Düsentriebwerke

Typen von Düsentriebwerken

Artwork: Eine Zusammenfassung der sechs Haupttypen von Düsentriebwerken. Jedes Triebwerk wird im folgenden Text näher erläutert, gefolgt von einem Link zu einer ausgezeichneten NASA-Website, auf der Sie noch mehr Grafiken und Animationen finden.

Alle Düsentriebwerke und Gasturbinen funktionieren im Großen und Ganzen auf die gleiche Weise (sie saugen Luft durch einen Einlass an, verdichten sie, verbrennen sie mit Kraftstoff und lassen das Abgas durch eine Turbine ausströmen), so dass sie alle fünf Hauptkomponenten gemeinsam haben: einen Einlass, einen Verdichter, eine Verbrennungskammer und eine Turbine (die genau in dieser Reihenfolge angeordnet sind) mit einer Antriebswelle, die durch sie hindurchläuft.

Aber hier enden die Ähnlichkeiten. Verschiedene Motortypen haben zusätzliche Komponenten (die von der Turbine angetrieben werden), die Einlässe funktionieren auf unterschiedliche Weise, es kann mehr als eine Brennkammer geben, es kann zwei oder mehr Verdichter und mehrere Turbinen geben. Auch die Anwendung (die Aufgabe, die das Triebwerk zu erfüllen hat) ist von großer Bedeutung.Triebwerke für die Luft- und Raumfahrt werden nach strengen technischen Kompromissen konstruiert: Sie müssen aus einem Minimum an Kraftstoff ein Maximum an Leistung erzeugen (mit anderen Worten: einen maximalen Wirkungsgrad haben) und gleichzeitig so klein, leicht und leise wie möglich sein. Gasturbinen, die am Boden (z.B. in Kraftwerken) eingesetzt werden, müssen nicht unbedingt den gleichen Kompromiss eingehen; sie müssen weder klein noch leicht sein, obwohl sie natürlich trotzdem maximale Leistung und Effizienz benötigen.

Turbojets

Foto: Frühe Turbojet-Triebwerke an einem Boeing B-52A Stratofortress-Flugzeug, aufgenommen 1954.Die B-52A hatte acht Pratt and Whitney J-57 Turbojets, von denen jedes etwa 10.000 Pfund Schub erzeugen konnte.

Whittles ursprünglicher Entwurf wurde Turbojet genannt und wird auch heute noch häufig in Flugzeugen verwendet. Ein Turbotriebwerk ist die einfachste Art von Düsentriebwerk, das auf einer Gasturbine basiert: Es ist ein einfacher „Raketenstrahl“, der ein Flugzeug vorwärts bewegt, indem er einen heißen Abgasstrahl nach hinten schießt. Die Abgase, die das Triebwerk verlassen, sind viel schneller als die kalte Luft, die in das Triebwerk eintritt – so erzeugt ein Turbojet seinen Schub. Bei einem Turbotriebwerk muss die Turbine nur den Kompressor antreiben, so dass sie dem Abgasstrahl relativ wenig Energie entzieht.

Turbotriebwerke sind einfache, universell einsetzbare Düsentriebwerke, die ständig eine gleichmäßige Leistung erbringen und sich daher für kleine, langsam fliegende Flugzeuge eignen, die keine besonders bemerkenswerten Leistungen erbringen müssen (wie z. B. plötzliches Beschleunigen oder den Transport enormer Frachtmengen). Das Triebwerk, das wir oben erklärt und illustriert haben, ist ein Beispiel dafür.

Turbowellen

Foto: NASA (mit einem animierten Triebwerk zum Nachspielen) Das graue Rohr, das man unter dem Rotor dieses US-Militärhubschraubers vom Typ Seahawk sehen kann, ist eines der beiden Turbowellentriebwerke. Auf der anderen Seite befindet sich ein weiteres, genau gleiches Triebwerk. Foto von Trevor Kohlrus mit freundlicher Genehmigung der US-Marine.

