Mantelstromtriebwerk

Turbofantriebwerk von CFM International

Ein Mantelstromtriebwerk (engl. turbofan) ist ein Nebenstromtriebwerk (engl. bypass engine), Zweistromstrahltriebwerk oder Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (ZTL). Der äußere Luftstrom „ummantelt“ den inneren Kernstrom, der am eigentlichen thermodynamischen Kreisprozess (Luft verdichten, aufheizen, expandieren und Energie liefern) der Gasturbine teilnimmt. Da der Mantelstrom bei modernen Triebwerken meist den Großteil der Schubkraft liefert (häufig über 80 %), kann man die Schubwirkung des Kerntriebwerks vernachlässigen und es im Wesentlichen als Motor für Fan und Mantelstrom betrachten. Der Mantelstrom bewirkt auch eine Verringerung der Strahlgeschwindigkeit (ausgestoßener Luft-Abgas-Strahl) mit der Folge eines niedrigeren Treibstoffverbrauchs und geringerer Schallemission gegenüber einem reinen Strahltriebwerk gleicher Schubkraft.

Nahezu alle strahlgetriebenen zivilen Flugzeuge werden heutzutage wegen der erhöhten Wirtschaftlichkeit und der lärmreduzierenden Wirkung des Mantelstromes mit Turbofans ausgerüstet. Bei Kampfflugzeugen ist der Nebenstromanteil zu Gunsten einer maximalen Endgeschwindigkeit jedoch gering bis sehr gering, da sich dieser Vorteil bei hohen Geschwindigkeiten (größer Mach 0,7–0,9) verliert.^[1][2]

Funktionsweise

Schema eines Turbofantriebwerks

→ Hauptartikel: Strahltriebwerk - Wirkungsprinzip

Am Einlass des Mantelstromtriebwerks wird Luft eingesaugt. Das erste, große Schaufelblatt-Rad (Fan, s.u.) beschleunigt im Außenbereich (Nebenstrom) diese Luft. Der Nebenstrom wird am restlichen Triebwerk vorbeigeleitet und hinten ausgestoßen - seine Beschleunigung liefert einen Großteil der Schubkraft. Im Innenbereich (Kernstrom) des ersten großen Schaufelblatt-Rads wird die Luft eher verdichtet und dabei (relativ zum Triebwerk) leicht abgebremst. Der Kern-Luftstrom wird ins „eigentliche Triebwerk“, eine Gasturbine, geleitet, wo der thermodynamische Kreisprozess die Antriebsenergie erzeugt. Hierzu folgt auf den Fan zunächst ein (Axial-) Verdichter, der den Kernstrom weiter komprimiert. Nach dem Verdichter kommt die Brennkammer. Hier wird Treibstoff in die verdichtete Luft eingespritzt und verbrannt, was die Temperatur stark erhöht - die Energie für den Antrieb. Druck- und Temperaturanstieg führen zu starker Beschleunigung des Kernstroms, der nach der Brennkammer durch die Turbine geführt wird. Diese entzieht ihm einen Teil seiner Geschwindigkeit, um diese Leistung in Drehenergie umwandeln - damit werden Verdichter und Fan angetrieben (mittels einer nach vorne führenden Welle). Die verbleibende Energie im Kernstrom wird über die am Triebwerksende befindliche Schubdüse in Schubkraft umgesetzt.

Fan und Verdichter

Der Fan wird manchmal auch Gebläse oder Bläser genannt, selten Lüfter (siehe auch: Mantelpropeller). Meistens ist er vor dem Verdichter angeordnet, in seltenen Fällen, etwa bei dem General Electric CJ805-23 und dem General Electric CF700, befindet sich der Fan hinter dem Kerntriebwerk. Diese Anordnung wird Aft-Fan genannt (Funktionsweise siehe unten). Das Gebläse eines normalen Mantelstromtriebwerks hat die Aufgabe, große Luftmassen anzusaugen und zu beschleunigen; liegt es vor dem Verdichter, kann der Bereich, welcher ins Kerntriebwerk führt, bereits mehr auf Verdichten statt auf Beschleunigen ausgelegt sein.

