🟢 ✈️ Flugzeugtriebwerk: Kompressorabschnitt und Diffusor - Compressor Section and Diffuser  🚁 

Kompressor-Sektion

Der Verdichterabschnitt des Gasturbinentriebwerks hat viele Funktionen. Seine Hauptfunktion besteht darin, Luft in ausreichender Menge zu liefern, um die Anforderungen der Verbrennungsbrenner zu erfüllen. Um seinen Zweck zu erfüllen, muss der Kompressor nämlich den Druck der Luftmasse erhöhen, die von der Lufteinlassleitung aufgenommen wird, und sie dann in der erforderlichen Menge und mit den erforderlichen Drücken zu den Brennern abgeben.

Eine sekundäre Funktion des Kompressors besteht darin, Abzapfluft für verschiedene Zwecke im Triebwerk und Flugzeug zu liefern. Die Zapfluft wird einer der verschiedenen Druckstufen des Kompressors entnommen. Die genaue Lage der Entlüftungsöffnungen hängt natürlich von dem Druck oder der Temperatur ab, die für eine bestimmte Aufgabe erforderlich sind. Die Öffnungen sind kleine Öffnungen im Verdichtergehäuse neben der bestimmten Stufe, aus der die Luft abgelassen werden soll; Somit sind unterschiedliche Druckstufen einfach durch Antippen der entsprechenden Stufe verfügbar. Oft wird aus der letzten oder höchsten Druckstufe entlüftet, da hier Druck und Lufttemperatur maximal sind. Manchmal kann es notwendig sein, diese Hochdruckluft zu kühlen. Wenn es zur Druckbeaufschlagung der Kabine oder zu anderen Zwecken verwendet wird, bei denen übermäßige Wärme unangenehm oder schädlich wäre,

Zapfluft wird auf vielfältige Weise genutzt. Einige der gegenwärtigen Anwendungen von Zapfluft sind: 1. Druckbeaufschlagung, Heizung und Kühlung der Kabine; 2. Enteisungs- und Vereisungsschutzausrüstung; 3. Pneumatisches Anlassen von Motoren; und 4. Hilfsantriebseinheiten (ADU).

Kompressortypen 

Die zwei Haupttypen von Verdichtern, die gegenwärtig in Gasturbinenflugzeugtriebwerken verwendet werden, sind Zentrifugalströmung und Axialströmung. Der Radialverdichter erfüllt seinen Zweck, indem er die eintretende Luft aufnimmt und durch Zentrifugalwirkung nach außen beschleunigt. Der Axialkompressor verdichtet Luft, während die Luft in ihrer ursprünglichen Strömungsrichtung weiterfließt, wodurch der Energieverlust durch Kurven vermieden wird. Die Komponenten jedes dieser beiden Verdichtertypen haben ihre individuellen Funktionen bei der Verdichtung von Luft für den Verbrennungsabschnitt. Eine Stufe in einem Kompressor wird als Druckanstieg betrachtet. 

Turbokompressoren

Der Radialkompressor besteht aus einem Laufrad (Rotor), einem Diffusor (Stator) und einem Kompressorverteiler. Zentrifugalkompressoren haben einen hohen Druckanstieg pro Stufe, der etwa 8:1 betragen kann. Im Allgemeinen sind Zentrifugalkompressoren aufgrund von Effizienzbedenken auf zwei Stufen beschränkt. Die beiden Hauptfunktionselemente sind das Laufrad und der Diffusor. Obwohl der Diffusor eine separate Einheit ist und innerhalb des Verteilers platziert und mit diesem verschraubt wird, wird die gesamte Baugruppe (Diffusor und Verteiler) oft als Diffusor bezeichnet. Zur Klärung bei der Kompressoreinweisung werden die Geräte einzeln behandelt. Das Laufrad ist normalerweise aus einer geschmiedeten Aluminiumlegierung hergestellt, wärmebehandelt, bearbeitet und geglättet, um eine minimale Strömungseinschränkung und Turbulenz zu erzielen.

