Wie funktioniert ein Jettriebwerk? Schub beim Verkehrsflugzeug

Was das Modell zeigt

Das Turbofantriebwerk eines Verkehrsflugzeugs erzeugt den größten Teil seines Schubs mit dem großen Fan, der Luft am heißen Kern vorbeischiebt. Im Kern verbrennt Kraftstoff und treibt Turbinen an, die über eine Welle den Fan drehen. Andere Strahltriebwerke verteilen ihre Leistung anders auf Abgasstrahl, Fans und Propeller.

Hinter einem startenden Verkehrsflugzeug scheint es, als würden die Triebwerke Feuer ausstoßen. Tatsächlich besteht der größte Teil des Luftstroms aus kalter Luft. In einem modernen Verkehrstriebwerk strömt nur etwa eines von elf Kilogramm Luft durch die Flamme. Der große Fan vorn schiebt den Rest außen am heißen Kern nach hinten. Ein Kampfjettriebwerk macht fast das Gegenteil, ein Hubschraubertriebwerk erzeugt kaum einen Strahl, und ein Staustrahltriebwerk hat keine beweglichen Teile. Diese Ausstellung stellt sieben Bauarten auf denselben Sockel und zeigt, wie sie dieselbe Aufgabe unterschiedlich verteilen.

Jedes Modell ist entlang seiner Achse halbiert. Die vordere Hälfte fehlt; rot sind die Schnittflächen. Zuerst erscheint ein Zweiwellen-Turbofan mit hohem Nebenstromverhältnis. Seine Stufenzahlen folgen den Angaben von GE Aerospace zum GE9X: eine Fanstufe, drei Boosterstufen, elf Hochdruckverdichterstufen, zwei Hochdruckturbinenstufen und sechs Niederdruckturbinenstufen. Der Regler „Triebwerkstyp“ oder die Liste im Bedienfeld wechselt zu einem Turbojet, einem militärischen Niedrignebenstrom-Turbofan mit Nachbrenner, einem Getriebefan, einem Turboprop, einem Wellentriebwerk oder einem Staustrahltriebwerk, das oberhalb von Mach 5 zum Scramjet wird.

Größen, Luftmengen und Temperaturen sind typische Modellwerte der jeweiligen Bauart, keine Leistungsdaten eines Herstellers. Zahlen zu echten Triebwerken stammen entweder aus dem Kennblatt der Musterzulassung, das eine Luftfahrtbehörde bei der Zulassung ausstellt, oder von der Herstellerseite. Die Quelle steht jeweils daneben.

Die Punkte stellen Luft dar. Blau bedeutet kalt; beim Verdichten und Verbrennen werden sie violett, orange und rot. Die kleine Anzeige nennt Schub oder Wellenleistung, Kraftstoffverbrauch, Verbrauch je Schub und Wellendrehzahlen. „Mehr“ öffnet Luftmengen, Strahlgeschwindigkeiten, Außenluftwerte sowie Druck und Temperatur jeder Schaufelreihe im Kern. Unter den Reglern folgt ein Labor mit den sieben Bauarten, einem Startablauf, sechs Aufgaben, der Schubgleichung mit aktuellen Zahlen, zwei Diagrammen, einem direkten Vergleich und 45 Einträgen zu echten Triebwerken, Meilensteinen und Zulassungsprüfungen.

Warum die meiste Luft am Kern vorbeiströmt

Ein Triebwerk bewegt ein Flugzeug vorwärts, indem es Luft nach hinten wirft. Die Kraft hängt von der Luftmasse pro Sekunde und davon ab, wie viel schneller die Luft austritt als eintritt. Derselbe Schub lässt sich mit wenig, sehr stark beschleunigter Luft oder mit viel, nur etwas beschleunigter Luft erzeugen.

Die zweite Möglichkeit verschwendet viel weniger Energie. Die im Strahl verbleibende Bewegungsenergie wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, der Schub dagegen nur proportional dazu. Ein breiter, langsamer Strahl lässt bei gleicher Kraft weniger Energie in der Luft zurück.

