Gasturbinentriebwerke: das Herz der Luftfahrt

Gasturbinentriebwerke: das Herz der Luftfahrt

Kalkan Endüstri ist seit 2020 in den Bereichen Verteidigungsindustrie, Robotertechnologien, Automatisierung sowie Maschinen und Ausrüstung tätig.

In unserer Beitragsreihe über Gasturbinentriebwerke befassen wir uns mit dem Funktionsprinzip von Gasturbinentriebwerken, ihren Baugruppen und den ablaufenden Prozessen. Um diesen und meine künftigen Beiträge besser zu verstehen, halte ich es für sinnvoll, bei den Grundlagen zu beginnen. Beginnen wir also damit, was Gasturbinentriebwerke sind und wo sie eingesetzt werden.

Den Grundstein für Gasturbinentriebwerke, die in der gesamten Geschichte der Luftfahrt eine herausragende Rolle unter den Flugzeugantrieben spielen, legte Frank Whittle 1930 mit seiner Patentanmeldung. Die eigentlichen Entwicklungen begannen jedoch erst nach dem Zweiten Weltkrieg, nachdem auch die Deutschen hinzugekommen waren. Zwischen dem Triebwerk in Abbildung 1.1 und dem in Abbildung 1.2 besteht hinsichtlich der Funktionsweise kein Unterschied. Das allgemeine Funktionsprinzip des Triebwerks besteht darin, Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Das wichtigste physikalische Gesetz bei Gasturbinentriebwerken ist das dritte Newtonsche Gesetz, das Wechselwirkungsprinzip (actio und reactio). Bei Gasturbinen, die nach dem Brayton-Kreisprozess arbeiten, wird die Luft verdichtet und mit Kraftstoff verbrannt; der Kreisprozess endet damit, dass die entstehende sehr hohe Energie über die Turbinen in mechanische Leistung umgewandelt wird. Gasturbinentriebwerke lassen sich nach ihrem Verwendungszweck in 4 Grundgruppen einteilen: Turbojet, Turboprop, Turbofan und Turbowelle.

1. Turbojet-Triebwerke

Turbojet-Triebwerke stoßen das erzeugte energiereiche Gas mit sehr großer Kraft nach hinten aus. Sie werden überwiegend im militärischen Bereich eingesetzt, sind sehr laut und bei hohen Geschwindigkeiten effizient. Die besten Beispiele für Turbojet-Triebwerke aus unserem Land sind das KTJ-3200 des Unternehmens KALE-ARGE und das TJ-90 des Unternehmens TEI.

2. Turboprop-Triebwerke

Alle Triebwerke außer dem Turbojet sind Weiterentwicklungen des Turbojets. Der einzige Unterschied von Turboprop-Triebwerken besteht vereinfacht gesagt darin, dass sie einen Propeller und ein Getriebe besitzen. Das heißt, sie übertragen die in der Turbine gewonnene Energie über Getriebe und Welle auf den Propeller. So entsteht der erforderliche Schub. Auf dem Bild sehen Sie das PT6A-68T-Turboprop-Triebwerk, das im Grundschulflugzeug Hürkuş eingesetzt wird.

3. Turbofan-Triebwerke

Bei Turbofan-Triebwerken, die überwiegend in Verkehrsflugzeugen eingesetzt werden, ist vorne ein Fan angeordnet, der zusätzlichen Schub erzeugt. Man kann sagen, dass ein Turbofan entsteht, indem man vor ein Turbojet-Triebwerk lediglich einen Fan setzt. Turbofan-Triebwerke werden auch als Zweistrom- bzw. Bypass-Triebwerke bezeichnet. In Abbildung 1.3 sehen Sie das F135, das Triebwerk des Kampfflugzeugs F-35.

