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Strahltriebwerk

Strahltriebwerke sind luftatmende Triebwerke, die Schub (eine Vortriebskraft) durch den Ausstoß eines Gasstrahls erzeugen. Hiervon gibt es die folgenden Arten:

• Turbinen-Strahltriebwerke sind solche, die eine rotierende Anlage mit Turbine und meist einem davon angetriebenen Kompressor enthalten.
• Staustrahltriebwerke benötigen keinen Kompressor und auch keine Turbine, weil die Kompression der einlaufenden Luft durch die Einströmung bei hoher Geschwindigkeit erfolgt. Sie sind vor allem für sehr hohe Geschwindigkeiten weit oberhalb der Schallgeschwindigkeit von Interesse, werden bislang aber kaum eingesetzt.
• Verpuffungsstrahltriebwerke sind eine in der Frühzeit der Strahltriebwerke erprobte Technologie, die auf einer pulsierenden Verpuffung basiert und heute nicht mehr genutzt wird.

Turbinen-Strahltriebwerke sind heute die übliche Antriebstechnologie für die meisten Flugzeuge mit Ausnahme von Propellerflugzeugen, ebenfalls für die meisten Hubschrauber (Helikopter). Sie bieten meistens Reisegeschwindigkeiten in der Gegend von 800 bis 900 km/h, also nicht allzu weit unter der Schallgeschwindigkeit. Der Schub eines Mantelstromtriebwerks einen großen Verkehrsflugzeugs liegt im Reiseflug in der Größenordnung von 100 kN (Kilonewton); beim Start kann es noch wesentlich mehr sein. Hauptsächlich Kampfflugzeuge erreichen mit entsprechend optimierten Triebwerken auch Überschallgeschwindigkeit.

Die meisten Strahltriebwerke arbeiten mit Kerosin als Treibstoff.

Raketentriebwerke gehöre nicht zu den Strahltriebwerken; sie erzeugen zwar ebenfalls Schub durch einen ausgestoßenen Strahl, sind aber nicht luftatmend.

Turbinen-Strahltriebwerke

Einstrom-Strahltriebwerk (Turbojet)

Die am frühesten entwickelte und einfachste Art von Strahltriebwerk ist das Einstrom-Strahltriebwerk, auch als Turbojet bezeichnet. Dieses kann als eine Art von Gasturbine angesehen werden, die für die Erzeugung von Vortrieb optimiert ist. Es funktioniert nach dem folgenden Prinzip:

• Am vorderen Ende (siehe Abbildung 1) strömt atmosphärische Luft ein, meist durch einen aerodynamisch geformten Einlass, und trifft dann auf einen Turbinenkompressor mit rotierenden Schaufeln, der die Luft in erheblichem Maße verdichtet (komprimiert). Hierbei steigt die Temperatur der Luft massiv an, z. B. auf 600 °C.

• Dann gelangt die Luft in eine Brennkammer, wo Treibstoff über Düsen mithilfe einer Treibstoffpumpe kontinuierlich eingespritzt wird. Durch die Verbrennung des Treibstoffs steigt die Temperatur weiter massiv an, und das heiße Gas expandiert, sodass seine Geschwindigkeit beim Durchlaufen der Brennkammer erheblich ansteigt. Der Druck dagegen sinkt wieder etwas ab.
• Dann strömt das heiße Gas durch eine Turbine, die ihm einen Teil der Energie entzieht und dabei den Druck stark abbaut. Die von der Turbine gelieferte mechanische Energie dient hauptsächlich dem Antrieb des Kompressors; Turbine und Kompressor rotieren auf einer gemeinsamen Welle, die diese Leistung überträgt. Zum geringeren Teil wird auch Energie zum Betrieb von Nebenaggregaten entnommen, beispielsweise für eine Treibstoffpumpe und zur Erzeugung elektrischer Energie für diverse Zwecke, auch außerhalb des Triebwerks.
• Schließlich entweicht das immer noch recht energiereiche Abgas durch eine Schubdüse nach außen. Diese ist so geformt, dass das Abgas mit deutlich erhöhter Geschwindigkeit, aber nicht mehr massiv erhöhtem Druck ausströmt. (Der früher verbreitetere Begriff Düsenantrieb betonte stark die Rolle der Düse und verbarg gewissermaßen die komplizierteren, aber auch wichtigeren technischen Details der Strahltriebwerke.)
• Der Schub (Vortrieb) des Triebwerks entsteht nach dem Rückstoßprinzip: Das Abgas wird mit höherer Geschwindigkeit ausgestoßen, als die Luft am vorderen Ende einströmt. Somit wird effektiv Luft nach hinten beschleunigt und das Triebwerk entsprechend nach vorne gestoßen.

