Turboprop

Triebwerke einer Bristol Britannia, einem der ersten Turboprop-Flugzeuge

Turboprop (kombiniert aus Turbine und Propeller) ist eine landläufige Bezeichnung für Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (auch als PTL bezeichnet). Flugzeuge mit diesem Triebwerk sind auf Fluggeschwindigkeiten bis um 80 Prozent der Schallgeschwindigkeit (0,8 Mach) beschränkt, was in 8000 m Höhe bei Normalbedingungen etwa 870 km/h entspricht. In diesem Geschwindigkeitsbereich arbeiten Turboprops wirtschaftlicher als reine Turbinentriebwerke.

Aufbau und Funktionsweise

Funktionsschema eines Turboproptriebwerkes (A Propeller, B Getriebe, C Kompressor, D Brennkammer, E Turbine, F Ausstoßdüse)

Propfantriebwerke mit koaxialen und gegenläufig rotierenden Propellerfans (Antonow An-70)

Turboprotriebwerk einer Saab 340 der Air Bremen

Das Turboprop ist eine Gasturbine, die als Wellentriebwerk einen Propeller über ein Getriebe antreibt. Der Schub wird nahezu ausschließlich vom Propeller erzeugt, auf den die erzeugte Energie der Turbine übertragen wird. Um den Schub zu erzeugen, werden vom Propeller sehr große Luftmengen angesaugt und schwach beschleunigt. Diese Art des Triebwerks zeichnet sich durch niedrigen Kraftstoffverbrauch aus, weswegen es vornehmlich bei Transport- und Kurzstreckenflugzeugen eingesetzt wird, die im oberen Luftraum bis 7.600 m (25.000 ft) verkehren. Obwohl moderne Hochleistungs-Turboprops auch Flughöhen über 10.000 m (30.000 ft) erreichen könnten, sind sie aus Zertifizierungsgründen (bis 7.600 m / 25.000 ft sind keine Passagier-Sauerstoffanlagen vorgeschrieben) auf maximal 8 km Flughöhe beschränkt. Des Weiteren nimmt der Luftdruck in höheren Luftschichten immer mehr ab, wodurch die Effizienz von Turboprop-Triebwerken abnimmt und deshalb vermehrt Flugzeuge mit Turbofan-Strahltriebwerken zum Einsatz kommen.

Je nach Fluggeschwindigkeit und Flughöhe wird der Anstellwinkel der Propellerblätter meist automatisch eingestellt, um eine optimale Ausnutzung des Drehmoments und der Drehzahl zu erreichen.

Die Energie für den Antrieb der Luftschraube liefert die Gasturbine. Sie saugt Luft ein, die in einem axialen oder radialen mehrstufigen Kompressor verdichtet wird. Anschließend gelangt sie in die Brennkammer, wo sie mit dem Treibstoff verbrennt und sich stark ausdehnt. Das nun energiereiche Verbrennungsgas strömt durch die meist axial aufgebaute und mehrstufige Turbine und wird dabei entspannt. Die auf die Turbine übertragene Energie treibt über eine Welle den Kompressor und über ein Getriebe (Luftschraubengetriebe) die Luftschraube an. Die Abgase werden ausgestoßen.

Gegenüber einem herkömmlichen Antrieb über Kolbenmotoren haben Propellerturbinen den Vorteil eines geringeren Gewichtes bei gleicher Leistung (etwa 0,23 bis 0,27 kg/kW), eine kleinere Stirnfläche und eine höhere Maximalleistung pro Triebwerk. Während jedoch Kolbentriebwerke wie Automotoren direkt „am Gas hängen“, also zum Beispiel sofort auf Vollgas reagieren, ist das Turboprop-Triebwerk etwas träger. Es reagiert erst einige Sekunden nach den Steuerbefehlen.

Freilaufturbine

Freilaufturbine (grün) auf eigener Welle, die Turbine (rot) des Gasgenerators treibt den Verdichter (blau) und die Hilfsaggregate an

Manche Turboprops besitzen eine Freilaufturbine. Hier sind die Turbinenstufen, die den Verdichter und die Hilfsaggregate antreiben, und die eigentliche Nutzturbine nicht über eine Welle miteinander verbunden. Der aus dem Verdichter und einer eigenen Turbine bestehende Gasgenerator erzeugt einen Gasstrom, der auf eine mechanisch getrennte Turbine wirkt, die den Propeller antreibt. Die Nutzturbinen sind bei kleineren Ausführungen ein- oder zweistufig, bei den Verdichtern können Radial- und Axialverdichter kombiniert sein. Diese Bauart wird häufig bei Hubschraubern verwendet, da sie ein Starten des Triebwerks gestattet, während der Rotor über eine Rotorbremse festgehalten wird (z. B. CH-53G). Das Konzept kommt auch bei Flächenflugzeugen zum Einsatz, wie etwa bei der Pilatus PC-7, die von einer Propellerturbine Pratt & Whitney PT6 angetrieben wird. Antriebe mit Freilaufturbine werden bei einigen Mustern um 180° gedreht verbaut (Lufteinlass hinten), meist mit markanten Abgasrohren im vorderen Teil der Triebwerksverkleidung. Von Vorteil ist dabei, dass nur eine einfache kurze Welle benötigt wird, um die Antriebskraft von der Nutzturbine auf das Luftschraubengetriebe zu übertragen.

