Flugzeugtriebwerke: Grundlagen, Aero-Thermodynamik, Kreisprozesse, Thermische Turbomaschinen, Komponenten- und Auslegungsberechnungen

801 Pages·2001·28.23 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Willy J. G. Bräunling (auth.)

Willy J.G. Bräunling
Flugzeugtriebwerke
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Willy J.G. Bräunling
FI ugzeugtriebwerke
Grundlagen,
Aero-Thermodynamik,
Kreisprozesse,
Thermische Turbomaschinen,
Komponenten- und
Ausleg ungsberechn un gen
Mit 508 Abbildungen und
33 vollständig durchgerechneten Beispielen
t
Springer
Prof. Dr.-Ing. Willy I.G. Bräunling
Fuchsberg 46
D-21394 Kirchgellersen
ISBN 978-3-662-07271-4
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Bräunling, I.G. Willy:
Flugzeugtriebwerke : Grundlagen, Aero-Thermodynamik, Kreisprozesse, thermische Turboma
schinen, Komponenten-und Auslegungsberechnungen 1 Willy I.G. Bräunling.
(VDI-Buch)
ISBN 978-3-662-07271-4 ISBN 978-3-662-07270-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-07270-7
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Yo rk 2001
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 2001
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Satz: Autorendaten
Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10749240 68/3020 - 5 4 3 2 1 0 -
Ingenieurlied
Dem Ingenieur ist nichts zu schwere.
Er lacht und spricht:
"Wenn dieses nicht, so geht doch das!"
Er überbrückt die Flüsse und die Meere.
Die Berge unverfroren zu durchbohren ist ihm Spaß.
Er türmt die Bögen in die Luft,
er wühlt als Maulwurf in der Gruft.
Kein Hindernis ist ihm zu groß,
er geht drauf los!
Was heut sich regt mit hunderttausend Rädern,
in Lüften schwebt, in Grüften gräbt
und stampft und dampft und glüht.
was sich bewegt mit Riemen und mit Federn,
und Lasten hebt, ohn' Rasten webt,
und locht und pocht und sprüht.
Was durch die Länder donnernd saust,
und durch die femen Meere braust,
das schafft und noch viel mehr,
Der Ingenieur!
Heinrich Seidel, Ingenieur, 1871
Vorwort
Das vorliegende Buch ist eine zusammengefasste, und z.T. erweiterte Ausarbei
tung der Vorlesungen Flugzeugtriebwerke und Gasturbinenantriebe, die ich seit
1992 an der Fachhochschule Hamburg, im Fachbereich Fahrzeugtechnik vor Stu
dentinnen und Studenten des 4. und 5. Semesters aus dem Studiengang Flugzeug
bau halte. Wesentliche Grundlagen der Höheren Mathematik, Strömungsmechanik
und Thermodynamik können dabei vorausgesetzt werden.
Ergänzend zu den Vorlesungen habe ich den Studenten in den letzten Jahren ein
sehr ausführliches Skript zur Verfügung gestellt, mit dem sie - wenn sie es denn
wollten - den Stoff erheblich vertiefen konnten. Dieses Skript ist Grundlage des
vorliegenden Buches. Aufgrund des Lernprozesses, den auch Lehrende in der Ar
beit mit Studierenden erfahren, haben sich Aufbau und Inhalt der Vorlesungen und
damit auch des Skriptes häufig gewandelt, so dass ich glaube, dass die hier vorlie
gende Gliederung des zu vermittelnden Stoffes in sich so logisch ist, dass die not
wendige Wissensvermittlung folgerichtig Kapitel für Kapitel aufeinander aufbaut.
Im ursprünglichen Skript wurden hinsichtlich der Bedürfnisse der Studenten al
le mathematischen Ableitungen vollständig und sehr detailliert dargestellt. Um a
ber den Umfang des hier vorliegenden Buches in Grenzen zu halten, musste auf
diese ausführliche Art der Darstellung verzichtet werden.
