Flugtriebwerkskunde. Die verschiedenen Flugtriebwerke

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1 Die verschiedenen Flugtriebwerke Kolbentriebwerk (KT) Turbinenluftstrahltriebwerk (TL-TW) Zweistromturbinenluftstrahltriebwerk (ZTL-TW, Fan-TW) Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (PTL-TW), Turbomotoren Staustrahltriebwerk (SST, Ramjet, Scramjet) Intermittierendes Staustrahltriebwerk (Pulso-TW, Argus-Schmidt-Rohr) Raketentriebwerk Thermojet Die Triebwerke werden in den folgenden Folien näher erklärt Die theoretischen Grundlagen werden stark vereinfacht erklärt Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 1 / 25

2 Bild: Kolbentriebwerk Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 2 / 25

3 Kolbentriebwerk ein Kolbenmotor, meist nach dem OTTO-Prinzip, treibt eine Luftschraube an Gängigste Bauformen: Reihenmotor, alle Zylinder in einer Reihe angeordnet V-Motor, Zylinder in zwei Reihen V-förmig angeordnet Boermotor, je zwei Zylinder in einer Ebene direkt gegenüber Sternmotor, Zylinder radial, sternförmig angeordnet Umlaufmotor, Zylinder radial, sternförmig angeordnet, aber Kurbelgehäuse samt Zylinderstern dreht sich um feststehende Kurbelwelle Pratt & Whitneys R-4360 war mit 28-Zylindern, als vierfach Sternmotor, mit 71,5 l Hubraum und bis 3300 kw Leistung ab Mitte der 1940er Jahre einer der Höhepunkte der Kolbentriebwerke, Anwendung in B-36, C-97,... Kolbentriebwerke werden heute bei Sportflugzeugen verwendet Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 3 / 25

4 Luftschraube die Anstömung an der Luftschraube ist die resultierende Geschwindigkeit aus Fluggeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit am jeweiligen Radius, siehe Bild Kolbentriebwerk da das Blatt der Luftschraube genauso wie eine Tragfläche nur bis zu einem bestimmten Winkel angeströmt werden darf, muß das Blatt über den Radius verdreht (verschränkt) werden die resultierende Geschwindigkeit darf nicht in den Überschallbereich kommen es entstehen sonst Verdichtungstöße (Stichwort Überschallknall): die Lärm entwickeln den Wirkungsgrad einbrechen lassen die Luftschraube ist daher als Antrieb nur bis 80% der Schallgeschwindigkeit (Mach 0,8) brauchbar Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 4 / 25

5 Warum ein Düsentriebwerk? Kolbentriebwerke wurden immer kompleer und schwerer viele Zylinder, mehrere Zylindersterne hintereinander Abgasturbinen, die über Getriebe auch auf die Kurbelwelle arbeiten mehrstufige mechanische Lader die Störanfälligkeit nahm deshalb zu Kühlung wurde durch die gefordete kompakte Bauform aufwändiger die Luftschraube begrenzt die Fluggeschwindigkeit auf Unterschall ein neuer einfacher Antrieb für hohe Fluggeschwindigkeit war gefordert Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 5 / 25

6 Theorie I der Schub wird über die Impulsgleichung ermittelt Raketen haben nur einen Austrittsimpuls, daher gilt Schub Rakete = Abgasdurchsatz * Austrittsgeschwindigkeit Düse ein Luftstrahtriebwerk (TL-TW, ZTL-TW, SST, auch Propeller) hat einen Eintrittsimpuls (einströmende Luft) und einen Austrittsimpuls (ausströmendes Abgas) der Schub ist die Differenz der Impulse und es gilt vereinfacht Schub TL-TW = Luftdurchsatz * (Austrittsgeschwindigkeit Düse - Fluggeschwindigkeit) in obiger Gleichung ist der Kraftstoffdurchsatz im Austritt vernachlässigt die Austrittsgeschwindigkeit muß größer als die Fluggeschwindigkeit sein Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 6 / 25

