Strahltriebwerke

Warum werden nur Strahlantriebe eingesetzt?

Die benötigte Antriebsleistung wächst mit der 3ten Potenz zur Geschwindigkeit. Grenzen für Propellerantrieb sind bei 800 km/h erreicht, dazu kommt ein stark abnehmender Wirkungsgrad insbesondere in der Höhe.

Für eine Boeing 747 wären 18 Hochleistungs-Kolbenmotoren erforderlich, in großer Höhe noch mehr. Die Maximalleistung für Kolbenmotoren liegt bei 4.000 PS. Turbinen haben immer ein höheres Leistungsgewicht, was für Flugzeuge entscheidend ist. Allerdings arbeiten sie nur im Volllastbetrieb günstiger.

Triebwerke für Jagdflugzeuge sind so konstruiert, dass sie relativ einfach, zuverlässig, leicht und kompakt sind und der Frontbereich klein gehalten wird. Im Rahmen dieser Einschränkungen ist auch die Schubleistung beschränkt, sie liegt heute bei max. etwa 110 kN trocken und 170 kN mit Nachverbrennung. Der Nachbrennerbetrieb bedeutet somit eine Leistungssteigerung von etwa 40%, verursacht gleichzeitig jedoch einen Verbrauchsanstieg um 300%, weshalb er sich nur für kurze Nutzungsperioden eignet. Da sich gleichzeitig auch die Austrittsgeschwindigkeit des Abgasstrahls von 600 m/s auf bis zu 1.000 m/s erhöht, steigt der Strahllärm um das 26fache (!!), weshalb Nachbrennerbetrieb üblicherweise dem Kampfeinsatz vorbehalten bleibt.

Der Wirkungsgrad der eingesetzten Triebwerke ist deutlich schlechter als der eines Unterschall-Triebwerks im Verkehrsflugzeug.

Triebwerkstypen

Funktion der Strahltriebwerke

Gasturbinen sind Wärmekraftmaschinen, die als Arbeitsmittel Luft benutzen und neben mechanischer Wellenleistung vor allem einen Schub erzeugen.

Analog einem 4-Takt-Kolbenmotor durchläuft das Gas die Stufen Ansaugen, Verdichten, Wärmezufuhr und Expansion mit dem Unterschied, dass beim Kolbenmotor alle Schritte in einem Zylinder stattfinden, während das Strahltriebwerk für jeden Arbeitstakt räumlich getrennt eine eigene Baugruppe hat.

Im Kolbenmotor findet durch die explosionsartige Verbrennung einer bestimmten Menge eines Luft-/Kraftstoffgemischs eine Druckerhöhung statt, die den Kolben antreibt. In der Brennkammer eines Strahltriebwerks wird lediglich das Arbeitsmedium durch Kraftstoffverbrennung erhitzt, eine Druckänderung findet nicht statt (Gleichdruckverbrennung). Gasturbinen sind daher nicht an einen speziellen Brennstoff gebunden, das Erhitzen könnte theoretisch auch elektrisch erfolgen.

Da keine oszillierenden Bewegungen (hin/her) stattfinden und ein kontinuierlicher Luftdurchsatz erfolgt, ist eine sehr hohe Energiezufuhr möglich. So können bei einem Brennkammervolumen von nur 1,5 Kubikmeter pro Stunde etwa 10.000 kg Kraftstoff verbrannt werden, mehr als die 3.000-fache Menge einer Wohnhaus-Ölheizung.

Turbinentriebwerke erreichen ein wesentlich höheres Leistungsgewicht als Kolbenmotoren.