Flugzeugtriebwerke sind technisch sehr weitentwickelte und komplexe Ma
schinen, denen man sich nicht unbedingt sofort mit vollem theoretischen Elan an
nähern sollte. Eine mehr "populärwissenschaftliche" Einführung vereinfacht den
Einstieg in die Theorie ganz erheblich und schafft eine breite Grundlage, auf der
später auch komplizierteste Dinge, mal mehr und mal weniger verständlich, auf
gebaut werden können. Aus diesem Grunde habe ich das Buch mit drei eher be
schreibenden Kapiteln beginnen lassen, die es erlauben, eine sehr große Anzahl
von grundlegenden Begriffen und technisch/physikalischen Zusammenhängen an
schaulich zu definieren. Erst späteren Kapiteln ist es dann vorbehalten, die jeweils
erforderliche Theorie hinzuzufügen.
Aero- und Thermodynamik sind die physikalischen Grundlagen für eine Trieb
werksauslegung und gehören zu den durchaus anspruchsvolleren ingenieurwissen
schaftlichen Fächern. Nur wer eine gewisse Affinität zu diesen Fächern zu verspü
ren vermag, dem kann es schließlich auch gelingen, einen tieferen Einblick in die
grundlegende Physik der Flugzeugtriebwerke zu erlangen.
Ich selbst habe die Grundlagen der in diesem Buch vorgestellten aero
thermodynamischen Betrachtungsweise zu den Flugzeugtriebwerke erstmals in
den Vorlesungen von Prof. Dipl.-Ing. Otto David an der RWTH-Aachen kennen
und schätzen gelernt und später mit den bemerkenswerten Büchern von Prof. Dr.
Gordon C. Oates von der University of Washington in Seattle erheblich erweitern
können.
VIII Vorwort
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Flugzeugtriebwerke sind die thermischen
Turbomaschinen, deren Grundlagen ich in den anspruchsvollen Vorlesungen von
Prof. Dr.-Ing. H. E. Gallus an der RWTH-Aachen kannengelernt habe, bei dem ich
später auch promovieren konnte. Meine 13-jährige Tätigkeit im DLR (Deutsches
Zentrum für Luft- und Raumfahrt) in Göttingen hat ganz erheblich zum tieferen
Verständnis der Aero-Thermodynamik und der Turbomaschinen beigetragen. Hier
hat mich gerade die sehr angenehme und erfolgreiche Zusammenarbeit mit Herrn
Dr.-Ing. Fritz Lehthaus nachhaltig davon überzeugt, dass Gas- und Thermodyna
mik eine gediegene und anschauliche Einheit sein können.
Für die Durchsicht des Kapitels über die Thermischen Turbomaschinen und
für die hilfreichen Anregungen dazu möchte ich meinem ehemaligen Kollegen
Herrn Dr. rer.nat. F. Kost vom DLR Göttingen herzlich danken. Herm Prof. DrAng.
H. Zingel von der Fachhochschule Hamburg bin ich zu ausdrücklichem Dank für die
kritische Durchsicht der Kapitel I bis 4 sowie A und C verpflichtet. Seine Anregungen
zu den einzelnen Kapiteln habe ich gerne aufgenommen. Bei meinem Kollegen Herrn
Prof. Dr.-Ing. L. Schwarz von der Fachhochschule Hamburg bedanke ich mich ganz
besonders und sehr herzlich für die unkomplizierte Zurverfügungstellung seines Vor
lesungsmaterials über hochwarmfeste Legierungen für Turbinen.