Ein Turbofan teilt dazu den Luftstrom. Der innere Kern ist eine vollständige Gasturbine mit Verdichter, Brennkammer und Turbinen. Er verbrennt Kraftstoff und erzeugt Leistung. Der größte Teil dieser Leistung erzeugt keinen schnellen Strahl. Eine zweite Turbine entnimmt dem heißen Gas Energie und dreht damit den Fan, der eine viel größere Luftmasse sanft beschleunigt. Das Glenn Research Center der NASA definiert das Nebenstromverhältnis als Luftmenge um den Kern geteilt durch die Luftmenge durch den Kern. Im Modell durchströmen 120 kg Luft pro Sekunde den Kern. Bei einem Nebenstromverhältnis von 10 schickt der Fan weitere 1200 kg pro Sekunde außen vorbei.

Druck und Temperatur von Reihe zu Reihe

Der Kern arbeitet wie jede Gasturbine im Brayton-Kreisprozess. Luft wird verdichtet, bei ungefähr konstantem Druck erhitzt und anschließend entspannt. Das Diagramm unter „Mehr“ verfolgt sie durch jede Schaufelreihe.

1. Verdichtung. Hinter dem Fan erhöhen drei Boosterstufen den Kerndruck um den Faktor 1,9. Die elf Hochdruckstufen vervielfachen ihn anschließend um 22, etwa um 1,32 je Stufe. Das Gesamtdruckverhältnis beträgt 41,8. Luft, die mit 1 bar eintritt, verlässt den Verdichter mit etwa 42 bar. Dabei wird sie schon vor der Kraftstoffzugabe auf 927 K, etwa 650 °C, erhitzt.
2. Verbrennung. Düsen sprühen Kerosin in eine ringförmige Kammer. Das Gas erreicht 1700 K, während der Druck nur um etwa 5 Prozent sinkt. Im Diagramm ist das der schmale Bereich mit steil ansteigender Temperatur und nahezu waagerechter Drucklinie.
3. Entspannung. Das heiße Gas entspannt sich in den Turbinen. Jede Reihe entnimmt Arbeit; Druck und Temperatur fallen stufenweise. Der verbleibende Druck treibt das Gas durch die Düse hinaus.

Mit dem Schubhebel verändert sich das gesamte Diagramm. Bei Vollgas erreicht der Verdichter 42 bar und der Turbineneintritt 1700 K. Bei halbem Gas liegen beide Spitzen niedriger. Die Anzeige nennt etwa die halbe Luftmenge, 1,30 kg/s Kraftstoff und 155 kN Schub.

Die Regler für Druckverhältnis und Turbineneintrittstemperatur verändern zwei entscheidende Kerngrößen. Ein idealer Brayton-Prozess mit Druckverhältnis 41,8 würde 65,6 Prozent der Kraftstoffwärme in Strahlenergie umwandeln (η = 1 − 1/r^0.286). Mit den Verdichter- und Turbinenverlusten des Modells sind es bei Vollgas am Boden 39,6 Prozent. Höhere Turbinentemperaturen ermöglichen mehr Leistung aus jedem Kilogramm Luft. Deshalb entfällt ein großer Teil der Triebwerkskosten auf die Turbinenschaufeln.

Zwei Wellen mit zwei Drehzahlen

Ein Fan arbeitet bei relativ geringer Drehzahl am besten. Seine Spitzen liegen weit von der Achse entfernt. Werden sie zu schnell, verschwenden Stoßwellen an den Schaufeln Energie und erzeugen Lärm. Die kleinen Verdichterschaufeln im Kern brauchen dagegen hohe Drehzahlen. Eine einzige Welle kann beidem nicht gerecht werden.

Deshalb besitzt ein Turbofan zwei ineinanderliegende Wellen. Die innere Niederdruckwelle führt von der sechsstufigen Niederdruckturbine hinten nach vorn zum Fan und Booster. Die hohle Hochdruckwelle außen verbindet die zwei Hochdruckturbinenstufen mit dem Hochdruckverdichter. Die NASA beschreibt dieselbe Anordnung: Die Fanwelle verläuft durch die Kernwelle. Das ist ein Zweiwellentriebwerk.

Im Modell erreicht die Niederdruckwelle 2500 rpm und die Hochdruckwelle 11.000 rpm. GE Aerospace nennt für das GE9X 2510 rpm und 11.119 rpm. Auf dem Bildschirm drehen beide stark verlangsamt, ihr Drehzahlverhältnis bleibt erhalten.

Schon bei 2500 rpm bewegen sich die Fanspitzen schnell. Bei 1,61 m Radius ergibt sich 2π × 1,61 × 2500 / 60 = 422 m/s, etwa das 1,24-Fache der Schallgeschwindigkeit auf Meereshöhe. Ein 134-Zoll-Fan erreicht bei 2510 rpm nach derselben Rechnung 447 m/s.

