Triebwerksleistung durch Wasser kurzfristig erhöhen
 

servus an alle

ich habe mir vor kurzem das buch EMERGENCY aus der wiener hauptbiliothek ausgeborgt (btw kann ich nur einem jeden mal empfehlen zu lesen, ist zwar alt, aus derm 1995, aber wirklich sehr gut, spannend und trotzdem genau geschrieben) und dort wurde in einem bericht unter anderem follgendes angemerkt:

(kein zitat, sinngemäße wiedergabe)

die modifizierten triebwerke der 747-100 vom typ 3A können im vergleich zu dem typ 3 durch einspritzen von wasser die triebwerksleistung für den start kurzfristig erhöhen.


warum ist das so? mfg

Hi

Das muss man ein Physiker fragen. Ich glaube das es darin liegt das in dem Wasser Sauerstoff gebunden ist, und darum erhöht sich die Leistung des Triebwerks. Werde am Montag ein paar Physiker fragen ob sie eine Lösung dazu haben.

Oder es dient zum Kühlen und darum sich die Leistung erhöht.

Schöne Frage muss ich sagen,

Gruß Norbert

Hallo Norbert,

Zu ersteren: Wasser enthält Sauertsoff - aber schon sehr optimal gebunden :)

Daher wohl eher letzteres.

Das Einspritzen von Wasser ist tatsächlich früher vorgenommen worden, ob es heute noch gemacht wird entzieht sich meiner Kenntnis.
Ein Flugzeugabsturz auf der Autobahn in der Nähe von Hamburg (BAC-1-11 der paninternational) war indirekt der Grund dafür. Fäschlicherweise hatte man statt eines Kanister Wassers einen mit Kerosin erwischt und das wurde dann ins Triebwerk gespritzt mit der Folge einer Explosion. Die BAC landetet dann mit crash, aber Überlebenden, wie gesagt auf der Autobahn. Copilotin war damals eine Elisabeth Friske aus Braunschweig , sie überlebte. Wie das Schicksal es will stürzte sie Jahre später mit dem damaligen Ministerpräsidenten von Schleswig Holstein vor Lübeck im Landeanflug ab und diesmal war sie nicht unter den Überlebenden. Barschel überlebte, den Rest kennen ja noch einige, denke ich.
gruß
Rolf

Hallo,

also es stimmt, die Leistung der Triebwerke wird damit erhöht. Das Wasser kühlt einmal das Triebwerk. Das hast du ja schon richtig erkannt. Aber das Wasser hat noch einen anderen Effekt. Es ist ein zusätzliches Treibmittel. Bei der Zustandsänderung von Flüssig zu Gasförmig erhöht sich das Volumen der Wassermoleküle um ein vielfaches. Wenn nun das Wasser ganz fein zerstäubt ins Triebwerk eingespritzt wird, verdampft es sofort und zwar explosionartig. Das Volumen wird schlagartig größer und erzeugt somit schub.
Allerdings wurde diese Methode nur beim Start benützt, da die Belastungen an das Material der Triebwerke einfach zu hoch waren.

Grüße Christoph

Hallo Christoph,

woher beziehst Du Deine Infos? Norberts Hinweis mit dem zusätzlichen Brennstoff - Wasserstoff und Sauerstoff - klingt einleuchtend. Deine Erklärung mit der Volumenänderung erscheint auch logisch, wobei ich bezweifel, daß der Effekt derart groß ist. Was die Kühlung betrifft, erzeugt die meiner Meinung nach aber eher den entgegengesetzten Effekt - d.h. das Triebwerk verliert an Leistung. Je höher die Temperatur in der Brennkammer ist, desto höher ist der Wirkungsgrad. Beschränkt wird die Temperatur allerdings durch die Hitzebständigkeit der Turbinenschaufeln. Diese werden gekühlt - allerdings durch kleine Kanäle in den Schaufel und nicht extern durch Wasser im Triebwerksstrom.

Meine 0,02 € ...

Happy landings

Simeon

Also ich weiss nicht wie weit ihr richtig liegt.
Mein Wissensstand ist folgender:

Das Wasser kühlt die Luft ab welche in das Triebwerk gelangt bzw. dort ist. Dadurch wird die Luft dichter und erhöht dadurch den Schub.
Kühle, dichte Luft bindet auch mehr Sauerstoff und bringt dadurch bessere Leistungen.
Ein höheres Volumen der Luft im Triebwerk wäre in diesem Fall kontraproduktiv. Wozu heisst es denn im Triebwerk sonst Kompressor bzw. Verdichter?

