Aviation Gas Turbine Engines

Hallo zusammen! In diesem Artikel möchte ich erklären, wie Flugzeug-Gasturbinenmotoren (GTM) funktionieren. Ich werde versuchen, dies so einfach und verständlich wie möglich zu gestalten.

Flugzeug-GTM lassen sich unterteilen in:

• Turbojet-Triebwerke (TJT)
• Zweikreis-Turbojet-Triebwerke (ZTTJT)
• Turboprop-Triebwerke (TPT)
• Turbowelten-Triebwerke (TWT)

Dabei können TJT und ZTTJT eine Nachbrennkammer enthalten, in diesem Fall heißen sie TJT-N und ZTTJT-N. Diese werden wir in diesem Artikel nicht betrachten.

Beginnen wir mit Turbojet-Triebwerken.

Turbojet-Triebwerke

Dieser Triebwerkstyp wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt und begann gegen Ende des Zweiten Weltkriegs, weit verbreitet eingesetzt zu werden. Das erste serienmäßige Turbojet-Flugzeug der Welt war die deutsche Me.262. TJT waren bis in die 60er Jahre beliebt, bevor sie von ZTTJT verdrängt wurden.

Ein modernes Foto der Me-262, aufgenommen im Jahr 2016

Der einfachste Turbojet-Triebwerk umfasst folgende Komponenten:

• Eingabegerät
• Kompressor
• Brennkammer
• Turbine
• Düsenauslass (im Folgenden einfach Auslass genannt)

Man kann sagen, dass dies das minimale Set für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Motors ist.

Und nun sehen wir uns an, was wofür benötigt wird und warum.

Das Eingabegerät ist ein sich verjüngender Kanal, in dem Luft zum Kompressor geleitet und vorab komprimiert wird. Dabei wird die kinetische Energie der einströmenden Luft teilweise in Druck umgewandelt.

*Hier und im Folgenden sprechen wir über Unterschallgeschwindigkeiten. Bei Überschallgeschwindigkeit ändern sich die physikalischen Gesetze, und alles ist ganz anders.

Der Kompressor ist ein Gerät, in dem der Luftdruck erhöht wird. Der Kompressor kann durch einen Wert charakterisiert werden, der als Druckverhältnis bezeichnet wird. In modernen Triebwerken überschreitet dieses Verhältnis bereits 40 Einheiten. Darüber hinaus steigt die Temperatur darin (möglicherweise bis zu 400 Grad Celsius).

Die Brennkammer ist ein Gerät, in dem der komprimierte Luft (nach dem Kompressor) Wärme durch die Verbrennung von Brennstoff zugeführt wird. Die Temperatur in der Brennkammer ist sehr hoch und kann bis zu 2000 Grad Celsius erreichen. Es könnte den Anschein haben, dass der Gasdruck in der Kammer ebenfalls stark ansteigt, aber das ist nicht der Fall. Theoretisch wird angenommen, dass die Wärmezufuhr bei konstantem Druck erfolgt. In der Realität sinkt dieser etwas aufgrund von Verlusten (ein Problem der Konstruktionsunvollkommenheit).

Die Turbine ist ein Gerät, das einen Teil der Energie des Gases nach der Brennkammer in Antriebsenergie für den Kompressor umwandelt. Da Turbinen nicht nur in der Luftfahrt verwendet werden, kann eine allgemeinere Definition gegeben werden: Es handelt sich um ein Gerät, das die innere Energie des Arbeitsmediums (in unserem Fall ist das Arbeitsmedium Gas) in mechanische Arbeit an der Welle umwandelt. Wie Sie feststellen konnten, befinden sich Turbine und Kompressor auf einer Welle und sind fest miteinander verbunden. Wenn im Kompressor der Gasdruck steigt, so sinkt er in der Turbine, was bedeutet, dass das Gas sich ausdehnt.