Die Schubgleichung mit Zahlen

Für einen einzelnen Luftstrom lautet der Schub:

F = ṁ (v_e − v_0)

ṁ ist die Luftmasse pro Sekunde, v_e die Austrittsgeschwindigkeit und v_0 die Eintrittsgeschwindigkeit, also die Fluggeschwindigkeit. Die NASA ergänzt einen Druckterm für Düsen, die das Gas nicht vollständig entspannen. Im Modell ist die Entspannung vollständig, daher ist dieser Term null.

Ein Turbofan hat zwei Ströme, das Labor addiert deshalb zwei Terme. Der Kernstrom enthält auch Kraftstoff und wird mit (1 + f) multipliziert; f ist das Kraftstoff-Luft-Verhältnis. Im Stand bei Vollgas und Nebenstromverhältnis 10 ergibt sich:

• Kern: 120 kg/s × (1,025 × 331 m/s − 0) = 40,7 kN
• Nebenstrom: 1200 kg/s × (272 m/s − 0) = 326,6 kN
• Gesamt: 367,3 kN

Der Kernstrahl ist schneller, doch der Nebenstrom führt zehnmal mehr Luft und liefert 89 Prozent des Schubs. Der Kraftstoffstrom beträgt 3,01 kg/s, etwa 10,8 Tonnen pro Stunde bei voller Leistung. Kraftstoffstrom geteilt durch Schub ergibt den schubspezifischen Kraftstoffverbrauch TSFC, mit dem Ingenieure Triebwerke vergleichen: 3,01 kg/s ÷ 367,3 kN = 8,2 g Kraftstoff pro Kilonewton und Sekunde.

Zum Vergleich: Der Rolls-Royce Trent 1000-C der Boeing 787 ist für 331,4 kN Startschub zugelassen, der GE90-115B für 513,95 kN. Die erste Laboraufgabe verlangt, den Trent-Wert mit dem Schubhebel einzustellen.

Nebenstromverhältnis, Schub und Verbrauch

Der Nebenstromregler lässt den Kern unverändert, mit gleicher Luftmenge, gleichen Drücken und gleichem Kraftstoff. Nur die vom Fan bewegte Luftmenge ändert sich. Das Modell wählt jeweils das Fandruckverhältnis mit dem höchsten Schub. Fan und Gondel wachsen mit dem Verhältnis, weil mehr Luft eine größere Eintrittsfläche braucht.

Derselbe Kern als reiner Turbojet erzeugt mit demselben Kraftstoff 122 kN, ein Drittel des Turbofanschubs. Das zweite Labordiagramm zeigt die gesamte Kurve und markiert die aktuelle Einstellung.

Im Flug ändert sich das Bild. Das zeigt der Geschwindigkeitsregler. Das Triebwerk muss die einströmende Luft zunächst auf seine eigene Geschwindigkeit bringen; jedes Kilogramm Luft kostet daher einen v_0 entsprechenden Schubanteil. Bei Mach 0,8 auf Meereshöhe, 272 m/s, liefert der Turbofan 200,9 kN und derselbe Kern als Turbojet 126,3 kN. Der Turbofan braucht weiterhin viel weniger Kraftstoff pro Newton: 19,0 statt 30,5 g/kN·s. Der Grund ist der Vortriebswirkungsgrad, näherungsweise 2 / (1 + v_e / v_0). Ein Strahl, der nur wenig schneller als das Flugzeug ist, verschwendet wenig Energie. Das Modell ergibt 83,5 Prozent beim Turbofan und 43,6 Prozent beim Turbojet.

Warum nicht ein Nebenstromverhältnis von 30? Jeder weitere Schritt bringt weniger Gewinn, die Kurve flacht ab. Der Fan wird schwerer, die Gondel größer und widerstandsreicher, und das Triebwerk muss unter den Flügel passen. Das Modell lässt Gewicht und Widerstand weg, seine Kurve steigt deshalb weiter. Die veröffentlichten Werte heutiger Großtriebwerke liegen etwa zwischen 10 und 12: GE nennt ungefähr 10:1 für das GE9X, Pratt & Whitney bis zu 12:1 für den Getriebefan.

