Zweistrom-Triebwerk - Vortriebswirkungsgrad - Brennstoffver brauch - Bypassverhältnis

Hallöchen miteinander,
ich hab demnächst eine Prüfung über thermische Turbomaschinen, deshalb interessiert es mich z.B. brennend wie der Brennstoffverbrauch durch den
ummantelten Bypassstrom verringert werden kann.
Also. Der Vortriebswirkungsgrad ist das Verhältnis aus Schubleistung zur Differenz der kinetischen Energien an Triebwerksein- und Triebwerksaustritt. Ich sehe ein, dass der Schub steigt, wenn die Geschwindigkeitsdifferenz zw. Ein- und Austritt steigt. Was mir Probleme bereitet zu akzeptieren, ist dass der Vortriebswirkungsgrad steigt, wenn diese Differenz abnimmt.
Zitat Wikipedia: "Besserer Wirkungsgrad des Triebwerkes durch die geringere mittlere Geschwindigkeit des Antriebsluftstrahles und damit geringerer Kraftstoff-Verbrauch."
Soll das indirekt bedeuten, wenn das Abgas hinten langsamer rauskommt, die Geschwindigkeitsdifferenz sinkt, dann muss das Triebwerk ja quasi auf Sparflamme laufen und somit sinkt der Brennstoffverbrauch?
Ist das so? Vortriebswkgrd. steigt mit abnehmender Triebwerksleistung, dadurch wird auch weniger Brennstoff verbraucht --> weniger Kosten. Man könnte ja gleich sagen, wenn ich den Brennstoffmassenstrom drossle hab ich weniger Verbrauch. Dann erspart man sich den unverständlichen Umweg über den Vortriebswirkungsgrad.
Dann kommt ja noch das Bypassverhältnis hinzu. Je mehr Luft ich am Triebwerk vorbeiblase, desto besser. Dann frage ich mich, warum das ganze Geröll (Verdichter,BK,Turbine) da im Triebwerk, wenn der Hauptteil der Luft gar nicht da rein soll?
Eine weitere Frage zum Triebwerk an sich: Der Verdichter komprimiert die einströmende Luft, damit sie in der Turbine wieder enstpannt wird und Energie abgibt. Die an der Turbine abgegebene Energie wird dazu genutzt um den Verdichter anzutreiben... Ähhh?! Dann lassen wir doch den Verdichter und die Turbine einfach weg. Es dreht sich dann zwar nicht mehr so schön, aber spart Gewicht, Platz... Bei RAM Jets gibts ja auch keine rotierenden Teile.
So, meine Verwirrung hat im Moment ein Höchstmaß erreicht! ;) Ich hoffe jemand ist so lieb und wühlt sich durch mein Gedankelknäuel und versucht es ein wenig zu entknoten! Wäre sehr angetan!
Beste Grüße Turnvater
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Hi, Du vergißt da den Luftmassenstrom, den Du für die Verbrennung brauchst. Je weniger Wärme Du aber an die "Luft insgesamt" abgibst, desto höher ist der Gesamtwirkungsgrad. Denn die Antriebsturbine kann dann ein besseres Druck/Temp/Drehzahlverhältnis schaffen. Der externe Verdichter (Fan) ist dann der Nutznießer. Stell Dir den wie einen ummantelten Turboprop vor, dann wirds leichter. Im Prinzip es das eh dasselbe, bloß "optimiert" für höhere Luftgeschwindigkeit nahe an Mach1. Da käme ein offener Propeller kaum hin. Hence der Turbofan.
--
mfg,
gUnther
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*Hans Wurst* wrote on Thu, 10-10-28 13:21:

Impuls gleich Schub: m * v Energie: m/2 * v^2
Wenn Du also bei gleichem Schub den Massenstrom vergrößerst und prportional die Geschwindigkeit verkleinerst, dann brauchst Du deutlich weniger Leistung. Streng gilt das so einfach nur, solange die Austrittsgeschwindigkeit deutlich größer als die Reisegeschwindigkeit bleibt.

Treibende Kraft ist der Druck in der Brennkammer. Die Energiegewinnung erfolgt daraus, daß bei gleichem Massenstrom der heiße austretende Volumenstrom erheblich größer ist als der eintretende kalte. Ohne Kompressor und Turbine bläst die Verbrennung nach vorn und hinten und erzeugt nichts als Wärme. Staustrahl geht zwar auch und ohne bewegte Teile, aber erst ab einer Reisegeschwindungkeit von Mach 3. Wie willst Du starten?
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Hi, war Staustrahl nicht auf eine Schallgeschwindigkeitsgrenze "in der Kammer" hin machbar? Egal wie schnell Du fliegst, solange Du die Schallgeschwindigkeit im Triebwerk erreichst, verwandelt sich das Triebwerk in ein staustrahliges.
--
mfg,
gUnther
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Am 28.10.2010 13:21, schrieb Hans Wurst:

interessiert es mich z.B. brennend wie der Brennstoffverbrauch durch den ummantelten Bypassstrom verringert werden kann.

