Triebwerke

Technische Daten:

Eine moderne Brennkammer verfügt über eine Primärzone, in der die Kompressorluft durch Drallbleche eindringt und wo ein perförierter Flammenwerfer die Verbrennung bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 1:5 unterstützt. Ein großer Teil der Luftmenge (72 Prozent der gesamten Luft) dringt dann durch die Öffnungen des Flammenrohrs ein, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 1:15 auf 1:140 zu verdünnen und um einen gleichmäßigen Gasstrom mit einer konstanten Temperatur von 900°-1400° zu erhalten. Der Gasstrom wird dann zum Antrieb der Turbine und in einem Strahltriebwerk zur Erzeugung des Vorwärtsschubs benutzt. Hinter der Turbine: ca. 1300°C, 30bar, 500m/s

General Electric und Rolls-Royce haben jeweils Serien großer Mantelstromtriebwerke für Zivilflugzeuge entwicklent und hergestellt. Die ersten geräuscharmen Triebwerke von General Electric waren die CF6, mit dem die erste DC-10 bestückt war, als sie in Juli 1970 vorgestellt wurde. Seither ist fast jeder Großraumflugzeugtyp mit CF6-Triebwerken ausgestattet worden. Das neueste und mit modernster Technik ausgerüstete CF6-80 wurde für den Airbus A310 und die Boeing 767 verwendet.

In jüngerer Zeit hat man sich besonders mit der Entwicklung von geräuscharmen Triebwerken, insbesondere Strahlturbinen, auseinandergesetzt. Der größte Teil der Lärmentwicklung stammt von der reißenden Abscherwirkung, die sich im Grenzbereich des heißen Gasstroms ereignet, der durch die ihn umgebende kalte Atmosphäre strömt. Eine Methode zur Verminderung des Geräuschpegels liegt in der Verlängerung der Strahlperipherie sowie in einer schnelleren Vermischung des Gasstroms mit der Kaltluft. 1958 wurde die erste Maschine mit geräuschärmeren Schubdüsen in Dienst gestellt. Die ursprüngliche Boeing 707 besaß Rückstoßdüsen, die sich aus 21 getrennten Rohren zusammensetzten. Die Comet verfügte über die abgebildete Auslegung (sechs Einzeldüsen). Die Frischlzft konnte über nach innen geöffnete Kanäle um die einzige Düse eindringen.

Beim Nachbrenner oder der Nachverbrennung wird Treibstoff in den Gasstrom im hinteren Teil der Turbine eingespritzt. Der Treibstoff ist vollkommen verbrant, ehe der Gasstrom durch die Düse ausströmt. Auf Kosten des beträchtlich gesteigerten Treibstoffverbrauchs wird die Schubkraft bedeutend erhöht. In den mesisten Fällen wird das Triebwerk dadurch komplizierter und schwerer und das Strahlrohr muß verlängert werden. Der Frontbereich bleibt jedoch unverändert, und darum sind Nachbrenner besonders für den Überschallflug geeignet. Außerdem steigt die Leistung mit wachsender Dienstgipfelhöhe und ebenfalls mit wachsender Mach-Zahl an. Daraus ergibt sich für ein Triebwerk mit 30prozentiger Nachbrennerleistung bei statischen Bedingungen in Meereshöhe eine 70prozentige Nachbrennerleistung bei statischen Bedingungen in einer Höhe von 15240m (50000ft, diese Bedingungen können in einem Prüfstand nachgeahmt werden) und eine 300prozentige Leistungssteigerung bei Mach 2.5 in derselben Höhe.

Bei Mantelstrom- und Nachbrennertriebwerken muß es möglich sein, dasß die Austrittsdüse oder -düsen dem recht unterschiedlichen Gasstrom angepaßt werden. Die Austrittsdüse muß stets bei Nachbrennerbetrieb geöffnet sein. Die Leistungssteigerung beschleunigt den Düsenstrahl mit Leichtigkeit auf Überschallgeschwindigkeit, und sollte der Kraftstoff noch in der Austrittsdüse brennen, sind helle "diamantenförmige Stoßwellen" im Düsenstrahl vielleicht 6 bis 9m hinter dem Triebwerk zu sehen. Die Stoßwellen der Austrittslippen kreuzen wiederholt, nachdem sie von den Grenzschichten zwischen dem Düsenstrahl und der ruhigen Luft abgeprallt werden.

