Grundlegendes zu den Hauptkomponenten von Strahltriebwerken und ihren Funktionen

Ein Strahltriebwerk nutzt Luft und Treibstoff, um Strom zu erzeugen, um entweder Schub aus dem Auspuff zu erzeugen oder eine Welle anzutreiben, die mit einem Propeller oder Rotorblättern verbunden ist. Ein Strahltriebwerk besteht aus einem kalten und einem heißen Teil. Der kalte Abschnitt umfasst den Einlass, die Bypasskanäle, den Kompressor, den Diffusor und die Antriebswelle. Der heiße Abschnitt besteht aus einer Brennkammer, einer Turbine, einer Düse, einem Nachbrenner und einem Abgas. Das Strahltriebwerk saugt kalte Luft an, komprimiert sie, mischt sie mit Treibstoff, verbrennt sie und stößt sie dann aus dem Abgas aus. In diesem Artikel werden die Hauptkomponenten des Strahltriebwerks näher erläutert.

Aus welchen Teilen besteht der heiße Abschnitt eines Strahltriebwerks?

Der heiße Teil eines Strahltriebwerks beginnt in der Brennkammer, auch Gasgenerator genannt. Hier entsteht heißes Gas, das sich nach hinten bewegt und durch die Turbinenschaufeln, die Überschalldüse, den Nachbrenner und schließlich durch den Auspuff ausdehnt. Der heiße Abschnitt wird als solcher bezeichnet, weil er das in der Brennkammer erzeugte heiße Gas enthält. Gase im Abgasbereich zwischen 550–850 °C, bzw. bis 1.500 °C mit Nachbrenner.

1. Brennkammer

In der Brennkammer werden Luft und Kraftstoff vermischt und entzündet. Die Brennkammer muss den Luftstrom von etwa 80–500 Fuß/s verlangsamen und in der Mitte, in der die Flamme gezündet wird, eine tote Zone schaffen. Der Kraftstoff wird in der Kammer herumgewirbelt, um eine ordnungsgemäße Mischung mit der Luft sicherzustellen. Die Temperatur der aus der Brennkammer austretenden Gase liegt im Bereich von 1.800–2.000 °C. Um zu verhindern, dass die Kammer schmilzt, sind zwei Dinge notwendig. Zunächst wird etwas Luft aus dem Vorverbrennungsluftstrom als Grenzschicht zwischen dem Heißgas und der Kammer eingebracht. Zweitens besteht die Brennkammer aus einer Titanlegierung, die mit einer Keramikbeschichtung versehen ist. Diese sehr dünnen Keramikbeschichtungen reduzieren die Materialtemperatur auf etwa 300 °C. Titan-Brennkammern werden gegossen und dann zusammengeschweißt, bevor eine Keramikbeschichtung aufgetragen wird.

2. Turbine

Das heiße Gas verlässt dann die Brennkammer und expandiert schnell. Die Ausdehnung des Gases wird teilweise von den Turbinenschaufeln absorbiert und versetzt diese in Rotation. Die Turbinenschaufeln sind über eine Antriebswelle mit den Verdichterschaufeln verbunden, um neue Luft anzusaugen. Turbinenschaufeln werden aus einem einzigen Kristall einer Nickelbasislegierung hergestellt, um ein Kriechen zwischen Metallgrenzschichten zu verhindern. Um ein Schmelzen zu verhindern, sind die Turbinenschaufeln zusätzlich mit einer Keramikbeschichtung versehen. Zusätzlich zur Beschichtung verfügen die Schaufeln über interne Luftkanäle, die es ermöglichen, dass kalte Luft aus Löchern auf der Oberfläche entweichen kann, um eine kühle Luftgrenzschicht über den Schaufeln zu erzeugen.

3. Überschalldüse 

Bei den meisten Strahltriebwerken ist die Abgasdüse ein konvergenter Kanal. Es beschleunigt den Gasstrom auf Überschallgeschwindigkeit, um die freie Strömungsgeschwindigkeit außerhalb des Motors zu erreichen. 

4. Nachbrenner

Nachbrenner sind einfach Kraftstoffeinspritzsysteme, die dem heißen Nachverbrennungsgas zusätzlichen Kraftstoff hinzufügen, um dem Motor für kurze Zeit zusätzliche Leistung zu verleihen. Bei einem Strahltriebwerk mit Nachbrenner gibt es in der Regel eine Doppelwand mit einem Luftspalt dazwischen. Das vorhandene heiße Gas wird mit einem Kaltluftstrom von der Vorderseite des Motors durch den Raum, der als Innenwand des Motors bezeichnet wird, vermischt. Dadurch wird auch verhindert, dass die Wärme auf die Flugzeugstruktur übertragen wird. 

5. Auspuff

Die Abgase, die den Auspuff verlassen, haben eine Temperatur im Bereich von 550–850 °C. Um diesen Bedingungen standzuhalten, besteht der Auspuff aus einer Nickel- oder Titanlegierung. Eine häufig verwendete Nickellegierung ist Inconel®. 

Aus welchen Teilen besteht der kalte Abschnitt eines Strahltriebwerks?

