Maximale Umdrehungszahl Jet-Triebwerk

[Fabian R.]

Hallo zusammen :) :) :)

 

Ich hab da eine Frage die mir grade im Kopf herumschwebt.

 

Was für eine Umdrehungszahl hat eigentlich eine normale Jet-Turbine wenn sie im Stand dreht und bei der Maximalbelastung ? (Eigentlich Umdrehungen pro Minute)

 

Wird ziemlich schnell sein.. :eek: :eek:

[J-MikeBravo]

Hallo Fabian,

 

die meisten TL-Triebwerke (TL steht für Turbinenluftstrahl) haben entweder eine, zwei oder drei Wellen. Diese Wellen werden nach den Baugruppen benannt, die sie antreiben, bzw. von denen sie angetrieben werden.

Beispiel: Die Welle, auf der Hochdruckverdichter und Hochdruckturbine sitzen, ist die Hochdruckwelle, bei einem Triebwerk mit 2 Wellen wird ihre Drehzahl üblicherweise mit N2 bezeichnet. Die Niederdruckwelle hat folglich die Drehzahlanzeige N1. Auf den Triebwerksinstrumenten werden beide angezeigt, ihre Werte haben jedoch für die Bedienung des Triebwerks (z.B. beim Anlassen) verschiedene Bedeutungen.

Bei einem Triebwerk mit nur einer Welle, das sind meistens ältere Modelle aus den 50er und 60er Jahren, gibt es logischerweise auch nur eine Drehzahl.

So, nun zu ein paar Werten.

 

General Electric J79-17A, Antrieb der F-4B Phantom II (Einwellentriebwerk):

Leerlaufdrehzahl (67%): 5000 1/min

Maximaldrehzahl (100%): 7685 1/min

 

Pratt & Whitney PW2037, Antrieb der Boeing 757 (Zweiwellentriebwerk):

Leerlauf:

17,8 % N1 = 811 1/min

60,4 % N2 = 7400 1/min

Maximal:

100,5 % N1 = 4575 1/min

100 % N2 = 12250 1/min

 

Maximaldrehzahl bedeutet in diesem Fall die maximale erlaubte Drehzahl. Rein theoretisch kannst du ein TL-Triebwerk locker auf 110% N1 oder N2 beschleunigen, das machen nur die rotierenden Teile nicht lange mit.

 

Im Kontrast zur alten Mühle J79 eine nicht ganz so alte Mühle: Turbounion RB199 Mk105, Antrieb des Tornado ECR (Dreiwellentriebwerk):

(leider habe ich im Moment nur die Maximaldrehzahlen ohne Nachbrenner parat)

N1 11900 1/min

N2 (in diesem Fall die Mitteldruckwelle) 15900 1/min

N3 19400 1/min

 

Ich hoffe, das verschafft dir ein bisschen Überblick. Wie du siehst, gibt es keine "normale" Turbine, denn jede Turbine muss speziell für ein Triebwerk konstruiert werden. Die Grundlagen bleiben natürlich dieselben.

 

Grüße

Jonas

[easaman]

Was für eine Umdrehungszahl hat eigentlich eine normale Jet-Turbine wenn sie im Stand dreht und bei der Maximalbelastung ? (Eigentlich Umdrehungen pro Minute)

 

Wird ziemlich schnell sein..

 

Die Drehzahl hängt vom Durchmesser ab! Bedingt von der Bauart, muss man aufpassen, dass die Blattspitzen nicht in den Überschallbereich kommen.

Gruß Otmar

[ArminZ]

Die Drehzahl hängt vom Durchmesser ab! Bedingt von der Bauart, muss man aufpassen, dass die Blattspitzen nicht in den Überschallbereich kommen.

Gruß Otmar

Zumindest beim Fan (die ersten Stufen mit den grossen Schaufeln) liegen die Geschwindigkeiten der Blattspitzen schon knapp im Überschallbereich. Gleiches gilt wahrscheinlich auch für die ersten Verdichterstufen. Stichwort 'transsonische Profile'.