4. Turbowellentriebwerke

Das Turbowellentriebwerk, das vor allem als Hubschrauberantrieb eingesetzt wird, besitzt im Unterschied zum Turbojet ein getriebeähnliches Kraftübertragungssystem, das die Rotorblätter antreibt. Über das Getriebe treibt es mit der von der Turbine aufgenommenen mechanischen Energie die Rotorblätter an. Im Vergleich zu Kolbenmotoren bietet es ein sehr gutes Schub-Gewichts-Verhältnis. Im von TAI (TUSAŞ) hergestellten und kürzlich in das Inventar der Türkischen Streitkräfte (TSK) aufgenommenen Kampfhubschrauber T129 ATAK wird das Turbowellentriebwerk CTS800 von LHTEC, einem Gemeinschaftsunternehmen von Honeywell und Rolls-Royce, eingesetzt.

Gasturbinentriebwerke bestehen im Allgemeinen aus fünf Baugruppen: Lufteinlauf, Verdichter, Brennkammer, Turbine und Abgasanlage (Schubdüse). In späteren Beiträgen werde ich auf spezifische Baugruppen wie Verdichter, Brennkammer, Turbine und Auslegung der Abgasanlage eingehen. Für das grundlegende Verständnis nehmen wir daher vorerst einfache Begriffsbestimmungen vor.

Lufteinlauf (Air Intake):

Hier tritt die Luft in das Triebwerk ein. Obwohl er sehr einfach aufgebaut ist, ist seine Auslegung sehr wichtig, damit die Luftströmung nicht bereits am Triebwerkseintritt abreißt oder die Luftzufuhr nicht ausreicht.

Verdichter:

Der Verdichter verdichtet die aus dem Lufteinlauf angesaugte Luft, indem er sie zunächst in den Niederdruckverdichter (LPC) und anschließend in den Hochdruckverdichter (HPC) leitet. Verdichter bestehen aus Rotor und Stator; ein Rotor-Stator-Paar wird als Stufe bezeichnet. In jeder Verdichterstufe wird die Luft weiter verdichtet. Die Verdichterschaufeln (Blades) werden vom LPC zum HPC hin zunehmend kleiner.

Brennkammer:

Die mit sehr hoher Energie in die Brennkammer strömende Luft wird zusammen mit dem Kraftstoff verbrannt. Die verbrannte Luft strömt durch das Triebwerk und passiert die Turbine, wobei sie einen Teil ihrer Energie an diese abgibt. In Turbojet-Triebwerken wird in der Regel ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 1:40 verwendet, d. h. für 1 Einheit Kraftstoff werden 40 Einheiten Luft benötigt. Als Kraftstoff wird überwiegend Kerosin (JP-8) verwendet.

Turbine:

Das Funktionsprinzip der Turbine ist im Grunde die Umkehrung des Verdichters. Während der Verdichter Arbeit aufwendet, um den Druck zu erhöhen, wandelt die Turbine die energiereiche Luft in Arbeit, also in mechanische Energie, um. Die Auslegung der Turbine ähnelt der des Verdichters; auch sie ist mit Schaufeln (Blades) besetzt. Die aufgenommene mechanische Energie nutzt die Turbine, um über die zentrale Welle den Verdichter anzutreiben.

Abgasanlage:

Die verbrannte, energiereiche Luft erzeugt beim Austritt aus der Abgasanlage Schub. Hier gilt das eingangs erwähnte dritte Newtonsche Gesetz: Die mit sehr großer Kraft nach hinten austretende Luft liefert als Reaktion den Schub für das Flugzeug.

Funktionsprinzipien:

Gasturbinentriebwerke sind im Grunde Wärmekraftmaschinen, die Luft als Arbeitsmedium nutzen, um Schub zu erzeugen. Dazu muss die durch das Triebwerk strömende Luft beschleunigt werden, das heißt, ihre Geschwindigkeit bzw. kinetische Energie muss erhöht werden. Das Funktionsprinzip von Gasturbinentriebwerken ähnelt dem von Viertakt-Kolbenmotoren. Thermodynamisch betrachtet erfolgt die Verbrennung bei Gasturbinentriebwerken bei konstantem Druck, bei Kolbenmotoren dagegen bei konstantem Volumen. Das thermodynamische Funktionsprinzip von Gasturbinentriebwerken ist in Abbildung 2.2 (p-V-Diagramm des Brayton-Kreisprozesses) dargestellt.

