Bayerische - Flugzeug - Historiker e.V. - Triebwerkskunde

B. F. H.
Bayerische Flugzeug Historiker e.V.

  

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Flugtriebwerkskunde

 
Die verschiedenen Flugtriebwerke

 

    Kolbentriebwerk (KT)
    Turbinenluftstrahltriebwerk (TL-TW)
    Zweistromturbinenluftstrahltriebwerk (ZTL-TW, Fan-TW)
    Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (PTL-TW), Turbomotoren
    Staustrahltriebwerk (SST, Ramjet, Scramjet)
    Intermittierendes Staustrahltriebwerk (Pulso-TW, Argus-Schmidt-Rohr)
    Raketentriebwerk
    Thermojet
 
    Die Triebwerke werden in den folgenden Folien näher erklärt
    Die theoretischen Grundlagen werden stark vereinfacht erklärt

 
Kolbentriebwerk


 
Kolbentriebwerk
Bild von Peter Horstmann.
 
 
 

    ein Kolbenmotor, meist nach dem OTTO-Prinzip, treibt eine Luftschraube an
    Gängigste Bauformen:
      Reihenmotor, alle Zylinder in einer Reihe angeordnet
      V-Motor, Zylinder in zwei Reihen V-förmig angeordnet
      Boxermotor, je zwei Zylinder in einer Ebene direkt gegenüber
      Sternmotor, Zylinder radial, sternförmig angeordnet
      Umlaufmotor, Zylinder radial, sternförmig angeordnet, aber Kurbelgehäuse
        samt Zylinderstern dreht sich um feststehende Kurbelwelle
    Pratt & Whitneys R-4360 war mit 28-Zylindern, als vierfach Sternmotor,
      mit 71,5 l Hubraum und bis 3300 kW Leistung ab Mitte der 1940er Jahre einer
      der Höhepunkte der Kolbentriebwerke , Anwendung in B-36, C-97, ...
    Kolbentriebwerke werden heute bei Sportflugzeugen verwendet

 
Luftschraube

 

    die Anstömung an der Luftschraube ist die resultierende Geschwindigkeit
      aus Fluggeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit am jeweiligen Radius,
      siehe Bild Kolbentriebwerk
    da das Blatt der Luftschraube genauso wie eine Tragfläche nur bis zu einem       bestimmten Winkel angeströmt werden darf, muß das Blatt über den Radius       verdreht (verschränkt) werden
    die resultierende Geschwindigkeit darf nicht in den Überschallbereich kommen
    es entstehen sonst Verdichtungstöße (Stichwort Überschallknall):
      die Lärm entwickeln
      den Wirkungsgrad einbrechen lassen
    die Luftschraube ist daher als Antrieb nur bis 80% der Schallgeschwindigkeit
      (Mach 0,8) brauchbar

 
Warum ein Düsentriebwerk?

 

    Kolbentriebwerke wurden immer komplexer und schwerer
      viele Zylinder, mehrere Zylindersterne hintereinander
      Abgasturbinen, die über Getriebe auch auf die Kurbelwelle arbeiten
      mehrstufige mechanische Lader
    die Störanfälligkeit nahm deshalb zu
    Kühlung wurde durch die gefordete kompakte Bauform aufwändiger
    die Luftschraube begrenzt die Fluggeschwindigkeit auf Unterschall
 
    ein neuer "einfacher" Antrieb für hohe Fluggeschwindigkeit war gefordert

 
Theorie I

 

    der Schub wird über die Impulsgleichung ermittelt
    Raketen haben nur einen Austrittsimpuls, daher gilt


 
    ein Luftstrahtriebwerk (TL-TW, ZTL-TW, SST, auch Propeller) hat
      einen Eintrittsimpuls (einströmende Luft) und
      einen Austrittsimpuls (ausströmendes Abgas)
    der Schub ist die Differenz der Impulse und es gilt vereinfacht


 
    in obiger Gleichung ist der Kraftstoffdurchsatz im Austritt vernachlässigt
    die Austrittsgeschwindigkeit muß größer als die Fluggeschwindigkeit sein

