Mantelstromtriebwerke

[Gast]

Hallo,

 

Ich habe einige Fragen zu den Mantelstromtriebwerken. Da ich allerdings nicht sicher bin, ob ich mit meiner Kentniss über den Grund dieses Prinzips richtig liege, so erstmal das, was ich darüber weiß.

 

Mantelstromtriebwerke dienen soweit wie ich weiß grundsätzlich dazu, um die Lautstärtke beim Start zu reduzieren. Die extrem erhitzte Luft, die durch die Verdichterstufen und Brennkammer geleitet wurde und erhitzt hinten austritt, erzeugt durch das Auftreffen auf die kältere Umgebungsluft lärm. Durch den Mantelstrom, bei den ein Teil der Luft außenrum geleitet wird und dadurch die Luft aus den Verdichterstufen/Brennkammer nicht direkt auf die kalte Umgebungsluft trifft, wird der Lärm reduziert. Legt sich wioe ein Mantel drumherum. Daher bestimmt auch der Name.

 

Müsste so richtig sein, oder?

 

Nun zum eigentlichen:

 

-Wieviel % der durch den Fan eingesogenen Luft gehen durch die Verdicherstufen und dienen somit zum Schub und wieviel % gehen draußen herum als Mantelstrom?

 

-Wieso ist der Lärmpegel größer, wenn warme Luft auf kalte trifft?

 

- Um wieviel % wird der Lärmpegel dadurch gesenkt?

 

- wird der Lärmpegel dadurch nur am Boden beim Start gesenkt oder auch bei Landung und Reiseflug?

 

- Welche Vorteile hat ein M.-Stromtriebwerk noch?

 

- welches war das erste zivile Flugzeug mit

M.-Stromtriebwerk?

 

 

 

Das dürfte für's erste reichen

 

 

Vielen Dank für Antworten!

Gruß Steffen

[JetBlue]

Also ich kann nicht alles beantworten, da müsste man ein bisschen recherchieren. Das Prinzip des M.triebwerks sollte aber vor allem schubstärkere Triebwerke ermöglichen, der geringere Geräuschpegel ist eher ein erwünschter Nebeneffekt.

Der Prozentanteil vom Schub der Niederdruckturbine, also des Fans ist enorm. Bis zu 70% des Gesamtschubs liefert der Fan. Darum hat das GE90 (schubstärkstes Triebwerk überhaupt) einen so gewaltigen Durchmesser.

[nabla]

@XQ-NUE: In Deinen Überlegungen ist ein kleiner Fehler drin. Wenn ich mich nicht täusche ist es nämlich genau andersherum: Das Mantel- / Zweistrom- / HighBypass-Triebwerk wurde entwickelt um damit den Wirkunsgrad zu verbessern und hat nur den Nebeneffekt, daß es auch leiser ist.

 

Zur Funktionsweise: Ca. 10-20% der Luftmasse gehen in den "heißen Kreis", durch den Kompressor, Brennkammer (in der Brennkammer werden nochmal 70% der Luft als Kühlluft abgeteilt und nur 30% der Verbrennung zugeführt!) und Turbine. Die Trubine wiederum treibt den Kompressor mit dem Fan als 1. Stufe an, damit der Verbrennungsprozeß weiterläuft. Da der Gasgenerator (Kompressor + Brennkammer) so groß ausgelegt ist, kann die Turbine noch sehr viel mehr Leistung auf die Welle abgeben. Diese Leistung wird im Fan genutzt, um die 70-90% der Luft im Fan zu beschleuinigen und damit im "kalten Kreis" den Großteil des Schubes zu erzeugen!

 

Deine Fragen bezüglich des Lärmpegels kann ich leider nicht beantworten.

 

Gruß,

 

Nabla

 

[ Diese Nachricht wurde geändert von: nabla am 2004-04-07 15:10 ]

[Gast]

Ach was, der Hauptschub wird nicht durch den wie ihr sagt heißen Kreislauf gegeben? Ist mir absolut neu, aber man lernt ja nie aus.

