Untersuchungen zum Einfluss gezahnter Düsen auf Leistungsfähigkeit und Betrieb moderner ziviler Luftstrahltriebwerke
Seiten
2006
|
1., Aufl.
dissertation.de (Verlag)
978-3-86624-187-9 (ISBN)
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978-3-86624-187-9 (ISBN)
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In der vorliegenden Arbeit werden die Wirkungsweise sowie die Auswirkungen einer Chevrondüse auf ein modernes Zweistromtriebwerk untersucht. Dazu wird von einem Basistriebwerk mit zwei konvergenten Düsen ausgegangen und dies mit einer veränderten Konfiguration mit einer Chevrondüse im Kernstrom verglichen. Bei den Auswirkungen werden sowohl Änderungen im Betriebsverhalten des Triebwerks als auch ökonomische Folgen beim Einsatz einer Chevrondüse an einem Zweistromtriebwerk betrachtet.
Die numerischen Simulationen und die Experimente im Wasserkanal, die zur Feststellung der Wirkungsweise der Chevrondüse durchgeführt wurden, zeigten im Strömungsverhalten eine Vielzahl ähnlicher Phänomene wie sie bei Blütenmischern, die ebenfalls zur Lärmminderung eingesetzt werden, auftreten. So entstehen an den Seitenflanken der Chevrons identische Längswirbelstrukturen, wie sie an den Flanken von Blütenmischern auftreten. Die Chevrondüse benötigt hierzu eine etwas verlängerte Anlaufstrecke zur Ausbildung der Effekte. Der Schubgewinn, der durch den Einsatz interner Mischer erzielt wird, tritt bei der Chevrondüse nicht auf, da die Mischung erst im Nachlauf der Düse und somit außerhalb des für den Schub relevanten Bilanzbereichs stattfindet. Der Einsatz von Chevrondüsen führt im Gegensatz zu den Blütenmischern zu einem Schubverlust. Dieser auch in der Literatur beschriebene Effekt kann mit dem Strömungsprofil im Austrittsquerschnitt der Chevrondüse erklärt werden. Als zusätzliches strömungsphysikalisches Phänomen tritt eine veränderte Stoßlage und -konfiguration an den Hinterkanten der Chevrondüse auf. Hierbei wird der starke senkrechte Stoß, wie er häufig im Nachlauf konvergenter Düsen auftritt, durch einen schwachen schrägen Stoß und einen ebenfalls schwächeren senkrechten Stoß ersetzt. Diese neue Konfiguration bewirkt eine zusätzliche Lärmminderung bei Einsatz einer Chevrondüse.
Aus den numerischen Simulationen werden der Massenstrom- und Geschwindigkeitskoeffizient sowie der Koeffizient des spezifischen Schubs entnommen. Die numerischen Simulationen werden zur Vergleichbarkeit für beide Triebwerkskonfigurationen durchgeführt. Der Düsenaustrittsquerschnitt stellt sich hierbei als komplexe drei-dimensionale Fläche dar, die nicht eindeutig bestimmt bzw. durch geometrische Definitionen angegeben werden kann. Als wichtigstes Ergebnis stellt sich heraus, dass die vereinfachte Betrachtung des Betriebsverhaltens einer Schubdüse allein durch Scale-Model-Tests, unter der Vernachlässigung von Mach- und Reynoldszahleffekten, für eine Chevrondüse nicht mehr uneingeschränkt zulässig ist. Die Chevrondüse weist ebenfalls ein verändertes Sperrverhalten auf. Die Düse sperrt nicht mehr bei dem kritischen Druckverhältnis, sondern erst bei Düsendruckverhältnissen $/Pi > 2,5$. Dieses Verhalten muss bei der Auslegung des Triebwerks berücksichtigt werden. Desweiteren ergibt sich ein geringerer Wert des Koeffizienten des spezifischen Schubs, der durch die nicht vollständige Expansion von Teilen des Heißgases in der Chevrondüse hervorgerufen wird.
Die Änderung des Betriebsverhaltens des Gesamttriebwerks resultiert aus dem größeren Düsenaustrittsquerschnitt und den schlechteren Koeffizienten des spezifischen Schubs. Die vergrößerte Düsenfläche bewirkt eine größere Expansion in der Niederdruckturbine und damit eine größere Arbeitsumsetzung über die Niederdruckwelle in dem Fan. Der Massendurchsatz des Triebwerks mit Chevrondüse steigt gegenüber dem Basistriebwerk an. Dadurch steigt bei konstanter Turbineneintrittstemperatur der Bruttoschub des Nebenstroms sowie der Einlaufimpuls. Der Bruttoschub des Kerntriebwerks sinkt deutlich aufgrund der größeren Expansion der Niederdruckturbine und dem geringeren Koeffizienten des spezifischen Schubs.
Die betriebswirtschaftliche Auswirkung beim Einsatz einer Chevrondüse wurde auf die Einsparung bei Landegebühren durch die Lärmreduktion sowie die Mehrausgaben durch den erhöhten Treibstoffverbrauch beschränkt. Durch die komplexe Gebührenstruktur zur Lärmberücksichtigung ist eine generelle Aussage über die Wirtschaftlichkeit nicht möglich. So führt der Einsatz einer Chevrondüse auf bestimmten Routen im innereuropäischen Flugverkehr zu finanziellen Einsparungen, jedoch sind für viele andere Routen die Mehrausgaben der Treibstoffkosten dominierend.
