Überschalleinlauf

Allgemein

Da der Verdichter bei ca. \(Ma \approx 0.5\) optimal arbeitet, ist es die Aufgabe des Überschalleinlaufes, die Strömung möglichst verlustarm auf diese Machzahl zu verzögern. Diese Aufgabe wird daruch erschwert, dass die Verzögerung durch Verdichtungsstöße erfolgt, so dass dennoch sehr große Totaldruckverluste entstehen können, die durch den nachfolgenden Energieeintrag im Triebwerk nur schwer (über)kompensiert werden können. Aufgrund des großen dynamischen Druckanteils beim Schnellflug können auch geringe relative Totaldruckverluste zu großen absoluten Totaldruckverlusten führen, die überkompensiert werden müssen. Bei dem Überschalleinlauf handelt es sich also um eine für den Kreisprozess sehr sensitive Komponente.

Klassifizierung

Die Überschalleinläufe können wie folgt klassifiziert werden:

• Nach Anzahl von Stößen:
  • Einstoßverdichtung
  • Mehrstoßverdichtung
• Nach Strömungsführung:
  • Innere Verdichtung (Strömung wird zweiseitig geführt)
  • Äußere Verdichtung (Strömung wird einseitig geführt)
  • Gemischte Verdichtung (inner und äußere)
• Nach Geometrieausführung:
  • Zweidimensionale Verdichtung (Keildiffusor)
  • Axialsymmetrische Verdichtung (Kegeldiffusor)

Innere, äußere und gemischte Verdichtung

Bei der inneren Verdichtung wird der Einlauf als eine umgekehrte Laval-Düse entworfen, wobei das Flächenverhältnis zwischen dem Düsenhals und der Einlauflippe für jede Flugmachzahl auf den Wert, der sich aus der kompresiblen Strömungsmechanik ergibt, eingestellt werden muss. Wird jedoch das Flächenverhältnis für eine bestimmte Design-Flugmachzahl eingestellt, ergibt sich im Offdesign eine kleinere Fangstromröhre als die Einlauflippe, weswegen sich ein senkrechter Verdichtungsstoß vor dem Einlauf ausbildet und den Überlauf der überschüssigen Luft ermöglicht. Da dieses Phänomen vor dem Erreichen der Design-Machzahl auftritt, wird es als Startproblem bezeichnet. Der Normalstoß weist sehr große Totaldruckverluste auf, so dass die innere Verdichtung als Ausführung eines Überschalleinlaufs eher ungeeignet erscheint.

Deutlich geringere Totaldruckverluste lassen sich durch die äußere Verdichtung erzielen, bei der ein oder mehrere schräge Verdichtungsstöße mit einem abschließendem sekrechten Stoß kombiniert werden. Die Summe der einzelnen Stoßverluste ist hierbei trotzdem geringer als bei nur einem starken senkrechten Stoß. Die schrägen Stöße werden induziert, indem der Keilwinkel erneut geändert wird. Im theoretischen Grenzfall eines sehr langen Diffusors mit kontinuierlicher Änderung des Keilwinkels läßt sich eine näerungsweise verlustfreie Verzögerung über Kompressionswellen erzeugen. Diese und auch Konfigurationen mit mehreren schrägen Stößen, weisen jedoch folgende Nachteile auf:

• Sehr langer Einlauf mit großer benetzter Oberfläche und Reibungsverlusten.
• Starke Umlenkung der Strömung, so dass sich im Unterschallteil des Einlaufs die Gefahr der Strömungsablösung bei der Rückumlenkung in die axiale Richtung ergibt.
• Folgend der großen Umlenkung der Strömung muss die Einlauflippe stark angestellt werden, wodurch ein senkrechter Verdichtungsstoß auf der Außenkontur des Einlaufs entsteht.

Um die Nachteile zu vermeiden, kann die gemischte Verdichtung angewendet werden, bei der zwar das Startproblem erneut auftaucht, jedoch in einer abgemilderten Form.

Offdesign-Verhalten

Folgend den Stoßbeziehungen für den schrägen Verdichtungsstoß ergibt sich bei konstantem Keilwinkel ein immer größerer Stoßwinkel bei abnehmender Flugmachzahl. Zunächst bleibt hierbei der schräge Verdichtungsstoß anliegend und es kommt zum Überlauf (supersonic spill) der überschüssigen Luft. Bei weiterer Absenkung der Flugmachzahl ergibt sich keine Lösung für den schrägen Stoß, so dass sich ein abgelöster, senkrechter Stoß ausbildet. Hierbei erhöht sich der Totaldruckverlust schlagartig, so dass das Flugzeug aus der stabilen Fluglage herausgebracht werden könnte. Aus diesem Grund ist die Anwendung von variablen Geometrien im Überschalleinlauf notwendig. Beim Keildiffusor können dies Klappen sein, die den Keilwinkel ändern. Beim Kegeldiffusor kann der Kegel in axiale Richtung verschoben werden. Aufgrund des höheren Gewichtes und der Systemkomplexität werden variable Geoimetrien in der Luftfahrt nur dann verwendet, wenn sehr gewichtige Gründe dafür vorliegen (wie im Fall des Überschalleinlaufes).

Keil- und Kegeldiffusor

Nachfolgende Abbildungen erlauben einen qualitativen Vergleich zwischen dem Keil- und dem Kegeldiffusor. Bei gleichem Geometriewinkel \(\delta\) ergeben sich folgende Beobachtungen:

• Der schräge Verdichtungsstoß bleibt beim Kegeldiffusor länger anliegend.
• Der Druckrückgewinn \(\pi_{d}\) ist beim Kegeldiffusor größer (kleinere Strömungsverluste).
• Die Abströmmachzahl \(Ma_{2}\) ist beim Kegeldiffusor größer.