Treibstoffverbrauch bei Flugzeugstart

Diskutiere Treibstoffverbrauch bei Flugzeugstart im Luftfahrzeugtechnik u. Ausrüstung Forum im Bereich Grundlagen, Navigation u. Technik; Gerücht: mir wurde erzählt, dass beim Start eines (Verkehrs-)Flugzeugs eine beträchtliche Menge an Treibstoff ungenutzt durchs Triebwerk geblasen...

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  1. #1 Ruby Banx, 07.10.2008
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    Gerücht:
    mir wurde erzählt, dass beim Start eines (Verkehrs-)Flugzeugs eine beträchtliche Menge an Treibstoff ungenutzt durchs Triebwerk geblasen wird.

    kann mir das bitte jemand bestätigen bzw. verneinen?
    klingt für mich zwar völlig unlogisch, aber ich muss es doch checken.
    Ich gehe davon aus, dass die Triebwerksbauer ihre Antriebe so entwickeln, dass der Treibstoff zu 100% ausgenutzt wird und nicht umsonst verbraucht...

    Danke für Anwort!
     
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  3. #2 Schorsch, 07.10.2008
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    Wenn der Treibstoff in die hunderte Grad heiße Brennkammer kommt, wird er oxidieren (gesetzt es ist ausreichend Sauerstoff vorhanden). Dass muss nicht heißen, dass seine Energie auch tatsächlich in den Vortrieb fließt.

    Ein paar kommen unoxidiert hinten raus.
    Ruß etwa ist nichts anderes als unvollständig oxidierter Treibstoff, ergo Verschwendung. Es gibt auch die so genannten unverbrannten Kohlenwasserstoffe, aber das sind einige PPM (die riechen so schön).

    Der Wirkungsgrad eines moderen TF-Triebwerks wird bei maximalen Schub gewiss geringer sein als im Reiseflug, aber es wird nicht literweise Sprit ungenutzt hinten raustropfen.
     
  4. #3 Acanthurus, 07.10.2008
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    Der Hauptverlust, was den Wirkungsgrad angeht, stammt beim Anrollen/Start jedoch nicht aus den Verlusten in der Brennkammer (unverbrannter Kraftstoff), sondern aus dem sog. Vortriebswirkungsgrad.
    Das hat folgende Bewandnis:

    Um eine Tonne Schub zu erzeugen kann man entweder eine GROSSE Menge Luft mit vergleichsweise geringer Geschwindigkeit benutzen, oder eine KLEINERE Menge Luft mit größerer Geschwindigkeit. Der letztere Fall benötigt mehr Energie (und damit auch mehr Sprit). Entscheident für den "richtigen" Luftdurchsatz ist die Fluggeschwindigkeit.
    Die Triebwerke sind aber für höhere Geschwindigkeiten optimiert (Reiseflug). Für den Startfall ist also die Anpassung des Triebwerks (d.h. sein Durchsatz und seine Strahlgeschwindigkeit) nicht optimal.

    Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die besten thermischen Wirkungsgrade zwar bei hohen Druckverhältnissen, aber recht kleinen ABGABELEISTUNGEN anzusiedeln sind. Beim Start ist aber eine hohe Leistung erforderlich, die Triebwerke sind aber wiederum aus ökonomischen Gründen für gute Wirkungsgrade im Reiseflug (kleinerer Leistungsdurchsatz, weil geringere Luftdichte) optimiert.

    Es ist also, wie immer, ein Abwägen von Betriebszuständen und deren Häufung vorzunehmen, und da geht eben beim Start einiges verloren, da der Vorgang KURZ ist.

    In Strahltriebwerken findet i.d.R. keine stöchiometrische Verbrennung statt (da diese zu Temperaturen führen würde, welche die Turbinen nicht verkraften), sondern es wird mit Sauerstoffüberschuss verbrannt. Der Anteil an unverbranntem Kraftstoff ist somit relativ gering (wenigstens bei modernen Airlinertriebwerken).

    gruß

    a.p.
     
  5. #4 poweregg, 07.10.2008
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    @Acanthurus:
    ich habe mal gelernt, dass bei einer Verbrennung mit Sauerstoffüberschuß (magere Verbrennung) es zu einer schädlichen Übertemperatur kommen kann, da mehr Sauerstoffteile da sind, als tatsächlich zur Verbrennung benötigt werden.
    Hingegen die "fette Verbrennung", sprich Kraftstoffüberschuß führt zur unvollständigen Verbrennung mit den Nebenerscheinungen Unwirtschaftlichkeit, extreme Rußbildung etc.
    Gruß Jens
     
  6. #5 Intrepid, 08.10.2008
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    Bei Kolbentriebwerken ist es so, vielleicht hat da jemand etwas verwechselt?
     
