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Staustrahltriebwerk

Staustrahltriebwerk

Ein Staustrahltriebwerk oder luftatmendes Triebwerk ist ein Strahltriebwerk, bei dem die Kompression der dem Verbrennungsraum zugeführten Luft nicht durch bewegliche Teile (wie Verdichtern) durchgeführt wird, sondern durch Ausnutzung der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gases selbst. Staustrahltriebwerke funktionieren daher erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Das Funktionsprinzip und der grundsätzliche mechanische Aufbau dieser Triebwerke ist sehr einfach. Die Beherrschung der Aerodynamik bei den Operationsgeschwindigkeiten (angestrebt werden Geschwindigkeiten bis zur zehnfachen Schallgeschwindigkeit) von Staustrahltriebwerken ist jedoch sehr anspruchsvoll. Triebwerke nach diesem Funktionsprizip sind schon seit dem 19. Jahrhundert beschrieben. Trotzdem sind sie immer noch eine eher selten angewandte Lösung, beispielsweise in der Luftabwehrrakete Bomarc.

Hintergrund

Ein Strahltriebwerk gewinnt seinen Schub durch Verbrennung von Treibstoff. Für eine effektive Verbrennung ist eine Verdichtung der zugeführten Luft notwendig. Soll die Brennkammer eines Strahlantriebs bei geringen Fluggeschwindigkeiten betrieben werden, ist ein Verdichter erforderlich, um die Luft in die Kammer zu drücken. Bei Flugtriebwerken wird meist ein mehrstufiger Axialverdichter verwendet. Bei höheren Fluggeschwindigkeiten ergibt sich durch die Stauwirkung des Triebwerks eine konkurrierende Druckerhöhung, wodurch der Anteil des Axialverdichters an der Druckentwicklung abnimmt. Bei Mach 1 sind es jeweils ca. 50%, bis Mach 3 sinkt der Anteil auf ca. 0% ab. D. h. bei mehrfacher Schallgeschwindigkeit sinkt der Wirkungsgrad konventioneller Strahltriebwerke, deren Verdichter mit beweglichen Teilen arbeiten, stark ab. Andererseits führt bei diesen Geschwindigkeiten bereits der Staudruck zu einer hohen Luftkompression. Bei Staustrahltriebwerken wird daher auf bewegliche Kompressoren wie Verdichter ganz verzichtet, und gezielt der Staudruck zur Kompression genutzt. Diese Triebwerke funktionieren daher nicht bei niedrigen Geschwindigkeiten, da dann mangels Staudruck keine Kompression erfolgt. Zum Erreichen ihrer Operationsgeschwindigkeit benötigen sie stets ein Hilfstriebwerk. Ihr optimales Leistungsspektrum beginnt dort, wo auf Gasturbinen basierende Strahltriebwerke ihr Optimum wieder verlassen.

Funktion

Das Staustrahltriebwerk unterscheidet sich im Funktionsprinzip kaum von einem Turboluftstrahltriebwerk, doch gibt es enorme Unterschiede in der Art und Weise, wie es die Funktionen erfüllt. Es besitzt weder einen Kompressor noch eine Turbine, die Lauf- und Leiträder besitzen. Auch wenn es so einfach scheint, sind komplexe Berechnungen der Aerodynamik äußerst wichtig, um ein optimales und einwandfreies Strahltriebwerk herzustellen. Im Grunde besteht ein Staustrahltriebwerk aus einer Röhre, in deren Mitte sich an der Eintrittsöffnung der so genannte Diffusor befindet. Der Diffusor ist vereinfacht gesagt ein Konus, dessen Durchmesser in Richtung der Luftströmung zunächst zunimmt, wodurch sich für den Luftstrom eine Erweiterung und damit eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit ergibt und dadurch der Druck steigt (Druckrückgewinnung im Diffusor), der damit für die Kompression sorgt (Hohe Strömungsgeschwindigkeit = niedriger Druck; niedrige Strömungsgeschwindigkeit = hoher Druck). Hinter dem Diffusor befindet sich der Verbrennungsraum. Zum Verbrennungsraum hin verjüngt sich der Diffusor wieder. Die notwendige Kompression für eine effektive Verbrennung ist unterhalb einer Luftgeschwindigkeit von etwa 1.000 km/h nicht gegeben. Einen optimalen Lauf gewährleisten Staustrahltriebwerke erst ab doppelter Schallgeschwindigkeit (oberhalb von Mach 2 bzw. 2.400 km/h). Der Luft, die sich durch die Kompression erhitzt hat, wird anschließend in der Brennkammer Kraftstoff zugeführt, der sich von allein entzündet und eine Expansion der Luft durch starke Erhitzung herbeiführt. Die heißen Gase treten nach hinten aus und entspannen sich in der Düse. Die Leistungsabgabe erfolgt ausschließlich durch den rückwärtigen Gasaustritt (Schub). Eine direkte Leistungsabführung, wie sie bei Wellentriebwerken zum Betrieb des Kompressors benötigt werden, erfolgt nicht. Die nötige Leistung wird der Kompression indirekt zugeführt, indem das Triebwerk eine ausreichende Geschwindigkeit aufrecht erhält. Das Staustrahltriebwerk hat dabei keine Vorrichtung, um diese Mindestgeschwindigkeit selbst zu erreichen, bzw. um einen Luftstrom im Stand (Vrel=0m/s) zu erzeugen, wie das z. B. bei einem Wellentriebwerk durch einen eigenständig arbeitenden Kompressor geschieht. Aufgrund dessen muss eine bestimmte Ausgangsgeschwindigkeit erreicht werden, in der das Triebwerk in Betrieb gehen kann. So werden diese Triebwerkstypen meist als Zusatztriebwerk verwendet, die erst im späteren Flug bei höheren Geschwindigkeiten zum Einsatz kommen. Anhand der Kompression sind zwei Varianten von Staustrahltriebwerken unterscheidbar:

Unterschallverbrennung

Bei der Kompression wird die einströmende Luft unter die Schallgeschwindigkeit abgebremst, und bei der Verbrennung handelt es sich um eine Unterschallverbrennung. Der Arbeitsbereich dieses Triebwerkstyps liegt bei Fluggeschwindigkeiten bis Mach 5. Englisch wird dieser Triebswerktyp als Ramjet bezeichnet. Angewendet wurde diese Technik bei der Lockheed X-7 in den fünfziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts.

Überschallverbrennung

Beim Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet – Überschallverbrennungs-Ramjet) wird die einströmende Luft bei der Kompression nicht unterhalb der Schallgeschwindigkeit abgebremst, und auch die Verbrennung findet als Überschallverbrennung statt. Der Arbeitsbereich von Scramjet-Triebwerken liegt bei etwas über Mach 5 bis möglicherweise Mach 15. Technische Merkmale sind: Isolator nach der Kompression, keine Lavaldüse zur Expansion sondern eine normale Düse. Das Hauptproblem der Überschallverbrennung besteht in der kurzen Verweilzeit der Luft im Triebwerk. Dadurch kann sich der Treibstoff kaum mit der Luft und dem darin enthaltenen Sauerstoff durchmischen. Dieses Hauptproblem kann durch geeignete Maßnahmen bei der Triebswerksausgestaltung gelöst werden. Der erste Nachweis von Überschallverbrennung in einem Flugkörper gelang am 30. Juli 2002 mit dem Versuch HyShot2 durch die HyShot Group der University of Queensland, Australien. Im Gegensatz zur X-43 der NASA war der hierbei verwandte scramjet allerdings nicht in ein aerodynamischen Flugkörper integriert. Das Versuchstriebwerk wurde durch eine zweistufige Boosterrakete auf einer parabelförmigen Bahn in die Höhe geschossen, um beim Herabfallen in ca. 30km Höhe den eigentlichen Versuch durchzuführen. Die erreichte Fluggeschwindigkeit betrug ca. Mach 7.6. Die Tests mit den X-43 Flugkörpern der NASA wurden dagegen auf horizontalen Flugbahnen durchgeführt. Am 26. März 2004 hat ein unbemannter Testflugkörper (X-43A) der NASA mit Hilfe des Scramjet-Antriebs die siebenfache Schallgeschwindigkeit erreicht und für mehrere Sekunden gehalten. Die nötige Operationsgeschwindigkeit für das Scramjet-Triebwerk wurde durch Verwendung einer Pegasus-Trägerrakete erreicht. Bereits ein gutes halbes Jahr später (16. November 2004) erreichte die NASA mit nahezu gleichem Versuchsaufbau knapp Mach 10. Dabei wurde die Pegasus-Trägerrakete mit der X-43A von einer B-52 von 12 km Höhe aus gestartet. Der eigentliche Flug der X-43A dauerte knapp 20 Sekunden auf über 33 km Höhe und erreichte Mach 9,8 (11.000 km/h bzw. etwa 3,3 km/s).

Theoretische Details der Triebwerke

Beim Ramjet hat die Luft, die durch die Brennkammer geleitet wird, Unterschallgeschwindigkeit. Im Scramjet hingegen ist die Geschwindigkeit der Luft höher als die Schallgeschwindigkeit, was auch eine andere Bauform zur Folge hat. Vor allem haben diese Triebwerke den Vorteil, dass sie bei hohen Geschwindigkeiten (> Mach 3) den entstehenden Temperaturen standhalten können. So entsteht z. B. bei einer Geschwindigkeit von Mach 8 eine Temperatur von 3.000 °C bis 4.000 °C, welche noch zusätzlich von der Luftdichte abhängig ist. Herkömmliche Verdichter könnten diesen Temperaturen nicht mehr stand halten, und ein Schaufelbruch wäre wahrscheinlich. Um bei einem Ramjet die Einströmgeschwindigkeit zu verringern, hat der Diffusor eine divergente Formgebung, die die Geschwindigkeit der einströmenden Luft senkt und gleichzeitig den Druck erhöht. Durch eine Lavaldüse wird das ausströmende Gas wieder auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Im Gegensatz zum Ramjet besitzt das Scramjet einen Isolator. Dieser wird benötigt, um Verdichtungsstöße und Blockaden, die bei Geschwindigkeiten über Mach 3 entstehen, zu verhindern. Im Vergleich zum Ramjet wird der Druck im Scramjet in der Verbrennungszone höher und die Geschwindigkeit niedriger. Das kann dazu führen, dass durch den rückwärtigen Staudruck der Gesamtdruck nochmals erhöht wird, was den Vortrieb zusätzlich verstärkt. Die heißen Gase, die das Triebwerk verlassen, haben je nach Typ – Ram- oder Scramjet – unterschiedliche Eigenschaften. Bei einem Unterschallaustritt der Gase ist die Geschwindigkeit abhängig vom Düsenquerschnitt. Je niedriger dieser ist, desto schneller werden die Gase beschleunigt. Es wird sozusagen dieselbe Luftmasse, die das Triebwerk in einer Zeit t durchläuft, auch in der Zeit t ausgestoßen. Bei einem Überschallaustritt ergeben sich jedoch andere Ergebnisse. Entscheidender Faktor ist hier die Dichte p der Kompression. Erst durch die Vergrößerung des Düsendurchmessers erfolgt eine Beschleunigung der austretenden Gase. Grund dafür ist die nun freie Entspannung des Mediums, wodurch eine viel größere Expansion und somit auch eine höhere Austrittsgeschwindigkeit erzielt werden kann. Um die Geschwindigkeit (< Mach 1) der aus der Brennkammer austretenden Gase in der Düse auf Überschallgeschwindigkeit zu erhöhen, ist eine bestimmte Düsenform vonnöten. Man bezeichnet solch eine Düse als Lavaldüse. Man nutzt dabei die Eigenschaften einer konvergenten und einer divergenten Düsenform. Im ersten Abschnitt (konvergent) kommt es zur Kompression und somit zur Beschleunigung der Gase. Das Maximum liegt dabei bei ca. Mach 1. Darauf folgt der divergente Düsenteil, in dem sich der Durchmesser immer weiter vergrößert und somit eine Entspannung des Gases zulässt. Durch diesen Prozess (oben schon beschrieben) kommt es zur erneuten Geschwindigkeitserhöhung auf Werte weit über Überschallgeschwindigkeit; V >> Mach 1.

