8. Übung zur Vertiefungsvorlesung. Technische Thermodynamik. für CBI und CE

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1 Technische Thermodynamik 8. Übung zur Vertiefungsvorlesung Technische Thermodynamik für CBI und CE Dr.-Ing. Michael Rausch

2 Gliederung Fanno-, Rayleigh-Kurve und Verdichtungsstoß Venturi-Rohr Staustrahltriebwerk Turbinenstrahltriebwerk Überschallflugzeuge Raketenantriebe Ausblick Seite 2

3 Wann bewegt man sich auf der Fanno- bzw. Rayleigh-Kurve? Fanno-Kurve stationärer Zustand konst. Querschnitt bzw. Massenstromdichte adiabat reibungsbehaftet Impulsbilanz enthält unbekannten Reibungsterm Fanno-Kurve vereinigt nur konstante Massenstromdichte und konstante Totalenthalpie Rayleigh-Kurve stationärer Zustand konst. Querschnitt bzw. Massenstromdichte mit Wärmeaustausch ohne Reibung Energiebilanz enthält unbek. Wärmeübertragungsterm Rayleigh-Kurve vereinigt nur konstante Massenstromdichte und Impulserhaltung Seite 3

4 Rohr mit konstantem Querschnitt (adiabat, zunächst c > a) Fanno- und Rayleigh-Kurve beim Verdichtungsstoß wegen Reibungseinfluss zunächst Verlauf entlang des unteren Astes (Überschall) der Fanno-Kurve in Richtung zunehmender Entropie bis zum Punkt 1 Verdichtungsstoß (möglich wenn p am Rohrende größer als p A ): räumliche Ausdehnung des Stoßes in Strömungsrichtung und folglich auch Reibungseinfluss in diesem Bereich vernachlässigbar! Sprung auf den oberen Ast (Unterschall) der Fanno-Kurve, wo gleicher Impuls vorhanden ist wie im Punkt 1 identifizierbar durch den zweiten Schnittpunkt mit der Rayleigh-Kurve für gleiche Massenstromdichte, die den Punkt 1 schneidet und damit den Impuls in diesem Punkt beinhaltet Konstruktion: Schnittpunkt der Isobaren p 2 mit Fanno-Kurve bestimmt Position von Punkt 2 Konstruktion der Rayleigh-Kurve durch Punkt 2 zweiter Schnittpunkt der Rayleigh-Kurve mit Fanno-Kurve liefert Punkt Seite 4

5 Venturi-Rohr Geschwindigkeitserhöhung in Querschnittsverengung Druckverringerung Ansaugeffekt über Zugang an der Querschnittsverengung Bernoulli-Gleichung: p g c 2 p1 c1 + + z2 = + + z1 ρ0 2g g ρ0 2g Anwendungen: Messung von Strömungsgeschwindigkeiten über den Druckabfall Vergaser für Motoren ohne Einspritzanlage (z.b. Zweitakt, Motorräder ohne G-Kat, Roller, Motorsägen) Wein-Dekantierausguss Seite 5

6 Staustrahltriebwerk (Ramjet) Funktion: - Bei Überschallgeschwindigkeit Druckerhöhung in Diffusor - Kraftstoffeinspritzung (Selbstzündung wg. hoher Temperatur) und Expansion - Beschleunigung in Lavaldüse Schub Besonderheiten: - Kompression der zugeführten Luft nur durch Bauform, keine beweglichen Teile (Kompressoren sind ab ca. Mach 3 wirkungslos) - Kein Standschub möglich, funktioniert erst ab hoher Geschwindigkeit, meist Einsatz von Raketen-Boostern zum Start Einsatz: -Selten - Vor allem bei Luftabwehrraketen und Marschflugkörpern Seite 6

7 Turbinenstrahltriebwerke Funktion: - Bei Unterschallgeschwindigkeit Kompression der angesaugten Luft in Diffusor (bei Überschall Übergang zu Unterschall durch mehrere schräge Verdichtungsstöße im Einlaufbereich) - Weitere Verdichtung in Kompressor - Kraftstoffeinspritzung (zu Beginn Einsatz von Zündkerzen, später kontinuierliche Verbrennung) und Expansion - Turbine treibt Verdichter an - Expansion in Schubdüse bis nahe Umgebungsdruck für Vortrieb - Für Überschallbetrieb zusätzlicher Nachbrenner hinter Turbine mit variabler Schubdüse - Start des Triebwerks über den Verdichter meist durch elektrischen Anlasser oder Luftstarter (kleine Turbine, die mit Druckluft angetrieben wird) Einsatz: Standardtriebwerke in der Luftfahrt Seite 7

8 Turbinenstrahltriebwerke Fan (optional) Verdichter (z.b. Faktor 43,9 in Triebwerk für A380) Brennkammer (T bis 2200 C; Filmkühlung des Materials durch Sekundärluft durch Wände) Turbine Seite 8

9 Turbinenstrahltriebwerke Einstrom- Strahltriebwerk (Turbojet): - Nur eine Welle zw. Verdichter u. Turbine - Luft strömt vollständig durch Brennkammer - Nur Abgas als Antriebsmedium - Geringer Wirkungsgrad, hoher Kraftstoffverbrauch - Heute nicht mehr gebaut Seite 9

