Flugtriebwerke: Grundlagen, Systeme, Komponenten

333 Pages·1991·8.539 MB·German

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

Hochschultext
Alfred Urlaub
Flugtriebwerke
Grundlagen, Systeme, Komponenten
Mit 160 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Prof. Dr.-Ing. Alfred Urlaub, Univ.-Prof.
Institut fUr Verbrennungskraftmaschinen
und Flugtriebwerke
TU Braunschweig
Langer Kamp 6
3300 Braunschweig
ISBN-13: 978-3-540-53864-6 e-ISBN-13: 978-3-642-97322-2
001: 10.10071978-3-642-97322-2
Die Deutsche Bibliothek - CI P-Einheitsaufnahme
Urlaub,Alfred:
Flugtriebwerke : Grundlagen, Systeme, Komponenten 1 Alfred Urlaub.
Berlin; Heidelberg; NewY ork ; London; Paris; Tokyo;
Hong Kong; Barcelona; Budapest: Springer, 1991
(Hochschultext)
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
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Satz: Reproduktionsfertige Vorlage vom Autor
60/3020-543210 - Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
In der vorliegenden Schrift hat der Verfasser die von ihm an der Technischen Universitat
Braunschweig abgehaltenen Vorlesungen tiber das Fachgebiet der Flugtriebwerke zur Er
ganzung der kurzgefaBten Vorlesungsumdrucke in vollstandiger Form ausgearbeitet. Sie
sol1 also in erster Linie dem Studenten eine we it ere Lernhilfe bieten.
Das Buch ist in zwei Teile gegliedert. 1m erst en 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
AusfUhrung einzelner Triebwerkskomponenten. Diese Stoffanordnung sol1 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 inforrnieren. Dabei werden ihm einige aus den vorlesungsbeglei
tend en Obungen ausgewahlte Zahlenbeispiele das Verstandnis der TriebwerksprozeBbe
rechnungen erleichtern.
Der Verfasser mochte auch an dieser Stelle Herrn Dipl.-Ing. T. Schilling fUr die kritische
Textdurchsicht und Herrn H-W Quast fUr die sorgfaltige Ausarbeitung des Bildmaterials
seinen Dank aussprechen.
Sickte, im Frtihjahr 1991 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 Kenngr6Ben . 70
4.2 Vorauslegung 75
4.3 Kennfelder der Str6mungsmaschinen 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 MaBnahmen zur Schubverstarkung 145
7.1 Wassereinspritzung 145
7.2 Nachverbrennung . 147
8 Triebwerke f"1ir 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 Kenngr6Ben 168
10.2 Antriebsbedarf 176
10.3 Fliissigkeitsraketen 185
10.4 Feststoffraketen 188
10.5 Hybridraketen 191
VIII
Teil II. Triebwerkskomponenten
11 Triebwerkseinlaufe 195
11.1 Berechnungsgrundlagen 195
11.1.1 Diffusor 195
11.1.2 Verdichtungsst6Be 198
11.2 Ausfiihrungen 226
11.2.1 Unterschalleinlauf 226
11.2.2 Oberschalleinlauf 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 I. Triebwerkssysteme
1 Einftihrung
1.1 Luftraum
Die Leistung alIer "luftatmenden" Triebwerke wird in einem ganz entscheidenden Ma13e
durch den Druck und durch die Temperatur bzw. durch die Dichte der ihnen zugefiihrten
Umgebungsluft mitbestimmt. Deshalb solI hier zunachst einmal die Abhangigkeit dieser
Zustandswerte von der Flughohe beschrieben werden.
Die Erdatmosphiire besteht aus einer Reihe annahernd sphiirischer Schichten, die jeweils
durch den vertikalen Gradienten der in ihnen herrschenden Temperaturen charakterisiert
sind. Da die unterste Schicht, die sogenannte Troposphare, fur die kurzwelIige Sonnen
strahlung kaum ein Hindernis darstellt, 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
stelIung von Bild 1.1 ein negativer Temperaturgradient. Die von der geografischen Breite
sowie von der Tages- und lahreszeit abhangigen Werte fUr die Hohe der Troposphare und
ihrer Minimaltemperatur liegen im Mittel etwa bei 11 km bzw. -60 °C.
In der an die Troposphare anschlie13enden 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 zuruckzufiihren 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
Heterosphiire
Turbopause
--------------
zur Exosphiire
100
Thermosphiire
80 ////
Homosphiire
40
20
//////////////
OL-~------~----~-----r-----.-=~~
-100 -75 -SO -25 0 25
Temperatur
O(
Bild 1.1. Vertikale Temperaturverteilung in der Atmosphare
Luftdriicke praktisch keinen EinfluB mehr. Der Vollstandigkeit halber sind aber in Bild 1.1
auch noch die Temperaturverlaufe in der Mesosphare und im Anfangsbereich der Thermo
sphare skizziert. (Die an die Thermosphare anschlieBende Exosphare bildet den Obergang
zum interplanetaren Medium.)
Wichtig ist noch die Feststellung, daB sich innerhalb der von der Erdoberflache bis in eine
Hohe von etwa 110 km erstreckenden Homosphare 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-