Heutiger Einsatz

Bis heute haben sich Staustrahltriebwerke nur in kleinen Bereichen etabliert, da sie trotz extrem großer Vorteile auch extrem große Nachteile mit sich bringen. Zu den Vorteilen gehören z. B. das niedrige Gewicht, die Verschleißarmut und die Fähigkeit, unterschiedliche Brennstoffe zu verwenden. Doch werden die Triebwerk in ihrer Leistungsfähigkeit durch zu niedrige Geschwindigkeit oder eine zu geringe Luftdichte beeinträchtigt. Deshalb werden sie meist als Sekundärtriebwerke, wie z. B. bei der Luft-Luft-Rakete Meteor genutzt, wo die Rakete erst durch ein konventionelles Raketentriebwerk auf die nötige Geschwindigkeit gebracht wird.

Literatur

Heiser, W. H. and Pratt, D. T., “Hypersonic Airbreathing Propulsion”, Education Series, AIAA, 1994, ISBN:1-56347-035-7

Weblinks

- http://www.waffenhq.de/specials/staustrahlantriebe.html
- http://www.wb-on.de/Galerie/Wiss/da-wb.pdf Kategorie:Triebwerkstyp

Verdichter

] Ein Verdichter ist eine Fluidenergiemaschine, die zum Komprimieren von Gasen Verwendung findet.

Grundlagen

Verkleinert man das Volumen eines Gases, so spricht man von Verdichten bzw. Komprimieren. Entsprechende Geräte heißen Verdichter oder Kompressoren. Bei Verdichtungsvorgängen wird ein vorhandenes Ansaugvolumen V₁ mit dem Betriebsdruck p₁ zu einem kleineren Volumen V₂ zusammengepresst. In dem kleineren Volumen V₂ herrscht ein erhöhter Druck p₂. Für Verdichtungsvorgänge gilt bei konstant bleibender Temperatur das Boyle-Mariottesche Gesetz.
Bei der Anwendung dieses Gesetzes ist darauf zu achten, dass p₁ und p₂ absolute Drücke sind. Alle Druckangaben bei pneumatischen Anlagen beziehen sich jedoch auf den Überdruck Pe gegenüber dem atmosphärischen Druck. Andernfalls werden Druckangaben besonders gekennzeichnet.
- Druckangaben in der Pneumatik beziehen sich auf Überdruck
- Druckmessgeräte in der Pneumatik sind auf Überdruck eingestellt

Bauformen

Boyle-Mariottesche Gesetz Boyle-Mariottesche Gesetz Verdichter unterscheidet man nach der Art der Druckerzeugung.

Verdichter nach dem Verdrängerprinzip

Bei dieser Bauform wird ein Volumen gekapselt, verdichtet und wieder ausgestossen. Diese Verdichter arbeiten zyklisch und zeichnen sich durch geringe Volumenströme und hohe Druckverhältnisse aus.
- Hubkolbenverdichter
- Lamellenverdichter
- Rotorverdichter
- Labyrinth-Kolben-Verdichter
- Schraubenverdichter
- Roots-Gebläse
- Scrollverdichter ("VW G-Lader")

Schraubenverdichter

Schraubenverdichter Der Rotationsverdichter gehört zu den rotierenden, einwelligen Verdrängerverdichtern mit innerer Verdichtung. Er zeichnet sich durch einfachen Aufbau, kleine Abmessungen, geringe Masse, gleichmäßige, pulsationsfreie Förderung, ruhigen Lauf und das Fehlen von oszillierenden Massen und Steuerorganen aus. Aus der Obergruppe Rotationsverdichter stammen die Schraubenverdichter ab. Schraubenverdichter gehören zu der Gruppe der Rotationsverdichter. Die Idee zum Bau eines Schraubenverdichters entstand schon im Jahre 1878, konnte jedoch wegen der technischen Schwierigkeiten bei der Herstellung nicht realisiert werden. Etwa ein halbes Jahrhundert später, im Jahre 1930, hatte man dann die fertigungstechnischen Voraussetzungen dafür, um die komplizierte Schraubengeometrie herzustellen. Einem schwedischen Ingenieur namens Alfred Lysholm gelang es den ersten Schraubenkompressor der Welt herzustellen und erfolgreich einzusetzen. Anfänglich konnte sich der Kompressor jedoch gegenüber dem gängigen Kolbenkompressor nicht durchsetzten. Die internen Verluste an den Schrauben waren zu groß, um von einem effektiven und vor allem einer Alternative dem Kolbenkompressor zu sprechen. Wiederum 40 Jahre mussten vergehen bis dann endlich der entscheidende Punkt in der Verbesserung des Wirkungsgrades gefunden wurde. Eine Öleinspritzung in die Kompressorstufe senkte die Verlustrate erheblich und dient dem Kompressorblock gleichzeitig als Kühlung. Außerdem konnten dann statt der bisher gängigen Gleitlager, Wälzlager eingesetzt werden. Insgesamt führte diese Erkenntnis zu sehr einfach gebauten, aber dennoch robusten Verdichtern. Schraubenverdichter haben sich in der Technik bewährt und bilden ca. die Hälfte aller laufender Kompressoren zur heutigen Zeit. Funktionsweise: In einem Schraubenkompressorblock (siehe Abbildung) sind zwei Rotoren, der angetrieben Hauptrotor und der Nebenrotor, parallel in einem Gehäuse angeordnet und stehen miteinender im Eingriff. Wie bei einem Zahnradpaar drehen sich die Rotoren in gegenläufiger Richtung. Durch unterschiedliche Zähnezahlen drehen sich diese mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten. Über eine im Gehäuse angeordnete Ansaugöffnung strömt das zu komprimierende Gas in den Zahnlückenraum.(1) Hohlräume zwischen den beiden Rotoren und dem Gehäuse schließen bei Überstreichung der Einlassteuerkante ein bestimmtes Gasvolumen ein.(2) Dadurch ist der Arbeitsraum geschlossen und die Verdichtung beginnt. Bedingt durch die unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten der Rotoren wird dieses eingeschlossenen Volumen kontinuierlich kleiner. Bei erreichen der Auslasssteuerkante ist der Verdichtungsprozess beendet.(3) Durch das Weiterdrehen der Schrauben wird das Medium unter Druck geschoben.(4) Bei dem kompletten Verdichtungsprozess findet ein ruhiger und schwingungsarmer Lauf ohne freie Massenkräfte statt. Dies sind auch die entscheidenden Vorteile gegenüber einem Kolbenverdichter.

Turboverdichter

Hierbei wird durch einen rotierenden Läufer nach den Gesetzen der Strömungsmechanik dem strömenden Fluid Energie zugesetzt. Diese Bauart arbeitet kontinuierlich und zeichnet sich durch geringe Druckerhöhung pro Stufe und hohen Volumendurchsatz aus. Radial- und Axialverdichter sind die beiden Hauptbauarten für Turboverdichter. Beim Axialverdichter strömt das zu komprimierende Gas in paralleler Richtung zur Achse durch den Verdichter. Beim Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial) abgelenkt. Bei mehrstufigen Radialverdichtern ist damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig. Eingesetzt werden diese Verdichter etwa als
- Abgasturbolader
- Verdichter in Strahltriebwerken. Hier erhöht sich der Druck jedoch nur gering durch den sich verengenden Kanalquerschnitt,sondern vielmehr dadurch, dass der Zwischenraum zwischen den Schaufeln eines solchen Verdichters die Form eines Diffusors einnimmt. Hier steigt der Druck und die Temperatur, während die Geschwindigkeit sinkt. Im sich drehenden Teil einer Verdichterstufe (Laufrad, Rotor) wird der Luft die für den weiteren Druckaufbau nötige kinetische Energie wieder zugeführt.

Weitere

In der Kältetechnik unterscheidet man zusätzlich noch nach
- Vollhermetische Verdichter - der Motor und der Kompressor sitzen in einem gekapselten Gehäuse
- Halbhermetische Verdichter - der Motor ist an das Kompressorgehäuse angeflanscht
- offene Verdichter - der Verdichter wird über Riemen, Getriebe oder Zahnräder angetrieben

Liefermenge und Betriebsdruck

Stationäre Verdichter werden meist durch Elektromotoren angetrieben. Bei fahrbaren Anlagen benutzt man zum Antrieb häufig Verbrennungsmotoren. Zur Kennzeichnung eines Verdichters dienen der erreichbare Druck und die Liefermenge. Die Liefermenge ist das je Zeiteinheit abgegebene Luftvolumen; sie wird bei kleinen Anlagen in Liter/min, sonst in m³/min angegeben. Leider auch häufig gebräuchlich - aber irreführend - ist die Angabe der (theoretischen) Ansaugleistung als Produkt aus Drehzahl und Hubvolumen. Sie sagt nichts über die tatsächliche Fördermenge aus, da dabei der volumetrische Füllungsgrad vernachlässigt wird. Pneumatische Anlagen arbeiten in der Regel mit einem Druck von 6 bar; als untere Grenze werden 3 bar und als obere 15 bar angegeben.

Kenngrößen

- Liefermenge - Volumen der abgegebenen Luft je Zeiteinheit.
- Betriebsdruck - erreichbarer Überdruck.
- Druckverhältnis

\Pi=p_2/p_1

=Enddruck/Saugdruck Um Verdichter verschiedener Bauart und Betriebspunkte besser vergleichen zu können, wird oft der Normvolumenstrom betrachtet. Dies ist der Volumenstrom des Verdichters, umgerechnet auf Normbedingungen. (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit] Siehe auch: Atemschutzkompressor, Luftpumpe Kategorie: Strömungslehre Kategorie:Pumpe Kategorie:Gastechnik

Aerodynamik

Aerodynamik ist Teil der Strömungslehre und beschreibt das Strömungsverhalten von Gasen. Sog, Vortrieb, Auftrieb und Stirnwiderstand sind Phänomene der Aerodynamik und ermöglichen es beispielsweise Flugzeugen zu fliegen oder die Fortbewegung von Segelschiffen. Aerodynamik und Hydrodynamik vereinigen sich zur Fluiddynamik; die Abgrenzung in der Literatur ist nicht immer klar. Heute ist es nicht möglich, alle Phänomene in der Natur mit Hilfe der Aerodynamik exakt zu beschreiben. Mit teilweise sehr hohem Rechenaufwand lassen sich theoretische Resultate erreichen, die den realen Beobachtungen recht nahekommen. Für viele Anwendungen sind daher experimentelle Messungen in Windkanälen oder an Flugzeugen nötig. Das verleiht der Aerodynamik ihren empirischen Aspekt. Jedoch lassen sich mit neuen numerischen Verfahren (Numerik) gute Näherungen für Ergebnisse aus Versuchen erzielen. = Anwendungen =