Im Kaltabschnitt des Strahltriebwerks befinden sich der Lufteinlass, der Kompressor, Bypasskanäle, Wellen, die die Kompressor- und Turbinenschaufeln verbinden, sowie ein Diffusorabschnitt. Der kalte Teil des Motors kann aufgrund der dort auftretenden Reibung und Kompression der Luft tatsächlich ziemlich heiß sein.  Der kalte Abschnitt ist jedoch kalt im Vergleich zum heißen Abschnitt des Motors, der von der Brennkammer bis zum Auspuff reicht.

1. Lufteinlass

Lufteinlässe scheinen einfach zu sein, sind aber in Wirklichkeit recht komplex. Die Geometrie eines Lufteinlasses ist entweder konvergierend oder divergierend. Bei Motoren mit Drehzahlen unter 0,5 Mach wird ein konvergierender Einlass verwendet, um die Luft auf etwa 0,5 Mach zu beschleunigen. Divergente Kanäle werden verwendet, um die Luft bei Motoren, die mit mehr als 0,5 Mach arbeiten, auf 0,5 Mach zu verlangsamen. Lufteinlässe sind außerdem mit Heizsystemen ausgestattet, um die Bildung von Eis zu verhindern, das zu turbulenten Strömungen im Motor führt und den Motor abwürgen kann, wenn es in großen Brocken abfällt. 

2. Welle

Die Wellen einer Gasturbine übertragen die Kraft von den Turbinenscheiben hinten am Triebwerk auf die Kompressorschaufeln vorne, damit der Kompressor Luft ansaugen kann. Die Anzahl der Wellen hängt von der Spule des Motors ab. Ein Einzelspulenmotor verfügt über eine Verdichterscheibe, eine Turbinenscheibe und eine Welle. Eine Doppelspule verfügt über zwei Verdichter- und Turbinenscheiben und -wellen, die sich unabhängig voneinander bewegen. Die Wellen eines Strahltriebwerks bestehen aus wärmebehandeltem Stahl, da sie extremen Temperaturen und Drehmomenten standhalten müssen. Wellen werden üblicherweise mit einer Drehmaschine aus großen Stahlstücken bearbeitet. 

3. Kompressor

Kompressoren werden verwendet, um den einströmenden Luftstrom zu komprimieren, indem sie die kinetische Energie der Luft erhöhen. Der Diffusor verlangsamt dann die Luft und wandelt die kinetische Energie in potenzielle Energie (Druck) um, was die Effizienz des Motors erhöht. Der Kompressor kann ein Radialströmungslaufrad sein, das die Strömung nach außen zu einem Diffusor beschleunigt. Oder der Kompressor kann ein Axialkompressor sein, der den Luftstrom nach hinten zu einem Diffusor beschleunigt. Beide Klingen bestehen traditionell aus Titan, Aluminium oder Stahl. Titan wird aufgrund seines geringen Gewichts sowie seiner Korrosions- und Kriechbeständigkeit oft bevorzugt. Kohlefaserblätter werden ebenfalls verwendet, vor allem im GEnx-Motor. Verdichterschaufeln aus Metall werden mit geschmolzenem Metall gegossen, abgekühlt und dann maschinell in ihre endgültige Form gebracht. 

4. Bypass-Kanäle

Durch Bypasskanäle kann die vom Bypassgebläse komprimierte Luft um die Außenseite des Triebwerkskerns strömen und entweder als Schub oder zur Wiedereinführung in das Triebwerk für Kühlfunktionen verwendet werden. Da die Bypasskanäle einen großen Teil des Motors ausmachen, bestehen sie normalerweise aus Aluminium oder Kohlefaser, um ihr Gewicht zu reduzieren. Aluminium wird zur Herstellung von Paneelen verwendet, die zur Herstellung des Kanals montiert werden. Kohlefaserkanäle werden hergestellt, indem Kohlefasern in eine Form gelegt und mit einem Harz ausgehärtet werden. Nach dem Aushärten können die Kohlefaserplatten am Motor angebracht werden, um den Kanal zu bilden. 

5. Defuser-Bereich

Der Diffusorabschnitt wird verwendet, um die kinetische Energie der von den Kompressorschaufeln erzeugten Luft in potentielle (Druck-)Energie umzuwandeln, um die Verbrennungseffizienz zu erhöhen. Bei Diffusoren handelt es sich in der Regel um Statorschaufeln, bei denen es sich im Wesentlichen um statische Verdichterschaufeln handelt, die zur Verlangsamung des Luftstroms im Motor dienen. Statorschaufeln werden entweder aus Stahl oder Nickelbasislegierungen wie Inconel® hergestellt. 

Was ist ein Düsentriebwerk?

Ein Strahltriebwerk ist ein Triebwerk, das aus einem Lufteinlass, einem Kompressor, einem Diffusor, einer Brennkammer, Turbinen und einem Auspuff besteht. Strahltriebwerke erzeugen entweder Schub aus dem Auspuff oder treiben eine Turbinenscheibe an, die einen Propeller oder den Hauptrotor eines Hubschraubers antreibt. Das Strahltriebwerk arbeitet in einem kontinuierlichen Zyklus, bei dem ständig ein Luftstrom angesaugt, komprimiert, verbrannt und ausgestoßen wird. 

