Turbinen-Luftstrahltriebwerk

Die Turbinen-Luftstrahltriebwerke zählen gemeinsam mit den Raketentriebwerken, den Staustrahltriebwerken und den Pulsstrahltriebwerken zur Gruppe der Strahltriebwerke. Mit Ausnahme des Raketentriebwerks sind sie luftatmend: vorne Luft einsaugend, die Luft in ihrem Inneren zur Verbrennung von Treibstoff nutzend und die Abgase hinten wieder ausstoßend (Durchströmtriebwerke). Raketen dagegen zählen zu den reinen Ausströmtriebwerken; Staustrahl- und Pulstriebwerk basieren nicht auf der Gasturbine.

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Ljulka AL-21F3 einer Su-22 M4

Auch als Strahl- oder Düsentriebwerke bezeichnete Flugzeugtriebwerke, bei denen der erforderliche Vortrieb durch einen Abgasstrahl erzeugt wird. Luftstrahltriebwerke entnehmen der Umgebung Luft, führen ihr in Brennkammern Energie (Verbrennungswärme des Kraftstoffs) zu und stoßen das heiße Gas durch Düsen mit erhöhter Geschwindigkeit nach hinten aus. Dieser Geschwindigkeitsänderung entspricht eine Impulsänderung (Masse x Geschwindigkeit), eine Impulsänderung bedeutet aber eine Kraft. Nach dem Newtonschen Wechselwirkungsgesetz entspricht jeder Kraft eine gleich große, ihr entgegengerichtete Reaktionskraft. Diese Reaktionskraft, die man auch als Rückstoß bezeichnet, äußert sich als Schub des Triebwerks.

Turbinen-Strahltriebwerke zeichnen sich durch hohe Leistung und Schubkraft aus, bei vergleichsweise geringen Massen und Baugrößen. Sie sind seit Mitte des 20. Jahrhunderts die meistgenutzten Triebwerke. Ihre Vorteile wirken sich aber erst oberhalb von etwa 100 Kilowatt Leistung aus.

Der einfachste Typ ist das Turbinen-Luftstrahl-Triebwerk (TL). Durch den Einlauf(Diffusor) saugt ein mehrstufiger Verdichter Außenluft an (1), verdichtet sie (2) und führt sie der Brennkammer zu. Dort wird Kraftstoff eingespritzt und verbrannt (3). Die durch die Temperatursteigerung bedingte Volumenzunahme der Gase bewirkt ein schnelles Ausströmen durch eine Turbine (4) und die Schubdüse. Dabei geben die Verbrennungsgase nur so viel Energie an die Turbine ab, wie zum Antrieb des Verdichters und der Zusatzaggregäte erforderlich ist. Der verbleibende Teil der Energie liefert den Schub.

Prinzipieller Vergleich der Wirkungsweise eines Strahltriebwerks (TL) mit einem Ottomotor:

	Strahlturbine	Ottomotor

1	Ansaugen der Luft	Ansaugen des Luft- Kraftstoff-Gemischs
2	Kompression der Luft	Kompression des Luft-Kraftstoff-Gemischs
3	kontinuierliche Verbrennung	Verbrennung und Entspannung (intervall)
4	Entspannen der Verbrennungsgase	Ausschieben der Verbrennungsgase

Eine einfache Möglichkeit zur Leistungssteigerung von TL-Triebwerken ist die Nachverbrennung (siehe Nachbrenner).
Für besonders wirtschaftlichen Betrieb im mittleren Unterschallbereich werden Turbo - Propeller - Triebwerke (PTL) verwendet, bei denen der Propeller über ein Getriebe von der Turbinen welle angetrieben wird.