 

Wenn wirklich nur ein exterm geringer Teil der Luft in die Verdichetrstufen gelangt und da verichtet und beschleunigt wird, wieso dann überhaupt die ganzen Verdichterstufen? Wäre es da nicht besser den gesamten Schub nicht gleich durch den Fan zu erzeugen, anstatt mit einem technisch komlpizierten Verfahren nur einen extrem kleinen Teil des Schubes zu erzeugen? Da wären die Triebwerke vielleicht auch nicht so anfällig,da nicht so komlpizierte Technik.

 

Oder stelle ich mir das nur so einfach vor?

 

 

Geht da bei den alten Triebwerken die gesamte Luft durch die Verdichterstufen?

 

[ Diese Nachricht wurde geändert von: XQ-NUE am 2004-04-07 15:26 ]

[HAMoth]

Das Problem ist, dass man ja irgendwas braucht, um den Fan auf Drehzahl zu bringen, damit er den Schub liefern kann ...

 

Den "heissen Teil" weglassen würde bedeuten, den Fan anderweitig treiben zu müssen - z.B. mit einer Kombination aus Brennstoffzelle und E-Motor.

[JetBlue]

Hehe, naja ohne die Hochdruckturbine, also Brennkammer und zugehöriger Verdichter, hätte der Fan ja keinen Antrieb. Der Fan versorgt die Hochdruckturbine mit Luft, diese wiederum treibt den Fan über eine Welle an. Also, keine Hochdruckturbine -> kein Fan -> kein Schub.

 

Deine Vorstellung, dass es -quasi- nur einen Fan gibt, ist dem Prinzip des Turboprop-Triebwerks ähnlich. Der Propeller stellt hier den Fan dar, ein kleiner Teil der Luft (müsste prozentual geringer sein als beim M.-stromtriebwerk) wird dennoch in die Turbine geleitet, welche den Prop dann wieder antreibt. Der Wirkungsgrad (zumindest bei niedrigen Geschwindigkeiten) ist hier nochmal deutlich höher.

[munich]

> -Wieviel % der durch den Fan eingesogenen Luft gehen durch die Verdicherstufen und dienen somit zum Schub und wieviel % gehen draußen herum als Mantelstrom?<

 

Kann man nicht generell sagen! Wird durch die Kennzahl für das Nebenstromverhältnis ausgedrückt. Kannst Dir die Kennzahlen (und auch sonst einige Daten) auf nachfolgendem Link anschauen:

 

http://cip.physik.uni-wuerzburg.de/~pschir.../engines2.phtml

 

 

> -Wieso ist der Lärmpegel größer, wenn warme Luft auf kalte trifft?<

 

Weil sich die Luft schlagartig entspannt.

 

 

> - wird der Lärmpegel dadurch nur am Boden beim Start gesenkt oder auch bei Landung und Reiseflug?<

 

Überall

 

> - Welche Vorteile hat ein M.-Stromtriebwerk noch?<

 

Bei Geschwindigkeiten zwischen ca. 600 und 850 km/h höherer Wirkungsgrad -> Kraftstoffersparnis -> geringerer Schadstoffausstoss

 

 

PS. Hier noch ein Link, wo Du noch einiges lesen kannst

 

http://cip.physik.uni-wuerzburg.de/~pschir...t/engines.phtml

 

[ Diese Nachricht wurde geändert von: munich am 2004-04-07 16:18 ]

[BlackFly]

Gehen wir die ganze geschichte mal von der physikalischen Seite an:

Der Schub entsteht durch Masse mal beschleunigung. Folglich bleibt einem konstrukteur 2 möglichkeiten den Schub zu erhöhen.