 
Theorie II

 


 
    der Luftdurchsatz geht linear in die Strahlverlustleistung ein
    eine Verdoppelung des Luftdurchsatzes verdoppelt den Schub und
      die Strahlverlustleistung
    die Geschwindigkeitsdifferenz geht quadratisch ein
    eine Verdoppelung der Geschwindigkeitsdifferenz verdoppelt den Schub,
      vervierfacht aber die Strahlverlustleistung
    für einen guten Wirkungdgrad ist günstig
      ein hoher Luftdurchsatz
      eine geringe Geschwindigkeitsdifferenz
    deshalb wurden für Verkehrsflugzeugen Fan-TW entwickelt, die einen
      hohen Luftdurchsatz haben
    nur für hohe Fluggeschwindigkeiten sind hohe Austrittsgeschwindigkeiten
      notwendig -> Nachbrenner -> Concorde, Kampfflugzeuge

 
Theorie III

 

    für Leistung gilt im Allgemeinen:


 
    für ein Flugzeug gilt (Luftwiderstand = Schub)


 
    bei einem Kolbenmotor kann an der Kurbelwelle die Leistung gemessen
      werden, die an die Luftschraube abgegeben wird
    bei einem TL-TW gibt es diese Möglichkeit nicht, die expandierenden Gase
      aus der Brennkammer erzeugen direkt Schub
    auch bei einem Kolbentriebwerk wird die Leistung der Luftschraube im
      Stand (Fluggeschwindigkeit = 0) in Strahlverlustleistung umgesetzt
    die Leistungsangabe eines Kolbentriebwerks und die Schubangabe eines
      Luftstrahltriebwerkes sind daher nicht direkt vergleichbar
    es gilt der Satz von General Adolf Galland: "Es ist, als ob ein Engel schiebt"

 
 

 
Quelle: Ausbildungsunterlagen der TSLw 3, Faßberg, 1975
Bild von Peter Horstmann
 
 
 
Turbinenluftstrahltriebwerk (TL-TW)


 
Turbinenluftstrahltriebwerk
Bild von Peter Horstmann.
 
 
 

    Einlauf, gehört zur Flugzeugzelle, hier wird die Luft für den Verdichter
      auf Mach 0,7 abgebremst, auch bei Überschallflugzeugen, denn die Strömung
      am Verdichtereintritt entspricht der Luftschraube
    eine Verdichterstufe besteht aus Rotor und Stator
      im Rotor wird der Luft kinetische Energie zugeführt, d.h. die
        Luftgeschwindigkeit erhöht
      im Stator wird die Luft abgebremst, wodurch die kinetische Energie
       vom Rotor in statische Energie umgewandelt wird: Druck und Temperatur steigen
      es werden mehrere Verdichterstufen hintereinander geschaltet
      am Eintritt des Verdichters gibt es bei einigen Triebwerken die Einlaßleitschaufeln,
       die die Strömung vom Einlauf entsprechend des Flugzustands optimal auf
       den Verdichter leiten sollen
      die Statorschaufeln sind bei einigen TW verstellbar ausgeführt, um einen
        guten Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich zu haben
    in der Brennkammer wird die Luft weiter abgebremst, Kraftstoff wird eingespritzt,
      verbrennt kontinuierlich - die sich ausdehnenden Gase strömen in Richtung des
      niedrigen Druckes zur Turbine. Es wird nur ein Teil der Luft für die Verbrennung
      genutzt, der größere Teil dient der Ausrichtung der Flammen und zur Kühlung
    eine Turbinenstufe besteht aus Stator und Rotor
      im Stator wird das Abgas beschleunigt, d.h. Druck und Temperatur aus der
       Brennkammer in kinetische Energie, d.h. Geschwindigkeit, umgewandelt
      im Rotor wird dem Abgas die kinetische Energie entzogen und in
       Drehmoment umgewandelt
      über eine Welle treibt die Turbine den Verdichter an
      es werden mehrere Turbinenstufen hintereinander geschaltet
    zur Schubsteigerung kann ein Nachbrenner eingebaut werden, hier wird Kraftstoff
      eingespritzt und verbrannt - erhöht die Austrittsgeschwindigkeit
    in der Schubdüse werden Druck und Temperatur des Abgases in
      Austrittsgeschwindigkeit umgewandelt

 
Zweistromturbinenluftstrahltriebwerk (ZTL-TW, Fan-TW)


 
Zweistromturbinenluftstrahltriebwerk
Bild von Peter Horstmann.
 
