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Triebwerke |
Wie funktioniert ein Düsentriebwerk?
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NEU! Wie selbstverständlich hebt ein Flugzeug, das über eine halbe Million Pfund wiegt, mit Leichtigkeit vom Boden ab. Wie geht das? Die Antwort ist einfach. Es sind die Triebwerke. Lassen Sie Theresa Benyo vom NASA Glenn Research Center mehr erklären… Wie in der NASA-Sendung Destination Tomorrow zu sehen war. |
Download Real Media
Download Windows Media PlayerDüsentriebwerke bewegen das Flugzeug mit einer großen Kraft vorwärts, die durch einen enormen Schub erzeugt wird und das Flugzeug sehr schnell fliegen lässt.
Alle Düsentriebwerke, die auch Gasturbinen genannt werden, funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Das Triebwerk saugt an der Vorderseite mit einem Ventilator Luft an. Ein Verdichter hebt den Druck der Luft an. Der Verdichter besteht aus vielen Schaufeln, die an einer Welle befestigt sind. Die Schaufeln drehen sich mit hoher Geschwindigkeit und komprimieren oder pressen die Luft zusammen. Die komprimierte Luft wird dann mit Kraftstoff besprüht und ein elektrischer Funke entzündet das Gemisch. Die brennenden Gase dehnen sich aus und schießen durch die Düse am hinteren Ende des Motors heraus. Während die Gasstrahlen nach hinten schießen, werden das Triebwerk und das Flugzeug nach vorne geschoben. Während die heiße Luft zur Düse strömt, passiert sie eine weitere Gruppe von Schaufeln, die Turbine. Die Turbine ist an der gleichen Welle wie der Verdichter befestigt. Durch das Drehen der Turbine wird der Kompressor in Gang gesetzt.
Die folgende Abbildung zeigt, wie die Luft durch das Triebwerk strömt. Die Luft strömt sowohl durch den Kern des Motors als auch um den Kern herum. Dadurch wird ein Teil der Luft sehr heiß und ein Teil kühler. Die kühlere Luft vermischt sich dann mit der heißen Luft im Bereich des Motorausgangs.
Dies ist ein Bild davon, wie die Luft durch ein Triebwerk strömt
Was ist Schub?
Schub ist die Vorwärtskraft, die das Triebwerk und damit das Flugzeug vorwärts treibt. Sir Isaac Newton entdeckte, dass es für „jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion“ gibt. Ein Triebwerk nutzt dieses Prinzip. Das Triebwerk saugt ein großes Volumen an Luft an. Die Luft wird erhitzt und komprimiert und dadurch verlangsamt. Die Luft wird durch viele sich drehende Schaufeln gepresst. Durch das Mischen dieser Luft mit Düsentreibstoff kann die Temperatur der Luft bis zu dreitausend Grad betragen. Die Kraft der Luft wird genutzt, um die Turbine in Bewegung zu setzen. Wenn die Luft schließlich austritt, wird sie rückwärts aus dem Triebwerk gedrückt. Das bewirkt, dass sich das Flugzeug vorwärts bewegt.
Teile eines Strahltriebwerks
Fan – Der Fan ist das erste Bauteil in einem Turbofan. Der große, sich drehende Fan saugt große Mengen an Luft an. Die meisten Schaufeln des Lüfters sind aus Titan gefertigt. Dann beschleunigt er diese Luft und teilt sie in zwei Teile auf. Ein Teil strömt durch den „Kern“ oder das Zentrum des Triebwerks, wo er von den anderen Triebwerkskomponenten beeinflusst wird.
Der zweite Teil „umgeht“ den Kern des Triebwerks. Er geht durch einen Kanal, der den Kern umgibt, zum hinteren Teil des Motors, wo er einen Großteil der Kraft erzeugt, die das Flugzeug vorwärts treibt. Diese kühlere Luft trägt dazu bei, das Triebwerk zu beruhigen, und verleiht dem Triebwerk zusätzlichen Schub.
