Gesamtdruckverhältnis - Overall pressure ratio
In der Luftfahrttechnik ist das Gesamtdruckverhältnis oder das Gesamtverdichtungsverhältnis das Verhältnis des Staudrucks , gemessen an der Vorder- und Rückseite des Verdichters eines Gasturbinentriebwerks . Die Begriffe Verdichtungsverhältnis und Druckverhältnis werden austauschbar verwendet. Das Gesamtverdichtungsverhältnis bedeutet auch das Gesamtzyklusdruckverhältnis, das den Einlasskolben einschließt.
Historie der Gesamtdruckverhältnisse
Frühe Strahltriebwerke hatten aufgrund von Konstruktionsungenauigkeiten der Kompressoren und verschiedener Materialgrenzen begrenzte Druckverhältnisse. So hatte beispielsweise der Junkers Jumo 004 aus dem 2. Weltkrieg ein Gesamtdruckverhältnis von 3,14:1. Die Snecma Atar unmittelbar nach dem Krieg verbesserte dies geringfügig auf 5,2:1. Verbesserungen bei Werkstoffen, Verdichterschaufeln und insbesondere die Einführung von Mehrspulenmotoren mit mehreren unterschiedlichen Drehzahlen führten zu den heute üblichen deutlich höheren Druckverhältnissen.
Moderne zivile Triebwerke arbeiten in der Regel zwischen 40 und 55:1. Die höchste in Betrieb befindliche ist die General Electric GEnx -1B/75 mit einer OPR von 58 am Ende des Steigflugs auf Reiseflughöhe (Top of Climb) und 47 für den Start auf Meereshöhe .
Vorteile hoher Gesamtdruckverhältnisse
Im Allgemeinen bedeutet ein höheres Gesamtdruckverhältnis eine höhere Effizienz, aber der Motor wiegt normalerweise mehr, sodass es einen Kompromiss gibt. Ein hohes Gesamtdruckverhältnis ermöglicht den Einbau einer Düse mit größerem Flächenverhältnis am Strahltriebwerk. Dadurch wird ein größerer Teil der Wärmeenergie in Strahlgeschwindigkeit umgewandelt und die energetische Effizienz verbessert. Dies spiegelt sich in Verbesserungen des spezifischen Kraftstoffverbrauchs des Motors wider .
Der GE Catalyst hat einen 16:1 OPR und seine thermische Effizienz beträgt 40 %, der 32:1 Pratt & Whitney GTF hat einen thermischen Wirkungsgrad von 50 % und der 58:1 GEnx hat einen thermischen Wirkungsgrad von 58 %.
Nachteile hoher Gesamtdruckverhältnisse
Einer der wichtigsten begrenzenden Faktoren für das Druckverhältnis in modernen Konstruktionen besteht darin, dass sich die Luft beim Verdichten erwärmt. Beim Durchströmen der Verdichterstufen kann die Luft Temperaturen erreichen, die ein Materialausfallrisiko für die Verdichterschaufeln darstellen. Dies gilt insbesondere für die letzte Verdichterstufe, und die Austrittstemperatur dieser Stufe ist ein üblicher Gütefaktor für Motorkonstruktionen.
Militärmotoren sind oft gezwungen, unter Bedingungen zu arbeiten, die die Heizlast maximieren. Zum Beispiel musste die General Dynamics F-111 Aardvark mit Geschwindigkeiten von Mach 1,1 auf Meereshöhe betrieben werden . Als Nebeneffekt dieser weiten Betriebsbedingungen und der in den meisten Fällen im Allgemeinen älteren Technologie haben Militärmotoren typischerweise niedrigere Gesamtdruckverhältnisse. Der bei der F-111 verwendete Pratt & Whitney TF30 hatte ein Druckverhältnis von etwa 20:1, während neuere Triebwerke wie die General Electric F110 und Pratt & Whitney F135 dies auf etwa 30:1 verbessert haben.
Ein zusätzliches Problem ist das Gewicht. Ein höheres Verdichtungsverhältnis impliziert einen schwereren Motor, der wiederum Kraftstoff kostet. Somit kann für eine bestimmte Konstruktionstechnologie und Flugpläne ein optimales Gesamtdruckverhältnis bestimmt werden.
Beispiele
| Motor | Gesamtdruckverhältnis | Hauptanwendungen |
|---|---|---|
| General Electric GE9X | 60:1 | 777X |
| Rolls-Royce Trent XWB | 52:1 | A350 XWB |
| General Electric GE90 | 42:1 | 777 |
| General Electric CF6 | 30,5:1 | 747 , 767 , A300 , MD-11 , C-5 |
| General Electric F110 | 30:1 | F-14 , F-15 , F-16 |
| Pratt & Whitney TF30 | 20:1 | F-14 , F-111 |
| Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 | 15,5:1/80:1 Überschall. | Concorde |
Unterschiede zu anderen ähnlichen Begriffen
Der Begriff sollte nicht mit dem bekannteren Begriff des Verdichtungsverhältnisses verwechselt werden, der für Hubkolbenmotoren verwendet wird . Das Kompressionsverhältnis ist ein Volumenverhältnis. Beim Otto- Hubkolbenmotor wird die maximale Ausdehnung der Ladung durch die mechanische Bewegung der Kolben (oder des Rotors) begrenzt, so dass die Kompression durch einfachen Vergleich des Zylindervolumens mit dem Kolben am oben und unten in seiner Bewegung. Das gleiche gilt nicht für die Gasturbine mit offenem Ende, bei der betriebliche und strukturelle Erwägungen die begrenzenden Faktoren sind. Dennoch sind sich die beiden Begriffe insofern ähnlich, als dass sie beide eine schnelle Möglichkeit bieten, den Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zu anderen Motoren derselben Klasse zu bestimmen.
Das Motordruckverhältnis (EPR) unterscheidet sich von OPR dadurch, dass OPR den Ansaugdruck mit dem Druck der Luft beim Austritt aus dem Kompressor vergleicht und immer größer als 1 ist (oft sehr viel), während EPR den Ansaugdruck mit dem Druck vergleicht am Auspuff des Motors (dh nachdem die Luft für die Verbrennung verwendet wurde und Energie an das/die Turbinenrad(e) des Motors abgegeben wurde) und ist bei niedrigen Leistungseinstellungen oft kleiner als 1.
Das weitgehend äquivalente Maß für die Effizienz des Raketentriebwerks ist Kammerdruck/Austrittsdruck, und dieses Verhältnis kann beim Space Shuttle Main Engine über 2000 liegen .