Man könnte meinen, dass Hubschrauber nicht von Düsentriebwerken angetrieben werden – die riesigen Rotoren an der Spitze erledigen die ganze Arbeit -, aber das ist ein Irrtum: Die Rotoren werden von einem oder zwei Gasturbinentriebwerken angetrieben, die Turbowellen genannt werden. Eine Turbowelle unterscheidet sich stark von einem Turbojet, da das Abgas relativ wenig Schub erzeugt. Stattdessen nimmt die Turbine in einem Turbojet den größten Teil der Energie auf, und die Antriebswelle, die durch sie hindurchläuft, dreht ein Getriebe und ein oder mehrere Getriebe, die die Rotoren antreiben. Abgesehen von Hubschraubern findet man Turbotriebwerke auch in Zügen, Panzern und Booten. Auch Gasturbinenmotoren, die z. B. in Kraftwerken eingebaut sind, sind Turbowellen.

Turboprops

Foto: Ein Turboprop-Triebwerk nutzt ein Düsentriebwerk, um einen Propeller anzutreiben. Foto von Eduardo Zaragoza mit freundlicher Genehmigung der US Navy.

Ein modernes Flugzeug mit Propeller verwendet in der Regel ein Turboprop-Triebwerk, das der Turbowelle in einem Hubschrauber ähnelt, aber statt einen oben liegenden Rotor anzutreiben, treibt die Turbine im Inneren einen an der Vorderseite montierten Propeller an, der das Flugzeug vorwärts treibt. Da Flugzeuge mit Propellerantrieb langsamer fliegen, verschwenden sie weniger Energie, um den Luftwiderstand zu überwinden, was sie für den Einsatz in Frachtflugzeugen und anderen kleinen, leichten Flugzeugen sehr effizient macht.Allerdings erzeugen Propeller selbst einen großen Luftwiderstand, was ein Grund ist, warum Turbofans entwickelt wurden.

Turbofans

Foto: Ein Turbofan-Triebwerk erzeugt mehr Schub durch einen inneren Fan und einen äußeren Bypass (der kleinere Ring, den man zwischen dem inneren Fan und dem äußeren Gehäuse sieht). Jedes dieser Triebwerke erzeugt eine Schubkraft von 43.000 Pfund (fast 4,5 Mal mehr als die Stratofortress-Triebwerke oben)! Foto von Lance Cheung mit freundlicher Genehmigung der US Air Force.

Große Passagierflugzeuge haben riesige Ventilatoren an der Vorderseite, die wie supereffiziente Propeller arbeiten. Die Ventilatoren funktionieren auf zwei Arten. Sie erhöhen leicht die Luftmenge, die durch das Zentrum (den Kern) des Triebwerks strömt, und erzeugen so mehr Schub bei gleichem Treibstoffverbrauch (was sie effizienter macht). Außerdem blasen sie einen Teil der Luft um die Außenseite des Haupttriebwerks herum, wobei sie den Kern vollständig „umgehen“ und einen Gegenwind wie ein Propeller erzeugen. Mit anderen Worten: Ein Turbofan erzeugt Schub, teils wie ein Turbojet, teils wie ein Turboprop. Turbofans mit niedrigem Bypass leiten praktisch die gesamte Luft durch den Kern, während Turbofans mit hohem Bypass mehr Luft um den Kern herumleiten. Das so genannte Bypass-Verhältnis gibt an, wie viel Luft (nach Gewicht) durch den Triebwerkskern oder um ihn herum strömt; bei einem Triebwerk mit hohem Bypass kann das Verhältnis 10:1 betragen, was bedeutet, dass 10-mal mehr Luft um den Kern herum strömt als durch ihn hindurch.Beeindruckende Leistung und Effizienz machen Turbofans zu den bevorzugten Triebwerken von Passagierflugzeugen (in der Regel mit hohem Bypass) bis hin zu Kampfjets (mit niedrigem Bypass). Die Bypass-Konstruktion kühlt ein Strahltriebwerk und macht es leiser. Lesen Sie mehr über Turbofans bei der NASA.