  7. #6 Acanthurus, 09.10.2008
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    @poweregg:

    auch da muss man ganz stark zwischen Kolbenmaschinen und Turbomaschinen unterscheiden.
    Bei Kolbenmotoren kann man deutlich Dichter an der stöchiometrischen Mischung verbrennen, da die Brennraumkomponenten im Gegensatz zur Brennkammer eines Turbotriebwerks nicht zu 100% der Taktzeit den vollen Temperaturen ausgesetzt sind.
    Um die Temperaturen zu senken, gibt es jetzt prinzipiell zwei möglichkeiten:

    -Reduktion der Obertemperatur mit Luftüberschuss... die freiwerdende Verbrennungsenthalpie verteilt sich auf eine größere Gasmasse, was im Mittel eine geringere Temperatur bewirkt als die theoretisch maximale (welche in etwa bei stöchiometrischer Verbrennung, d.h. bei idealem Kraftstoff-Luft-Verhältnis auftritt). Das ist bei Turbotriebwerken der Fall. Der Luftüberschuss muss dabei recht groß sein.

    -"Innenkühlung" durch den Kraftstoff bei überfetter Verbrennung. Dabei kommt im Gegensatz zum Luftüberschuss beim Turbotriebwerk nicht nur die WÄRMEKAPAZITÄT des zusätzlichen Wärmepuffers (Kraftstoff) zum Einsatz, sondern insbesondere dessen Verdampfungsenthalpie. D.h. die Temperatur wird dadurch gesenkt, dass ein Teil der Verbrennungswärme dazu benutzt wird, den überschüssigen Kraftstoff zu verdampfen.

    Der Verlauf ist also folgender: Wenn man mit sehr fetter Verbrennung beginnt und dann langsam abmagert, dann steigt die Temperatur an und erreicht ein MAximum, welches irgendwo in der Nähe der stöchiometrischen Verbrennung liegt. Wird dann noch mehr luft zugesetzt d.h. stark abgemagert, dann sinkt die Temperatur wieder, einfach weil mehr Luft vorhanden ist, welche mit dem geg. Kraftstoff erwärmt werden muss.

    In realen Maschinen ist die maximale Obertemperatur nicht exakt am Stöchiometriepunkt, einfach weil die Verbrennung nicht so ideal ist wie die Chemie das gerne hätte, und ggf. (bei Kolbenmaschinen) nicht gleichförmig sondern stark instationär erfolgt.

    Ist das einigermaßen verständlich?

    gruß

    a.p.
     
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  8. radist

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    Danke!

    Ich finde Deine Beiträge, auch #3, immer sehr toll erklärt!
     
  9. #8 Schorsch, 09.10.2008
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    Und auch gleich schön erklärt, warum man gerne Wassereinspritzung bei Höchstleistung betrieben hat.
     
  10. #9 Acanthurus, 09.10.2008
    Zuletzt bearbeitet: 09.10.2008
    Acanthurus

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    @Schorsch:
    Mit dem feinen Unterschied, dass man die Verdampfung dort eigentlich nicht nutzen kann, sondern v.A. die Wärmekapazität der feuchten, aber noch nicht gesättigten Luft erhöhen will.
    Bei speziell ausgelegten Turbinen (Kraftwerk, Kondensationsdampfturbine) könnte man die Verdampfungsenthalpie, welche man mittels Verbrennung investiert hat, teilweise wieder rückgewinnen. Beim Flugtriebwerk, in der normalen Niederdruckturbine, geht das eher nicht. Die erzielbare Leistung ist somit zwar sehr hoch (hohe Wärmekapazität des Trägermediums, d.h. viele kW pro °C, weshalb man die °C nicht so hoch schrauben muss), der Gesamt-Wirkungsgrad bei Wassereinspritzung aber eher bescheiden... weshalb das nur kurzzeitig (Start) zum Einsatz kam.
    Der zweite Aspekt der Wasserenspritzung ist die Erhöhung des Volumenstromes... man muss wenig mechanische Leistung zur Einspritzung aufbringen (Leistung=Volumenstrom*Druckdifferenz, Wasser hat aufgrund der riesigen Dichte einen kleinen Volumenstrom), erhält aber in der Turbine viel mechanische Ausgangsleistung (hoher Volumenstrom, fast dasselbe Druckverhältnis). Somit wird in der Turbine weniger Druckdifferenz "verbraucht", um die Antriebsleistung von Verdichter (und Wasserpumpe) zu erzeugen... der Restdruck ist höher, und damit auch der Schub. Beim zweikreistriebwerk (Fan) oder Turboprop bleibt mehr Restdruck für die Freilaufturbine, was ebenfalls den Schub deutlich erhöht.