Die Düse ist ein verengter Kanal, in dem die potenzielle Energie des Gases in kinetische Energie umgewandelt wird (der verbleibende Energievorrat des Gases nach der Turbine). Wie auch in der Turbine dehnt sich das Gas in der Düse aus. Es bildet sich ein Strahl, der, wenn er die Düse verlässt, das Flugzeug antreibt.

Wir haben die grundlegenden Elemente geklärt. Aber wie funktioniert es trotzdem? Lassen Sie uns also noch einmal kurz darauf eingehen.

Luft aus der Atmosphäre gelangt in das Eintrittsgerät, wo sie etwas komprimiert wird und in den Kompressor eintritt. Im Kompressor steigt der Druck der Luft weiter an, ebenso die Temperatur. Nach dem Kompressor gelangt die Luft in die Brennkammer und wird dort mit dem Kraftstoff vermischt, was zu einer starken Temperaturerhöhung bei nahezu konstantem Druck führt. Nach der Brennkammer strömt das heiße, komprimierte Gas in die Turbine. Ein Teil der Energie des Gases wird verwendet, um den Kompressor durch die Turbine anzutreiben (damit er seine oben beschriebene Funktion erfüllen kann), ein anderer Teil der Energie wird für die notwendige Bewegung des Flugzeugs verwendet, da das Gas, nachdem es die Turbine passiert hat, in einen Strahl in der Düse umgewandelt wird und in die Atmosphäre strömt. Damit endet der Zyklus. In der Realität verlaufen alle Prozesse des Zyklus jedoch kontinuierlich.

Dieser Zyklus wird als Brayton-Zyklus bezeichnet, oder als thermodynamischer Zyklus mit kontinuierlichem Arbeitsprozess und Wärmezufuhr bei konstantem Druck. Nach diesem Zyklus arbeiten alle GTD.

Brayton-Zyklus in P-V-Koordinaten

N-V – Kompressionsprozess im Eintrittsgerät
V-K – Kompressionsprozess im Kompressor
K-G – isobarische Wärmezufuhr
G-T – Prozess der Gasexpansion in der Turbine
G-S – Prozess der Gasexpansion in der Düse
S-N – isobarische Wärmeabfuhr in die Atmosphäre

Schematische Darstellung eines Turbofan-Triebwerks, wobei 0-0 die Motorachse ist

Ein Turbojet kann auch zwei Wellen haben. In diesem Fall besteht der Kompressor aus einem Niederdruckkompressor (KND) und einem Hochdruckkompressor (KVD), während die Arbeitszufuhr von der Niederdruckturbine (TND) und der Hochdruckturbine (TVD) durchgeführt wird. Solch ein Schema ist gasdynamisch vorteilhafter.

Echter Motor dieses Typs im Querschnitt

Wir haben das Funktionsprinzip des einfachsten Schemas eines Luftfahrt-Gasturbinenmotors betrachtet. Natürlich werden in modernen "Airbussen und Boeings" TRDDs installiert, deren Konstruktion erheblich komplexer ist, die jedoch nach denselben Prinzipien arbeiten. Lassen Sie uns diese betrachten.

Zweikreis-Turbofan-Triebwerk

Ein TRDD unterscheidet sich vor allem von einem TRD dadurch, dass er zwei Kreisläufe hat: einen äußeren und einen inneren. Der innere Kreislauf enthält dasselbe wie ein TRD: einen Kompressor (unterteilt in KND und KVD), eine Brennkammer, eine Turbine (unterteilt in TVD und TND) und eine Düse. Der äußere Kreislauf ist ein Kanal mit einer Düse am Ende. Er hat weder eine Brennkammer noch eine Turbine. Vor beiden Kreisläufen (direkt nach dem Eingabegerät des Motors) steht eine Kompressorstufe, die für beide Kreisläufe arbeitet.

Es ergibt sich ein nicht sehr klares Bild, oder? Lassen Sie uns klären, wie es funktioniert.

