Antworten aus dem Cockpit

Wie funktioniert ein Flugzeugtriebwerk?

14.07.2015 - 11:23 0 Kommentare

Flugzeugtriebwerke müssen effizient und verlässlich sein. Langstreckenpilot Nikolaus Braun erklärt, wie ein Triebwerk funktioniert und wie es die Ingenieure geschafft haben, immer mehr Leistung herauszuholen.

Triebwerk einer A350 - © © airliners.de - Christian Höb

Triebwerk einer A350 © airliners.de /Christian Höb

Wenn das gewaltige GE90 Triebwerk einer Boeing 777 beim Start unter Volllast steht, rauschen pro Minute über 350 Liter Kerosin hindurch. Es erzeugt alleine eine Schubkraft von fast 514.000 Newton und könnte damit ein Gewicht von gut 52 Tonnen senkrecht in die Luft heben - mehr als das Gewicht einer leeren A320. Moderne Triebwerke sind ein echtes Wunderwerk der Ingenieurskunst. Dabei hat es keine 100 Jahre gedauert, bis Triebwerke so leistungsfähig waren.

Die grundlegende Technik ist schnell erklärt

Bereits lange vor dem Zweiten Weltkrieg stießen die Ingenieure bei herkömmlichen Propellerantrieben auf ein Problem: Die Propellerspitzen näherten sich der Schallgeschwindigkeit an und verursachten dadurch schier unüberwindbare Schwierigkeiten. Eine andere Antriebstechnologie musste her. Und so erinnerte man sich an Gasturbinen. 1791 erhielt der Engländer John Barber ein Patent hierfür, aber erst 1903 gelang es dem Norweger Ägidius Elling, eine erfolgreich laufende Turbine zu bauen.

Die grundlegende Technik ist schnell erklärt: Angesaugte Luft wird komprimiert, es wird Treibstoff eingespritzt. Der verbrennt und der Abgasstrahl tritt hinten wieder aus. Dabei erzeugt das Treibwerk - ähnlich wie bei einer Rakete - einen Schubstrahl. Der technische Trick besteht darin, dass im Abgasstrahl eine Rad mit Schaufeln angetrieben wird - die eigentliche Turbine, die wiederum den Kompressor am Triebwerkseingang antreibt.

Können Triebwerke einfach immer effizienter werden oder brauchen wir bald ganz neue Ideen?

Karl-Heinz J.

Der Kompressor selbst besteht aus mehreren Stufen, die jeweils den Druck der Luft erhöhen. Jede Stufe besteht dabei aus jeweils einem Rotor, also einem Schaufelrad, und einem Statorrad, einem fest stehenden Kranz aus Schaufeln oder Leitblechen. Gleiches gilt für den Turbinenteil, der ebenso aufgebaut ist. Je nach Triebwerk werden heute bereits zwischen 8 und 14 Stufen verbaut, die den Druck erhöhen. Moderne Triebwerke erreichen dabei Kompressionen von dem 45-fachen des Eingangsdrucks.

Triebwerke werden immer effizienter

Die erste Weiterentwicklung von Flugzeugtriebwerken bestand allerdings darin, einen Teil der Luft gar nicht mehr durch den Kompressor und die Brennkammer dahinter zu schicken, sondern einfach um das Triebwerk herum. Nur die erste Stufe des Kompressors, der sogenannte Fan, beschleunigt diese umlaufende "Mantel"-Luft wie ein großes Gebläse.

Animation eines Zweiwellen Mantelstromtriebwerks. Foto: © GNU, Richard Wheeler (Zephyris)

Diese sogenannten Mantelstromtriebwerke sind bis heute der Stand der Technik. Der Fan ist der Teil des Triebwerks, den man von vorne außen sehen kann. Die stete Verbesserung der Technik zeigt sich im charakteristischen Nebenstromverhältnis, das angibt, wieviel Luft durch den Mantel geführt wird ("der kalte Kreis", die blau bleibenden Pfeile in der Animation oben) und wieviel Luft durch die Brennkammer ("der heiße Kreis", die roten Pfeile).

