Flugzeugtriebwerke (eBook)

Professor Dr.-Ing. Willy J. G. Bräunling studierte Allgemeine Verfahrenstechnik an der FH in Düsseldorf und anschließend Luft- und Raumfahrt an der RWTH Aachen, Dipl.-Ing. 1979; arbeitete als Baureferendar beim Bundesamt für Wehrtechnik und Beschaffung sowie als wiss. Mitarbeiter am Institut für Experimentelle Strömungsmechanik des DLR in Göttingen; 1985 Promotion am Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen der RWTH Aachen; ab 1987 Leitung und Aufbau der Triebwerkssimulation im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt; seit 1992 Professor für Flugzeugtriebwerke und Turbomaschinen am Dep. Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) in Hamburg.

Vorwort zur dritten Auflage 6
Vorwort zur zweiten Auflage 8
Vorwort zur ersten Auflage 11
Inhaltsverzeichnis 13
Formelzeichen 28
1 Einführung 37
1.1 Physikalisches Prinzip des Strahlantriebs 37
1.2 Strahltriebwerke sind Wärmekraftmaschinen 40
1.3 Geschichtlicher Werdegang des Strahlantriebs 41
1.4 Technische Methoden des Strahlantriebs 52
1.5 Einteilung der Flugantriebe 58
1.6 Der Strahlantrieb als bevorzugter Flugzeugantrieb 60
1.7 Welches Triebwerk bei welcher Geschwindigkeit? 63
2 Klassifizierung der Flugzeugtriebwerke 65
2.1 Turbostrahltriebwerke 67
2.2 Wellenleistungstriebwerke 96
2.3 Zusammenfassung 108
3 Was man weiß – was man wissen sollte 110
3.1 Energie, Arbeit und Wirkungsgrad 110
3.2 Thermodynamischer Arbeitsprozess 113
3.3 Statischer Druck und Totaldruck 116
3.4 Temperatur und Wärme 119
3.5 Statische Temperatur und Totaltemperatur 120
3.6 Reynoldssches Ähnlichkeitsgesetz 124
3.7 Strömungsgrenzschichten 127
3.8 Widerstand umströmter Körper 132
3.9 Auftrieb umströmter Körper 136
3.10 Kompressible Gasströmungen 140
3.11 Düsen und Diffusoren 145
3.12 Wie und wo entsteht der Schub? 148
3.13 Änderungen von Geschwindigkeit, Druck und Temperatur innerhalb eines Triebwerks 152
3.14 Wie viel Schub braucht ein Triebwerk? 154
3.15 Fluggeschwindigkeit, Knoten und Machzahl 156
3.16 Schub, Leistung und äquivalente Leistung 158
4 Hauptkomponentenbeschreibung und zugehörige Technologien 160
4.1 Triebwerkseinlauf 160
4.2 Verdichter 169
4.3 Brennkammer 192
4.4 Turbine 202
4.5 Schubverstärkung 222
4.6 Schubdüse 237
4.7 Schubumkehrer 255
4.8 Zukünftige Technologien 262
5 Triebwerksschub 280
5.1 Impulssatz 280
5.2 Allgemeine Schubgleichungen 282
5.3 Sonderfälle der Schubgleichungen 304
5.4 Zulauf- und Gondelwiderstand 307
5.5 Äußere Einflüsse auf den Triebwerksschub 318
5.6 Triebwerksleistungsstufen 327
6 Definitionen und Grundlagen 346
6.1 Bezeichnungen und Bezugsebenen 346
6.2 Spezifischer Schub 349
6.3 Spezifischer Brennstoffverbrauch 351
6.4 Einheitsmasse, Stirnflächenschub und Schubverhältnis 353
6.5 Charakteristische Kenngrößen am Beispiel ausgeführter Turbojet- und Turbofantriebwerke 355
6.6 Wellenvergleichsleistung von Turboproptriebwerken 359
6.7 Spezifischer Brennstoffverbrauch und Einheitsmasse bei Wellenleistungstriebwerken 363
6.8 Idealer Kreisprozess und spezifische Nutzarbeit 365
6.9 Nutz-, Schub- und Verlustleistung 375
6.10 Thermischer Wirkungsgrad 377
6.11 Arbeitsverhältnis 381
6.12 Vortriebswirkungsgrad 383
6.13 Gesamtwirkungsgrad 386
6.14 Beispielrechnungen 387
6.15 Einige wissenswerte Zusammenhänge und Anmerkungen 396
6.16 Basisauslegung eines einfachen Turbojettriebwerks 405
6.17 Basisauslegung eines einfachen Turbofantriebwerks 411
7 Parametrische Kreisprozessanalyse idealer Flugzeugtriebwerke 420
7.1 Turbojet ohne Nachbrenner 421
7.2 Ramjet 430
7.3 Ergebnisdarstellung für Turbo- und Ramjet 432
7.4 Turbojet mit Nachbrenner 452
7.5 Turbofan mit separaten Schubdüsen 462
7.6 Turbofan mit Strahlmischung 505