Flügel

Numerik Bewegt sich ein Körper durch die Luft, so drückt er diese auseinander. Bis zu seinem größten Querschnitt entsteht dadurch Überdruck an seiner Oberfläche, welchen man als Staudruck bezeichnet. Der Staudruck besitzt sein Zentrum an dem Punkt an dem die ankommende Luft den Flügel senkrecht trifft. Diesen Punkt bezeichnet man als Staupunkt. Im Bereich hinter dem größten Querschnitt des Körpers führt dessen Querschnittsabnahme dazu, dass die zur Seite verschobene Luft wieder zurückfließt, da sonst luftleere Räume entstehen würden. Im querschnittsverjüngenden Bereich des hinteren Körperteiles entsteht somit an der Körperaußenhaut Unterdruck. Ist der Körper symmetrisch zu seiner Längsachse, so gleichen sich die Kräfte aus den Drücken am Umfang aller Querschnitte zu Null aus. Durch die Reibung der Luft am Flügel, der bewegten Luft und durch die Druckdifferenz zwischen Vorderseite und Rückseite erfährt der Körper lediglich eine Kraft entgegen der Flugrichtung. Ist der Körper in seiner Form unsymmetrisch und/oder besitzt er eine Anstellung gegenüber seiner Bewegungsrichtung, so entsteht eine äußere Kraft dadurch, dass sich der Staupunkt verlagert und der Körper oder Flügel dadurch die Luft zu einer Richtung hin stärker beschleunigt. Der Flügel gibt also durch die erzeugten Druckdifferenzen einen Impuls an die Luft ab, was sich als Auftrieb bemerkbar macht. Eine Unterschall Tragflügel ist so konstruiert, dass er mit seiner Profilform und Anstellung Luft mit seiner Ober- wie Unterseite nur nach unten bei möglichst geringem Widerstand beschleunigt. Die dabei entstehende dynamische Kraft ergibt sich nach dem zweiten Newtonschen Axiom: die Auftriebskraft ist gleich der pro Zeit vom Flügel bewegten Luftmasse mal deren Geschwindigkeitszuwachs. Diesen Zusammenhang drückt man allerdings normalerweise durch den Staudruck, welcher am Flügel angreift und die Luftmasse beschleunigt, aus. Welche Ansicht man wählt ist hierbei egal, man kann aber die prinzipielle aerodynamische Kraft aber z.B. aus der Gleichung von Bernoulli nach dem Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Druck eines Gases herleiten: L = 1/2
- C
- Luftdichte
- Fluggeschwindigkeit^2
- Flügelfläche

L

= Lift (engl. Auftrieb, im Deutschen auch

A

oder

FA

)

C

= Konstante, die die Form des Flügelprofils wiedergibt. Sie wird meist experimentell bestimmt, kann aber für einfache Geometrien auch errechnet werden. Nachdem die vom Flügel erzeugten Druckdifferenzen in der Luft ausgeglichen wurden besitzt die Luft einen Impuls. Wie sich dieser in der Luft hinter dem Flugzeug fortsetzt, ist in nebenstehenden Bild zu sehen: es entstehen große sogenannte Flügelwirbel. Im freien Luftraum werden sie mit „Wirbelschleppe“ bezeichnet und solche Wirbelschleppen sind im nebenstehenden Bild zu sehen. [http://www.adv-net.org/gfx/content/lf_wirbelschleppe.jpg]. Neben den Flügelwirbeln in Sicht der Flugbahn entstehen in Analogie dazu auch Wirbel in der Seitenansicht. Einer um das Tragflügelprofil herum mit Profilwirbel bezeichnet und einer am Startort des Flugzeuges, der sogenannte Anfahrwirbel. [http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/Images/shed.gif]. Im aufgerufenen Bild ist ein sogenannter Start-Stop-Flug mit dem Anfahrwirbel rechts und dem Profilwirbel um das Tragflügelprofil zu sehen. Der Profilwirbel ändert sich sobald sich der Auftrieb der Tragfläche ändert. Die Überlagerungen haben z. B. zur Folge, dass sich der Staupunkt entlang Profilnase verschiebt. Die Luft wird durch den an der Flügeloberseite entstehenden Unterdruck und durch den an der Unterseite entstehenden Überdruck schon vor der eigentlichen Tragfläche quasi über den Flügel hinweggesaugt. [http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/Images/right2.gif] Luftkraftentstehungen sind relative Vorgänge. Es ist also ohne Belang, ob sich der Flügel gegen die Luft oder die Luft gegen den Flügel bewegt: ausschlaggebend ist nur eine notwendige Differenzgeschwindigkeit zwischen Flügel und Luft. Wenn sich Luft und Körper nicht gegeneinander bewegen, greift am Körper nur die statische Auftriebskraft nach Archimedes an. Diese Kraft ist nicht Teil der Aerodynamik sondern wird von der Aerostatik beschrieben.

Kraftfahrzeug

Grenzschicht

Bei der Grenzschicht handelt es sich um eine durch Reibung und Energieverlust abgebremsten Teil der Luft, der direkt an der Außenhaut des Autos anliegt. Um diese Grenzschicht für eine möglichst große Fläche am Auto auszunutzen, darf sie sich nicht ablösen. Als Ablösung bezeichnet man die Bildung von Turbulenzen in der Grenzschicht aufgrund von starken Druckunterschieden (z.B. kleine Hindernisse), welche einen erhöhten Fahrwiderstand zur Folge haben. Ablösung tritt auf an scharfen Kanten senkrecht zur Fahrtrichtung und an Außenspiegeln, Scheinwerfern, Kotflügeln und Spoilern, die im Gegensatz zur weichen Karosserieform ein Hindernis im Luftstrom darstellen.

Staudruck

Vor dem Auto staut sich die Luft strömt also langsam und besitzt einen hohen Druck. Über dem Auto, seitlich vom Auto und besonders unter dem Auto strömt die Luft schneller und besitzt daher einen niedrigen Druck. Der Motorraum ist nach vorne zum Bereich des hohen Drucks geöffnet, weil dieser ausgenutzt wird, um zur Motorkühlung und Frischluftzufuhr (über der Motorhaube) ein höheres Luftvolumen durch Luftfilter, Wasserkühler und den verwinkelten Motorraum oder durch die Luftschächte strömen zu lassen.

Siehe auch

Ludwig Prandtl

Weblinks

http://www.aviation4u.de/school/aerodynamik.htm Kategorie:Aerodynamik Kategorie:Strömungslehre

Bomarc

Die US-Amerikanische, bodengestützte Bomarc war ein Flugkörper zur Flugabwehr in Flugzeugform.

Einsatzgeschichte

Im Kalten Krieg führte die Entwicklung der nuklearen Angriffspotentiale aus technischen Gründen zunächst nicht zum Bau von Interkontinentalraketen – sie waren noch nicht entwickelt. Statt dessen wurden als nukleare Hauptangriffswaffe der Supermächte strategische Bomber mit hoher Reichweite gebaut. Gegen diese Bedrohung richtete sich die Bomarc, sie wurde ab Juni 1961 in Dienst gestellt. Circa 700 Bomarc-Flugkörper wurden von Boeing produziert. Als später die Bedeutung des strategischen Bombers zugunsten der Interkontinentalraketen abnahm, verschwand auch sein Gegner, die Bomarc; die letzte Bomarc-gestützte Einheit wurde 1972 aufgelöst. Neben ihrer Aufgabe als Luftabwehrrakete diente die Bomarc auch in zahlreichen Versuchen als Drohne, um andere Waffensysteme zu testen. Die Bomarc-Stellungen wurden in den USA und Kanada stationiert.

Technik

Diese bodengestützte Rakete großer Reichweite verwendete als Starttriebwerk ein Raketentriebwerk und als Marschtriebwerke zwei Staustrahltriebwerke (Ramjets). Zwei Varianten wurden entwickelt, Bomarc A und Bomarc B, ab 1963 als CIM-10A und CIM-10B bezeichnet. Während die Bomarc A noch einen Flüssig-Raketenantrieb hatte, verwendete die Bomarc B einen Feststoffantrieb. Der flüssige Raketenantrieb hatte wesentliche Nachteile, so musste der Flugkörper unmittelbar vor dem Start betankt werden und die verwendeten Treibstoffe waren sehr gefährlich in der Handhabung. Die Ramjet-Treibwerke beider Varianten unterschieden sich nur marginal. Technische Daten:
- Länge: 14,2 m
- Durchmesser: 0,89 m
- Spannweite: 5,54 m
- Geschwindigkeit: Mach 2,8 (CIM-10A) bis Mach 3,0 (CIM-10B)
- Maximale Flughöhe: 30 000 m
- Reichweite: 400 km (CIM-10A) bis 710 km (CIM-10B)
- Sprengkopf: nuklear Kategorie:Atomwaffe Kategorie:Flugabwehrrakete

Treibstoff

Ein Kraftstoff, häufig auch Treibstoff genannt, ist ein Stoff, dessen Energieinhalt durch Verbrennung oder andere Energieumwandlungsformen für technische Systeme nutzbar gemacht wird. Viele Kraftstoffe werden häufig in Fortbewegungsmitteln (Fahrzeug, Flugzeug, Schiff...) verwendet. Da sie in diesen mit transportiert werden müssen, werden dort häufig Stoffe mit einer hohen Energiedichte eingesetzt. Kraftstoffe werden Verbrennungsmotoren zugeführt, im Gegensatz dazu steht der Begriff Brennstoff, der auf die Verwendung zur Wärmegewinnung hinweist. Diese Definition der Begriffe ist unabhängig von der chemischen Zusammensetzung, so ist Diesel ein Kraftstoff, der chemisch fast unverändert unter der Bezeichnung 'Heizöl EL' als Brennstoff verwendet wird.

Arten von Kraftstoffen

Feste Kraftstoffe

- Biomasse (Holz, Stroh...)
- Kernbrennstoff (Uran, Plutonium)
- Kohle in der Dampflok/Dampfschiff
- Festbrennstoff (z.B. Feststoffrakete)
- Wachs
- Kohlestaub, wurde nach dem Dieselprinzip mittels Pressluft in den Brennraum eingeblasen und entzündete sich selbst. (Kohlestaubexplosion)

Flüssige Kraftstoffe

- Kerosin bzw. Petroleum
- Benzin (Ottokraftstoff)
- Diesel
- Alkylatbenzin
- Biodiesel
- Ethanol - Ethanol als Kraftstoff
- Flüssigerdgas (auch: LNG Liquified Natural Gas)
- Flüssiggas (auch: Autogas oder LPG bzw. Liquified Petroleum Gas)
- Methanol
- Pflanzenöl
- Silan (in Entwicklung)
- Emulsionskraftstoff (meist Wasser in Diesel, zur Schadstoffminderung durch Temperatursenkung)
- Schweröl

Gasförmige Kraftstoffe

- Blaugas
- Druckluft
- Erdgas (auch: CNG Compressed Natural Gas)
- Ethen = (auch Holzgas)
- Wasserstoff

Verfahren zur Herstellung oder Gewinnung von Kraftstoffen

- Kohlevergasung
- Elektrolyse (für Wasserstoffherstellung)
- Erdölraffinerie
- Gas-to-Liquids
- Alkoholische Gärung

Vergleich von Kraftstoffen

- Superbenzin: Dichte 740 kg/m³ flüssig, Heizwert 12,0 kWh/kg
- Diesel: Dichte 830 kg/m³ flüssig, Heizwert 11,8 kWh/kg
- Ethanol: Dichte 789 kg/m³ flüssig, Heizwert 7,44 kWh/kg
- Autogas (LPG/GPL): Dichte 540 kg/m³ flüssig, Heizwert 12,8 kWh/kg
- Erdgas H-Gas (CNG/GNV): Dichte 0,81 kg/Nm³ (Normkubikmeter) gasförmig, Heizwert 13,0 kWh/kg
- Erdgas L-Gas (CNG/GNV): Dichte 0,82 kg/Nm³ gasförmig, Heizwert 11,3 kWh/kg