Bei den meisten Typen wird das Laufrad aus einem einzigen Schmiedestück hergestellt. Dieser Typ Laufrad ist in Abbildung gezeigt. Das Laufrad, dessen Funktion darin besteht, die Luft aufzunehmen und nach außen zum Diffusor zu beschleunigen, kann von einem von zwei Typen sein – einseitig oder zweiseitig. Die Hauptunterschiede zwischen den beiden Arten von Laufrädern sind Größe und Kanalanordnung. Der Typ mit zwei Eingängen hat einen kleineren Durchmesser, wird jedoch normalerweise mit einer höheren Drehzahl betrieben, um einen ausreichenden Luftstrom sicherzustellen. Das in der Abbildung gezeigte einflutige Laufrad ermöglicht eine bequeme Führung direkt zum Laufradauge (Einlassschaufeln) im Gegensatz zu der komplizierteren Führung, die erforderlich ist, um die Rückseite des zweiflutigen Typs zu erreichen. Obwohl es bei der Aufnahme von Luft etwas effizienter ist, muss das Laufrad mit einem Eingang einen großen Durchmesser haben, um die gleiche Luftmenge wie das Laufrad mit zwei Eingängen zu liefern. 

In der Leitung für Kompressormotoren mit doppeltem Eintritt ist die Sammelkammer enthalten. Diese Kammer ist für einen doppelflutigen Kompressor notwendig, da die Luft nahezu rechtwinklig zur Motorachse in den Motor eintreten muss. Daher muss die Luft, um eine positive Strömung zu ergeben, den Motorkompressor mit einem positiven Druck umgeben, bevor sie in den Kompressor eintritt. Bei manchen Installationen sind als notwendige Teile der Plenumkammer die zusätzlichen Lufteinlasstüren (Einblastüren) enthalten. Diese Einblastüren lassen während des Bodenbetriebs Luft in den Motorraum ein, wenn der Luftbedarf für den Motor den Luftstrom durch die Einlasskanäle übersteigt. Die Türen werden durch Federwirkung geschlossen gehalten, wenn der Motor nicht in Betrieb ist. Im Betrieb jedoch die Türen öffnen sich automatisch, wenn der Druck im Motorraum unter den atmosphärischen Druck fällt. Während des Starts und Flugs hilft der Stauluftdruck im Motorraum den Federn, die Türen geschlossen zu halten.

Der Diffusor ist eine ringförmige Kammer, die mit einer Anzahl von Flügeln versehen ist, die eine Reihe von divergierenden Durchgängen in den Verteiler bilden. Die Diffusorschaufeln lenken den Luftstrom vom Laufrad zum Verteiler in einem Winkel, der so ausgelegt ist, dass die maximale Energiemenge, die vom Laufrad übertragen wird, zurückgehalten wird. Sie liefern die Luft auch mit einer Geschwindigkeit und einem Druck an den Krümmer, die für die Verwendung in den Brennkammern zufriedenstellend sind. Siehe Abbildung und achten Sie auf den Pfeil, der den Weg des Luftstroms durch den Diffusor und dann durch den Verteiler anzeigt.  

Der in der Abbildung gezeigte Kompressorkrümmer leitet den Luftstrom vom Diffusor, der ein integraler Bestandteil des Krümmers ist, in die Brennkammern um. Der Verteiler hat eine Auslassöffnung für jede Kammer, so dass die Luft gleichmäßig verteilt wird. Ein Verdichterauslassknie ist mit jeder der Auslassöffnungen verschraubt. Diese Luftauslässe sind kanalförmig ausgebildet und unter verschiedenen Namen bekannt, wie beispielsweise Luftauslasskanäle, Auslasskrümmer oder Brennkammereinlasskanäle. Unabhängig von der verwendeten Terminologie leisten diese Auslasskanäle einen sehr wichtigen Teil des Diffusionsprozesses; das heißt, sie ändern die radiale Richtung des Luftstroms in eine axiale Richtung, in der der Diffusionsprozess nach der Wende abgeschlossen ist. Damit die Krümmer diese Funktion effizient ausführen können, werden manchmal Umlenkschaufeln (Kaskadenschaufeln) in die Krümmer eingebaut. 