Staustrahltriebwerke und Scramjets

Foto: Ein Pegasus-Staustrahl-/Scramjet-Triebwerk, das 1999 für Raumflugzeuge entwickelt wurde (Foto mit freundlicher Genehmigung des Armstrong Flight Research Center der NASA).

Staustrahltriebwerke saugen die Luft mit hoher Geschwindigkeit an. Wenn man den Einlass als sich schnell verjüngende Düse gestaltet, könnte man theoretisch dafür sorgen, dass die einströmende Luft automatisch komprimiert wird, ohne dass ein Kompressor oder eine Turbine benötigt wird. Triebwerke, die auf diese Weise arbeiten, werden Staustrahltriebwerke genannt, und da sie eine hohe Luftgeschwindigkeit benötigen, eignen sie sich eigentlich nur für Überschall- und Hyperschallflugzeuge (schneller als der Schall). Die Luft, die sich beim Eintritt in das Triebwerk schneller als der Schall bewegt, wird komprimiert und drastisch auf Unterschallgeschwindigkeit verlangsamt, mit Treibstoff vermischt und durch eine Vorrichtung, die Flammenhalter genannt wird, gezündet, wodurch ein raketenartiger Ausstoß entsteht, der dem eines klassischen Turbojets ähnelt. Staustrahltriebwerke werden in der Regel für Raketen- und Raketentriebwerke verwendet, aber da sie Luft „atmen“, können sie nicht im Weltraum eingesetzt werden. Staustrahltriebwerke sind ähnlich, nur dass die Überschallluft nicht so stark abgebremst wird, wie sie durch das Triebwerk strömt. Da die Luft im Überschallbereich bleibt, tritt sie mit viel höherer Geschwindigkeit aus, so dass das Flugzeug wesentlich schneller fliegen kann als ein Staustrahltriebwerk (theoretisch bis zu Mach 15, d. h. 15-fache Schallgeschwindigkeit im „Hyperschallbereich“).

Diagramm: Moderne Düsentriebwerke sind etwa 100-mal leistungsfähiger als die von Frank Whittle und seinem deutschen Rivalen Hans von Ohain erfundenen. Der rote Block zeigt das GE90, das derzeit leistungsstärkste Triebwerk der Welt. In der nachstehenden Zeitleiste erfahren Sie, wie sich Triebwerke entwickelt haben – und welche Ingenieure dahinter stecken.

