Turbinenbasierte Flugzeugtriebwerke

Hallo zusammen! In diesem Artikel möchte ich erklären, wie turbinengestützte Flugzeugtriebwerke (GT) funktionieren. Ich werde versuchen, dies so einfach und verständlich wie möglich zu machen.

Flugzeug-GT können in folgende Typen unterteilt werden:

• Turbojet-Triebwerke (TJ)
• Zwei-Kreis-Turbojet-Triebwerke (TZJ)
• Turboprop-Triebwerke (TP)
• Turbowellen-Triebwerke (TW)

Außerdem können TJ und TZJ eine Nachbrenner-Kammer enthalten, in diesem Fall werden sie als TJ-F und TZJ-F bezeichnet. Diese werden in diesem Artikel nicht behandelt.

Fangen wir mit den Turbojet-Triebwerken an.

Turbojet-Triebwerke

Dieser Triebwerkstyp wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt und fand gegen Ende des Zweiten Weltkriegs breite Anwendung. Das erste in Serie produzierte Turbojet-Flugzeug war die deutsche Me.262. Turbojets waren bis in die 60er Jahre populär, danach wurden sie zunehmend von TZJ verdrängt.

Aktuelles Foto der Me-262, aufgenommen im Jahr 2016

Das einfachste Turbojet-Triebwerk umfasst folgende Komponenten:

• Ansaugvorrichtung
• Kompressor
• Brennkammer
• Turbine
• Reaktionsdüse (im Folgenden einfach Düse genannt)

Man kann sagen, dass dies das Mindestmaß für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Motors darstellt.

Schauen wir uns nun an, was wofür benötigt wird und warum.

Das Eintrittsgerät ist ein sich erweiternder Kanal, der die Luft zum Kompressor führt und deren Vorverdichtung vornimmt. Hierbei wird die kinetische Energie der eintretenden Luft teilweise in Druck umgewandelt.

*Hier und im Folgenden sprechen wir von unterschallgeschwindigkeiten. Bei Überschallgeschwindigkeiten ändert sich die Physik, und dort ist alles ganz anders.

Der Kompressor ist ein Gerät, in dem der Luftdruck erhöht wird. Man kann den Kompressor durch eine Größe charakterisieren, die als Druckverhältniss bezeichnet wird. In modernen Motoren beginnt dieser Wert bereits, 40 Einheiten zu überschreiten. Außerdem steigt dabei die Temperatur (möglicherweise bis etwa 400 Grad Celsius).

Die Brennkammer ist ein Gerät, in dem dem komprimierten Luftstrom (nach dem Kompressor) Wärme durch die Verbrennung von Kraftstoff zugeführt wird. Die Temperatur in der Brennkammer ist sehr hoch und kann bis zu 2000 Grad Celsius erreichen. Es könnte den Anschein haben, dass der Druck des Gases in der Kammer ebenfalls stark ansteigt, aber das ist nicht der Fall. Theoretisch wird angenommen, dass die Wärme bei konstantem Druck zugeführt wird. In der Realität fällt dieser jedoch leicht aufgrund von Verlusten (ein Problem der Konstruktionsunvollkommenheit).

Die Turbine ist ein Gerät, das einen Teil der Energie des Gases nach der Brennkammer in mechanische Energie für den Antrieb des Kompressors umwandelt. Da Turbinen nicht nur in der Luftfahrt eingesetzt werden, lässt sich eine allgemeinere Definition finden: Es ist ein Gerät, das die innere Energie des Arbeitsmediums (in unserem Fall ist das Arbeitsmedium Gas) in mechanische Arbeit an der Welle umwandelt. Wie Sie vielleicht verstanden haben, sind Turbine und Kompressor auf derselben Welle montiert und fest miteinander verbunden. Wenn im Kompressor der Gasdruck steigt, sinkt dieser in der Turbine; das Gas dehnt sich also aus.

