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EIN Turbolüfter (Tunnelschneckenturbine) ist a Flugzeugmotor geeignet für mittlere Höhe Geschwindigkeiten. Ein Turbofan ist ein relativ leises Düsentriebwerk mit einem hohen Effizienz.
Anwendung
Seit einem Propeller der bessere Flugmotor ist bei niedrigen Geschwindigkeiten und a Düsentriebwerk bei hohen Geschwindigkeiten besser ist, ist es sinnvoll, dass für mittlere Geschwindigkeiten eine Art Kreuzung zwischen den beiden Typen am besten ist. Dieser Schnittpunkt ist der Turbofan-Triebwerkstyp. Turbofans sind eine Art von Strahltriebwerken, bei denen die Kompressor an der Vorderseite des Motors ist so weit vergrößert, dass es einem Propeller ist zu einem Ring geworden (Englisch: Ventilator) und die Luft durch und entlang der Brennkammer Schläge.
Ein Turbofan besteht eigentlich aus zwei Rohren ineinander. Das Innenrohr ist im Grunde ein Düsentriebwerk, und das Außenrohr verhält sich wie ein Rohr mit einem Propeller im Inneren. Dieses äußere Rohr wird auch "Bypass" genannt.
In der Praxis scheint sich dieser Motortyp für Geschwindigkeiten von 400 bis 1000 Stundenkilometern am besten zu eignen. Damit ist dieser Triebwerkstyp der mit Abstand beliebteste Flugmotor.
Bypass-Verhältnis
Das Bypassverhältnis (Bypass-Verhältnis) ist das Verhältnis der Luftmenge, die durch den "Bypass" strömt, zu der Luftmenge, die durch die Brennkammer strömt. Hat ein Turbofan ein Bypassverhältnis von 5, bedeutet dies, dass pro Kilogramm Luft, die durch die Brennkammer strömt, 5 Kilogramm Luft durch den Bypass strömen. Jagdflugzeuge haben oft Triebwerke mit a Bypassverhältnis weniger als 1, aber die Triebwerke der meisten modernen Verkehrsflugzeuge haben Bypass-Verhältnisse von 5 oder mehr.
Turbolüfter sind ziemlich leise, besonders wenn sie eine hohe haben Bypassverhältnis haben. Die heiße Luft, die aus einem Düsentriebwerk kommt, macht viel Lärm. Bei einem Turbofan wird der Heißluftstrahl von einem Kaltluftstrahl aus dem Bypass und das Ergebnis ist ein viel niedrigerer Geräuschpegel.
Operation
Die Bedienung wird mit einem englischen Slogan beschrieben als saugen, quetschen, knallen, blasen.Luft wird durch den Lüfter in den Motor gesaugt (saugend, saugen), dann durchströmt die Luft im Innenrohr den Nieder- und Hochdruckkompressor (Kompression, drücken) in die Brennkammer austreten. Dort wird die Luft mit Kraftstoff vermischt. Es entzündet sich von selbst (Explosion, Ängstlich) und dann trifft die Luft auf die Hoch- und Niederdruckturbinen (Blasen, Schlag). Diese Beschreibung ist beliebt, aber nicht korrekt. Die Verbrennung verläuft in einer Brennkammer einer Gasturbine ganz anders als in einer Gasturbine Kolbenmotor. Die Verbrennung wird eingeleitet, wenn die Turbine durch a . gestartet wird Zündkerze und ist danach kontinuierlich. Ein Vergleich mit einem Kesselbrenner ist zutreffender. Es gibt keinen "Knall", weil bei der Verbrennung kein Druckanstieg stattfindet. Nur ein kleiner Teil (ca. 25 %) des Sauerstoffs aus der zugeführten Luft wird genutzt. Durch die Verbrennung steigt die Temperatur der durchströmenden Luft stark an, die Brennkammer kann als Heizlüfter sehenswert.
Beide Turbinen treiben den Bläser und die Verdichter an (HD-Turbine treibt HD-Verdichter an, LD-Turbine treibt LD-Verdichter und Gebläse an). Die restliche Energie aus dem heißen Abgasstrom wird in a Düse als heißer Strahl beschleunigt, der mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Bei einem Bypassverhältnis von 5 ergibt dies einen Schub von 1/6 = 16,7 % der Gesamtleistung. Den verbleibenden Schub liefert die Bypassluft, die im Auspuff eine Ringdüse passiert und dadurch beschleunigt wird. Die Konstruktion des Triebwerks zielt darauf ab, beiden Jets die gleiche Geschwindigkeit zu geben, so dass der Kaltluftstrahl im Verhältnis zum Bypass-Verhältnis Schub erzeugt: 5/6 = 83,3% bei einem Verhältnis von 5. ist Doppelstrahltriebwerk, wegen der zwei konzentrisch ausströmende Luftstrahlen. Dieser Name hat nicht viel Akzeptanz gefunden.
