Warum rauchen Düsentriebwerke?

Rauch in Strahltriebwerken stammt normalerweise von unverbranntem oder teilweise verbranntem Kraftstoff (oder durch Wassereinspritzung). Frühe Strahltriebwerke erzeugten aus diesen Gründen (und aufgrund fehlender Umweltvorschriften) viel Rauch.

^{KC 135-Motoren, die durch Wassereinspritzung Rauch erzeugen Von USAF-Fotograf - USAF-Foto, Public Domain, Link}

Die Wassereinspritzung, während der Motor gekühlt wird, löscht die Flammen bis zu einem gewissen Grad, was zu unverbranntem Kraftstoff führt, der als Rauch austritt. Flugzeuge haben sich jedoch von der Wassereinspritzung entfernt und die Emissionen reduziert.

Ein weiterer Grund für den Rauch ist die ineffiziente Verbrennung – ältere Strahltriebwerke (Turbojets in den ersten Flugzeugen und Low-Bypass-Turbofans) waren nicht so effizient wie heutige Triebwerke, die den Treibstoff mit Luft vormischen und vor der Verbrennung vorverdampfen, anstatt eine Tröpfchenverbrennung zu verwenden. Im Grunde wird Kraftstoff gleichmäßiger mit Luft gemischt. Anforderungen an die Kraftstoffeffizienz sowie strengere Vorschriften führen dazu, dass Motoren heute im Vergleich zu ihren Vorgängern weniger Emissionen aufweisen .

^{Rauch während des Starts der Boeing 707; Bild von nycaviation.com}

In diesem Fall führt das Umrüsten des Flugzeugs mit effizienteren Triebwerken normalerweise zu einer Verringerung des Rauchs. Beispielsweise überarbeitete die USAF die KC-135 s (vom Pratt & Whitney J-57-P-59W-Turbojet zum CFM International CFM56-Turbofan ), was zusammen mit der Beseitigung der Wassereinspritzung den Rauch reduzierte.

^{Oben sind KC-135s von einer Übung im Jahr 1979; Bild von network54.com . Darunter befinden sich KC-135Rs der Singapore Airforce; Bild von reddit.com}

Grundsätzlich, weil Strahltriebwerke kein vorgemischtes Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennen.

Kraftstoff kann in drei Verhältnissen verbrennen: mager, stöchiometrisch und fett; jeweils: Luftüberschuss, genau genug Luft und Kraftstoffüberschuss. Idealerweise würde man immer im stöchiometrischen Verhältnis brennen; Intuitiv kann man fühlen, dass dies bedeutet, dass Sie keinen Kraftstoff verschwenden, indem Sie einen Überschuss an Luft heizen, und dass kein unverbrannter Kraftstoff übrig bleibt. So funktioniert ein typischer Ottomotor: Kraftstoff wird im Vergaser gemischt, verdichtet und verbrannt. Die Drosselklappe variiert, wie viel Kraftstoff / Luft-Gemisch in den Motor gelangt, aber das Gemisch ist immer (nahezu) stöchiometrisch.

Ein Düsentriebwerk hat nicht den Luxus, das Luft/Kraftstoff-Gemisch vor der Zündung vorzumischen. Das Sprühen von Jet-A in die komprimierte (heiße!) Verbrennungsluft führt zur Entzündung, sobald es mit Sauerstoff in Kontakt kommt, ob Sie wollen oder nicht. Das Problem ist, dass es schon zündet, wenn das örtliche Gemisch noch fett ist . Dies führt unweigerlich zur Rußbildung, das ist der Rauch, den Sie sehen. Dies ist besonders bei hohen Leistungseinstellungen (wie beim Start) vorherrschend - bei einer bestimmten Drehzahl ist die Luftmenge, die durch den Motor gepumpt wird, konstant, und die Leistungsmenge wird dadurch variiert, dass mehr oder weniger Kraftstoff in den Motor eingespritzt wird Erzeugung eines weniger mageren Gemisches bei hoher Leistung.^{Hinweis: Die Motordrehzahl reagiert auf die Leistungseinstellung in einem Strahltriebwerk; Bei höheren Leistungseinstellungen wird die Luftmenge jedoch im Allgemeinen der Kraftstoffmenge hinterherhinken}

Es gibt einige Methoden, um die Rußbildung zu mindern, die alle darauf beruhen, die Kraftstoff-Luft-„Mischung“ vor der Zündung zu erhöhen. Hierzu wird viel geforscht, indem die Brennkammer verbessert wird . Der verlinkte Wikipedia-Artikel hat eine sehr schöne und ausführliche Erklärung, was genau dafür getan wird, aber im Allgemeinen (und extrem vereinfacht) kommt es darauf an, den Kraftstoff so weit wie möglich zu verteilen und so viel Luft wie möglich einzubringen (aber denken Sie daran dass ein zu magerer Betrieb die Effizienz verringert), ohne die Flammen zu löschen. Siehe das Bild unten für die komplexen Anordnungen, die bereits in der Brennkammer an einem älteren Kanülendesign vorgenommen wurden.

Quelle: Wikipedia

Collin Krum hat für Jalopnik einen ziemlich ausführlichen Artikel zu dieser Angelegenheit geschrieben. Es ist auch erwähnenswert, dass nicht alle Triebwerke in diesem Video Düsentriebwerke sind. Aus dem Artikel:

Low-Bypass-Triebwerke sind nicht so effizient wie High-Bypass-Triebwerke, aber die Wassereinspritzung ist die Technologie, die am meisten für die scheinbar unheimlichen Bilder älterer Flugzeuge verantwortlich ist, die schwarze Rauchsäulen in den Himmel treiben.

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Da der Motorkern durch das eingespritzte Wasser gekühlt wird, können die Brennkammern nicht das gesamte Kraftstoff-Wasser-Gemisch verbrennen, sodass einige Partikel des Kraftstoffs und des Wassers aus dem Motor entweichen, was sich in Form der Charakteristik manifestiert schwarzer Rauch.

Einige der AGE/GSE, mit denen ich arbeite, verwenden Strahltriebwerke. Erwarten Sie während des Ein- und Ausschaltens sicherlich, dass die Temperatur nicht das Maximum erreicht. Das kann eine Ursache für unverbrannten Kraftstoff sein. Eine andere Ursache könnte eine allmähliche Ansammlung von Kraftstoff sein, abhängig von dem Intervall, in dem das pneumatische Thermometer dazu beitragen kann, die Zapfluft zu löschen.