Propfantriebwerke

Bei modernen Triebwerken werden zunehmend Luftschrauben verwendet, die fünf oder oft noch mehr überlappende Schaufelblätter besitzen, die meist sichelförmig und breit sind, ein sehr dünnes Profil aufweisen und teilweise sogar als gegenläufiges Paar auf zwei koaxialen Wellen einer Turbine arbeiten. Dadurch kann derselbe Luftdurchsatz mit geringerer Schaufellänge und/oder niedrigerer Drehzahl erreicht werden. Durch die niedrigere Geschwindigkeit an den Blattspitzen erreicht man einen niedrigen Geräuschpegel. Außerdem kann man nur so die Stromgeschwindigkeiten an den Blattspitzen unter dem Bereich der Schallgeschwindigkeit halten und die damit verbundenen enormen Reibungskräfte minimieren.

Modell der von General Electric in den 1980ern geplanten „Unducted Fan Engine“ (UDF) mit hinten liegenden Propellern

Solche Triebwerke werden häufig als Propfantriebwerke bezeichnet. Die Namensgebung lehnt sich an die Turbofantriebwerke an, die einen vor den Turbinenkern gesetzten Fan (Bläserstufe) besitzen, um ein mehrfaches der durch die Turbine strömenden Luftmasse um diese herum zu leiten. Während das Nebenstromverhältnis bei modernen Turbofantriebwerken bei etwa 9:1 liegt, beträgt es bei Propfantriebwerken etwa 20:1 und bei konventionellen Turboproptriebwerken etwa 100:1. Der Anteil des Turbinenschubs am Gesamtvortrieb ist bei Propfans damit höher als bei konventionellen Turboprops.

Intensive Forschungsanstrengungen wurden in den 1980er-Jahren unternommen, um sowohl Anzahl als auch Form und Anordnung der Schaufelblätter zu optimieren. Äußerlich unterscheiden sich Propfantriebwerke meist nur durch die Konstruktionsauslegung der Propeller von konventionellen Turboprops. Einen eher ungewohnten optischen Eindruck hinterlassen jedoch die Propfantriebwerke, bei denen die Schaufelblätter hinter der Turbine angeordnet sind.

Geschichte und beispielhafte Exemplare

• Das erste Turboprop-Triebwerk (BMW 109-028) wurde im Februar 1941 entwickelt
• Der weltweit erste Flug mit einer Turboprop-Maschine wurde am 20. September 1945 durchgeführt: Eine Gloster Meteor war mit modifizierten Rolls-Royce Derwent-II-Triebwerken versehen, die über ein Getriebe fünfblättrige Propeller antrieben.
• Das erste serienmäßig produzierte Turboprop-Verkehrsflugzeug war die Vickers Viscount (Erstflug 1948).
• Das größte Flugzeug mit diesem Triebwerkstyp ist die Antonow An-22, deren von deutschen Junkers-Fachleuten unter Ferdinand Brandner entwickelten Kusnezow NK-12MA-Triebwerke mit einer Leistung von je 11.188 kW (15.211 PS) die leistungsfähigsten je gebauten Turboproptriebwerke sind.
• Das schnellste und größte im Liniendienst eingesetzte Turboprop-Passagierflugzeug war die Tupolew Tu-114. Das Flugzeug war ebenfalls mit Kusnezow NK-12-Triebwerken ausgestattet. (Reisegeschwindigkeit 770 km/h^[1])
• Der schnellste Turboprop ist die Tupolew Tu-95 die mit mit Kusnezow NK-12-Triebwerken ausgestatt maximal etwa 900 km/h erreicht.
• Die kleinsten Serien-Turboprop-Maschinen werden mit entsprechender „High-Performance-Einweisung“ auch von Inhabern einer Privatpilotenlizenz geflogen und sind häufig Umrüstungen der Cessna 205/206/207 und die Piper PA-46 Malibu Meridian.
• Das militärische Transportflugzeug Airbus A400M wird von vier Turboprops des Typs TP400 angetrieben, die heute (2008) zu den größten ihrer Art gehören (je 8200 kW) und sichelförmig gebogene Propeller verwenden.

Quellen

1. ↑ Helmut Kreuzer: Alle Propellerverkehrsflugzeuge seit 1945, Air Gallery Edition, Erding (1999) ISBN 3-9805934-1-X Seite: 164

Siehe auch

• Motor
• Turbofan
• Strahltriebwerk