Verlangsamt oder beschleunigt eine Kompressorschaufel den Luftstrom?

Sind Kompressorschaufeln tatsächlich ein Hindernis für den Luftstrom, oder wird der Luftstrom durch den Kompressor beschleunigt?

Dies sind keine erschöpfenden Alternativen. Denken Sie daran, dass sich der Unterschall-Fluidfluss beschleunigt und der Druck abnimmt ( Bernoulli-Prinzip ).

Was der Kompressor tut, ist den Druck zu erhöhen. Die Geschwindigkeit nimmt leicht ab.

Verdichterschaufeln sind eigentlich ein Hindernis für den Luftstrom

Eigentlich ist es kompliziert. In gewissem Sinne sind sie es. Der Kompressor nimmt die Luft unabhängig von der Fluggeschwindigkeit immer bei etwa M0,5 auf. Das bedeutet, dass der Motor bei niedrigerer Geschwindigkeit Luft aus einem breiteren Strahl ansaugen muss, während bei höheren Geschwindigkeiten etwas Luft über die Einlasslippen strömt. Der Kompressor ist also gewissermaßen eine Barriere.

Aber dann muss der Kompressor die Energie des Stroms erhöhen, sonst könnte das Triebwerk keinen Schub erzeugen. Nur die Energie geht in Druck, nicht in Geschwindigkeit. In diesem Sinne ist es also definitiv kein Hindernis.

Tatsächlich wirkt der Schub hauptsächlich auf den Verdichter, da dieser die bedeutendste nach achtern gerichtete Fläche ist, auf die der Druck in der Brennkammer einwirken kann.

Bei Überschallgeschwindigkeit verhält es sich anders. Jetzt können Druckänderungen die Strömung stromaufwärts nicht mehr beeinflussen, sodass die Luft nicht mehr über die Einlasslippen schwappen kann. Stattdessen muss nun der Einlass durch Stoßwellen abgebremst und anschließend in einem Diffusor expandiert werden.

Das ist nötig, weil Turbomaschinen nur in Unterschallströmung¹ gut funktionieren. Da der Druck mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, erhöht sich auch das Gesamtdruckverhältnis des Motors und damit dessen Wirkungsgrad.

Beachten Sie, dass sich die Luft auch durch adiabatische Erwärmung erwärmt , wenn sie langsamer wird und komprimiert wird. Irgendwo um M5–6 wird die Luft durch die Kompression so heiß, dass das Hinzufügen von mehr Wärme durch Verbrennen von Kraftstoff nicht mehr praktikabel ist, sodass oberhalb dieser Geschwindigkeit die Verbrennung in Überschallströmung erfolgen muss. Das ist der Scramjet-Motor. Es hat keinen Kompressor oder keine Turbine, da es die gesamte Kompression durch Drosselung der Strömung erhält und Turbomaschinen bei dieser Geschwindigkeit sowieso nicht arbeiten würden.

Die Laufschaufeln der Axialkompressoren von Strahltriebwerken beschleunigen den Luftstrom. Es ist wichtig anzumerken, dass die Nettogeschwindigkeitsänderung in der Regel negativ ist, das heißt, der Luftstrom durch den Kompressorabschnitt als Ganzes betrachtet wird in der Regel verlangsamt. Darüber hinaus verlangsamt der Motoreinlass im Allgemeinen auch den Luftstrom, während der Druck erhöht wird. Dies geschieht innerhalb des Luftstroms vor dem direkten Kontakt mit dem Kompressor.

Axialkompressoren von Strahltriebwerken bestehen aus mehreren Druckstufen, deren primäres Design darin besteht, den Druck und nicht die Geschwindigkeit zu erhöhen. Jede Druckstufe besteht aus Paaren von Rotoren und Statoren. Die Rotoren bestehen aus Reihen von Verdichterschaufeln, die radial auf einer rotierenden Spindel angeordnet sind. Die Statoren bestehen aus festen Reihen radial angeordneter Leitschaufeln, die nach und zwischen den Rotoren angeordnet sind.

Die Verdichterschaufeln der Rotoren beschleunigen den Luftstrom und bewirken eine momentane Geschwindigkeitserhöhung. Anschließend verlangsamen die Statorschaufeln und die abnehmende Geometrie des Kompressordesigns die Geschwindigkeit und ändern die Luftstromrichtung (was auch eine Beschleunigung ist). Jede Druckstufe erhöht den Druck, typischerweise mit einer kleinen Netto-Geschwindigkeitsabnahme.

Siehe die folgende Abbildung und den Textauszug aus dem Jeppesen A&P Technician Powerplant Handbook:

Die Aufgabe eines Axialkompressors besteht eher darin, den Luftdruck als die Luftgeschwindigkeit zu erhöhen. Daher erhöht jede Kompressorstufe den Druck der einströmenden Luft, während die Luftgeschwindigkeit abwechselnd erhöht und dann verringert wird, wenn der Luftstrom durch den Kompressor strömt. Die Rotorblätter beschleunigen den Luftstrom leicht, dann verteilen die Statorflügel die Luft, verlangsamen sie und erhöhen den Druck. Das Gesamtergebnis ist ein erhöhter Luftdruck und eine relativ konstante Luftgeschwindigkeit vom Kompressoreinlass bis zum Auslass.

^{Abbildung 3-29}

Nun, einige grundlegende Mathematik könnte die Antwort liefern.

Wenn ein Turbojet ein Verdichtungsverhältnis von beispielsweise 20:1 hat, hat der in die Brennkammer eintretende Gasstrom einen 20-mal höheren Druck als der Gasstrom, der in den Triebwerkseinlass eintritt.

Wenn wir davon ausgehen, dass sich die Gesamtquerschnittsfläche des Gasdurchgangs durch die Statoren und Rotoren im Kompressor nicht ändert (dies ist normalerweise nicht der Fall), dann müsste sich der Gasstrom verlangsamen.

Da Mdot = rho * Vdot = rho * A * vdot

und von IGL der Einfachheit halber P = rho * R * T

das gibt

Mdot = (P/RT) * A * vdot

Da Mdot und A konstant bleiben und P zunimmt, muss vdot zur Kompensation abnehmen. Die Temperatur steigt zwar an, reicht aber nicht aus, um die Druckänderung zu kompensieren, was mit einer Sensitivitätsanalyse gezeigt werden kann.

Idealerweise möchten Sie den Gasstrom so wenig wie möglich verlangsamen, da die Abnahme des Impulses einen Widerstandsimpuls auf den Motor erzeugt. Sowohl Zentrifugal- als auch Axialkompressoren verengen ihr Volumen, wenn Gas durch den Kern strömt, um dieses zu reduzieren.