Die Düse ist ein verengter Kanal, in dem die potenzielle Energie des Gases in kinetische Energie umgewandelt wird (die verbleibende Energiereserve des Gases nach der Turbine). Ähnlich wie in der Turbine erfolgt auch in der Düse die Expansion des Gases. Es entsteht ein Strahl, der, wenn er aus der Düse austritt, das Flugzeug antreibt.

Wir haben die grundlegenden Elemente besprochen. Aber wie funktioniert das Ganze eigentlich? Lassen Sie uns also noch einmal kurz und bündig darauf eingehen.

Die Luft aus der Atmosphäre gelangt in das Eintrittsgerät, wo sie leicht komprimiert wird und in den Kompressor eintritt. Im Kompressor steigt der Luftdruck weiter an, ebenso wie die Temperatur. Nach dem Kompressor gelangt die Luft in die Brennkammer, wo sie sich mit dem Kraftstoff vermischt und entzündet, was zu einem starken Temperaturanstieg bei annähernd konstantem Druck führt. Nach der Brennkammer strömt das heiße, komprimierte Gas in die Turbine. Ein Teil der Energie des Gases wird genutzt, um den Kompressor über die Turbine zu drehen (damit er seine oben beschriebene Funktion erfüllen kann), der andere Teil der Energie wird für die benötigte Bewegung des Flugzeugs verwendet, da das Gas, nach der Turbine, in einen Strahl im Düsenbereich umgewandelt wird und in die Atmosphäre strömt. Damit endet der Zyklus. Natürlich verlaufen alle Prozesse des Zyklus in der Realität kontinuierlich.

Ein solcher Zyklus wird als Brayton-Zyklus bezeichnet, oder als thermodynamischer Zyklus mit kontinuierlichem Arbeitsprozess und Wärmezufuhr bei konstantem Druck. Nach diesem Zyklus arbeiten alle Gasturbinen.

Der Brayton-Zyklus in P-V-Koordinaten

H-W - der Kompressionsprozess im Eintrittsgerät
V-K — der Kompressionsprozess in einem Kompressor
K-G — isobarisches Zuleiten von Wärme
G-T — der Expansionsprozess von Gas in einer Turbine
G-S — der Expansionsprozess von Gas in einer Düse
S-N — isobarisches Abführen von Wärme in die Atmosphäre

Schematische Darstellung eines Turbofan-Triebwerks, wobei 0-0 die Achse des Triebwerks ist

Ein TTRD kann auch zwei Wellen haben. In diesem Fall besteht der Kompressor aus einem Niederdruckkompressor (KND) und einem Hochdruckkompressor (KVD), während die Arbeit durch die Niederdruckturbine (TND) und die Hochdruckturbine (TVD) bereitgestellt wird. Diese Anordnung ist gasdynamisch vorteilhafter.

Ein reales Triebwerk dieser Art in Querschnitt

Wir haben das Funktionsprinzip des einfachsten Schemas eines luftgeführten Gasturbinenmotors betrachtet. Natürlich sind in modernen ‚Airbus‘ und ‚Boeing‘ TTRDDs eingebaut, deren Konstruktion deutlich komplexer ist, aber sie funktionieren nach den gleichen Prinzipien. Lassen Sie uns diese näher betrachten.

Zweikreis-Turbofan-Triebwerk

TRDD unterscheidet sich in erster Linie von TRD dadurch, dass es zwei Strömungskreise hat: einen äußeren und einen inneren. Der innere Kreis enthält das Gleiche wie der TRD: einen Kompressor (unterteilt in KND und KVD), eine Brennkammer, eine Turbine (unterteilt in TVD und TND) und eine Düse. Der äußere Kreis ist ein Kanal mit einer Düse am Ende. Er enthält weder eine Brennkammer noch eine Turbine. Vor beiden Kreisen (direkt nach dem Lufteinlass des Triebwerks) befindet sich eine Kompressorstufe, die für beide Kreise arbeitet.

Das ergibt ein wenig verwirrendes Bild, nicht wahr? Lassen Sie uns klären, wie das funktioniert.