Die anfänglichen Nachbrenner waren selten vollständig regelbar. Heutzutage ist es jedoch normal, daß der Gashebel des Piloten eine gleichmäßige Schubkrafterhöhung vom leerlauf bis zum maximalen "Trockenschub" oder maximalen "Kaltschub" bewirkt, gefolgt von einer gleichmäßigen Steigerung des stufenlos regelbaren Nachbrenners bis zum maximalen "Heißschub" ohne plötzliche Leistungsänderung. Die anfänglichen, mit Nachbrennern ausgestatteten Kampfflugzeuge, wie die North American F-100 Super Sabre und LTV F-8 Crusader verfügten über ein recht unausgefeiltes System, bei dem die Nachverbrennung plötzlich mit einer gedämpften Explosion einsetzte. Bei einer weiteren Entwicklungsstufe wurde der Nachbrenner schrittweise gezündet, wobei den Übergang zwischen den einzelnen Bereichen jedoch eindeutig zu spüren war.

Als Antwort auf diese Konkurrenzprodukt (RR Conway) beschloß Pratt & Whitney, die ersten drei Stufen des Niederdruchkompressors des JT3C- Triebwerks durch zwei große Gebläseschaufelreihen auszutauschen, die einen weitaus größeren Durchmesser besaßen als das restliche Triebwerk. Die Turbine wurde so modifiziert, daß die Welle genug Antriebskraft lieferte, um das gewaltige Gebläse und den verkürzten Niederdruckkompressor anzutreiben. Das Triebwerk erhielt eine neue Verkleidung. Die ursprüngliche Rückstoßdüse blieb dabei unverändert, und das Gebläse lieferte Frischluft durch eine kurze Ummantelung entlang der Verkleidungsseite des restlichen Triebwerks. Damit war das Mantelstromtriebwerk JT3D geschaffen, das sich durch gewaltige Verbesserungen besonders im Unterschallbereich im Vergleich zu den ursprünglichen Strahlturbinen auszeichnete. Wenngleich das Fan-Triebwerk etwas schwerer ist, besitzt es doch eine von 5440kp auf 8160kp erhöhte Schubkraft. Bemerkenswert ist dabei, daß der Treibstoffeverbrauch genau dem des JT3C-Triebwerk entspricht.

Das in aller Welt am häufigsten benutzte Triebwerk ist das Pratt & Whitney JT8D mit all seinen Varianten. Die Entwicklung des J52 begann im Jahr 1954 als Militärprojekt der amerikanischen Marine. Dabei handelte es sich um eine reine Strahlturbine mit fünf Niederdruck- und sieben Hochdruckkompressorstufen. Damit konnte eine Schubkraft von 3400kp bis 5080kp erzeugt werden. Das J52 wurde jedoch nur im Grumman A-6 Intruder verwendet, und die Pläne, die JT8-Triebwerksversion in den Handel zu bringen, waren nicht erfolgreich. Doch die Geschichte der JT3 - von der die JT8/J52 eine kleinere Version war - wiederholte sich, als eine neu entworfene Mantelstromversion, die zur Standardausrüstung der Boeing 727 und McDonnell Douglas wurde DC-9 wurde. Der Niederdruckkompressorabschnitt wurde in sechs Stufen umgewandelt und durch eine Dreistufenturbine angetrieben. Zwei Gebläse vergrößerten die Schubkraft und das Druckverhältnis, deren Werte sich im Vergleich zur ursprünglichen Strahlturbine JT8 ohne Gebläse fast verdoppelt hatten. Die Serienproduktion wurde 1960 aufgenommen. Derzeit wird die JT8D Serie 200 für die MD-80 hergestellt. Diese Triebwerkversion hat einen neu entwickelten Gebläseabschnitt mit einem höheren Mantelstromverhältnis und einer Schubkraft zwischen 9070kp und 9840kp. Bisher wurden 12000 JT8D-Triebwerke hergestellt - die höchste Stückzahl einer Triebwerksart überhaupt. Die schwedische Firma Flygmotor ist ein Zulieferer von JT8D-Bauelementen und hat das Triebwerk als Grundkonzept für das Militärtriebwerk des SAAB 37 Viggen gewählt. Das sogenannte RM8 besitzt wiederum ein stark modifiziertes Triebwerk und ist dazu mit einem Nachbrenner ausgerüstet.

