Wissensfragen

Zusammenspiel von Verdichter, Brennkammer und Turbine.

Mit einem Teil der in der Turbine gewonnenen mech. Energie muss zunächst der Leistungsbedarf des Verdichters gedeckt werden.

Die Überschussleistung kann dann als eigentliche Nutzleistung (bpw. Zum Antrieb des Generators) dienen.

Sie zeigt, dass für die Energieumsetzung neben der Umfangsgeschwindigkeit die Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit maßgebend sind.

Die gesamte Kompression erfolgt im Einlauf unter Ausnutzung der kinetischen Energie des Fluids. Für hohe Flugmachzahlen ist damit eine ausreichende Kompression erzielbar, so dass auf den Verdichter und die Turbine her verzichtet werden kann und das Staustrahltriebwerk den geeigneten Antrieb darstellt. Der Wärmezufuhr in der Brennkammer folgt direkt die Expansion des heißen Gases in der Schubdüse mit einer Erzeugung hoher Strahlgesch.

Die gesamte Enthalpieänderung und Druckerhöhung erfolgt hier im Laufrad, während im Leitrad nur umgelenkt wird. Solche Verdichter kommen häufig in stationären Anlagen zum Einsatz

Während bei nur geringfügig über dem Druck in Austrittsquerschnitt liegenden Umgebungsdruck lediglich schwache Verdichtungsstöße von der Düsenhinterkante ausgehen, vereinigen sich mit zunehmendem Druckunterschied die schrägen Verdichtungsstöße zu einem einzigen senkrechten Verdichtungsstoß, der in die Düse hineinwandert. Dabei kommt es im inneren der Düse zur Strömungsablösung, verbunden mit großen Verlusten und erheblicher Lärmentwicklung.

Durch Entspannen des Fluids, dessen nutzbare Energie (Exergie) in kinetische Energie umsetzen, um dadurch Schub zu erzeugen.

Während der statische Druck und die Dichte bei der Expansion absinken, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu.

Bei Unterschallströmung ist die rel. Zunahme der Geschw. größer als die rel. Abnahme der Dichte —> Strömungsquerschnitt nimmt ab. Bei Überschall kehren sich die Verhältnisse um, sodass der Strömungsquerschnitt zunimmt.

Verdichter; komprimiert die aus der Umgebung angesaugte Luft durch Zufuhr von mech. Energie

Brennkammer; durch Wärmezufuhr wird die Energie des verdichtete Fluids erhöht

Turbine; Expansion des heißen Gases mit Gewinnung von mech. Energie

Wegen der relativ großen Enthalpieänderung

Befördern Fluid von einem Druckniveau auf ein anderes. Dabei wird dem Fluid Energie zugeführt (Druckerhöhung) oder Energie entnommen (Druckabsenkung).

Große Volumenströme, große Leistungen, hohe Leistungskonzentration bezogen auf Bauvolumen.

Erzeugung elektrischer Energie Einsatz von Dampf- und Gasturbinen

Pipeline-Stationen

Turbomaschinen als Verdichter zur Druckerhöhung des geförderten Gases

Verfahrenstechnik

Verdichter und Turbinen bei chemischen Prozessen mit Druckerhöhung, -absenkung

Bei der Turbine wird das Medium zunächst entspannt und dabei ein möglichst großer Anteil der nutzbaren Enthalpie des Fluids (Exergie) in kinetische Energie umgewandelt. Die kinetische Energie des Fluids wird dann in mechanische, an der Welle der Turbine verfügbare Energie umgesetzt. Die Energieumsetzung in der Turbine kann man daher in 2 Schritten darstellen:

Für die kleinsten während des Betriebs auftretenden Druckverhältnisse, um große Verluste bei sonst auftretenden Überexpansionen zu vermeiden. In den anderen Betriebsfällen werden Nachexpansionen in Kauf genommen.