Für die freundliche Genehmigung zum Abdrucken diverser Bildquellen (voll
ständig oder auch nur partiell) möchte ich mich ausdrücklich bei den folgenden
Firmen bedanken:
CFM International S.A., Melun, Frankreich
General Electric Aircraft Engines, Cincinnati, Ohio, USA
International Aero Engines (IAE), East Hartford, Connecticut, USA
MTU-München GmbH (DaimlerChrysler Aerospace), München
Pratt & Whitney (United Technologies), East Hartford, Connecticut, USA
Pratt & Whitney Canada Corp., Longueuil, Quebec, Canada
Rolls-Royce Deutschland GmbH, Dahlewitz
Rolls-Royce International Ltd., London, United Kingdom
Snecma S.A., Paris, Frankreich
Die Ausarbeitung und Erstellung des fertigen Buchmanuskripts, der Bilder, Dia
gramme und Beispielaufgaben aus dem bereits bestehenden Vorlesungsmaterial
hat neben den alltäglichen und umfangreichen Verpflichtungen in der Lehre weit
über ein Jahr an sehr konzentrierter Arbeit erfordert. In diesem Zusammenhang
bedanke ich mich ganz innig bei meiner Frau und meinem Sohn, die die daraus re
sultierenden familiären Belastungen mit einer beeindruckenden äußerlichen Ruhe
ertragen und außerdem auch noch alle zusätzlichen Lasten von mir fern gehalten
haben, so dass ich das Buch mehr oder weniger unbeschwert fertig stellen konnte.
Kirchgellersen, im Juni 2000 Diplom-Ingenieur
Prof. DrAng. Willy J.G. Bräunling
URL: http://www.fh-hamburg.de/perslBraeunling
E-Mail: [email protected]
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1 Physikalisches Prinzip des Strahlantriebs I
1.2 Geschichtlicher Werdegang des Strahlantriebs 3
1.3 Technische Methoden des Strahlantriebs 7
1.4 Einteilung der Flugantriebe 11
1.5 Der Strahlantrieb als bevorzugter Flugzeugantrieb 14
1.6 Welches Triebwerk bei welcher Geschwindigkeit? 14
2 Klassifizierung der Flugzeugtriebwerke 17
2.1 Turbostrahltriebwerke 19
2.1.1 Einstromtriebwerke 19
2.1.2 Zweistromtriebwerke 22
2.1.3 Turbo-Strahltriebwerke mit Nachbrenner 30
2.2 Wel1enleistungstriebwerke 32
2.2.1 Hilfstriebwerke 33
2.2.2 Propellerturbinentriebwerke 36
2.2.3 Hubschraubertriebwerke 37
3 Funktionsbeschreibung der Hauptkomponenten 39
3.1 Al1gemeine Bezeichnungen und Bezugsebenen 39
3.2 Triebwerkseinlauf 41
3.2.1 Subsonischer Einlauf 41
3.2.2 Supersonischer Einlauf 44
3.2.3 Turbopropeinlauf 45
3.2.4 Sonderformen von Triebwerkseinläufen 46
3.2.4.1 Standeinlauf 46
3.2.4.2 Fremdkörperabscheider 47
3.2.4.3 Vortex Dissipater 48
3.3 Verdichter 49
3.3.1 Fan-Sektion bei Turbofantriebwerken 49
3.3.2 Radialverdichter 51
3.3.3 Axialverdichter 53
3.3.3.1 Einwel1enverdichter 53
3.3.3.2 Mehrwel1enverdichter 55
3.3.4 Abblasen von Verdichterluft 57
3.3.5 Hilfsgeräteantriebe 58
3.3.6 Der Axialverdichter als bevorzugter Verdichter
für Strahltriebwerke 59
X Inhaltsverzeichnis
3.4 Brennkammer 61
3.4.1 Arten von Brennkammem 61
3.4.2 Hauptkomponenten einer Brennkammer 64
3.4.3 Luftverteilung in einer Brennkammer 66
3.4.4 Abgasemission aus der Brennkammer 68
3.5 Turbine 69
3.5.1 Aktions- und Reaktionsturbine 70
3.5.2 Mehrwellenturbinen 72
3.5.3 Besondere Anforderungen an Turbinenbeschaufelungen 73
3.5.3.1 Turbinenmaterialien 74