Schematische Konstruktion eines zweistrahligen, zweikreisigen Turbinen-Triebwerks

Die Luft, die in den Motor gelangt, wird nach der ersten Stufe des Niederdruckkompressors in zwei Strömungen aufgeteilt. Ein Teil der Luft geht durch den inneren Kreislauf, wo die gleichen Prozesse stattfinden, die wir beim TRD besprochen haben. Der zweite Teil der Luft gelangt in den äußeren Kreislauf und erhält Energie von der ersten KND-Stufe (der, die auf beide Kreisläufe arbeitet). Im äußeren Kreislauf wird die Energie der Luft nur für die Überwindung der hydraulischen Verluste (durch Reibung) verwendet. Am Ende gelangt diese Luft in die Düse des äußeren Kreislaufs und erzeugt einen enormen Schub. Der Schub, der vom äußeren Kreislauf erzeugt wird, kann 80% des Schubs des gesamten Motors ausmachen.

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines TRDD ist der Grad der Zweikreisigkeit. Der Grad der Zweikreisigkeit ist das Verhältnis des Luftdurchsatzes im äußeren Kreislauf zum Luftdurchsatz im inneren Kreislauf. Diese Zahl kann größer oder kleiner als eins sein. Bei modernen Triebwerken übersteigt diese Zahl einen Wert von 12.
Motoren, deren Grad der Zweikreisigkeit über zwei liegt, werden als turbofan bezeichnet, und die erste Stufe des Kompressors (die, die auf beide Kreisläufe arbeitet) wird als Lüfter bezeichnet.

TRDD des Flugzeugs Boeing 757-200. Im Vordergrund sind das Eingabegerät und der Lüfter zu sehen.

Bei einigen Triebwerken wird der Lüfter von einer separaten Turbine angetrieben, die am nächsten zur Düse des inneren Kreislaufs angebracht ist. Dann handelt es sich um ein dreistrahliges Triebwerk. Diese Anordnung findet sich beispielsweise bei den Triebwerken Rolls Royce RB211 (die auf L1011, B747, B757, B767 installiert waren), D-18T (An-124), D-36 (Jak-42).

D-18T im Querschnitt von innen.

Das Hauptmerkmal von Turbo-Prop-Triebwerken liegt in der Fähigkeit, hohen Schub und gute Effizienz im Vergleich zu Turbojet-Triebwerken zu erzeugen.

Damit möchte ich den Abschnitt über Turbo-Prop-Triebwerke beenden und zum nächsten Typ von Triebwerken übergehen – den Turbo-Diesel-Triebwerken.

Turbo-Prop-Triebwerke

Das Turbo-Prop-Triebwerk gehört, wie das Turbojet-Triebwerk, zu den Gasturbinen-Triebwerken und funktioniert ähnlich wie ein Turbojet. Ein einfaches Turbo-Prop-Triebwerk besteht aus den uns bereits bekannten Komponenten: einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einer Düse. Zusätzlich kommen ein Getriebe und ein Propeller hinzu.

Der Arbeitsprinzip ist das gleiche wie bei Turbojets, mit dem Unterschied, dass fast die gesamte Energie des Gases in der Turbine für die Rotation des Verdichters und des Propellers über das Getriebe verwendet wird (hier sind der Propeller und das Getriebe auf einer Welle mit dem Verdichter montiert). Der Propeller erzeugt den größten Teil des Schubs. Der verbliebene Teil der Energie nach der Turbine wird in die Düse geleitet, wodurch der Rückstoßschub entsteht, aber dieser ist gering und kann ein Zehntel des Gesamtwertes ausmachen. Das Getriebe ist in diesem Schema notwendig, um die Drehzahl zu reduzieren und das Drehmoment zu übertragen, da die Turbine mit sehr hohen Frequenzen, zum Beispiel 10.000 Umdrehungen pro Minute, rotieren kann, während der Propeller nur 1.500 benötigt. Zudem ist der Propeller ziemlich schwer.

