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Strahltriebwerk - Referat
Strahltriebwerk
Ein Strahltriebwerk, auch Turbinen-Luftstrahltriebwerk, Düsentriebwerk, oder Strahlturbine ist eine Gasturbine, die vor allem als Luftfahrtantrieb verwendet wird und nach dem Prinzip des Rückstoßantriebs arbeitet.
Die angesaugte Luft wird verdichtet, mit einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff vermischt, dann gezündet und verbrannt. Als Mischung aus Verbrennungsprodukten und Luft entsteht ein Heißgas, das als Antriebsstrahl wieder austritt, wobei Schub als Reaktionskraft auf den Rückstoß entsteht (Turbojet-Triebwerk).
Das Strahltriebwerk ist von herausragender Bedeutung für den kommerziellen Luftverkehr. Der mit Abstand größte Teil der Transportleistung in der Luftfahrt wird heute mit Strahltriebwerken erbracht: in (militärischen) Überschallflugzeugen kommen Turbojet (nur noch selten) oder Turbofan zum Einsatz, im kommerziellen Luftverkehr dominiert der Turbofan, auch Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (ZTL) genannt. Zusätzlich sind die Turboprop-Antriebe zu erwähnen.
Ein Strahltriebwerk ist in der heutigen Form fast immer ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk. Das Turbinen-Luftstrahltriebwerk saugt die Umgebungsluft ein und komprimiert sie zur Druckerhöhung in einem Verdichter. In der nachfolgenden Brennkammer wird der Treibstoff (in der Regel Kerosin) eingespritzt und diese Mischung dann verbrannt. Die Verbrennung erhöht die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit, wobei der statische Druck des Gases leicht abfällt. Die dem Gas zugeführte Strömungsenergie wird dann in der dahinter folgenden Turbine teilweise in Drehbewegung umgesetzt, wobei das Gas noch weiter expandiert (die Turbine entzieht also Energie). Die Turbine dient als Antrieb des Verdichters, des Fans und weiterer Aggregate wie Generatoren oder Kraftstoff- und Hydraulikpumpen. Das Gas expandiert in die hinter der Turbine liegende Schubdüse auf fast Umgebungsdruck, wobei die Strömungsgeschwindigkeit weiter gesteigert wird. Bei vielen im militärischen und Überschall-Bereich arbeitenden Strahltriebwerken ist zur Leistungssteigerung hinter der Turbine noch ein Nachbrenner angebracht.
Das Anlassen des Triebwerkes erfolgt, indem der Verdichter auf eine Mindestdrehzahl gebracht wird. Dies kann durch Einblasen von Luft, elektrisch, mittels einer getrennten Turbine mit Untersetzungsgetriebe (Luftstarter/Kartuschenstarter) oder durch einen kleinen Verbrennungsmotor erfolgen.
Rückstoßantrieb
Rückstoßprinzip einer Rakete
Der Rückstoßantrieb oder Reaktionsantrieb ist eine praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms. Das angetriebene Objekt, zum Beispiel eine Rakete, wird durch den Rückstoß mit der gleichen Kraft nach vorn beschleunigt, mit der das Antriebsmedium nach hinten ausgestoßen wird.
Im Weltraum ist der Rückstoßantrieb die einzige Möglichkeit, ein Raumschiff abseits von massereichen Himmelskörpern und starken Strahlungsquellen zu beschleunigen.
Physikalischer Hintergrund
Entsprechend dem 3. Newtonschen Axiom (actio est reactio, auch „Reaktionsprinzip“ oder „Wechselwirkungsprinzip“), werden zwei Massen, die eine Kraft aufeinander ausüben, beschleunigt. Somit ergibt sich für beide Massen (nach Beendigung der Krafteinwirkung) eine Geschwindigkeit. Entsprechend der Definition für den Impuls
ergeben sich für diesen Fall folgende Relationen der Impulse zueinander:
(Hierbei stellt zum Beispiel bei einer Rakete den Impuls der ausgestoßenen Verbrennungsprodukte dar, und den dadurch entstehenden entgegengesetzten Impuls der Rakete)
Dabei ist zu berücksichtigen, dass zur Erzeugung dieser Impulse eine definierte Energie zur Verfügung stehen muss, welche die entsprechende Beschleunigungsarbeit verrichten kann. Hat eine Masse einen Impuls, verfügt sie über eine kinetische Energie.
mv²/2=E
Mantelstrom
Der Mantelstrom (auch By-pass, Kaltluft-, Neben-, Sekundär-Strom) ist ein Luftstrom in einem Strahltriebwerk (genauer: In einem Mantelstromtriebwerk). Als Mantelstrom wird jener Luftstrom bezeichnet, der am Kerntriebwerk vorbei geleitet wird, und nicht in der Gasturbine zur Aufrechterhaltung der Verbrennung und Erzeugung einer (Wellen-)Leistung verwendet wird.