[IFixPlanes]

IAE V2530-A5

N1 : 100% = 5650 RPM

N2 : 100% = 14950 RPM

 

 

CFM 56-5A1

N1 : 100% = 5000 min -1

N2 : 100% = 14460 min -1

 

 

CFM56-5C4

N1 : 100% = 5300 min- 1

N2 : 100% = 14460min- 1

 

 

RB211-Trent 900

N1 : 100% = 2900 rpm (maximum N1 is 96.1%)

N2 : 100% = 8300 rpm (maximum N2 is 97.8%)

N3 : 100% = 12200 rpm (maximum N3 is 97.8%)

[Volume]

Die Drehzahl hängt vom Durchmesser ab! Bedingt von der Bauart, muss man aufpassen, dass die Blattspitzen nicht in den Überschallbereich kommen.

Und nicht vergessen, dass die Schallgeschwindigkeit auch wesentlich von der Temperatur abhängt (je heisser, desto schneller). Der Hochdruckteil darf daher auch entsprechend schneller drehen bzw. die Turbine darf mehr Durchmesser haben, als der Verdichter auf der selben Welle.

Bei klassisch ausgelegten TL-Triebwerken (bevor man wusste was CFD und Computer sind...) wird im engsten Querschnitt der Turbinenstatoren (also an der Endleiste der Leitschaufeln) genau Schallgeschwindigkeit erreicht. Das macht man, um eine "Informationsübertragung" durch die Luft zu verhindern, sprich der Verdichter hat keine Ahnung davon, was hinter dem Turbinenleitrad passiert. So kann man den Verdichter ausschließlich nach Drehzahl, Luftdurchsatz und Druck auslegen, und braucht sich um die aerodynamischen Eigenschaften der Turbine keine Gedanken mehr zu machen. Die einzige Koppelung zwischen den physikalischen Ereignissen in der Turbine und im Verdichter ist dann die Welle. Die Aerodynamik kann man unabhängig betrachten.

Das bewirkt natürlich, dass in der Turbine selbst wenn sie sich nicht drehen würde bereits Schallgeschwindigkeit herrscht, sprich die Turbinenspitzen sind immer im Überschall.

 

Aber die Grundaussage ist klar, je kleiner das Triebwerk desto schneller.

siehe z.B. Datenblatt PW610 (Eclipse 500 Triebwerk)

 

ENGINE SPEED LIMITATIONS, RPM

Max steady state low rotor (N1) 22542 (102%)

Max steady state high rotor (N2) 48000 (100%)

Transient (20 sec.) low rotor (N1) 22763 (103%)

Transient (20 sec.) high rotor (N2) 48960 (102%)

(Brav als Zitat gekennzeichnet, Ich bin ja nicht Verteidigungsminister :D)

 

 

Gruß

Ralf

[Brufi]

Und nicht vergessen, dass die Schallgeschwindigkeit auch wesentlich von der Temperatur abhängt (je heisser, desto schneller). Der Hochdruckteil darf daher auch entsprechend schneller drehen bzw. die Turbine darf mehr Durchmesser haben, als der Verdichter auf der selben Welle.

Dass die Turbinenschaufeln normalerweise auf einem grösseren Radius sitzen als die Kompressorschaufeln, hat wenig mit der Schallgeschwindigkeit zu tun. Es gibt durchaus Turbinenstufen wo die Abströmung aus dem Leitrad deutlich im Überschall liegt, allerdings bei Regelstufen von Dampfturbinen. Bei Gasturbinen wird dies nicht angewandt, die Verluste sind zu gross.

Der Grund für den grösseren Radius liegt im Stufengefälle (Enthalpiegefälle delta h) und der Stufenbelastung (delta h/U^2). Die Heissgasströmung wird im Kanal zwischen den Leitschaufeln stark beschleunigt, dabei wird statischer Druck und statische Temperatur abgebaut und in Geschwindigkeit umgewandelt. Das stark in Umfangsrichtung umgelenkte Heissgas trifft auf die Laufschaufeln, allerdings mit einer anderen, viel geringeren Relativgeschwindigkeit als es aus den Leitschaufeln austritt, weil die Laufschaufeln ja in Drehrichtung umlaufen. In den Kanälen zwischen den Laufschaufeln wird das Heissgas wieder umgelenkt, diesmal in die andere Richtung, und es wird, jedenfalls bei den üblichen Turbinenstufen mit Reaktionsgrad von ca. 0.5, erneut beschleunigt und dabei weiter Druck und Temperatur abgebaut.