Axial-Flow-Kompressor

Der Axialkompressor hat zwei Hauptelemente: einen Rotor und einen Stator. Der Rotor hat Blätter, die auf einer Spindel befestigt sind. Diese Schaufeln treiben Luft aufgrund ihres Winkels und ihrer Tragflächenkontur auf die gleiche Weise wie ein Propeller nach hinten. Der sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Rotor saugt Luft am Kompressoreinlass an und treibt sie durch eine Reihe von Stufen. Vom Einlass zum Auslass strömt die Luft auf einem axialen Weg und wird in einem Verhältnis von etwa 1,25:1 pro Stufe komprimiert. Die Wirkung des Rotors erhöht die Kompression der Luft in jeder Stufe und beschleunigt sie nach hinten durch mehrere Stufen. Mit dieser erhöhten Geschwindigkeit wird Energie in Form von Geschwindigkeitsenergie vom Kompressor auf die Luft übertragen. Die Statorschaufeln wirken in jeder Stufe als Diffusoren und wandeln teilweise hohe Geschwindigkeit in Druck um. Jedes aufeinanderfolgende Paar von Rotor- und Statorschaufeln bildet eine Druckstufe. Die Anzahl der Schaufelreihen (Stufen) wird durch die benötigte Luftmenge und Gesamtdruckerhöhung bestimmt. Das Kompressordruckverhältnis steigt mit der Anzahl der Kompressionsstufen. Die meisten Motoren verwenden bis zu 16 Stufen und mehr.

Der Stator hat Schaufelreihen, die wiederum in einem umschließenden Gehäuse befestigt sind. Die stationären Leitschaufeln stehen radial zur Rotorachse vor und passen eng an jede Seite jeder Stufe der Rotorlaufschaufeln. In einigen Fällen ist das Verdichtergehäuse, in das die Leitschaufeln eingebaut sind, horizontal in zwei Hälften geteilt. Entweder die obere oder die untere Hälfte kann zur Inspektion oder Wartung von Rotor- und Statorschaufeln entfernt werden.

Die Funktion der Leitschaufeln besteht darin, Luft vom Lufteinlasskanal oder von jeder vorhergehenden Stufe aufzunehmen und den Druck der Luft zu erhöhen und sie mit der richtigen Geschwindigkeit und dem richtigen Druck an die nächste Stufe zu liefern. Sie steuern auch die Luftrichtung zu jeder Rotorstufe, um den maximal möglichen Verdichterschaufelwirkungsgrad zu erzielen. In der Abbildung sind die Rotor- und Statorelemente eines typischen Axialströmungskompressors dargestellt. Den Laufschaufeln der ersten Stufe kann eine Einlassleitschaufelanordnung vorausgehen, die fest oder variabel sein kann.  

Die Leitschaufeln lenken den Luftstrom im richtigen Winkel in die Rotorblätter der ersten Stufe und verleihen der in den Kompressor eintretenden Luft eine Wirbelbewegung. Dieser Vordrall in Drehrichtung des Triebwerks verbessert die aerodynamischen Eigenschaften des Verdichters, indem der Luftwiderstand an den Rotorschaufeln der ersten Stufe verringert wird. Die Einlassleitschaufeln sind gebogene Stahlschaufeln, die normalerweise an innere und äußere Stahlmäntel geschweißt sind.