10 Turbinenstrahltriebwerke Zweistrom-Strahltriebwerk (Turbofan): - Mind. 2 koaxiale Wellen - Vergrößerte erste Kompressorstufe (Fan für Luftansaugung, Durchmesser bis zu 3 m) - Aufteilung in inneren Luftstrom (Brennkammer) und äußeren Luftstrom (an Turbine vorbei; erzeugt ca. 80% des Vortriebs) - Zusammenführung von innerem und äußerem Luftstrom mit innerer Vermischung od. separate Schubdüsen - Heute Standardtriebwerk Seite 10

11 Turbinenstrahltriebwerke Quelle: Seume, Binner, Vorlesungsfolien Strömungsmaschinen II, Uni Hannover Seite 11

12 Turbinenstrahltriebwerke Seite 12

13 Turbinenstrahltriebwerke Propellerturbine (Turbopropoder Propfantriebwerke): - mind. 2 Wellen - Schub fast ausschließlich vom Propeller erzeugt, der von Turbine angetrieben wird Funktion: Ansaugen großer Luftmengen, die wenig beschleunigt werden Propellerbauweisen: - Turboprop (4 Rotorblätter) - Propfan (5 oder mehr überlappende, sichelförmige Schaufelblätter) => heute Standard für Reisehöhen bis 8000 m, da größere Effizienz als Gasturbinentriebwerke Turboproptriebwerke Propfantriebwerke Seite 13

14 Turbinenstrahltriebwerke Quelle: Seume, Binner, Vorlesungsfolien Strömungsmaschinen II, Uni Hannover Seite 14

15 Turbinenstrahltriebwerke Seite 15

16 Überschallflugzeuge Quelle: Seume, Binner, Vorlesungsfolien Strömungsmaschinen II, Uni Hannover Seite 16

17 Überschallflugzeuge Quelle: Seume, Binner, Vorlesungsfolien Strömungsmaschinen II, Uni Hannover Seite 17

18 Raketentriebwerke Systematik: Rückstoßprinzip (Ausstoß von Masse bzw. Verbrennungsgasen; Umwandlung von thermischer in kinetische Energie); Oxidator im Brennstoff enthalten aktuell eingesetzte Typen: Feststoffraketen gut lager- und transportierbar, schlecht steuerbare Verbrennung häufig eingesetzt: Aluminium mit Ammoniumperchlorat (NH 4 ClO 4 ) Flüssigkeitsraketen gute Regulierbarkeit, auch abschaltbar aber auch sehr hoher Aufwand für die Steuerung Hybridraketen feste und flüssige Brennstoffanteile Typen in der Entwicklung: nukleare Antriebe, solarthermische Antriebe, elektrische Antriebe Seite 18

19 Wie kommen Space Shuttles ins All? STS (space transportation system): - Raumfähre (Space Shuttle) - externer Tank (Flüssig-Treibstoff) - 2 Booster-Raketen (Feststoffraketen) Ablauf: 6,6 s vor Ende des Countdowns Start des Hauptantriebes (Flüssig-Raketenantrieb) Abheben mit Start der Booster-Raketen beim Ende des Countdowns Booster-Raketen haben Brennzeit von 2 min und liefern 80% des Gesamtschubs Booster-Raketen werden in ca. 50 km Höhe abgeworfen, steigen noch ca. 20 km weiter, fallen dann in Atlantik nach ca. 8,5 min Brenndauer (kurz vor Erreichen der Orbitalgeschwindigkeit von ca km/h) wird externer Tank abgeworfen (110 km Höhe); dieser verglüht größtenteils in der Atmosphäre, Reste fallen in Pazifik weiteres Manövrieren im Weltraum sowie Ausrichtung zum Wiedereintritt erfolgt mit dem OMS (Orbital Maneuvering System) mit zwei steuerbaren Flüssigkeitsraketen Wiedereintritt in die Atmosphäre und Landung erfolgen antriebslos Seite 19

20 Aktuelle Entwicklungstrends Boeing Superflieger X-51A - Unbemannter Experimentalflieger - Von Boeing für die US-Luftwaffe entwickelt - Fünffache Schallgeschwindigkeit, fast dreieinhalb Minuten Flugdauer - Dient v.a. zur Erforschung neuer Technologien für Hyperschalleinsätze von Lenkwaffen und Aufklärungsmissionen - Um die hohe Grundgeschwindigkeit zu erreichen, Experimentalflieger mit B-52-Bomber in die Luft gebracht und zunächst von Raketenantrieb auf viereinhalbfache Schallgeschwindigkeit beschleunigt, dann Triebwerkszündung Seite 20

21 Online-Literaturempfehlungen Hennecke, Wörrlein, Vorlesungsskript Flugantriebe und Gasturbinen, TU Darmstadt Seume, Binner, Vorlesungsfolien Strömungsmaschinen II, Uni Hannover Peters, Binninger, Vorlesungsfolien Thermodynamik II, RWTH Aachen Wikipedia: - Venturi-Düse - Staustrahltriebwerk - Strahltriebwerk - Turbofan - Raketentriebwerk - Antriebsmethoden für die Raumfahrt - Space Shuttle Seite 21