Untersuchungen über die Mischung bei Zweikreisturbinenluftstrahltriebwerken (ZTL)

123 Pages·1968·2.721 MB·German

by  Diplom-Ingenieur Albrecht Hartmann (auth.)

Untersuchungen über die
Mischung bei Zweikreis
turbinenluftstrahltriebwerken
(ZTL)
Von der
Fakultät für Maschinenwesen
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs
genehmigte Dissertation
Vorgelegt von
Diplom-Ingenieur ALBRECHT HARTMANN
aus Heidenheim (Brenz)
Referent: Prof. Dr.-Ing. W. Dettmering
Korreferent: Prol Dr.-Ing. H. Kühl
Tag der mündlichen Prüfung: 26. Februar1966
ISBN 978-3-322-98400-5 ISBN 978-3-322-99148-5 (eBook)
DOI 10. 1007/978-3-322-99148-5
Vorwort
Beim Abschluß meiner Arbeit über Zweikreistriebwerke denke
ich vor allem an Herrn Professor Dr.-In~. K. Leist, an
dessen Institut für Turbomaschinen ich im November 1958
meine Tätigkeit begann. Herr Professor Leist, der Vater
des Zweikreistriebwerks in Deutschland, vergrößerte mein
vorhandenes Interesse für dieses Triebwerk wesentlich und
legte damit den Grundstein zu der vorliegenden Arbeit.
Die Ausrichtun~ meiner Studien auf die Mischungsfragen bei
Zweikreistriebwerken erfolgte Ende 1960 unter der
Leitung von Herrn Professor Dr.-Inp,. A.W. Quick, der das
Institut nach dem Tode von Herrn Professor Leist kommisarisch
leitete. Ich danke Herrn Professor Quick für das Interesse,
das er dieser Arbeit entgegenbrachte. Herrn Dr.-Ing. G.
Fellner danke ich für seine Betreuung im Jahre 1961.
Herrn Professor Dr.-Ing. W. Dettmering danke iCh, daß er mir,
nachdem er das Institut im Jahre 1962 übernommen hatte, die
Gelegenhei t gab, meine Arbeit an seinem ·Inst i tut fort zuset zen
und abzuschließen. Bei der VersuchsdBrchführung und bei
der VersuchsauBvertung durften mir Mitarbeiter seines
Instituts behilfich sein.
Für seinen fachlichen Rat und für die Ubernahme des Korreferats
danke ich Herrn Professor Dr.-Ing. H. Kühl.
Mein Dank gilt den Meistern unserer Werkstatt Herrn Rosenkranz
und Herrn Hacke und ihren Mitarbeitern für ihren Einsatz.
Besonderer Dank gilt meinem Mitarbeiter, Herrn cand. ing.
Il.G. Hammer. der mit großer Einllatzfreude und mit Begeisterung
bei der Ve.suchsdurchführung mitgearbeitet hat.
Den Herrn des Rechenzentrums danke ich für ihre Hilfe
bei der Benützung der elektronischen Rechenanlage Siemens
2002.
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen, Abkarzungen, Beiverte und Teilvirkun~sgrade
