Vergleichende Untersuchung verschiedener Flugzeugantriebe

Unter Berücksichtigung der relevanten chemischen Treibstoffeigenschaften


Facharbeit (Schule), 2013

31 Seiten, Note: 1,0

Adrian Zernetzki (Autor)


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis:

1. Vorwort

2 Mantelstromtriebwerk
2.1 Allgemeines
2.2 Aufbau und Funktionsweise
2.2.1 Triebwerkseinlauf
2.2.2 Verdichter
2.2.2.2 Axialverdichter
2.2.3 Brennkammer
2.2.4 Turbine
2.2.5 Nachbrenner
2.2.6 Schubdrüse
2.3 Treibstoffe
2.3.1 Kerosin
2.3.1.1 Herstellung
2.3.1.4 Nachteile
2.3.2 Biokerosin
2.3.2.5 Vorteile
2.3.2.6 Nachteile

3. Elektromotor
3.1 Allgemeines
3.2 Energiequellen
3.2.1 Solarenergie
3.2.1.1 Funktionsweise
3.2.1.3 Vorteile
3.2.2.2 Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

4. Synthese

5. Nachwort

6. Quellen
6.1 Literatur:
6.2 Internetquellen:
6.3 Bildquellen:

1. Vorwort

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erdöl zählt zu den wichtigsten Rohstoffen unserer Erde und wird seit Jahren in großen Mengen gefördert. Laut der Internationalen Energieagentur wird allerdings die maximale Fördermenge von Öl vermutlich im Jahr 2013 erreicht werden oder wurde schon in den letzten 5 Jahren erreicht (vgl. [15]). Dies sieht man in der in Abbildung 1 aufgezeigten Hubbert-Kurve, die die geförderte Menge an Erdöl in der Vergangenheit und in der Zukunft darstellt. Außerdem sieht man deutlich, dass die maximale Fördermenge erreicht worden ist. Mit dem Erlangen dieses Punktes wird die jährliche Menge an gewonnenem Erdöl abnehmen und somit auch die Quantität der Raffinerieprodukte von Öl. Aus diesem Grund müssen alle Branchen, die direkt oder indirekt vom Erdöl abhängig sind, Alternativen suchen. Vor allem der Luftverkehr spielt dabei, als einer der am stärksten wachsenden Sektoren, eine entscheidende Rolle. So wurden global 2011 14,8 % mehr Passagiere transportiert als im Jahr 2009, in Deutschland hat sich die Anzahl der transportierten Personen im gleichen Zeitraum um 12 % erhöht. Ein weiterer wichtiger Faktor ist das Aufkommen an Frachtverkehr, der in der Zeitspanne von 2009 bis 2011, global um 1,4 % gestiegen ist und national um 8,0 % (vgl. [13]). Deshalb ist es so relevant, dass für Kerosin, das während der fraktionierten Destillation von Erdöl entsteht, eine gleichwertige Alternative gefunden wird. Insbesondere da es sich hierbei um den mit Abstand am Häufigsten verwendeten Treibstoff in der Luftfahrt handelt. Auch für Luftfahrtgesellschaften birgt diese Suche einen Vorteil, da sie 25 bis 30 % ihrer Gesamtausgaben in Treibstoff investieren müssen (vgl. [14]). Die hier vorliegende Arbeit macht sich deshalb den Vergleich verschiedener Antriebssysteme und verschiedener Treibstoffe zum Thema. Die folgenden Kapitel beschäftigen sich mit Veranschaulichung und dem Vergleich des herkömmlichen Mantelstromtriebwerks, sowie moderner Elektro- und Brennstoffzellenantriebe. Dazu werden auch eigene Rechnungen herangezogen, die zur Darlegung der einzelnen Antriebe genutzt werden.

2 Mantelstromtriebwerk

2.1 Allgemeines

Ein Mantelstromtriebwerk (engl. turbofan) wird auch als Zweistromstrahl- oder Nebenstromtriebwerk bezeichnet und ist das heutzutage am Häufigsten verwendete Triebwerk in der zivilen Luftfahrt. Der Triebwerkskern wird hierbei vom Mantelstrom umgeben und sorgt damit für einen leiseren und ökonomischeren Antrieb (vgl. [16] S.6). Im Allgemeinen läuft im Flugzeugtriebwerk ein mit dem Verbrennungsmotor vergleichbarer Prozess ab (vgl. [17] S.1):

- Ansaugen der Luft
- Verdichtung
- Verbrennung
- Ausstoßen (der Abgase)

Ein grundlegender Unterschied ist aber, dass beim Verbrennungsmotor die Arbeitsschritte in Takte unterteilt sind, wo hingegen beim Triebwerk alle Prozesse und somit auch die Schuberzeugung kontinuierlich ablaufen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufbau eines Mantelstromtriebwerks [Gebläse = Fan; Turbine wird noch in Hoch- und Niederdruckturbine aufgeteilt; Hauptstrom teilt sich in der Brennkammer in Primär- und Sekundärluft]

