Strahltriebwerk-Hauptkomponenten und ihre Funktionen verstehen

Ein Strahltriebwerk nutzt Luft und Treibstoff, um Leistung zu erzeugen, um entweder Schub aus dem Ausstoß zu liefern oder eine Welle anzutreiben, die mit einem Propeller oder Rotorblättern verbunden ist. Ein Strahltriebwerk besteht aus einem kalten und einem heißen Abschnitt. Der kalte Abschnitt umfasst Lufteinlauf, Bypass-Kanäle, Verdichter, Diffusor und Antriebswelle. Der heiße Abschnitt besteht aus Brennkammer, Turbine, Düse, Nachbrenner und Ausstoß. Das Strahltriebwerk funktioniert, indem es kalte Luft ansaugt, verdichtet, mit Treibstoff mischt, verbrennt und dann durch den Ausstoß ausstößt. Dieser Artikel wird die Hauptkomponenten des Strahltriebwerks weiter diskutieren.

Was sind die Teile des heißen Abschnitts eines Strahltriebwerks?

Der heiße Abschnitt eines Strahltriebwerks beginnt an der Brennkammer, auch als Gasgenerator bekannt. Hier wird heißes Gas erzeugt und strömt rückwärts, expandierend durch die Turbinenschaufeln, Überschalldüse, Nachbrenner und schließlich durch den Ausstoß. Der heiße Abschnitt wird so bezeichnet, weil er das in der Brennkammer erzeugte heiße Gas enthält. Gase im Ausstoß reichen zwischen 550–850 °C, oder bis zu 1.500 °C mit Nachbrenner.

1. Brennkammer

Die Brennkammer ist der Ort, an dem Luft und Treibstoff gemischt und gezündet werden. Die Brennkammer muss den Luftstrom von ca. 80–500 ft/s abbremsen und eine Totzone in der Mitte schaffen, wo die Flamme gezündet wird. Der Treibstoff wird im Raum verwirbelt, um ordnungsgemäße Mischung mit der Luft zu gewährleisten. Die Temperatur der aus der Brennkammer freigesetzten Gase liegt im Bereich von 1.800–2.000 °C. Um zu verhindern, dass die Kammer schmilzt, sind zwei Dinge notwendig. Erstens wird etwas Luft aus dem Vorverbrennungs-Luftstrom als Grenzschicht zwischen heißem Gas und Kammer eingeführt. Zweitens besteht die Brennkammer aus einer Titanlegierung, die mit einer Keramikbeschichtung überzogen ist. Diese sehr dünnen Keramikbeschichtungen reduzieren die Materialtemperatur auf ca. 300 °C. Titan-Brennkammern werden gegossen und dann verschweißt, bevor die Keramikbeschichtung aufgetragen wird.

2. Turbine

Das heiße Gas verlässt dann die Brennkammer und expandiert mit rasanten Raten. Die Expansion des Gases wird teilweise von den Turbinenschaufeln absorbiert, um sie anzutreiben. Die Turbinenschaufeln sind über eine Antriebswelle mit den Verdichterschaufeln verbunden, um neue Luft anzusaugen. Turbinenschaufeln werden aus einem einkristallinen Nickelbasislegierung gefertigt, um Kriechen zwischen Metallgrenzschichten zu verhindern. Die Turbinenschaufeln sind auch mit einer Keramikbeschichtung überzogen, um Schmelzen zu verhindern. Zusätzlich zur Beschichtung haben die Schaufeln interne Luftkanäle, die einen Kaltluftabzug durch Löcher an der Oberfläche entweichen lassen, um eine kühle Luftgrenzschicht über den Schaufeln zu schaffen.

3. Überschalldüse

In den meisten Strahltriebwerken ist die Ausstoßdüse ein konvergenter Kanal. Sie beschleunigt den Gasstrom auf Überschallgeschwindigkeit für die Einführung in die Freistromgeschwindigkeit außerhalb des Triebwerks.

4. Nachbrenner

Nachbrenner sind einfach Treibstoffeinspritzsysteme, die nach der Verbrennung zusätzlichen Treibstoff zum heißen Gas hinzufügen, um dem Triebwerk für kurze Dauer zusätzliche Leistung zu verleihen. Bei einem Strahltriebwerk mit Nachbrenner gibt es meist eine Doppelwand mit Luftspalt dazwischen. Das bestehende heiße Gas wird mit einem Kaltluftstrom von der Triebwerksfront durch den Raum, der als interne Wand des Triebwerks bezeichnet wird, gemischt. Dies verhindert auch, dass Wärme auf die Flugzeugstruktur übergeht.

5. Ausstoß

Ausstoßgase, die den Ausstoß verlassen, liegen im Bereich von 550–850 °C. Um diesen Bedingungen standzuhalten, besteht der Ausstoß aus einer Nickel- oder Titanlegierung. Eine häufig verwendete Nickelbasislegierung ist Inconel®.

Was sind die Teile des kalten Abschnitts eines Strahltriebwerks?