Strahltriebwerke sind große, komplexe Maschinen, die in Einzelteilen zusammengebaut werden. Sobald das Design eines Motors genehmigt ist, müssen die Komponenten hergestellt werden. Einige davon werden im eigenen Haus hergestellt, viele werden jedoch von anderen Unternehmen zugeliefert und dann zusammengebaut. Beispielsweise besteht der Rolls-Royce Trent aus acht Modulen. Hauptkomponenten wie Brennkammer und Kompressor werden separat gebaut und dann in der Endproduktion miteinander verbunden. Nach der Montage der Hauptteile wird Zubehör wie Verkabelung und Hydraulik hinzugefügt. Die letzte Phase der Herstellung ist die Prüfung, bei der der Motor auf einem Prüfstand gefahren wird, um sicherzustellen, dass er den Betriebsleistungsspezifikationen entspricht. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden „Was ist Aluminiumguss?“

Wie funktioniert das Strahltriebwerk?

Ein Strahltriebwerk funktioniert, indem es Luft aus dem Einlass ansaugt und verdichtet. Kompression wird durch schnelles Beschleunigen und Verlangsamen der Luft erreicht, um kinetische Energie zu erzeugen und diese in Druckenergie umzuwandeln. Anschließend wird die Druckluft mit Kraftstoff vermischt und gezündet. Das entzündete Gemisch dehnt sich dann schnell aus. Das expandierende Gas bewirkt zwei Dinge:Erstens treibt es die Turbinen an, die den Kompressor antreiben, um mehr Luft anzusaugen. Zweitens treibt es das Flugzeug an, indem es entweder schnell als Schub durch den Auspuff austritt oder einen anderen Turbinensatz antreibt, der einen Propeller oder den Hauptrotorkopf eines Hubschraubers antreibt. 

Wie werden Strahltriebwerke hergestellt?

Strahltriebwerke sind große, komplexe Maschinen, die in Einzelteilen zusammengebaut werden. Sobald das Design eines Motors genehmigt ist, müssen die Komponenten hergestellt werden. Einige davon werden im eigenen Haus hergestellt, viele werden jedoch von anderen Unternehmen zugeliefert und dann zusammengebaut. Beispielsweise besteht der Rolls-Royce Trent aus acht Modulen. Hauptkomponenten wie Brennkammer und Kompressor werden separat gebaut und dann in der Endproduktion miteinander verbunden. Nach der Montage der Hauptteile wird Zubehör wie Verkabelung und Hydraulik hinzugefügt. Die letzte Phase der Herstellung ist die Prüfung, bei der der Motor auf einem Prüfstand läuft, um sicherzustellen, dass er die Betriebsleistungsspezifikationen erfüllt.

Aus welchen Materialzusammensetzungen besteht das Strahltriebwerk?

Strahltriebwerke werden aufgrund der extremen Belastungen und Umgebungen, denen sie ausgesetzt sind, aus vielen fortschrittlichen, starken und auch leichten Materialien hergestellt. Zum Fliegen ist eine unglaubliche Kraft erforderlich. Daher ist es ein wichtiges Ziel für Triebwerkshersteller, das Gewicht auf ein Minimum zu beschränken und gleichzeitig die Leistung zu maximieren. Bei den meisten Materialien handelt es sich um Metalllegierungen, zu denen Folgendes gehört:

1. Legierungen auf Nickelbasis 
2. Legierungen auf Kobaltbasis 
3. Titanlegierung 

Motoren verwenden auch nichtmetallische Materialien wie:

1. Siliziumkarbid 
2. Kohlefaser 

Die Herstellung von Strahltriebwerken ist aufgrund der extremen Betriebsbedingungen und der Sicherheitsanforderungen, die ein Triebwerk erfüllen muss, äußerst schwierig. Strahltriebwerke unterliegen extremen thermischen, mechanischen und aerodynamischen Belastungen. Aus Sicherheitsgründen müssen sie außerdem eine möglichst geringe Ausfallrate aufweisen. Diese beiden Faktoren zusammen machen die Herstellung von Strahltriebwerken so schwierig. 

Darüber hinaus werden einige Teile von Düsentriebwerken 3D-gedruckt. Während es aufgrund der erforderlichen mechanischen Eigenschaften eine Herausforderung darstellt, Motorteile zu drucken, umfasst die Produktion einiger Teile mittlerweile diese Methode. Die GE9X von General Electric verfügt über 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 zum 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Wie erfolgt die Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Triebwerkskomponenten?

Viele Hersteller halten sich an AS9100, das Luftfahrt-Gegenstück zum Qualitätsmanagementsystem (QMS) ISO 9001. AS9100 ist ein international anerkannter Standard, der die Anforderungen für ein effektives Qualitätsmanagement festlegt. Zu den Anforderungen gehört die Implementierung von Arbeitssystemen und die Verwendung der korrekten Dokumentation, um sicherzustellen, dass alle Teile die richtige Qualität haben und rückverfolgbar sind.