Düse

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Unterschied des Querschnitts zwischen Über- und Unterschall

Eine Düse, von frühneuhochdeutsch „Tüsel“ für die Mündung eines Blasebalgrohrs, ist eine röhrenförmige technische Vorrichtung. Diese kann auf ihrer gesamten Länge die gleiche Querschnittsfläche haben, sich erweitern, verjüngen oder weitere komplexe Formen aufweisen. Durch eine Düse kann

  • ein Gas- oder Flüssigkeitsstrom umgelenkt,
  • Entlang eines Druckgefälles eine Strömung beschleunigt,
  • eine feste oder zähflüssige Masse geformt (siehe Extruder) oder
  • eine flüssige bzw. gasförmige Substanz gleichmäßig verteilt (siehe Zerstäuben)

werden.

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

Konfusor / Diffusor

Ein Konfusor (Düse) ist das Gegenstück eines Diffusors. In einem Konfusor erhöht sich die Geschwindigkeit des Fluids (flüssig oder gasförmig), im Gegensatz zum Diffusor, in dem das durchströmende Fluid abgebremst wird. Die Geometrie von Konfusor und Diffusor hängt dabei von der Geschwindigkeit des strömenden Fluids ab. Während bei Unterschallgeschwindigkeit ein sich verjüngender Querschnitt als Konfusor und ein sich erweiternder Querschnitt als Diffusor wirkt, ist die Beziehung bei Überschallgeschwindigkeit umgekehrt.

Anwendungsbeispiele

Spinndüsen

Spinndüsen sind meist runde oder eckige Platten aus Glas, Metall oder Keramik mit mehreren, gleichgroßen Öffnungen. Manchmal haben sie auch die Form von Zylindern oder Kegeln. Sie sollen die Spinnmasse in gleiche Spinnschmelze- bzw. Spinnlösungsstrahlen aufteilen.

Turbinentriebwerk

Ein komplexes Anwendungsbeispiel für eine Düse ist das Turbinentriebwerk in einem Strahlflugzeug. 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 würde in diesem Fall nicht genug Sauerstoff zugeführt werden und der Antrieb ausfallen. Um dies zu verhindern, schaltet man für den Überschallflug einen Diffusor vor das Triebwerk. 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 oder Konvergent/Divergent-Systeme eingesetzt. In einer Düse stellen nicht nur der Querschnitt 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 sich die Querschnittsfläche der Düse im Überschallbereich vergrößern statt verringern muss, um eine höhere Fließgeschwindigkeit zu erreichen.

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

  • 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.
  • Bei einer transsonischen Strömung ist , denn sonst hat die Gleichung keine Lösung, das heißt im engsten Querschnitt der Düse ist die Mach-Zahl Ma = 1.
Düse eines Raketentriebwerks

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

Siehe auch

Literatur

  • G. K. Batchelor: An introduction to fluid mechanics. Cambridge university press, ISBN 0-521-66396-2.
  • D. Meschede (Hrsg.): Gerthsen Physik. Springer Verlag, Berlin, ISBN 3-642-12893-9.