Thermodynamischer Kreisprozess Fantriebwerk

[Manuel J]

Hi, seit langem mal wieder.

Muss bald mein Fachreferat über Jettriebwerke halten und hätte eine Frage an die Profis:

Aus was genau besteht der thermodyn. Kreiprozess von einem normalen Triebwerk (Kompressor/Brenner/Turbine/Düse so grob) ?

 

In einem Buch hab ich gelesen in dem Punkt, in dem die Luft vom atmosphärischen Druck in den Einlass kommt, dort einmal durch Staudruck und durch die versch. Kompressorstufen komprimiert wird und dadurch an Volumen verliert. Dabei jedoch Wärme abgibt. Was für ein Prozess ist das genau? ein Adiabater oder ein Isotroper? Der Unterschied ist mir nämlich nicht ganz klar.

 

Das selbe gilt dann auch für den Ausstoß, adiabat oder isotrop?

 

Werde da wohl noch die Tage ein paar mehr Fragen haben, da ich nicht sehr viele Informationsquellen habe.

 

Danke schonmal,

gruß

Manuel

[Wilko Wiedemann]

Das wär ne Frage für unseren User Tomy, der ist Triebwerksingeneur.

 

Gruss

 

Wilko

[Thomas H.]

Hoi Manuel

 

Ich kann Dir zwar nicht aus Ingeniersicht, jedoch aus physikalischer Sicht ein bischen weiterhelfen:

 

- Als adiabatisch wird in der Thermodynamik ein Prozess bezeichnet, wenn kein Austausch von Energie geschieht: Beim Komprimieren erhöht sich Druck und Temperatur, wenn das Volumen kleiner wird (pV=nRT, Gasgesetz). Das kann aber nur so sein, wenn das schnell geht, sonst wird nämlich Wärme ausgetauscht (z.B. von der Luft auf die Metallteile eines Triebwerks, oder z.B. merkt man bei einer Fahrradpumpe, dass sie sich erwährmt - es ist also Wärme von der Luft an die Pumpe abgegeben worden). In der realen Welt kommt das nie zu 100% vor, es wird immer ein wenig Energie ausgetauscht. Die Frage ist nur, ob die ausgetauschte Energiemenge eine Rolle spielt, verglichen mit der totalen Energiemenge - oft nicht, so dass man ruhig von adiabatischen Vorgängen ausgehen darf (als gute Näherung).

- Als Gegenteil würde man einen isothermen Prozess bezeichnen, wenn keine Änderung der Temperatur stattfindet, also beim sehr langsamen Abgeben der Wärme an die Umgebung. Dann nimmt also der Druck zu, wenn man das Volumen verkleinert, aber nicht die Temperatur. Man "verliert" so Energie aus dem Gas. Auch das ist real zu 100% schwierig zu bewerkstelligen.

- Die Wahrheit in einem Triebwerk wird also etwas dazwischen sein: Die Luft erwärmt sich beim Komprimieren, gibt aber auch Wärme ab. Somit resultiert hier für den Vortrieb ein Energieverlust. Erst bei der Verbrennung von Treibstoff kommt dann neue Energie dazu, die für den Vortrieb genutzt werden kann (dieser Prozess ist weder isotherm noch adiabatisch, sondern am ehsten isochor=gleichbleibendes Volumen). Sonst hätte man ja ein Perpetum mobile geschffen: Nur durch das Verdichten von Luft in einem 1/2 Staurohr (=Triebwerk) generiert man Vortrieb...

- Isotrop ist "räumlich gleichförmig", also ohne bestimmte Änderung von Eingenschaften bezüglich Richtung. Was das damit zu tun haben soll, ist mir grad nicht so klar. Ein Triebwerk ist doch gerade da, um eine Richtung festzulegen: Nach vorne soll es!

 

Gruss

 

Thomas

[Berni]

Hallo Manuel,

 

ich hab Dir hier zwei Auszüge aus meinem Triebwerkskunde-Lehrmaterial:

 

 

 

 

 

 

Gruß,

Berni

[IFixPlanes]

Du hast Post.

Auszüge aus dem Modul 15.1 laut EASA Part-66

(http://www.lba.de/deutsch/easa/b3/teil66de1.pdf)

 

Viel Erfolg beim Fachreferat. :005:

 

Ingo

[ArminZ]

Zum Verdichtungsprozess:

wie in den Erklärungen von Sklaan und Thomas H. schon gezeigt wird, wird zumindest der Verdichtungsprozess polytrop gerechnet (solange nicht zwischengekühlt wird). Im T-S Diagramm bedeutet dies, dass die Linie 1-2 nicht vertikal ist sondern leicht nach rechts geneigt (Entropie nimmt zu von nach 2). Wie 'stark' geneigt, das hängt eben vom Wirkungsgrad der Verdichtung ab (Aerodynamik der Schaufeln, aktueller Betriebspunkt)

 

Hab meine alten Thermo-Unterlagen nicht grad zur Hand für den Rest...