Bei den meisten Triebwerken ist der Fan die erste Stufe der Gasturbine und wird als Teil des Verdichters betrachtet, insbesondere, wenn er für den „eigentlichen“ Verdichter bereits eine nennenswerte Kompression bewirkt. Nach dem Fan teilt sich der Luftstrom auf in einen

• inneren Luftstrom (Primärstrom), der in die Gasturbine gelangt (mit Verdichter, Brennkammer und Turbine), und einen
• äußeren Luftstrom (Nebenstrom oder Sekundärstrom), der außen an der Turbine vorbeigeführt wird.

Der Fan wirkt ähnlich einem ummanteltem Propeller und erzeugt in modernen, kommerziellen Triebwerken etwa 80 % des Vortriebs. Generell wird beim Mantelstromtriebwerk dem Primärstrom über die Turbine mehr Schubenergie entzogen als bei einem Einstrom-Strahltriebwerk gleich groß wie das Kerntriebwerk, da mit dieser Energie das Gebläse angetrieben werden muss.

Charakteristisch für einen Turbofan ist das Nebenstromverhältnis. Es ist das Verhältnis der Luftmenge des Nebenstroms zur Luftmenge, die durch die Gasturbine strömt. Moderne Turbofans in Zivilflugzeugen haben ein Nebenstromverhältnis (engl. bypass ratio) von 80:20 bis 90:10. Sekundär- und Primärstrom zusammen bewirken den Gesamtschub. Eine extreme Auslegung zeigt das Kusnezow NK-93-Triebwerk, bei dem eine Propellerturbine auf zwei gegenläufige, gekapselte Propeller wirkt. Hier wird bereits jetzt ein Bypassverhältnis von 16,6 (etwa 94,3:5,7) erreicht.

Der Verdichter wird oft auch Kompressor genannt, angelehnt an die englische Übersetzung „compressor“.

Wellenaufbau

Aufgrund des meist großen Fandurchmessers (beispielsweise 2,95 m beim Rolls-Royce Trent 900) kann der Fan nicht mehr über eine einzige Welle mit dem Kompressor und der Turbine gekoppelt werden: Kompressor und Turbine arbeiten meist bei hohen Drehzahlen, bei denen die Schaufelspitzen des Fans eine zu hohe Geschwindigkeit erreichen würden. Daher werden entweder ein Untersetzungsgetriebe (Getriebefan siehe unten) oder zwei bis drei Wellen benutzt, um Kerntriebwerk und Fan mit unterschiedlichen Drehzahlen betreiben zu können.

Realisiert wird ein Mehrwellensystem durch eine koaxiale Wellenanordnung: Eine äußere rohrförmige Primärwelle (Hochdruck-Welle), durch welche die dünnere, aber längere Sekundär-(Niederdruck-)Welle innen hindurchführt.

Neben einer unterschiedlichen Drehzahl ist auch eine entgegengesetzte Drehrichtung (der koaxialen Wellen oder des Getriebefans) möglich. Bei mehreren Wellen werden die unterschiedlichen Drehrichtungen durch gegensinnige Anstellwinkel der Beschaufelung der jeweils auf einer Welle angebrachten Kompressor- und Turbinenstufen erreicht, beim Getriebefan werden die unterschiedlichen Drehrichtungen durch das Getriebe erreicht.

In manchen Turbofantriebwerken arbeitet ein Drei-Wellen-System, z. B. in der Rolls-Royce-Trent-Serie. Dies ermöglicht eine weitere Unterteilung von Verdichter- und Turbinenstufen mit dem Vorteil, die jeweiligen Komponenten mit an ihren optimalen Arbeitspunkt besser angepassten Drehzahlen betreiben zu können; ferner verbessert sich das Beschleunigungsverhalten durch die geringeren Massen der einzelnen Wellensysteme.

Wirkungen, Vor- und Nachteile

Mit Zweistromtriebwerken kann bei Geschwindigkeiten zwischen 600 und 850 km/h ein hoher Luftdurchsatz erzielt werden bei geringerem Kraftstoffverbrauch, was die Kosten senkt. Die Luft des Sekundärstroms bildet eine Pufferschicht zwischen den heißen Abgasen und der Umgebungsluft, was die Lärmemission des Abgasstrahls verringert.