Er erhöht die beschleunigung: Das hat zur folge das das Grundtriebwerk größer ausfallen muss und auch deutlcih höhere Temperaturen im Triebwerk gefahren werden müssen. Dies hat natürlich zur folge das der Kraftstoffbedarf steigt, das Material durch die höheren Temperaturen das material deutlcih stärker belastet wird (Wartungs und reparaturkosten steigen und es müssen hochwertigere und teurere Materialien verwendet werden), der Lärm steigt durch die höhere austrittstemperatur. Dann ist dem ganzen auch noch eine grenze gesetzt weil die Luft im Triebwerk niemals den überschallbereich erreichen darf (Schallgeschwindigkeit ist u.a. von der temp abhängig, relativ zur umgebung hat man überschallgeschw. aber durch die hohe temp im Triebwerk erreicht die Luft keine überschallgeschw.)

Masse erhöhen: Dies kann man sehr einfach machen indem man einfach einen größeren Fan an das Triebwerk baut. Dies hat natürlcih auch zur folge das das Grundtriebwerk größer werden muss, schlieslich kann man auch nicht mit nem 60PS-Golf-Motor einen 40t-LKW antreiben, aber es muss lang nicht so stark beansprucht werden wie bei der methode "beschleunigung erhöhen". Also hat man eine leistungssteigerung mit relativ wenig mehrverbrauch an kraftstoff bei gemässigten temperaturen und somit wartungsfreundlichkeit und gleichzeitig den nebeneffekt das das Triebwerk relativ leise ist. Gutes beispiel sind hier die militärischen Triebwerke die im normalfall einen sehr kleinen mantelstrom haben. Diese haben enorm große Wartungskosten (die inspektionsintervalle sind sehr kurz), einen sehr hohen Verbrauch, eine recht kurze lebensdauer und sind sehr laut (jeweils im vergleich zu einem zivilen Triebwerk mit hohem mantelstromanteil) dafür sind dann allerdings auch größere Fluggeschwindigkeiten möglich. Also versucht man immer den Mantelstrom groß zu halten und die Grundtriebwerke klein. In meiner Ausbildung ging man davon aus das gerade mal 20% des Schubs durchs Grundtriebwerk und der rest durch den Mantelstrom erzeugt wird, dies kann mittlerweile allerdings auch höher sein...

[Air]

Wenn ich mich mit einigen Fragen anschließen darf:

 

1. Wird beim Reverse nur der Nebenstrom umgelenkt ?

 

2. Bewegen sich Bläser, verdichter, Turbine ect. in ihrer Rotation alle unterhalb der Schallgeschwindigkeit? Was würde passieren, wenn sich die Schafelspitzen im Überschall bewegen würden ?

 

3. Sind die Statoren verstellbar ? Wenn ja, bei welchen Modellen ?

 

4. Wie entsteht dieses nagelne, metallische Geräusch, das nur im oberen Leistungsbereich auftritt und vom Fan zu kommen scheint ?

 

5. Wie schnell drehen sich die Wellen im Druchschnitt ?

 

6 Ist folgende Aussage richtig: "Die ENGs drehen im CRZ mit bis zu etwa 90% N1, der Treibstoffverbrauch ist jedoch gegenüber einem 90% Lauf am Boden bedeutend geringer."

Wenn das stimmt, welchen Grund hat es dann ?

 

Das wären jetzt viele Fragen, deshalb schicke ich ein Danke für jede Antwort voraus!

 

Gruß Air,.

 

[ Diese Nachricht wurde geändert von: Air am 2004-04-07 22:32 ]

[Gast]

1. Ja, nur der kalte Strom wird umgelenkt.Den Warmen auch noch umzulenken wäre unnötig kompliziertund ineffektiv da der Vortrieb zum Großteil ja vom Kalten kommt.

 

2. Glaube nicht, da die Strömungsverhältnisse sich gravierend andern würden. Wenn ja, müssen die Blades natürlich dafür ausgelegt sein.

 

3. Denke moderne Engines haben gar keine Statoren mehr.

Wüßte nicht daß ich welche dran hätte.