3.5.3.2 Turbinenkühlung 76
3.6 Schubverstärkung 77
3.6.1 Wassereinspritzung 77
3.6.2 Nachverbrennung 78
3.6.3 Arbeits- und Wirkungsweise von Nachbrennern 80
3.7 Schubdüse 82
3.7.1 Konvergente Schubdüsen 82
3.7.2 Mischer 84
3.7.3 Konvergent-divergente Schubdüsen 86
3.7.4 Schubvektorsteuerung 87
3.8 Schubumkehrer 89
3.9 Lärmminderung 91
4 Triebwerksschub 95
4.1 Impulssatz 95
4.2 Allgemeine Schubgleichung 97
4.3 Einlauf- und Gondelwiderstand 107
4.3.1 Zusammenhang zwischen Einlauf- und Gondelwiderstand 108
4.4 Sonderfälle der Schub gl eichung 109
4.4.1 Ideale Expansion und angepasste Schubdüse 109
4.4.2 Vemachlässigbare Brennstoff-und Zapfluftmassenströme 111
4.4.3 Bodenstandfall 112
4.5 Eindimensionale Abschätzung des Einlaufwiderstandes 112
4.6 Äußere Einflüsse auf den Triebwerksschub 117
4.7 Triebwerksleistungsstufen (engine power ratings) 119
4.7.1 Full-Rated Engine und Derated Engine 121
4.7.2 Flat-Rated Engine 122
5 Allgemeine Grundlagen und Definitionen 125
5.1 Spezifischer Schub 125
5.1.1 Turbojet 125
5.1.2 Turbofan 126
5.2 Spezifischer Brennstoffverbrauch 127
5.2.1 Turbojet 128
5.2.2 Turbofan 129
5.3 Einheitsmasse. Stirnflächenschub und Schubverhältnis 129
Inhaltsverzeichnis XI
5.4 Charakteristische Kenngrößen am Beispiel ausgeführter
Ein-und Zweistrom-Triebwerke 131
5.5 Wellenvergleichsleistung oder äquivalente Leistung bei
Turboproptriebwerken 134
5.5.1 Wellenvergleichsleistung im Flugfall 136
5.5.2 Wellenvergleichsleistung im Startfall 137
5.6 Spezifischer Brennstoffverbrauch und Einheitsmasse bei
Wellenleistungstriebwerken 138
5.7 Idealer Kreisprozess und spezifische Nutzarbeit 140
5.8 Nutz-, Schub-und Verlustleistung 147
5.9 Thermischer Wirkungsgrad 148
5.10 Vortriebswirkungsgrad 150
5.11 Gesamtwirkungsgrad 151
5.12 Zusammenhang zwischen spezifischem Schub, spezifischem
Brennstoffverbrauch und thermischem Wirkungsgrad 152
6 Aero-Thermodynamik idealer Flugzeugtriebwerke 155
6.1 Turbojet ohne Nachbrenner 156
6.1.1 Spezifischer Schub 156
6.1.2 Spezifischer Brennstoffverbrauch 159
6.1.3 Thermischer Wirkungsgrad 160
6.1.4 Vortriebswirkungsgrad 162
6.2 Ramjet 163
6.3 Ergebnisdarstellung für Turbo-und Ramjets 165
6.3.1 Optimales Verdichterdruckverhältnis und
maximaler spezifischer Schub 177
6.4 Turbojet mit Nachbrenner 183
6.4.1 Spezifischer Schub 184
6.4.2 Spezifischer Brennstoffverbrauch 186
6.4.3 Thermischer Wirkungsgrad 188
6.4.4 Vortriebswirkungsgrad 189
6.4.5 Vergleich zwischen Turbojets mit und ohne
Nachbrenner bei optimalem Verdichterdruckverhältnis 190
6.5 Turbofan mit separaten Schubdüsen 194
6.5.1 Leistungsgleichgewichte und Kreisprozess 196
6.5.2 Spezifischer Schub 199
6.5.2.1 Ergebnisdarstellung zum spez. Schub des Turbofans 201
6.5.3 Spezifischer Brennstoffverbrauch 205
6.5.3.1 Ergebnisdarstellung zum spez. Brennstoffverbrauch
des Turbofans 206
6.5.4 Schubverhältnis 208
6.5.4.1 Ergebnisdarstellung zum Schubverhältnis
des Turbofans 209
6.5.5 Thermischer Wirkungsgrad und Vortriebswirkungsgrad 212
6.5.5.1 Ergebnisdarstellung zu den Wirkungsgraden des
Turbofans 214
6.5.6 Optimales Bypassverhältnis und optimales Fandruckverhältnis 216