Ich glaube, dass dies sowieso nur für den Start bzw. Go around vorgesehen ist bzw. war, da die Mengen an Wasser in keiner Relation zur verlorenen Nutzlast stehen.

Ich denke ein paar Verrückte PS Junkies machen das heutzutage noch mit ihren Karren. Auch in Kombination mit Methanol.
In modernen Flugzeugen ist das meines Wissens schon ausgestorben, aber ich denke Claus könnte darüber mehr erzählen.

Howdie!

Wassereinspritzung bei Autos ist mal 'ne Zeitlang in gewesen, inzwischen ist dank niveauloser Spielfilme Lachgas mehr angesagt. Lachgas (N2O) gibt in der Tat seinen Sauerstoff zur Verbrennung des Benzins frei, dadurch kommt es auch zu keiner direkten Volumenzunahme sondern nur zu einer besseren Verbrennung. Diese resultiert dann allerdings doch in mehr erzeugtem Gas und damit mehr Leistung.

Wasser (H2O) wird sich hüten, seine Bindung aufzulösen, um den Sauerstoff in den Verbrennungsprozeß abzugeben. Wenn es das täte würde mich wenigstens mal interessieren, wie man mit dem Zeug ein Feuer gelöscht bekommt.
Es geht dabei tatsächlich um Kühlung und Volumezugewinn. Ich hab meine Unterlagen damals als Arbeitslohn fürs Möbelschleppen beim Auszug nach dem Diplom an einen jüngeren Studenten abgegeben. Daher kann ich jetzt nicht nachsehen. Aber mir war so als wäre der Wirkungsgrad eines Triebwerks um so höher, je kälter die ausströmenden Gase sind. Das ist ja auch einleuchtend, da der Impuls des Triebwerks von Geschwindigkeit und Masse des nach hinten ausgestoßenen Gases ist. Und die Dichte des Gases ist um so höher je kälter es ist.
Wenn man sich etwas geschickt anstellt, dann spritzt man das Wasser hinter der Brennkammer ein. Da ist es immer noch heiß genug, um es zu verdampfen, es behindert die Verbrennung nicht und es kühlt das Abgas.

Mirko

Hallo Mirko,

Richtig, bei Autos senkt es etwas die Schadstoff und Staubemmisonen.
Auserdem zerfällt es in der Hitze ein wenig in Radikale, die die Verbrennung etwas bremsen - also etwas "Antiklopfmittel".

Nun habe ich auch noch ein wenig im Netz rumrecherchiert. Im Studium hab ich davon nämlich nichts gehört - waren wohl eher einige Jahrgänge vor mir. Es ist tatsächlich der Dichteeffekt im Verdichter. Dennoch behindert das Wasser die Verbrennung in der Brennkammer einwenig, wozu teilweise noch Methanol beigemischt wurde. Ein richtiges Prinzipbild mit Erklärung konnte ich leider nirgens im Web finden. Aber zumindest ein Bild mit einer B52 mit Wassereinspritzung aktiv:

http://www.wpafb.af.mil/museum/resea.../b4/b52f-5.jpg

Gruß

Simeon

Es gibt auch ein Buch dazu: Water injection for aircraft engines
Authors: M.R. Rowe,and G.T.Ladd of Wright Aeronautical Corp., Div. of Curtiss-Wright Corp.. Document Number: 460192 (SAE TRAN., VOL. 540)

wow wow wow, ich muss schon schreiben, junge junge.

ihr seid ja wie die kleinen wölfe die schon wochen lang hingern und dann auf einmal ein ganzes reh vorgesetzt bekommen.

kompliment in die runde - da fühle ich mich gut aufgehoben.

ich habe mir natürlich auf meinen kopf zerbrochen bevor ich euch gefragt habe. mir ist auch klar das man dieses verfahren heute nicht mehr anwendet bzw. es besser mittelchen gibt für TO/GA kurzeitig mehr schub herbeizuführen. ich bilde mir mal ein meinem physikunterreicht gehöhrt zu haben, dass der wirkungsgrad einer thermischen maschine (und ein solches ist ja das triebwerk) steigt, je höher der energieunterschied zwischen innen und außen ist - als in diesem fall die temperatur.

allerdings bin ich dabei nicht sicher, da ja ein jedes triebwerk ein wenig leistung verliert wenn z.b. in einem monsunregen fliegt (was doch eigentlich der gleiche effekt sein müsste).

viel eher glaube ich, dass es an der kühlung der brennkammer liegt, aber ich bin kein pilot (und noch kein wartungstechniker - hoffentlich bald) und dachte mir ihr wisst das sicher.

ich freue mich wenn diese diskussion weiterlebt und bedanke mich bei euch für eure großartiken beiträge.

