlichkeiten werden Ramjets und Scramjets in einigen wenigen schnellen Militärflugzeugen eingesetzt, aber ihr Reich sind Raketen, bei denen eine höhere Fluggeschwindigkeit oft eine größere Höhe und eine größere Reichweite bedeutet.

Wie jedes Vakuumsystem kann auch ein Vakuum nichts „ansaugen“. Sie entfernen nur Luft aus einem geschlossenen Raum. Dadurch entsteht eine Druckdifferenz zwischen dem evakuierten Raum und der Umgebung. Der höhere Luftdruck von außen drückt Luft in die Kassion; es wird nicht "eingesaugt".

Dies ähnelt dem Diffusor eines Strahltriebwerks. Das Gebläse oder der Kompressor saugt Luft an, was einen Niederdruckbereich im Diffusor erzeugt, wodurch Luft mit lokaler Atmosphäre in den Raum strömt.

Was Sie hier beschreiben, wäre das Konzept eines Staustrahls, bei dem der Staudruck des Diffusors ausreicht, um die einströmende Luft so weit zu komprimieren, dass sie verbrannt und ein nützlicher Schub erzeugt werden kann, ohne dass eine Verstärkung durch einen mechanischen Kompressor erforderlich ist. Turbofans und Turbojets können dies in ihren Betriebsgeschwindigkeitsbereichen nicht effizient tun, erhalten jedoch eine Leistungssteigerung durch die Diffusorkompression der einströmenden Luft.

Es ist sicherlich möglich, Luft in eine Turbine zu „rammen“. Der maximal erreichbare Druck wird als „Stagnationsdruck“ bezeichnet, das ist der Punkt, an dem die gesamte einfallende kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt wird.

Für einige Anwendungen ist dies gut genug. Beispielsweise ist der Meredith-Effekt für einen leichten Nettoschub im Kühler des P-51 Mustang verantwortlich. Für andere Anwendungen, wie einen (Unterschall-)Turbofan, hilft es zwar ein wenig bei der Erhöhung des Kompressionsverhältnisses, kann aber den Kompressionsabschnitt nicht ersetzen. Der Grund dafür ist, dass der Hinterdruck Luft vor dem Motor weg und nach außen beschleunigt: Luft wird einfach am Motor vorbei „schwappen“. Motoren können so ausgelegt werden, dass sie im Auslegungspunkt genau weder Luft „ansaugen“ noch „ausblasen“.

Die gute Nachricht ist, dass bei Überschallanwendungen der Ausgangsdruck nicht stromaufwärts „wandern“ kann (weil der Druck stromaufwärts mit Schallgeschwindigkeit wandert). Hier wird die einströmende Luft regelrecht „gestampft“ und muss komprimiert werden. (Sc)Staustrahltriebwerke (und in geringerem Maße Einlässe von Überschall-Turbostrahltriebwerken) basieren auf diesem Prinzip, aber um ein sinnvolles Verdichtungsverhältnis zu erreichen, würden sie idealerweise mit Überschallgeschwindigkeit fliegen, für die sie ein Unterschall-fähiges Triebwerk benötigen.