Differenz der kinetischen Energien an Triebwerksein- und Triebwerksaustritt. Ich sehe ein, dass der Schub steigt, wenn die Geschwindigkeitsdifferenz zw. Ein- und Austritt steigt. Was mir Probleme bereitet zu akzeptieren, ist dass der Vortriebswirkungsgrad steigt, wenn diese Differenz abnimmt.

Geschwindigkeit des Antriebsluftstrahles und damit geringerer Kraftstoff-Verbrauch."

Geschwindigkeitsdifferenz sinkt, dann muss das Triebwerk ja quasi auf Sparflamme laufen und somit sinkt der Brennstoffverbrauch?

ich weniger Verbrauch. Dann erspart man sich den unverständlichen Umweg über den Vortriebswirkungsgrad.

vorbeiblase, desto besser. Dann frage ich mich, warum das ganze Geröll (Verdichter,BK,Turbine) da im Triebwerk, wenn > der Hauptteil der Luft gar nicht da rein soll?

wieder enstpannt wird und Energie abgibt. Die an der Turbine abgegebene Energie wird dazu genutzt um den Verdichter anzutreiben... Ähhh?! Dann lassen wir doch den Verdichter und die Turbine einfach weg. Es dreht sich dann zwar nicht mehr so schön, aber spart Gewicht, Platz... Bei RAM Jets gibts ja auch keine rotierenden Teile.

jemand ist so lieb und wühlt sich durch mein Gedankelknäuel und versucht es ein wenig zu entknoten! Wäre sehr angetan!

Oh, es ist ewig lange her. Wir haben mal solche Themen am Rande einer Thermodynamik Vorlesung behandelt. Man müsste sich zu Deiner Fragestellung ein ideales Triebwerksmodell ausdenken und dies mathematisch beschreiben. An Hand dieses Modells sollte die Aussage prüfbar sein.
Vortriebswirkungsgrad:
Wir haben es hier mit einem Strahltriebwerk zu tun. Es wird Luft angesogen, diese mit einem Brennstoff versetzt, gezündet und beschleunigt ausgestoßen.
Kräfte aus zeitlicher Impulsänderung: F = d(m*v)/dt = dm/dt*v + m*dv/dt
v: sei die konstante Strömungsgeschwindigkeit in Bezug auf das Triebwerk roh: ist die Gasdichte des Strahls A: Düsenquerschnitt
F = roh*A*v^2
1, Bremskraft durch das Ansaugen: Fb = -roh_0*A_0*v0^2
2. Schubkraft durch das Ausstoßen: Fs = roh_1*A_1*vs^2
Wird die zugeführte Masse durch den Kraftstoff vernachlässigt gilt das Kontinuitätsgesetz.
roh_0*A_0*v0 roh_1*A_1*vs= dm/dt = m' =const
Für Gesamtkraft am Triebwerk kann man folglich schreiben: F = Fs - F0 = m'*(vs - v0)
Die Schubleistung Pt errechnet sich: Pt = dE/dt = Fs*dl/dt = Fs*vf = m'*vs*vf
vf: Fluggeschwindigkeit vf = -v0
Somit:
PN = m'*(vs - v0)*v0
Der Vortriebswirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen Nutzleistung und Beschleunigungsleistung
Pb = dEb/dt
Eb = m/2*(vs - v0)^2 dEb = dm/2*(vs - v0)^2 Pb = dEb/dt = m'/2*(vs - v0)^2
Vortriebswirkungsgrad W_v = PN/Pb = [m'*(vs + vf)*vs]/[m'/2*(vs + vf)^2] W_v = 2*vf/(vs + vf) ==================Es ist zu erkennen das mit zunehmender Strahlgeschwindigkeit vs W_v sinkt. Für den Düsenaustritt gilt die mittlere Geschwindigkeit des ausgeblasenen Gases. Somit wird bei zwei Zweistromstrahltriebwerken ein Teil der angesogenen Luft an der Brennkammer vorbei geführt.
Selbstverständlich müssen vs und m' so groß bleiben, das beim Fliegen der Luftwiederstand bei vf überwunden werden kann.
Triebswerktechnik: Damit kenne ich mich nicht aus. Mein Wissenstand ist der, das durch die Verdichtung die Temperatur stark ansteigt, bevor das Gas in die Brennkammer strömt und einen selbsterhaltenden Verbrennungsprozess füttert.
Maximilien
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Ist der Luftmassenstrom der in die BK gelangt denn abhängig vom Bypassverhältnis? Oder wie kann ich den Strom der durchs Kerntriebwerk geht regulieren (vermindern), um somit den Wkg zu erhöhen?

