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Strahltriebwerke / Düsentriebwerke:
Starthilfetriebwerke und Raketentriebwerke:
V-Motore:
Reihenmotore, Boxermotore und andere:
Sternmotore und Umlaufmotore:
Turbinentriebwerke / Turboprops usw.:
Das Arbeitsprinzip der Triebwerksbaugruppen eines Strahltriebwerkes:
1. Der Lufteinlauf
Mit der geometrischen Gestaltung des Lufteinlauf soll eine stabile Luftversorgung und Anströmung des Verdichter bei allen Fluglagen und Geschwindigkeiten erreicht werden.Bei Flugzeugen, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen können, ist die Luft im Lufteinlauf möglichst ohne Verluste in Unterschallströmung umzuwandeln. Weiterhin muss bei ungeregelten Verdichtern, unter Überschallbedingungen, der Lufteinlauf mittels Konus oder Klappen regelbar gestaltet sein.
2. Der Verdichter
Im Verdichter wird eine möglichst große Luftmasse auf hohen Druck komprimiert und der Verbrennung zugeführt. Hierbei wird mechanische Arbeit in Strömungsenergie umgewandelt. Der Verdichter wird von einer oder mehreren Turbinenstufen angetrieben. Man unterscheidet zwischen Axial- und Radialverdichtem und deren Kombinationen.Der Axialverdichter besteht aus mehreren hintereinander geschalteten Stufen. Jede Stufe besteht aus dem Rotor mit vielen profilierten Schaufeln. Der Querschnitt zwischen den Schaufeln erweitert sich im Strömungsfluss. Der nachfolgende Stator ist ein feststehender Leitkranz mit ähnlicher Beschaufelung. Er hat die Aufgabe, den in der Strömung entstandene Drall in potentielle Energie umzuwandeln und die Strömungsrichtung für die nächste Stufe vorzugeben.
Radialverdichter sind profilierte Räder, in denen die Verdichtung ähnlich eines Turboladers durch die Fliehkraft von der Läuferwelle nach außen erfolgt. Radialverdichter sind einstufig angeordnet und damit in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt. Moderne Axialverdichter erzeugen Verdichtungsverhältnisse von 1:30 und erreichen einen Luftdurchsatz von 75 kg/sek. Die Leistungsaufnahme kann dabei his zu 25.000 kW betragen.
3. Die Brennkammer
Mit der geometrischen Gestaltung des Lufteinlauf soll - wie zuvor gesagt - eine stabile Luftversorgung und Anströmung des Verdichter bei allen Fluglagen und Geschwindigkeiten erreicht werden. Für ein optimales Brennstoff-Luftgemisch werden ca. 25% der verdichteten Luft benötigt. Um die Flammrohre vor Durchbrand zu schützen, bildet der andere Teil der Luft eine kühlende Isolierschicht und tritt über ein System von Durchbrüchen in die Brennzone ein. Die Brennkammern sind als Diffusor ausgelegt. So kann sich der Luftdruck weiter erhöhen und die Geschwindigkeit wird im Interesse einer stabilen Verbrennung gesenkt. Bei älteren Triebwerken findet das System der Einzelbrennkammern Anwendung. Moderne Triebwerke sind mit Ringbrennkammern ausgestattet. Diese sichern eine gleichmäßige Druckverteilung und schaffen eine konstante Temperaturbelastung für die Turbine.4. Die Turbine
Die nach hinten austretenden Gase treffen anschließend auf eine Turbine. Diese treibt über eine Welle den Kompressor an. Die Aufgabe der Turbine ist es also, der Gasströmung Energie zu entziehen und diese in mechanische Wellenenergie umzuwandeln. Diese Kraft dient hauptsächlich zum Antrieb des Verdichter, aber auch andere Aggregate, wie Pumpen und Generatoren werden damit versorgt.Das Arbeitsprinzip ist dem Verdichter umgekehrt. Die Turbine ist die höchst belastete Baugruppe eines Triebwerkes. Die heißen Gase aus den Brennkammern können bei modernen Triebwerken bis 1750°K betragen. Hinzu kommen mechanische Rotationsbelastungen, Schwingungserscheinungen und der Einfluss chemischer Bestandteile, die bei der Verbrennung des Kraftstoff freigesetzt werden.
Um so mehr es gelingt, die Belastungsfähigkeit der Turbine zu verbessern, um so besser kann der Wirkungsgrad des Triebwerkes gesteigert werden. Der Weg dahin führte zu ausgeklügelte Kühlmechanismen, der Entwicklung von Einkristall-Laufschaufeln und der Einsatz von hochtemperaturfesten Legierungen.
5. Das Austrittssystem mit Nachbrenner
Das Schubrohr hat die Aufgabe die im Triebwerk erzeugte Energie möglicht verlustarm zur Schubdüse zu führen. Zur Leistungssteigerung bis 60% wird bei Militärtriebwerken das Schubrohr als offene Brennkammer ausgelegt. In diesem Fall spricht man vom Nachbrenner.Hier wird bei Bedarf nochmals Kraftstoff in den Gasstrahl eingespritzt. Die Folge ist ein weiterer Temperaturanstieg, verbunden mit einer Volumenerweiterung des Gases. Die Nachbrennerarbeit ist verbunden mit einen enormen Anstieg des Treibstoffverbrauches. Würde zum Beispiel ein moderner Kampfjet ständig mit Nachbrennern fliegen, wäre der Kraftstoffvorrat nach ca. 20 Minuten aufgebraucht !!