 

4. Dürfte höchstens typenspezifisch sein. Wohl auf aerodynamische Ursachen zurückgehen.

Die Busse "mahlen".

 

5. ? Wird in Prozent angegeben, das ist primär wichtig. Da die Engines bei größeren Wartungen zum Hersteller gehen bezweifle ich sogar daß die meisten Techniker das wissen.

Könnte bei der Hochdruckwelle ca. 20000 U/Min. sein.

 

6. Falsch, Cruise liegt bei ca. 80%. Der Spritverbrauch bei gleicher N1 ost oben geringer weil die Luft "dünner" ist, also sozusagen im Verhältnis auch weniger Sprit benötigt wird.

Die Wirkung ist aber auch geringer, sogar deutlich.

 

 

 

 

[ Diese Nachricht wurde geändert von: OMOGI am 2004-04-08 00:08 ]

[SlowMove]

1. Bei älteren Flugzeugen oder welchen mit kleineren Treibwerken (DC-9/MD-80 Serie, Fokker 28/70/100 usw) wird der komplette "Strahl" durch Klappen umgelenkt. Bei größeren und neueren Triebwerken nur der Nebenstrom.

 

2. Das tun sie. Wenn die Schallgeschwindigkeit erreicht oder überschritten wird, ändern sich die aerodynamischen Verhältnisse grundlegend. Es kommt zB zu verdichtungsstößen die im schlimmsten Fall das Triebwerk zerstören können. Auch bei Kampfflugzeugen wird die Strömung im Triebwerk auf Unterschall gebremst. Es gibt dafür spezielle Designformen, um die Verdichtungsstöße unschädlich zu machen. Darüber kann man seitenlange Abhandlungen schreiben.

 

3. Welche meinst Du? Uralt Triebwerke hatte noch "Inlet Guide Vanes", die verstellbar waren, um der Strömung eine gewisse Rotation zu geben. Innerhalb der Verdichter und der Turbinen besteht eine Stufe immer aus einem Stator- und Rotorpaar. In den meisten Triebwerken sind die Statoren automatisch verstellbar. Diese passiert, um bei verschieden Drehzahlen und bei Lastwechsel immer die optimale Anströmung für die Rotoren zu gewährleisten. Sie verhindern auch (unter anderem) das "Verdichterpumpen".

 

4. Das kann ich nicht genau sagen. Wahrscheinlich aus dem Verdichter, und der dadurch strömenden Luft.

 

5. Kann ein Technker sicher besser beantworten. Bei uralten Triebwerken im Hochdruckbereich so um die 20.000rpm, dürfte heute aber um einiges höher liegen.

[Celestar]

1. Ja

 

2. Moderne Triebswerkskompressoren sind überkritisch, und arbeiten teilweise im Überschall. Voller Überschall würde sofort zum "engine stall" führen

 

3. Manche Triebwerke haben Verstellstatoren.

 

4. Ich denke (educated guess) das kommt vom Überschallbetrieb des Fans im Außenbereich

 

5. Das ist sehr unterschiedlich. Geht von 8000-15000 bei sehr großen Triebwerken bis zu über 100.000 in den Modellbauvarianten

 

6. siehe omogi

 

Note: Es heißt Brennstoff und Brennstoffverbrauch. Es gibt keinen "Kraftstoff" und der "Treibstoff" bei einem Flugzeugtriebwerk ist zu über 99% Luft.

 

Celestar

[munich]

Muss nun doch noch meinen Senf dazu geben, um Missverständnisse zu vermeiden. (konnte gestern leider nicht mehr auf die Frage von Air antworten, da ich mein letzte Postmöglichkeit bei unserem "Streit-Thread" bzgl. AB/Hunold verbraten hatte).

 

Bezüglich der Frage 1 (Reverser) ist die Antwort von "SlowMove" richtiger und genauer als die von "Celestar" und "OMOGI".

 

@ Celestar ("den alten Japaner" )

Sorry für meine obige unkorrekte Ausdrucksweise bezgl. "Treibstoff" !