Das Ausmaß der technologischen Entwicklung von Gasturbinen seit der Zeit, als Whittle seine Versuche durchführte, wird deutlich, wenn man den Ingenieuren von Pratt & Whitney in East Hartford (Conneticut, USA) beim Zusammenbau des größten Triebwerks JT9D zusieht. Das JT9D wurde zum Antrieb der Boeing 747 entworfen und ist ein Spitzenleistungstriebwerk, das die neuesten Erkenntnisse hinsichtlich der zyklischen Druckverhältnisse, der Temperaturen und der Bypass-Verhältnisse verkörpert. Dies wird wahrscheinlich der Grund dafür sein, daß ein vollkommen neues, niedriges Kostenniveau im Lufttransport eingeführt wird. Grundsäzlich ist dies auf den spezifischen Treibstoffverbrauch von 0.37kg Kraftstoff für je 1ls Schub pro Stunde zurückzuführen. Das gewaltige einstufige Gebläse an der Vorderseite hat einen Durchmesser von 2.44m und einen Luftdurchsatz von 454kg Luft pro Sekunde bei voller Kraftleistung in Meereshöhe.

Große Fan-Triebwerke wurden 1969 auf dem zivilen Luftfahrtmarkt durch Großraumflugzeuge vorgestellt. Der 9. Februar 1969 verzeichnet den Beginn des Jumbo-Jet-Zeitalters. An dem Tag startete die Boeing 747 zum ersten Mal. Die Maschine kann 500 Passagieren Platz bieten und ist mit vier JT9D-Mantelstromtriebwerken bestückt. Die Design- und Entwicklungsarbeiten an den Triebwerken hatte man 1961 begonnen. Anfänglich wurde ein Vertag seitens des Militärs zur Belieferung von Triebwerken für das enorme Transportflugzeug C-5A erfüllt. Doch Pratt & Whitney verlor das Rennen um den bis dahin größten Auftrag, der an General Electric ging. Dabei handelte es sich um das TF39, das erste mantelstromtriebwerk mit hohem Mantelstromverhältnis. Mit einem Verhältnis von 1:8 - bei dem der Luftdurchsatz des Gebläses achtmal größer als beim Eintritt in das Triebwerk ist - zeigte das TF39 den Weg der zukünftigen Hochleistungstriebwerke in der zivilen Luftfahrt. Vom TF-39 wurde für die Boeing 747 eine Zivilversion mit einer Schubkraft von 18144kp abgeleitet. Dieses Triebwerk wurde jedoch abgelehnt, da man die Leistung als unzureichend erachtete, und so wurde das Rennen dieses Mal von Pratt & Whitney mit dem JT9D-Triebwerk von 19732kp gewonnen.

Das Auffallendste an einem Mantelstromtriebwerk mit hohem Mantelstromverhältnis ist das enorme vordere Gebläse. Am JT9D hat es einen Durchmesser von 2.44m. Der Kompressor hat 15 Stufen und wird durch sechs Turbinenstufen angetrieben. Der spezifische treibstoffverbrauch liegt bei 0.37, d.h. für jedes 1lbs Schub wird 0.37l Kraftstoff pro Stunde verbrannt. Das JT9D ist aus Titanlegierungen mit hochwertigem Nickel, rostfreiem Stahl und anderen modernen Metallen hergestellt. Bei den jüngeren Modellen sind die Hochdruck-Turbinenschaufeln aus Einkristall, und die Schubkraft ist auf 25400kp angestiegen. Das neueste Modell des JT9D, das PW4000, wurde dermaßen verändert, daß es sich dabei im Grunde um ein vollkommen neues Triewbwerk handelt. Die Anzahl der Bauteile wurde um 50 Prozent reduziert und das erste Triebwerk dieser Serie, das PW4052 23587kp Schub) wurde Mitte 1987 mit dem Airbus A310-300 in Dienst gestellt. In der leistungsfähigsten Version, mit der der Airbus A330 ausgerüstet ist, hat man ein Wachstumspotential von bis zu 36287kp Schub.

Obwohl das JT9D-Triebwerk einen Gesamtdurchmesser von 2.44m hat, verglichen mit 1.35m bei dem in den meisten Boeing 707 und DC-8 Maschinen verwendeten JT34-Triebwerk, ist es kürzer als sein Vorläufer und erzielt mit seinem 15-Stufenkompressor dabei das erstaunliche Verdichtungsverhältnis von 1:24. Das gewaltige Gebläse und der dreistufige Niederdruckkompressor werden durch eine lange Welle mit großem Durchmesser durch die Vierstufenniederdruckturbine angetrieben. Eine getrennte, zweistufige Hochdruckturbine mit gekühlten Schaufeln treibt den 11stufigen Hochdruckkompressor an. Das JT3D-3-Triebwerk wurde 1970 in dem ersten Jumbo-Jet in Dienst gestellt. Es entwickelt eine Schubkraft von 19731kp (43500lbs) und hat ein Gewicht von 3905kg.