 
 

    ein ZTL-TW besteht aus einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil
    der Hochdruckteil heißt Kerntriebwerk, bestehend aus Hochdruckverdichter,
      Brennkammer und Hochdruckturbine
    HD-Verdichter- und -turbine sind durch die HD-Welle verbunden
    nach der HD-Turbine ist eine ND-Turbine geschaltet, die dem Abgas
      weitere Energie entzieht
    über eine ND-Welle wird der ND-Verdichter mit dem Fan angetrieben
    HD-Welle und ND-Welle sind nicht mechanisch gekoppelt
    der Fan sorgt für einen großen Luftdurchsatz mit niedriger Geschwindigkeit
    es gibt verschieden Arten von ZTL
      Mantelstrom-TW - ein äußere Verkleidung leitet den 2. Luftstom bis zur
        Schubdüse um des TW, Kampfflugzeuge haben auch ZTL mit Nachbrenner
      Fan-TW - zweite ringförmige Schubdüse direkt hinter den Fan, sehr hoher
        Luftdurchsatz im Verhältnis zum Kern-TW (high Bypass-Ratio)

 
Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (PTL-TW, Turbomotor)


 
Propellerturbinenluftstrahltriebwerk
Bild von Peter Horstmann.
 
 
 

    ein PTL-TW besteht aus einem Hochdruckteil und einer Arbeitsturbine
    die Arbeitsturbine entzieht dem Abgas Energie
    über eine Welle wird das Drehmoment an ein Getriebe geleitet
    die Wellen sind nicht mechanisch gekoppelt
    im Getriebe wird die Drehzahl passende zur Luftschraube reduziert
    bei Turbomotoren ist am Getriebe z.B. der Antrieb für einen Hubschrauberrotor
      oder einen Generator (Notstrom, Schiffsantrieb, ...) angeschlossen
    bei einem PTL-TW wird an der Schubdüse noch Schub erzeugt, ein
      Turbomotor erzeugt nur Wellenleistung
    ein PTL-TW wiegt bei gleicher Leistung weniger als die Hälfte wie ein
      Kolbenmotor, so wird der etwas schlechtere Kraftstoffverbrauch ausgeglichen,
      denn für ein Flugzeug ist das Gesamtgewicht aus Triebwerksgewicht plus
      Kraftstoffgewicht für eine gegebene Reichweite entscheidend

 
Staustrahltriebwerk (SST, Ramjet, Scramjet)


 
Staustrahltriebwerk
Bild von Peter Horstmann.
 
 
 

    das SST hat außer einer Kraftstoffpumpe keine beweglichen Teile
    es muß auf ca. Mach 0,8 beschleunigt werden, bis es selbstständig arbeitet
    der Einlauf baut durch Abbremsen der eintretenden Luft den Druck auf
    es können sehr hohe Fluggeschwindigkeiten erreicht werden
    bei Scram-Jets (Sonic-Ramjet) läuft die Verbrennung im Überschallbereich ab,
      es wurde Mach 9,6 mit der unbemannten X-43A erreicht
 
    statt einer Brennkammer kann auch ein Wärmetauscher/Kühler verbaut sein
    Prof. Hugo Junkers hat schon in den 1910er Jahren festgestellt, daß ein gut
      ausgelegter Kühler einen negativen Widerstandsbeiwert hat - Schub
    durch gute Auslegung von Kühlern und Triebwerksverkleidungen wurde so die
      Fluggeschwindigkeit von Kolbenmotor-Flugzeugen um ca 2% gesteigert

 
Intermittierendes Staustrahltriebwerk
(Pulso-Triebwerk, Argus-Schmidt-Rohr)



 
Intermittierendes Staustrahltriebwerk
Bild von Peter Horstmann.
 