 

Ist aber imho für Laien trotzdem der "bessere" bzw. verständlichere Ausdruck. Bei "Brennstoff" besteht die Gefahr, dass er mehr an's Heizen (seines Ofens, falls es sowas noch gibt) denkt, auch wenn es im Bereich "Triebwerk" korrekt ist!

[Air]

Eure ausführlichen Antworten haben meine Fragen fast geklärt. Danke!

Nur bei diesen Punkten noch ein wenig Unklarheit:

- ENG Stall? Bedeutet das, der Namensgebung nach, einen Strömungsabriss am Lufteinlauf?

Wie kann das entstehen. Und was wären die Folgen ? Überhitzung ?

 

- Bei Frage 3 meinte ich moderne und verbreitete Triebwerke zB. CFM56, PW4000, Trent 700, 500 ect. ferner Neuentwicklungen wie das Trent 900 ?

 

Gruß Air,.

[Flaps_full_alt]

Bezgl. 90% N1 im CRZ:

 

So unrecht hast du nicht damit. Der klein CRJ hat teil sogar deutlich mehr! Kommt immer auf die Verhältnisse an.

Meist fliegst du beim 100/200er mit 90-92% N1 im CRZ, bin aber auch schonmit 94% geflogen.

Der 700er bruacht auch um 90%, je nach höhe, so im Schnitt 85 bis- naja, sagen wir mal- 92%.

Die Einsparung bei Fuel beträgt im Vergleich zu niedrigen Höhen vielleicht 400kg/ std.

In Fl 340 kannst denn 200er mit ca. 1100kg/ Std fliegen, wobei man dann in Fl 240 oder tiefer ca. 1300-1500 (je nach Speed) braucht.

Was im vergleich zu "richtigen" Flugzeugen nix ist, die "ziehen" die Fuelmengen pro TW und nicht für zwei

[744pnf]

Bezüglich der geringeren Lärmentwicklung bei High-Bypass Triebwerken: der wesentliche Grund dafür ist nicht so sehr dass weniger Lärm entsteht, sondern dass der lärmige Anteil (der durch den Kern geströmt ist) vom kalten Luftstrom sehr wirkungsvoll eingehüllt und damit schallgedämpft wird. Bei manchen Typen ist sogar das Fangeräusch äusserlich dominant (siehe z.B. das bekannte "Kreissägengeräusch" CFM-motorisierten A320-Familie-Flugzeugen, die auf einen zustarten).

[Celestar]

Ein engine stall ist ein Strömungsabriss an den Verdichterschaufeln. Im fortgeschritten Zustand kann das recht übel seil. Mit viel Glück geht das Triebwerk aus, mit etwas weniger Glück fliegt dir der Verdichter um die Ohren.

 

Celestar

[nabla]

Wobei der Stall auch in einer wiederkehrenden Form auftreten kann: Das Triebwerk stallt (ich meine es ist immer der Kompressor, der stallt!?!?), der Schub bricht zusammen, die Strömungsverhältnisse ordnen sich wieder, der Schub wird aufgebaut, das Triebwerk stallt wieder.... Das ganze kann erstmal gestoppt werden, in dem man das Triebwerk auf IDLE zieht. Anschließend kann man einen neuen Versuch wagen, Leistung zu geben - der aber in der Regel keinen Erfolg hat, da das Triebwerk ja nicht einfach mal eben so stallt, sondern aus einem schwerwiegenden Grund heraus. Somit heißt es dann abstellen und demnächst landen...