Hallo Leo,
heute wird das bei modernen Triebwerken nicht mehr gemacht, da sie auch so genug Leistung bringen.
Simeon hat die Wirkung von Wasser- Metanolgemisch durch Einspritzung schon erklärt. Es wurde destelliertes Wasser und Metanol eingespritzt z.B. beim RR Spay Engine welches unter anderem auf der BAC 1-11 saß.
@Rolf, bei dem Unfall mit der BAC bei Hamburg sind die Triebwerke nicht explodiert, sondern die Triebwerkleistung ging durch Einspritzung von Kerosin drastisch in den Keller bis hin zum Ausfall und das im climb out. Wäre da bei der Notlandung die Brücke nicht gewesen hätten vieleicht alle überlebt.

mfG Claus

Das mit dem Prinzip einer thermischen Maschine stimmt schon, nur misst man die Leistung eher am Schub und nicht daran, wie heiss das Ding wird. Den grössten Schub eines modernen Triebwerks gewinnt man aus dem Nebenstrom durch den auch die grösste Luftmasse fliegt.
Durch den Core geht im Normalfall nur noch ein Viertel wenn nicht gar noch weniger. 7:1 und dergleichen gibt es ja auch schon. Man nennt dies das Bypassverhältnis. Im Endeffekt kann man auch durch die Triebwerksdrehzahlen nicht unbedingt wissen, wie stark die Leistung im Moment ist. Wir auf F70 haben, so wie auch zB die 747-400 eine EPR Indication mit der man eigentlich am ehesten sieht, wie groß die Leistung ist, die im Moment erbracht wird. EPR bedeutet Engine Pressure Ratio und gibt das Verhältnis zwischen Kompressoreinlass und Turbinenauslassdruck an.
Die Temperatur in der Brennkammer ist natürlich sehr hoch, gemessen bzw. angezeigt bekommen wir aber nur die Turbine Gas Temp also TGT genannt.
Einen Schubverlust wegen Regen halte ich für unwahrscheinlich, wohl auch aufgrund dessen, dass es bei Regenfall keine Beeinträchtigungen bei der Take Off Berechnung gibt ausser die, die durch die nasse Piste entstehen. Das hat aber eher mit Rollwiderstand bzw. Bremswirkung zu tun und nichts mit der Leistung des Triebwerks.

Leo

PS: Aber jetzt weiss ich wenigstens genau, was das Methanol in Kombination mit Wasser bewirken soll.

Der primäre Grund für die Wassereinspritzung ist die damit verbundene Schuberhöhung. Die zusätzliche Masse des Wassers erhöht den Gesamtmassenstrom und damit den Schub (Impulssatz).

Hier die entsprechende Schubgleichung:

http://img109.exs.cx/img109/6489/Schubgleichung.jpg

Allerdings hat die Wassereinspritzung auch einige Haken, die in den anderen Postings schon genannt wurden.

Schönen Sonntag,
Peter

Howdie Roadrunner!

Leider ist ein Triebwerk entgegen Deiner Vermutung keine Wärmekraftmaschine (das ist eine Dampfmaschine oder ein Stirlingmotor), auf die Deine Regel anzuwenden wäre. Flugzeuge fliegen entweder mit Kolbenmaschinen (Verbrennungsmotor) oder mit Strömungsmaschinen (Turbinen).

Die Effektivität einer Kolbenmaschine beruht darauf, aus möglichst wenig Volumen vor der Verbrennung (viel kalte Luft und Flüssigkeit) möglichts viel Volumen zu erzeugen (heißes Abgas). Das bedeutet, die Temperaturdifferenz zwischen angesaugten Betriebsstoffen und ausgestoßenem Abgas sollte möglichst hoch sein. Eine Strömungsmaschine ist um so effektiver, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen ausgestoßenem und umgebendem Medium ist. Daher ja auch wie Leo schreibt die Hauptleistung aus dem Nebenstrom, der ja aus nicht erhitzter Umgebungsluft besteht.

