🟱 ✈️ 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 erfĂŒllen. Um seinen Zweck zu erfĂŒllen, muss der Kompressor nĂ€mlich den Druck der Luftmasse erhöhen, die von der Lufteinlassleitung aufgenommen wird, und sie dann in der erforderlichen Menge und mit den erforderlichen DrĂŒcken zu den Brennern abgeben.


Eine sekundĂ€re Funktion des Kompressors besteht darin, Abzapfluft fĂŒr verschiedene Zwecke im Triebwerk und Flugzeug zu liefern. Die Zapfluft wird einer der verschiedenen Druckstufen des Kompressors entnommen. Die genaue Lage der EntlĂŒftungsöffnungen hĂ€ngt natĂŒrlich von dem Druck oder der Temperatur ab, die fĂŒr eine bestimmte Aufgabe erforderlich sind. Die Öffnungen sind kleine Öffnungen im VerdichtergehĂ€use neben der bestimmten Stufe, aus der die Luft abgelassen werden soll; Somit sind unterschiedliche Druckstufen einfach durch Antippen der entsprechenden Stufe verfĂŒgbar. Oft wird aus der letzten oder höchsten Druckstufe entlĂŒftet, da hier Druck und Lufttemperatur maximal sind. Manchmal kann es notwendig sein, diese Hochdruckluft zu kĂŒhlen. Wenn es zur Druckbeaufschlagung der Kabine oder zu anderen Zwecken verwendet wird, bei denen ĂŒbermĂ€ĂŸige WĂ€rme unangenehm oder schĂ€dlich wĂ€re,


Zapfluft wird auf vielfĂ€ltige Weise genutzt. Einige der gegenwĂ€rtigen Anwendungen von Zapfluft sind: 1. Druckbeaufschlagung, Heizung und KĂŒhlung der Kabine; 2. Enteisungs- und VereisungsschutzausrĂŒstung; 3. Pneumatisches Anlassen von Motoren; und 4. Hilfsantriebseinheiten (ADU).


Kompressortypen 

Die zwei Haupttypen von Verdichtern, die gegenwĂ€rtig in Gasturbinenflugzeugtriebwerken verwendet werden, sind Zentrifugalströmung und Axialströmung. Der Radialverdichter erfĂŒllt seinen Zweck, indem er die eintretende Luft aufnimmt und durch Zentrifugalwirkung nach außen beschleunigt. Der Axialkompressor verdichtet Luft, wĂ€hrend die Luft in ihrer ursprĂŒnglichen Strömungsrichtung weiterfließt, wodurch der Energieverlust durch Kurven vermieden wird. Die Komponenten jedes dieser beiden Verdichtertypen haben ihre individuellen Funktionen bei der Verdichtung von Luft fĂŒr 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 beschrĂ€nkt. 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 KlĂ€rung bei der Kompressoreinweisung werden die GerĂ€te einzeln behandelt. Das Laufrad ist normalerweise aus einer geschmiedeten Aluminiumlegierung hergestellt, wĂ€rmebehandelt, bearbeitet und geglĂ€ttet, um eine minimale StrömungseinschrĂ€nkung und Turbulenz zu erzielen.


Bei den meisten Typen wird das Laufrad aus einem einzigen SchmiedestĂŒck 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 LaufrĂ€dern sind GrĂ¶ĂŸe und Kanalanordnung. Der Typ mit zwei EingĂ€ngen 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 FĂŒhrung direkt zum Laufradauge (Einlassschaufeln) im Gegensatz zu der komplizierteren FĂŒhrung, die erforderlich ist, um die RĂŒckseite 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 EingĂ€ngen zu liefern. 


In der Leitung fĂŒr Kompressormotoren mit doppeltem Eintritt ist die Sammelkammer enthalten. Diese Kammer ist fĂŒr 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 zusĂ€tzlichen LufteinlasstĂŒren (EinblastĂŒren) enthalten. Diese EinblastĂŒren lassen wĂ€hrend des Bodenbetriebs Luft in den Motorraum ein, wenn der Luftbedarf fĂŒr den Motor den Luftstrom durch die EinlasskanĂ€le ĂŒbersteigt. Die TĂŒren werden durch Federwirkung geschlossen gehalten, wenn der Motor nicht in Betrieb ist. Im Betrieb jedoch die TĂŒren öffnen sich automatisch, wenn der Druck im Motorraum unter den atmosphĂ€rischen Druck fĂ€llt. WĂ€hrend des Starts und Flugs hilft der Stauluftdruck im Motorraum den Federn, die TĂŒren geschlossen zu halten.