Heute werden fast ausschließlich Zweistromtriebwerke genutzt, da sie einen höheren Wirkungsgrad und höhere Sicherheit bieten als Einstromtriebwerke. Je nach Verwendungszweck ist das Nebenstromverhältnis unterschiedlich. Für hohe Geschwindigkeiten bis in den Überschallbereich, wie beispielsweise beim EJ200 für den Eurofighter Typhoon, steht die Schubenergie im Vordergrund, weswegen das Nebenstromverhältnis gering ist. Bei zivilen und militärischen Passagier- und Transportmaschinen stehen niedrige Verbrauchs-, Verschleiß- und Lärmwerte im Vordergrund, weswegen hier das Nebenstromverhältnis sehr hoch ist.

Getriebefan

Schema eines Getriebefans mit Fan (1) und Getriebe (2)

Als Getriebefan (engl. Geared Turbofan) werden Turbofantriebwerke mit zwei oder drei Wellen bezeichnet, die ein Untersetzungsgetriebe (etwa 3:1 bis 4:1) zwischen Fan und Niederdruckturbine besitzen. Da hiermit die Drehzahl des Fans gesenkt und die der Niederdruckturbine erhöht werden kann, können beide Komponenten in ihrem jeweiligen optimalen Drehzahlbereich arbeiten. Verbrauchswerte und Geräuschpegel werden dadurch deutlich reduziert.

Die zusätzliche Masse des Getriebes wird durch eine geringere Masse der schnelllaufenden Niederdruckturbine wettgemacht, so dass ein Getriebefan nicht schwerer sein muss. Ein derartiges Triebwerk gibt es in der Schubklasse für Geschäftsreiseflugzeuge seit 1972 mit dem Honeywell TFE731. Ein weiteres Triebwerk mit Getriebe ist das Lycoming ALF 502^[3], die seit 1981 die vierstrahlige BAe 146 antreibt. Deren Weiterentwicklung Avro RJ wurde von der leistungsstärkeren Triebwerksversion ALF 507 angetrieben.

Der erste Versuch, diese Technologie bei größeren Triebwerken einzusetzen, wurde 1986 von International Aero Engines (IAE) unter dem Namen SuperFan unternommen – ein Triebwerk für die A340, das aber aufgrund von technischen Risiken nicht zu Ende entwickelt wurde. Pratt & Whitney, ein Partner von IAE verfolgte das Konzept jedoch weiter und stellten 1992 und 2001 Demonstrationstriebwerke (der Advanced Ducted Prop bzw. Advanced Technology Fan Integrator) mit 236 kN bzw. 56 kN Schub vor.

Da diese Technik wegen der damit einfacher zu erzielenden Erhöhung des Nebenstromverhältnisses eine Treibstoffverbrauchssenkung von deutlich über 10 % gegenüber den jetzigen Triebwerken ermöglicht, entwickelten Pratt & Whitney und die MTU Aero Engines einen weiteres Demonstrationstriebwerk auf Basis des Pratt & Whitney PW6000, das im Jahre 2008 von P&W an einer firmeneigenen Boeing 747SP und zusammen mit Airbus an einer A340-600 im Fluge getestet wurde.

Der Erfolg dieses Demonstrationstriebwerk führte zur Entwicklung des Pratt & Whitney PW1000G, das unter dem Beinamen PurePower vermarktet wird^[4]. Dieses ist für die drei in der Entwicklung befindliche Flugzeuge Bombardier CSeries (ab 2013), Mitsubishi Regional Jet (ab etwa 2014) und Irkut MS-21 (ab etwa 2015) ausgewählt worden. Im Dezember 2010 gab Airbus bekannt, seinen Verkaufsschlager, die A320-Flugzeugfamilie, ab dem Jahr 2016 als A320 NEO (New Engine Option) liefern zu können. Die Kunden dieses Typs können zwischen dem PW1000G- und dem CFM-LEAP-X-Triebwerk (ohne Getriebe) wählen. ^[5]