Schematische Darstellung eines Turbofan-Triebwerks mit zwei Wellen und zwei Strömungskreisen.

Die Luft, die in den Motor gelangt, wird nach der ersten Stufe des Niederdruckkompressors in zwei Ströme aufgeteilt. Ein Teil der Luft fließt durch den inneren Kreislauf, wo die gleichen Prozesse stattfinden, die wir bereits bei der Betrachtung des Turbofan-Triebwerks beschrieben haben. Der andere Teil der Luft gelangt in den äußeren Kreislauf, wo sie Energie von der ersten Stufe der Hochdruckturbine (die, die an beiden Kreisläufen arbeitet) erhält. Im äußeren Kreislauf wird die Energie der Luft nur für die Überwindung hydraulischer Verluste (durch Reibung) verwendet. Am Ende gelangt diese Luft in die Düse des äußeren Kreislaufs, was einen enormen Schub erzeugt. Der Schub, der im äußeren Kreislauf erzeugt wird, kann bis zu 80 % des gesamten Schubs des Motors ausmachen.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Turbojet-Triebwerken ist der Grad der Zweikreidigkeit. Der Grad der Zweikreidigkeit ist das Verhältnis des Luftdurchsatzes im äußeren Kreislauf zum Luftdurchsatz im inneren Kreislauf. Dieser Wert kann sowohl größer als auch kleiner als eins sein. Bei modernen Triebwerken überschreitet dieser Wert oft 12.
Triebwerke, deren zweikreisige Stufe größer als zwei ist, werden als Turbofan-Triebwerke bezeichnet, und die erste Stufe des Kompressors (die, die auf beide Kreise arbeitet) wird als Gebläse bezeichnet.

Das TRDD des Boeing 757-200. Im Vordergrund sind das Eintrittsgerät und der Ventilator zu sehen.

Bei einigen Triebwerken wird der Ventilator von einer separaten Turbine angetrieben, die am nächsten zur Düse des inneren Kreises platziert ist. Das Triebwerk wird dann als dreikreisig betrachtet. Ein Beispiel für ein solches Schema sind die Triebwerke Rolls Royce RB211 (installiert auf L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Jak-42).

D-18T im Schnitt von innen.

Das Hauptmerkmal des TRDD liegt in der Fähigkeit, eine große Schubkraft und gute Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu TRD zu erzeugen.

Damit möchte ich mit dem Thema TRDD abschließen und zum nächsten Triebwerkstyp übergehen – dem TWD.

Turboprop-Triebwerke

Das turboprop-Triebwerk gehört wie das turbojet-Triebwerk zu den Gasturbinenantrieben. Es funktioniert fast genau wie ein turbojet. Ein elementares turboprop-Triebwerk besteht aus bereits bekannten Elementen: Kompressor, Brennkammer, Turbine und Düse. Hinzu kommen ein Getriebe und eine Schraube.

Das Funktionsprinzip ist ähnlich wie bei einem Turbojet, mit dem Unterschied, dass nahezu die gesamte Energie des Gases in der Turbine für den Antrieb des Compressors und über das Getriebe für den Propeller verwendet wird (hier sind der Propeller und das Getriebe auf derselben Welle wie der Compressor angeordnet). Der Propeller erzeugt den größten Teil des Schubs. Der Rest der Energie, die nach der Turbine übrig bleibt, wird in die Düse geleitet, um den reaktiven Schub zu erzeugen, jedoch ist dieser gering und kann nur einen Zehntel des Gesamtantriebs ausmachen. Das Getriebe in diesem Schema ist notwendig, um die Drehzahl zu reduzieren und das Drehmoment zu übertragen, da die Turbine mit sehr hohen Frequenzen, beispielsweise 10.000 Umdrehungen pro Minute, laufen kann, während der Propeller nur 1.500 benötigt. Zudem ist der Propeller relativ schwer.