2.2 Aufbau und Funktionsweise

2.2.1 Triebwerkseinlauf

Funktion des Triebwerkseinlaufes ist es, die Geschwindigkeit der angesaugten Luft so zu reduzieren, dass der nachfolgende Verdichter einen turbulenzarmen, kontinuierlichen und geeigneten Zustrom erfährt. Außerdem soll der Druck und die Temperatur erhöht werden, um die Geschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit zu erhöhen, damit der Luftstrom nicht mit Überschall durch das Triebwerk strömt. In der Regel wird dabei ein subsonischer Einlauf verwendet, da dieser speziell für den Flug unterhalb der Schallmauer konstruiert ist und bis zu einer Machzahl von ca. 0,9 ( ~ 306 m/s bzw. ~ 1.100 km/h) sehr geringe Strömungsverluste hat (vgl. [1] S.125f.). „Die Auslegung [des Einlaufes] erfolgt als sog. Pitot-Einlauf mit abgerundeten Einlauflippen, wodurch lokale Überschallgeschwindigkeiten bei Flugmanövern mit größeren Anstellwinkeln oder mit Schräganströmung (z.B. Seitenwind) besser berücksichtigt werden können“ ([1] S.126).

2.2.2 Verdichter

Die angesaugte Luft wird anschließend im Verdichter komprimiert, d.h. ihr Volumen wird verringert und gleichzeitig wird der Druck erhöht. Die Leistungsabgabe beim anschließenden Verbrennungsprozess ist somit effizienter, da die freigesetzte Energie direkt proportional zur Luftmasse und deren Druck ist. Je höher nämlich der Grad der Verdichtung ist, desto höher ist sowohl der theoretische Wirkungsgrad, als auch der innere Wirkungsgrad, der von der Verbrennungstemperatur abhängig ist. Durch das verkleinern des Volumens steigt der Massendurchsatz an. Der Verdichter ist beim Mantelstromtriebwerk aus zwei Teilen aufgebaut: die Fan-Sektion und der Radialverdichter (vgl. [1] S.134).

2.2.2.1 Fan-Sektion

Beim Fan handelt es sich um eine Art großen Ventilator, der die Luft nach hinten beschleunigt und somit auch am Ansaugprozess beteiligt ist (vgl. [17] S.2). Dabei wird meistens ein einstufiges Schaufelrad verwendet, das häufig aus Titan gefertigt wird. Außerdem ist die Größe des Fans entscheidend für das Bypass-Verhältnis oder Nebenstromverhältnis, das die Relation zwischen dem Nebenstrom (Luft, die den Kern umströmt) und den Luftmassen, die den Turbinenkern passieren, beschriebt (vgl. [18]). Und „[m]it steigendem Bypass-Verhältnis wird der spezifische Treibstoffverbrauch signifikant gesenkt“ ([1] S.135). Deshalb versucht man heutzutage Triebwerke mit extrem hohen Nebenstromverhältnis zu bauen, indem man die Größe des Fans bedeutend erhöht. Allerdings wächst somit auch die Stirnfläche der Turbine und infolge dessen auch der aerodynamische Widerstand (vgl. [1] S.135f.).
Nach den Fan-Schaufelrädern teilt sich der Luftstrom innerhalb des Triebwerks auf den Mantelstrom und den Luftstrom, der durch den Kern der Turbine strömt.

2.2.2.2 Axialverdichter

Der eigentliche Verdichter ist in modernen Triebwerken meist aus mehreren Stufen aufgebaut und besteht aus Rotoren, also Schaufelrädern die sich drehen, und Statoren, die fest verbaut sind. Dabei durchläuft der Luftstrom die Schaufeln axial (in Längsrichtung) (vgl.[1] S. 133f.). Die Rotoren werden dabei von der Turbine angetrieben (siehe 2.2.4). Um am Ende ein relativ kleines Volumen und einen hohen Druck zu erzeugen werden die Stufen immer kleiner und der Verdichter läuft pyramidenförmig zur Brennkammer (vgl. [17] S. 2). Dabei wird die anfangs vorhandene Luftmasse auf etwa 10% komprimiert (vgl. [16] S. 5). Als Alternative gäbe es auch noch einen Radialverdichter, bei dem die Luftmassen nicht axial, sondern radial, d.h. von außen nach innen (zentripital), strömen. Diese Art von Verdichter ist allerdings nur bei kleineren Triebwerken mit geringem Massendurchsatz effizient, sodass in der modernen Luftfahrt in der Regel Axialverdichter verwendet werden ([1] S. 138ff.).

2.2.3 Brennkammer

In der Brennkammer wird ein Gemisch von verdichtetem Sauerstoff und Brennstoff verbrannt, um die darin enthaltene chemische Energie in Wärme und kinetische Energie umzuwandeln. Dabei wird der Brennstoff eingespritzt, zerstäubt und vorverdampft und dann ein einziges Mal, beim Start, mit einer Zündkerze gezündet. Anschließend läuft die Verbrennung kontinuierlich durch Selbstzündung ab. Heute wird als Brennkammernart  fast ausschließlich die Ringbrennkammer verwendet, bei der der Treibstoff in einer ringförmigen Kammer abbrennt. Früher wurden Rohrbrennkammern verwendet, bei denen der Verbrennungsprozess auf mehrerer einzelne Rohre verteilt war (vgl. [1] S. 157f.).