7 Theorie II Strahlverlustleistung = ½ * Luftdurchsatz * (Austrittsgeschwindigkeit Düse - Fluggeschwindigkeit) 2 der Luftdurchsatz geht linear in die Strahlverlustleistung ein eine Verdoppelung des Luftdurchsatzes verdoppelt den Schub und die Strahlverlustleistung die Geschwindigkeitsdifferenz geht quadratisch ein eine Verdoppelung der Geschwindigkeitsdifferenz verdoppelt den Schub, vervierfacht aber die Strahlverlustleistung für einen guten Wirkungdgrad ist günstig ein hoher Luftdurchsatz eine geringe Geschwindigkeitsdifferenz deshalb wurden für Verkehrsflugzeugen Fan-TW entwickelt, die einen hohen Luftdurchsatz haben nur für hohe Fluggeschwindigkeiten sind hohe Austrittsgeschwindigkeiten notwendig Nachbrenner Concorde, Kampfflugzeuge Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 7 / 25

8 Theorie III für Leistung gilt im Allgemeinen: Leistung = Kraft * Geschwindigkeit für ein Flugzeug gilt (Luftwiderstand = Schub) Antriebsleistung = Schub * Fluggeschwindigkeit bei einem Kolbenmotor kann an der Kurbelwelle die Leistung gemessen werden, die an die Luftschraube abgegeben wird bei einem TL-TW gibt es diese Möglichkeit nicht, die epandierenden Gase aus der Brennkammer erzeugen direkt Schub auch bei einem Kolbentriebwerk wird die Leistung der Luftschraube im Stand (Fluggeschwindigkeit = 0) in Strahlverlustleistung umgesetzt die Leistungsangabe eines Kolbentriebwerks und die Schubangabe eines Luftstrahltriebwerkes sind daher nicht direkt vergleichbar es gilt der Satz von General Adolf Galland: Es ist, als ob ein Engel schiebt Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 8 / 25

9 C k u Quelle: Ausbildungsunterlagen der TSLw 3, Faßberg, 1975 Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 9 / 25

10 Bild: Turbinenluftstrahltriebwerk (TL-TW) Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 10 / 25

11 Turbinenluftstrahltriebwerk (TL-TW) Einlauf, gehört zur Flugzeugzelle, hier wird die Luft für den Verdichter auf Mach 0,7 abgebremst, auch bei Überschallflugzeugen, denn die Strömung am Verdichtereintritt entspricht der Luftschraube eine Verdichterstufe besteht aus Rotor und Stator im Rotor wird der Luft kinetische Energie zugeführt, d.h. die Luftgeschwindigkeit erhöht im Stator wird die Luft abgebremst, wodurch die kinetische Energie vom Rotor in statische Energie umgewandelt wird Druck und Temperatur steigen es werden mehrere Verdichterstufen hintereinander geschaltet am Eintritt des Verdichters gibt es bei einigen Triebwerken die Einlaßleitschaufeln, die die Strömung vom Einlauf entsprechend des Flugzustands optimal auf den Verdichter leiten sollen die Statorschaufeln sind bei einigen TW verstellbar ausgeführt, um einen guten Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich zu haben Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 11 / 25

12 in der Brennkammer wird die Luft weiter abgebremst, Kraftstoff wird eingespritzt, verbrennt kontinuierlich die sich ausdehnenden Gase strömen in Richtung des niedrigen Druckes zur Turbine. Es wird nur ein Teil der Luft für die Verbrennung genutzt, der größere Teil dient der Ausrichtung der Flammen und zur Kühlung eine Turbinenstufe besteht aus Stator und Rotor im Stator wird das Abgas beschleunigt, d.h. Druck und Temperatur aus der Brennkammer in kinetische Energie, d.h. Geschwindigkeit, umgewandelt im Rotor wird dem Abgas die kinetische Energie entzogen und in Drehmoment umgewandelt über eine Welle treibt die Turbine den Verdichter an es werden mehrere Turbinenstufen hintereinander geschaltet zur Schubsteigerung kann ein Nachbrenner eingebaut werden, hier wird Kraftstoff eingespritzt und verbrannt - erhöht die Austrittsgeschwindigkeit in der Schubdüse werden Druck und Temperatur des Abgases in Austrittsgeschwindigkeit umgewandelt Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 12 / 25