Alternative Kraftstoffe

Als alternative Kraftstoffe werden Kraftstoffe bezeichnet, die herkömmliche aus Mineralöl hergestellte Kraftstoffe ersetzen können.
- Bio-Ethanol wird aus Zuckerrüben oder Weizen gewonnen. Ab 2005 wird es dem normalen Benzin beigemischt. In Brasilien fahren bereits viele Automobile damit, siehe Flexible Fuel Vehicle und Ethanol als Kraftstoff. Problem: Erhöhte Abgaswerte.
- Biodiesel wird aus mit Methanol veresterten Pflanzenölen hergestellt. Basis der Pflanzenöle ist unter anderem der Samen der Rapspflanze. Er wird auch dem mineralischen Diesel aus Klimaschutzgründen beigemischt. Da die Eigenschaften von Biodiesel in vielen Punkten denen von mineralischem Diesel sehr ähnlich sind, können auch nicht umgerüstete Dieselmotoren mit diesem Kraftstoff betrieben werden. Da sich Biodiesel wie ein leichtes Lösungsmittel verhält, können unter Umständen Dichtungen und Schläuche im Kraftstoffsystem angegriffen werden, wenn diese nicht beständig gegen Biodiesel sind. Nachteilig ist der hohe Aufwand zur Herstellung und die geringe Dezentralität der in Deutschland betriebenen Biodieselanlagen. Zudem kann Biodiesel eine große Menge Wasser aufnehmen, was zu Korrosionsproblemen an der Einspritzausrüstung führen kann.
- Biogas kann wegen der Größe der Anlage zur Erzeugung bisher nur für stationäre Motoren und zu Heizzwecken eingesetzt werden.
- BtL-Kraftstoff (Biomass to Liquid) wird auch von der Firma CHOREN Industries GmbH unter dem Markennamen SunDiesel vertrieben. Er wird aus Holz, Stroh oder anderer Biomasse gewonnen. BtL befindet sich noch in der Testphase und hat noch einen großen Forschungsbedarf. Vorteil: Die ganze Pflanze kann genutzt werden. Auch konventionelle Dieselfahrzeuge können damit fahren. Eine Gesamtenergiebilanz der BTL-Prozesse liegt derzeit noch nicht vor.
- Reine Pflanzenöle z.B. aus Leindotter, Raps oder Sonnenblume, auch Pöl oder Naturdiesel genannt, können als Kraftstoff in Dieselmotoren eingesetzt werden. Insbesondere die höhere Viskosität gegenüber Dieselkraftstoff führt dazu, dass zum dauerhaften Betrieb von Dieselmotoren mit Pflanzenöl eine Anpassung des Kraftstoff- und Einspritzsystems notwendig wird. Die Vorteile von Pöl sind neben der CO₂-Neutralität die Möglichkeit der dezentralen Herstellung, die hohe Energiedichte, das geringe Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt (nicht wassergefährdend, kein Gefahrgut, ungiftig, hoher Flammpunkt).
- Wasserstoff kann auch aus regenerativen Energie mittels Elektolyse gewonnenwerden. Das Problem liegt beim Wasserstoff, für die Herstellung ist viel Energie nötig. Zudem ist ein Luft-Wasserstoffgemisch innerhalb eines weiten Mischungsverhältnisses explosiv. Als Abgas entsteht jeoch nur reines Wasser.
- Holzgas war in den 1940er Jahren eine verbreitete Alternative unter dem Druck von akutem Kraftstoffmangel. In Finnland sind Fahrzeuge mit abenteuerlich konstruierten Holzvergasern auch heute noch recht häufig anzutreffen. Bei dem Verfahren verschwelt normales Holz, oft Holzabfälle, unter Luftabschluß in einem Druckkessel. Die entstehenden brennbaren Gase (überwiegend Ethen) werden dem Motor zugeführt. Stationäre Anlagen werden zunehmend zu Heizzwecken und in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen eingesetzt.

Literatur

- Geitmann, Sven: Erneuerbare Energien und alternative Kraftsotffe, 2. Auflage, Hydrogeit Verlag, Kremmen, Jan. 2005, ISBN 3937863052

Siehe auch

- Brennstoff
- Verbrennungsluftverhältnis
- Kraftstofftank
- Kraftstoffpreis
- Nutzpflanze
- Stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis ! Kategorie:Biomasse ja:燃料 ko:연료 simple:Fuel

Luft

Luft bezeichnet das Gasgemisch der Erdatmosphäre und besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). In vergleichsweise hohen Konzentrationen kommen ferner Argon (0,9 %) und Kohlenstoffdioxid (0,03 %) vor. Im natürlichen Zustand ist die Luft geruchs- und geschmacklos. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Landlebewesen überlebensnotwendig. Alle Tiere benötigen ihn zur Atmung. Pflanzen benötigen das in der Luft enthaltenen Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle.

Zusammensetzung

Die aktuelle Zusammensetzung der Luft in der Höhe von Normalnull ist in der rechten Tabelle wiedergegeben, wobei man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen differenziert.

Stickstoff

Als ein chemisch inertes Gas ist der in molekularer Form auftretende Stickstoff äußerst reaktionsträge. Im Stickstoffkreislauf kann er nur durch die Prozesse der Stickstofffixierung in für Lebewesen nutzbare Verbindungen überführt werden, die ihn für den Aufbau ihrer Aminosäuren benötigen. Den gegenteiligen Prozess bezeichnet man als Denitrifikation. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben rein mengenmäßig nur einen geringen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre.

Sauerstoff

Sauerstoff stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar und verleiht der heutigen Atmosphäre daher auch ihrer oxidierenden Charakter. Der Sauerstofff wird unter anderem für alle chemischen Verbrennungsvorgänge und die biologische Atmung benötigt. Gebildet wird er wiederum über die Photosynthese, wobei die hierüber im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt.

Argon

Argon ist ein vergleichsweise gut wasserlösliches Edelgas, als solches jedoch reaktionsträge und ohne weitere Bedeutung.

Wasserdampf

Umgebungsluft ist nicht komplett trocken, deshalb enthält diese zusätzlich je nach Luftfeuchtigkeit null bis zu etwa vier Volumenprozent Wasserdampf, der Rest der Luft teilt sich dann nach den nach den in der Tabelle angegebenen Werten auf. Die üblichen Werte des Wasserdampfgehalts schwanken zwischen einem Zehntel Volumenprozent an den Polen und drei Volumenprozent in den Tropen, mit einem Mittelwert von 1,3 % in Bodennähe. Sie werden durch unterschiedliche Feuchtemaße angegeben.

Variabilität in der Zeit

Die Konzentrationen der Atmosphärengase sind ihrem Charakter nach metastabil, denn auch wenn sie sich in der Lebenszeit eines Menschen nur geringfügig ändern, so sollten sie deswegen nicht mit Naturkonstanten verwechselt werden. Dies zeigt sich in der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der Erdatmosphäre, die auch heute noch nicht abgeschlossen ist und in deren Zuge sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre mehrmals grundlegend gewandelt hat. Erst seit etwa 350 Millionen Jahren kann man dabei von unserer heutigen Atmosphäre sprechen. Die größten aktuellen Veränderungen der Luftzusammensetzung stellt die Zunahme des Kohlendioxidgehaltes um etwa 40 % seit Beginn der Industrialisierung dar. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursache für die globale Erwärmung. Formal gehört Kohlendioxid dabei zu den Spurengasen, es wird als das fünfthäufigste Atmosphärengas und aufgrund seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen jedoch häufig zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet. Größere Schwankungen über teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen, denn gerade anthropogene Emissionen können deren geringe Konzentrationen schon bei vergleichsweise unmaßgeblichen Ausstoßmengen beeinflussen. Ebenso zeigen Vulkanausbrüche häufig einen kurzfristigen Einfluss.

Variabilität im Raum

globale Erwärmung in Abhängkeit von der Höhe.]] Die angegebenen Konzentrationen stellen globale Mittelwerte dar und beziehen sich auf Normalnull, besitzen aber eine weitesgehende Gültigkeit in der gesamten Homosphäre, also bis in eine Höhe von etwa 100 Kilometern. Da in verschiedenen Höhenlagen spezifische Prozesse der Atmosphärenchemie wirken, gibt es jedoch auch teilweise erhebliche Abweichungen. Ab der Homopause stellt die Abnahme der Konzentration schwerer Gase mit der Höhe und damit die relative Anreicherung leichterer Gase einen generellen Trend dar. In der hohen Atmosphäre sind daher Wasserstoff und Helium anteilsmäßig sehr viel bedeutender als in Bodennähe, jedoch ist die Luftdichte und damit das absolute Vorkommen der Gase entsprechend gering.

Substanzen geringerer Konzentration

Zusätzlich sind auch hier nicht aufgelistete Anteile von Wasserdampf, Methan, Distickstoffoxid (sinkend ab 7 km), Kohlenmonoxid und Ozon vorhanden. Außerdem treten folgende Stoffe in geringen Spuren auf:
- Fluoroform
- Peroxiacetylnitrat
- Chloroxide
- andere Stickoxide (neben N₂O)
- Schwefeldioxid
- Radon
- Quecksilber

Kohlenstoffdioxid

Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxids liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant für die Photosynthese, weshalb sich die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration stark auf das Pflanzenwachstum auswirkt. Durch den lichtabhängigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also der Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, können die bodennahen CO₂-Konzentration im Tagesgang schwanken. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt kommt auch im Jahresverlauf zum tragen, da die außertropische Vegetation ausgeprägte Vegetationsperioden besitzt. Dies hat auf der Nordhalbkugel ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November zur Folge. Auch anthropogene Emissionszyklen können eine Rolle spielen, zum Beispiel mit dem Einsetzen der Heizperiode bei sinkenden Temperaturen. Als übergeordneter Trend wird eine stetige Zunahme des Kohlenstoffdioxids in der Atmosphäre gemessen, wobei die Konzentration Mitte des 18. Jahrhunderts bei etwa 280 ppmv lag. Dies entspricht einer Steigerung von etwa 40 %, wobei die Steigerungsraten selbst immer weiter zunahmen und auch heute noch zunehmen. Sie liegen bei etwa 1,6 ppmv/a. Die Quellen hierfür sind vielschichtig, haben den Kohlenstoffzyklus jedoch nachhaltig destabilisiert und tragen über den anthropogenen Treibhauseffekt zur globalen Erwärmung bei. Lokal und gerade nahe industriellen Ballungsgebieten kann die Kohlenstoffdioxid-Konzentration auch deutlich über den Normalwerten liegen. Werte von 400 ppmv sind dabei recht häufig. Den Rekord hat der ehemalige Londoner Wintersmog mit 3.000 ppmv (0,3 %) aufgestellt.

Ozon

Ozonwerte werden nicht in Anteilen, sondern in der Dobson-Einheit angegeben. Da die Werte zudem von der Höhe (Ozonschicht, Bodennahes Ozon), sowie von Wetterlage, Temperatur, Schadstoffbelastung und Uhrzeit abhängen, und Ozon sich sowohl schnell bildet als auch wieder zerfällt, ist es in obiger Tabelle nicht aufgelistet.

Physikalische Größen der Luft

Luftdichte

Unter Normalbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m³.

Luftdruck

Die Gewichtskraft der von der Erdanziehung beschleunigten Luftsäule erzeugt einen statischen Luftdruck, der mit dem jeweiligen Messpunkt variiert. Dieser ist jedoch zusätzlich von thermischen (Temperatur) und dynamischen Einflüssen (Wetterbedingungen) abhängig.

Lufttemperatur

Als Lufttemperatur wird jene Temperatur der bodennahen Atmosphäre bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist. Die genaue Definition durch Wissenschafter und Techniker ist je nach Fachgebiet etwas verschieden. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür die klassischen, weiß gestrichenen Wetterhäuschen in freier Umgebung dienen.

Luftfeuchtigkeit

Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfs an der Luft. Sie wird über verschiedene Feuchtemaße wie Dampfdruck und Taupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte quantifiziert.

Andere

Unter Normalbedingungen ist die Schallgeschwindigkeit gleich 331,5 m/s. In Näherung zur trockenen Luft, mit den molaren Massen aus den jeweiligen Artikeln der einzelnen Elemente und den entsprechenden Naturkonstanten, besitzt Luft eine molare Masse von 28,9634 g/mol. Der Brechzahl der Luft beträgt unter Normalbedingungen für sichtbares Licht ungefähr 1,00029. Sie hängt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit. Entsprechend der Brechzahl ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Luft. Spezifische Wärmekapazität: :

c_p

= 1,005 kJ/(kg K) = 0,279 kWh/(Tonne K) (isobar) :

c_v

= 0,718 kJ/(kg K) = 0,199 kWh/(Tonne K) (isochor)

Luftverschmutzung und Luftreinhaltung

Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. Gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverschmutzung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Aerosole, Dämpfe oder Geruchsstoffe. Von besonderer Schädlichtkeit sind dabei erhöhte Ozonwerte (Smog) und Schwefeldioxidkonzentrationen (saurer Regen). In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat jedoch der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist aber insbesondere für Länder der dritten Welt sowie Schwellenländer wie zum Beispiel Russland oder China noch ein erhebliches Problem.