Warum der Schub mit der Höhe sinkt

Verkehrsflugzeuge fliegen in 10 bis 12 km Höhe, wo die Luft dünn ist. Das Modell nutzt die Internationale Standardatmosphäre: Bis 11 km sinkt die Temperatur um 6,5 K je Kilometer, darüber bleibt sie bis 20 km bei 216,65 K, also −56,5 °C. Bei 11 km betragen Druck und Dichte 22,6 kPa und 0,364 kg/m³. Die Dichte entspricht 29,7 Prozent des Meereshöhenwerts.

Das pro Sekunde bewegte Luftvolumen hängt von Größe und Drehzahl ab. Die Luftmasse sinkt daher ungefähr mit der Dichte. Das Modell folgt einer Regel der Triebwerksauslegung: Bei gleicher Wellendrehzahl skaliert der Massenstrom mit dem Eintrittsdruck geteilt durch die Wurzel der Eintrittstemperatur. Beim Steigen von Meereshöhe auf 11 km mit Mach 0,8 fällt der Luftstrom von 1895 kg/s auf 488 kg/s. Der Schub sinkt von 200,9 kN auf 79,5 kN, auf 39,6 Prozent des Meereshöhenwerts.

Das ist etwas günstiger als das Dichteverhältnis, weil kalte Luft leichter zu verdichten ist. Derselbe Verdichter ermöglicht ein höheres Temperaturverhältnis in der Turbine; der thermische Wirkungsgrad steigt von 40 auf 46,5 Prozent. Auch der Verbrauch pro Schub verbessert sich von 19,0 auf 15,9 g/kN·s. Deshalb steigen Verkehrsflugzeuge so hoch, wie ihr Gewicht erlaubt. Das Höhendiagramm stellt Schub und Luftdichte nebeneinander; die vierte Aufgabe fragt nach dem Grund des Rückgangs.

Sieben Arten von Strahltriebwerken

Bis auf die letzte sind alle sieben Gasturbinen. Ihr gemeinsames Prinzip ist, Luft zu verdichten, zu erhitzen und schneller ausströmen zu lassen. Sie unterscheiden sich darin, wie sie die Energie nutzen, die nach dem Antrieb des eigenen Verdichters übrig bleibt.

Turbojet

Die ersten Strahltriebwerke führten alle Luft durch die Flamme. Frank Whittles Versuchstriebwerk lief erstmals am 12. April 1937. Das W.1X des Smithsonian, eingesetzt bei Rollversuchen der Gloster E.28/39, besaß einen einstufigen, beidseitig ansaugenden Radialverdichter, zehn Umkehrbrennkammern und eine einstufige Axialturbine. Es erzeugte 5516 N bei 17.750 rpm und wog 254 kg. Hans von Ohains Triebwerk flog zuerst, am 27. August 1939 in der Heinkel He 178. Beide nutzten Radialverdichter, deren Laufrad Luft ähnlich wie ein Staubsauger nach außen wirft.

Das Modell zeichnet ein Laufrad, zehn gerade Rohrbrennkammern auf einem Ring, eine einstufige Turbine und ein Strahlrohr. Das voreingestellte Druckverhältnis ist 4, die Turbineneintrittstemperatur 1050 K, nahe den damaligen Materialgrenzen. Im Stand entstehen aus 22 kg Luft pro Sekunde 12,7 kN. Der Verbrauch beträgt 31,5 g je kN und Sekunde, fast das Vierfache des Hochnebenstrom-Turbofans. Mit höherem Druckverhältnis und höherer Turbinentemperatur wird dieselbe Bauart zum Überschalltriebwerk: Der Pratt & Whitney J58 der SR-71 war ein Turbojet mit Nachbrenner, achtstufigem Axialverdichter und zweistufiger Turbine. Das Smithsonian nennt 133,44 kN.

Turbofan mit geringem Nebenstrom und Nachbrenner

Ein Kampfjet braucht ein schlankes Triebwerk mit schnellem Strahl, weil er schnell fliegt. Das Modell hat einen dreistufigen Fan, wenig Nebenstromluft, 0,4 kg pro Kilogramm Kernluft, einen neunstufigen Verdichter, eine Hochdruck- und zwei Niederdruckturbinenstufen sowie ein langes Strahlrohr. Hinter der Turbine vereinigt ein Mischer Nebenstrom und Kernstrom.