13 Bild: Zweistromturbinenluftstrahltriebwerk (ZTL-TW, Fan-TW) Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 13 / 25

14 Zweistromturbinenluftstrahltriebwerk (ZTL-TW, Fan-TW) ein ZTL-TW besteht aus einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil der Hochdruckteil heißt Kerntriebwerk, bestehend aus Hochdruckverdichter, Brennkammer und Hochdruckturbine HD-Verdichter- und -turbine sind durch die HD-Welle verbunden nach der HD-Turbine ist eine ND-Turbine geschaltet, die dem Abgas weitere Energie entzieht über eine ND-Welle wird der ND-Verdichter mit dem Fan angetrieben HD-Welle und ND-Welle sind nicht mechanisch gekoppelt der Fan sorgt für einen großen Luftdurchsatz mit niedriger Geschwindigkeit guter Wirkungsgrad es gibt verschieden Arten von ZTL Mantelstrom-TW - ein äußere Verkleidung leitet den 2. Luftstom bis zur Schubdüse um des TW, Kampfflugzeuge haben auch ZTL mit Nachbrenner Fan-TW - zweite ringförmige Schubdüse direkt hinter den Fan, sehr hoher Luftdurchsatz im Verhältnis zum Kern-TW (high Bypass-Ratio) Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 14 / 25

15 Bild: Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (PTL-TW) Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 15 / 25

16 Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (PTL-TW, Turbomotor) ein PTL-TW besteht aus einem Hochdruckteil und einer Arbeitsturbine die Arbeitsturbine entzieht dem Abgas Energie über eine Welle wird das Drehmoment an ein Getriebe geleitet die Wellen sind nicht mechanisch gekoppelt im Getriebe wird die Drehzahl passende zur Luftschraube reduziert bei Turbomotoren ist am Getriebe z.b. der Antrieb für einen Hubschrauberrotor oder einen Generator (Notstrom, Schiffsantrieb,...) angeschlossen bei einem PTL-TW wird an der Schubdüse noch Schub erzeugt, ein Turbomotor erzeugt nur Wellenleistung ein PTL-TW wiegt bei gleicher Leistung weniger als die Hälfte wie ein Kolbenmotor, so wird der etwas schlechtere Kraftstoffverbrauch ausgeglichen, denn für ein Flugzeug ist das Gesamtgewicht aus Triebwerksgewicht plus Kraftstoffgewicht für eine gegebene Reichweite entscheidend Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 16 / 25

17 Bild: Staustrahltriebwerk (SST, Ramjet) Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 17 / 25

18 Staustrahltriebwerk (SST, Ramjet, Scramjet) das SST hat außer einer Kraftstoffpumpe keine beweglichen Teile es muß auf ca. Mach 0,8 beschleunigt werden, bis es selbstständig arbeitet der Einlauf baut durch Abbremsen der eintretenden Luft den Druck auf es können sehr hohe Fluggeschwindigkeiten erreicht werden bei Scram-Jets (Sonic-Ramjet) läuft die Verbrennung im Überschallbereich ab, es wurde Mach 9,6 mit der unbemannten X-43A erreicht statt einer Brennkammer kann auch ein Wärmetauscher/Kühler verbaut sein Prof. Hugo Junkers hat schon in den 1910er Jahren festgestellt, daß ein gut ausgelegter Kühler einen negativen Widerstandsbeiwert hat Schub durch gute Auslegung von Kühlern und Triebwerksverkleidungen wurde so die Fluggeschwindigkeit von Kolbenmotor-Flugzeugen um ca 2% gesteigert Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 18 / 25