 

Gruß,

 

Nabla

[BlackFly]

Stall ist ein strömungsabriss im verdichter und muss nicht unbedingt schädlcih sein. Es gibt den sogenannten "rotating stall", dieser ist ein kleiner Stall der nur an einer bestimmten stelle auftritt und darum mit dem Verdichter Rotiert, dieser gilt als ungefährlich. Wenn es sich allerdings über den gesammten bereich erstreckt, dann knallt es, es kann auch gut vorkommen das flammen vorne aus dem Triebwerk schlagen udn kann das Triebwerk zerlegen. Je nach ursache für den Stall reicht es diese abzustellen und man kann das Triebwerk weiter betreiben (wenn kein Schden aufgetreten ist, eine kontrolle ist auf jeden fall notwendig)

[Gast]

@ BlackFly:

 

Mit "und muss nicht unbedingt schädlich sein" meinst Du hoffentlich, dass ein Stall nicht unweigerlich zu Schäden führen muss.

 

Ein Stall ist immer schädlich, da er das Resultat einer fehlerhaften Triebwerk(Compressor)regelung ist. Diese ist normalerweise so ausgelegt, dass man unter keinen Umständen in den Stall-Bereich kommt (Verdichterkennlinie - Stall Margin nur mal als Stichworte).

 

[ Diese Nachricht wurde geändert von: CRJ100 am 2004-04-08 23:34 ]

[BlackFly]

Das meinte ich damit. Und wenn mich nicht alles täuscht hab ich das auf den rotating stall bezogen, dieser findet nur zwischen 2 Schaufeln statt und hat keine nennenswerten auswirkungen. Natürlich versucht der konstrukteur dies zu vermeiden, nimmt es aber in kauf das ihm das nicht immer gelingt. Diese sind auch nicht das resultat aus dem Versagen der regelung, sie können einfach mal vorkommen verursacht durch äußere einflüsse und können im normalfall auch nichtmal erkannt werden...

[Marcus]

Hi,

also wenn man davon spricht, ob ein Triebwerk nen Stall verkraftet oder nicht, dann muß man auch erst einmal zwischen neueren und alten Triebwerken differenzieren. Ein älteres JT9 oder CF6-50 Triebwerk kann auch mal ohne Probleme nen Stall aushalten. Habe ich selbst schon in Frankfurt auf dem RunUp Platz gesehen. Da kamen aus dem JT9 Motor hinten ungelogen ne 3-4 Meter lange Stichflamme heraus. Besonders gefährlich ist wohl, wenn der Wind von der Seite kommt, also praktisch nen Venrurieffekt am Triebwerkeinlass erzeugt. Deshalb hängt dort auch immer ne Windfahne. Ein neueres CF6-80 oder PW4000 Triebwerk und was es da alles so gibt würde so nen Stall mit ner Stichflamme auf keinen Fall unbeschadet überstehen.

[BlackFly]

Ob ein Triebwerk ein stall verkraftet oder nicht kann man nicht unbedingt an dem alter festmachen. Ist ja nicht so das man früher grobmechanische Triebwerke und heute hightech-feinmechanische baut...

Flammen hinten raus hab ich noch nie bei einem Stall gesehen und kann ich mir momentan auch nicht erklären. Flammen hinten gibt es eher beim anlassen wenn die Verbrennung nicht sofort einsetzt und unverbrannter Kraftstoff hinten rausgeblasen wird und der sich dann entzündet wenn der KS in der BK zündet.

Bei einem Stall tut es normalerweise ziemliche Schläge und es schlagen Stichflammen vorne raus. Hab ich einmal bei der Bundeswehr in der Lärmschutzkammer gesehen als aus dem Duct ca 2 bis 3 meter lange Flammen vonre rausgeschlagen sind. Sah schon beeindruckend aus, hat einen mords lärm gemacht (trotz LSH) und so nebenbei war am Triebwerk nichts defekt danach

[Gast]

@ all

 

 

bin aus Zeitgründen jetzt nur mal flüchtig über die Antworten gegangen, möchte mich aber schonmal für die vielen Antworten bedanken!

[Flaps_full_alt]

Damit sich ein Engine Stall mal jeder ansehen kann, hier mal ein kleines Video dazu.

Ein A 330 der SR, kurz nach dem T/O.

Lautsprecher nicht vergessen!

 

http://simulator.b737pilots.com/engine_stall.htm