Betrachten wir den Kreisprozess im Druck-Volumen-Diagramm, so stellt Punkt A die Atmosphäre dar. Entlang der Linie AB steigt der Druck der verdichteten Luft. Durch Verbrennung bei konstantem Druck wird der Luft zwischen B und C Wärme zugeführt, wodurch ihr Volumen zunimmt. Dass wir die Verbrennung in der Brennkammer als isobar bezeichnen, liegt daran, dass wir ideale Bedingungen annehmen. Um Temperatur, Druck und Volumen unter realen Bedingungen zu ermitteln, müssen wir die Werte unter idealen Bedingungen kennen. Zur Vereinfachung der Darstellung nehmen wir daher ideale Bedingungen an und gehen davon aus, dass kein Druckverlust auftritt. Unter realen Bedingungen tritt bei der Verbrennung stets ein gewisser Druckverlust auf. Zurück zum Diagramm: Die bei der Verbrennung entstehenden Gase expandieren zwischen C und D, beginnend in der Turbine. Dabei wird als Teil des Kreisprozesses ein Teil der Energie der Gase von der Turbine in mechanische Leistung umgewandelt. Die verbleibende Energie der Gase erzeugt beim Austritt in die Atmosphäre den Vortrieb. Da Gasturbinentriebwerke Wärmekraftmaschinen sind, gilt: Je höher die Verbrennungstemperatur, desto größer die Leistung, die die Gase bei der Expansion in der Turbine erzeugen. Begrenzend wirken hier jedoch die in Brennkammer und Turbine verwendeten Werkstoffe und die mechanischen Eigenschaften des Systems. Die Verbrennungstemperatur darf diese Grenzen nicht überschreiten.

Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Volumen

Während des Betriebs eines Turbinentriebwerks nimmt der Luftstrom bzw. das Arbeitsmedium (Luft) Wärme auf und gibt sie wieder ab. Dadurch ändern sich Temperatur, Volumen und Druck. Diese Änderungen stehen in engem Zusammenhang mit den aus dem Chemieunterricht bekannten Gasgesetzen von Boyle-Mariotte und Charles. Damit diese Änderungen im Arbeitszyklus des Triebwerks auftreten, gibt es 3 Hauptbedingungen:

1. Verdichtung: Nach Abschluss der Verdichtung durch die Verdichter ist der Druck der Luft gestiegen und ihr Volumen gesunken. Das Verhältnis der Druck- und Volumenänderung entspricht dem Verhältnis des Temperaturanstiegs.
2. Verbrennung: Nachdem der Luft Kraftstoff zugeführt und dieser verbrannt wurde, steigt die Temperatur. Dieser Anstieg entspricht einer Volumenzunahme. Dabei dürfen wir nicht vergessen, dass der Druck nahezu konstant bleibt.
3. Expansion: Da die Turbine während der Expansion einem Teil der Gasströmung Arbeit entzieht, sinken Temperatur und Druck. Dieser Rückgang entspricht einer Volumenzunahme.
   Um diese Prinzipien (Druck-Volumen und Temperatur) anhand eines Diagramms zu deuten, kann man die p-V- und T-s-Diagramme des Brayton-Kreisprozesses heranziehen.

