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Triebwerk

Ein Triebwerk im weiteren Sinne ist eine Maschine, die dem Antrieb zur Bewegung eines Verkehrsmittels oder eines anderen Objekts dient. Im engeren Sinne wird der Begriff jedoch eingeschränkt auf Antriebsaggregate, die Vortrieb ohne direkte Wechselwirkung mit festen Objekten erzeugen – also beispielsweise durch Wechselwirkung mit einem Fluid wie Luft oder Wasser. In diesem Sinne ist beispielsweise ein Automotor kein Triebwerk, da er Räder antreibt, die mit dem festen Untergrund zusammenwirken. Dasselbe gilt für den Antrieb einer Seilbahn oder eines Lastenaufzugs. Dagegen gehören zu den Triebwerken im engeren Sinn die Antriebsaggregate von Luftfahrzeugen und Raumfahrzeugen, beispielsweise Strahltriebwerke, Raketentriebwerke und Ionentriebwerke, die alle nach dem Prinzip des Rückstoßes durch den Ausstoß von Gasen funktionieren und deswegen keinen festen Kontakt mit der Erdoberfläche benötigen. Gleiches gilt für Schiffsantriebe, wenn die Einrichtungen für die Kraftübertragung auf das Wasser (etwa eine Schiffsschraube) mit einbezogen werden.

Triebwerke werden in aller Regel mit chemischer Energie betrieben, meist aus einer mitgeführten flüssigen Substanz, die als Treibstoff (und manchmal auch als Kraftstoff) bezeichnet wird. Dagegen bezeichnet man die Betriebsstoffe von Motoren, die nicht direkt Schub produzieren, sondern eine mechanische Leistung abgeben (z. B. über eine Welle), besser als Kraftstoffe.

Die meisten Triebwerke erzeugen einen Schub (Vortrieb, Antriebskraft), indem sie mit hoher Geschwindigkeit heiße Abgase (und evtl. zusätzlich kalte Luft) entgegen der Flugrichtung ausstoßen. Die Abgase entstehen entweder durch die Verbrennung des Treibstoffs mit Sauerstoff der Luft (luftatmende Triebwerke) oder aber (bei einem Raketentriebwerk) durch die chemische Reaktion des Treibstoffs mit einem mitgeführten Oxidationsmittel.

Arten von Triebwerken

Triebwerke im engeren Sinn lassen sich zunächst einmal aufteilen in luftatmende Triebwerke, die den Sauerstoff der Luft als Oxidationsmittel nutzen, und nicht-luftatmende Triebwerke, die das Oxidationsmittel (z. B. reinem Sauerstoff oder einer festen Verbindung) mitführen. Letzteres ist insbesondere bei Raketentriebwerken der Fall. Ihr wesentlicher Vorteil ist, dass sie unabhängig von der atmosphärischen Luft arbeiten können, also auch im luftleeren Raum.

Bei den luftatmenden Triebwerken unterscheidet man weiter Maschinen mit einem Flugmotor und Strahltriebwerke:

• Ein Flugmotor ist meistens ein Verbrennungsmotor, in manchen Fällen aber auch ein Elektromotor, der meist einen Propeller antreibt. Die Kombination von Motor und Propeller kann als ein Triebwerk betrachtet werden. Für den verwendeten Energieträger ist aber die Bezeichnung Kraftstoff hier angemessener als Treibstoff.
• Strahltriebwerke sind Triebwerke, die Schub direkt mit einem Gasstrahl erzeugen – wobei manche davon aber zusätzlich einen von außen sichtbaren Propeller oder auch ein verkleidetes Gebläse (einen Fan) enthalten. Vor allem bei Verkehrsflugzeugen wird der größte Teil des Schubs meist von einem Fan erzeugt.

Strahltriebwerke werden heute meistens für Flugzeuge mit höheren Reisegeschwindigkeiten verwendet, z. B. bei ca. 800 bis 900 km/h, während Propellerflugzeuge auf niedrigere Geschwindigkeiten begrenzt sind, häufig unterhalb von 400 km/h.

Leistung, Schub und Effizienz eines Triebwerks

Die Leistung eines Triebwerks wird selten wie bei einem Motor in Einheiten von Watt angegeben, d. h. als die abgegebene Menge mechanischer Energie pro Zeiteinheit. Stattdessen gibt man meistens den Schub (die Vortriebskraft) in Einheiten von Newton an (oder mit der alten Einheit Kilopond = kp).

