Der Turbojet ist die älteste Art des airbreathing Mehrzweckdüsenantriebs. Zwei Ingenieure, Offenherzig Schnitzen im Vereinigten Königreich und Hans von Ohain in Deutschland, hat das Konzept unabhängig in praktische Motoren während des Endes der 1930er Jahre entwickelt.

Turbojets bestehen aus einem Lufteinlass, einem Luftkompressor, einem Verbrennungsraum, eine Gasturbine (der den Luftkompressor steuert), und eine Schnauze. Die Luft wird in den Raum zusammengepresst, hat geheizt und hat sich durch das Kraftstoffverbrennen ausgebreitet und hat dann erlaubt, sich durch die Turbine in die Schnauze auszubreiten, wo es zur hohen Geschwindigkeit beschleunigt wird, um Antrieb zur Verfügung zu stellen.

Turbojets, sind wenn geweht, unten über das Mach 2 ziemlich ineffizient und sehr laut. Modernste Flugzeuge verwenden turbofans stattdessen aus Wirtschaftsgründen. Turbojets sind noch in mittleren Reihe-Marschflugkörpern, wegen ihrer hohen Auspuffgeschwindigkeit, niedrigen frontalen Gebiets und Verhältniseinfachheit sehr üblich.

Geschichte

Das erste Patent, für eine Gasturbine zu verwenden, um ein Flugzeug anzutreiben, wurde 1921 vom Franzosen Maxime Guillaume abgelegt. Sein Motor sollte ein Turbojet des axialen Flusses sein, aber wurde nie gebaut, weil er beträchtliche Fortschritte über den Stand der Technik in Kompressoren verlangt hätte.

Praktische axiale Kompressoren wurden möglich durch Ideen von A.A.Griffith in einer Samenzeitung 1926 ("Eine Aerodynamische Theorie des Turbinendesigns") gemacht.

Am 27. August 1939 ist der Heinkel He 178 das erste Flugzeug in der Welt geworden, um unter der Turbostrahlmacht mit Testpiloten Erich Warsitz an den Steuerungen zu fliegen, so das erste praktische Düsenflugzeug werdend. Die ersten zwei betrieblichen Turbostrahlflugzeuge, der Messerschmitt Ich 262 und dann der Gloster Meteor sind in Dienst zum Ende des Zweiten Weltkriegs 1944 eingegangen.

Ein Turbojet wird in erster Linie verwendet, um Flugzeug anzutreiben, aber ist für andere Fahrzeuge wie Autos verwendet worden. Luft wird in den rotierenden Kompressor über die Aufnahme gezogen und wird zu einem höheren Druck vor dem Eingehen in den Verbrennungsraum zusammengepresst. Brennstoff wird mit der Druckluft gemischt und durch eine Flamme im Wirbel eines Flamme-Halters entzündet. Dieser Verbrennen-Prozess erhebt bedeutsam die Temperatur des Benzins. Heiße Verbrennungsprodukte, den combustor verlassend, breiten sich durch die Turbine aus, wo Macht herausgezogen wird, um den Kompressor zu steuern. Obwohl dieser Vergrößerungsprozess die Turbinenausgangsgastemperatur und den Druck reduziert, sind beide Rahmen gewöhnlich noch ganz über umgebenden Bedingungen. Der Gasstrom, der über die Turbine herrscht, breitet sich zum umgebenden Druck über die Antreiben-Schnauze aus, ein hohes Geschwindigkeitsstrahl in der Auspuffwolke erzeugend. Wenn der Schwung des Auspuffstroms den Schwung des Aufnahme-Stroms überschreitet, ist der Impuls so positiv, es gibt ein auf die Zelle vorwärts gestoßenes Netz.

Frühe Generationsdüsenantriebe waren reine Turbojets, haben am Anfang vorgehabt, einen Schleuderkompressor (als in Heinkel HeS 3) zu verwenden, und hat sehr kurz später begonnen, Axiale Kompressoren (als in den Klapperkisten Jumo 004) für ein kleineres Diameter zur gesamten Motorunterkunft zu verwenden. Sie wurden verwendet, weil sie im Stande gewesen sind, sehr hohe Höhen und Geschwindigkeiten viel höher zu erreichen, als Propeller-Motoren wegen eines besseren Kompressionsverhältnisses und wegen ihrer hohen Auspuffgeschwindigkeit. Jedoch waren sie effizient nicht sehr Kraftstoff-. Moderne Düsenantriebe sind hauptsächlich turbofans, wo ein Verhältnis der Luft, die in die Aufnahme eingeht, den combustor umgeht; dieses Verhältnis hängt vom Umleitungsverhältnis des Motors ab. Das macht turbofans viel effizienter als Turbojets an hohem subsonic/transonic und niedrigen Überschallgeschwindigkeiten.