Im kalten Abschnitt des Strahltriebwerks befinden sich Lufteinlauf, Verdichter, Bypass-Kanäle, Wellen, die Verdichter- und Turbinenschaufeln verbinden, und ein Diffusorabschnitt. Der kalte Abschnitt des Triebwerks kann tatsächlich recht heiß sein aufgrund der Reibung und Kompression der Luft, die er erfährt. Der kalte Abschnitt ist jedoch kalt im Vergleich zum heißen Abschnitt des Triebwerks, der die Brennkammer bis zum Ausstoß umfasst.

1. Lufteinlauf

Lufteinläufe scheinen einfach, sind aber in Wirklichkeit recht komplex. Die Geometrie eines Lufteinlaufs ist entweder konvergent oder divergent. Ein konvergenter Einlauf wird verwendet, um Luft auf ca. 0,5 Mach zu beschleunigen für Triebwerke, die Geschwindigkeiten unter 0,5 Mach haben. Divergente Kanäle werden verwendet, um Luft auf 0,5 Mach abzubremsen für Triebwerke, die über 0,5 Mach operieren. Lufteinläufe beinhalten auch Heizsysteme, um Eisbildung zu verhindern, die turbulenten Strömung in das Triebwerk erzeugt und das Triebwerk abstürzen lassen kann, wenn sie in großen Stücken abbricht.

2. Welle

Die Wellen einer Gasturbine übertragen Leistung von den Turbinenscheiben im hinteren Teil des Triebwerks zu den Verdichterschaufeln an der Front, um dem Verdichter zu erlauben, Luft anzusaugen. Die Anzahl der Wellen hängt vom Spool des Triebwerks ab. Ein Ein-Spool-Triebwerk hat eine Verdichterscheibe, eine Turbinenscheibe und eine Welle. Ein Zwei-Spool-Triebwerk hat zwei Verdichter- und Turbinenscheiben und Wellen, die unabhängig voneinander bewegen. Die Wellen eines Strahltriebwerks bestehen aus wärmebehandeltem Stahl, da sie extremen Temperaturen und Drehmoment standhalten müssen. Wellen werden häufig aus großen Stahlstücken mit einer Drehmaschine bearbeitet.

3. Verdichter

Verdichter werden verwendet, um den einströmenden Luftstrom zu komprimieren, indem sie die kinetische Energie der Luft erhöhen. Der Diffusor bremst die Luft dann ab und wandelt die kinetische Energie in potenzielle Energie (Druck) um, was die Effizienz des Triebwerks erhöht. Der Verdichter kann ein radialer Laufrad sein, das den Strömungsausgang nach außen zu einem Diffusor beschleunigt. Oder der Verdichter kann ein axialer Verdichter sein, der Luftstrom rückwärts zu einem Diffusor beschleunigt. Beide Schaufeln sind traditionell aus Titan, Aluminium oder Stahl gefertigt. Titan wird oft aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Korrosions- und Kriechbeständigkeit bevorzugt. Kohlenstofffaserschaufeln sind ebenfalls im Einsatz, insbesondere im GEnx-Triebwerk. Metallische Verdichterschaufeln werden mit geschmolzenem Metall gegossen, abgekühlt und dann auf ihre finale Form bearbeitet.

4. Bypass-Kanäle

Bypass-Kanäle erlauben Luft, die vom Bypass-Lüfter komprimiert wurde, um den Außenteil des Triebwerkskerns herum zu strömen und entweder als Schub verwendet zu werden oder zur Wiedereinführung in das Triebwerk für Kühlfunktionen. Die Bypass-Kanäle sind ein großer Abschnitt des Triebwerks, daher werden sie meist aus Aluminium oder Kohlenstofffaser gefertigt, um ihr Gewicht zu reduzieren. Aluminium wird verwendet, um Paneele herzustellen, die angepasst werden, um den Kanal zu schaffen. Kohlenstofffaserkanäle werden hergestellt, indem Kohlenstofffaser in eine Form gelegt und mit Harz ausgehärtet wird. Nach dem Aushärten können die Kohlenstofffaserpaneele auf das Triebwerk installiert werden, um den Kanal zu schaffen.

5. Diffusorabschnitt

Der Diffusorabschnitt wird verwendet, um die kinetische Energie der Luft, die von den Verdichterschaufeln erzeugt wird, in potenzielle (Druck-)Energie umzuwandeln, um die Verbrennungseffizienz zu erhöhen. Diffusoren sind üblicherweise Statorflügel, die im Wesentlichen statische Verdichterschaufeln sind, die verwendet werden, um den Luftstrom im Triebwerk abzubremsen. Statorflügel werden aus Stahl oder Nickelbasislegierungen wie Inconel® hergestellt.

Was ist ein Strahltriebwerk?

Ein Strahltriebwerk ist ein Triebwerk, konstruiert aus Lufteinlauf, Verdichter, Diffusor, Brennkammer, Turbinen und Ausstoß. Strahltriebwerke liefern entweder Schub aus dem Ausstoß oder treiben eine Turbinenscheibe an, die einen Propeller oder Hubschrauber-Hauptrotor antreibt. Das Strahltriebwerk arbeitet in einem kontinuierlichen Zyklus, bei dem zu jeder Zeit ein Luftstrom angesaugt, komprimiert, verbrannt und ausgestoßen wird.

