Sind die sich am schnellsten bewegenden Teile eines Strahltriebwerks Überschall?

Ein Düsentriebwerk besteht aus sich schnell bewegenden Teilen. Diese Teile bewegen sich in eine Luftmasse, die sich von der umgebenden Luftmasse unterscheidet, in die das Flugzeug hineinfliegt.

Die Turbinenteile drehen sich ziemlich schnell, daher können sich ihre Schaufelspitzen mit Überschallgeschwindigkeit bewegen. Aber die Luftmasse kann sich auch drehen, wodurch die Geschwindigkeit der Blätter in die Luftmasse verändert wird. Darüber hinaus kann die Temperatur der Luft in diesem Stadium die Schallgeschwindigkeit verändern .

Die erste Stufe des Kompressors dreht sich bei einer sehr vertrauten Lufttemperatur und einem vertrauten Druck, daher kann es einfacher sein, festzustellen, ob sich die Spitzen dieser Kompressorschaufeln schneller als mit Schallgeschwindigkeit bewegen. Aber der Druck (und damit die Temperatur) ist vor und nach jeder Verdichterstufe nicht gleich. Es kann schwierig sein, die Schallgeschwindigkeit für diese Luftmasse zu definieren, die durch den Kompressor strömt.

Da sich die Luftmasse in einem Düsentriebwerk von der umgebenden Luftmasse unterscheidet, gibt es in einem Düsentriebwerk ein bewegliches Teil, dessen Geschwindigkeit (Bezugsrahmen: die Luftmasse, in der es sich bewegt) größer als die Schallgeschwindigkeit ist?

Antworten (2)

Ja, die Spitzen der Lüfterblätter.

Schauen wir uns ein Beispiel an: Der GE-90 hat einen Lüfterdurchmesser von 3124 mm und eine maximale Drehzahl von 2475 U/min. Ihre Umfangsgeschwindigkeit beträgt d·π·41,25 = 405 m/s oder Mach 1,19 auf Meereshöhe und ISO-Atmosphäre. Jetzt müssen Sie die Strömungsgeschwindigkeit der Luft hinzufügen, aber diese Berechnung allein sollte ausreichen, um den Punkt zu beweisen.

Das Fan-Innenteil und alle zum Kerntriebwerk gehörenden Verdichterstufen werden mit Unterschallgeschwindigkeit umströmt, auch wenn das gesamte Triebwerk mit Überschallgeschwindigkeit fliegt (siehe Bild unten). Um eine möglichst vollständige Zündung zu erreichen, wird die Strömungsgeschwindigkeit mit zunehmender Annäherung an die Einspritzdüsen kontinuierlich reduziert . Da die Luft in der Brennkammer erhitzt wird, hat das heißere Gas eine höhere Schallgeschwindigkeit, und die gesamte Strömung durch die Turbine ist ebenfalls Unterschall. Dazu gehört die Niederdruckturbine. Selbst die unten gezeigten 1.600 ft/s an der Turbine sind Unterschall, denn bei 1100 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 720 m/s oder 2.362 ft/s.

Strahltriebwerksparameter

Übersicht der Parameter in einem typischen Strahltriebwerk.

Erst im hinteren Teil einer konvergent-divergenten Düse mit eingeschalteter Nacherwärmung wird wieder Überschallströmung erreicht. Dies ist genau hinter dem engsten Abschnitt, der als Kehle bezeichnet wird, wo die Fluggeschwindigkeit gleich der Schallgeschwindigkeit ist und die Blütenblätter der Düse hier die einzigen beweglichen Teile sind. Und sie bewegen sich ziemlich langsam.

Bedeutet das, dass es jedes Mal einen Überschallknall gibt, wenn Sie den Motor einschalten? Wenn ja, warum hören wir es nicht? Ist es nur klein / gedämpft von allem anderen?
@DavidGrinberg: Eine Kombination aus dieser Antwort und dieser Antwort sollte helfen: Ja, diese Spitzen machen viel Lärm, aber die Motorabdeckung hilft, sie überschaubar zu halten.
@DavidGrinberg Denken Sie daran, dass ein Überschallknall nicht erzeugt wird, wenn Sie von Unterschall zu Überschall gehen ("Durchbrechen der Schallmauer"), sondern eher eine kontinuierliche Stoßwelle ist, die von Objekten erzeugt wird, die schneller als die Schallgeschwindigkeit sind. Es ist das laute Surren, das man beim Start bestimmter Jets hört.
Ich wollte nur hinzufügen, dass der Durchfluss durch die Düsen (Schaufeln) der Hochdruckturbine (HPT) der Stufe 1 typischerweise gedrosselt ist (dh Mach = 1). Dies ist natürlich nur der Luftstrom, keine beweglichen Teile. Eine Sache, die das Diagramm verbessern würde, wäre, wenn es die M = 1-Linie im gesamten Motor anzeigen würde, da die Schallgeschwindigkeit proportional zur Temperatur ist und die Schallgeschwindigkeit im HPT viel höher ist als auf normaler Meereshöhe.
Ich habe gerade bemerkt, dass Ihr Bild eine Zuschreibung vertragen könnte, wenn Sie sich erinnern, woher es stammt. (Es ist erst ungefähr 8 Monate her ...)
@FreeMan: Ich weiß - ich habe es etwas länger und habe nicht aufgezeichnet, woher es kam.
Die von Ihnen verlinkte Wiki-Seite gibt 3,1 m Lüfterdurchmesser und 2261,5 U / min an. Das entspricht 367 m/s oder M = 1,07
@Koyovis: Danke für den Hinweis! Ich habe die Zahlen aus dem Stanford-Bericht verwendet, aber die maximale Drehzahl falsch verstanden. Korrigiert, aber mit etwas höherem Ergebnis. Die maximal zulässige Geschwindigkeit liegt einige Prozentpunkte über 100%, was wahrscheinlich Wikipedia verwendet.

In einem Turbofan-Triebwerk sind die sich am schnellsten bewegenden Teile normalerweise die Bypass-Fan-Spitzen. Denn bei gleichen Drehzahlen haben die äußeren Spitzen einen größeren Abstand und höhere Lineargeschwindigkeiten. Bei einigen Triebwerken erreichen die Spitzen Überschallgeschwindigkeiten, normalerweise bei Bedingungen mit hohem Schub. Dies ist der Grund für eine überstrichene Schaufel (wie einen überstrichenen Flügel) in Turbofans mit hohem Bypass.

Gefegter Lüfter

Quelle: sheffield.ac.uk

Im Fall von Turbinenschaufeln (und in geringerem Maße Kompressoren) ist die lokale Temperatur hoch (aufgrund von Verbrennung und Kompression); dies erhöht die Schallgeschwindigkeit (da sie proportional zu ist T für ein ideales Gas). Aufgrund dieses Effekts ist die lokale Strömung Unterschall. Außerdem ist die Blattgröße im Vergleich zum Bypass-Lüfter sehr klein.

Der nächste Teil, an dem die Strömung in Überschallrichtung geht, ist der divergente Abschnitt der konvergent-divergenten Düse, die in Militärjets verwendet wird (beachten Sie, dass es hier keine beweglichen Teile gibt).

Es mag stimmen, dass die Blattspitzen des Bypass-Lüfters am schnellsten sind, aber Ihre Antwort bietet keine unterstützenden Beweise. Wenn N1 ausreichend unter N2 liegt, können andere Blattspitzen die Blattspitzen des Umgehungsgebläses überschreiten.
Sind die sich am schnellsten bewegenden Teile eines Strahltriebwerks Überschall?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v