Schnitt durch ein Aft-Fan-Triebwerk

Aft-Fan

Ein Aft-Fan-Triebwerk unterscheidet sich von normalen Mantelstromtriebwerken dadurch, dass der Fan nicht vor dem restlichen Triebwerk, sondern hinter diesem sitzt. Bisher wurde diese Konfiguration (soweit bekannt) nur von General Electric verwendet, um aus einwelligen Turbojet-Triebwerken Turbofans abzuleiten. Dabei schaltete GE hinter das jeweilige Triebwerk eine Freilaufturbine. Jedoch wird nur der innere Teil der Schaufeln als Turbine von den Abgasen des Triebwerks umströmt und in Drehung versetzt. Der äußere Teil der Schaufeln dreht sich dagegen im Mantel als Fan und beschleunigt dort den Mantelstrom^[6] .

Geschichte

Pratt & Whitney JT9D-Turbofantriebwerk einer Boeing 747

Zwei General Electric TF-39-Turbofantriebwerke an der Tragfläche einer Lockheed C-5.

EJ200-Turbofantriebwerk eines Eurofighters

Das erste funktionsfähige Zweistromtriebwerk war das Daimler-Benz DB 670 (auch 109-007), dessen erster Prüfstandlauf am 1. April 1943 stattfand. Das Rolls-Royce Conway (Erstflug 1954 und ursprünglich für die Handley Page Victor konstruiert) stand ebenso wie das Pratt & Whitney JT3D (eigentlich für die Boeing B-52H) 1959 bereit. Beide waren Abwandlungen von Turbojettriebweken und wiesen ein niedriges Nebenstromverhältnis auf. Sie waren ursprünglich militärische Entwicklungen. Die zivile Zulassung des JT3D erfolgte einige Monate später als beim Conway.

Das sowjetische Solowjow D-20 folgte 1960, war aber von vornherein für die zivile Luftfahrt ausgelegt. Es eröffnete außerdem in der Tupolew Tu-124 den Kurzstreckenverkehr für das Strahltriebwerk.

Die Entwicklung der heute genutzten Turbofantriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis geht auf eine Ausschreibung der USAF für ein Turbofantriebwerk für den Militärtransporter Lockheed C-5 Galaxy zurück, da für dieses über 350 t schwere Langstrecken-Transportflugzeug Turbojet- oder Turbofantriebwerke mit niedrigem Nebenstromverhältnis zu viel Treibstoff verbraucht hätten und zu schwach waren. Den Wettbewerb gewann General Electric mit dem General Electric TF39. Das Pratt & Whitney JT9D basiert auf einem Konkurrenzentwurf für diesen Wettbewerb und wird an den ersten Versionen der Boeing 747 eingesetzt.

Hersteller

Westliche Hersteller von Zweistromstrahltriebwerken sind

• Rolls-Royce
• Pratt & Whitney
• General Electric
• Snecma
• MTU Aero Engines

und Kooperationen derselben zu

• CFM International
• International Aero Engines
• Engine Alliance

In Russland stellt Awiadwigatel Bypassmotoren her.

Verwandte Themen

• Beim Blade Off Test werden die Auswirkungen eines verlorenen Turbinenblattes bei höchster Drehzahl ermittelt.

Weblinks

 Commons: Mantelstromtriebwerke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Video zur Erklärung der Funktionsweise eines Turbofans (englisch, abgerufen am 28. Februar 2011)

Einzelnachweise

1. ↑ Klaus Hünecke: Jet Engines. Seite 9, Fig. 1–7, Motorbooks International, Osceola WI (USA) 1997, ISBN 0-7603-0459-9.
2. ↑ Klaus Hünecke: Flugtriebwerke. Ihre Technik und Funktion. Motorbuchverlag, Stuttgart 1987/1998, ISBN 3-8794-3407-7.
3. ↑ HS.146 PROGRESS REPORT (1974). flightglobal.com, April 1974, abgerufen am 28. Juli 2010 (PDF, englisch, Archivierter Scan einer Seite der gedruckten Ausgabe von 1974). 
4. ↑ FliegerRevue Oktober 2008, S. 32–33, Dreh mit Getriebe – Triebwerke der Zukunft
5. ↑ Flightglobal: Sources: Airbus prepares to release A320neo details , Abruf am 15. Januar 2011
6. ↑ Siehe Röntgenriss des General Electric CF 700