Einer des neusten Gebrauches von Turbojets war der Olympus 593 auf Concorde. Concorde hat Turbojets verwendet, weil es sich herausstellt, dass der kleine Querschnitt und die hohe Auspuffgeschwindigkeit für die Operation am Mach 2 ideal sind. Der Motor von Concorde hat weniger Brennstoff verbrannt, um einen gegebenen Stoß für eine Meile am Mach 2.0 zu erzeugen, als eine moderne hohe Umleitung turbofan wie General Electric CF6 an seinem Mach 0.86 optimale Geschwindigkeit. Die Zelle von Concorde war jedoch viel weniger effizient als dieses jedes Unterschallverkehrsflugzeugs.

Turbojets hatten einen bedeutenden Einfluss auf Verkehrsluftfahrt. Beiseite davon, schneller zu sein, als Kolbenmotoren hatten Turbojets größere Zuverlässigkeit mit einigen Modellen, die Absendungszuverlässigkeit demonstrieren, die über 99.9 % gilt. Kommerzielle Vorstrahlflugzeuge wurden mit nicht weniger als 4 Motoren teilweise wegen Sorgen über Flugmisserfolge entworfen. Überseeische Flugrouten wurden geplant, um Flugzeuge innerhalb einer Stunde eines Landeplatzes zu behalten, Flüge verlängernd. Die Zuverlässigkeit von Turbojets hat drei und Zwei-Motoren-Designs und direktere Langstreckenflüge berücksichtigt.

Obwohl Staustrahler im Design einfacher sind, weil sie eigentlich keine bewegenden Teile haben, sind sie des Funktionierens mit niedrigen Fluggeschwindigkeiten unfähig.

Frühe Designs

Frühe deutsche Motoren hatten ernste Probleme, die Turbineneinlasstemperatur kontrollierend. Ein Mangel an der passenden Legierung wegen der Kriegsknappheit hat den Turbinenrotor bedeutet, und Stator-Klingen würden sich manchmal auf der ersten Operation auflösen und haben nie lange gedauert. Ihre frühen Motoren haben 10-25 Stunden der Operation vor dem Mangel häufig mit Klötzen von Metall im Durchschnitt betragen, das der Rücken des Motors ausfliegt, als die Turbine heißgelaufen ist. Britische Motoren haben dazu geneigt, sich besser zu befinden, seit 150 Stunden zwischen Überholungen laufend. Einige der ursprünglichen Kämpfer bestehen noch mit ihren ursprünglichen Motoren, aber viele sind re-engined mit moderneren Motoren mit der größeren Kraftstoffleistungsfähigkeit und einem längeren TBO (wie die Fortpflanzung Ich 262 angetriebene durch General Electric J85s) gewesen.

Die Vereinigten Staaten hatten die besten Materialien wegen ihres Vertrauens auf dem Turbo/Aufladung in hohen Höhe-Bombern des Zweiten Weltkriegs. Einige Zeit haben einige US-Düsenantriebe die Fähigkeit eingeschlossen, Wasser in den Motor einzuspritzen, um den komprimierten Fluss vor dem Verbrennen gewöhnlich während des Take-Offs abzukühlen. Das Wasser würde dazu neigen, ganzes Verbrennen zu verhindern, und infolgedessen hat der Motor Kühler wieder geführt, aber die Flugzeuge würden das Verlassen einer riesigen Wolke des Rauchs wegnehmen.