19 Bild: Intermittierendes Staustrahltriebwerk Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 19 / 25

20 Intermittierendes Staustrahltriebwerk (Pulso-Triebwerk, Argus-Schmidt-Rohr) Pulso-TW haben keine kontinuierliche Verbrennung der eingespritze Kraftstoff zündet die Druckwelle der Verbrennung schließt die Flatterventile die Abgase strömen zur Schubdüse es entsteht an den Flatterventilen ein relativer Unterdruck die Flatterventile öffnen Frischluft strömt in die Brennkammer ein gleichzeitig strömt ein Teil der Abgase zurück (Rezirkulation), die den Kraftstoff wieder zündet Pulso-TW arbeiten auch im Stand die diskontinuierliche Verbrennung ist sehr laut und erzeugt große Schwingungen, die das Flugzeug stark belasten, weshalb dies TW keine große Anwendung gefunden hat Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 20 / 25

21 Bild: Thermojet Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 21 / 25

22 Thermojet ein Kolbenmotor treibt den Verdichter ein der Verdichter versorgt eine Brennkammer mit Luft die Abgase erzeugen mittels einer Düse den Schub der Thermojet wurde 1910 von Henri Coanda erstmalig verwendet später gab es verschiedene Projekte zur Geschwindigkeitssteigerung von Kolbenmotorjägern der Thermojet vereint das hohe Gewicht eines Kolbentriebwerks mit dem schlechten Wirkungsgrad eines TL-TWs als Beispiel für die Motorleistung dient das J-79 Triebwerk des Starfighters Luftdurchsatz beim Start ca 72 kg/s Druck in der Brennkammer beim Start ca 12 bar notwendige Antriebsleistung des Verdichters ca 74 MW ( PS) Schub ca 72 kn mit Nachbrenner, 47 kn ohne Nachbrenner Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 22 / 25

23 Bild: Raketentriebwerk Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 23 / 25

24 Flugtriebwerkskunde Raketentriebwerk für Raketen gilt die Faustformel 1% Nutzlast, z.b. ein Satellit 9% Struktur, also die eigenliche Rakete 90% Kraftstoff und Sauerstoff, wovon der Sauerstoff der Großteil ist Raketen sind daher nur für hohe Fluggeschwindigkeiten oder Weltraumflüge sinnvoll nach der Brennkammer verengt sich (konvergiert) die Schubdüse im engsten Querschnitt erreicht das Abgas Schallgeschwindigkeit der Schwede Carl Gustav Patrik de Laval entdeckte, daß eine sich anschließend erweiternde (divergierende) Düse die Strömungsgeschwindigkeit weiter steigert und damit auch den Schub bei verstellbaren Schubdüsen von TL-Triebwerken mit Nachbrenner wird der konvergente Teil von der Düse dargestellt, der divergente Teil wird aerodynamisch durch umströmende Luft gebildet Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 24 / 25

25 Kleine Einheitenkunde Der Schub eines Düsen- oder Raketentriebwerks ist physikalisch gesehen eine Kraft. Als solche wird er in der SI-Einheit Newton (N), aufgrund der Größe meist in Kilonewton (kn), gemessen. In älteren Veröffentlichungen findet man häufig Angaben in Kilogramm (kg) oder Kilopond (kp). 1 kp entspricht der Gewichtskraft einer Masse von 1 kg bei einer Normfallbeschleunigung von 9,80665 m/s 2. Dementsprechend ist 1 kp = 9,80665 N. Oft wird das angenähert als 1 kp 10 N = 1 dan. Eine Schubangabe in kg ist streng genommen nicht korrekt, da kg die Einheit der Masse ist, und nicht der Kraft. Sie wird jedoch oft mit der Gewichtskraft der zugehörigen Masse ("Gewicht") gleich gesetzt. Ein Triebwerk mit einem Schub von 1000 kp könnte also ein Flugzeug mit einem Gesamtmasse von 1000 kg in der Schwebe halten. Analog wird im anglo-amerikanischen Sprachraum das dortige Pfund (pound, lb.) als Maß für den Schub verwendet. Hier gilt 1 lb. = 0,454 kg. Bayerische Flugzeug Historiker e.v. Seite 25 / 25