    Zusammengefasst Wassereinspritzung:

    -Erhöhung der Wärmekapazität
    -Erhöhung der Turbinenleistung, ohne mehr mechanische Verdichterleistung zu benötigen
    -Erhöhung des Krtaftstoffbedarfs, bzw. Erniedrigung der kritischen Prozessobertemperatur
    -Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades


    sorry, ich schweife ab...

    a.p.








    gruß

    A.P.
     
  11. radist

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    Gerne weiter abschweifen;)
    Liest sich wie ein guter Roman!
     
  12. #11 Acanthurus, 09.10.2008
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    Naaaa gut ;)

    Das Thema lautet ja "Treibstoff-Verbrauch beim Start".

    Da sollte man beim Strahltriebwerk die Spaltverluste nicht außer Acht lassen:
    die drehenden Teile (Verdichter, Turbine etc.) sind hochbeansprucht und daher recht stabil/massiv.
    Der "Rest" ist oftmals relativ dünnwandiges Blech.
    Beim Start (kaltes Triebwerk, volle Leistung) erwärmt sich der dünnwandige Teil schneller als der dickwandige, und dehtn sich entsprechend auch schneller aus als der Läufer. Der Spalt zwischen Gehäuse und Laufschaufelspitzen wird deshalb größer, und die Komponentenwirkungsgrade werden aufgrund der Spaltströmung schlechter. Beim Verdichter ist das besinders tragisch, denn 1% Verlust an Verdichterwirkungsgrad bewirkt mehr als 2% verlust Gesamtwirkungsgrad.
    Wirkungsgrad sinkt, Spritverbrauch bei gleicher Leistung steigt.
    (aber eben nicht unverbrannt)

    Bei modernen TW wirkt man dem mittels aktiver Spaltkontrolle (z.B. durch gezieltes Heizen mit Zapfluft) entgegen.

    gruß

    a.p.
     
  13. #12 A300-600, 10.10.2008
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    Also das ein Triebwerk "geheizt" wird ist mir sehr neu, aber eine interessante Idee.
    Das ganze was Du meinst heißt schon nicht umsonst Turbine Case Cooling.
    Auch die Turbineblades werden gekühlt und nicht geheizt.
    Richtig, die "Kühlluft" ist so heiß, das wir uns den Pelz verbrennen aber von einer Art "Vorheizung" kann zumindest bei meinen Exlizenzen (CMF56, V2500; PW4000, JT9) nicht gesprochen werden.
     
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  14. #13 Acanthurus, 10.10.2008
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    Da hast du natürlich recht, und es ist ja auch im Widerspruch zu dem, was ich selbst schreibe :rolleyes: (Gehäuse schneller erwärmt als Läufer).
    Danke für die Richtigstellung.

    gruß

    A.P.
     
  15. #14 connieflyer, 11.10.2008
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    HEI,
    wenn ich mich recht erinnere haben moderne Triebwerke beides:
    1. ACC= Active Case Cooling bei den Trubinengehäusen
    und
    2. ein RACC = Rotor Active Clearence Control im Verdichter.
    Erreicht wurde dies durch heizen der Verdichterläufertrommel

    Habe alle meine Unterlagen weggeworfen da ich jetzt vermehrt Urlaubskataloge wälze................

    Gruss
    Gordon
     
  16. #15 A300-600, 13.10.2008
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    Cooling heist aber trotzdem KÜHLEN und nicht heizen :red:
    Warum sollte auch ein Bereich der theoretisch irgendwas um die 500°C oder mehr hätte, geheizt werden?
    Aber du meinst glaube ich schon das richtige
     
  17. #16 connieflyer, 13.10.2008
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    Schon klar Wolle,

    die Turbine Case Cooling ist kühlen - ok
    Das RACC ist - nach meiner Erinnerung - ein heizen der Verdichtertrommel.
    Hintergrund: in beiden Fällen will man (für den Reiseflug) das Tip Clearence
    bei 1/100 mm halten.
    Das Turbinecase (ist sowieso heiss genug) also kühlen und den Verdichterrotor heizen um ihn so weit auszudehen, dass die Verdichterschaufeln sich dem (relativ kühlen) Kompressorcase maximal annähern.
    Ich glaube jetzt müsste es klar sein

    Gruss
    Gordon
     
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    Hallo

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  19. #17 A300-600, 15.10.2008
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    Jetzt ham wirs :TD:
    Sory, stnd da wohl etwas auf dem Schlauch :cool:

    Also TCC ist "kalte" Luft teilweise aus dem Fanbereich und RACC ist "warme" Luft aus dem Verdichter.
    Hab gestern nochmal Unterlagen gewälzt, ist ja bei mir schon etwas länger her.
     
  20. #18 Acanthurus, 15.10.2008
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    Dann lag ich ja gar nicht mal so daneben... wenn man das Thema mal kurz 12 Jahre liegen lässt, ist schon wieder fast alles vergessen ;)
     
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