7.7 Turbofan mit Strahlmischung und Nachverbrennung 518
7.8 Turboprop 527
7.9 Turboshaft 548
7.10 Turboshaft mit Rekuperator 551
7.11 Rekuperativer Turbofan mit Zwischenkühlung 566
8 Thermische Turbomaschinen 603
8.1 Grundlagen und Begriffe 603
8.2 Axialmaschinen 637
8.3 Radialmaschinen 722
8.4 Dreidimensionale Strömungen 779
8.5 Verluste in thermischen Turbomaschinen 816
9 Triebwerkseinlauf 832
9.1 Subsonischer Einlauf 833
9.2 Supersonischer Einlauf 865
10 Verdichter 891
10.1 Einleitung 891
10.2 Verdichterwirkungsgrade 895
10.3 Auslegungsgesichtspunkte für Axialverdichter 906
10.4 Verdichterkennfeld 962
10.5 Instabile Verdichterzustände 974
10.6 Fortschrittliche Verfahren der Axialverdichtergestaltung 994
11 Brennkammer 1005
11.1 Einleitung 1005
11.2 Eigenschaften von Flugzeugbrennstoffen 1008
11.3 Basiseigenschaften von Brennkammern 1012
11.4 Brennstoffdüsen und Zündung 1031
11.5 Schadstoffemissionen 1040
11.6 Charakteristische Kenngrößen 1059
12 Turbine 1074
12.1 Einleitung 1074
12.2 Turbinenwirkungsgrade 1080
12.3 Auslegungsgesichtspunkte für Axialturbinen 1087
12.4 Turbinenkennfeld 1104
12.5 Turbinenmaterialien 1114
12.6 Turbinenkühlung 1135
12.7 Festigkeit von Rotorschaufeln 1150
13 Schubdüse 1153
13.1 Eigenschaften und Aufgaben 1153
13.2 Rückwirkung der Schubdüse auf die Triebwerksleistung 1158
13.3 Konvergente Schubdüse 1165
14 Reale Triebwerkskreisprozesse 1171
14.1 Thermodynamische Betrachtung des realen Turbojetkreisprozesses 1174
14.2 Synthesebasiertes Berechnungsverfahren für Turbojet- und Turbofantriebwerke 1208
15 Triebwerkslärm 1282
15.1 Akustische Grundlagen zum Triebwerkslärm 1282
15.2 Lärmregularien 1291
15.3 Schallquellen 1295
15.4 Schallreduzierende Maßnahmen 1330
16 Triebwerkssysteme 1346
16.1 Hilfseinrichtungen und Hilfsgeräte 1346
16.2 Elektronische Triebwerksregelung 1358
16.3 Triebwerkleistungssteuerung 1379
16.4 Brennstoffsystem 1385
16.5 Ölsystem 1405
16.6 Wärmemanagementsystem 1421
16.7 Internes Triebwerksluftsystem 1425
16.8 Verdichterluftregelsystem 1437
16.9 Triebwerksvereisungsschutz 1450
16.10 Gondelbelüftung und Schutz vor Überhitzung und Feuer 1455
Anhang A Thermodynamik thermischer Turbomaschinen sowie idealer und realer Arbeitsfluide 1465
A.1 Thermodynamik thermischer Turbomaschinen 1465
A.2 Thermodynamik idealer und realer Arbeitsfluide 1490
A.3 Einige Grundlagen rechtsläufiger Kreisprozesse 1530
Anhang B Kompressible, isentrope Strömungen idealer Gase 1538
B.1 Schallgeschwindigkeit 1538
B.2 Kompressibilität 1541
B.3 Machsche Linie, Verdichtungsstoß und Expansionswelle 1548
B.4 Formeln für kompressible, isentrope Strömungen idealer Gase 1555
B.5 Stetig verlaufende isentrope Strömungen 1559
Anhang C Impulssatz für stationäre Strömungen 1577
C.1 Impuls 1577
C.2 Masse 1577
C.3 2. Newtonsches Axiom 1577
C.4 Substanzielle Änderung von Strömungsgrößen 1578
C.5 Allgemeiner Impulssatz der Mechanik 1583
C.6 Schwerpunktsatz der Mechanik 1584
C.7 Differenzialquotient nach Leibniz 1585
C.8 Reihenentwicklung nach Taylor 1585
C.9 Äußere Kräfte 1588
C.10 Gewichtskraft 1588
C.11 Druckkräfte an den freien Flächen 1589
C.12 Stütz- oder Haltekräfte 1590
C.13 Wahl der Kontrollfläche 1591
Anhang D Umrechnungsfaktoren zwischen physikalischen Dimensionen aus dem englisch/amerikanischen und dem deutschen Sprachbereich 1597
Anhang E Daten ausgeführter Flugtriebwerke 1601
Anmerkungen zur Bezeichnung von Triebwerken 1610
Anhang F Bestimmung der thermodynamischen Eigenschaften von Verbrennungsgasen 1614
F.1 Reaktionsstöchiometrie 1614
F.2 Spezifische Wärmekapazität 1615
F.3 Molmasse und spezifische Gaskonstante 1617
F.4 Enthalpieänderung 1618
F.5 Entropiefunktion 1620
F.6 Der FORTRAN 95 Quellcode 1623
Literatur 1628
Sachverzeichnis 1641