Heute werden diese Probleme viel besser behandelt, aber Temperatur beschränkt noch Turbostrahleigengeschwindigkeiten im Überschallflug. Mit den sehr höchsten Geschwindigkeiten erhebt die Kompression der Aufnahme-Luft die Temperaturen überall im Motor zum Punkt, dass die Turbinenklingen schmelzen würden, die Verminderung des Kraftstoffflusses zwingend, Temperaturen zu senken, aber einen reduzierten Stoß gebend und so die Spitzengeschwindigkeit beschränkend. Staustrahltriebwerke und Scramjets haben Turbinenklingen nicht; deshalb sind sie im Stande, schneller zu fliegen, und Raketentriebwerke laufen noch heißer noch.

Mit niedrigeren Geschwindigkeiten haben bessere Materialien die kritische Temperatur vergrößert, und automatische Kraftstoffverwaltungssteuerungen haben es fast unmöglich gemacht, den Motor zu überhitzen.

Design

Lufteinlass

Das Vorangehen dem Kompressor ist der Lufteinlass (oder kleine Bucht). Es wird entworfen, um so effizient zu sein, wie möglich bei der Besserung des Widder-Drucks der Luftstrom-Tube, die sich der Aufnahme nähert. Die Luft, die Aufnahme verlassend, geht dann in den Kompressor ein. Die Statoren (stationäre Klingen) führen den Luftstrom des komprimierten Benzins.

Kompressor

Der Kompressor wird durch die Turbine gesteuert. Der Kompressor rotiert mit der sehr hohen Geschwindigkeit, Energie zum Luftstrom hinzufügend und zur gleichen Zeit (das Zusammendrücken) davon in einen kleineren Raum quetschend. Das Zusammendrücken von der Luft vergrößert seinen Druck und Temperatur.

Im am meisten turbostrahlangetriebenen Flugzeug, verbluten Sie Luft wird aus der Kompressor-Abteilung in verschiedenen Stufen herausgezogen, um eine Vielfalt von Jobs einschließlich der Klimatisierung / Druckbeaufschlagung, Motoreinlassantieisschicht und das Turbinenabkühlen durchzuführen. Blutende Luft von Abnahmen überwiegt die gesamte Leistungsfähigkeit des Motors, aber die Nützlichkeit der Druckluft den Verlust in der Leistungsfähigkeit.

Mehrere Typen des Kompressors werden in Turbojets und Gasturbinen im Allgemeinen verwendet: axial, zentrifugal, axial-zentrifugal, doppelt-zentrifugal, usw.

Frühe Turbostrahlkompressoren hatten gesamte Druck-Verhältnisse so niedrig als 5:1 (wie viele einfache Hilfsmacht-Einheiten und kleine Antrieb-Turbojets heute tun). Aerodynamische Verbesserungen, plus das Aufspalten des Kompressionssystems in zwei getrennte Einheiten und/oder das Verbinden variabler Kompressor-Geometrie, haben späteren Turbojets ermöglicht, gesamte Druck-Verhältnisse 15:1 oder mehr zu haben. Zum Vergleich haben moderne turbofan Zivilmotoren gesamte Druck-Verhältnisse 44:1 oder mehr.

Nach dem Verlassen der Kompressor-Abteilung geht die Druckluft in den Verbrennungsraum ein.

Verbrennungsraum

Der brennende Prozess im combustor ist davon in einem Kolbenmotor bedeutsam verschieden. In einem Kolbenmotor wird das brennende Benzin auf ein kleines Volumen beschränkt und, weil der Brennstoff brennt, nimmt der Druck drastisch zu. In einem Turbojet die Luft und durch den Verbrennungsraum unbegrenzten Kraftstoffmischungspässe. Da die Mischung seine Temperaturzunahmen drastisch verbrennt, aber der Druck nimmt wirklich um einiges Prozent ab.

Die Kraftstoffluft-Mischung muss fast zu einem Halt gebracht werden, so dass eine stabile Flamme aufrechterhalten werden kann. Das kommt gerade nach dem Anfang des Verbrennungsraums vor. Achtern wird einem Teil dieser Flamme-Vorderseite erlaubt, nach hinten fortzuschreiten. Das stellt sicher, dass der ganze Brennstoff verbrannt wird, weil die Flamme heißer wird, wenn es sich neigt, und wegen der Gestalt des Verbrennungsraums der Fluss nach hinten beschleunigt wird. Etwas Druck-Fall ist erforderlich, weil es der Grund ist, warum das dehnbare Benzin die Hinterseite des Motors aber nicht der Vorderseite reist. Weniger als 25 % der Luft werden am Verbrennen, an einigen Motoren nur 12 %, der Rest beteiligt, der als ein Reservoir handelt, um die Heizungseffekten des brennenden Brennstoffs zu absorbieren.