Der Unterschied zu einer Kompressorstufe ist u.a. der, dass pro Stufe ein mehrfach grösseres Gefälle abgebaut werden kann als in einer Kompressorstufe aufgebaut. Aber für einen guten Wirkungsgrad darf eben die Stufenbelastung (delta h/U^2) nicht allzu gross sein. Für ein maximales Stufengefälle muss also entsprechend die Umfangsgeschwindigkeit U der Laufschaufeln möglichst gross sein, ergo müssen sie auf einem grossen Radius auf der Welle angebracht sein.

Bei klassisch ausgelegten TL-Triebwerken (bevor man wusste was CFD und Computer sind...)

Ich habe eine grosse Hochachtung vor den alten Meistern, welche mit einem Satz von Formeln und Diagrammen und einem Rechenschieber seinerzeit grossartige Maschienen ausgelegt und konstruiert haben. Was man heute mit einem enormen Rechenaufwand tut, basiert nachwievor auf den gleichen Grundlagen. Die fundamentalen Auslegungsregeln haben mit CFD (colorfull fluid dynamics :D) wenig zu tun. CFD und andere numerische Rechenmethoden ermöglichen eine genauere und detailiertere Berechnung in vielerlei Hinsicht, aber an den Grundregeln ändert sich dadurch gar nichts.

Aber die Grundaussage ist klar, je kleiner das Triebwerk desto schneller.

Ja, soweit die Drehzahl gemeint ist. Die Umfangsgeschwindigkeiten der Schaufeln sind vergleichbar. Eine wichtige Auslegungslimite ist die Fliehkraftbelastung der Schaufeln und der Schaufelbefestigung in der Welle und der Welle selbst. Diese Belastung skaliert mit dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit.

 

Gruss

Philipp

[Hägar]

(leider habe ich im Moment nur die Maximaldrehzahlen ohne Nachbrenner parat)

 

Da gibt's keinen Unterschied. (von wenigen Ausnahmen abgesehen)

 

Der Nachbrenner hat grundsätzlich keinen Einfluss auf den Luftdurchsatz eines Triebwerks, somit bleibt die Maximaldrehzahl gleich wie im Trockenbetrieb.

 

 

Gruss

 

Ruedi

[Konrad]

Ich habe eine grosse Hochachtung vor den alten Meistern, welche mit einem Satz von Formeln und Diagrammen und einem Rechenschieber seinerzeit grossartige Maschienen ausgelegt und konstruiert haben. Was man heute mit einem enormen Rechenaufwand tut, basiert nachwievor auf den gleichen Grundlagen. Die fundamentalen Auslegungsregeln haben mit CFD (colorfull fluid dynamics :D) wenig zu tun. CFD und andere numerische Rechenmethoden ermöglichen eine genauere und detailiertere Berechnung in vielerlei Hinsicht, aber an den Grundregeln ändert sich dadurch gar nichts.

 

Phillip,

 

Amen!

Das waren noch echte Ingenieure und wenn der Strom ausfällt sind sie es immer noch.

BTW: CFD = colors for directors

 

Zur Umfangsgeschwindigkeit: die Grenze ist die Fliehkraftbelastung für die Scheibe. Aus dem Grund der ganze Aufwand mit BLISK in den hinteren und CFK Schaufeln in den vorderen Verdichter Stufen. Jetzt kommt aus dem gleichen Grund der Getriebefan. Der höhere Arbeitsumsatz pro Stufe in der LPT spart mindestens 2 Stufen!

Die transsonische Strömung wird in der LPT inzwischen auch in Laufschaufeln akzeptiert, wenn die strömungsmechanischen Verluste unterm Strich kleiner sind als die Gewinne durch die mit der höheren möglichen Belastung eingesparten Stufen.