Strahltriebwerke sind große, komplexe Maschinen, die in Teilen montiert werden. Sobald das Design eines Triebwerks genehmigt ist, müssen die Komponenten gefertigt werden. Einige werden intern hergestellt, aber viele werden von anderen Unternehmen bezogen und dann montiert. Zum Beispiel wird das Rolls-Royce Trent in acht Modulen gefertigt. Hauptkomponenten wie Brennkammer und Verdichter werden separat gebaut und dann in der Endproduktion zusammengefügt. Nach der Montage der Hauptteile werden Zubehörteile wie Verkabelung und Hydraulik hinzugefügt. Der finale Fertigungsschritt ist das Testen, bei dem das Triebwerk auf einem Prüfstand läuft, um sicherzustellen, dass es die operativen Leistungsspezifikationen erfüllt. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zu Aluminiumguss.

Wie funktioniert das Strahltriebwerk?

Ein Strahltriebwerk funktioniert, indem es Luft vom Einlauf ansaugt und komprimiert. Kompression wird erreicht, indem Luft rapide beschleunigt und abgebremst wird, um kinetische Energie zu erzeugen und in Druckenergie umzuwandeln. Die komprimierte Luft wird dann mit Treibstoff gemischt und gezündet. Das gezündete Gemisch expandiert dann rapide. Das expandierende Gas bewirkt zwei Dinge: Erstens treibt es die Turbinen an, die den Verdichter antreiben, um mehr Luft anzusaugen. Zweitens treibt es das Flugzeug an, indem es entweder rapide als Schub durch den Ausstoß entweicht oder indem es einen anderen Satz Turbinen antreibt, die einen Propeller oder Hauptrotorkopf eines Hubschraubers antreiben.

Wie werden Strahltriebwerke hergestellt?

Strahltriebwerke sind große, komplexe Maschinen, die in Teilen montiert werden. Sobald das Design eines Triebwerks genehmigt ist, müssen die Komponenten gefertigt werden. Einige werden intern hergestellt, aber viele werden von anderen Unternehmen bezogen und dann montiert. Zum Beispiel wird das Rolls-Royce Trent in acht Modulen gefertigt. Hauptkomponenten wie Brennkammer und Verdichter werden separat gebaut und dann in der Endproduktion zusammengefügt. Nach der Montage der Hauptteile werden Zubehörteile wie Verkabelung und Hydraulik hinzugefügt. Der finale Fertigungsschritt ist das Testen, bei dem das Triebwerk auf einem Prüfstand läuft, um sicherzustellen, dass es die operativen Leistungsspezifikationen erfüllt.

Was sind die Materialzusammensetzungen des Strahltriebwerks?

Strahltriebwerke bestehen aus vielen fortschrittlichen, starken und auch leichten Materialien aufgrund der extremen Lasten und Umgebungen, die sie erfahren. Es braucht eine unglaubliche Menge an Kraft zu fliegen, daher ist Gewichtsminimierung bei Maximierung der Leistung ein Schlüsselziel für Strahltriebwerkshersteller. Die meisten Materialien sind metallische Legierungen, die umfassen:

1. Nickelbasislegierungen
2. Kobalbasislegierungen
3. Titanlegierung

Triebwerke nutzen auch nicht-metallische Materialien wie:

1. Siliziumkarbid
2. Kohlenstofffaser

Die Fertigung von Strahltriebwerken ist extrem schwierig aufgrund ihrer extremen Betriebsbedingungen sowie der Sicherheitsanforderungen, denen ein Triebwerk entsprechen muss. Strahltriebwerke unterliegen extremen thermischen, mechanischen und aerodynamischen Lasten. Sie müssen auch eine sehr niedrige Ausfallrate für Sicherheitsgründe haben. Diese zwei Faktoren kombiniert machen die Fertigung von Strahltriebwerken so schwierig.

Zusätzlich werden einige Teile von Strahltriebwerken 3D-gedruckt. Obwohl es herausfordernd ist, Triebwerksteile zu drucken aufgrund der erforderlichen mechanischen Eigenschaften, umfasst die Produktion einiger Teile nun diese Methode. General Electrics GE9X hat 3D-gedruckte Turbinenschaufeln, die das Material TiAl verwenden, das zu spröde ist, um mit anderen Fertigungstechniken verwendet zu werden. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zu 3D-Druck in der Luftfahrtindustrie.

Wie ist die Qualitätskontrolle für die Fertigung von Strahltriebwerkskomponenten?

Viele Hersteller halten sich an AS9100, das die luftfahrtbezogene Entsprechung des ISO 9001 Qualitätsmanagementsystems (QMS) ist. AS9100 ist ein international anerkannter Standard, der Anforderungen für effektives Qualitätsmanagement festlegt. Die Anforderungen umfassen die Implementierung von Arbeitsweisen und die Verwendung korrekter Dokumentation, um sicherzustellen, dass alle Bauteile die richtige Qualität und Rückverfolgbarkeit haben.