Im Strahlrohr sitzt der Nachbrenner mit Einspritzringen und V-förmigen Flammenhaltern. Eingeschaltet verbrennt er hinter der Turbine erneut Kraftstoff, bei etwa 2050 K. Auf Meereshöhe steigt der Schub von 90,5 auf 112,9 kN, der Kraftstoffstrom aber von 2,27 auf 5,21 kg/s: 2,3-mal mehr für etwa ein Viertel mehr Schub. Bei 11 km und Mach 1,6 ist der Gewinn größer: 1,7-mal mehr Schub bei 2,5-fachem Verbrauch. Verbrennung bei niedrigem Druck gewinnt weniger Arbeit je Kilogramm Kraftstoff. Daher wird der Nachbrenner für Start, Steigflug und Kampf genutzt. Die Düse muss weiter öffnen, um das heißere, voluminösere Gas abzuführen. Der Olympus 593 der Concorde war der einzige Turbojet mit Nachbrenner im Linienverkehr. Das Museum of Flight nennt dessen Einsatz beim Start.

Turbofan mit hohem Nebenstrom

Das ist die oben beschriebene Bauart der meisten Verkehrsflugzeuge. Ihr Nebenstromregler reicht von 4 bis 12, die Fluggeschwindigkeit bis Mach 0,9 und die Höhe bis 15 km.

Getriebefan

Der Fan soll langsam, die Niederdruckturbine schnell drehen. Beim Direktantrieb teilen sie sich eine Welle. Die Turbine benötigt deshalb viele Stufen, um bei niedriger Drehzahl genug Arbeit zu leisten. Pratt & Whitneys GTF setzt ein Getriebe dazwischen. Der Hersteller nennt eine Übersetzung von 3:1, Fans bis 81 Zoll, ein Nebenstromverhältnis bis 12:1 und eine um 40 Prozent geringere Fandrehzahl. Dazu kommen drei Niederdruckverdichterstufen, acht Hochdruckverdichterstufen, zwei Hochdruck- und drei Niederdruckturbinenstufen.

Das Modell zeigt ein Sonnenrad auf der schnellen Welle, fünf Planetenräder im Träger und ein Hohlrad am Fan. Booster und Niederdruckturbine drehen etwa dreimal schneller als der Fan. Der Kern ist kleiner, 25 kg/s, der Fan relativ größer. Im Stand auf Meereshöhe entstehen 86,2 kN bei 0,67 kg/s Kraftstoff, entsprechend 7,8 g/kN·s. Der serienmäßige PW1133G-JM ist für 147,28 kN zugelassen.

Turboprop

Ein aus seinem Kanal herausgenommener, viel größerer und langsamerer Fan wird zum Propeller. Beim Turboprop treibt der Kern eine freie Leistungsturbine auf eigener Welle. Diese läuft durch die Triebwerksmitte nach vorn zu einem Untersetzungsgetriebe, denn der Propeller muss viel langsamer als eine kleine Turbine drehen. Das Kennblatt der PT6A-100-Reihe beschreibt genau diese Kette: zweistufiges Untersetzungsgetriebe, einstufige Leistungsturbine, einstufige Verdichterturbine und vierstufiger Verdichter mit drei Axial- und einer Radialstufe.

Das Modell besitzt zwei Radialverdichter, eine Brennkammer, zwei Gasgeneratorturbinen, eine zweistufige Leistungsturbine und einen sechsblättrigen Propeller mit 3,93 m Durchmesser. Im Stand gelangen 2709 kW zum Propeller. Propeller werden nach Leistung bewertet, die Anzeige nennt aber auch den Schub: 42,8 kN vom Propeller nach der Impulstheorie mit Gütegrad 0,6 und 1,9 kN aus dem Abgas. Der spezifische Verbrauch beträgt 255 g/kWh. Der PW127M der ATR 72 ist für 2051 kW maximale Startleistung zugelassen. Turboprops sind unter etwa 600 km/h besonders günstig; darüber nähern sich die Blattspitzen der Schallgeschwindigkeit.

Wellentriebwerk

Ein Wellentriebwerk ist ein Turboprop ohne Propeller. Die Leistungsturbine liefert fast alles über die Ausgangswelle; der Reststrahl ist kaum mehr als ein Luftzug. Das Modell folgt dem Kennblatt des GE CT7: fünfstufiger Axial- und einstufiger Radialverdichter, Ringbrennkammer, zweistufige Gasgeneratorturbine und freie zweistufige Leistungsturbine mit nach vorn laufender Welle. Drallleitschaufeln am Einlass schleudern Sand nach außen, bevor er den Verdichter erreicht. Auf Meereshöhe liefert es 1740 kW, der Reststrahl nur 0,6 kN.