ähnliches gilt wahrscheinlich(?) für die Expansion 3-4: die Entropie im Punkt 4 ist leicht höher als im Punkt 3.

 

In der realen Welt ist das alles komplizierter, da z.B. während der Verdichtung und/oder während der Expansion gekühlt wird.

 

Gruss

[Tomy]

Zum Verdichtungsprozess:

wie in den Erklärungen von Sklaan und Thomas H. schon gezeigt wird, wird zumindest der Verdichtungsprozess polytrop gerechnet (solange nicht zwischengekühlt wird). Im T-S Diagramm bedeutet dies, dass die Linie 1-2 nicht vertikal ist sondern leicht nach rechts geneigt (Entropie nimmt zu von nach 2). Wie 'stark' geneigt, das hängt eben vom Wirkungsgrad der Verdichtung ab (Aerodynamik der Schaufeln, aktueller Betriebspunkt)

 

Hab meine alten Thermo-Unterlagen nicht grad zur Hand für den Rest...

ähnliches gilt wahrscheinlich(?) für die Expansion 3-4: die Entropie im Punkt 4 ist leicht höher als im Punkt 3.

 

In der realen Welt ist das alles komplizierter, da z.B. während der Verdichtung und/oder während der Expansion gekühlt wird.

 

Gruss

 

Hallo zusammen

 

Armin hat es gut auf den Punkt gebracht.. Allerdings sehe ich nicht ganz, was du meinst mit deiner letzten Bemerkung betreffend Kühlung während der Verdicvhtung bzw. Expansion. Mir ist kein Triebwerk im kommerziellen Einsatz bekannt, wo soetwas gemacht wird. Was man früher einmal versucht hat (bei der Einführung der B747) war Wassereinspritzung zu Kühlzwecken. Wenn mich aber nicht alles Täuscht, fand diese Abkühlung in der Brennkammer statt. Ich lasse mich aber gerne eines besseren belehren! :)

 

Zurück zum Thema. Isentrop ist kein Abschnitt im Triebwerk Kreisprozess. Das einzige was annähernd Isentrop d.h. ohne Verluste abläuft (wurde mir jedenfalls mal so beigebracht) ist die Verbrennung. Bei den beiden anderen Prozessen (Verdichtung und Expansion) steigt die Entropie immer an. Mir wurde beigebracht, dass diese beiden Prozesse immer als polytrope Zustandsänderungen zu betrachten sind. Einerseits ändern sich Druck sowie auch Temperatur des Gases. Die Temperatur wird, bedingt durch Verluste noch zusätzlich erhöht, was dann die Entropieerhöhung im T, S Diagramm erklärt.

 

Wenn Du oben die interaktiven Erklärungen anschaust, wirst Du sehen, dass Rolls Royce schon wieder ein ganz neues System ausgetüftelt hat, das den mächtigen A380 antreiben wird.

 

Eine sooo Bahnbrechende Neuerung gibt es nicht beim Trent 900, wenigstens was den Thermodynamischen Prozess angeht. Was neu ist, sind gegenläufig Drehende Rotoren um einen Teil der Kräfte die von den Triebwerksaufhängungen aufgenommen werden müssen zu reduzieren. Das hat aber nichts mit der Thermodynamik an sich zu tun, sondern ist einzig und allein eine Frage der Schaufelgeometrie.

[ArminZ]

Hallo zusammen

 

Allerdings sehe ich nicht ganz, was du meinst mit deiner letzten Bemerkung betreffend Kühlung während der Verdicvhtung bzw. Expansion.

 

Hoi Thomy

Kenne das ganze eher von der Verdichterberechnung/Auslegung her.

Bei der Vedichtung hast du natürlich recht - der Enddruck der Verdichtung ist relativ tief, sodass die Temperaturen vor der Verbrennung nicht allzu hoch sind.

Meines Wissens(?) wird aber doch z.T. Kühlluft durch hohle Schaufeln (beim Turbinenteil) geleitet und damit Wärme abgeführt.

Wollte primär nur sagen dass es da viele andere "Komplikationen bei der Berechnung gibt (die sich meiner Kenntnis entziehen) z.B wie/ob z.B der (kalte) "Seitenstrom" der nicht durch die Brennkammer geführt wird, zur Kühlung benutzt wird etc etc.

 

Bei "einfacher" Expansion wird mit einer Isentropie-gleichung gerechnet wobei der isentrope Wirkungsgrad die Abweichung zw. "idealer" und "realer" Welt berücksichtigt.

 

Off-Topic:

ein weiteres Kapitel (u.a.) bei der ganzen Sache ist dann noch die Berücksichtigung der Eigenfrequenzen (v.a. bei Axialvedichtern und -expandern).