Vor allem bei Kampfflugzeugen kann das Triebwerk zusätzlich einen Nachbrenner enthalten. Hiermit wird hinter der Turbine nochmals Treibstoff eingespritzt, der dann ebenfalls verbrennt und die Geschwindigkeit des austretenden Abgases weiter erhöht. Dies wird meistens nur für eine kurzzeitige Erhöhung des Schubs eingesetzt, z. B. bei schnellen Steigmanövern. Der Preis für diese mit relativ geringem technischen Aufwand und mit wenig Mehrgewicht erzielte Schuberhöhung sind ein massiv erhöhter Treibstoffverbrauch und eine gewaltige Lärmerzeugung.

Solche Einstrom-Triebwerke haben einen relativ einfachen und kompakten Aufbau und erzielen einen hohen Schub im Vergleich zu ihrem relativ geringen Gewicht. Sie weisen also ein recht niedriges Leistungsgewicht auf, was bei Flugzeugen natürlich günstig ist. Allerdings ist ihr Vortriebswirkungsgrad und erst recht der effektive Antriebswirkungsgrad ziemlich niedrig, und die Lärmemissionen sind sehr hoch. Beides hängt mit der sehr hohen Ausstoßgeschwindigkeit der Abgase zusammen, die die Erzeugung eines starken Schubs aber erfordert. Diesbezüglich wesentlich günstiger sind – jedenfalls im Unterschallbereich – die im folgenden beschriebenen Mantelstromtriebwerke. Jedoch werden Einstrom-Triebwerke teilweise bei militärischen Flugzeugen immer noch eingesetzt, z. B. wo die Nachteile von Mantelstromtriebwerken (größere Abmessungen, höheres Gewicht, geringere Dynamik) zu stark ins Gewicht fallen würden.

Mantelstromtriebwerk (Turbofan)

Mantelstromtriebwerke, auch als Zweistrom-Strahltriebwerke, Bypass-Triebwerke oder Turbofans bezeichnet (Abbildung 2), sind heute die verbreitetste Art von Strahltriebwerken. Sie weisen die folgenden Unterschiede gegenüber Einstrom-Triebwerken auf:

• Die Luft durchströmt nach dem Einlass zuerst ein Gebläse (Fan) mit deutlich höherem Durchmesser als die folgende Turbine. Dieses Gebläse stößt einen großen Teil der Luft seitlich an der folgenden Turbine (dem Kerntriebwerk) vorbei nach außen; damit wird ein großer Teil des Schubs erzeugt. Der Bereich des Fans ist meist wesentlich kürzer als das gesamte Triebwerk.
• Die Antriebsleistung des Gebläses muss wiederum von der Turbine erbracht werden. Dies bedeutet, dass dem Abgas hier wesentlich mehr Energie entzogen wird als beim Einstrom-Triebwerk. Es wird also eine wesentlich höhere Wellenleistung erzeugt, und der direkt vom Kerntriebwerk erzeugte Schub fällt entsprechend geringer aus. Insofern ähnelt das Kerntriebwerk einer stationären Gasturbine, wie sie z. B. in einem kleinen Gaskraftwerk eingesetzt werden könnte; auch dort maximiert man natürlich die Wellenleistung, weshalb man auch von einer Wellenleistungsturbine spricht.