Auch der Wirkungsgrad ist bei Turbinentriebwerken von großer Bedeutung. Entscheidend ist, dass der Verdichterdruck mit einem bestimmten Arbeitsaufwand erhöht wird und umgekehrt in der Turbine der Druck abgebaut wird, um eine bestimmte Arbeit zu gewinnen. Bei jeder Maschine versuchen wir, mit minimalem Leistungseinsatz maximale Leistung zu erzeugen – bei Turbinentriebwerken ist es ebenso. Erreichen wir bei Verdichtung und Expansion der Luft einen Wirkungsgrad von 100 %, spricht man von einem adiabaten Prozess. Beim adiabaten Prozess vernachlässigen wir verlustverursachende Vorgänge wie Reibung, Konvektion, Turbulenz usw. und betrachten den Fall ohne Energieverluste. Selbstverständlich ist bekannt, dass es einen solchen Prozess in der Realität nicht gibt. Um jedoch aus Verdichter, Brennkammer und Turbine den größtmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen, müssen wir den Idealfall zugrunde legen. In Ingenieurunternehmen, die Flugtriebwerke herstellen, gilt ein Wirkungsgrad von 90 % und mehr als erfolgreich.

Geschwindigkeits- und Druckverteilung

Geschwindigkeit und Druck der Luftströmung ändern sich entlang des Triebwerks entsprechend den aerodynamischen und energetischen Anforderungen. So ist beispielsweise bei der Verdichtung im Verdichter, während der Druck steigt, keine Geschwindigkeitszunahme erforderlich. Nachdem die Luft erwärmt und ihre innere Energie durch die Verbrennung erhöht wurde, benötigt das Gas Geschwindigkeit, da Kraft erforderlich ist, um die Turbine anzutreiben. Am Abgasaustritt wiederum benötigen wir eine hohe Austrittsgeschwindigkeit.

Den Schub erzeugt die Impulsänderung der Luft. In manchen Bereichen soll die Luftgeschwindigkeit dagegen stark abnehmen. Das beste Beispiel dafür ist die Flamme in der Brennkammer: Die sogenannte Primärzone (Primary Zone) ist ein Bereich, in dem wir eine niedrige Geschwindigkeit wünschen. Auf dieses Detail gehen wir im Beitrag über Brennkammer und Verbrennung ausführlicher ein.

Um diese Geschwindigkeitsänderungen zu erreichen, wird auf Größe und Form der Kanäle geachtet, die die Luft im Triebwerk durchströmt. Soll kinetische Energie in Druck umgewandelt werden, verwenden wir einen divergenten (sich erweiternden) Kanal; soll die in den Verbrennungsgasen gespeicherte Energie in kinetische Energie umgewandelt werden, verwenden wir einen konvergenten (sich verengenden) Kanal. Die Auslegung dieser Übergänge und Düsen ist sehr wichtig, denn sie ist für die Energieeffizienz von großer Bedeutung.

Luftströmung

Bevor ich auf die Luftströmung im Triebwerk eingehe, möchte ich den Begriff Bypass (Nebenstrom) erläutern, auf den wir in künftigen Beiträgen häufig zurückkommen werden. Zur Erläuterung sehen Sie unten den Schnitt des Triebwerks F119-PW-100. Bei Bypass-Triebwerken teilt sich die Luft nach dem Fanaustritt in 2 Wege: Ein Teil strömt weiter durch Verdichter, Brennkammer, Turbine und Abgasanlage (auch als Kerntriebwerk bzw. Core Engine bezeichnet), der andere Teil strömt zwischen Verdichtergehäuse und Ummantelung. Das Verhältnis der Luftmenge, die außen vorbeiströmt, zur Luftmenge, die durch das Kerntriebwerk (Core Engine) strömt, wird als Nebenstromverhältnis (Bypass-Verhältnis) bezeichnet. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Dry Thrust und Wet Thrust. Liegt das Nebenstromverhältnis zwischen 0,2 und 1, spricht man von einem Triebwerk mit niedrigem Nebenstromverhältnis; liegt es bei 5 oder darüber, von einem Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis.

Oğuz Kılıç

Quelle: The Jet Engine | Rolls-Royce