Kulturelle Bedeutung

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft für eines der vier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.

Siehe auch

- Luftverflüssigung

Weblinks

- [http://www.cmdl.noaa.gov/hats/graphs/graphs.html Entwicklung der Spurengasanteile der Luft im Laufe der letzten 15 Jahre] Kategorie:Meteorologie Kategorie:Stoffgemisch Kategorie:Gas ja:空気 ko:대기 ms:Udara simple:Air

Brennkammer

Eine Brennkammer ist ein Behälter, in dem durch Zufuhr eines oder mehrerer Brennstoffe und eines Oxidators (Sauerstoffträger) eine exotherme Reaktion stattfindet. Diese Reaktion kann gegebenenfalls durch einen Katalysator beschleunigt werden. Eine Brennkammer hat für die reagierenden Stoffe mehrere kleine Öffnungen, für die aus der Reaktion entstehende Gase eine große Öffnung. Dabei wird der Brennstoff sowie gegebenenfalls der Katalysator in geregelten Mengen über Düsen in die Brennkammer eingebracht. Bei Raketentriebwerken wird auch der Oxidator in geregelten Mengen in die Brennkammer eingebracht. Wesentliches Merkmal einer Brennkammer ist, dass diese nicht im Betrieb zyklisch verschlossen wird. Verwendet man keine hypergolen Reaktionskomponenten, wird zum Start der Reaktion noch ein Zünder benötigt. Der Treibstoff kann gasförmig, flüssig oder auch fest sein. Wenn der Treibstoff fest ist, kann er feinst gemahlen in die Brennkammer eingebracht werden. Eine Brennkammer wird in Raketentriebwerken, Gasturbinen oder auch in Heizungsanlagen verwendet. Brennkammern können in ihrer Leistung schnell geregelt werden. Aufgrund der Anwendung unterliegen Brennkammern hohen mechanischen und thermischen Belastungen. Je nach Anwendung kann der Druck in einer Raketenbrennkammer bis zu 200 bar betragen, die Temperatur der Reaktionsprodukte bis zu 3300 °C. Dazu kommen Beschleunigungskräfte und Vibrationen. Für die Brennkammerwand werden vor allem Chromnickelstähle verwendet, die mit Zusätzen von Wolfram, Titan und Molybdän den Anforderungen entsprechend ausgelegt werden. Bei sehr hoher thermischer Belastung muss die Brennkammerwand gekühlt werden. Dies erfolgt entweder durch den Brennstoff, der vor dem Einspritzen in die Brennkammer erst in Rohren über die Brennkammerwand transportiert wird und sich dabei entsprechend erwärmt, oder kann bei kurzzeitigem Einsatz auch durch ein entsprechendes Hitzeschild, zum Beispiel aus Graphit, Wolfram oder Molybdän, geschehen. Der Reaktionsraum einer Feststoffrakete wird ebenfalls als Brennkammer bezeichnet. Hierbei befinden sich Brennstoff und Oxidator in einer festen Masse im Inneren der Kammer. Die Masse bildet dabei zunächst die Brennkammerwand. Diese Brennkammern sind nicht regelbar. Andere Bedeutungen: #Bisweilen wird auch der Feuerraum eines Dampferzeugers als Brennkammer bezeichnet. #Der Raum, in dem sich der Tabak bei einer Tabakspfeife befindet Siehe auch: Brennraum Kategorie:Energietechnik

Verdichter

] Ein Verdichter ist eine Fluidenergiemaschine, die zum Komprimieren von Gasen Verwendung findet.

Grundlagen

Bauformen

Boyle-Mariottesche Gesetz Boyle-Mariottesche Gesetz Verdichter unterscheidet man nach der Art der Druckerzeugung.

Verdichter nach dem Verdrängerprinzip

Schraubenverdichter

Turboverdichter

Weitere

Liefermenge und Betriebsdruck

Kenngrößen

- Liefermenge - Volumen der abgegebenen Luft je Zeiteinheit.
- Betriebsdruck - erreichbarer Überdruck.
- Druckverhältnis

\Pi=p_2/p_1

Strahltriebwerk

eingesetzt wurde]] Ein Strahltriebwerk ist ein Triebwerk, das nach dem Prinzip des Rückstoßantriebes arbeitet, wobei ein Fluidstrahl Träger des Schubs ist. Im Allgemeinen werden damit nur Aggregate bezeichnet, die das Umgebungsmedium ansaugen und als Antriebsstrahl wieder ausstoßen. Weil der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff der angesaugten Luft entnommen wird, spricht man auch von luftatmenden Triebwerken. Ein Strahltriebwerk (auch Düsentriebwerk oder Strahlturbine genannt) ist in der heutigen Form fast immer ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk. Das Strahltriebwerk ist heute von herausragender Bedeutung für den kommerziellen Luftverkehr. Über 99% der Transportleistungen von Flugzeugen werden mit strahltriebwerksgetriebenen Flugzeugen erbracht. Gleichzeitig ist die Luftfahrt auch das einzige Anwendungsgebiet für das Strahltriebwerk, bei straßen- oder schienengebundenen Fahrzeugen findet es faktisch keine Anwendung. Neben dem Turbinen-Luftstrahltriebwerk gibt es noch andere Bauarten von Luftstrahltriebwerken, die aber heute fast keine kommerzielle Bedeutung haben. = Funktionsweise = Luftverkehr Ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk saugt Luft ein und komprimiert sie in einem Verdichter. In die komprimierte Luft wird in einer Brennkammer Treibstoff eingespritzt und diese Mischung dann verbrannt. Die Verbrennung erhöht die Temperatur des Gases. Das Gas wird dann in einer Turbine teilweise expandiert. Die Turbine dient dem Antrieb des Verdichters und anderer Aggregate wie dem Generator und der Hydraulikpumpen. Das Gas expandiert dann in der Schubdüse. Bei einigen Strahltriebwerken ist dahinter zur Leistungserhöhung noch ein Nachbrenner angebracht. Dieser Prozess kann durchaus mit dem in einem Kolbenmotor verglichen werden, wobei jedoch alle vier Takte - Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen - gleichzeitig und kontinuierlich stattfinden. Die dadurch entsprechend Newtons Reaktionsprinzip entstehende Kraft ist der Schub. Ein einfaches Strahltriebwerk beschleunigt eine relativ geringe Masse Luft sehr stark, wogegen ein Propeller eine große Luftmasse weitaus schwächer beschleunigt. Der Vorteil des Strahlantriebes gegenüber einem Propellertriebwerk liegt in seiner Effizienz bei hohen Geschwindigkeiten (speziell bei Überschallgeschwindigkeit) und in großen Höhen. Nachteilig ist der hochgenaue Fertigungsaufwand und die damit verbundenen hohen Beschaffungskosten. Dies schließt diese Antriebe vom Markt der Sport- und Hobbyflugzeuge aus. Turbinen-Luftstrahltriebwerke sind im Vergleich zu Kolbenmotor/Propeller-Kombinationen empfindlich gegenüber Fremdkörpern. Schon eine erhöhte Staubbelastung kann die Wartungsintervalle drastisch verkürzen. Das Eindringen von Wasser ist hingegen unproblematisch. Das Anlassen des Triebwerkes erfolgt, indem der Verdichter auf eine Mindestdrehzahl gebracht wird. Dies kann durch Einblasen von Luft, elektrisch, oder durch einen kleinen Verbrennungsmotor erfolgen. Im Allgemeinen wird heute ein elektrischer Anlasser für kleinere Triebwerke verwendet, alle kommerziellen Triebwerke der Airbus oder Boeing Flugzeuge besitzen Luftstarter. Nach Erreichen der Mindestdrehzahl wird Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und durch eine oder mehrere Zündkerzen gezündet. Nach der Entzündung des Kraftstoffs und weiterer Drehzahlzunahme wird die Zündung abgeschaltet, und die Verbrennung läuft kontinuierlich weiter ab. Der Regelbereich zwischen Leerlauf und Volllast beträgt dabei bis zu 95%. Vom Verdichter wird sogenannte Zapfluft abgenommen, mit der die Druckkabine versorgt wird.

Physikalische Grundlagen

Für die Effizienz-Berechnung eines Strahltriebwerkes eignet sich der Joule-Prozess am besten. Entscheidende Prozessparameter sind dabei die Druck- und Temperaturunterschiede. Idealerweise wird also hoch verdichtet, man wählt eine möglichst hohe Brennkammertemperatur und lässt dann das Arbeitsgas über eine möglichst große Düse auf eine möglichst geringe Temperatur expandieren.

Schubformel und Vortriebwirkungsgrad

Joule-Prozess Der vom Triebwerk erzeugte Schub entspricht, im Falle einer konstanten Fluggeschwindigkeit, dem Luftwiderstand des Flugzeugs; der Schub muss größer als der Widerstand sein, wenn das Flugzeug beschleunigen soll. Es gilt folgende vereinfachte Schubformel unter vernachlässigter Kraftstoffmenge und der Annahme, dass der Austrittsdruck der Verbrennungsgase dem Umgebungsdruck entspricht: :

S=\dot m_l (v_A - v_\infty)

. :S Schub in N :

\dot m_l

Luftmasse in kg/s :

v_A

Gasaustrittsgeschwindigkeit gegenüber dem Flugkörper in m/s :

v_\infty

Fluggeschwindigkeit in m/s Für den Vortriebwirkungsgrad gilt jedoch :

\eta_p= \frac

. Und deswegen werden heute in der Zivilluftfahrt Bypasstriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis verwendet, bei denen eine große Luftmasse relativ langsam das Triebwerk verlässt, was einen besseren Wirkungsgrad und nicht zuletzt auch eine Lärmminderung bewirkt. = Strahltriebwerkstypen =

Gasturbine

Prinzipieller Aufbau einer Fluggasturbine

Die Fluggasturbinen besitzen Einlauf, Kompressor, Brennkammer, Turbine und Düse. Bis auf Einlauf und Düse werden alle anderen Komponenten über eine oder auch mehrere Wellen gekoppelt. Der vorne angeordnete Einlauf ist bei hohen Geschwindigkeiten von Nutzen, da schon dort die einströmende Luftmasse vorverdichtet wird.