Echte Zulassungswerte sind 598 kW Startleistung für den Safran Arriel 2D im H125 und 1879 kW, 2520 shp, für den GE CT7-8A im S-92 bei 21.945 rpm an der Ausgangswelle. Das Hubschrauberhauptgetriebe reduziert dies auf einige hundert Rotorumdrehungen pro Minute.

Ramjet und Scramjet

Oberhalb etwa Mach 3 wird die ankommende Luft allein durch die Fluggeschwindigkeit ausreichend verdichtet. Ein Ramjet benötigt weder Verdichter noch Turbine. Ein Einlasskegel erzeugt Stoßwellen, die Luft unter Schallgeschwindigkeit abbremsen und ihren Druck erhöhen. Kraftstoff wird eingespritzt, Flammenhalter sichern die Verbrennung, und eine Düse beschleunigt das heiße Gas. Die NASA nennt etwa Mach 3 bis Mach 6 als Arbeitsbereich.

Im Stand erzeugt ein Ramjet keinen Schub. Das Modell läuft unter Mach 0,3 nicht; der Startknopf erklärt die nötige Beschleunigung durch eine Rakete oder ein anderes Triebwerk. Bei Mach 3 und 18 km bleiben im Einlass 81 Prozent des Gesamtdrucks erhalten. Der Strahl verlässt ihn mit 1636 m/s, der spezifische Impuls beträgt 1695 s. Das ist viel mehr als die wenigen hundert Sekunden einer Rakete, weil der Sauerstoff aus der Luft kommt.

Oberhalb Mach 5 würde das Abbremsen auf Unterschall die Luft so stark erhitzen, dass Kraftstoff kaum weitere Energie zuführen könnte. Ein Scramjet, ein Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung, hält die Luft durchgehend im Überschall und verbrennt darin Wasserstoff binnen weniger Tausendstelsekunden. Bei Mach 7 hat die Luft im Modell schon vor der Verbrennung 2426 K Stautemperatur. Die NASA X-43A flog mit Wasserstoff am 27. März 2004 Mach 6,8 und am 16. November 2004 Mach 9,6. Sie startete unter einer B-52 und wurde durch eine Pegasus-Rakete beschleunigt. Laut NASA flog kein luftatmendes Triebwerk in einem Flugversuch schneller.

Im Inneren der heißesten Schaufel

„Schaufeldetail“ zeigt eine einzelne Hochdruckturbinenschaufel. Sie steht in Gas, das heißer als der Schmelzpunkt ihres Metalls ist. Drei Maßnahmen schützen sie.

1. Ein Kristall. Gewöhnliche Gussteile bestehen aus vielen Körnern. Ihre Grenzen sind Schwachstellen, an denen Risse und Oxidation beginnen. Ein NASA-Bericht erklärt, dass einkristalline Nickel-Superlegierungen diese Grenzen beseitigen. Dadurch entfallen auch korngrenzenverstärkende Zusätze, die den Schmelzpunkt senken. Eine frühere Übersicht des Lewis Research Center nennt etwa 75 °C höhere Einsatztemperatur gegenüber herkömmlich gegossenen Schaufeln.
2. Kühlung von innen. Die Schaufel ist hohl. Verdichterluft, noch mehrere hundert Grad kühler als das Außengas, strömt durch gewundene Kanäle und tritt aus winzigen Oberflächenbohrungen. Als dünner Film hält sie das heiße Gas vom Metall fern. Das Modell zeigt vier Lochreihen und drei Innenkanäle.
3. Keramikschicht. Eine dünne, mit Yttriumoxid stabilisierte Zirkonoxidschicht liegt auf einer metallischen Haftschicht. Die NASA-Geschichte der Wärmedämmschichten führt dieses Materialsystem auf eigene Arbeiten zurück. Bis 1989 wurden solche Schichten an Turbinenschaufeln im Linienverkehr verwendet. Neben der Schaufel sind die drei Schichten mit übertriebenen Dicken dargestellt.

Der Tannenbaumfuß verteilt die bei voller Drehzahl viele Tonnen betragende Zuglast auf mehrere Zähne der Scheibe. Das Kennblatt des PW1100G-JM nennt als Grenze der angezeigten Turbinentemperatur 1083 °C für fünf Minuten beim Start und 1043 °C im Dauerbetrieb. Gemessen wird hinter den ersten Turbinenstufen. An den vordersten Schaufeln ist das Gas deutlich heißer.