Jeden Schaufel hat eine Eigenfrequenz, die durch nachfolgende /vorhergehende Schaufelreihen angeregt werden kann. Diese Frequenz hängt von der Schaufelgeometrie, der Betriebsdrehzahl und auch der Anzahl Schaufeln ab.

Durch verschiedene konstruktive Methoden (z.B. Kompromisse bei Schaufelgeometrie, Dämpfungsdrähte, Art der Schaufelbefestingung, Anzahl der Schaufelreihen) werden diese kritischen Frequenzen der einzelnen Stator- und Rotorschaufelreihen so beeinflusst, dass sie nicht in den "normalen" Betriebsbereich fallen.

 

EDIT:

siehe auch folgendes (gefunden in Google). Die Rede ist vom JUMO Triebwerk (eingebaut z.B in der Me262), ein für heutige Verhältnisse primitives Triebwerk:

For instance compressor bleed air of

the Jumo 004B4 of the Me 262 was 150C (Compressor pressure ratio

3.3, efficiency 0.79). For an engine of 7 to 1 compression ratio the

compressor outlet temperature can be 250C.

..the Jumo used 3% of its air for bleed cooling of hollow turbine, blade roots

and combustors). Furthermore in a multistage turbine bleed air

dilutes the air and cools it down thus lowering the efficiency of

subsequent stages.

 

(in einem anderen Thread)

As pointed out elsewhere, there is active cooling in jet

engines, and a _lot_ of work went into design and fabrication

of hollow, single-crystal, hot turbine blades, for example.

I think bleed air is also used downstream of the burners and

turbine as film cooling. I got that impression the few times

I've been able to look up the tailpipes of military jets.

 

also zumindest im militärischen Bereich werden Schaufeln (und auch andere Teile)mit Zapfluft gekühlt. Muss noch abklären wie siehts im zivilen Bereich aussieht...

Gruss

[Manuel J]

Hi!

 

Wow, bin echt dankbar für die Hilfe! Werde mir dann mal alles durchlesen, war nämlich die letzen drei Tage nicht da.

 

also echt stark !! *thumbs-up*

 

gruß

Manuel

[Tomy]

also zumindest im militärischen Bereich werden Schaufeln (und auch andere Teile)mit Zapfluft gekühlt. Muss noch abklären wie siehts im zivilen Bereich aussieht...

 

 

Hallo Armin

 

Da hast du natürlich Recht, das ist im zivilen Bereich Standart (mindestens für Hochdruckturbinen). Alllerdings ist meines Wissens der Grund vür diese Kühlung nichrt primär ein Thermodynamischer, sondern vielmehr ganz simpel der Schutz des Schaufelmaterials vor den hohen Temperaturen des Gasstromes. Diese "Kühlluft" ist in der Regel Zapfluft mit "Compressor Discharge Pressure" und entsprechend auch nicht gerade kalt. Wenn diese Luft jetzt also nach der Kühlung der Schaufel in den Gasstrom gelangt, führt das zu einer Senkung der Gasstrom Temperatur. Ob dies allerdings signifikant ist oder eher vernachlässigbar, kann ich nicht beurteilen, da ich sowas noch nie gerechnet habe :o Aus dem Bauch heraus würde ich sagen, dass diese Abkühlung eher vernachlässigbar ist, da der Hauptgasstrom viel grösser als der Kühlluftstrom ist , ist aber wie gesagt nur eine Schätzung.

[ArminZ]

hoi Tomy

hab erste Infos wegen Schaufelkühlung. Mein Insider sagt:

Kühlung der tw-schaufelung wird i.a. über den wirkungsgrad bzw. einen verlustbeiwert gerechnet[/Quote]Die Schaufelkühlung wirkt sich quasi als 'verminderter' Wirkungsgrad' aus.

Logischerweise will man nicht zuviel kühlen: die Kühlung senkt die 'Leistungsausbeute' (Leistung der Turbine) 1.wegen der tieferen Eintrittstemperatur des Gases, und 2.durch die 'verlorene' Kühlluftmenge.Auch wenn die Kühlluftmenge nur 'wenig' ist, so ist alles was vorne durch den Kompressor, aber am Schluss nicht durch die Turbine selber geht, quasi 'nicht realisierte Triebwerksleistung', d.h. ein Prozent mehr Luft durch die Turbine entspräche etwa einem Prozent mehr Turbinenleistung.

Gruss

[Ingo_Voigt]

Hallo zusammen,

 

wen Details interessieren:

http://www.glr.maschinenbau.tu-darmstadt.de/

 

und dann zu den Skripten - das Skript von Prof. Hennecke und Dr. Ing. Wörrlein ist sehr ausführlich und m.E. auch sehr gut. Zu finden ist darin z.B. der Kreisprozess des Triebwerks und die Asuwirkung der einzelnen Komponenten auf den Kreisprozess ...

 

Vielleicht hilft diese Referenz auch noch weiter ?

 

Grüße,

Ingo

[ArminZ]

Interessante Unterlagen!

Gruss