Verdichter / Kompressor

Verdichter Verdichter] Nach dem Lufteinlauf folgt der Verdichterkomplex, welcher aus mehreren Laufrädern mit Kompressorschaufeln in axialer Bauform besteht. Er hat die Aufgabe, der einströmenden Luftmasse kinetische Energie zuzuführen und diese in Druckenergie umzuwandeln. Dies geschieht in den diffusorförmigen (d.h. sich erweiternden) Zwischenräumen der Kompressorschaufeln. Nach dem Gesetz von Bernoulli erhöht sich in einem an Querschnittsfläche zunehmenden Kanal der statische Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Die nun verlorene kinetische Energie wird in einer Rotorstufe wieder ausgeglichen. Eine komplette Verdichterstufe eines Axialverdichters besteht also aus einer Rotorstufe, in der sowohl Druck und Temperatur als auch die Geschwindigkeit steigen, und einer Statorstufe, in der der Druck zu Ungunsten der Geschwindigkeit steigt. Die Rotorstufen sind hintereinander auf einer gemeinsamen Trommel (heute: 2-3 Trommeln) angeordnet, die Statorstufen sind fest in die Innenseite des Verdichtergehäuses eingebaut. Alte Verdichter mit 17 aufeinanderfolgenden Verdichterstufen erreichen lediglich eine Verdichtung von 12,5:1 (Druck am Ende des Verdichters: Umgebungsdruck), während moderne Triebwerke mit weniger Stufen wesentlich höhere Verdichtungen erzielen (43,9:1 mit 13 Stufen). Dies ist durch verbesserte Profile der Kompressorschaufeln möglich, die selbst bei Überschallgeschwindigkeiten (resultierend aus Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln und Anströmgeschwindigkeit) sehr gute Strömungseigenschaften bieten. Die reine Durchströmgeschwindigkeit darf jedoch die örtliche Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten, da sich ansonsten die Wirkung der diffusorförmigen Kanäle umkehren würde. Hierbei gilt es zu bedenken, dass die örtliche Schallgeschwindigkeit wegen der steigenden Temperatur im Kompressor (s.o.: bis 600°C) ebenfalls steigt. Überschall Überschall

Brennkammer

Die hohe Kompression der Luft verursacht einen starken Temperaturanstieg. Die so erhitzte Luft strömt anschließend in die Brennkammer, wo ihr Kraftstoff zugeführt wird. Dieser wird beim Triebwerksstart durch eine Zündkerze gezündet. Dann erfolgt die Verbrennung kontinuierlich. Durch die exotherme Reaktion des Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisches kommt es zu einem erneuten Temperaturanstieg und einer Ausdehnung des Gases. Dieser Abschnitt des Triebwerks ist durch Temperaturen von bis zu 2.000°C stark belastet. Ohne Kühlung könnten auch die hochwertigen Materialien (oftmals Nickel-Basis Legierungen) diesen Temperaturen nicht standhalten, denn die Brennkammer arbeitet im überkritischen Bereich. Daher wird der direkte Kontakt zwischen der Flamme und der Ummantelung unterbunden. Dies geschieht durch die sog. „Sekundärluft“, die nicht direkt in den Verbrennungsbereich gelangt, sondern um die Brennkammer herumgeleitet wird und erst dann, durch Bohrungen an den Blechstößen der schuppenartig aufgebauten Brennkammer, in diese gelangt und sich als Film zwischen die Verbrennungsgase und die Brennkammerwand legt. Dies wird Filmkühlung genannt. Rund 70 - 80 % der gesamten Luftmasse aus dem Verdichter werden als Sekundärluft genutzt, lediglich der Rest gelangt als Primärluft direkt in die Brennkammer. Damit die Flamme nicht erlischt, befinden sich die Einspritzventile für den Kraftstoff in einer geschützten Zone (in einem Windschatten der durchströmenden Luft). Weiterhin wird in unmittelbarer Umgebung die Luftdurchflussgeschwindigkeit reduziert, um ein Erlöschen der Flamme zu verhindern und eine optimale Verbrennung zu erzielen. Die Brennkammer sorgt auch durch ihre Auslegung für den Schadstoffgehalt im Abgas. Man unterscheidet dabei zwischen Rohrbrennkammern, Ring-Rohrbrennkammern und Ringbrennkammern.

Rohrbrennkammer

Diese Art der Brennkammer ist besonders für Triebwerke mit Radialverdichter geeignet, wie sie insbesondere am Anfang der Entwicklung in Großbritannien und heute bei Turbopropanantrieben verwendet wird. Dies liegt an den einzelnen Diffusoren des Radialverdichters, der den Luftstrom bereits aufteilt. Jede Brennkammer besitzt ein eigenes Primär- und Sekundärluftsystem. Die Brennkammern sind über die Zündstege miteinander verbunden. Im Allgemeinen werden etwa 8-12 dieser Rohrbrennkammern radial am Triebwerk angeordnet. Sehr kleine Turbinen, etwa für APUs, besitzen nur eine einzelne solcher Rohrbrennkammern. Dem Vorteil der einfachen Entwicklung, einfachen Brennstoffverteilung und guter Wartungsmöglichkeiten stehen der Nachteil des hohen Konstruktionsgewichts einer solchen Anordnung gegenüber. Auch sind die Strömungsverhältnisse gegenüber anderen Brennkammerbauarten nachteilig.

Ring-Rohrbrennkammern

Diese Brennkammerbauart kombiniert die Rohr- und die Ringbrennkammer und eignet sich besonders für sehr große und leistungsstarke Gasturbinen, weil er sich mechanisch sehr stabil ausbilden lässt. Wesentlicher Unterschied zur Einzelbrennkammer ist der gemeinsame Brennkammeraustritt. Die Bauart kommt bei Strahlturbinenantrieben kaum vor.

Ringbrennkammern

Die Ringbrennkammeranordnung stellt das gasdynamische Optimum für Strahlturbinentriebwerke dar. Sie ist dabei recht leicht und kann kurz gebaut werden, da vom Verdichter zur Turbine keine Umlenkungen stattfinden müssen. Die Brennkammer verfügt über eine Anzahl von Kraftstoffeinspritzventilen, die den Kraftstoff an einen ringförmigen Brennraum abgeben. Allerdings ist die Wartung recht schwierig. Auch ist die Entwicklung sehr aufwändig, da die Gasströmungen innerhalb einer solchen Brennkammer dreidimensional berechnet werden müssen. Die Ringbrennkammer ist heute der gebräuchliche Typ bei Luftfahrtstrahltriebwerken. APU APU

Turbine

Die nach hinten austretenden Gase treffen anschließend auf eine Turbine. Diese treibt über eine Welle den Kompressor an. 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 Kompressors gebraucht wird. Heute werden jedoch meist zwei- oder dreistufige Turbinen eingesetzt, die durch jeweils eine entsprechende Welle einen Teil des ebenfalls mehrstufigen Kompressors antreiben. Die Turbinenschaufeln werden normalerweise gekühlt (Innen- oder Film-Kühlung) und bestehen heute im Allgemeinen aus besonders widerstandsfähigen Superlegierungen. Diese Legierungen werden darüber hinaus definiert in einer Vorzugsrichtung erstarrt, erhalten in ihrem Kristallgitter also eine definierte Richtung und erlauben so, die optimalen Werkstoffeigenschaften entgegen der höchsten Belastung wirksam werden zu lassen. Reicht auch das nicht aus wird an besonders kritischen Stellen, etwa der Schaufelvorderkante, der Werkstoff mit keramischen Belägen geschützt.

Schubdüse

Hinter der Turbine ist eine konvergente Düse angebracht, durch die das Gas mit hoher Geschwindigkeit ausströmt und damit den Schub erzeugt, weshalb diese Düse Schubdüse genannt wird. Das am Turbinenausgang vorhandene Druckgefälle (Turbinenausgangsdruck – Umgebungsdruck) wird dabei vollständig in Geschwindigkeit umgesetzt. Hierbei ist es das Ziel, eine möglichst hohe Ausströmgeschwindigkeit zu erreichen, wobei der Druck des ausströmenden Gases am Schubdüsenende gleichzeitig den Umgebungsdruck erreicht haben soll, damit der Gasstrahl nicht aufplatzt. Triebwerke mit Nachbrenner expandieren nicht vollständig, sondern führen dem verbliebenen Gasstrom bei vorhandenem Überdruck (zum Umgebungsdruck) im Nachbrenner nochmals Kraftstoff zu, was zu einer weiteren Beschleunigung des Gasstromes führt. Somit kann einer schnellen Schubanforderung entsprochen werden, wie sie etwa im Manöverflug erforderlich ist. Triebwerke mit Nachbrenner haben in der Regel eine in ihrer Geometrie veränderliche Düse, um stets den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen.

Parameter

Ein Turbinenluftstrahltriebwerk besitzt eine Vielzahl von Eigenschaften. Hier eine Liste der wichtigsten technischen Parameter, um einen schnellen Vergleich unterschiedlicher Strahltriebwerke herstellen zu können: Art des Verdichters (Radial/Axial/Mischform/Sonder) Art der Turbine ((Radial/Axial/Mischform/Sonder) Art der Brennkammern Anzahl der Fan-Stufen Anzahl der Niederdruckverdichterstufen Anzahl der Hochdruckverdichterstufen Anzahl der Hochdruckturbinen Anzahl der Niederdruckturbinen Wellenanzahl Luftdurchsatz (kg/s) Triebwerkslänge Triebwerksdurchmesser Trockengewicht Schub Nebenstromverhältnis Kompression des Verdichters Spezifischer Kraftstoffverbrauch (kg/kNh)

Turbojet-Triebwerk

konvergent Der Turbojet ist die einfachste Form eines Strahltriebwerkes. Er besteht aus einer Gasturbine, bei der das Abgas als Antriebsmedium genutzt wird. Das Triebwerk hat in der Regel nur eine Welle, auf der Verdichter und Turbine miteinander gekoppelt sind. Der komplette Gasdurchsatz läuft durch die Brennkammern. Durch seine hohen Austrittsgeschwindigkeiten hat es bei geringen Geschwindigkeiten einen geringen Wirkungsgrad, entwickelt aber einen hohen Lärmpegel. Gerade bei Unterschallgeschwindigkeit ist der spezifische Kraftstoffverbrauch hoch und stellt eine untragbare Umweltbelastung dar. Einstrom-Strahltriebwerke gehören daher heutzutage nicht mehr zur Ausstattung von Flugzeugen. Sie bilden die einfachste Form eines Wellenstrahltriebwerks. Der Durchmesser ist recht kompakt und die Wartung einfach. Ihre Einsatzzeit lag vor allem in den Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg bis Mitte der 1960er Jahre, sowohl im zivilen wie auch im militärischen Luftverkehr, wobei sich der Turbojet in der militärischen Anwendung länger halten konnte.

Zweistrom-Strahltriebwerk (Turbofan)

1960er] Hauptartikel: Turbofan Diese Triebweksart ist die heute gebräuchliche Form des Strahltriebwerks. Praktisch alle heute mit Strahlturbinen hergestellten Flugzeuge werden mit Turbofans ausgerüstet. Turbofan-Triebwerke zeichnen sich dabei durch mindestens zwei koaxiale Wellen und eine vergrößerte erste Kompressorstufe aus, die von einer eigenen Turbinenstufe angetrieben wird. Hinter ihr teilt sich der Luftstrom auf in einen inneren Luftstrom, der in die eigentliche Gasturbine gelangt, und einen äußeren Luftstrom, der außen an der Turbine vorbeigeführt wird. Herausstechendes technisches Merkmal eines Turbofans ist das Nebenstromverhältnis, also das Verhältnis der Luftmenge, die durch die Gasturbine strömt, zu der Luftmenge, die außen durch den Fan strömt. Ein Turbofan bietet gegenüber einem Turbojet mehrere Vorteile:
- Besserer Wirkungsgrad des Triebwerkes durch die geringere mittlere Geschwindigkeit des Antriebsluftstrahles und damit geringerer Kraftstoff-Verbrauch.
- Reduzierung der Lärmentwicklung, indem die heißen, schnellen und damit lauten Turbinengase durch den umgebenden kühlen und ruhigeren Gasstrom der ersten Stufe gedämpft werden. Heutige Jagdflugzeuge verwenden, damit der Luftwiderstand durch einen großen Triebwerksdurchmesser und damit entsprechend großen Rumpfquerschnitt beim Überschallflug nicht zu hoch wird, Turbofantriebwerke mit relativ niedrigem Nebenstromverhältnis, also der Luftmenge die um die Brennkammer herum geleitet wird zu der Luftmenge die durch die Brennkammern geleitet wird, (bis etwa 1,5) und einer nur relativ geringen Lärmminderung gegenüber Turbojettriebwerken. Im zivilen Bereich und bei Transportmaschinen sind Triebwerke mit einem Nebenstromverhältnis bis etwa 9 im Einsatz.