Das mantellose Propfan-Triebwerk oder das Ultra-High-Bypass-Triebwerk hat im vergleich zum Mantelstromtriebwerk ein noch höheres umgelenktes Luftvolumen. Dies wirkt sich günstig auf den Treibstoffverbrauch aus. Mehrere Triebwerkhersteller haben verschiedene Propfan-Konzepte entwickelt. Das abgebildete General Electric GE36 UDF verfügt über eine durch eine Turbine angetriebenen, sich in entgegengesetzte Richtung drehenden Propfan ohne Getriebe. Das Triebwerk von Pratt & Whitney/Allison besitzt dagegen eine mechanische Übertragung zwischen dem Gasstromgenerator und dem Propfan. Die Triebwerke wurden während der 80er Jahre entwickelt, als man davon ausging, daß Treibstoffpreise stark ansteigen würden. Prototypen wurden erfolgreich in der Boeing 727 und MD-80 geflogen. Die Zukunft der Propfan-Triebwerke hängt vollkommen von der Treibstoffpreisentwicklung ab.

Das Gegenstück (zum GE CF6) von Rolls-Royce war die RB211-Serie. Dieses Triebwerk wurde zunächst als Starttriewerk für die Lockheed L-1011 TriStar eingesetzt. Es wurde aber auch wahlweise als Triebwerk für andere Flugzeuge angeboten. Die neueste Version, das RB211-534L Triebwerk, hat eine Schubkraft im Bereich von 31750kp.

Das Rolls-Royce Trent war das erste Beispiel einer neuen Generation von Mantelstromtriebwerken mit drei Trommeln und dem einstufigen Gebläse, das getrennt vom Kompressor war und durch seine eigene Zweistufenturbine angetrieben wurde. Der erste eigentliche Kompressor besaß vier Stufen, die durch eine einstufige Turbine angetrieben wurden. Da das Gebläse in der ersten Stufe bereits die Rolle eines Vorverdichters übernommen hatte, wurde die vierstufige Trommel als Mittelkompressor bezeichnet. Der Hochdruckkompressor hatte letztendlich fünf Stufen und wurde durch seine einstufige Turbine angetrieben. Die drei Wellen giengen sauber ineinander über, wenngleich mehr Lager als bei einem einwelligen Triebwerk nötig waren. Die ausgezeichnete Leistung und Flexibilität des Dreiwellen-Layouts wird durch einen kürzeren Kompressor bewerkstelligt. Die zehn Verdichterstufen des des Trent Mantelstromtriebwerks erzielten ein Druckverhältnis von 1:16. Im Vergleich dazu erreichte 1952 die Zivilversion der Avon-Strahlturbine mit 16 Stufen ein Verdichtungsverhältnis von 1:9.

Ein Spitzenleistungstriebwerk, das neue Richtlinien in der Leistung und Wirtschaftlichkeit bei Kurzstreckenflügen versprach, ist das hier abgebildete Rolls-Royce Trent. Die dargestellte Triebwerksverkleidung ist bei einem Kurz- oder Mittelstreckenflugzeug üblich. Eines der ausgezeichneten Merkmale des Rolls-Royce Trent ist, wie auch bei anderen in den 70er Jahren hergestellten Aggregaten, das Dreiwellen-Triebwerk. Das Gebläse verfügt über eine eigene Welle und kann beim Start zur Geräuschverminderung abgedrosselt werden, ohne dabei Schubkraft zu verlieren. Das Triebwerk erzeugt einen Schub von 4413kp, wiegt lediglich 794kg und ist für den wirtschaftlichsten und leichtesten Flugeinsatz konzipiert worden.

Bei vielen Flugzeugen, insbesondere Zivilmaschinen, nutzt man die Schubumkehr zur Verkürzung der Landestrecke und gelegentlich zur Steigerung der Sinkgeschwindigkeit ohne Überhöhung der Vorwärtsgeschwindigkeit. Die Schubumkehr ist äußerst hilfreich bei der Landung auf vereisten und nassen Landebahnen, wo die reifenbremsen einen Teil ihrer Wirkung verlieren. Die ersten Schubumkehr-Aggregate waren ziemlich kompliziert und erzielten eine Bremsleistung von nicht mehr als 30 Prozent des gesamten Vorwärtsschubs. Heutzutage erreicht eine Schubumkehranlage eine Strömungswiderstand von 60-80 Prozent des maximalen Vorwärtsschubs und verfügt außerdem über eine saubere Linienführung. Dennoch ist die Schubumkehranlage schwer, da die Baugruppen groß sind und aus hitzebeständigen Legierungen hergestellt werden, um den sehr hohen und stark schwankenden Belastungen standzuhalten.