Insgesamt wird im Vergleich zum Einstrom-Triebwerk eine wesentlich größere Luftmenge beschleunigt, aber auf eine niedrigere Ausstoßgeschwindigkeit. Dies bewirkt eine wesentliche Verbesserung des Vortriebswirkungsgrads und damit auch der gesamten Energieeffizienz des Triebwerks, als einen niedrigeren spezifischen Treibstoffverbrauch. (Ein kleinerer Teil dieses Vorteils wird allerdings dadurch kompensiert, dass diese Konstruktion das Leistungsgewicht um beispielsweise 20 % erhöht.) Ein weiterer wichtiger Vorteil ist eine deutliche Reduktion der Lärmemissionen, weil die durchschnittliche Ausstoßgeschwindigkeit der Gase deutlich geringer ist und der besonders laute innere Teil ein Stück weit durch den ruhigeren äußeren Luftstrom abgeschirmt wird.

Ein wichtiger Parameter ist das sogenannte Nebenstromverhältnis, definiert als das Verhältnis der Luftmassenströme im Nebenstrom (d. h. an der Turbine vorbei) und im Kernstrom (d. h. durch die Turbine). Bei Triebwerken für moderne Verkehrsflugzeuge erreicht das Nebenstromverhältnis manchmal bereits Werte oberhalb von 10, während ältere Triebwerke noch mit Werten in der Gegend von 5 arbeiten.

Bei frühen Mantelstromtriebwerken bewegten sich alle rotierenden Teile (Fan, Kompressor, Turbine) auf einer gemeinsamen Achse, rotierten also mit derselben Drehzahl. Dies ist allerdings gar nicht optimal; der große Fan kann nur mit begrenzter Drehzahl betrieben werden, um nachteilige Wirbelbildung bei Überschallgeschwindigkeit an den Schaufelblattspitzen zu vermeiden, während andererseits höhere Drehzahlen für die kleinere Turbine vorteilhafter sind.

Deswegen wurden raffinierte Konstruktionen entwickelt. Beispielsweise kann der Fan auf einer inneren Welle (Niederdruckwelle) gemeinsam mit der letzten Turbinenstufe sitzen, während der Kompressor und der Hauptteil der Turbine über eine äußere Welle (Hochdruckwelle, koaxial um die innere Welle herum angeordnet) verbunden sind. Eine weitere Optimierung ist möglich durch Getriebefans, wo die Drehzahl des Fans durch ein Getriebe herabgesetzt wird. Manche Strahltriebwerke weisen bereits drei unterschiedliche Wellen auf. Außerdem wurden auch Triebwerke mit weiter vergrößertem Fan und damit einem weiter erhöhten Nebenstromverhältnis entwickelt, wofür ebenfalls Getriebefans eine wesentliche Voraussetzung sind, weil größere Fans entsprechend langsamer rotieren müssen. Allerdings sind dieser Entwicklung Grenzen gesetzt, z. B. weil bei weiterer Vergrößerung des Fans das Gesamttriebwerk recht groß und schwer würde.

Die stärkste treibende Kraft für solche Entwicklungen ist die Verminderung des Treibstoffverbrauchs und damit sowohl der Betriebskosten als auch der klimaschädlichen Emissionen. Auch die weitere Reduktion der Lärmemissionen ist ein wichtiges Ziel, vor allem für die Verwendung in Ballungsgebieten. Hierfür wird auch eine gewisse Vergrößerung der Komplexität des Triebwerks in Kauf genommen – natürlich unter Beachtung anderer Aspekte wie Betriebssicherheit, Bau- und Wartungskosten.

Für kleinere Flugzeuge mit Strahltriebwerken, etwa Privatjets, werden ebenfalls Mantelstromtriebwerke eingesetzt, allerdings mit einem geringeren Nebenstromverhältnis z. B. in der Gegend von 3, mit entsprechend mäßigen Verbesserungen von Treibstoffverbrauch und Lärmemissionen.

Auch bei militärischen Flugzeugen sind Mantelstromtriebwerke inzwischen gängig; allerdings wurden sie in diesem Bereich später eingeführt und weisen häufig geringe Nebenstromverhältnisse auf, z. B. bei Kampfflugzeugen meist unterhalb von 1,5. Bei Jagdflugzeugen für Überschallgeschwindigkeit können die Werte sogar weit unterhalb von 1 liegen. Dies liegt daran, dass spezifische Nachteile des Mantelstromprinzips bei solchen Flugzeugen stärker ins Gewicht fallen, während der Treibstoffverbrauch (in relativ wenigen Betriebsstunden pro Jahr), die Abgasemissionen und der Lärm weniger stark beachtet werden.