Am Austrittsende des Kompressors sind die Leitschaufeln so konstruiert, dass sie den Luftstrom begradigen, um Turbulenzen zu beseitigen. Diese Leitschaufeln werden Richtleitschaufeln oder die Auslassleitschaufelanordnung genannt. Die Gehäuse von Axialströmungskompressoren tragen nicht nur die Leitschaufeln und bilden die Außenwand des axialen Weges, dem die Luft folgt, sondern sie stellen auch die Mittel zum Extrahieren von Kompressorluft für verschiedene Zwecke bereit. Die Leitschaufeln bestehen üblicherweise aus Stahl mit korrosions- und erosionsbeständigen Eigenschaften. Sehr häufig werden sie von einem Band aus geeignetem Material umhüllt (umschlossen), um das Befestigungsproblem zu vereinfachen. Die Leitschaufeln sind in die Ummantelungen eingeschweißt, und die äußere Ummantelung ist an der Innenwand des Verdichtergehäuses durch radiale Halteschrauben befestigt.

Die Rotorblätter bestehen normalerweise aus Edelstahl, wobei die letzten Stufen aus Titan bestehen. Das Design der Blattbefestigung an den Rändern der Rotorscheibe variiert, aber sie werden üblicherweise entweder durch Birnen- oder Tannenbaumverfahren in die Scheiben eingepasst. Die Klingen werden dann durch unterschiedliche Methoden arretiert. Verdichterschaufelspitzen werden durch Aussparungen, die als Schaufelprofile bezeichnet werden, in ihrer Dicke reduziert. Diese Profile verhindern eine ernsthafte Beschädigung der Schaufel oder des Gehäuses, falls die Schaufeln das Kompressorgehäuse berühren. Dieser Zustand kann auftreten, wenn Rotorblätter übermäßig locker werden oder wenn die Rotorunterstützung durch ein defektes Lager reduziert wird. Obwohl Laufschaufelprofile solche Möglichkeiten stark reduzieren, kann eine Laufschaufel gelegentlich unter Reibungsbelastung brechen und beträchtliche Schäden an Verdichterlaufschaufeln und Statorleitschaufelanordnungen verursachen. Die Schaufeln sind vom Eintritt bis zum Austritt unterschiedlich lang, weil der ringförmige Arbeitsraum (Trommel bis Gehäuse) durch die Abnahme des Gehäusedurchmessers nach hinten hin immer kleiner wird. Dieses Merkmal sorgt für eine ziemlich konstante Geschwindigkeit durch den Kompressor, was dazu beiträgt, den Luftstrom konstant zu halten.

Der Rotor weist entweder eine trommelartige oder eine scheibenartige Konstruktion auf. Der Trommelrotor besteht aus Ringen, die passend aneinander gebördelt werden, wobei die gesamte Baugruppe dann durch durchgehende Bolzen zusammengehalten werden kann. Diese Konstruktionsart ist für langsamlaufende Kompressoren zufriedenstellend, bei denen die Zentrifugalspannungen gering sind. Der Scheibenrotor besteht aus einer Reihe von Scheiben, die aus Aluminium-Schmiedeteilen bearbeitet und über eine Stahlwelle geschrumpft sind, wobei die Rotorblätter mit Schwalbenschwanzschwänzen in die Scheibenkränze eingepasst sind. Ein weiteres Verfahren zur Rotorkonstruktion besteht darin, die Scheiben und die Welle aus einem einzigen Aluminiumschmiedestück zu bearbeiten und dann Stahlstumpfwellen an der Vorder- und Rückseite der Baugruppe zu verschrauben, um Lagerstützflächen und Keile zum Verbinden der Turbinenwelle bereitzustellen. Die Rotoren vom Trommeltyp und vom Scheibentyp sind jeweils in den Figuren dargestellt.

Die Kombination der Verdichterstufen und Turbinenstufen auf einer gemeinsamen Welle ist ein Triebwerk, das als Triebwerksspule bezeichnet wird. Die gemeinsame Welle wird durch Verbinden der Turbinen- und Kompressorwelle durch ein geeignetes Verfahren bereitgestellt. Die Spule des Motors wird von Lagern getragen, die in geeigneten Lagergehäusen sitzen.

Wie bereits erwähnt, gibt es derzeit zwei Konfigurationen des Axialkompressors, die verwendet werden: der Einzelrotor/Spule und der Doppelrotor/Spule, die manchmal als Vollspule und geteilte Spule (zwei Spulen, Doppelspule) bezeichnet werden.

