Konvergent-Divergent-System


Konvergent-Divergent-System

Eine Düse ist eine röhrenförmige technische Vorrichtung. Diese kann auf ihrer gesamten Länge den gleichen Flächeninhalt haben, sich erweitern, verjüngen oder weitere komplexe Formen aufweisen. Durch eine Düse kann

werden.

Umgangssprachlich spricht man auch beim sichtbaren Heckteil einer Flugzeugturbine von einer Düse - und daher von einem Düsenflugzeug.

Düse eines Raketentriebwerks

Ein komplexes Anwendungsbeispiel für eine Düse ist das Turbinentriebwerk in einem Überschallflugzeug. Die Luft darf die inneren Bauteile nur im Unterschallbereich umströmen, da es sonst zu einem Strömungsabriss an den Schaufeln der Rotoren und Statoren kommen würde. Der Brennkammer wird in diesem Fall nicht genug Sauerstoff zugeführt und der Antrieb würde ausfallen. Vor dem Austritt des Luftstromes muss dieser wieder auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Das geschieht mit Hilfe der Düse.

Für Triebwerke mit einem Nachbrenner werden verstellbare Düsen Konvergent/Divergent-Systeme eingesetzt. In einer Düse stellen nicht nur der Querschnitte und die Fließgeschwindigkeit, sondern auch die Dichte bzw. der kinetische Druck des Fließmediums eine Kennzahl dar. Diese Kennzahlen sind proportional voneinander abhängige Werte. Daraus ergibt sich, dass sie die Düse (deren Querschnittsfläche) im Überschallbereich vergrößern statt verringern muss, um eine höhere Fließgeschwindigkeiten zu erreichen.

Der mathematische Zusammenhang läßt sich mit Hilfe der Hugoniot-Gleichung (Flächen-Geschwindigkeits-Beziehung) erklären:

\frac{\mathrm du}{u}= \frac{-\mathrm dA}{A} \frac{1}{1-Ma^2}
  • Bei subsonischer Strömung (Unterschallfließgeschwindigkeit) bewirkt eine Querschnittsabnahme einen Geschwindigkeitszuwachs. Eine subsonische Düse ist demnach konvergent (in Fließrichtung verjüngend) geformt.
  • Für eine supersonische bzw. hypersonische Strömung (Überschallfließgeschwindigkeit) bewirkt eine Querschnittszunahme einen Geschwindigkeitszuwachs. Eine entsprechende hypersonische/supersonische Düse ist demnach divergent geformt. Die Dichte nimmt bei einer Überschallströmung schneller ab, als die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt.

Die auf dem Bild sichtbare Düse des Rakentenantriebes wird „von oben nach unten“ durchströmt und stellt ein Beispiel für eine hypersonische und somit divergente Düse dar.

Siehe auch


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