Schubumkehrer haben in der Regel muschelförmige Klappen, die mit pneumatischen Druckkolben bewegt werden, um den Luftstrahl durch sich gleichzeitig öffnende große Öffnungen an der Seitenwand des Strahlrohrs umzulenken. Dort befinden sich "Kaskaden" großer Ablenkbleche, die den Gasstrom nach vorne richten, um so die größtmögliche Bremswirkung zu erzielen. Bei der Entwicklung der Schubumkehranlage war es äußerst wichtig, sie nicht nur dem Triebwerk, sondern auch dem einzelnen Flugzeg anzupassen. Der umgelenkte Gasstrom darf weder das Flugwerk noch das Fahrwerk beschädigen. Ferner dürfen keine Fremdkörper, wie z.B. Steine, aufgewirbelt werden, die dann durch das Triebwerk angesaugt werden könnten. Schubumkehrer zählen heutzutage - mit wenigen Ausnahmen wie der Fokker F-28 - zur Standardausrüstung der Zivilflugzeuge. Militärtransporter nutzen ebenfalls die Vorteile der Schubumkehr, um den Landerollweg zu verkürzen, und können dadurch von Flugfeldern mit kurzen Rollbahnen eingesetzt werden. Das einzige einsatzfähige Kampfflugzeug, das mit Schubumkehrern ausgestattet ist, ist die schwedische Maschine SAAB 37 Viggen, die sich für den Einsatz von kurzen Rollbahnen hervorragend eignet. Manchmal ist es möglich, die Schubumkehr zum Rückwärtsfahren vor dem Terminalgebäude des Flughafens zu verwenden. Die Geräuschentwicklung ist dann jedoch sehr beträchtlich, und deshalb wird das Manöver im allgemeinen durch besondere Bodenfahrzeuge ausgeführt. Triebwerkstypen:

Damit Gasturbinen ihre Aufgabe erfüllen können, muß Luft in einem gleichmäßigen Strom durch die Einlaßöffnungen eingesaugt werden. Im Kompressor wird die Luft verdichtet, dann der Brennkammer zugeführt und durch Treibstoffverbrennung erhitzt. Daraufhin strömt sie als weißglühendes Gas durch die Turbine, die den Kompressor antreibt. Das Gas kann entweder durch eine Düse zur Schubkraftgewinnung ausgestoßen oder durch zusätzliche Turbinenstufen geleitet werden, um weitere Wellenkraft zum Antrieb eines Propellers oder eines anderen Geräts zu erhalten. Der Fluß des Gasstroms durch das Triebwerk ist fortwährend und gleichmäßig - außer wenn etwas ernsthaft schiefgeht.

Sämtliche Triebwerke verleihen einem Flugzeug Antriebskraft, indem nach hinten eine beschleunigte Luftmasse ausgestoßen wird. Daraus entsteht die Schubkraftentwicklung nach vorn. Propellermotoren erzeugen den größten Luftstrom, teilen ihm aber nur eine bescheidene Geschwindigkeit mit. Sie erzeugen deshalb eine sehr hohe Schubkraft bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten. Die Propellerturbine ist die leistungsfähige Gasturbine für den Flugzeugantrieb bei Geschwindigkeiten von bis zu 640km/h. Bei dieser Geschwindigkeit verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit des Propellers zusehends. Ab rund 800km/h ist das Mantelstromtriebwerk deutlich besser. Das Fan-Triebwerk benötigt einen kleineren Luftstrom als der Propeller bei ähnlichem statischen Schub. Es beschleunigt die Luft besser, und der Leistungsverlust bei hohen Geschwindigkeiten ereignet sich ebenfalls nicht so schnell. Ein hohes Mantelstromverhältnis erreicht die maximale Leistungsfähigkeit bei 966km/h, wird danach jedoch zunehmend von einem kleineren Aggregat mit niedrigem Mantelstromverhältnis übertroffen. Im Überschallflug ist die noch kleinere Strahlturbine am besten, da sie einen noch kleineren Luftstrom benötigt, der als heißer Gasstrahl auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Die Leistungsfähigkeit der reinen Strahlturbine vermindert sich erst dann, wenn das Flugzeug eine Geschwindigkeit von 4000km/h überschreitet. Die Verminderung der Leistungskraft beruht dann allein darauf, daß die Turbine den Gastemperaturen nicht standhalten kann, die zur Schubkrafterzeugeung bei diesen Geschwindigkeiten entstehen. Um noch höhere Geschwindigkeiten zu erreichen, ist das Staustrahltriebwerk am besten geeignet. In diesem Triebwerk verdichtet sich die Luft selbst, wenn sie durch den Lufteinlaß einströmt. Kompressor und Turbine sind nicht mehr nötig.