Eine Version des Kompressors mit fester Spule (eine Spule) verwendet variable Einlassleitschaufeln. Auch die ersten paar Reihen von Leitschaufeln sind variabel. Der Hauptunterschied zwischen variablen Einlassleitschaufeln (VIGV) und variablen Leitschaufeln (VSV) ist ihre Position in Bezug auf die Rotorblätter. VIGV sind vor den Rotorblättern und VSV sind hinter den Rotorblättern. Die Winkel der Einlassleitschaufeln und der ersten mehreren Stufen der Leitschaufeln können variabel sein. Während des Betriebs tritt Luft an der Vorderseite des Motors ein und wird durch die variable Einlassführung im richtigen Winkel in den Kompressor geleitet und durch das VSV geleitet. Die Luft wird komprimiert und in den Verbrennungsabschnitt gedrückt. Eine Brennstoffdüse, die sich in jede Verbrennungsauskleidung erstreckt, zerstäubt den Brennstoff für die Verbrennung.

Die meisten Turbofan-Triebwerke sind vom Split-Spool-Kompressortyp. Die meisten großen Turbofan-Triebwerke verwenden einen großen Lüfter mit einigen Kompressionsstufen, die als Niederdruckspule bezeichnet werden. Diese Turbofans enthalten zwei Kompressoren mit ihren jeweiligen Turbinen und Verbindungswellen, die zwei physikalisch unabhängige Rotorsysteme bilden. Viele Doppelrotorsysteme haben Rotoren, die sich in entgegengesetzte Richtungen und ohne mechanische Verbindung zueinander drehen. Die zweite Spule, die als Hochdruckspule bezeichnet wird und der Kompressor für den Gasgenerator und Kern des Triebwerks ist, führt dem Verbrennungsabschnitt des Triebwerks Luft zu.  

Die Vor- und Nachteile beider Kompressortypen sind in der folgenden Liste aufgeführt. Obwohl jeder Typ Vor- und Nachteile hat, hat jeder seine Verwendung nach Motortyp und -größe.

Die Vorteile des Zentrifugalkompressors sind: • Hoher Druckanstieg pro Stufe, • Wirkungsgrad über einen weiten Drehzahlbereich, • Einfache Herstellung und niedrige Kosten, • Geringes Gewicht und • Geringer Bedarf an Startleistung.

Die Nachteile des Zentrifugalstromkompressors sind: • Seine große Frontfläche für einen gegebenen Luftstrom und • Verluste in den Windungen zwischen den Stufen. 

Die Vorteile des Axialverdichters sind: • Hohe Spitzenwirkungsgrade; • Kleiner Frontbereich für gegebenen Luftstrom; • Gerader Durchfluss, der eine hohe Rammeffizienz ermöglicht; und • Erhöhter Druckanstieg durch zunehmende Stufenzahl bei vernachlässigbaren Verlusten. 

Die Nachteile des Axialkompressors sind: • gute Wirkungsgrade über nur einen engen Drehzahlbereich, • schwierige Herstellung und hohe Kosten, • relativ hohes Gewicht und • hohe Anforderungen an die Startleistung (teilweise überwunden durch geteilte Kompressoren). 

Diffusor

Der Diffusor ist der divergierende Abschnitt des Motors nach dem Kompressor und vor dem Verbrennungsabschnitt. Es hat die überaus wichtige Funktion, die Hochgeschwindigkeits-Kompressorauslassluft auf erhöhten Druck bei geringerer Geschwindigkeit zu reduzieren. Dies bereitet die Luft für den Eintritt in den Flammenbrennbereich des Verbrennungsabschnitts mit einer geringeren Geschwindigkeit vor, so dass die Verbrennungsflamme kontinuierlich brennen kann. Wenn die Luft mit hoher Geschwindigkeit durch den Flammenbereich strömte, könnte sie die Flamme löschen.