Kompressor – Der Kompressor ist die erste Komponente im Triebwerkskern. Der Kompressor besteht aus Ventilatoren mit vielen Schaufeln, die an einer Welle befestigt sind. Der Kompressor presst die Luft, die in ihn eintritt, in immer kleinere Bereiche, was zu einer Erhöhung des Luftdrucks führt. Dadurch erhöht sich das Energiepotenzial der Luft. Die gepresste Luft wird in die Verbrennungskammer gepresst.
Brennkammer – In der Brennkammer wird die Luft mit dem Brennstoff vermischt und dann gezündet. Es gibt bis zu 20 Düsen, die den Brennstoff in den Luftstrom sprühen. Das Gemisch aus Luft und Brennstoff fängt Feuer. Dadurch entsteht ein Luftstrom mit hoher Temperatur und hoher Energie. Der Brennstoff verbrennt mit dem Sauerstoff in der komprimierten Luft und erzeugt heiße, expandierende Gase. Das Innere der Brennkammer besteht häufig aus keramischen Materialien, um eine hitzebeständige Kammer zu schaffen. Die Hitze kann bis zu 2700° erreichen.
Turbine – Der energiereiche Luftstrom, der aus der Brennkammer kommt, wird in die Turbine geleitet und versetzt die Turbinenschaufeln in Rotation. Die Turbinen sind durch eine Welle verbunden, die die Schaufeln im Verdichter und das Ansauggebläse an der Vorderseite in Drehung versetzt. Durch diese Drehung wird dem energiereichen Strom Energie entzogen, die für den Antrieb des Gebläses und des Verdichters verwendet wird. Die in der Verbrennungskammer erzeugten Gase bewegen sich durch die Turbine und drehen deren Schaufeln. Die Turbinen des Düsentriebwerks drehen sich Tausende von Malen. Sie sind auf Wellen befestigt, zwischen denen sich mehrere Sätze von Kugellagern befinden.
Düse – Die Düse ist der Auslasskanal des Motors. Das ist der Teil des Triebwerks, der den eigentlichen Schub für das Flugzeug erzeugt. Der energiearme Luftstrom, der die Turbine passiert hat, erzeugt zusammen mit der kälteren Luft, die den Motorkern umgangen hat, beim Austritt aus der Düse eine Kraft, die das Triebwerk und damit das Flugzeug vorwärts treibt. Die Kombination aus heißer und kalter Luft wird ausgestoßen und erzeugt ein Abgas, das einen Vorwärtsschub bewirkt. Der Düse kann ein Mischer vorgeschaltet sein, der die vom Triebwerkskern kommende Luft mit hoher Temperatur mit der Luft niedrigerer Temperatur kombiniert, die im Ventilator umgangen wurde. Der Mischer trägt dazu bei, das Triebwerk leiser zu machen.
Das erste Strahltriebwerk – Eine kurze Geschichte der frühen Triebwerke
Sir Isaac Newton war im 18. Jahrhundert der erste, der die Theorie aufstellte, dass eine nach hinten gerichtete Explosion eine Maschine mit großer Geschwindigkeit vorwärts treiben kann. Diese Theorie beruhte auf seinem dritten Bewegungsgesetz. Wenn die heiße Luft rückwärts durch die Düse strömt, bewegt sich das Flugzeug vorwärts.
Henri Giffard baute ein Luftschiff, das von der ersten Flugzeugmaschine, einer Dampfmaschine mit drei Pferden, angetrieben wurde. Es war sehr schwer, zu schwer, um zu fliegen.
Im Jahr 1874 baute Felix de Temple einen Eindecker, der mit Hilfe einer kohlebefeuerten Dampfmaschine nur einen kurzen Sprung einen Hügel hinunterflog.
Otto Daimler erfand Ende des 19. Jahrhunderts den ersten Benzinmotor.
Im Jahr 1894 versuchte der Amerikaner Hiram Maxim, seinen Dreifach-Doppeldecker mit zwei kohlebefeuerten Dampfmaschinen anzutreiben. Er flog nur wenige Sekunden lang.
Die frühen Dampfmaschinen wurden mit erhitzter Kohle angetrieben und waren im Allgemeinen viel zu schwer für den Flug.