 
 

    Pulso-TW haben keine kontinuierliche Verbrennung
    der eingespritze Kraftstoff zündet
    die Druckwelle der Verbrennung schließt die Flatterventile
    die Abgase strömen zur Schubdüse
    es entsteht an den Flatterventilen ein relativer Unterdruck
    die Flatterventile öffnen
    Frischluft strömt in die Brennkammer ein
    gleichzeitig strömt ein Teil der Abgase zurück (Rezirkulation), die den Kraftstoff
      wieder zündet
    Pulso-TW arbeiten auch im Stand
    die diskontinuierliche Verbrennung ist sehr laut und erzeugt große Schwingungen,
      die das Flugzeug stark belasten, weshalb dies TW keine große Anwendung
      gefunden hat

 
Thermojet


 
Thermojet
Bild von Peter Horstmann.
 
 
 

    ein Kolbenmotor treibt den Verdichter ein
    der Verdichter versorgt eine Brennkammer mit Luft
    die Abgase erzeugen mittels einer Düse den Schub
    der Thermojet wurde 1910 von Henri Coanda erstmalig verwendet
    später gab es verschiedene Projekte zur Geschwindigkeitssteigerung von
      Kolbenmotorjägern
    der Thermojet vereint das hohe Gewicht eines Kolbentriebwerks mit dem
      schlechten Wirkungsgrad eines TL-TWs
    als Beispiel für die "Motorleistung" dient das J-79 Triebwerk des Starfighters
      Luftdurchsatz beim Start ca 72 kg/s
      Druck in der Brennkammer beim Start ca 12 bar
      notwendige Antriebsleistung des Verdichters ca 74 MW (100 000 PS)
      Schub ca 72 kN mit Nachbrenner, 47 kN ohne Nachbrenner

 
Raketentriebwerk


 
Raketentriebwerk
Bild von Peter Horstmann.
 
 
 

    für Raketen gilt die Faustformel
      1% Nutzlast, z.B. ein Satellit
      9% Struktur, also die eigentliche Rakete
      90% Kraftstoff und Sauerstoff, wovon der Sauerstoff der Großteil ist
    Raketen sind daher nur für hohe Fluggeschwindigkeiten oder Weltraumflüge
      sinnvoll
    nach der Brennkammer verengt sich (konvergiert) die Schubdüse
    im engsten Querschnitt erreicht das Abgas Schallgeschwindigkeit
    der Schwede Carl Gustav Patrik de Laval entdeckte, daß eine sich anschließend
      erweiternde (divergierende) Düse die Strömungsgeschwindigkeit weiter steigert
      und damit auch den Schub
    bei verstellbaren Schubdüsen von TL-Triebwerken mit Nachbrenner wird der
      konvergente Teil von der Düse dargestellt, der divergente Teil wird aerodynamisch
      durch umströmende Luft gebildet

 
Kleine Einheitenkunde

 

    Der Schub eines Düsen- oder Raketentriebwerks ist physikalisch gesehen eine
      Kraft. Als solche wird er in der SI-Einheit Newton (N), aufgrund der Größe meist
      in Kilonewton (kN), gemessen. In älteren Veröffentlichungen findet man häufig
      Angaben in Kilogramm (kg) oder Kilopond (kp).
    1 kp entspricht der Gewichtskraft einer Masse von 1 kg bei einer
      Normfallbeschleunigung von 9,80665 m/s2. Dementsprechend ist
      1 kp = 9,80665 N. Oft wird das angenähert als 1 kp ca 10 N = 1 daN.
    Eine Schubangabe in kg ist streng genommen nicht korrekt, da kg die Einheit der
      Masse ist, und nicht der Kraft. Sie wird jedoch oft mit der Gewichtskraft der
      zugehörigen Masse ("Gewicht") gleich gesetzt.
    Ein Triebwerk mit einem Schub von 1000 kp könnte also ein Flugzeug mit einer
      Gesamtmasse von 1000 kg in der Schwebe halten.
    Analog wird im anglo-amerikanischen Sprachraum das dortige Pfund (pound, lb.)
      als Maß für den Schub verwendet. Hier gilt 1 lb. = 0,454 kg.

 
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Hans von Ohain
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Letzte Änderung: 16. Oktober 2015
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