Flugtriebwerke: Grundlagen, Systeme, Komponenten

333 Pages·1995·9.85 MB·German

by  Professor Dr.-Ing. Alfred Urlaub (auth.)

Alfred Urlaub
Flugtriebwerke
Grundlagen, Systeme, Komponenten
Zweite Auflage mit 160 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Professor Dr.-lng. Alfred Urlaub
Technische Universitat Braunschweig
Institut fUr Verbrennungskraftmaschinen
und Flugtriebwerke
Langer Kamp 6
38106 Braunschweig
ISBN-13: 978-3-540-57009-7 e-ISBN-13: 978-3-642-78386-9
DOl: 10.1007/978-3-642-78386-9
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Urlaub, Alfred:
Flugtriebwerke 1 Alfred Urlaub
2. Aufl.-
Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo;
Hong Kong; Barcelona; Budapest: Springer, 1995
ISBN-13: 978-3-540-57009-7
ISBN-13: 978-3-540-57009-7
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991 and 1995
Reprint of the original edition 1991, 1995
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Satz: Reproduktionsfertige Vorlag des Autors
SPIN: 10123509 68/3020 - 5432 I 0 - Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort zur zweiten Auflage
In der vorliegenden Schrift hat der Verfasser die von ihm an der Technischen Universitat
Braunschweig abgehaltenen Vorlesungen tiber das Fachgebiet der Flugtriebwerke zur Er
gfulzung der kurzgefaBten Vorlesungsumdrucke in vollstandiger Form ausgearbeitet. Sie
so11 also in erster Linie dem Studenten eine weitere Lernhilfe bieten.
Das Buch ist in zwei Teile gegliedert. 1m ersten Teil werden alle verfahrenstheoretischen
Grundlagen zur Projektierung von Flugtriebwerkssystemen und zur Vorausberechnung
ihrer Leistungscharakteristiken behandelt. Der zweite Teil beschaftigt sich dann mit wei
tergehenden Betrachtungen tiber das Funktionsverhalten und tiber die Berechnung und
Ausruhrung einzelner Triebwerkskomponenten. Diese Stoffanordnung solI es dem Leser
ermoglichen, sich zunachst ohne Beschaftigung mit Detailfragen der Komponentenausle
gung durch das Studium des ersten Teils schon tiber die wichtigsten Grundlagen der Flug
triebwerkstechnik zu informieren. Dabei werden ihm einige aus den vorlesungsbeglei
tenden Ubungen ausgewahlte Zahlenbeispiele das Verstandnis der TriebwerksprozeBbe
rechnungen erleichtern.
Der Verfasser mochte auch an dieser Stelle Herrn Dipl.-Ing. T. Schilling fiir die kritische
Textdurchsicht und Herrn H-W. Quast rur die sorgfaltige Ausarbeitung des Bildmaterials
seinen Dank aussprechen.
Sickte, im Februar 1995 Alfred Urlaub
Inhaltsverzeichnis
Teil I. Triebwerkssysteme
1 Einfiihrung . 3
1.1 Luftraum 3
1.2 Triebwerksanforderungen 8
1.3 Triebwerksarten 19
2 Kolbenmotor 27
2.1 Saugmotor 27
2.2 Motor mit mechanischer Aufladung 35
2.3 Motor mit Abgasturboaufladung 39
3 Grundlagen der Gasturbinentriebwerke 45
3.1 Thermogasdynamik 45
3.2 Kreisprozesse 52
3.2.1 Idealprozesse 52
3.2.2 RealprozeB . 62
4 Turbinen-Luftstrahltriebwerke 70
4.1 KenngroBen . 70
4.2 Vorauslegung 75
4.3 Kennfelder der Stromungsmaschinen 85
4.3.1 Verdichterkennfeld 85
4.3.2 Turbinenkennfeld 99
VII
4.4 Triebwerkskennfelder 105
5 Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerke 119
5.1 Propeller 119
5.2 Leistungsaufteilung 124
6 Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerke 128
6.1 Ausfiihrungen 128
6.2 Leistungsaufteilung 129
6.3 Kennfeldberechnung 136
7 Ma6nahmen zur Schubverstarkung 145
7.1 Wassereinspritzung 145
7.2 Nachverbrennung. 147
8 Triebwerke fUr den Senkrechtstart 154
8.1 Hub-Marsch-Triebwerke 154
8.2 Hubtriebwerke 158
9 Staustrahltriebwerke 161
9.1 KreisprozeB . 161
9.2 Triebwerkskennfelder 165
10 Raketentriebwerke 168
10.1 Kenngr5Ben 168
10.2 Antriebsbedarf 176
10.3 Fliissigkeitsraketen 185
10.4 Feststoffraketen 188
10.5 Hybridraketen 191
VIII
Teil II. Triebwerkskomponenten
11 Triebwerkseinliiufe 195
11.1 Berechnungsgrundlagen 195
11.1.1 Diffusor 195