Während erste Entwürfe noch ein sehr niedriges Nebenstromverhältnis um etwa 1:1 hatten, sind mittlerweile Werte jenseits von 10:1 keine Seltenheit mehr. Es läuft also deutlich mehr Luft an der Brennkammer vorbei als durch sie hindurch. Aber die Ingenieure haben noch weitere Möglichkeiten für die Effizienzsteigerung gefunden.

So drehten sich bei den ersten Strahltriebwerken alle Bauteile eines Treibwerks mit derselben Geschwindigkeit. Durch die Einführung des Mantelstroms braucht man nun aber idealerweise eine relativ niedrige Drehzahl für den großen Fan und eine hohe Drehzahl im Hochdruckbereich. Die Techniker begannen daher, nicht mehr alle Turbinen- und Kompressorstufen auf einer Welle zu montieren.

Es entstanden die Zwei-Wellen-Triebwerke, deren Wellen sich unterschiedlich schnell drehen: Erstens die langsamer drehende Niederdruckwelle (in der Animation oben türkis). Sie wird von den hinteren Turbinenstufen kurz vor dem Abgasauslass angetrieben und dreht dadurch gleichzeitig die ersten Kompressorstufen. Und zweitens die Hochdruckwelle (gelb in der Animation), die sich sehr viel schneller dreht. Sie wird von den Turbinenstufen direkt hinter der Brennkammer angetrieben und bewegt den Hochdruckteil des Kompressors.

Vom Getriebefan zum Open Rotor

Schon in den vergangenen Jahren gab es bereits deutliche Verbesserungen in der Triebwerkstechnik, die zu deutlichen Einsparungen geführt haben. Aber das ist noch nicht der Gipfel des Machbaren: Es gibt dabei verschiedene Konzepte, wie die Effizienz von Triebwerken weiter verbessert werden soll.

Flugzeug der Zukunft: Blended Wing Body

Flugzeug der Zukunft: Blended Wing BodyFoto: © DLR

Ein erster Ansatz ist die Veränderung der durchgesetzten Luftmenge. Klar, je mehr Luft durch das Triebwerk beschleunigt wird, desto mehr Schub liefert es. Wichtig ist dabei auch, dass der Unterschied in der Geschwindigkeit zwischen Schubstrahl und Fluggeschwindigkeit nicht zu groß ist.

Im Idealfall schiebt ein Triebwerk eine sehr große Menge Luft sehr "langsam" nach hinten. Um dies zu erreichen, wird der Fan umgestaltet und von den Triebwerkswellen abgekoppelt. Die neuen Triebwerksentwürfe beispielsweise für die neue Bombardier CSeries, den Airbus A350, den A320neo und andere Muster haben ein Getriebe zwischengeschaltet, dass eine noch niedrigere Drehzahl des Fans erlaubt, den sogenannten Getriebefan.

Denkt man in diese Richtung weiter, ist man bald wieder beim klassischen Propeller. Diese Ideen laufen unter dem Schlagwort "Open Rotor Concept". Aber taugt ein Propeller für ein großes Verkehrsflugzeug? Neben der Einbaugröße, die eine Montage am Flügel zumindest schwierig (wenn nicht unmöglich) macht, sind es vor allem auch Lärm-Aspekte, die zunehmend wichtiger werden. Daher könnten Flugzeuge zukünftig ganz anders aussehen, mit riesigen Propellermotoren auf dem Dach.

© DLR, Antworten aus dem Cockpit (9): Gibt es bald Flugzeuge ohne Piloten?

Der zweite Ansatzpunkt für eine weitere Effizienzsteigerung ist die Turbine samt Brennkammer. Je heißer die Verbrennung hier stattfindet, desto effizienter ist sie. Prinzipiell kann man hier etwas verbessern - das Problem sind aber die Werkstoffe. Am stärksten beansprucht ist dabei die erste Turbinenstufe, also die Schaufelblätter, die sich direkt hinter der Brennkammer drehen und die volle Hitze der Brennkammer abbekommen.