Triebwerksaufbau

Strahltriebwerke bestehen aus den Komponenten:

Triebwerks-Einlauf

Der Einlauf hat die Aufgabe, dem Verdichter möglichst gleichmäßig Luft zuzuführen. Dabei soll die Anströmung stabil, mit optimaler Geschwindigkeit und möglichst geringen Druckverlusten in allen Fluglagen erfolgen. Ist die Anströmgeschwindigkeit bei Start gleich null, muss die Luftströmung im Einlauf beschleunigt werden – ohne dass es durch Umlenkung zum Abreißen kommt. Zur Erhöhung des Durchsatzes bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten (Startbeginn) sind zusätzliche Einlaufsysteme in Form von seitlichen Klappen vorgesehen. Bei höherer Geschwindigkeit ist die Anströmung zu groß und muss reduziert werden, wodurch der Druck im Einlaufbereich steigt.

Überschalleinläufe sind komplexer, da sie einen größeren Geschwindigkeitsbereich abdecken. Hier wird die Überschallströmung durch gezielte Verdichtungsstöße auf Unterschall gebracht, bevor sie auf den Verdichter trifft. Man unterscheidet Geradstoß-, Kegelstoß- und Keilstoßdiffusoren. Je nach Ausführung sind sie verstellbar und besitzen Trennbleche, um zu verhindern, dass energieärmere Rumpfgrenzschicht in den Einlauf strömt.

Triebwerk-Einläufe versorgen das TW mit Luft über den gesamten Geschwindigkeitsbereich und in allen Fluglagen. Die max. Verdichter-Einlassgeschwindigkeit beträgt 0,4 – 0,7 Mach, also immer Unterschallströmung.

Bei Start (v=0) muss Luft im Einlauf beschleunigt werden, später wird die kinetische Energie der Luft in Druck umgewandelt. Unterschall-Einlauf haben meist gerundete Einlauflippen, Überschall-Einläufe sind bis 1,5 Mach als Geradstoßeinlauf, darüber als verstellbarer Kegel oder Keil zur Vermeidung von Geradstoß-Druckverlusten ausgebildet. (1 Stoß bei Mach 2 ca. 30%, 3 Stoß nur 5% Verluste)

Der konische Einlauf hat eine ungestörte Anströmung von vorn. Der Schrägstoßwinkel ist abhängig von Geschwindigkeit, die Front sollte immer am Einlaufrand liegen, um einen geringen Widerstand zu verursachen und ist deshalb nach vorn verstellbar wie bei MiG-21 in 3 Stufen (Kegel ist abgewinkelt!). Nachteilig ist Kegelstoßdiffusor bei unsymmetrischer Anströmung, da eine Strömungsverzerrung entsteht.

Im Fall, dass der Luftbedarf des Triebwerks größer als die gelieferte Luftmenge ist, wird die Schockfront vom Einlauf geschluckt, mit erheblichen Strömungsstörungen und Turbulenzen und der Folge des Verdichterpumpens.
Bei einem Überfluss an Luft strömt diese außen vorbei, die Schockfront wandert nach vorn und die Schocklage wird instabil.

Der Keilstoßdiffusor ist generell günstiger bei Schräganströmung. Der Einlauf ist abgesetzt vom Rumpf, damit keine Grenzschicht einströmt – die auf dem Trennblech entstehende Grenzschicht wird durch Bohrungen vor dem Einlauf eingesaugt.

Der Diffusor selbst ist mittels Rampen regelbar und erzeugt immer eine abgestimmte Stoßkonfiguration aus 3 Schrägstößen und abschließendem Geradstoß, so dass der richtige Luftmengenfluss gegeben ist.

Verdichter

Der Verdichter hat die Aufgabe, angesaugte Luft zu komprimieren und diese in die Brennkammer zu leiten. Dazu wird die Luft unter hoher Drehzahl (bis 50.000 min-1) in einem mehrstufigen Axial- und-/oder Radialverdichter beschleunigt und dann wieder abgebremst, wodurch der Gasdruck um den Faktor 10 - 25 und die Gastemperatur auf 300°C - 500°C steigen. Nach dem Verdichtungsprozess wir die vorverdichtete, heiße Luft in die Brennkammer geleitet. Man unterscheidet hierbei Radial- und Axialverdichter.