Schematische Darstellung eines Turbo-Diesel-Triebwerks

Es gibt jedoch auch eine andere Anordnung von Turbo-Prop-Triebwerken: mit einer freien Turbine.
Der Kern dieser Anordnung besteht darin, dass hinter einer gewöhnlichen Kompressor-Turbine eine separate Turbine steht, die mechanisch nicht mit der Kompressor-Turbine verbunden ist. Diese Turbine wird als freie Turbine bezeichnet. Die Verbindung zwischen der Kompressor-Turbine und der freien Turbine ist nur gasdynamischer Natur. Von der freien Turbine geht eine separate Welle ab, an der das Getriebe mit dem Propeller montiert ist. Alles andere funktioniert genauso wie im ersten Fall. Die meisten modernen Triebwerke sind genau nach diesem Schema ausgeführt. Einer der Vorteile dieses Systems ist die Möglichkeit, den Triebwerk am Boden als Hilfskraftwerk (APU) zu verwenden, ohne den Propeller zu bewegen.

Schematische Darstellung eines Turbo-Diesel-Triebwerks mit freier Turbine

Ich möchte betonen, dass man Turbo-Prop-Triebwerke nicht als ineffizienten Überbleibsel der Vergangenheit betrachten sollte. Ich habe mehrmals solche Aussagen gehört, aber sie sind falsch.
Turboprop-Triebwerke haben in bestimmten Fällen den höchsten Wirkungsgrad, typischerweise in Flugzeugen mit nicht allzu hohen Geschwindigkeiten (zum Beispiel bei 500 km/h), während das Flugzeug beachtliche Größen erreichen kann. In einem solchen Fall kann das Turboprop-Triebwerk erheblich vorteilhafter sein als das zuvor betrachtete Düsentriebwerk.

Damit beenden wir das Thema Turboprop-Triebwerke. Wir nähern uns allmählich dem Konzept des Turbinenwellenantriebs.

Turbinenwellenantrieb

Wahrscheinlich hören die meisten Leser hier zum ersten Mal von dieser Bezeichnung. Diese Art von Triebwerken wird in Hubschraubern installiert.

Der Turbinenwellenantrieb ähnelt sehr dem Turboprop-Triebwerk mit einer freien Turbine. Er besteht ebenfalls aus einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Kompressorturbine, gefolgt von einer freien Turbine, die nur gasdynamisch mit dem gesamten vorherigen Teil verbunden ist. Dieser Antrieb erzeugt jedoch keinen Schub, da er keine Düse hat, sondern nur einen Auslass. Die freie Turbine hat eine eigene Welle, die mit dem Hauptgetriebe des Hubschraubers (des Hauptrotors) verbunden ist. Ja, alle mir bekannten Hubschrauber haben ein solches Getriebe, und es ist typischerweise von beträchtlicher Größe. Der Grund ist, dass die Drehzahlen des Hauptrotors eines Hubschraubers sehr niedrig sind. Während bei Flugzeugen, wie ich oben geschrieben habe, sie bis zu 1500 U/min erreichen können, beträgt sie bei einem Hubschrauber, zum Beispiel dem Mi-8, nur 193 U/min.
Die Drehzahlen des Hubschraubermotors sind oft sehr hoch (aufgrund der geringen Größe), und sie müssen um hundert und mehr gesenkt werden. Es kommt vor, dass sowohl am Motor als auch am Hubschrauber ein Getriebe angebracht ist, zum Beispiel beim Mi-2 und seinem GTD-350-Triebwerk.

Schematische Darstellung des Turbinenwellenantriebs

Der Motor ТВ3-117 des Hubschraubers Mi-8. Rechts sind das Auspuffrohr und die Antriebswelle zu sehen.

Wir haben also vier Arten von Gasturbinenmotoren betrachtet. Ich hoffe, mein Text war verständlich und hilfreich für Sie. Fragen und Anmerkungen können Sie gern in den Kommentaren hinterlassen.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit.

Quelle: habr.com