Propellerturbine (Turboprop)

Nebenstromverhältnis Hauptartikel: Turboprop Eine Sonderform ist der Antrieb einer Luftschraube (Propeller) durch eine Turbine. Diese Antriebsart wird als Turboprop bezeichnet. Die Gasturbine verfügt dabei über mindestens zwei Wellen. Die Luftschraube wird durch ein Untersetzungsgetriebe der Antriebsturbine angetrieben. Erste Turboproptriebwerke entstanden bereits Ende der 1940er Jahre auf Basis von Turbojet-Triebwerken. Insbesondere im Kurzstreckenverkehr und bei mittleren Flughöhen ist der Turbopropantrieb der wirtschaftlichste Flugzeugantrieb. Auch die Lärmbelastung ist relativ gering, da der Abgasstrahl durch die Antriebsturbine stark beruhigt wird. Der Abgasstrom trägt dabei nur in relativ geringem Maße zum Vortrieb bei, ist aber trotzdem in der Leistungskalkulation bei der Wellenvergleichsleistung enthalten. Gegenüber Kolbentriebwerken zeichnet sich die Propellerturbine durch hohe Leistungsdichte und lange Wartungsintervalle aus. Eine vergleichbare Turbinenart kommt auch bei Hubschraubern zum Einsatz.

Staustrahltriebwerk

Hauptartikel: Staustrahltriebwerk Staustrahltriebwerk Bei Staustrahltriebwerken erfolgt die Verdichtung der der Brennkammer zugeführten Luft nicht durch mechanisch angetriebene bewegliche Teile (also Axial- oder Radialverdichter), sondern durch Ausnutzung des Staudrucks. Staustrahltriebwerke zeichnen sich durch größtmögliche Einfachheit aus, da sie fast keine beweglichen Teile benötigen. Der große Nachteil ist, dass sie nicht in der Lage sind, einen Standschub zu erzeugen. Bevor ein Staustrahltriebwerk Schub abgibt, muss es beschleunigt werden. Innerhalb der Gruppe der Staustrahltriebwerke kann man noch zwischen Ramjet- und Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet)-Triebwerken unterscheiden. Bei Letzterem behält die einströmende Luft auch nach der Verdichtung und in der Brennkammer Überschallgeschwindigkeit (Überschallverbrennung – Supersonic Combustion). Scramjet Während das Prinzip bereits vor dem Ersten Weltkrieg patentiert wurde, dauerte es mehr als 30 Jahre, bis das erste Staustrahltriebwerk lief. Im Zweiten Weltkrieg wurde die Entwicklung dieser Technik in Deutschland vorangetrieben, ein Versuchsexemplar wurde bereits an einer Dornier Do 217 im Fluge erprobt. In den 1950er Jahren wurden entsprechende Versuche insbesondere in Frankreich durchgeführt. Die Versuche gipfelten in dem Versuchsträger Nord Aviation N 1500 Griffon, letztlich scheiterten sie aber an dem nicht anzupassenden Staustrahltriebwerk. Staustrahltriebwerke werden heute bei weitreichenden und überschallschnellen unbemannten Flugkörpern eingesetzt. Sie konkurrieren dabei mit den Raketentriebwerken. Nord Aviation N 1500 Mit einem Scramjet-Antrieb wurde die X-43A betrieben, ein von der NASA entwickeltes Hyperschall-Flugzeug. Am 16. November 2004 erreichte der Flugkörper dabei für 10 Sekunden knapp die 10-fache Schallgeschwindigkeit, was die höchste je mit einem luftatmenden Triebwerk erreichte Geschwindigkeit darstellt.

Puls- oder Verpuffungsstrahltriebwerk

Hauptartikel: Verpuffungsstrahltriebwerk Puls- oder Verpuffungsstrahltriebwerke sind im Vergleich zu Turbinenstrahltriebwerken ebenfalls relativ einfach zu fertigen. Im Unterschied zu anderen Strahltriebwerken verläuft die Verbrennung periodisch. Die geläufigsten Triebwerke besitzen eine Klappenvorrichtung (Flatterventil) zur Luftregulierung, eine Brennkammer und eine Entspannungszone, in der sich die heißen Gase beruhigen können. Wie bei einem Staustrahltriebwerk strömt die Luft selbstständig in das Triebwerk ein. Die Flatterventile öffnen sich und lassen Luft in die Brennkammer einströmen. Danach wird das Luft-Kraftstoffgemisch durch eine Zündkerze entzündet. Durch die Expansion und des daraus resultierenden Drucks schließen sich die Flatterventile, die Verbrennungsgase können nur nach hinten entweichen und erzeugen den Vortrieb. Nachdem das Gas das Triebwerk verlassen hat, kommt es zu einer Entspannung und zu einem erneuten Öffnen der Flatterventile. Dadurch kann frische Luft nachströmen, die von einem Druckstoß erneut gezündet wird. Dieser Ablauf wiederholt sich periodisch. Das System stellt einen Helmholtz-Resonator dar. Das Triebwerk liefert auch Standschub. Wie bei den Staustrahltriebwerken ist auch das Einsatzspektrum der Pulsstrahltriebwerke begrenzt. Bekanntester Vertreter dieser Triebwerkstechnologie im 2. Weltkrieg war die Vergeltungswaffe V1. Die Messerschmitt Me 328B von 1943 besaß zwei Pulsstrahltriebwerke vom Typ Argus As 014. Heutzutage wird das Verpuffungsstrahltriebwerk in der Luftfahrt nicht mehr verwendet. Zu den Nachteilen zählen die enorme Lautstärke (mit einem Schalldruck bis zu 140 dB), die durch die periodischen Zündungen entsteht, der relativ geringe Schub im Verhältnis zum verbrauchten Kraftstoff sowie die enorme Erwärmung des Triebwerkes (~1.000°C). Lediglich in verkleinertem Maßstab wird es bei Modellflugzeugen noch benutzt. = Geschichte =

Anfänge

Propellerflugzeuge erreichten maximale Geschwindigkeiten von rund 700 km/h, die durch verstellbare Luftschrauben und unterschiedliche Techniken zur Leistungssteigerung der Motoren noch geringfügig erhöht werden konnten. Jedoch ließ sich das Ziel, Flugzeuge zu bauen, die schneller als 800 km/h fliegen konnten, nicht realisieren, ohne eine neue Antriebstechnik zu entwickeln. Die bereits früh als beste Lösung erkannten Rückstoßantriebe ließen sich erst umsetzen, als man genügend Kenntnisse auf den Gebieten der Aerodynamik, der Thermodynamik sowie der Metallurgie hatte. Die erste selbständig laufende Gasturbine entwickelte der Norweger Aegidius Elling bereits im Jahre 1903, Victor de Karavodine entwickelte bereits im Jahre 1906 die Grundlagen des Verpuffungsstrahltriebwerks. Georges Marconnet schlug im Jahr 1909 diese Triebwerksart als Strahltriebwerk für Luftfahrtanwendungen vor. Trotz allem wurde das Turbinenstrahltriebwerk die erste Bauform, die, neben Raketen, ein Flugzeug antrieb. Eine Nebenlinie zur Herstellung eines Strahltriebwerks waren hybride Designs, bei denen die Kompression durch eine externe Energiequelle erfolgte. In einem solchen System (Thermojet von Secondo Campini) wurde die Luft durch ein Gebläse, das durch einen konventionellen Benzinmotor angetrieben wurde, mit dem Treibstoff vermischt und dann zur Schuberzeugung verbrannt. Es gab drei Exemplare dieser Bauart, und zwar Henri Coandas Coanda-1910, die viel später entwickelte Campini Caproni CC.2 und der japanische Tsu-11-Antrieb, der für die Ohka Kamikaze-Flugzeuge gegen Ende des Zweiten Weltkrieges vorgesehen war. Keiner dieser Antriebe war erfolgreich, die CC.2 stellte sich schließlich langsamer als ein konventionelles Flugzeug mit dem gleichen Motor heraus.

Triebwerksentwicklung von Frank Whittle

Zweiten Weltkrieges Frank Whittle reichte schon 1928 verschiedene Vorschläge zum Bau von Strahltriebwerken ein. Er dachte an ein Antriebssystem, das in einer Höhe von 35.000 m seine Arbeit verrichten sollte, konnte aber keine Partner gewinnen. Der Schlüssel zu einem verwendbaren Strahlantrieb war die Gasturbine, bei der die Energie zum Antrieb des Kompressors von der Turbine selbst stammte. Die Arbeit an einer solchen integrierten Bauart begann in England 1930. Whittle reichte entsprechende Patente für einen solchen Antrieb ein, die 1932 anerkannt wurden. Sein Triebwerk besaß eine einzige Turbinenstufe, die einen Zentrifugalkompressor antrieb. 1935 gründete Rolf Dudley Williams die Firma Power Jets Ltd. und setzte Whittle als Entwicklungschef ein. Whittle konstruierte ein Triebwerk, den Typ U, dessen erster Testlauf am 12. April 1937 erfolgte und gute Ergebnisse zeigte. Das Kriegsministerium stellte daraufhin Geld zur Verfügung, und es begann die Entwicklung des luftfahrttauglichen Typs W.1. Die Firma Gloster Aircraft wurde beauftragt, ein geeignetes Flugzeug herzustellen. So entstand das erstmals am 15. Mai 1941 geflogene Versuchsflugzeug E 28/39.

Triebwerksentwicklung von Hans von Ohain

E 28/39 Unabhängig von Whittles Arbeiten begann 1935 Hans von Ohain in Deutschland seine Arbeit an einem ähnlichen Triebwerk. Ohain wandte sich an Ernst Heinkel, der sofort die Vorteile des neuen Antriebskonzeptes erkannte. Ohain bildete zusammen mit seinem Mechanikermeister Max Hahn eine neue Abteilung innerhalb der Firma Heinkel. Der erste Antrieb - Heinkel HeS 1 - lief bereits 1937. Anders als Whittle benutzte Ohain zunächst Wasserstoff als Treibstoff, worauf er auch seine raschen Erfolge zurückführte. Die nachfolgenden Entwürfe fanden ihren Höhepunkt im Heinkel HeS 3 mit 550 kp (ca. 5,4 kN), das in die extra dafür konstruierte Heinkel He 178 eingebaut wurde. Nach einer beeindruckend kurzen Entwicklungszeit flog dieser Prototyp bereits im August 1939 als das erste Düsenflugzeug der Welt. Als erstes Strahltriebwerk in Serie wurde später das Jumo 004 ab 1942 produziert, welches unter anderem in der zweistrahligen Messerschmitt Me 262 zum Einsatz kam. Bis Kriegsende wurden etwa 5.000 Einheiten dieses Triebwerks produziert.

Militärische Entwicklung während des 2. Weltkrieges

Messerschmitt Me 262]Messerschmitt Me 262 Die deutschen Triebwerke waren durchweg mit einem Axialverdichter ausgerüstet und hatten so einen kleineren Durchmesser als die englischen Radialverdichter. Die Hauptentwicklungslinien waren das BMW 003 und das Junkers Jumo 004 Priorität der deutschen Entwicklungslinie hatte die Erhöhung der Geschwindigkeit; Kraftstoffverbrauch, Gewicht und Stabilität sollten im Laufe der Entwicklung verbessert werden. Nach 1941 galt es, eine neue Leistungsmarke von 800 kp (ca. 7,8 kN) zu erreichen. Man verwendete bald nicht mehr Normalbenzin, sondern Dieselkraftstoff, der leichter zu beschaffen war und einen höheren Siedepunkt hat. Man benötigte jetzt jedoch eine modifizierte Zündanlage. Bis zum Ende des Krieges wurden etwa 6.300 Triebwerke der Typen BMW-003 und Jumo 004 hergestellt, welche weiterhin Verbesserungen bei der Leistung erreichten, die später bei etwa 900 kp (ca. 8,8 kN) lag. Das Heinkel-Triebwerk HeS 11 lief bei Kriegsende mit 1300 kp (ca. 12,7 kN) und war das stärkste Turbojettriebwerk der Welt. Bei BMW und Heinkel befanden sich auch die ersten Propellerturbinen in der Entwicklung. Siedepunkt Auf der Basis des W.1 wurde in Großbritannien das Triebwerk Rolls-Royce Welland entwickelt, das etwa 7.56 kN Schub abgab. Dieses Triebwerk wurde anfangs in der Gloster Meteor verwendet. Eine weiter leistungsgesteigerte Variante war die Rolls-Royce Derwent, die ebenfalls in der Meteor Verwendung fand. Diese beiden Triebwerke waren die einzigen auf britischer Seite, die für Kampfflugzeuge eingesetzt wurden. Auf diesem Konzept - Radialverdichter, Rohrbrennkammer und Axialturbine - fußte die gesamte Entwicklungslinie der britischen Strahltriebwerkstechnik bis zum Anfang der 1950er Jahre. Das erste einsatzbereite amerikanische Strahltriebwerk war das General Electric J31, das ebenfalls über einen Radialverdichter und eine Axialturbine verfügte und in der Bell P-59 zum Einsatz kam. Das wesentlich leistungsfähigere Allison J33 beruhte auf dem de Havilland Goblin. Es wurde in der Lockheed P-80 eingesetzt und kam für den Einsatz im 2. Weltkrieg de facto zu spät. In der Sowjetunion und in Japan fanden während des 2. Weltkrieges keine wesentlichen Entwicklungen im Bereich der Strahltriebwerke statt,