(A) Komponenten eines Radialkompressors;  (B) Luftauslassbogen mit Umlenklamellen zur Reduzierung von Luftdruckverlusten


Der Diffusor ist eine ringförmige Kammer, die mit einer Anzahl von FlĂŒgeln versehen ist, die eine Reihe von divergierenden DurchgĂ€ngen 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 ĂŒbertragen wird, zurĂŒckgehalten wird. Sie liefern die Luft auch mit einer Geschwindigkeit und einem Druck an den KrĂŒmmer, die fĂŒr 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 KompressorkrĂŒmmer leitet den Luftstrom vom Diffusor, der ein integraler Bestandteil des KrĂŒmmers ist, in die Brennkammern um. Der Verteiler hat eine Auslassöffnung fĂŒr jede Kammer, so dass die Luft gleichmĂ€ĂŸig verteilt wird. Ein Verdichterauslassknie ist mit jeder der Auslassöffnungen verschraubt. Diese LuftauslĂ€sse sind kanalförmig ausgebildet und unter verschiedenen Namen bekannt, wie beispielsweise LuftauslasskanĂ€le, AuslasskrĂŒmmer oder BrennkammereinlasskanĂ€le. UnabhĂ€ngig von der verwendeten Terminologie leisten diese AuslasskanĂ€le einen sehr wichtigen Teil des Diffusionsprozesses; das heißt, sie Ă€ndern die radiale Richtung des Luftstroms in eine axiale Richtung, in der der Diffusionsprozess nach der Wende abgeschlossen ist. Damit die KrĂŒmmer diese Funktion effizient ausfĂŒhren können, werden manchmal Umlenkschaufeln (Kaskadenschaufeln) in die KrĂŒmmer eingebaut. 


Axial-Flow-Kompressor

Der Axialkompressor hat zwei Hauptelemente: einen Rotor und einen Stator. Der Rotor hat BlĂ€tter, die auf einer Spindel befestigt sind. Diese Schaufeln treiben Luft aufgrund ihres Winkels und ihrer TragflĂ€chenkontur 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 VerhĂ€ltnis 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 ĂŒbertragen. 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 KompressordruckverhĂ€ltnis 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 GehĂ€use befestigt sind. Die stationĂ€ren Leitschaufeln stehen radial zur Rotorachse vor und passen eng an jede Seite jeder Stufe der Rotorlaufschaufeln. In einigen FĂ€llen ist das VerdichtergehĂ€use, in das die Leitschaufeln eingebaut sind, horizontal in zwei HĂ€lften geteilt. Entweder die obere oder die untere HĂ€lfte 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 nĂ€chste 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 RotorblĂ€tter 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 Ă€ußere StahlmĂ€ntel 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 GehĂ€use 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 fĂŒr verschiedene Zwecke bereit. Die Leitschaufeln bestehen ĂŒblicherweise aus Stahl mit korrosions- und erosionsbestĂ€ndigen Eigenschaften. Sehr hĂ€ufig werden sie von einem Band aus geeignetem Material umhĂŒllt (umschlossen), um das Befestigungsproblem zu vereinfachen. Die Leitschaufeln sind in die Ummantelungen eingeschweißt, und die Ă€ußere Ummantelung ist an der Innenwand des VerdichtergehĂ€uses durch radiale Halteschrauben befestigt.