Mirko

Mirko, ein Triebwerk ist schon eine Wärmekraftmaschine. Im Gegensatz zum Kolbenmotor mit intermittierendem Kreisprozeß ist der einer Turbine ein kontinuierlicher. Aber es sind doch alle Elemente vorhanden - Verdichtung, Verbrennung, Expansion. Die Berechnung des Wirkungsgrades eines Turbostrahltriebwerkes ist von vielen Einzelwirkungsgraden abhängig. Dazu gehören Einlaufdiffusor bzw. Gondelgeometrie, Verdichterwirkungsgrad, Verbrennungskammerwirkungsgrad, Wirkungsgrad der Schubdüse und Vortriebswirkungsgrad(abhängig vom Verhältnis der Geschwindigkeit des Schubstrahls und der Außenströmung - Thema Bypass zur Verringerung der Schubstrahlgeschwindigkeit). Auf dem Bild ist der ideale Kreisprozess eines Triebwerks zu sehen. Wie Mirko schrieb sollte die Differenz Austrittstemperatur - Umgebungstemperatur möglichst gering sein, da sich daraus die abgeführte Wärme qab = Energieverlust ergibt. Je höher dann T4 (Brennkammeraustritt- bzw. Turbineneintrittstemperatur) und je niedriger T9 (Düsenaustrittstemp.) sind (so hat es Roadrunner sicher gemeint), um so höher ist der Schub. Die Turbinenarbeit aT enspricht übrigens genau der Arbeit aV, die in den Verdichter gesteckt wird.

http://home.arcor.de/simeon.schuerer.../Kreisproz.gif

Cheers,

Simeon

Hallo Claus!
Ist schon verdammt lange her mit dem Unfall, Du hast Recht , die Brücke war das Verhängnis. Mir kam nur das mit dem Wasser sofort in den Sinn.
Gruß
Rolf

Howdie!

Für die Formulierung gehöre ich mit Wattebäuschen gesteinigt. In meinem Posting steht, daß eine Turbine eine Strömungsmaschine ist - was sie nicht daran hindert, gleichzeitig eine Wärmekraftmaschine zu sein und das liest sich in der Tat nicht so. Nur sind die Regularien über die Wirkung einer Strömungsmaschine halt "stärker" als die der allgemeinen Wärmekraftmaschine.

Mirko

Das ist ja reinste Thermodynamik.... bin leider gerade dabei auf meine Prüfung in dem Fach zu lernen und deshalb zur Zeit nicht allzu gut darauf zu sprechen aber dennoch kann ich noch was beitragen:

Heute werden in modernen Gasturbinen welche fest zu Lande oder mobil auf Schiffen installiert sind mit der Einspritzung von Wasser optimiert.

Wie ganz richtig genannt erhöht sich zum einen der Massenstrom m(.)
Zum Anderen wird auch die Temparatur am Turbinrad reduziert was es ermöglicht eine höhere Drezahl zuzulassen.

Außerdem wird (je nach Ort der Einspritzung) das Verdichten durch Abkühlung erleichtert und der in der Luft befindliche Sauerstoffanteil erhöht was die Verbrennung fördert und es ermöglicht mehr Kerosin einzuspritzen.

In modernen Flugzeugen wird zur optimierung der Leistung entweder die Bauform als Mantelstromtriebwerk verwand oder bei geringem Platzangebot der gute alte Nachbrenner der nochmals Kerosin in die Düse einspritzt. Der Wirkungsgrad sinkt allerdings bei diesem Verfahren.

Gruss Pat

Hallo,

einen ähnlichen Effekt haben wir bei den Packs der größeren Passagiermaschinen (kenne die kleineren leider nicht). Da wird auch Wasser vor den Wärmetauscher gespritzt um dessen Wirkungsgrad zu erhöhen. Läuft dann auch nach dem Gesetz der Thermodynamik.

Die Einspritzung von Wasser oder Wasser-Methanol im Triebwerk wurde meines Wissens früher auch nur bei hohen Aussentemperaturen gemacht, um die notwendige Leistung zu erreichen. Ein Jumbo mit dem guten alten JT9 hatte da Flat-rate-mäßig wohl schon bei 30Grad richtig Probleme hochzukommen.

Gruß Patric.

PS.: Nicht alle 747-400 Triebwerke werden nach EPR gesteuert (der CF6-80 wird nach N1 gesteuert);) .