Wann ist "dann"? Wenn weniger Luft durchs Kerntriebwerk geht? Druck- und Temperaturverhältnis im Turbineneintritt in Bezug auf den Umgebungsdruck, -temperatur? Und die sind beide besser, wenn weniger Luft durchs Triebwerk geht? Drehzahlverhältnis von was? :) Der Vollständigkeit halber: Wenn ich zu wenig Luft im Triebwerk hab, hab ich ne größere NOx Emission oder?

Wovon profitiert der Fan?
Weiterhin: Der Fan wird doch in der Regel von der ND-Turbine angetrieben und der Verdichter von der HD-Turbine. Aufgrund der Divergenz der Isobaren nimmt die Turbine bei der hohen Eintrittstemperatur während dem Entspannen mehr Energie auf als die beiden Verdichter (Fan, Verdichter) zum komprimieren der Luft benötigen. Was passiert mit der überschüssigen Energie?
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prportional die Geschwindigkeit >verkleinerst, dann brauchst Du deutlich weniger Leistung. >Streng gilt das so einfach nur, solange die >Austrittsgeschwindigkeit deutlich größer als die >Reisegeschwindigkeit bleibt.
Danke, das find ich super einfach verständlich. Ich hätte eigentlich selbst drauf kommen können. Im Prinzip wird es ja überall so beschrieben! Der Prop bewegt eben eine größere Masse als das Strahltriebwerk, beschleunigt diese aber geringer. Um trotzdem eine hohe Reisegeschwindigkeit erreichen zu können, wird neben dem Prop/Fan noch ein Triebwerk dazugenommen. Ich dachte ursprünglich die Luft die durch den Fan und am Triebwerk vorbei geht, trägt nicht bis allenfalls unwesentlich zum Vortrieb des Flugzeugs bei.
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Wow, das ist ja mega ausführlich! :) Danke für die Mühe, bin alles durchgegangen und denke es verstanden zu haben. Anhand der Formeln ist die Sachlage ja dann eindeutig: W_v steigt mit fallendem vs. Die mündl. Argumentation wäre dann das Argument von Axel Berger. Also aus energetischen Gründen wird der Massenstrom erhöht, die Geschwindigkeit verringert, wobei der Schub gleich bleibt. Anhand der Formel für den W_v kann man dann auch sehen, dass dieser Austausch, weniger vs für mehr m', die Güte der Maschine verbessert (obwohl m' da jetzt gar nicht mehr in der Formel drinne is). Right?!?
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Sorry für die grauenvolle Formatierung meiner Nachrichten, ich weiss nicht woran es liegt :(
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Ich hatte mal das "gleiche Problem":-) Ich habe mir das dann so klargemacht: Der Schub wird dadurch geleistet, dass Gas von bspw. 30 bar nach Atmosphärendruck expandiert. Leider gibt es in der Luft nur Luft von Umgebungsdruck. Jetzt fange ich andersrum an zu erklären: Ich lasse einen Verbrennungsprozess bei 30 bar ablaufen und lasse die Verbrennungsgase expandieren und erzeuge dadurch Schub. Das Kerosin kann ich mit 'ner Spritpumpe billig auf den Druck komprimieren. Die Verbrennungsluft auf 30 bar zu bekommen, ist da schon schwieriger. Also gut, (elektrischen) Verdichter her und die Luft in die Brennkammer komprimieren. Nur woher die Leistung nehmen; einfach dem Abgasstrahl mittels einer Turbine und eines Generators Leistung abzwacken und dem Verdichter als Antriebsleistung zur Verfügung stellen. Rein rechnerisch müsste netto an der Turbine immer noch Überschuß vorhanden sein, da ja der zu verdichtende Massenstrom geringer ist als der expandierende. Jetzt noch alles auf eine Achse basteln...
Dann hoffe ich mal, dass diese Erklärung auch tatsächlich mit der Physik übereinstimmt.
Beim Durchlesen fällt mir noch auf, dass man vielleicht sagen muss/darf, dass der Brennstoff "nur" dazu dient, den Volumen-/Massenstrom in der Brennkammer zu vergrößern)
--
Gruss Heiner

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*Heiner Veelken* wrote on Sun, 10-10-31 13:22:

Das war aber nichts. Die Massenströme sind gleich, aber die Volumenströme nicht.

Die wenigen Prozent? Wohl eher nicht. Aber die isobare Aufheizung expandiert das Volumen recht gewaltig. Nach Deinem Model wäre das Verbrennen des Kerosin völlig überflüssig und Wasser täte es auch.
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