Der Kernstrom (primär), also jener Strom, der den Verdichter, die Brennkammer und die Turbine durchläuft, hält den Verbrennungsprozess aufrecht. Naiv formuliert ist es die Luft, die jedes Triebwerk „zum Atmen“ braucht. Der Kernstrom passiert nach der Verbrennung und der Expansion die Hochdruck- und schließlich die Niederdruckturbine. Letztere wiederum ist der Antrieb für den sogenannten Fan, der die Luft in das Triebwerk durch die Erzeugung einer Druckdifferenz befördert. Baulich betrachtet teilt sich hinter dem Fan die eingebrachte Luft in Kern- und Mantelstrom.
Der Mantelstrom wird durch den sich drehenden Fan (je nach Gasturbine etwa 3000/min) lediglich beschleunigt und um die Gasturbine in einem Mantel herumgeleitet. Diese beschleunigte Luftmasse macht bei modernen Mantelstrom-Triebwerken etwa 80 % des Schubes aus. Beim Austritt aus dem Mantel vereinigt sich der Mantelstrom wieder mit dem Kernstrom, der als warmes Gas aus der Düse austritt.
Flugzeug-Triebwerke mit einem Mantelstrom (ältere Triebwerksmuster verfügten nur über einen primären Luftstrom) haben eine Reihe von Vorteilen: Sie verbrauchen weniger Kraftstoff, da nur ein Teil der Luft für den Verbrennungsprozess genutzt, der andere, viel größere Teil, nur durch eine Luftschraube beschleunigt wird; sie sind leiser, da sich der Mantelstrom mit all seinen Verkleidungen schallisolierend um die Gasturbine legt; sie haben in der Regel eine höhere Lebensdauer, da nur etwa 20 % des erzeugten Schubes durch thermisch und mechanisch hoch belastete Komponenten erzeugt wird.
Lufteinlauf
Der Lufteinlauf (Einlass) ist meist nach vorn geöffnet. Das unterstützt seine Aufgabe, als Diffusor kinetische Energie der Anströmung in eine Erhöhung von Druck und Temperatur umzusetzen. Zudem steigt mit der Temperatur die Schallgeschwindigkeit. Beides zusammen verhindert, dass die schnell rotierenden Verdichterschaufeln mit Überschallgeschwindigkeit („transsonisch“) durchströmt werden.
Ein Diffusor ist ein Bauteil das Gas-/Flüssigkeitsströmungen verlangsamt und den Gas-/Flüssigkeitsdruck erhöht. Es stellt im Prinzip die Umkehrung einer Düse dar. Er dient weiterhin zur „Rückgewinnung“ von kinetischer Energie in der Rohrhydraulik. So werden Diffusoren technisch genutzt, um kinetische Energie in Druckenergie zu wandeln. Dazu muss die Strömung verzögert werden. Man erreicht dies in der Regel durch eine stetige oder unstetige Erweiterung des Strömungsquerschnitts, die geometrisch auf verschiedene Weisen realisiert werden kann.
Fan
Der Fan sorgt für die Erzeugung des Mantelstroms, der zwischen der eigentlichen Gasturbine und äußerer Triebwerksverkleidung herumgeführt und nach hinten ausgeblasen wird.
Die Schaufeln des Fans laufen so in ihrem optimalen Geschwindigkeitsbereich, was die Effizienz des Triebwerks verbessert. Dies verringert nicht nur den Verbrauch, sondern auch die Lärmemission. Durch die niedrigere Drehzahl werden die Zentrifugalkräfte reduziert und die Beschaufelung des Fans kann leichter dimensioniert werden.
Turbine
Die nach hinten austretenden Gase treffen anschließend auf eine Turbine, die über eine Welle (evtl. mit dazwischenliegendem Getriebe) den Verdichter antreibt. Bei den meisten Einstrom-Triebwerken wird der größte Teil der kinetischen Energie für den Rückstoß genutzt. Es wird also nur so viel Energie auf die Turbine übertragen, wie für den Betrieb des Verdichters gebraucht wird. Heute werden meist zwei- oder dreistufige Turbinen eingesetzt.
Schubdüse
Hinter der Turbine ist eine Düse angebracht, durch die das Gas auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird und damit den Schub erzeugt, weshalb diese Düse Schubdüse genannt wird. Das am Turbinenausgang vorhandene Druckgefälle (Turbinenausgangsdruck – Umgebungsdruck) wird dabei vollständig in Geschwindigkeit umgesetzt. Solange das Druckverhältnis von Turbinenausgangsdruck zu Umgebungsdruck kleiner als ein sogenannter kritischer Wert von etwa zwei ist, ist der Druck am Düsenende gleich dem Druck in der Umgebung. Eine konvergente Düse reicht dann aus. Wenn aber das Druckverhältnis größer als das kritische Verhältnis ist, dann beschleunigt der Strahl auf Überschallgeschwindigkeit. Konvergent-divergente Düsen, also Düsen mit einem engen Hals, sind dann von Vorteil, weil dann der Schub größer wird und der Strahl mit schwächeren Verdichtungsstößen austritt und damit deutlich leiser ist.
Flüssige Kraftstoffe
Kerosin, Motorpetroleum bzw. Petroleum
Benzin (Ottokraftstoff)
Zweitaktgemisch (Ottokraftstoff mit Ölzusatz)
Benzin-Benzol-Gemisch (Bibo) (Ottokraftstoff)
Dieselkraftstoff
Biodiesel
Leichtbenzin
Pflanzenöl
Gasöl
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