Gute Verdichter haben einen Wirkungsgrad von 88-90%. Die zur Luftverdichtung benötigten Antriebsleistungen sind enorm und bewegen sich zwischen 20.000 und 50.000 kW.

Jettriebwerke haben ausschließlich Mehrwellenverdichter, d.h. einem Niederdruck- und Hochdruckverdichter, der von je einem Schaufelrad über eine Welle angetrieben wird.

Hochdruckverdichter haben kürzere Schaufeln. Der Triebwerksstark wird nur über den HDV vorgenommen. Für Verbraucherzwecke (Druckluft, Enteisung) kann der Verdichter auch angezapft werden.
Axialverdichter erlauben einen höheren Luftdurchsatz, demzufolge kann das Triebwerk mehr Schub erzeugen.

Nahezu 75% der im Kraftstoff enthaltenen Energie werden für den Verdichtungsprozess aufgewendet. Nur ein Teil von 25% (mit Nachbrenner mehr) steht für den Schub zur Verfügung. Dies ergibt aber immer noch äquivalente Antriebsleistungen von 15 – 20.000 PS.

Brennkammer

Die Brennkammer hat die Aufgabe, einen gleichmäßigen Heißgasstrom für die Expansion im Turbinen- und Schubdüsenabschnitt bereitzustellen. Dies geschieht durch die stöchiometrische Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs (ideal 14,7 Teile Luft : 1 Teil Kraftstoff).

Die aus dem Verdichter kommende „Pressluft“ tritt mit etwa 150 m/s in die Brennkammer ein. Dies ist für den Verbrennungsprozess viel zu schnell, so dass die Strömung zunächst verzögert werden muss. Neben der Verzögerung muss im vorderen Brennkammerabschnitt die Luftzufuhr so dosiert werden, dass eine möglichst vollständige Verbrennung stattfinden kann, denn nur etwa 20% der eintretenden Luft werden hierzu benötigt.

Der weitaus größte Teil der Luft wird in den Raum zwischen Außenmantel und Flammrohr geleitet und allmählich durch Eintrittsöffnungen wieder zugemischt. Dies sorgt gleichzeitig für eine ausreichende Wandkühlung, denn die Kerntemperaturen im Verbrennungsbereich betragen 2.000°C, wobei Flammrohre bis etwa 1.000°C ohne Kühlung belastet werden können.

Man unterscheidet im Brennkammeraufbau eine Primär- und Sekundärzone. In der Primärzone tritt der Kraftstoff unter hohem Druck aus der Einspritzdüse aus (500psi) und bildet einen Sprühkegel, der eine intensive Mischung mit der Luft ermöglicht. Die Zündung erfolgt einmalig elektrisch, danach läuft die Verbrennung selbständig weiter. In der Verbrennungszone beträgt die Strömungsgeschwindigkeit durch Ausbildung sog. Rezirkulationszonen nur wenige m/s.

Obgleich sich durch Drehzahl- und Höhenänderungen der Betriebsbereich der Gasturbine stark ändert, muss die Flammenstabilität weitgehend erhalten werden. Hierzu sind diverse Regelvorrichtungen notwendig. Besonders empfindlich reagiert der Verbrennungsvorgang auf eine zu hohe Einströmgeschwindigkeit, bei der die Gefahr besteht, dass die Flamme fortgespült oder ausgeblasen wird.