- Nebenstromverhältnis

- Höhere Wirkungsgrade

- Mehrwellig

- Niedriger Brennstoffverbrauch

- Geringere Lärm- und Schadstoffentwicklung

- Verringerung der Stickstoffemissionen

- Hohe Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Wartungsfreundlichkeit

Bereits im Laufrad, das die von der Welle gelieferte mechanische Energie über die Schaufeln in kinetische Energie des Fluids umsetzt, erfolgt zumindest teilweise auch eine Umsetzung von kinetischer Energie in Enthalpie, verbunden mit einer Druckerhöhung, d.h. w2 < w1

Sie erfolgt nicht direkt, sondern auf dem Umweg über die kinetische Energie

Das Fluid wird zwar beschleunigt (also umgelenkt), aber die Turbine gibt mechanische Leistung an die Welle ab, indem sie kinetische Energie dem Fluid entzieht. Dadurch reduziert sich die absolute Turbinenaustrittsgeschwindigkeit.

Verdichter und Turbine werden nicht zu schlecht bzw. zu gut bewertet.

Der polytrope Vergleichsarbeit im h,s-Diagramm ergibt sich aus der Summe der Ordinatenabschnitte bei der schrittweisen Annäherung der Polytropen durch kleine Abschnitte von Isentropen (verlustlose Verdichtung) und Isobaren Wärmeabgabe.

Vor allem bei vielstufigen Maschinen mit großem Druckverhältnis zu ungenau zur Realität. Bei einem mehrstufigen Verdichter ist hauptsächlich in den letzten Stufen, die im verlustfreien Fall zugeführte Arbeit größer als beim gewählten isentropen Vergleichsprozess. Dies gilt genauso für die Entspannung in der Turbine. Bei Benutzung des isentropen Wirkungsgrades werden die letzten Stufen des Verdichters zu ungünstig bewertet und somit ist der isentrope Wirkungsgrad niedriger als der tatsächliche. Das kommt daher, dass der Endzustand des wirklichen Prozesses sich weit von dem des Vergleichsprozesses entfernen kann. Bei der Turbine sind die Verhältnisse umgekehrt.

Staustrahltriebwerk: keine Verdichter- und Turbinenstufen notwendig; Problem: Stelbststartfähigkeit

Alle drei Verdichter werden von einer eigenen Welle/Turbine angetrieben. Ihre Drehzahl kann somit optimal ausgelegt werden und eine Schaufelverstellung bzw. Ablassvorrichtung ist nicht notwendig

Dampfmaschine 2,2 kW, 1852 in Ballon —> Luftschiff, Henry Giffard

Kolbenmotor, 1903, Orville und Wilbur Wright

Totaldruckverlust: (pt3-pt4)/pt3~ 0,03…0,06

Es kommt hinter der Düse zu einer Nachexpansion des in der Austrittsebene noch unvollständig entspannten Fluids. Die von der Austrittskante ausgehenden Verdünnungsfächer werden an der Strahlgrenze als Verdichtungsstöße reflektiert, so dass ein Strahl mit wechselndem Durchmesser entsteht

• Vortriebsleistung:

  • im unbewegten, bodenfesten Bezugssystem bewegt sich der Angriffspunkt der Luftkraft mit c_0

• Strahlleistung:

  • Beschleunigung des Massenstroms von c0 auf cg

• Vortriebswirkungsgrad:

  • Quotient aus Vortriebsleistung und Strahlleistung

  • Resultat/Ursache = Gütegrad

als Vergleichswert für Triebwerke unabhängig vom Flugzeug und Einbaubedingungen.

Abhängig von:

Leistungshebelstellung

Flugzustand

Triebswerk(styp)

+

• hoher Vortriebswirkungsgrad

• hohe Leistung auch bei geringen Geschwindigkeiten

-

• Lärmentwicklung der freilaufenden Blätter

• Notwendigkeit eines Getriebes —> Mehrgewicht

• Geschwindigkeit begrenzt

Schaufeln der letzten Stufe entweder sehr klein (bei großem Dm) und dadurch hohe Verluste, oder sehr groß (bei kleinem Dm) und dabei zu geringe Umfangsgeschwindigkeit

—> viele Schaufeln/Stufen (Nachteil: Bauraum,Gewicht)

Teillastproblem: Im Teillastbetrieb ist das Druckverhältnis geringer als im Auslegungsfall. Dadurch arbeiten die Stufen vorne & hinten nicht mehr optimal.