Die numerischen Simulationen und die Experimente im Wasserkanal, die zur Feststellung der Wirkungsweise der Chevrondüse durchgeführt wurden, zeigten im Strömungsverhalten eine Vielzahl ähnlicher Phänomene wie sie bei Blütenmischern, die ebenfalls zur Lärmminderung eingesetzt werden, auftreten. So entstehen an den Seitenflanken der Chevrons identische Längswirbelstrukturen, wie sie an den Flanken von Blütenmischern auftreten. Die Chevrondüse benötigt hierzu eine etwas verlängerte Anlaufstrecke zur Ausbildung der Effekte. Der Schubgewinn, der durch den Einsatz interner Mischer erzielt wird, tritt bei der Chevrondüse nicht auf, da die Mischung erst im Nachlauf der Düse und somit außerhalb des für den Schub relevanten Bilanzbereichs stattfindet. Der Einsatz von Chevrondüsen führt im Gegensatz zu den Blütenmischern zu einem Schubverlust. Dieser auch in der Literatur beschriebene Effekt kann mit dem Strömungsprofil im Austrittsquerschnitt der Chevrondüse erklärt werden. Als zusätzliches strömungsphysikalisches Phänomen tritt eine veränderte Stoßlage und -konfiguration an den Hinterkanten der Chevrondüse auf. Hierbei wird der starke senkrechte Stoß, wie er häufig im Nachlauf konvergenter Düsen auftritt, durch einen schwachen schrägen Stoß und einen ebenfalls schwächeren senkrechten Stoß ersetzt. Diese neue Konfiguration bewirkt eine zusätzliche Lärmminderung bei Einsatz einer Chevrondüse.
Aus den numerischen Simulationen werden der Massenstrom- und Geschwindigkeitskoeffizient sowie der Koeffizient des spezifischen Schubs entnommen. Die numerischen Simulationen werden zur Vergleichbarkeit für beide Triebwerkskonfigurationen durchgeführt. Der Düsenaustrittsquerschnitt stellt sich hierbei als komplexe drei-dimensionale Fläche dar, die nicht eindeutig bestimmt bzw. durch geometrische Definitionen angegeben werden kann. Als wichtigstes Ergebnis stellt sich heraus, dass die vereinfachte Betrachtung des Betriebsverhaltens einer Schubdüse allein durch Scale-Model-Tests, unter der Vernachlässigung von Mach- und Reynoldszahleffekten, für eine Chevrondüse nicht mehr uneingeschränkt zulässig ist. Die Chevrondüse weist ebenfalls ein verändertes Sperrverhalten auf. Die Düse sperrt nicht mehr bei dem kritischen Druckverhältnis, sondern erst bei Düsendruckverhältnissen $/Pi > 2,5$. Dieses Verhalten muss bei der Auslegung des Triebwerks berücksichtigt werden. Desweiteren ergibt sich ein geringerer Wert des Koeffizienten des spezifischen Schubs, der durch die nicht vollständige Expansion von Teilen des Heißgases in der Chevrondüse hervorgerufen wird.
Die Änderung des Betriebsverhaltens des Gesamttriebwerks resultiert aus dem größeren Düsenaustrittsquerschnitt und den schlechteren Koeffizienten des spezifischen Schubs. Die vergrößerte Düsenfläche bewirkt eine größere Expansion in der Niederdruckturbine und damit eine größere Arbeitsumsetzung über die Niederdruckwelle in dem Fan. Der Massendurchsatz des Triebwerks mit Chevrondüse steigt gegenüber dem Basistriebwerk an. Dadurch steigt bei konstanter Turbineneintrittstemperatur der Bruttoschub des Nebenstroms sowie der Einlaufimpuls. Der Bruttoschub des Kerntriebwerks sinkt deutlich aufgrund der größeren Expansion der Niederdruckturbine und dem geringeren Koeffizienten des spezifischen Schubs.
Die betriebswirtschaftliche Auswirkung beim Einsatz einer Chevrondüse wurde auf die Einsparung bei Landegebühren durch die Lärmreduktion sowie die Mehrausgaben durch den erhöhten Treibstoffverbrauch beschränkt. Durch die komplexe Gebührenstruktur zur Lärmberücksichtigung ist eine generelle Aussage über die Wirtschaftlichkeit nicht möglich. So führt der Einsatz einer Chevrondüse auf bestimmten Routen im innereuropäischen Flugverkehr zu finanziellen Einsparungen, jedoch sind für viele andere Routen die Mehrausgaben der Treibstoffkosten dominierend.
| Reihe/Serie | Dissertation Classic ; 1287 |
|---|---|
| Sprache | deutsch |
| Maße | 150 x 210 mm |
| Gewicht | 165 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Schlagworte | Chevron • Düse • HC/Technik/Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik • Leistungsrechnung • Performance |
| ISBN-10 | 3-86624-187-9 / 3866241879 |
| ISBN-13 | 978-3-86624-187-9 / 9783866241879 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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