6. Die Schubdüse
In der Schubdüse wird die im Gasstrahl enthaltene Energie durch Entspannung in Bewegungsenergie umgewandelt. Das Gas strömt mit extrem hoher Geschwindigkeit aus der Düse und erzeugt so die erforderliche Kraft zum Vortrieb des Flugzeuges.Triebwerke ohne Nachbrenner sind mit starren, konvergenten Düsen, (Querschnittsverringerung) ausgestattet. Bei Nachbrennertriebwerken ist eine Schubdüse mit variabler Geometrie erforderlich. So kann bei unterschiedlichen Gasvolumen die größtmögliche Austrittsgeschwindigkeit erzielt werden.
Bei modernen Überschall-Triebwerken werden so genannte Laval-Düsen verwendet. In dieser Düse verengt sich im vorderen Drittel der Querschnitt, um sich danach wieder zu erweitern. Der kleinste Querschnitt ist der sogenannte kritische Querschnitt. Hier schlägt die Gasströmung in Überschallgeschwindigkeit um. Die anschließende Erweiterung beschleunigt das Gas weiter. So können Gasaustrittsgeschwindigkeiten bis zu 4500 km/h erzielt werden.
Turbinen-Luftstrahltriebwerk:
Beim Turbinenluftstrahltriebwerk wird die einströmende Luft durch den Verdichter auf ein Vielfaches des Außenluftdruckes komprimiert. Aus dem Verdichter strömt die Lutt in die Brennkammer. Hier wird Brennstoff eingespritzt und das entstandene Brennstoff-Luftgemisch verbrannt. Die Zündung des Gemisches erfolgt nur während des Anlaßvorganges durch eine oder zwei Hochenergiezündkerzen. Anschließend läuft die Verbrennung ohne Fremdzündung kontinuierlich durch die stabilisierte Flamme ab. Die Verbrennungsgase erreichen in der Brennkammer ihre höchste Temperatur. Das heiße, komprimiertes Gas strömt von der Brennkammer in die Turbine. Diese wird beschleunigt und versetzt das Turbinenrad in Drehbewegung und liefert dabei die Energie zum Antrieb des Verdichters über die Welle, die bis zum Anfang des Triebwerks verläuft. Anschließend wird das Gas in der Schubdüse erneut beschleunigt und tritt mit hoher Geschwindigkeit aus dem Triebwerk aus.
Wellenleistungstriebwerk:
Bei diesem Triebwerkstyp wird die nach der Turbine noch zur Vertilgung stehende Energie nicht wie beim Strahltriebwerk in einer Schubdüse in Strömungsenergie umgewandelt, sondern die verbleibende Energie wird in einer weiteren Turbine - der Antriebsturbine - in mechanische Energie zum Antrieb eines Propellers oder eines Hubschrauberrotors umgewandelt.
Einstromtriebwerk:
Beim Einstromtriebwerk strömt die gesamte angesaugte Luft durch Verdichter, Brennkammer, Turbine, Nachbrenner (soweit vorhanden) und Schubdüse. Die einfachste Bauform ist das Einwellentriebwerk.
Zweistromtriebwerk:
Beim Zweistromtriebwerk strömt nur ein Teil der verdichteten Luft (Hauptstrom) durch Brennkammer und Turbine, während der andere Teil (Nebenstrom) um Brennkammer und Turbine geführt wird. Je nach Bauart kann die außen vorbeiströmende Luftmasse mit dem Hauptstrom gemischt werden oder auch ungemischt durch eine eigene ringförmige Schubdüse ausströmen. Das Aufteilungsverhältnis der Luft in Haupt- und Nebenstrom wird als Nebenstromverhältnis bezeichnet. Bei Großtriebwerken für Verkehrsflugzeuge kann das Nebenstromverhältnis bis 8:1 betragen. Bei Triebwerken für Kampfflugzeuge liegt das Nebenstromverhältnis zwischen 0,4 und 1,4. Zweistromtriebwerke werden mit zwei bzw. drei Wellen gebaut. Beim Zweiwellentriebwerk sind Verdichter und Turbine jeweils in einen Niederdruck- und Hochdruckteil unterteilt, wobei Niederdruckturbine und -verdichter sowie Hochdruckturbine und -verdichter durch jeweils eine Welle verbunden sind. Beide Wellen laufen mit unterschiedlichen Drehzahlen und sind koaxial angeordnet.
Um einen guten Wirkungsgrad und niedrige Verbrauchswerte zu erreichen, muss das Verdichtungsdruckverhältnis möglichst hoch sein. Durch die Mehrwellen-Bauweise moderner Düsen werden diese hohen Verdichtungsverhältnisse mit hohem Wirkungsgrad und bei kürzerer Triebwerksbaulänge erreicht. Vorteile der Zweistromtriebwerke sind niedrigerer Brennstoffverbrauch und geringer Lärmpegel.
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