Der Amerikaner Samuel Langley baute ein Modellflugzeug, das von Dampfmaschinen angetrieben wurde. Im Jahr 1896 gelang es ihm, ein unbemanntes Flugzeug mit einem dampfgetriebenen Motor zu fliegen, das er Aerodrome nannte. Es flog etwa 1 Meile weit, bevor ihm der Dampf ausging. Anschließend versuchte er, ein Flugzeug in voller Größe, das Aerodrome A, mit einem gasbetriebenen Motor zu bauen. Im Jahr 1903 stürzte es unmittelbar nach dem Start von einem Hausboot ab.
Im Jahr 1903 flogen die Gebrüder Wright The Flyer mit einem 12-PS-Gasmotor.
Von 1903, dem Jahr des ersten Fluges der Gebrüder Wright, bis in die späten 1930er Jahre war der gasbetriebene Kolbenverbrennungsmotor mit Propeller das einzige Mittel, das zum Antrieb von Flugzeugen verwendet wurde.
Es war Frank Whittle, ein britischer Pilot, der 1930 das erste Turbotriebwerk konstruierte und patentieren ließ. Das Whittle-Triebwerk flog erstmals erfolgreich im Mai 1941. Dieses Triebwerk verfügte über einen mehrstufigen Verdichter, eine Brennkammer, eine einstufige Turbine und eine Düse.
Zur gleichen Zeit, als Whittle in England arbeitete, arbeitete Hans von Ohain in Deutschland an einer ähnlichen Konstruktion. Das erste Flugzeug, das erfolgreich ein Gasturbinentriebwerk einsetzte, war die deutsche Heinkel He 178 im August 1939. Es war der erste Flug mit Turbinenantrieb in der Welt.
General Electric baute das erste amerikanische Düsentriebwerk für die Düsenflugzeuge der US Army Air Force. Es war das Versuchsflugzeug XP-59A, das im Oktober 1942 zum ersten Mal flog.
Arten von Strahltriebwerken
Turbojets
Die Grundidee des Turbojet-Triebwerks ist einfach. Luft, die aus einer Öffnung an der Vorderseite des Triebwerks angesaugt wird, wird in einem Verdichter auf das 3- bis 12-fache ihres ursprünglichen Drucks komprimiert. Der Luft wird Treibstoff beigemischt, der in einer Brennkammer verbrannt wird, um die Temperatur des Flüssigkeitsgemischs auf etwa 1.100 bis 1.300 Grad Celsius zu erhöhen. Wenn Turbine und Kompressor effizient arbeiten, ist der Druck am Turbinenauslass fast doppelt so hoch wie der Atmosphärendruck, und dieser Überdruck wird zur Düse geleitet, um einen Hochgeschwindigkeitsgasstrahl zu erzeugen, der einen Schub erzeugt. Eine erhebliche Schubsteigerung kann durch den Einsatz eines Nachbrenners erreicht werden. Dabei handelt es sich um eine zweite Brennkammer, die nach der Turbine und vor der Düse angeordnet ist. Der Nachbrenner erhöht die Temperatur des Gases vor der Düse. Das Ergebnis dieses Temperaturanstiegs ist eine Erhöhung des Schubs um etwa 40 Prozent beim Start und ein weitaus größerer Prozentsatz bei hohen Geschwindigkeiten, sobald das Flugzeug in der Luft ist.
Das Turbotriebwerk ist ein Reaktionstriebwerk. Bei einem Reaktionstriebwerk stoßen expandierende Gase stark gegen die Vorderseite des Triebwerks. Das Turbotriebwerk saugt Luft an und komprimiert oder drückt sie zusammen. Die Gase strömen durch die Turbine und bringen sie zum Drehen. Diese Gase prallen zurück und schießen hinten aus dem Auspuff heraus, wodurch das Flugzeug nach vorne geschoben wird.
Bild eines Turbojet-Triebwerks
Turboprops
Ein Turboprop-Triebwerk ist ein Düsentriebwerk, das mit einem Propeller verbunden ist. Die Turbine im hinteren Teil wird durch die heißen Gase in Drehung versetzt, und diese drehen eine Welle, die den Propeller antreibt. Einige kleine Verkehrsflugzeuge und Transportflugzeuge werden von Turboprop-Triebwerken angetrieben.