Propellerturbine (Turboprop)

Wie oben erklärt, sind der Vergrößerung des Nebenstromverhältnisses von Mantelstromtriebwerken Grenzen gesetzt. Diese Grenzen lassen sich allerdings im Prinzip auf ziemlich einfache Weise überwinden: Man ersetzt den Fan – das Gebläse innerhalb des Triebwerkgehäuses – durch einen Propeller, dessen Durchmesser wesentlich größer ist als der des restlichen Triebwerks. Diese Bauform wird als Propellerturbine oder Turboprop bezeichnet.

Der Propeller kann entsprechend groß ausfallen, so dass Nebenstromverhältnisse (hier definiert als Propellerstrom im Verhältnis zum Massenstrom durch die Turbine) weit oberhalb von 10 möglich werden – etwa in der Größenordnung von 50 oder sogar 100.

Die Drehzahl des Propeller muss natürlich über ein Getriebe entsprechend angepasst werden. Idealerweise sollte der Propeller einstellbare Schaufeln haben (also mit veränderbaren Anstellwinkel), um in unterschiedlichen Betriebssituationen eine optimale Effizienz zu erzielen.

Eine wesentliche Reduktion des Treibstoffverbrauchs wird mit diesem Ansatz erzielt. Jedoch sind die möglichen Fluggeschwindigkeiten mit dem Propeller wesentlich geringer als mit reinen Strahltriebwerken, da die große Umfangsgeschwindigkeit des Propellers in Verbindung mit hohen Geschwindigkeiten der anströmenden Luft zu problematischen Überschall-Verhältnissen führt; entstehende starke Wirbel können die Effizienz massiv reduzieren. Deswegen werden Turboprops vor allem bei Kurzstreckenflugzeugen eingesetzt, wo die Reisegeschwindigkeit weniger wichtig ist, aber kaum für Mittelstrecken- oder Langstrecken-Flüge. Typischerweise liegt die Reisegeschwindigkeit eines Turboprop-Flugzeugs bei ca. 0,6 Mach, d. h. in der Gegend von 700 km/h. Auch die Flughöhe ist stärker begrenzt als bei Turbofans.

Auch bei den Turboprop-Maschinen geht die technische Entwicklung weiter, sowohl den Treibstoffverbrauch als auch die Lärmemissionen zu reduzieren und die Abgasqualität zu erhöhen. Andere Entwicklungen zielen auf eine Erhöhung der möglichen Reisegeschwindigkeiten, um Turboprops vermehrt einsetzen zu können. Ein technischer Ansatz ist beispielsweise die Verwendung zweier gegenläufiger Propeller, womit der Drall im Luftstrahl reduziert werden kann.

Staustrahltriebwerke

Bei Geschwindigkeiten weit im Überschallbereich ist die Verwendung eines Kompressors im Triebwerk nicht mehr sinnvoll; es genügt die Kompression der einströmende Luft durch einen geeignet geformten Einlass. Wenn keine Antriebsleistung für einen Kompressor mehr benötigt wird, benötigt man auch keine Turbine mehr. Dies führt zu einer sehr einfachen Art des Triebwerks, als Staustrahltriebwerk bezeichnet.

Ein entscheidendes Problem solcher Triebwerke ist allerdings, dass sie erst ab einer recht hohen Fluggeschwindigkeit überhaupt arbeiten können. Deswegen wurden sie beispielsweise bei Verkehrsflugzeugen – auch bei solchen für über Schallgeschwindigkeit – noch nie eingesetzt, sondern eher für militärische Sonderanwendungen.

Auch in Zukunft ist kaum mit einer größeren Verbreitung von Staustrahltriebwerken zu rechnen, zumindest im zivilen Bereich, da bereits der herkömmliche Flugverkehr mit Geschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit vor allem wegen der ökologischen Probleme (Stichwort Klimaschutz) immer mehr in die Kritik gerät und Überschall-Flüge kaum ohne nochmals massiv erhöhten Treibstoffverbrauch möglich wären.