11.1.2 Verdichtungsst6J3e 198
11.2 Ausfiihrungen . 226
11.2.1 Unterschalleinlauf 226
11.2.2 Uberschalleinlauf . 230
12 Stromungsmaschinen . 249
12.1 Berechnungsgrundlagen 249
12.1.1 Verdichter 249
12.1.2 Turbinen 259
12.2 Ausfiihrungen 269
13 Brennkammern . 276
13.1 Berechnungsgrundlagen 276
13.1.1 Thermochemie . 276
13.1.2 Thermogasdynamik 288
13.2 Ausfiihrungen 297
14 Schubdiisen 307
14.1 Berechnungsgrundlagen 307
14.2 Ausfiihrungen 315
Literaturverzeichnis 319
Sachverzeichnis 323
Teil L Triebwerkssysteme
1 Einfiihrung
1.1 Luftraum
Die Leistung aller "luftatmenden" Triebwerke wird in einem ganz entscheidenden MaJ3e
durch den Druck und durch die Temperatur bzw. durch die Dichte der ihnen zugefuhrten
Umgebungsluft mitbestimmt. Deshalb solI hier zunachst einmal die Abhangigkeit dieser
Zustandswerte von der Flughohe beschrieben werden.
Die Erdatmosphare besteht aus einer Reihe annahernd spharischer Schichten, die jeweils
durch den vertikalen Gradienten der in ihnen herrschenden Temperaturen charakterisiert
sind. Da die unterste Schicht, die sogenannte Troposphare, fur die kurzwellige Sonnen
strahlung kaum ein Hindernis darsteHt, die von der Erdoberflache ausgehende, langwellige
Warmestrahlung aber weitgehend absorbiert -und z.T. als Gegenstrahlung auch wieder re
flektiert (Treibhauseffekt) -, ergibt sich in dieser Atmospharenzone entsprechend der Dar
steHung von Bild 1.1 ein negativer Temperaturgradient. Die von der geografischen Breite
sowie von der Tages-und Jahreszeit abhangigen Werte fur die Hohe der Troposphare und
ihrer Minimaltemperatur liegen im Mittel etwa bei 11 km bzw. -60 0c.
In der an die Troposphare anschlieBenden Stratosphare bleibt die Temperatur zunachst
°c
konstant, urn dann in dem Hohenbereich von 20 bis 50 km wieder bis auf ca. 0 anzu
steigen. Dieser Temperaturanstieg ist zurtickzufuhren auf eine verstarkte Absorption der
Sonnen-UV-Strahlung durch Ozon, das in einer Hohe von etwa 25 km eine maximale Kon
zentration erreicht. (In groBeren Hohen finden die ozonbildenden Reaktionen zwischen
dem molekularen Sauerstoff und dem durch Fotodissoziation entstandenen, atomaren
Sauerstoff mit abnehmender Gasdichte immer seltener statt.)
Fur unsere Triebwerksberechnungen sind schon die Luftzustandswerte im oberen Bereich
der Stratosphare ohne Bedeutung. Mit luftatmenden Triebwerken konnen namlich so gro
Be FlughOhen gar nicht erreicht werden und auf die auch vom Gegendruck der Treib
stoffexpansion , d.h. vom Umgebungsdruck, abhangige Schubkraft eines Raketenantriebs
haben die weiteren Veranderungen der in dieser Atmospharenzone bereits sehr kleinen
4
120
Heterosphtire
Turbopause
- - - - - - - - - ~urEXosphtire
100
Thermosphtire
60 ////
OJ Homosphtire
,g~60
I
40
20
//////////////
0L-~----'-----~----~--~-=--~25
-100 -75 -50 -25 0
Temperatur
O(
Bild 1.1. Vertikale Temperaturverteilung in der Atmosphare
Luftdriicke praktisch keinen EinfluB mehr. Der VollsHindigkeit halber sind aber in Bild 1.1
auch noch die Temperaturverlaufe in der Mesosphare und im Anfangsbereich der Thermo
sphlire skizziert. (Die an die Thermosphlire anschlieBende Exosphlire bildet den Ubergang
zum interplanetaren Medium.)
Wichtig ist noch die Feststellung, daB sich innerhalb der von der Erdoberflache bis in eine
Hohe von etwa 110 km erstreckenden Homosphlire die Zusammensetzung der trockenen
Luft nicht verandert. Sie besteht hier zu 21 Vol.-% aus Sauerstoff, zu 78 Vol.-% aus Stick
stoff und aus einem -bei technischen Rechnungen immer durch Stickstoff ersetzten -Rest
gemisch von Argon und dem "Treibhausgas" Kohlendioxid mit Spuren von Neon, Helium,
Methan, Krypton, Wasserstoff und Xenon. Erst in der Heterosphare, das ist der Bereich
oberhalb der sogenannten Turbopause, in dem nur noch Laminarstromungen auftreten
und damit der Vermischungseffekt turbulenter Bewegungen ausbleibt [1], bewirkt die Gra-