Schematische Darstellung eines Turboprop-Triebwerks

Es gibt jedoch auch eine andere Konfiguration von Turboprop-Triebwerken: mit einer Frei-Turbine.
Die Grundidee ist, dass hinter der herkömmlichen Turbine des Kompressors eine separate Turbine installiert wird, die mechanisch nicht mit der Turbine des Kompressors verbunden ist. Diese Turbine wird als freie Turbine bezeichnet. Die Verbindung zwischen der Kompressorturbine und der freien Turbine erfolgt nur gasdynamisch. Von der freien Turbine führt eine separate Welle, auf der ein Getriebe mit einem Propeller montiert wird. Alles andere funktioniert genauso wie im ersten Fall. Die meisten modernen Triebwerke sind nach diesem Prinzip konstruiert. Ein Vorteil dieses Systems ist die Möglichkeit, das Triebwerk am Boden als Hilfskraftstoffanlage (APU) zu nutzen, ohne den Propeller in Bewegung zu setzen.

Schematischer Aufbau eines TDM mit freier Turbine

Ich möchte darauf hinweisen, dass man turbinengetriebene Motoren nicht als ineffizienten Überrest der Vergangenheit betrachten sollte. Ich habe solche Aussagen mehrere Male gehört, aber sie sind falsch.
Turboprop-Triebwerke haben in einigen Fällen den höchsten Wirkungsgrad, insbesondere bei Flugzeugen mit moderaten Geschwindigkeiten (zum Beispiel bei 500 km/h). Dabei kann das Flugzeug beträchtliche Größen annehmen. In solch einem Fall sind Turboprop-Triebwerke oft deutlich vorteilhafter als die zuvor betrachteten Strahltriebwerke.

Damit schließen wir das Thema Turboprop-Triebwerke ab. Nach und nach kommen wir auf das Konzept der Turboshaft-Triebwerke zu.

Turboshaft-Triebwerk

Wahrscheinlich hören die meisten Leser hier zum ersten Mal von diesem Begriff. Dieser Triebwerktyp wird in Hubschraubern eingesetzt.

Der Turbinenwellenmotor ähnelt sehr dem Turboprop-Motor mit freier Turbine. Er besteht ebenfalls aus einem Kompressor, einer Brennkammer, der Kompressorturbine und einer darauf folgenden freien Turbine, die nur gasdynamisch mit den vorangegangenen Komponenten verbunden ist. Eine reaktive Schubkraft erzeugt dieser Motor jedoch nicht, da er kein Reaktionsdüsenprofil hat, sondern lediglich Abgas. Die freie Turbine besitzt eine eigene Welle, die mit dem Hauptgetriebe des Hubschraubers (des Hauptrotors) verbunden ist. Ja, alle mir bekannten Hubschrauber haben ein solches Getriebe, und in der Regel ist dies von beträchtlicher Größe. Der Grund dafür ist, dass die Drehzahlen des Hauptrotors eines Hubschraubers sehr niedrig sind. Während sie bei Flugzeugen, wie ich oben erwähnt habe, 1500 U/min erreichen können, beträgt die Drehzahl bei einem Hubschrauber, zum Beispiel bei der Mi-8, gerade einmal 193 U/min.
Die Drehzahlen des Motors bei einem Hubschrauber sind oft sehr hoch (aufgrund der geringen Größe), weshalb sie um das Hundertfache oder mehr reduziert werden müssen. Es gibt auch Fälle, in denen ein Getriebe sowohl am Motor als auch am Hubschrauber angebracht ist, wie zum Beispiel bei der Mi-2 und ihrem GTD-350-Motor.

Schematische Darstellung des Turbinenwellenmotors

Der Motor TV3-117 des Hubschraubers Mi-8. Rechts sind der Auspuff und die Antriebswelle sichtbar.

Wir haben also vier Arten von Gasturbinenmotoren betrachtet. Ich hoffe, mein Text war für Sie verständlich und hilfreich. Bei Fragen oder Anmerkungen können Sie gerne Kommentare hinterlassen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Quelle: habr.com