Bei Staustrahltriebwerken unterscheidet man zwischen Ramjets und Scramjets. Bei den ersteren wird die einströmende Luft im Triebwerk auf eine Geschwindigkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit (bezogen auf das Triebwerk) abgebremst. Die Brennkammer kann also im Unterschallbereich betrieben werden. Erst nach der Verbrennung wird das ausströmende Gas wieder auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.

Beim Scramjet dagegen bleibt die Geschwindigkeit der Luft überall im Triebwerk oberhalb der Schallgeschwindigkeit. Dies ist konstruktiv sehr schwer zu bewältigen, weil es beispielsweise die Belastung der verwendeten Materialien mit extrem hohen Temperaturen impliziert. Solche Probleme können nur mit raffinierten Kühlkonzepten bewältigt werden, beispielsweise unter Verwendung der Verdampfungswärme des Treibstoffs und durch Erreichen einer geeigneten Temperaturschichtung über ein entsprechend optimiertes Design. Solche Triebwerke wurden nur in wenigen Fällen demonstriert, und wegen militärischer Geheimhaltung ist wenig darüber bekannt. Die Anwendungen dürften auch vorwiegend im militärischen Bereich liegen, etwa für extrem schnelle atomar bestückte Angriffswaffen.

Turbinentriebwerke für Hubschrauber

Die meisten Hubschrauber (Helikopter) werden ebenfalls mit einer Kerosin-Turbine angetrieben. Wie beim Turboprop ist diese nicht für hohen Schub optimiert, sondern für eine hohe Wellenleistung, die größtenteils für den Antrieb des Rotors benötigt wird. Der Unterschied zum Turboprop liegt eigentlich nur im quantitativen Bereich: Die Drehzahl des Rotors liegt natürlich viel tiefer als die eines Propeller, weswegen ein Getriebe mit entsprechend stärkerer Untersetzung benötigt wird.

Nebenfunktionen von Flugzeugtriebwerken

In einem Flugzeug dient ein Triebwerk zwar in erster Linie der Erzeugung des Vortrieb, aber es hat auch wichtige Nebenfunktionen:

• Wie bereits oben erwähnt, kann von einer Turbine ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben werden, womit nicht nur der geringe Eigenbedarf des Triebwerks gedeckt werden kann, sondern auch der Bedarf des ganzen Flugzeugs.
• Eine weitere essenzielle Funktion ist die Versorgung der Klimaanlage, einschließlich der Anlage zur Gewährleistung eines angemessenen Kabinendrucks auch in großen Flughöhen. Bisher nur in seltenen Fällen wird diese Anlage mit elektrischer Energie betrieben. Der übliche technische Ansatz ist die Verwendung von Zapfluft von den Kompressoren der Triebwerke. Trotz der niedrigen Lufttemperatur in großen Flughöhen (z. B. −50 °C) ist die Zapfluft wegen der Kompression auf mehrere bar recht heiß (bis zu 200 °C). Sie wird in der Klimaanlage mit Außenluft gekühlt, also geeignet temperiert und wird der Flugzeugkabine im vorderen Bereich zugeführt (gemischt mit rezirkulierter Kabinenluft von hinten). Verbrauchte Luft wird im hinteren Bereich der Kabine durch ein regelbares Ventil abgelassen. Leider ist dieses Verfahren energetisch relativ ineffizient.

Vergleich von Strahltriebwerken mit Flugmotoren

Die meisten Strahltriebwerke arbeiten ohne Propeller, sondern nur mit einem internen Gebläse (Fan). Sie erreichen deswegen deutlich höhere Geschwindigkeiten. Mit Turbojets (ohne Fan) sind sogar Geschwindigkeiten weit oberhalb der Schallgeschwindigkeit möglich, und erst recht mit Staustrahltriebwerken.

Ein weiterer Vorteil von Strahltriebwerken ist der relativ wenig komplexe Aufbau eines Strahltriebwerks und die damit erzielte wesentlich höhere Zuverlässigkeit, was für Luftfahrzeuge natürlich besonders wichtig ist. Diesbezüglich sind nämlich Flugmotoren, die meist als Hubkolbenmotoren ausgeführt sind, nicht optimal. Allerdings ist das Prinzip der Strahltriebwerks bei sehr kleinen Leistungen schwer realisierbar, oder nur mit sehr geringer Energieeffizienz. Es gibt aber sogar Kleinst-Strahltriebwerke für die Verwendung in Modellflugzeugen.