Da das reine TL (also Einkreistriebwerk) im Unterschallbereich keinen guten Vortriebswirkungsgrad erreichen kann, wurden Zweikreis-Turboluftstrahltriebwerke (ZTL) entwickelt, die die Lücke zwischen dem Anwendungsbereich des PTL und dem reinen TL-Triebwerks schließen. Beim sog. Mantelstromtriebwerk (siehe Grafik unten) wird ein Teil der angesaugten Luft hinter dem Niederdruckverdichter abgezweigt und als Kaltluftstrom (Bypass) um das Grundtriebwerk herumgeführt. Der äußere Luftstrom expandiert in einer eigenen Ringdüse oder wird dem inneren heißen Primärstrom zugemischt und in einer gemeinsamen Düse entspannt.

Für den Antrieb von Großraumflugzeugen werden sog. Fan-Triebwerke (Bläsertriebwerke, ZTL-TW mit hohem Nebenstromverhältnis) verwendet. Das äußere Kennzeichen dieser schubstarken Triebwerke ist ein Fan von fast 3 m Durchmesser, der dem eigentlichen Triebwerk vorgeschaltet ist (siehe Nebenstromverhältnis). Da die optimalen Drehzahlen des Niederdruck- (N2) und des Hochdruckteils (N1) des Triebwerkes (mit jeweils Verdichter und Turbine) erheblich differieren, werden sie durch zwei separate Wellen verbunden. Heutige ZTL-Triebwerke arbeiten mit 2 (P & W, GE) oder 3 (Rolls-Royce) Wellen.

ETL vs. ZTL

oben: Einkreis-Turboluftstrahltriebwerk mit Nachbrenner
mitte: Zweikreis-Turboluftstrahltriebwerk
unten: Mantelstromtriebwerk
3 - Lufteinlaufkanal; 4 - Niederdruckverdichter; 5 - Hochdruckverdichter
6 - Brennkammer; 7 - Hchdruckturbine; 8 - Niederdruckturbine;
9 - Schubdüse; 10 - Außenstromkanal; 11 - Difusor;
12 - Flammhalter; 13 - Nachbrennerkammer; 14 - verstellbare Schubdüse

Physikalische Grundlagen

Vergleichsprozess und realer Prozess im h-s-Diagramm (h ist bei Gasen angenähert proportional der Temperatur T)

Für die Effizienz-Berechnung eines Strahltriebwerkes eignet sich der (rechtslaufende) thermodynamische Kreisprozess nach James Prescott Joule am besten. Entscheidende Parameter beim Joule-Kreisprozess sind dabei die Druck- und Temperaturunterschiede. Idealerweise wird also hoch verdichtet, man wählt eine möglichst hohe Turbineneintrittstemperatur T3 und lässt dann das Arbeitsgas über eine möglichst große Düse auf eine möglichst geringe Temperatur expandieren.

Schubformel und Vortriebwirkungsgrad

Der von den Triebwerken erzeugte Schub entspricht, im Falle einer konstanten Fluggeschwindigkeit und einer konstanten Flughöhe, dem Luftwiderstand des Flugzeugs; der Schub muss größer als der Widerstand sein, wenn das Flugzeug beschleunigen oder steigen soll.

Es gilt folgende vereinfachte Schubformel unter vernachlässigter Kraftstoffmenge und der Annahme, dass der Austrittsdruck der Verbrennungsgase dem Umgebungsdruck entspricht:

$S={\dot {m}}_{l}(c_{9}-c_{0})$ .

$S:$ Schub in N

${\dot {m}}_{l}:$ Luftmassenstrom in kg/s

$c_{9}:$ Gasaustrittsgeschwindigkeit in m/s

$c_{0}:$ Fluggeschwindigkeit in m/s

Für den Vortriebwirkungsgrad $\eta _{v}$ gilt jedoch

$\eta _{v}={\frac {2c_{0}}{c_{0}+c_{9}}}$ .

Deswegen werden heute in der Zivilluftfahrt Bypasstriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis verwendet, bei denen ein großer Luftmassenstrom relativ langsam das Triebwerk verlässt, was einen besseren Wirkungsgrad und nicht zuletzt auch eine Lärmminderung bewirkt.

Siehe auch

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Datum der letzten Änderung : Jena, den: 30.05. 2021