Die effektive Antriebsleistung eines Flugzeugtriebwerks ergibt sich dann als das Produkt von Schubkraft und Geschwindigkeit des Flugzeugs gegenüber der Luft. Sie ist also Null, solange das Triebwerk im Stand betrieben wird; Energie gibt es dann nur an die ausgestoßenen Gase ab, nicht an das Flugzeug. Der beste Antriebswirkungsgrad ergibt sich bei einer bestimmten Geschwindigkeit, z. B. nahe der typischen Reisegeschwindigkeit eines Flugzeugs. Bei höheren Geschwindigkeiten nimmt der Wirkungsgrad wieder ab, weil die Schubkraft abnimmt, z. B. weil starke Wirbel die Effizienz der Krafterzeugung reduzieren. Die angegebene Schubkraft eines Triebwerks gilt also jeweils für eine bestimmte Geschwindigkeit gegenüber der Luft. Oft hängt sie in weiten Bereichen nicht dramatisch von dieser Geschwindigkeit ab, nimmt bei zu hohen Geschwindigkeiten jedoch irgendwann drastisch ab.

Im Zusammenhang mit Triebwerken wird häufig auch ein Vortriebswirkungsgrad angegeben. Dies entspricht nicht dem oben besprochenen effektiven Antriebswirkungsgrad und ist auch keine direkt messbare Größe, sondern berücksichtigt nur die Effizienz, mit der erzeugte mechanische Energie in effektive Antriebsenergie umgewandelt wird. Beispielsweise wird der Wirkungsgrad des Motors eines Propellerflugzeugs dabei nicht berücksichtigt. Ein hoher Vortriebswirkungsgrad bedeutet damit keineswegs automatisch einen hohen Wirkungsgrad des gesamten Antriebs.

Der Vortriebswirkungsgrad eines Flugzeugtriebwerks kann berechnet werden als <$\eta_{v} = 2 v_{\rm f} / (v_{\rm g} + v_{\rm f})$>, wobei <$v_{\rm f}$> die Geschwindigkeit des Flugzeugs gegenüber der Luft bedeutet und <$v_{\rm g}$> die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Gase gegenüber dem Flugzeug (also die Ausstoßgeschwindigkeit). Er wird also 1 (= 100 %) für <$v_{\rm g} = v_{\rm f}$>, wobei dann allerdings die Schubkraft verschwindet. In der Praxis muss <$v_{\rm g}$> größer sein als <$v_{\rm f}$>, um einen Schub zu erhalten, der nämlich proportional zu <$v_{\rm g} − v_{\rm f}$> ist. Der Vortriebswirkungsgrad sinkt dann ab. Werte in der Gegend von 80 % sind bei Flugzeugen mit Turbofan-Triebwerk (Mantelstromtriebwerk) realistisch, wenn die Reisegeschwindigkeit erreicht ist; bei niedrigen Geschwindigkeiten (Start und Landung) sinkt der Vortriebswirkungsgrad aber entsprechend ab. Da große Verluste in der Gasturbine des Triebwerks auftreten, liegt der effektive Antriebswirkungsgrad viel tiefer als der Vortriebswirkungsgrad – in der Größenordnung von 30 %. Vortriebswirkungsgrade etwas oberhalb von 90 % könnten zukünftig vielleicht mit sogenannten Open-Rotor-Triebwerken mit zwei gegenläufigen Propellern erreicht werden, die bislang aber leider ziemlich laut sind.

Bei Raumfahrzeugen und Raumsonden verliert die Antriebsleistung eines Triebwerks gewissermaßen ihre Bedeutung, weil sie von der Geschwindigkeit abhängt, diese aber relativ ist, d. h. abhängig vom gewählten Bezugssystem. Im Weltraum bietet sich nicht mehr die Umgebungsluft als natürliches Bezugssystem an. Die Energieeffizienz eines Triebwerks ist dann nicht mehr ohne weiteres durch einen Wirkungsgrad bezifferbar.

Spezifischer Treibstoffverbrauch

Häufig wird bei Triebwerken der spezifische Treibstoffverbrauch angegeben. Dies ist der Treibstoffverbrauch (z. B. in Kilogramm pro Stunde) dividiert durch die erzeugte Schubkraft für eine bestimmte Eintrittsgeschwindigkeit der Luft (etwa bei der Reisegeschwindigkeit des damit angetriebenen Flugzeugs). Der spezifische Treibstoffverbrauch wird somit in Einheiten von kg / (N s) (SI-Grundeinheit) oder z. B. kg / (kN h) (= Kilogramm pro Stunde und Kilonewton) angegeben. Daraus zusammen mit der Fluggeschwindigkeit und dem Heizwerk des Treibstoffs lässt sich dann die effektive Antriebseffizienz errechnen.

Siehe auch: Strahltriebwerk, Treibstoff