Hubschrauber: Motoren
Hubkolbenmotoren
Hubkolbenmotoren, auch Kolbenmotoren genannt, werden im Allgemeinen in kleineren Hubschraubern verwendet. Die meisten Trainingshubschrauber verwenden Hubkolbenmotoren, da sie relativ einfach und kostengünstig zu bedienen sind.
Turbinentriebwerke
Turbinentriebwerke sind leistungsstärker und werden in einer Vielzahl von Hubschraubern eingesetzt. Sie erzeugen für ihre Größe eine enorme Menge an Strom, sind aber im Allgemeinen teurer im Betrieb. Das in Hubschraubern verwendete Turbinentriebwerk arbeitet anders als das in Flugzeuganwendungen verwendete. Bei den meisten Anwendungen setzen die Abgasauslässe einfach verbrauchte Gase frei und tragen nicht zur Vorwärtsbewegung des Hubschraubers bei. Etwa 75 Prozent des einströmenden Luftstroms werden zur Kühlung des Motors verwendet.
Das an den meisten Hubschraubern montierte Gasturbinentriebwerk besteht aus einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Turbine und einer Zubehörgetriebebaugruppe. Der Kompressor saugt gefilterte Luft in die Plenumkammer und komprimiert sie. Gängige Filter sind Zentrifugalwirbelrohre, bei denen Schmutz nach außen ausgestoßen und über Bord geblasen wird, bevor er in den Kompressor eintritt, oder Motorsperrfilter (EBF), ähnlich dem K&N-Filterelement, das in Automobilanwendungen verwendet wird.
Obwohl dieses Design die Aufnahme von Fremdkörpern in den Motor erheblich reduziert, ist es für Piloten wichtig, sich darüber im Klaren zu sein, wie viel Schmutz tatsächlich gefiltert wird. Der Betrieb im Sand, Staub oder sogar in grasartigen Materialien kann einen Motor in nur wenigen Minuten zum Ersticken bringen. Die komprimierte Luft wird durch Auslassrohre zum Verbrennungsabschnitt geleitet, wo zerstäubter Kraftstoff eingespritzt wird. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird gezündet und expandieren gelassen. Dieses Verbrennungsgas wird dann durch eine Reihe von Turbinenrädern gepresst, wodurch sie sich drehen. Diese Turbinenräder versorgen sowohl den Motorkompressor als auch das Zubehörgetriebe mit Strom. Je nach Modell und Hersteller kann die Drehzahl zwischen 20.000 und 51.600 liegen.
Die Hauptrotor- und Heckrotorsysteme werden über die Freilaufeinheit mit Strom versorgt, die an der Leistungsabtriebszahnradwelle des Zubehörgetriebes befestigt ist. Das Verbrennungsgas wird schließlich durch einen Abgasauslass ausgestoßen. Die Gastemperatur wird an verschiedenen Stellen gemessen und von jedem Hersteller anders bezeichnet. Einige gebräuchliche Begriffe sind die Zwischenturbinentemperatur (ITT), die Abgastemperatur (EGT), die gemessene Gastemperatur (MGT) oder die Turbinenauslasstemperatur (TOT). Der Einfachheit halber wird in dieser Diskussion TOT verwendet.
Kompressor
Der Kompressor kann aus einem Axialkompressor, einem Zentrifugalkompressor oder einer Kombination der beiden bestehen.
Ein Axialkompressor besteht aus zwei Hauptelementen: dem Rotor und dem Stator. Der Rotor besteht aus mehreren Blättern, die auf einer rotierenden Spindel befestigt sind, und ähnelt einem Ventilator. Wenn sich der Rotor dreht, wird Luft nach innen gezogen. Leitschaufeln sind in festen Reihen zwischen den Rotorblättern angeordnet und wirken in jeder Stufe als Diffusor, um die Luftgeschwindigkeit zu verringern und den Luftdruck zu erhöhen. Es kann eine Anzahl von Reihen von Lauf- und Leitschaufeln geben. Jede Reihe stellt eine Druckstufe dar, und die Anzahl der Stufen hängt von der Luftmenge und dem Druckanstieg ab, die für den jeweiligen Motor erforderlich sind.
Ein Zentrifugalkompressor besteht aus einem Laufrad, einem Diffusor und einem Verteiler. Das Laufrad, eine geschmiedete Scheibe mit integrierten Schaufeln, dreht sich mit hoher Geschwindigkeit, um Luft anzusaugen und beschleunigt auszustoßen. Die Luft strömt dann durch den Diffusor, der die Luft verlangsamt. Wenn die Luftgeschwindigkeit verlangsamt wird, steigt der statische Druck, was zu komprimierter Hochdruckluft führt. Die Hochdruckluft strömt dann durch den Verdichterkrümmer, wo sie über Auslassrohre in die Brennkammer verteilt wird.