Eintahrung und Autgabenstellung
I. Theoretiscber Teil
1. Grundlasen
1.1 Triebverksparameter des ZTL. Detinitionen
1.2 M5glicbkeiten des Energietransports bei ZTL
Triebverken
1.3 GleichmiBiges und unausgeglicbenes Gescbvindig
keiteteld binter der Schubd6se
1.4 Bedingungen tar den Gevinn durch Miscbung
2. Berechnung der Mischung r6r beliebiee Eintrittsbe
dingungen
3. Optimaler Miscbvorgans
3.1 Optimaler Miscbdruck
3.2 Optimaler Querscbnittsverlaut
4. Bedsutuns des Bypasskompressionsverhiltnisses
4.1 Eintluß bei optimalem Mischdruck
4.2 Bedinsung tar das optimal ausgelegte ZTL mit
Mischung
4.3 Strablbeimiscbuns (ZTL ohne mechaniscben EnergietranBport)
5. Techniscb vervirklichbarer Gevinn
5.1 Eint~uß des besrenzten Mischkammerquerschnitts
5.2 Optimale Teilmischuns
6. Ersebnisse bei optimaler Bypasskompression und optimalem Misch-
6.1 Innerer und iußerer Prozeß druck
6.2 Auslegungskenntelder
6.3 Optimales B7passverhlltnis
6.4 Grenztlusmachzahl
6.5 Maximaler Gevinn durch MIschuns
6.6 Optimale Enercietransporte
II. Experimenteller Teil
1. Autgabe des Versuchs
2. Antorderungen an den Versuchsstand
3. Versuchsaniase: Authlncung, Labyrinth, MIschkammer.
Regelung
4. Auslegung des Versuchsstands
5. Versucbsprogramm
5.1 Miscbvorgans im Auslesunaspunkt
5.2 Mischung bei habe ren Eintrittsmachzahlen in die
Mischkammer
6. Durchtahrung und Ausvertung der Versuche
6.1 Protilmessungen in der Mischkammer
6.1.1 MeBeinrichtung und MeBvertahren
6.1.2 Versuchsdurchtahrung
6.1.3 MeSergebnisse
6.1.4 Ausvertung der Messungen, Vergleich mit
, Rechenverten
6.2 Schubversucb
6.2.1 Meßvertahren und Verluchsdurcht6hruna
6.2.2 Meßergebnisse, Ausvertun, der Melsungen
Bedeutuns der M~schung bei ZTL-Triebverken
Zusammenfassung
SchrittuMsverzeichnis
Lebenslaut
-1-
Formelzeichen. Indices
Formelzeichen
B Brennstoff.erbrauch für Transatlantikflug
.
B Brennstofrverbrauch/Sekunde
b Brennstoffverbrauch/Sekunde bezogen auf .1
c Geschvindil"keit
E transportierte Energie
H Enthalpie
b Enthalpie bezogen auf .1
1I unterer Heizvert
.u
" sekundliche Durchsatzmenge
Hachzahl
kritische Machzahl
P Druck
R Gaskonstante
r radialer Abstand .on der Mischkammerachse
a Entropie
s spezifischer Schub (bezogen auf die gesamte
LUftmasse)
s' auf MI=1 kg/s bezogener Schub
S Schub in Nevton (R)
t Temperatur t oe
T Temperatur T °K
Bypassverhältnis
.Q. Winkelstellung des Sondenkamms
Druckverhältnis
Gesamtvirkungsgrad
Wirkungsgrad des inneren Prozesses
"i
"a Wirkungsgrad des äußeren Prozesses
6"/"0 Wirkungsgrad verbesserung gegenüber TLo
6n/"v Wirkungsgradverbeseerung gegenüber TLv
6"/"0 Wirkunl"sgradverbeseerung gegenüber ZTLO
..
" Mischvirkungsgrad
gasdynamiscber Transportvirkungsgrad
"Trgd
mechanischer Transportvirkungegrad
"Trmech
Verhältnis der transportierten Energien
~
Flächenverhältnis
~ Mischungegrad
f Te~per8turverhältui~ Tt2/Tt1 in der Hischkammer
-2-
Ind1ce.
ungest.ört.e At..osphäre
00
a Aust.rit.t. aus Schubdüse
d. AuBendurchae •• er
i beliebiger Teilschrit.t. des MiBohvorgangs
o ohne Mi.chung
t. t.ot.aler Zust.and
dVI Gondelviderst.and
W Widerst.and
~ür .echanisch übert.ragene Energie
~ir gasd7na.iscb ibert.ragene Energie
besogen au~ den krit.ischen Zust.and
ia 1. KreiS}
.. Eint.rit.t. der Mi.chk ...e r
2 i. 2. Kreis
3 vollko• •e ne Mischung in der Mi.cbka. .e r
I i. 1. KreiS}
hint.er der Schubdise
II i. 2. ICreis
111 nach vollko. .e aer Mischung hint.er
der Schubdise
Abktirslln"n
TLo Basistrieb"erk
TL Vergleichseiakrei.t.riebverk
v
Z'1'L Z"eikreistrieb"erk
Z'1'Lo Zveikreistrieb"erk obne Mischling
Z'1'L. Z"eikreistriebverk .it Miscbuag
g.ed7. ..i eche 'llaktionenl
p( •• ). ,tM·). s(M·)
-J-
DruckverluBte, Teilvirkungagrade
Polytroper Kompresaorvirkungagrad 0.86
Polytroper Turbinenvirkungsgrad 0,86
IBentroper SChubdüsenvirkungsgrad 0,96
Mechanischer Wirkungsgrad 0,97
Ruhedruckverluet im Einlaufdiffueor 2 %
Ruhedruckverlust in der Brennkammer 3 J
Ruhedruckverluat im Bypa8skanal 2 %
Verbrennungavirkung.grad 0,98
Wideratandsbeivert für M < 1 0,076
Annahmen
Hu 4,270536.107 J/kg
cpI 1.155587.103 J/kggrd
cpII 1.10174187.103 J/kggrd
2,093454.103 J/kggrd
cpBrennstoff
Kr 1.33
KI! 1,393
cm axiale Komponente der Verdicb-
terzuströmgcschvindigkeit 150 m/s
Verhältnis Kompressoreintrittaring
fläche ~ur QuerschnittBfläche der
Gondel 0,5
( ) Literaturhinveis
-~-
Einführung und Aufrabenstellung
Der warme Ab~as- und der kalte Luftstrahl eines
Zweikreistriebwerks können ~etrennt auf den Um
gebungsdruck expandieren oder vor der Expansion
gemischt werden.