Ein anderer Unterschied zwischen Kolbenmotoren und Düsenantrieben ist, dass die Maximalflamme-Temperatur in einem Kolbenmotor nur einen Augenblick lang in einem kleinen Teil des vollen Zyklus erfahren wird. Der combustor in einem Düsenantrieb wird zur Maximalflamme-Temperatur unaufhörlich ausgestellt und funktioniert an einem Druck hoch genug, dass ein stochiometrisches Kraftstoffluft-Verhältnis die Dose und alles stromabwärts schmelzen würde. Statt dessen führen Düsenantriebe eine sehr magere Mischung, so neigen Sie sich, dass sie Verbrennen nicht normalerweise unterstützen würde. Ein Hauptkern des Flusses (primärer Luftstrom) wird mit genug Brennstoff gemischt, um sogleich zu brennen. Die Dosen werden sorgfältig gestaltet, um eine Schicht von frischer unverbrannter Luft zwischen den Metalloberflächen und dem Hauptkern aufrechtzuerhalten. Diese unverbrannte Luft (sekundärer Luftstrom) Mischungen ins verbrannte Benzin, um die Temperatur zu etwas eine Turbine herunterzubringen, kann dulden.

Turbine

Heißem Benzin, den combustor verlassend, wird erlaubt, sich durch die Turbine auszubreiten. Turbinen werden gewöhnlich aus hohen Temperaturmetallen wie inconel zusammengesetzt, um der hohen Temperatur zu widerstehen, und oft eingebaute kühl werdende Kanäle zu haben.

In der ersten Stufe ist die Turbine größtenteils eine Impuls-Turbine (ähnlich einem pelton Rad) und rotiert wegen des Einflusses des heißen Gasstroms. Spätere Stufen sind konvergente Kanäle, die das Benzin nach hinten und die Gewinn-Energie von diesem Prozess beschleunigen. Druck-Fälle und Energie werden in die Welle übertragen. Die Rotationsenergie der Turbine wird in erster Linie verwendet, um den Kompressor zu steuern. Etwas Welle-Macht wird herausgezogen, um Zusätze, wie Brennstoff, Öl und hydraulische Pumpen zu steuern. Wegen seiner bedeutsam höheren Zugang-Temperatur ist das Turbinendruck-Verhältnis viel niedriger als dieser des Kompressors. In einem Turbojet fast zwei Drittel der ganzen durch den brennenden Brennstoff erzeugten Macht wird durch den Kompressor verwendet, um die Luft für den Motor zusammenzupressen.

Schnauze

Nach der Turbine wird dem Benzin erlaubt, sich durch die Auspuffschnauze zum atmosphärischen Druck auszubreiten, ein hohes Geschwindigkeitsstrahl in der Auspuffwolke erzeugend. In einer konvergenten Schnauze wird der ducting progressiv zu einem Hals schmäler. Das Schnauze-Druck-Verhältnis auf einem Turbojet ist gewöhnlich für das dehnbare Benzin hoch genug, um Mach 1.0 zu erreichen und den Hals zu erwürgen. Normalerweise wird der Fluss Überschall-in der Auspuffwolke außerhalb des Motors gehen.

Wenn, jedoch, eine konvergent - Schnauze von de Laval, das auseinander gehende geeignet wird (Fluss-Gebiet vergrößernd), erlaubt Abteilung dem Benzin, Überschallgeschwindigkeit innerhalb der Schnauze selbst zu erreichen. Das ist auf dem Stoß ein bisschen effizienter als das Verwenden einer konvergenten Schnauze. Es, gibt jedoch, das zusätzliche Gewicht und die Kompliziertheit, da die konvergent - Schnauze in seiner Gestalt völlig variabel sein muss, um mit Änderungen im durch das Motordrosseln verursachten Gasfluss fertig zu werden.