Wenn der Luftstrom durch den Kompressor gestört ist, kann ein Zustand auftreten, der als Pumpen oder Kompressorstillstand bezeichnet wird. Dieses Phänomen ist ein periodisches Abwürgen der Verdichterschaufeln. Wenn dies auftritt, wird der Druck am Kompressor reduziert und der Verbrennungsdruck kann eine Rückströmung in den Kompressorausgang verursachen. Wenn der Luftstrom durch den Kompressor verringert wird, steigt der Luftdruck vorübergehend an, wodurch der Zustand korrigiert wird, bis er erneut auftritt. Dies ist in der gesamten Flugzeugzelle als Vibrationen zu spüren und wird von einem Leistungsverlust und einem Anstieg der TOT begleitet, wenn die Kraftstoffsteuerung Kraftstoff hinzufügt, um die Leistung aufrechtzuerhalten. Dieser Zustand kann korrigiert werden, indem das Abzapfluftsystem aktiviert wird, das überschüssigen Druck in die Atmosphäre ablässt und ermöglicht, dass ein größeres Luftvolumen in den Kompressor eintritt, um die Kompressorschaufeln zu deaktivieren.
Brennkammer
Im Gegensatz zu einem Kolbenmotor ist die Verbrennung in einem Turbinenmotor kontinuierlich. Eine Zündkerze dient nur zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches beim Anlassen des Motors. Sobald das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet ist, brennt es weiter, solange das Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhanden ist. Wenn es eine Unterbrechung von Kraftstoff, Luft oder beidem gibt, hört die Verbrennung auf. Dies wird als „Flammenabriss“ bezeichnet und der Motor muss neu gestartet oder wieder angezündet werden. Einige Hubschrauber sind mit einer automatischen Wiederzündung ausgestattet, die automatisch die Zünder aktiviert, um die Verbrennung zu starten, wenn der Motor ausbrennt.
Turbine
Der zweistufige Turbinenabschnitt besteht aus einer Reihe von Turbinenrädern, die verwendet werden, um den Kompressorabschnitt und andere Komponenten anzutreiben, die am Zubehörgetriebe angebracht sind. Beide Stufen können aus einem oder mehreren Turbinenrädern bestehen. Die erste Stufe wird üblicherweise als Gaserzeuger (N1 oder NG) bezeichnet, während die zweite Stufe üblicherweise als Leistungsturbine (N2 oder NP) bezeichnet wird. (Der Buchstabe N wird zur Bezeichnung der Drehzahl verwendet.)
Wenn die Turbinen der ersten und zweiten Stufe mechanisch miteinander gekoppelt sind, wird das System als feststehende Turbine (Turbowelle) bezeichnet. Diese Motoren teilen sich eine gemeinsame Welle, was bedeutet, dass die Turbinen der ersten und zweiten Stufe und somit der Kompressor und die Ausgangswelle miteinander verbunden sind.
Bei den meisten Turbinenbaugruppen, die in Hubschraubern verwendet werden, sind die Turbinen der ersten Stufe und der zweiten Stufe nicht mechanisch miteinander verbunden. Vielmehr sind sie auf unabhängigen Wellen ineinander montiert und können sich frei gegeneinander drehen. Dies wird als „freie Turbine“ bezeichnet. Wenn ein freilaufendes Turbinentriebwerk läuft, strömen die Verbrennungsgase durch die Turbine der ersten Stufe (N1), um den Kompressor und andere Komponenten anzutreiben, und dann an der unabhängigen Turbine der zweiten Stufe (N2) vorbei, die das Leistungs- und Zubehörgetriebe zum Antrieb dreht Abtriebswelle, sowie andere verschiedene Komponenten.
Zubehör Getriebe
Das Zubehörgetriebe des Motors beherbergt alle notwendigen Zahnräder, um die zahlreichen Komponenten des Hubschraubers anzutreiben. Leistung wird dem Zubehörgetriebe durch die unabhängigen Wellen zugeführt, die mit den N1- und N2-Turbinenrädern verbunden sind. Die N1-Stufe treibt die Komponenten an, die zur Vervollständigung des Turbinenzyklus erforderlich sind, wodurch das Triebwerk autark wird. Gemeinsame Komponenten, die von der N1-Stufe angetrieben werden, sind der Kompressor, die Ölpumpe, die Kraftstoffpumpe und der Starter/Generator. Die N2-Stufe ist dem Antrieb der Hauptrotor- und Heckrotorantriebssysteme und anderer Zubehörteile wie Generatoren, Lichtmaschinen und Klimaanlagen gewidmet.