Auch das Leistungsgewicht von Strahltriebwerken ist recht niedrig und trägt zu einer Minimierung des Gesamtgewichts eines Flugzeugs bei.

Allerdings ist die Energieeffizienz von Strahltriebwerk nicht allzu hoch, und gleichzeitig ist der Bedarf an Antriebsleistung bei den damit praktizierten hohen Fluggeschwindigkeiten auch entsprechend hoch. Niedrigere Treibstoffverbräuche sind möglich mit langsameren Flugzeugen, die über einen Propeller mit entsprechend niedriger Ausstoßgeschwindigkeit betrieben werden – wobei der Propeller entweder durch einen Flugmotor oder durch eine Turbine (→ Turboprop) angetrieben werden kann.

Anders als bei einem Verbrennungsmotor (mit innerer Verbrennung) erfolgt die Verbrennung in einem Strahltriebwerk kontinuierlich, was im Prinzip eine vollständige und saubere Verbrennung begünstigt. Allerdings sind die Umstände in der Brennkammer eines Triebwerks nicht optimal. Insbesondere liegt die Strömungsgeschwindigkeit im Triebwerk weit oberhalb der Flammengeschwindigkeit; nur durch eine Rezirkulation in der Brennkammer ist überhaupt eine richtige Verbrennung möglich. Ebenfalls liegt die Verbrennungstemperatur recht hoch, was in Verbindung mit der hohen Durchströmunggeschwindigkeit vor allem die Bildung von Stickoxiden begünstigt. Zudem ist es nicht praktikabel, die Abgasqualität mit einem nachgeschalteten Abgaskatalysator zu verbessern. Deswegen erzielen Strahltriebwerke keine besonders gute Abgasqualität, was gerade angesichts der hohen Abgasmengen (z. B. pro Kilometer und Person) bedenklich ist.

Zahlenbeispiel für Schub und Antriebsleistung

Ein Mantelstromtriebwerks eines modernen Verkehrsflugzeugs erzeugt im Normalbetrieb einen Schub in der Größenordnung von 100 kN (Kilonewton). Die Antriebsleistung im Sinne der pro Zeiteinheit übertragenen Antriebsenergie ergibt sich als das Produkt von Schub und Geschwindigkeit. Bei einer Reisegeschwindigkeit von 850 km/h (= 236 m/s) ergibt sich eine Antriebsleistung von ca. 23,6 MW. Wenn das Triebwerk dabei einen spezifischen Treibstoffverbrauch von 1,8 · 10⁻⁵ kg / s / N aufweist, also 1,8 kg Kerosin pro Sekunde verbraucht, entspricht dies berechnet nach dem Heizwert von 43 MJ/kg einer Treibstoffleistung von 77,4 MW. Der Antriebswirkungsgrad ist dann 23,6 MW / 77,4 MW = 30,5 %.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten, etwa auf der Startbahn, kann ein Triebwerk einen erheblich höheren Schub erzeugen. Bei gleichem Schub verbraucht es wegen der geringen Anströmgeschwindigkeit der Luft grob geschätzt auch nur halb soviel Treibstoff pro Sekunde wie bei Reisegeschwindigkeit. Trotzdem kommt man damit auf einen wesentlich niedrigeren Antriebswirkungsgrad. Ein größerer Anteil der aufgewendeten Energie wird auf das ausgestoßene Abgas übertragen, weniger auf das Flugzeug.

Der Schub der Triebwerke eines Verkehrsflugzeugs ist normalerweise wesentlich geringer als deren Gewicht. Deswegen ist ein senkrechtes Aufsteigen nur für relativ leichte militärische Flugzeuge mit dennoch hoher Triebwerksleistung möglich. Ein Verkehrsflugzeug wird hauptsächlich durch den Auftrieb an den Tragflächen in der Luft gehalten. Die Erzeugung dieses Auftriebs verursacht einen Teil des Bedarfs an Schub, jedoch eben nur einen Bruchteil des Flugzeuggewichts.

Siehe auch: Triebwerk, Gasturbine, Kerosin, Schub