Turbostrahl

Diagramm des Betriebs eines Turbojets.

Der Turbojet ( engl .: turbojet ) ist der älteste allgemein gebräuchliche Strahltriebwerkstyp . Das Konzept wurde Ende der 1930er Jahre unabhängig voneinander von zwei Ingenieuren, Frank Whittle in Großbritannien und Hans von Ohain in Deutschland , zu praktischen Motoren entwickelt. Whittle wird jedoch die Anerkennung für die Entwicklung des ersten Turbojets zuteil, weil er der erste war, der ein funktionierendes Triebwerk konzipierte, formell beschrieb, patentierte und baute. Von Ohain hingegen war der erste, der den Turbojet zum Antrieb eines Flugzeugs einsetzte .

Der Arbeitszyklus dieses Motortyps ist der von Brayton , er ähnelt dem des Hubkolbenmotors, da er die gleiche Anordnung der Arbeitszeiten hat (Ansaugung, Kompression, Verbrennung und Auslass oder Expansion). Ein Turbojet besteht aus einem Lufteinlass, einem Luftkompressor , einer Brennkammer , einer Gasturbine (die den Luftkompressor antreibt) und einer Düse . Die komprimierte Luft tritt in die Kammer ein, wird erhitzt und dehnt sich durch die Wirkung des Kraftstoffs aus und wird dann durch die Turbine in Richtung der Düse ausgestoßen, wo sie auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wird, um Vortrieb zu liefern . ]

Turbojets sind nur bei Überschallgeschwindigkeit effizient und sehr laut. Aus diesem Grund verwenden die meisten modernen Flugzeuge stattdessen Turboprop -Triebwerke bei niedrigen Geschwindigkeiten oder Turbofans bei hohen Geschwindigkeiten, die weniger Kraftstoff verbrauchen und leiser sind. Turbojets sind jedoch aufgrund ihrer hohen Abgasgeschwindigkeit, ihrer geringen Frontfläche und ihrer relativen Einfachheit in Mittelstrecken- Marschflugkörpern immer noch sehr verbreitet.

Aus demselben Grund ist seine Nützlichkeit in anderen Fahrzeugtypen sehr begrenzt. Sie wurden in Einzelfällen eingesetzt, um Geschwindigkeitsrekorde über Land zu brechen, wie im Fall der Thrust SSC .

Betrieb

Schnittansicht eines de Havilland Goblin , eines Zentrifugalströmungs-Turbojets, der in frühen britischen Düsenflugzeugen verwendet wurde.

Diagramm, das den Betrieb eines Turbostrahltriebwerks mit Zentrifugalströmung zeigt.

Schnittansicht eines General Electric J85 , eines in den 1950er Jahren entworfenen Axialstrom-Turbojets, der von der Northrop F-5 und anderen Militärflugzeugen verwendet wurde.

Diagramm, das den Betrieb eines Axialstrom-Turbostrahltriebwerks zeigt.

Für die Kompressionsphase werden Axial- oder Zentrifugalkompressoren eingesetzt, die große Luftmengen mit einem Druck zwischen 4 und 32 Atmosphären verdichten . ^{[ Zitat erforderlich ]} Sobald die Luft komprimiert ist, wird sie in die Brennkammern eingeführt, wo der Kraftstoff kontinuierlich verbrannt wird. Luft mit hohem Druck und hoher Temperatur (d. h. mit mehr Energie als am Einlass) wird zur Turbine geleitet, wo sie teilweise expandiert wird, um die Energie zu erhalten, die es dem Kompressor ermöglicht, sich zu bewegen (ähnlich dem Betrieb des Turboladers in die Turbolader). Autos). Die Luft strömt dann durch eine Düse, wo sie auf ihre Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt wird.

Bei dieser Art von Motor wird die Antriebskraft oder der Schub durch die Variation des Bewegungsbetrags gemäß Newtons drittem Gesetz erhalten , das festlegt, dass jede Aktion eine gleiche Reaktion in die entgegengesetzte Richtung nach sich zieht. Indem große Luftmengen mit hoher Geschwindigkeit nach hinten geschleudert werden, tritt eine Reaktion auf, die das Flugzeug vorwärts treibt. Derzeit erreichen diese Triebwerke Schubkräfte von bis zu 50 Tonnen. ^{[ Zitat erforderlich ]}

Vergleich mit anderen ähnlichen Motoren

Dieser Triebwerkstyp ist in der Luftfahrt weit verbreitet , da es mehrere Vorteile gegenüber alternativen Triebwerken hat:

• Es ist effizienter in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch.
• Es ist einfacher und hat weniger bewegliche Teile.
• Es hat ein besseres Leistungsgewicht.
• Es erfordert weniger Wartung.
• Die Lebensdauer ist länger.