Eine kurze Geschichte der Düsentriebwerke

• ~1800er Jahre: Der englische Erfinder Sir George Cayley (1773-1857) entwirft anhand einfacher Modelle die Grundkonstruktion und Funktionsweise des modernen, flügelgetragenen Flugzeugs. Leider ist die einzige zu seinen Lebzeiten verfügbare praktische Energiequelle die mit Kohle betriebene Dampfmaschine, die zu groß, schwer und ineffizient ist, um ein Flugzeug anzutreiben.
• 1860er-1870er Jahre: Unabhängig voneinander entwickeln die französischen Ingenieure Joseph Étienne Lenoir (1822-1900), der deutsche Ingenieur Nikolaus Otto (1832-1891) und Karl Benz den modernen Automotor, der mit relativ leichtem, sauberem, energiereichem Benzin betrieben wird – einem viel praktischeren Kraftstoff als Kohle.
• 1884: Der Engländer Sir Charles Parsons (1854-1931) leistet Pionierarbeit bei der Entwicklung von Dampfturbinen und Kompressoren, Schlüsseltechnologien für künftige Flugzeugtriebwerke.
• 1903: Die Fahrrad bauenden Brüder Wilbur Wright (1867-1912) und Orville Wright (1871-1948) machen den ersten Motorflug mit einem Agasmotor, der zwei Propeller antreibt, die an den Tragflächen eines einfachen Flugzeugs befestigt sind.
• 1908: Der Franzose René Lorin (1877-1933) erfindet das Staustrahltriebwerk – das einfachste mögliche Strahltriebwerk.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), in Rumänien geboren, aber hauptsächlich in Frankreich tätig, baut das erste düsenähnliche Flugzeug der Welt, die Coandă-1910, die von einem großen Luftgebläse anstelle eines Propellers angetrieben wird.
• 1914: Der US-Raumfahrtpionier Robert Hutchings Goddard (1882-1945) erhält seine ersten beiden Patente, die flüssigkeitsbetriebene, mehrstufige Raketen beschreiben – Ideen, die viele Jahre später dazu beitragen werden, Menschen ins All zu schießen.
• 1925: Pratt & Whitney (heute einer der weltweit größten Hersteller von Flugzeugtriebwerken) baut sein erstes Triebwerk, das Neun-Zylinder-Wasp.
• 1928: Der deutsche Ingenieur Alexander Lippisch (1894-1976) baut Raketenmotoren in ein experimentelles Segelflugzeug ein, um das erste Raketenflugzeug der Welt, die Lippisch Ente, zu bauen.
• 1926: Der britische Ingenieur Alan Griffith (1893-1963) schlägt in einem klassischen Werk mit dem Titel AnAerodynamic Theory of Turbine Design die Verwendung von Gasturbinenmotoren zum Antrieb von Flugzeugen vor. Diese Arbeit macht Griffith praktisch zum theoretischen Vater des Düsentriebwerks (zu seinen zahlreichen Beiträgen gehört auch die Erkenntnis, dass ein Düsentriebwerkskompressor gekrümmte Schaufeln anstelle von solchen mit einem einfachen, flachen Profil verwenden muss). Später wird Griffith als leitender Wissenschaftler von Rolls-Royce, einem der weltweit führenden Hersteller von Flugzeugtriebwerken, zu einem Pionier der Turbojets, Turbofans und senkrecht startenden und landenden Flugzeugen (VTOL).
• 1928: Im Alter von nur 21 Jahren entwickelt der englische Ingenieur Frank Whittle (1907-1996) ein Düsentriebwerk, aber das britische Militär (und Alan Griffith, ihr Berater) weigern sich, seine Ideen ernst zu nehmen. Whittle ist gezwungen, sein eigenes Unternehmen zu gründen und seine Ideen selbst zu entwickeln. Bis 1937 baut er das erste moderne Düsentriebwerk, allerdings nur als bodengebundener Prototyp.
• 1936: Whittle erfindet das Bypass-Turbofan-Triebwerk und meldet es zum Patent an.
• 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), Whittles deutscher Konkurrent, entwickelt gleichzeitig Strahltriebwerke mit Kompressoren und Turbinen. Sein 1938 entwickeltes Triebwerk HeS 3B treibt die Heinkel He-178 auf ihrem Jungfernflug als erstes Turbinenflugzeug der Welt am 27. August 1939 an.
• 1951: Der US-amerikanische Luft- und Raumfahrtingenieur Charles Kaman (1919-2011) baut den ersten Hubschrauber mit Gasturbinentriebwerk, den K-225.
• 2002: Das GE90-115B von General Electric wird mit einem maximalen Schub von 569kN (127.900 lbf) zum stärksten Triebwerk der Welt.
• 2019: Das GE9X von General Electric, das auf dem GE90 basiert, nutzt ein hohes Nebenstromverhältnis von 10:1, weniger Fanschaufeln und bessere Materialien, um eine um 10 Prozent bessere Treibstoffeffizienz und einen um 5 Prozent niedrigeren Treibstoffverbrauch bei weniger Lärm und weniger Emissionen zu erreichen. Es erzeugt jedoch deutlich weniger Schub (etwa 470kN oder 105.000 lbf).