Turbine

Die Turbinenstufe, auch kurz Turbine genannt, entnimmt dem heißen Frischgas die zum Antrieb des Verdichters benötigte Arbeit. Durch Umlenkung und Beschleunigung der heißen Frischgase in den Turbinenschaufeln erfahren diese eine Umfangskraft, die ein antreibendes Drehmoment bewirkt - das umgekehrte Funktionsprinzip eines Verdichters.
Die Turbine selbst besteht aus einem Leitsystem und Laufrädern. Das erste Leitrad liefert dabei den für den Antrieb erforderlichen Drall, denn die Luft strömt relativ gleichförmig aus der Brennkammer. Die Anzahl der Stufen ist von verschiedenen Faktoren abhängig und richtet sich nach:
Drehzahl
Turbinendurchmesser
Anzahl der Verdichterstufen
Höhe des Energieentzugs

Turbinen erreichen einen Wirkungsgrad zwischen 0,78 und 0,92. Da sie neben der hohen Drehzahl gleichzeitig extremen Temperaturen ausgesetzt sind, gehören sie zu den am stärksten beanspruchten Teilen des Triebwerks.
Es werden 2 Typen von Turbinen unterschieden, die Aktions- und die Reaktionsturbine. Inder Reaktionsturbine expandiert die Strömung von einem statischen Eingangsdruck auf einen kleineren statischen Ausgangsdruck. Dadurch kommt es zu einer Strömungsbeschleunigung. Bei der Aktionsturbine findet lediglich eine Umlenkung der Strömung statt, wodurch eine Umfangskraft entsteht.


Die Befestigung der Schaufeln erfolgt über einen sog. Tannenbaum, der eine gewisse radiale Bewegung erlaubt (Wackeln im Ruhezustand). Material häufig Nickel mit Chrom und Kobalt – Kriechbelastung hoch. Schaufeln besitzen häufig Innenkühlung mit kleinen Bohrungen nach außen – Filmkühlung.

Nachverbrennung

Nachverbrennung heißt zusätzliche Kraftstoffverbrennung zwischen Turbine und Schubdüse, der erforderliche Sauerstoff ist im Heißgasstrahl enthalten. Die Austrittsgeschwindigkeit liegt im Überschallbereich, so dass eine verstellbare Schubdüse erforderlich wird. Da Temperatur bis auf 1.700°C steigt, muss die Flamme im achsnahen Bereich konzentriert werden. Umhüllende, kühlere Turbinenluft schützt die Wandungen des Nachbrennergehäuses.

Beim Aufbau des Nachbrennergehäuses ist darauf zu achten, dass der Durchmesser nicht zu klein ist – sonst überschreitet die Strahlgeschwindigkeit die Flammfortpflanzung und die Flamme wird nach außen getragen.

Hinter der Turbine ist zunächst ein Diffusor, der die Austrittsgeschwindigkeit senkt. Die Wandungen des Gehäuses sind perforiert und bilden eine Art Brennkammer. Luft, die durch die Perforation eindringt, unterdrückt Druckschwankungen, die bei der Verbrennung entstehen.

Der Kraftstoff wird durch eine Serie von perforierten, ringförmigen Kraftstoffleitungen eingebracht. Die darum befindlichen V-förmigen Flammhalter sind konzentrische Ringe, die die Strömungsgeschwindigkeit reduzieren und selbst wenig Widerstand bieten.

Die Zündung erfolgt entweder katalytisch (Platinlegierung) oder über eine Zündkerze in der Nähe der Flammhalter.

Schubdüse

Schub ist das Produkt aus Durchsatz und Ausströmgeschwindigkeit. Die Schubdüse hat die Aufgabe, die verbleibende Energie des Gases in Geschwindigkeitsenergie umzuwandeln.

Während für Unterschallflugzeuge ausschließlich konvergente Düsen eingesetzt werden, werden für Überschall-Jets sogenannte Ejektordüsen verwendet. Sie bestehen aus einer konvergenten, im Querschnitt veränderbaren Primärdüse, die von einem Rohr (ggf. auch im Querschnitt veränderbar) konzentrisch umgeben wird. Der Primärstrom, d.h. die Triebwerksströmung, erreicht im engsten Querschnitt – also am Düsenaustritt – Schallgeschwindigkeit (M=1). Dies ist die höchste Geschwindigkeit, die mit einer konvergenten Düse erzielt werden kann.