Der Turbojet ist zwar in mancher Hinsicht effizienter als andere Flugtriebwerkstypen, hat aber gegenüber Staustrahltriebwerken technische Nachteile bei Konstruktion und Wartung. Ramjets bieten im Gegensatz zu Jets, Pulse Jets und Verbrennungsmotoren das ventillose System (ohne Ventil wie der Typ Lockwood Hiller ) und sie haben erhebliche Vorteile wie:

• Mangel an beweglichen Teilen.
• Höheres Schub-/Gewichtsverhältnis als Jets.
• Unmöglichkeit eines Versagens aufgrund der Einnahme von festen Partikeln.
• Es ermöglicht die Verwendung anderer Kraftstoffe wie natürliche Öle, Alkohole oder Flüssiggase ohne jegliche Modifikation.
• Einfacher Aufbau.
• Einfache Verfügbarkeit von Materialien.

Effizienzverbesserungen

Das Verdichtungsverhältnis hat sich seit den ersten Turbojets kontinuierlich erhöht (1930 lag es zwischen 3:1 und 6:1, während neuere zwischen 40:1 und 50:1 variieren). Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses gemäß Gleichung , also der Wirkungsgrad, die Drücke am Ein- und Ausgang des Kompressors sowie der adiabatische Ausdehnungskoeffizient (in Luft beträgt er etwa 1,4). $\eta =1-\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)^{(\gamma -1)/\gamma }$$\eta$$P_1$$P_2$$\Gamma$

Druckverhältnis

Je größer der Abstand zwischen den beiden Isobaren ist, desto größer ist die Ausbeute des Brayton-Zyklus .

Durch die Verwendung variabler Schaufeln im Stator können bessere Luftströmungssteuerungssysteme erreicht und Luftlecks bei hohen Drücken und Temperaturen vermieden werden. ]

Darüber hinaus bietet eine Konfiguration mit zwei koaxialen Rotoren weitere Vorteile: ]

• Auswahl der optimalen Drehzahlen für die Hoch- und Niederdruckstufe (abgekürzt HP und LP, aus dem Englischen High Pressure und Low Pressure ).
• Reduzierung der Stufenzahl im Verdichter.
• Die Luftkühlung erfolgt einfacher zwischen den beiden Rotoren.
• Das Starten des Motors ist einfacher, da sich nur der Hochdruckrotor drehen muss.

Hochdruckturbine

Wie der Druck beeinflusst auch die Temperatur am Turbineneintritt den Wirkungsgrad des Brayton-Zyklus .

Die ersten Turbojets verwendeten massive Schaufeln, sodass die maximale Temperatur direkt von den Verbesserungen der Strukturmaterialien abhing (etwa 1100 ° C). Ab den 1960er und 1970er Jahren begann man, Hohlschaufeln mit Innenkühlung im Wachsausschmelzverfahren zu bauen . Gegenwärtig wird diese Kühlung unter Verwendung der Einkristall-Gießtechnik oder des Einkristall-Formens durchgeführt, was die Zeit verlängert, in der sie großen Belastungen ausgesetzt werden können.

Doppelter Luftstrom

In einem Turbofan -Triebwerk wird ein Teil der Luft in eine Seitenströmung umgeleitet.

Die meisten modernen Flugzeuge, sowohl zivil als auch militärisch, verwenden eine modifizierte Version des Turbojets namens Turbofan , die die folgenden Vorteile hat: ]

• Es vermeidet Kompressibilitätsverluste, die die Reisegeschwindigkeit begrenzen, bei der Propellerflugzeuge effizient geflogen werden können.

• Das Gewicht pro Leistungseinheit ist deutlich geringer, oder was gleich ist, das Verhältnis von Schub zu Gewicht ist erhöht .
• Es ist in der Lage, ohne nennenswerte mechanische Einschränkungen eine enorme Leistung zu erzeugen.
• Der Wirkungsgrad entspricht in etwa dem der effizientesten Hubkolbenmotoren für die Luftfahrt, mit dem Vorteil, dass diese maximale Leistung bei einer höheren Drehzahl erreicht wird.
• Er ist zuverlässiger und kann ohne umfangreiche Wartung länger betrieben werden als andere Motoren.

Siehe auch

• Impulsstrahl
• Düsentriebwerk
• Turbofan
• Turboprop
• Flugzeugmotor
• Kraftstoff für Flugturbinen