EB wird gefragt,
ob die MiBchung vorteilhaft sein kann, venn ~a
velchee die Bedingungen für den maximalen Gewinn
sind und vie gro~ dieser selbst iet,
ob sich die optimale~ Auslegungen einee ZTL
Triebwerks mit und ohne ~ischunp unterscheiden
und
welche Gewinn. abhängig von den EintrittBzuständen in
die Miscbkammer mit welcbea Mischk.mmerdurcba.s-
B.rn und -lingen tatBäcblicb erreichbar Bind?
Zu. Th •• a B.lbBt iBt bis heut. keine Literatur bekannt.
Prot. A. Bu ••••n n b.t 1939 in ein •• Bericht der Lili.n
tb.l-G ••• ll.cb.ft tür Luttt.hrt üb.r "Scbub.rhöbung
duroh Luttb.iai.chung" üb.r d.n optim.l.n Mi.chvorg.ng
b.i .ng.no• •e n.r yollko. .e ner Miscbung eine Au.s.ge
••••c ht.
-5-
I. Theoretischer Teil
1. Grundlagen
1.1 Triebwerk_parameter des Zweikreistriebverks
Definitionen
Der Schub und der Gesaatwirkungsgrad einea Turbi
nenluftatrahltriebverka verden durch folgende lin
flußgrößen besti.at:
1. die Flugaachzahl und Flughöhe.
2. das DruckTerhältnis ia ersten (reis.
3. die Teaperatur Tor der Turbine.
4. das BypassTerhiltnis z.
5. das DruckTerhältnis im zveiten Kreis.
6. der Mischungsgrad ~I
7. die Teilvirkungsgrade Ton Kompressor.
Turbine und SChubdüse.
8. die DruckTerluste im Einlauf. in der
Brennka.aer und ia Bypasskanal.
Innerhalb dieser Arbeit wird der Bin~luß der ersten
sechs Größen auf den durch die Mischung erreich
baren Gevinn des Zveikreistriebverks untersucht.
Nur ein kleiner Teil dieser sechs Einflußgrößen ilt
tür die Optimierung in diesem Rahmen intereesBnt.
Zu den einzelnen Parametern sei der Reibe n.ch rol
gendes bemerkt:
1. Der Aualegun«arlugzuatand. angegeben durcb Flug
böhe H. und Flugaacbzahl M. wird tür intereaaie
rende Pille ansenommen.
2. Daa DruckTerhlltnis des Kompreaaor. i. er.ten
Krei. vird durch thermodynami.cbe Uberlegungen
bestimat. Gevichtlüberlegungen .ind nur dann an
zu.tellen. venn ein Triebwerk bezügliCh .einee
Wirkungsgrades optiaiert verden soll.
-6-
3. Die FrischFaste~peratur oder die Höchsttempe
ratur am Eintritt in die Turbine ist bezürlich
ihrer oberen Grenze fest~eleFt durch den Stand
der 'W~rkstoffentwicklune und durch die Kon
struktion (Kühlunc),
4. Das Massenstromverhiltnis oder Bypassverhiltnis
=
7.
wird neben thermodynamischen Gesichtspunkten be
stimmt durch Widerstands- und Gewichtsbetrach
tungen. Die bei den genannten Faktoren erniedri
gen den thermodynamischen Optimalwert. der für
eine Triebwerksauslegune ohne Bedeutun~ ist.
Im Rahmen dieser Untersuchune wird ein optimales
Massenstromverhiltnis an~egeben, einmal für den
rein thermodynamischen Fall, und dann für den
Fall. in dem auch der äußere Widerstand des
Triebwerks in die Untersuchung miteinbezogen wird.
5. Das Druckverhältnis des Bypasskompressors soll
wegen des großen Einflusses auf den Gesamtwir
kungsgrad und den Schub des Zweikreistriebwerks
optimiert werden. Der Einfluß für Abweichungen
von diesem optimalen Wert wird für verschiedene
JBypassverhältnisse untersucht.
6. Der Mi"chunFsgrad 1H ist neben dem Bypassverhiilt
nis z und dem Bypssskompressionsverhältnis -KII
der dritte Variationswert. der beim Zweikreis
triebwerk zu den Parametern des Einkreistrieb
werks hinzukommt. Er sagt aus, wieviel von der
maximal übertragbaren Gesamtenergie bei einer be
stimmten Mischkammerlänge tatsächlich übertragen
wurde (Bild 1).
-7-