 

Konrad

[J-MikeBravo]

Da gibt's keinen Unterschied. (von wenigen Ausnahmen abgesehen)

 

Der Nachbrenner hat grundsätzlich keinen Einfluss auf den Luftdurchsatz eines Triebwerks, somit bleibt die Maximaldrehzahl gleich wie im Trockenbetrieb.

 

Da hast du natürlich recht. Ich meinte mit meiner Angabe die Drehzahlen, die das Triebwerk (auf dem Prüfstand) erreicht, wenn die Leistung auf Max Dry eingestellt wird. Hier habe ich eben die entsprechende Leistungsangabe als Bezeichnung für die Drehzahl verwendet.

 

Wenn nun aber bei Max A/B die Schubdüse ganz geöffnet wird, wirkt sich das wirklich überhaupt nicht auf den Luftstrom im Triebwerk aus?

[Konrad]

Da gibt's keinen Unterschied. (von wenigen Ausnahmen abgesehen)

 

Der Nachbrenner hat grundsätzlich keinen Einfluss auf den Luftdurchsatz eines Triebwerks, somit bleibt die Maximaldrehzahl gleich wie im Trockenbetrieb.

 

So einfach ist das nicht.

Wenn das TW ohne NB einen stabilen Betriebspunkt hat und dann wird der NB gezündet, muss der engste Querschnitt der Schubdüse (A8) geöffnet werden, damit der jetzt heissere Massenstrom weiterhin ungehindert durch diesen abfliessen kann.

 

Wenn der Regler das "vergisst", steigt der Druck hinter der Turbine im Verhältnis Wurzel(TmNB/ToNB) an.

Damit geht das von der Turbine abbaubare Gefälle runter.

Damit geht die Turbinenleistung runter.

Die Drehzahl wird abfallen.

Der Verdichter saugt weniger Luft an.

Der Druck im TW fällt ab.

...

Beim Auto sagt man abwürgen.

 

Mit dem Nachbrenner und dem engsten Querschnitt der Düse A8 kannst Du also sehr wohl die Drehzahl der letzen Turbinenwelle und damit Leistung und Drehzahl der Turbogruppe massiv beeinflussen.

Wenn der Betriebspunkt des Gaserzeugers beibehalten werden soll, dann muss der Druck dahinter konstant gehalten werden. Das macht der Regler, indem er (A8mNB/A8oNB) = Wurzel(TmNB/ToNB) einstellt.

 

Für den optimalen Betrieb muss dann noch der Düsenaustrittsquerschnitt im Verhältnis zum engsten Querschnitt angepasst werden.

 

Konrad

[J-MikeBravo]

Genau das habe ich gemeint. Drehzahlmäßig gibt es aber trotzdem keinen Unterschied, oder?

 

Umgekehrt ist es ja auch fatal, wenn nach dem Abschalten des Nachbrenners die Schubdüse durch einen Ausfall oder Fehler des Reglers im geöffneten Zustand bleibt, die Leistung reduziert wird und der Schub dadurch erheblich abnimmt (Kontinuitätsgesetz). Bei Triebwerken wie dem RB199 wird ja nicht nur der Schubdüsenquerschnitt beim Nachbrennerbetrieb verändert, sondern als Funktion bestimmter Parameter über die gesamte Leistungskurve hinweg. Die simple Gleichung "kleiner Querschnitt --> große Geschwindigkeit" nach dem Prinzip der Düse funktioniert hier nur begrenzt, weil ein zu kleiner Querschnitt eben einen Rückstau in Richtung Turbine verursacht, der zu einem Leistungsverlust führt.

[Hägar]

Drehzahlmäßig gibt es aber trotzdem keinen Unterschied, oder?

 

Nein, natürlich nicht.

 

Konrad’s Ausführungen beziehen sich ja auch nicht auf den Normalbetrieb sondern darauf, was bei einer Fehlfunktion der Schubdüsenregulierung passieren könnte.

Der Vergleich mit dem Abwürgen eines Automotors ist übrigens ziemlich verharmlosend; wenn tatsächlich bei kleinstem Schubdüsenquerschnitt der Nachbrenner betrieben wird, entstehen in kürzester Zeit schwere Schäden.

 

 

Gruss

 

Ruedi