Ein wichtiger zusätzlicher Vorteil des Turbofan-Triebwerks ist die deutlich geringere Geräuschentwicklung als bei der ersten Generation Turbowelle Motoren. Ein heißer Luftstrahl erzeugt in der kalten Umgebungsluft viel Lärm, vergleichbar mit einem Blitz, der die Luft durchschneidet. Indem man nun den heißen Strahl des Triebwerks mit einem ringförmigen Kaltstrahl gleicher Geschwindigkeit umgibt, wird der heiße Strahl gewissermaßen umhüllt und die Geräuschentwicklung ist viel geringer. Dies ist ein sehr wichtiger Aspekt in der heutigen Zeit mit stark frequentierten Flughäfen, die strenge Lärmanforderungen erfüllen müssen.
Die Entwicklung des Turbofan-Triebwerks markierte einen enormen Fortschritt in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Im Vergleich zu den Turbojet oder Einstrahltriebwerk war der Kraftstoffverbrauch geringer, so dass die Reichweite des Flugzeugs war bei gleicher Treibstoffmenge größer, und das Triebwerk machte deutlich weniger Lärm. Bekannte Flugzeugtypen, bei denen das Strahltriebwerk zum Einsatz kam, waren die DC-8, das Concorde und der Sternenjäger. Die letzten beiden waren mit einem Nachbrenner, wodurch durch erneutes Erhitzen der Gase in der Turbine nach der Expansion zusätzlicher Schub erzielt werden konnte, wodurch das Volumen stark vergrößert wurde. Dies führte zu einer höheren Austrittsgeschwindigkeit und damit zu mehr Schub (und mehr Lärm). Derzeit werden Turbojets nur bei älteren Frachtflugzeugen und Militärflugzeugen eingesetzt. Für die letztere Kategorie nimmt auch der soziale Widerstand gegen die Geräuschentwicklung zu.
Performance
Der Motor besteht aus zwei konzentrisch rotierenden Hohlwellen: N1 und N2. Auf der inneren N1-Welle befinden sich der Fan, der Niederdruckverdichter und die Niederdruckturbine. Auf der äußeren N2-Achse befinden sich der Hochdruckverdichter und die Hochdruckturbine. Es gibt auch Ausnahmen wie die Rolls Royce Motoren mit drei Achsen, also ein N1, N2 und ein N3. Dies geschieht, um den Motor ohne Vigv (variable Einlassleitschaufeln), VSV (variable Statorschaufeln) und Entlüftungsventile starten zu können.
Berechnung der Leistung
Bei einem Flugtriebwerk wird die Leistung in specified angegeben Schub. Zum Verständnis kann es hilfreich sein, den Schub in gängigere Einheiten umzurechnen, kW oder MW.
Theorie
Der Schub wird durch die Beschleunigung von Luft/Gasen entgegen der Flugrichtung erzeugt. Diese Kraft ist gleich dem Flugzeugwiderstand beim Fliegen in einer stationären Position.
Wenn ein Flugzeug abhebt, liefert die Turbine maximalen Schub. Der Schub ist die Reaktion auf die Kraft, die erforderlich ist, um die Luft/die Gase aus der Turbine strömen zu lassen Impulserhöhung (Änderung von Masse * Geschwindigkeit) geben.
Bei Fluggeschwindigkeit 0 m/s gilt dann:
Mit einer modernen Bypass-Fan-Turbine wird bei Reisegeschwindigkeit 100 % Kraftstoffenergie erzeugt:
- 1% ungenutzt aufgrund unvollständiger Verbrennung;
- 53% in Wärme umgewandelt;
- 12 % ungenutzte kinetische Energie in den ausströmenden Gasen;
- 34% in Schubkraft umgewandelt.
Bei einer einstrahligen Turbine kommt der Schub nur aus der Geschwindigkeit der ausströmenden (heißen) Gase. In einer Bypass-Fan-Turbine kommt der Schub aus der Geschwindigkeit von heißen Gasen (durch die Turbine) plus kalter Luft (um die Turbine herum). Für optimale Antriebsleistung und Effizienz wird die Leistung zwischen Kern- und Bypassstrom so verteilt, dass die Geschwindigkeiten beider Abgasströme gleich sind.