Wie das Turbostrahltriebwerk besteht auch das Turboprop-Triebwerk aus einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine, wobei der Luft- und Gasdruck zum Antrieb der Turbine genutzt wird, die wiederum den Verdichter antreibt. Im Vergleich zu einem Turbostrahltriebwerk hat das Turboprop-Triebwerk eine bessere Antriebseffizienz bei Fluggeschwindigkeiten unter etwa 500 Meilen pro Stunde. Moderne Turboprop-Triebwerke sind mit Propellern ausgestattet, die einen kleineren Durchmesser, aber eine größere Anzahl von Schaufeln haben, um einen effizienten Betrieb bei wesentlich höheren Fluggeschwindigkeiten zu ermöglichen. Um die höheren Fluggeschwindigkeiten zu erreichen, sind die Schaufeln krummsägeförmig und haben an den Schaufelspitzen zurückgeschlagene Vorderkanten. Triebwerke mit solchen Propellern werden Propfans genannt.
Bild eines Turboprop-Triebwerks
Turbofans
Ein Turbofan-Triebwerk hat einen großen Fan an der Vorderseite, der Luft ansaugt. Die meiste Luft strömt um die Außenseite des Triebwerks herum, wodurch es leiser ist und bei niedrigen Geschwindigkeiten mehr Schub erzeugt. Die meisten der heutigen Verkehrsflugzeuge werden von Turbofans angetrieben. Bei einem Turbojet strömt die gesamte Luft, die in den Ansaugtrakt eintritt, durch den Gasgenerator, der sich aus Verdichter, Brennkammer und Turbine zusammensetzt. In einem Turbofan-Triebwerk gelangt nur ein Teil der einströmenden Luft in die Brennkammer. Der Rest durchläuft einen Fan oder einen Niederdruckverdichter und wird direkt als „kalter“ Strahl ausgestoßen oder mit dem Abgas des Gasgenerators zu einem „heißen“ Strahl vermischt. Das Ziel dieser Art von Bypass-System ist es, den Schub zu erhöhen, ohne den Treibstoffverbrauch zu steigern. Dies wird erreicht, indem der Gesamtluftmassenstrom erhöht und die Geschwindigkeit bei gleicher Gesamtenergiezufuhr verringert wird.
Bild des Turbofan-Triebwerks
Turbowellen
Dies ist eine weitere Form des Gasturbinentriebwerks, das ähnlich wie ein Turboprop-System funktioniert. Er treibt keinen Propeller an. Stattdessen treibt er einen Hubschrauberrotor an. Der Turbomotor ist so konstruiert, dass die Drehzahl des Hubschrauberrotors unabhängig von der Drehzahl des Gasgenerators ist. Dadurch kann die Rotordrehzahl auch dann konstant gehalten werden, wenn die Drehzahl des Generators variiert wird, um die erzeugte Leistung zu modulieren.
Bild des Turboshaftmotors
Staustrahltriebwerke
Das Staustrahltriebwerk ist das einfachste Strahltriebwerk und hat keine beweglichen Teile. Die Geschwindigkeit des Strahls „stößt“ oder drückt Luft in das Triebwerk. Es handelt sich im Wesentlichen um ein Turbotriebwerk, bei dem die rotierenden Maschinen weggelassen wurden. Seine Anwendung ist dadurch eingeschränkt, dass sein Verdichtungsverhältnis ausschließlich von der Vorwärtsgeschwindigkeit abhängt. Das Staustrahltriebwerk entwickelt keinen Standschub und generell nur sehr wenig Schub unterhalb der Schallgeschwindigkeit. Daher benötigt ein Staustrahlfahrzeug eine Form der Starthilfe, beispielsweise durch ein anderes Flugzeug. Es wurde vor allem in Lenkflugkörpersystemen eingesetzt. Raumfahrzeuge nutzen diesen Düsentyp.
Bild Staustrahltriebwerk