Militärische Weiterentwicklung

Japan]] Das erarbeitete Wissen bildete mit die Grundlage für weitere Entwicklungen in den Militärbündnissen des Warschauer Pakts und in der NATO. Ziel der Entwicklungen war zunächst die Leistungssteigerung, ohne dass die Baugröße geändert werden musste. Das führte schnell zur Entwicklung der Nachbrennertriebwerke, die mit einem geringen zusätzlichen Gewicht eine wesentliche Leistungssteigerung brachten. Dies wurde jedoch auf Kosten des Kraftstoffverbrauchs erzielt. Typische Vertreter in den 1950er-Jahren waren im Westen das General Electric J79, im Osten das Tumanski R-11. Beide Triebwerke ermöglichten den Vorstoß in Geschwindigkeitsbereiche bis Mach 2. Die technischen Probleme waren weitestgehend gelöst. Erst der Vorstoß in Richtung Mach 3 Mitte der 1960er Jahre forderte eine Weiterentwicklung. In der Sowjetunion wurde das Tumanski R-31 entwickelt und in den USA das Pratt & Whitney J-58, welches zusätzlich mit einem besonders energiereichen Kraftstoff betrieben wurde. Mit dem Ende des Wettrennens um immer höhere Geschwindigkeiten und Flughöhen änderten sich auch die Anforderungen an die Triebwerke. Gefordert wurden nun hohe Leistungsdichte bei geringem Verbrauch, gute Beschleunigungsfähigkeit und Überschallfähigkeit. Dies führte zur Einführung von Turbofans auch im militärischen Bereich, etwa des Pratt & Whitney F100 oder des Tumanski R-33. Um den breiten Geschwindigkeitsbereich abdecken zu können, kamen teils sehr komplexe Lufteinläufe, auch bei einfachen Maschinen, zur Anwendung. Insgesamt wurden die Triebwerke immer leistungsfähiger, um den Kampfpiloten eine gute Chance bei Luftkämpfen ohne Einsatzmöglichkeit der Raketenbewaffnung zu geben.

Zivile Weiterentwicklung

Das erste zivile Flugzeug mit Strahlantrieb, eine Vickers Viking, die mit zwei Rolls-Royce Nene-Triebwerken von Propeller- auf Strahlantrieb umgerüstet worden war, absolvierte am 6. April 1948 seinen Erstflug und bewies die prinzipielle Verwendbarkeit dieser Antriebsform auch in der zivilen Luftfahrt. Es wurden zunächst militärisch verwendete Typen adaptiert und auch in der zivilen Luftfahrt eingesetzt. So fanden die Triebwerke des ersten strahlgetriebenen Verkehrsflugzeugs, der De Havilland Ghost, ebenfalls im Jagdflugzeug De Havilland DH.112 Venom Verwendung. Die Comet fand bei den Passagieren aufgrund des vibrationsfreien Flugs sehr guten Anklang. Durch die technischen Probleme der Comet, die jedoch nichts mit den neuen Triebwerken zu tun hatten, kam es Mitte der 1950er zu einer Stagnation in der Entwicklung von zivilen Strahltriebwerken. Es wurden Turboprop-Maschinen bevorzugt, und so kam dieser Triebwerkstyp in seiner Entwicklung gut voran. Er war ebenfalls fast vollkommen problemlos. Triebwerke dieser Entwicklungsphase, etwa das Rolls-Royce Dart, leiteten sich noch weitestgehend aus den Turbojettriebwerken der ersten Generation ab. Die Sowjetunion arbeitete an beiden Triebwerkstypen parallel. Das bisher leistungsstärkste Turboproptriebwerk, das Kusnezow NK-12, eigentlich für die Tupolew Tu-95 entwickelt, kam kurz darauf auch in der zivilen Tupolew Tu-114 zur Anwendung und bewies, dass die Leistungsbereiche von Turbojet- und Turboproptriebwerken nicht weit auseinander lagen, mit Vorteilen in der Geschwindigkeit beim Turbojet und Vorteilen beim Verbrauch beim Turboprop. Das Mikulin AM-3 der 1955 vorgestellten Tupolew Tu-104 war ebenso eine Ableitung aus einem militärischen Triebwerk wie das Pratt & Whitney JT3, das eigentlich ein militärisches Pratt & Whitney J57 ist. 1954 wurde der erste Turbofan vorgestellt, der Rolls-Royce Conway, der ebenso wie das Pratt & Whitney JT3D eine Ableitung eines Turbojettriebwerks mit einem relativ geringen Nebenstrom war. Das erste speziell für den zivilen Markt entwickelte Strahltriebwerk war das 1960 vorgestellte sowjetische Solowjew D-20, das gleichzeitig dieser Antriebsart auch die Kurzstrecke erschloss, da es im Vergleich zu den Turbojets auch bei geringen Geschwindigkeiten einen akzeptablen Verbrauch aufwies. Der Turbofan setzte sich schnell durch. Mitte der 1960er Jahre wurden praktisch keine zivil eingesetzten Turbojets mehr verkauft. Kleinere Strahltriebwerke wie das General Electric CJ-610 für Geschäftsreiseflugzeuge, etwa den Learjet, wurden Anfang der 1960er ebenso gefordert und auf den Markt gebracht wie die neuen Turbofans mit hohem Bypass-Verhältnis für die Wide-Body Maschinen, etwa die McDonnell Douglas DC-10 oder die Boeing 747. Typische Vertreter dieser Zeit waren das Rolls Royce RB.211, das General Electric CF6 oder das Pratt & Whitney JT9D. Die Sowjetunion hatte zu diesem Zeitpunkt den Anschluss bei den Turbofans etwas verloren. Die weitere Entwicklung schien jedoch auch auf dem zivilen Markt in Richtung Überschallverkehr zu zeigen, und so entwickelte man in Europa das Rolls-Royce Olympus 593, eine zivile Variante des militärischen Nachbrennertriebwerks für die Concorde, und das sowjetische Kusnezow NK-144, das auf dem militärischen Kusnezow NK-22 basierte, für die Tupolew Tu-144. Die erste Ölkrise und die damit verbundene explosive Kostensteigerung bei der Energienutzung zwang zu einem Umdenken. Es stand seit diesem Zeitpunkt die Triebwerkseffizienz bei Neuentwicklungen im Vordergrund. Das CFM 56 ist ein Vertreter dieser Zeit. Mit diesem Triebwerk wurden Umrüstprogramme für turbojetgetriebene Flugzeuge wie die Douglas DC-8 oder die Boeing 707 angeboten und erlaubten so eine Weiterverwendung dieser teilweise recht jungen Maschinen. Gleichzeitig wurde der Fluglärm ein zentrales Thema, aber auch hier halfen die modernen Triebwerke.

Aktuelle Zivile Entwicklung

Fluglärm Dies Entwicklungstendenz zeigt weiter zum sparsameren, effizienteren und umweltfreundlicheren Triebwerk. Grundsätzlich geht es bei den zivilen Strahlantrieben in Richtung höhere Verdichtung, höhere Brennkammertemperatur, höheres Bypassverhältnis, höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer der Triebwerke. Aktuelle Triebwerkstypen wie das General Electrics GE90, das Pratt & Whitney PW4000 oder das Rolls-Royce Trend 800 benötigen dabei pro kp/h Schub 45 % weniger Kraftstoff als die Turbojets der ersten Generation. Der Triebwerksdurchmesser dieser Aggregate erreicht dabei bis zu 3,5 m bei einem Schub von annähernd 55 Tonnen (GE90-115B). Gleichzeitig ist man beim Triebwerksdurchmesser bei einer kritischen Größe angekommen, da die Enden der Turbinenblätter des Fans fast Überschallgeschwindigkeit erreichen. Dies bedeutet, dass die nächste Generation der Strahltriebwerke ein Untersetzungsgetriebe für den Fan bekommen wird. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Fanschaufeln last- und drehzahlabhängig zu verstellen. Insgesamt nähert sich der Fan so einer gekapselten Luftschraube (engl.: Ducted Fan). Noch einen Schritt weiter geht die CRISP (engl.: counter-rotating integrated shrouded propfan)-Technologie, bei der zwei verstellbare, gegenläufige Luftschrauben in einem Fan-Gehäuse sitzen. Diese Triebwerke, etwa das Samara NK93, erreichen bei akzeptablen äußeren Abmessungen bereits ein Nebenstromverhältnis von 16,6. Mehrstufige Brennkammern zeigen ein günstigeres Verhalten bei NOx (bis zu 40% weniger Stickoxide), liegen bei den CO-Werten aber an der oberen Grenze und zeigen besonders im Leerlauf einen erhöhten Verbrauch. Eine weitere Möglichkeit, den Wirkungsgrad zu verbessern, ist die Verwendung eines Abgaswärmetauschers mit einem Zwischenkühler. Dabei wird die Abgastemperatur gesenkt und die Luft vor der Brennkammer erwärmt. Des Weiteren werden beim Verdichter zunehmend Blisk-Komponenten verarbeitet, bei denen Turbinenschaufel und Turbinenrad aus einem Stück gefertigt werden oder nach der Einzelfertigung durch ein Reibschweißverfahren zusammengefügt werden. Dies ergibt ebenfalls Vorteile im Wirkungsgrad, da die Komponenten höher belastet werden können Auch werden für die Nutzung regenerativer Energien Triebwerke mit Wasserstoff als Treibstoff bereitgehalten. Dieser Treibstoff ist für Gasturbinen vollkommen problemlos. Jedoch ist die Unterbringung entsprechender Tanks im Flugzeug noch nicht abschließend geklärt. Insgesamt bereinigt sich der Markt der Anbieter und es kommt zu globalen Allianzen am Triebwerksmarkt. Im Kurzstreckenbereich finden jedoch nach wie vor langsamere und kraftstoffsparende Flugzeuge mit Propellerturbinen ihr Einsatzgebiet, da sie unter diesen Betriebsbedingungen günstiger sind.

Literatur

- ROLLS-ROYCE: the Jet engine, ISBN 0-902121-04-9 (in engl.; sehr gut bebildert)
- Hans Rick: Gasturbinen-Flugtriebwerke, Kurzke, ISBN 3-540555-86-2
- Klaus Hünecke: Flugtriebwerke. Ihre Technik und Funktion ISBN 3879434077

Weblinks

- [http://www.exl.at/helicopter/turbinen/turbinen.htm Detaillierte Beschreibung]
- [http://www.geae.com General Electric]
- [http://www.rolls-royce.com Rolls Royce]
- [http://www.pratt-whitney.com Pratt&Whitney]
- [http://www.mtu.de MTU]
- [http://www.cfm56.com CFM]
- [http://motor-s.ru/Home_en.htm JSC MOTOROSTROITEL (Samara)]
- [http://www.pmz.ru/?language=en Perm Motors Group]
- [http://www.aerotech.de Aerotech Peissenberg]

Software

- [http://www.gasturb.de/Download/Free_Software/free_software.html Fluggasturbinenberechnung] Kategorie:Triebwerkstyp ja:ジェットエンジン