Vor der Brennkammer wird der Luftstrom abermals geteilt: 20 % der Luft strömen als Primärluft in die Brennkammer und nehmen aktiv am Verbrennungsprozess teil, die restlichen 80 % umströmen die Brennkammer und dienen hauptsächlich der Kühlung dieser (vgl. [41]).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Primärluft (schwarze Pfeile) und Sekundärluft (weiße Pfeile) in der Brennkammer

2.2.4 Turbine

In der Turbine werden die aus der Brennkammer ausströmenden Gase, die einen hohen Druck und eine hohe Temperatur haben, benutzt, um die Turbinenwelle anzutreiben. 75 % der Energie, die nach der Brennkammer vorhanden ist, wird über die Turbinenwelle zum Antrieb des Verdichters und des Fans verwendet. Auch in der Turbine wird in Radial- und Axialturbine unterscheiden, wobei hier dasselbe gilt wie beim Verdichter: Bei der Radialturbine durchströmen die Gase die Turbine radial und die Turbine kann mehr Masse durchsetzen, während bei der Axialturbine, der Abgasstrom axial verläuft und so bei höheren Massendurchsätzen ineffizient arbeitet. Allerdings ist die Axialturbine bei niedrigen Massendurchsätzen, also bei kleineren Triebwerken (wie Hilfstriebwerken) ökonomischer. Auch der Aufbau ist ähnlich wie bei den Verdichtern. Es gibt mehrere Turbinenstufen, die immer aus einem Stator und einem Rotor bestehen. Die Turbine nimmt im Allgemeinen ihre Energie aus dem hohen Druck und der Geschwindigkeit der Abgase und baut diesen ab. Allerdings unterscheidet man in zwei Turbinenteile: Die Hochdruckturbine ist gleich nach der Brennkammer platziert und besteht aus einer bis zwei Turbinenstufen, die die äußere Welle antreiben und somit die Energie für den Verdichter liefern. Die Niederdruckturbine ist der Hochdruckturbine nachgestellt und wandelt den Luftstrom (niedrigerer Druck) in mehreren Turbinenstufen wiederum in Wellenenergie um, die auf die innere Welle übertragen wird und dann den Fan antreibt (vgl. [1] S.159-168).

2.2.5 Nachbrenner

Der Nachbrenner kommt nur in Überschallflugzeugen zum Einsatz, wie der Concorde oder heutzutage noch in militärischen Flugzeugen. Dabei wird nach der Turbine nochmals Treibstoff in das Heißgas gespritzt und verbrannt. Somit wird die Temperatur und das Volumen des Gases angehoben und führt zu einer erneuten Beschleunigung des Gases (vgl. [1] S. 180f.).

2.2.6 Schubdrüse

Die Funktion der Schubdrüse ist es, dass die Energie des Gases in Geschwindigkeit bzw. Schub umgewandelt wird. Dabei wird die Geschwindigkeit des Heißgases in der Drüse ungefähr verdoppelt, weshalb die Schubdrüse auch so entscheidend für die Leistung des Treibwerks ist. Bei Turbofantriebwerken gibt es zwei Schubdrüsen, eine für den Mantelstrom und eine für den Hauptstrom. Dabei ummantelt der Nebenstrom den Hauptstrom und reduziert somit die Lautstärke und den Treibstoffverbrauch (vgl. [1] S. 187f.).

2.3 Treibstoffe

2.3.1 Kerosin

Kerosin ist der mit Abstand am Häufigsten verwendete Treibstoff in der Luftfahrt. Dieser wird selber nochmals in viele einzelne Klassen unterteilt, allerdings wird in dieser Arbeit nur der überwiegend eingesetzte Treibstoff Kerosin Jet A-1 behandelt.

[...]

Ende der Leseprobe aus 31 Seiten

Details

Titel
Vergleichende Untersuchung verschiedener Flugzeugantriebe
Untertitel
Unter Berücksichtigung der relevanten chemischen Treibstoffeigenschaften
Note
1,0
Autor
Jahr
2013
Seiten
31
Katalognummer
V268893
ISBN (eBook)
9783656599180
ISBN (Buch)
9783656599173
Dateigröße
1208 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Schlagworte
Flugphysik, Physik, FLugzeug, Triebwerke, Kerosin, Bio, Algentreibstoff, Solarenergie, Elektromotor, Seminararbeit, Luftfahrt, Wasserstoffmotor, Brennstoffzelle
Arbeit zitieren
Adrian Zernetzki (Autor), 2013, Vergleichende Untersuchung verschiedener Flugzeugantriebe, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/268893

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