Nachbrenner

Ein Nachbrenner oder "Wiederhitze jetpipe" sind ein Gerät hinzugefügt am Ende des Düsenantriebs. Es stellt ein Mittel zur Verfügung, Brennstoff direkt ins heiße Auslassventil zu zerstäuben, wo es entzündet und verfügbaren Stoß bedeutsam erhöht; ein Nachteil ist seine sehr hohe Kraftstoffverbrauchsrate. Nachbrenner werden fast exklusiv auf dem Überschall-Luftfahrzeug verwendet - die meisten von diesen sind militärisches Flugzeug. Die zwei Überschallziviltransporte, Concorde und der TU-144, haben auch Nachbrenner verwertet, aber diese zwei sind jetzt vom Dienst pensioniert gewesen. Schuppige Zusammensetzungen der Weiße Ritter, ein Transportunternehmen-Flugzeug für experimentellen SpaceShipOne Subaugenhöhlenraumfahrzeug, verwerten auch einen Nachbrenner.

Netz hat gestoßen

Durch den Nettostoß eines Turbojets wird gegeben:

wo:

Wenn die Geschwindigkeit des Strahles der Schallgeschwindigkeit gleich ist, wie man sagt, wird die Schnauze erwürgt. Wenn die Schnauze erwürgt wird, ist der Druck am Schnauze-Ausgangsflugzeug größer als atmosphärischer Druck, und Extrabegriffe müssen zur obengenannten Gleichung hinzugefügt werden, um für den Druck-Stoß verantwortlich zu sein.

Die Rate des Flusses des Brennstoffs, der in den Motor eingeht, ist im Vergleich zur Rate des Flusses von Luft sehr klein. Wenn der Beitrag des Brennstoffs zum Schnauze-Gros-Stoß ignoriert wird, ist der Nettostoß:

Die Geschwindigkeit des Strahles muss die wahre Eigengeschwindigkeit des Flugzeuges überschreiten, wenn es ein auf der Zelle vorwärts gestoßenes Netz geben soll. Die Geschwindigkeit kann thermodynamisch gestützt auf der adiabatischen Vergrößerung berechnet werden.

Ein einfacher Turbojet wird Stoß ungefähr erzeugen: 2.5-Pfund-Kraft pro Pferdestärke (15 mN/W).

Zyklus-Verbesserungen

Die Thermodynamik eines typischen luftatmenden Düsenantriebs wird ungefähr durch einen Brayton Zyklus modelliert.

Die Erhöhung des gesamten Druck-Verhältnisses des Kompressionssystems erhebt die combustor Zugang-Temperatur. Deshalb, an einem festen Kraftstofffluss und Luftstrom, gibt es eine Zunahme in der Turbineneinlasstemperatur. Obwohl der höhere Temperaturanstieg über das Kompressionssystem, einen größeren Temperaturfall über das Turbinensystem einbezieht, ist die Schnauze-Temperatur ungekünstelt, weil derselbe Betrag der Hitze zum System hinzugefügt wird. Es, gibt jedoch, einen Anstieg des Schnauze-Drucks, weil gesamtes Druck-Verhältnis schneller zunimmt als das Turbinenvergrößerungsverhältnis. Folglich, Nettostoß-Zunahmen, während spezifischer Kraftstoffverbrauch (Kraftstoffstoß des Flusses/Netzes) Abnahmen.

So können Turbojets mehr effizienter Brennstoff durch die Aufhebung gesamten Druck-Verhältnisses und Turbineneinlasstemperatur in der Vereinigung gemacht werden. Jedoch sind bessere Turbinenmaterialien und/oder das verbesserte Abkühlen der Schaufel/Klinge erforderlich, mit Zunahmen sowohl in der Turbineneinlasstemperatur als auch in Kompressor-Liefertemperatur fertig zu werden. Erhöhung der Letzteren verlangt bessere Kompressor-Materialien.

Die Minderung von Hitzeverlusten und die Optimierung des Einlasstemperaturverhältnisses werden die nützliche Arbeit des Systems und die Thermalleistungsfähigkeit des Turbodüsenantriebs vergrößern.

Siehe auch

• Luftanfang-System
• Brayton Zyklus
• Motor von Exoskeletal
• Strahldragster
• Turbostrahlentwicklung am RAE
• Variabler Zyklus-Motor
• Turbinenmotorschaden

Zeichen

Außenverbindungen

• Erich Warsitz, der erste Strahlpilot in der Welt: Schließt seltene Videos (Heinkel He 178) und Audiokommentare] ein