Gemeinsam: Prozess ist gleich, Brennkammer, Schubdüse, Einlauf

Unterschiedlich: Turbine, Verdichter

Durch Überlagerung einer verlustfreien Expansion mit Arbeitsabgabe und einer Wärmezufuhr.

Geschwindigkeitsdreiecke sind symmetrisch

Es ergeben sich eine gleichmäßige Druckerhöhung in Lauf- und Leitgitter und ein gleichmäßiger Strömungskanalverlauf.

Die Bauweise gestattet bei vorgegebener maximaler Strömungsgeschwindigkeit die größtmögliche Druckerhöhung in einer Stufe.

- Isentrope Verdichtung

- Wärmezufuhr bei konst. Druck in der Brennkammer

- Isentrope Expansion

- Isobare Zustandsänderung zurück auf den Ausgangszustand

- Verlustfrei arbeitende Komponenten

- Konstante Fluidzusammensetzung

- Konstante spezifische Wärmekapazität

- Vernachlässigbare Strömungsgeschwindigkeit

Beim Flug mit hohen Machzahlen wird das Fluid im Einlauf, relativ zum Triebwerk, verzögert. Dabei steigt dessen stat. Drucks. Anschließend wird das Fluid im Verdichter verdichtet und dann in der Brennkammer wie bei der stat. Gasturbine die Energie des Fluids durch Wärmezufuhr erhöht. In der Turbine wird gerade soviel mech. Energie entzogen, wie zum Antrieb des Verdichters notwendig ist (Leistungsgleichgewicht). Die weitere Entspannung erfolgt anschließend in der Schubdüse, wobei der für mech. Energie nutzbare Teil der Wärmemenge in kin. Energie des Abgasstrahls umgesetzt wird.

Sternanordnung —> Sternmotor

Zwischen dem Fluidstrahl und einem umgebenden gasförmigen Medium tritt eine relativ große Reibung auf Die Volumenströme sind häufig für einen einzelnen Gasstrahl zu groß

Die Enthalpiedifferenzen und die dadurch entstehenden Strömungsgeschwindigkeiten für eine derartige Turbine sind zu groß

Da dem Fluid Arbeit zugeführt werden soll, muss im Laufgitter die Strömung in Umfangsrichtung umgelenkt werden. Da ferner über das Laufrad hinweg der Druck konstant bleiben soll, müssen (reibungsfreie Strömung) die relativen Strömungsgeschwindigkeiten w1 und w2 sowie die Querschnittsflächen gleich groß sein. Dabei wird im feststehenden Bezugsystem die Strömungsgeschwindigkeit von c1 auf c2 vergrößert. Im nachfolgenden Leitrad wird durch eine Umlenkung in axialer Richtung und eine dadurch bedingte Querschnittserweiterung die Strömung verzögert, woraus sich eine Druck und Enthalpieerhöhung ergibt.

- Ernst Heinkel; erster erfolgreicher Flug mit Strahltriebwerk (He S5B) 1939, Leiter der Triebwerksentwicklung von 1936 an Papst von Ohain

- In England: Frank Whittle, bevorzugt Triebwerke mit Radialverdichtern

…die Erhöhug der Expasionstemperatur, um somit das Verhältnis von Expansions- zu Kompressionsarbeit zu vergrößern. Dem Anheben der Turbineneintrittstemperatur sind allerdings durch die zulässige thermische Beanspruchung der Turbinenbeschaufelung Grenzen gesetzt.

Abströmung erfolgt axial und somit drallfrei Maximale Leistung bzw. Maximaler Wirkungsgrad

u=𝑐1 u/2 𝛼=90°

Nachteil: Bei der drallfreien Abströmung wird dem Fluid der größtmögliche Teil der kinetischen Energie entzogen.