Die RotorblĂ€tter bestehen normalerweise aus Edelstahl, wobei die letzten Stufen aus Titan bestehen. Das Design der Blattbefestigung an den RĂ€ndern der Rotorscheibe variiert, aber sie werden ĂŒblicherweise 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 BeschĂ€digung der Schaufel oder des GehĂ€uses, falls die Schaufeln das KompressorgehĂ€use berĂŒhren. Dieser Zustand kann auftreten, wenn RotorblĂ€tter ĂŒbermĂ€ĂŸig locker werden oder wenn die RotorunterstĂŒtzung durch ein defektes Lager reduziert wird. Obwohl Laufschaufelprofile solche Möglichkeiten stark reduzieren, kann eine Laufschaufel gelegentlich unter Reibungsbelastung brechen und betrĂ€chtliche SchĂ€den an Verdichterlaufschaufeln und Statorleitschaufelanordnungen verursachen. Die Schaufeln sind vom Eintritt bis zum Austritt unterschiedlich lang, weil der ringförmige Arbeitsraum (Trommel bis GehĂ€use) durch die Abnahme des GehĂ€usedurchmessers nach hinten hin immer kleiner wird. Dieses Merkmal sorgt fĂŒr eine ziemlich konstante Geschwindigkeit durch den Kompressor, was dazu beitrĂ€gt, den Luftstrom konstant zu halten.

 

Rotor- und Statorelemente einer typischen Axialströmung


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 fĂŒr langsamlaufende Kompressoren zufriedenstellend, bei denen die Zentrifugalspannungen gering sind. Der Scheibenrotor besteht aus einer Reihe von Scheiben, die aus Aluminium-Schmiedeteilen bearbeitet und ĂŒber eine Stahlwelle geschrumpft sind, wobei die RotorblĂ€tter mit SchwalbenschwanzschwĂ€nzen in die ScheibenkrĂ€nze eingepasst sind. Ein weiteres Verfahren zur Rotorkonstruktion besteht darin, die Scheiben und die Welle aus einem einzigen AluminiumschmiedestĂŒck zu bearbeiten und dann Stahlstumpfwellen an der Vorder- und RĂŒckseite der Baugruppe zu verschrauben, um LagerstĂŒtzflĂ€chen 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 LagergehĂ€usen sitzen.


Wie bereits erwÀhnt, 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 RotorblĂ€tter. VIGV sind vor den RotorblĂ€ttern und VSV sind hinter den RotorblĂ€ttern. Die Winkel der Einlassleitschaufeln und der ersten mehreren Stufen der Leitschaufeln können variabel sein. WĂ€hrend des Betriebs tritt Luft an der Vorderseite des Motors ein und wird durch die variable EinlassfĂŒhrung im richtigen Winkel in den Kompressor geleitet und durch das VSV geleitet. Die Luft wird komprimiert und in den Verbrennungsabschnitt gedrĂŒckt. Eine BrennstoffdĂŒse, die sich in jede Verbrennungsauskleidung erstreckt, zerstĂ€ubt den Brennstoff fĂŒr die Verbrennung.


Die meisten Turbofan-Triebwerke sind vom Split-Spool-Kompressortyp. Die meisten großen Turbofan-Triebwerke verwenden einen großen LĂŒfter mit einigen Kompressionsstufen, die als Niederdruckspule bezeichnet werden. Diese Turbofans enthalten zwei Kompressoren mit ihren jeweiligen Turbinen und Verbindungswellen, die zwei physikalisch unabhĂ€ngige 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 fĂŒr den Gasgenerator und Kern des Triebwerks ist, fĂŒhrt dem Verbrennungsabschnitt des Triebwerks Luft zu.  


Die Vor- und Nachteile beider Kompressortypen sind in der folgenden Liste aufgefĂŒhrt. Obwohl jeder Typ Vor- und Nachteile hat, hat jeder seine Verwendung nach Motortyp und -grĂ¶ĂŸe.


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


Die Nachteile des Zentrifugalstromkompressors sind: • Seine große FrontflĂ€che fĂŒr einen gegebenen Luftstrom und • Verluste in den Windungen zwischen den Stufen. 


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


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


Diffusor

Der Diffusor ist der divergierende Abschnitt des Motors nach dem Kompressor und vor dem Verbrennungsabschnitt. Es hat die ĂŒberaus wichtige Funktion, die Hochgeschwindigkeits-Kompressorauslassluft auf erhöhten Druck bei geringerer Geschwindigkeit zu reduzieren. Dies bereitet die Luft fĂŒr 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.

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