Triebwerksschaufeln müssen aktiv gekühlt werden

Schon beim Eintritt in die Brennkammer hat die Luft durch die vorherige Kompression eine Temperatur von über 600 Grad Celsius. Mit der Verbrennung steigt sie auf über 2200 Grad Celius - eine Temperatur, bei der selbst Superlegierungen aus Nickel-Chrom-Molybdän nicht mehr alleine ausreichen. Sie müssen aktiv gekühlt werden, so dass die Flamme die Brennkammerwand nicht berührt.

Die erste Turbinenstufe muss dabei gleichzeitig die gewaltigen Kräfte des Abgasstrahles und die Kräfte aus der hohen Drehzahl der Welle aushalten. Auch hierbei kommen die Ingenieurskünste an ihre Grenzen. Nur unter zu Hilfenahme aller technischen Finessen können die Schaufeln diese Belastungen aushalten. Sie werden beispielsweise aus einem einzigen Metall-Kristall gefertigt und erhalten eine Keramikbeschichtung.

Zudem sind die Schaufeln mit einem Netz von hauchdünnen Druckluftleitungen im Inneren versehen, die einen ebenso dünnen Luftfilm aus kalter Luft erzeugen. Würde diese Kühlung wegfallen, würden die Schaufelblätter sofort wegschmelzen. Eine höhere Temperatur in der Brennkammer ist daher nur zu realisieren, wenn es neue Metalle gibt oder die Kühlung der Turbinenschaufeln nochmals verbessert werden kann.

Fest steht, dass die Qualität der Triebwerke mit den Jahren stetig weiter gewachsen ist. Hatten Triebwerke in den ersten Jahren nur Laufzeiten zwischen 10 und 25 Betriebsstunden, bis eine Wartung oder Reparatur notwendig war, können heutige Triebwerke bei regelmäßiger Kontrolle mehrere tausend Betriebsstunden am Flügel montiert bleiben.

Egal ob Hitze, Starkregen oder Schneefall - moderne Triebwerke bringen konstant zuverlässig ihren Dienst. Darum können wir heute auch die meisten Langstrecken mit nur zwei Triebwerken unter den Flügeln sicher absolvieren, etwa bei der A330, der A350, der Boeing 787 oder 777.

GE90 777 737

Die gewaltigen GE90-Triebwerke an der Boeing 777 haben mit 3,25 Metern fast den gleichen Durchmesser wie der Rumpf einer Boeing 707/727/737.Foto: © AirTeamImages.com, Jorgen Syversen

Viele "TrippleSeven" fliegen mit zwei der eingangs erwähnten GE90-Triebwerke. Auf über 2500 Umdrehungen pro Minute kommt dieses größte und leistungsfähigste bislang gebaute Strahltriebwerk beim Start. Das erscheint nicht viel, bedeutet aber bei einem gewaltigen Durchmesser von über drei Metern, dass die Spitzen der Schaufeln schon im Überschallbereich laufen. Wie es scheint, stehen wir also wieder an der Grenze des Machbaren.

Über den Autor

Regelmäßig beantwortet Verkehrsflugzeugführer Nikolaus Braun in der airliners.de-Serie "Antworten aus dem Cockpit" Fragen zu Piloten-Themen rund um Luftfahrttechnik & Flugbetrieb. Wenn Sie auch eine Frage haben, schreiben Sie an antwortenausdemcockpit@airliners.de

Nikolaus BraunNikolaus Braun ist Pilot bei einer großen deutschen Fluggesellschaft und fliegt derzeit auf Airbus A330/A340. Der studierte Dipl-Ing. (FH) für Luftfahrtsystemtechnik und -management berät zudem nebenberuflich mit seiner Firma Nikolaus Braun Aviation Consulting (NBAC) bei Projekten aus Forschung, Entwicklung, Gesetzgebung und Lehre.

Von: Nikolaus Braun für airliners.de
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