Praxisbeispiel
Nachfolgend die Berechnung für einen bekannten Strahltriebwerkstyp, den General Electric CF6-50 (High Bypass Turbofan), der unter anderem in der Boeing 747 und Airbus A300.
Startdaten (Fluggeschwindigkeit = 0 m/s):
- Schub = 50.000 Pfund = 50.000 * 4.448 = 234 kN
- Massenstrom = 1.450 lb/s = 1.450 * 0,453 = 650 kg/s
- Bypassverhältnis = 5,5
- Luftstrom durch Turbine = 100 kg/s,
- Luftstrom-Bypass-Ventilator = 550 kg/s
Bei optimaler Auslegung ist Vh = Vk. Daraus folgt Vh = Vk = 360 m/s
Der Schub bei Reisegeschwindigkeit beträgt etwa 20 % des maximalen Schubs. Die Leistung bei 900 km/h (250 m/s) beträgt dann:
Einlassdiffusor
Die Abbildungen zeigen, dass die Strahltriebwerke im Lufteinlass einen aufgeweiteten Kanal haben, der EinlassDiffusor. Dieser Kanal spielt eine Rolle bei der Reisegeschwindigkeit, wenn die Luft mit der Geschwindigkeit des Flugzeugs in das Triebwerk eintritt. Durch Diffusion die Luftgeschwindigkeit nimmt ab und der Druck steigt leicht an. Der Kompressor saugt dann Luft mit höherem Druck an und bringt das Strahltriebwerk in einen günstigeren Arbeitsbereich; es kompensiert teilweise den geringeren Luftdruck in größeren Höhen.
Umkehr des Schubstrahls
Strahltriebwerke für Passagierflugzeuge haben normalerweise ein eingebautes System, um den Triebwerksstrahl (oder die Düsen) umzukehren. Obwohl das Flugzeug auch ohne dieses Gerät landen und verlangsamen kann, ist die Schubumkehrer reduziert Brems- und Reifenverschleiß und das Flugzeug nutzt eine kürzere Start- und Landebahn. Sobald die Räder des Flugzeugs die Landebahn berühren, schaltet der Pilot den Schubumkehrer ein und bringt die Motordrehzahl auf Maximum. Die Bremskraft der Triebwerke verlangsamt das Flugzeug von der Landegeschwindigkeit (typischerweise 300 km/h) auf eine Geschwindigkeit, bei der ohne weiteres Bremsen auf Rollgeschwindigkeit beschleunigt werden kann. Sobald die gewünschte niedrige Geschwindigkeit erreicht ist, schaltet der Pilot die Triebwerke wieder auf „vorwärts“. Die Start- und Landebahn muss frei von losen Gegenständen sein, da die Vorwärtsdüsen Steine und anderes loses Material aufblasen können, das dann in die Triebwerke gesaugt werden kann.
Die Systeme funktionieren, indem sie eine Reihe von Umkehrschaufeln in den Triebwerksstrahl platzieren, während der Mechanismus auch den normalen Weg durch das Triebwerk blockiert. Diese Systeme sind von der Kabine aus schwer zu erkennen. Das Triebwerksgehäuse gleitet auf, um Leitschaufeln freizugeben, die den Strahl umkehren, während im Inneren des Triebwerks der normale Luftweg durch Türen blockiert wird.
Geschieht dies nur für den Schubstrahl des Bypass-Fans, dann entwickelt dieser Fan bei einem Bypass-Verhältnis von 4 eine Bremskraft von maximal 80 % des maximalen Schubs. besteht darin, dass die Turbine immer noch einen Schubstrahl (Heißstrahl) erzeugt, der das Flugzeug vorwärts treibt. Beträgt dieser 20 % des maximalen Schubes, so verbleibt eine Bremskraft von 80 - 20 = 60 %.
Einige Triebwerke verfügen auch über eine Schubumkehr im Turbinenteil. Dies kann mittels Umlenkschaufeln oder mittels eines "Eimers" im Abgasstrahl erfolgen. Der "Eimer" ist außen am Motor gut sichtbar. Bei Kalt- und Heißstrahlumkehr beträgt die maximale Bremskraft 80 20 = 100 % des maximalen Schubs. In der Praxis werden diese Bremskräfte geringer sein, weil die Deflektorblätter einen Geschwindigkeitsverlust verursachen und die Strahlen nicht geradeaus gerichtet sind, sondern das Triebwerk in einem Winkel von 30 bis 45 Grad verlassen.