Der Primärstrom expandiert nach Verlassen der Düse weiter und beschleunigt auf Überschallgeschwindigkeit. Durch die Sogwirkung des Primärstroms wird der Sekundärstrom in Bewegung gesetzt, der dazu dient, den Primärstrahl in seiner Ausdehnung zu dämpfen und weiter zu beschleunigen. Ohne diese Sekundärströmung würde der Primärstrahl infolge seines hohen Drucks schlagartig auf Umgebungsdruck expandieren, was einem Zerplatzen des Strahls gleichkäme und mit untragbaren Schubverlusten einherginge. Weiterhin sorgt die Sekundärströmung für die erforderliche Kühlung der Rohrwände und verhindert die Berührung des heißen Strahls mit dem Außenmantel.

Triebwerkssysteme

Für das Funktionieren eines Triebwerks sind verschiedene Systeme erforderlich, die in der Regel am Triebwerksgehäuse angebracht sind. Man unterscheidet folgende Einheiten:

Darüber hinaus können noch ein Regelsystem für den Nachbrenner, die Schubdüsenverstellung, den verstellbaren Einlauf, sowie Vorrichtungen für Enteisung und Feuerlöschen vorhanden sein.

Die Kraftstoffversorgung erfolgt im Hochdruckabschnitt durch Kolbenpumpen mit einer Förderleistung bis zu 8.000 Liter/Stunde und einem maximalen Druck von 140 Bar. Für die Antriebsleistung sind bis zu 45 kW erforderlich. Ein hydromechanischer oder hydroelektrischer Kraftstoffregler dosiert dabei die richtige Kraftstoffmenge unter Berücksichtigung der verschiedenen Einflussparameter.

Vom Stand bis zum Erreichen der Leerlauf–Drehzahl muss das Triebwerk durch eine fremde Kraftquelle beschleunigt werden. Für Kampfflugzeuge wird üblicherweise ein Kartuschenstarter eingesetzt, der Treibgas für eine kleine Luftturbine liefert, die über ein Untersetzungsgetriebe das Triebwerk beschleunigt. Die Kartuschen (maximal 3) setzen hierbei für etwa je 15 Sekunden Treibgas frei.

Triebwerküberwachung

Alle Kampfjets haben hierzu mindestens folgende Instrumente:
- Drehzahlanzeige des Triebwerks in %
- Anzeige der Abgastemperatur
- Kraftstoffpumpendruck
- Öldruck/Öltemperatur
Darüber hinaus können je nach Triebwerkstyp weiter Temperatur-, Drehzahl- und Druckanzeigen vorhanden sein.

Schubverhalten

Um Schub zu erzeugen, muss die Austrittsgeschwindigkeit der Triebwerkgase größer sein als die Fluggeschwindigkeit. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich das Gas bei Austritt auf Umgebungsdruck entspannt. Die Größe des Schubs variiert jedoch mit der Geschwindigkeit und der Flughöhe. Der absolute Wert fällt mit zunehmender Geschwindigkeit zunächst leicht ab und nimmt mit steigendem dynamischem Druck vor dem Triebwerk zu, da der Luftmassendurchsatz steigt. In großer Höhe ist der Schub reduziert, da die Luftdichte auf 30% ihres Wertes am Boden sinkt. Einschränkend wirkt auch die maximal zulässige Turbineneintrittstemperatur, die in der Höhe die Treibstoffzufuhr = Energiezufuhr begrenzt.
Die Schuberhöhung durch Nachbrenner wird durch einen weiteren Anstieg der Austrittsgeschwindigkeit auf über 800m/s verursacht.

Der Schub setzt sich aus mehreren anteiligen Komponenten zusammen, die sich in ihrem Betrag mit der Geschwindigkeit ändern. Dies ist verursacht durch die wechselnden Druckverhältnisse vor und hinter dem Triebwerk, die auf die jeweilige Triebwerksfläche bezogen eine Kraft ausüben