Schubumkehr

Nach dem Aufsetzen nutzt ein Verkehrsflugzeug Radbremsen, Spoiler und bei hoher Geschwindigkeit Schubumkehr. Bei hohem Nebenstrom wirkt die Umkehr auf den Fanstrahl. Der hintere Gondelteil gleitet zurück und öffnet einen Ring von Umlenkgittern. Sperrklappen klappen in den Nebenstromkanal und leiten die Luft durch die Gitter nach vorn. „Schubumkehr“ zeigt die Bewegung und die umkehrenden Luftpunkte. Der Kernstrahl bleibt nach hinten gerichtet. Die Netto-Bremskraft ist deshalb nur ein Teil des Vorwärtsschubs: Bei 70 Prozent Gas liefert das Modell 76,9 kN Gegenkraft.

Nach dem Kennblatt des Trent XWB sollte unter 60 Knoten keine maximale Umkehr mehr verwendet werden, sondern Leerlaufumkehr; unter 40 Knoten sollte die Umkehr vollständig ausgeschaltet sein. Bei geringer Geschwindigkeit kann der Einlass umgelenkte Luft samt Fremdkörpern von der Bahn wieder ansaugen. Die Landeaufgabe nutzt diese Regel: Ein 200-Tonnen-Flugzeug setzt mit 140 Knoten auf einer nassen Bahn auf und bremst mit 0,15 g. Nur mit Bremsen braucht es 1765 m. Mit beiden Triebwerken bei 70 Prozent Gas in Umkehr bis 60 Knoten hält das Modell nach 1091 m.

Der Turbojet nutzt eine ältere Bauart: Zwei Schalen schließen hinter der Düse und lenken den ganzen Strahl um. Beim Turboprop drehen sich die Blätter über die flache Stellung hinaus und drücken Luft nach vorn.

Ein Triebwerk starten

Ein Strahltriebwerk kann nicht selbst anlaufen. Der Verdichter muss bereits drehen, bevor er Luft für das Feuer liefert, das ihn antreibt. Das FAA-Handbuch beschreibt die übliche Verkehrsflugzeuganordnung: ein Druckluftstarter am Hilfsgerätegetriebe, gespeist aus dem Hilfstriebwerk APU im Heck, einem Bodenwagen oder einem bereits laufenden Triebwerk.

„Start“ führt durch fünf Schritte. Zapfluft trifft ein, der Starter dreht die Hochdruckwelle, bei etwa 20 Prozent N2 öffnen Kraftstoffventile und die Zünder funken. Die Flamme zündet, die Abgastemperatur steigt sprunghaft. Der Starter schaltet ab, und das Triebwerk beschleunigt selbst auf etwa 60 Prozent N2 im Leerlauf. Die Prozentsätze sind Modellwerte nahe typischen Anzeigen. Die Besatzung überwacht dabei die Abgastemperatur, weil zu wenig Luft beim Start die Turbine überhitzen kann.

Vögel, Eis, Hagel und eine verlorene Schaufel

Bevor eine Triebwerksbauart Passagiere befördern darf, muss sie Prüfungen nach Part 33 der US-Luftfahrtvorschriften bestehen. EASA CS-E enthält entsprechende Anforderungen.

• Vögel (14 CFR 33.76). Bei voller Startleistung wird ein großer Vogel mit 200 Knoten auf die kritischste Stelle der ersten Schaufelreihe geschossen. Seine Masse richtet sich nach der engsten Einlassfläche: 1,85 kg unter 1,35 m², 2,75 kg bis 3,90 m² und 3,65 kg darüber. Danach darf der Leistungshebel 15 Sekunden lang nicht bewegt werden. Weitere Tests nutzen Schwärme kleiner und mittlerer Vögel. Der Modellfan mit 3,2 m Durchmesser hat 8,2 m² Fläche und fällt in die 3,65-kg-Klasse. Das berechnet die Vogelaufgabe.
• Eis (14 CFR 33.77). Eingeworfenes Eis darf weder dauerhaften Schubverlust noch ein Abschalten verursachen.
• Regen und Hagel (14 CFR 33.78). Hagelkörner von 25 mm und 50 mm werden bei der höchsten Fluggeschwindigkeit bis 4500 m eingeschossen, je eines jeder Größe pro 150 Quadratzoll Einlassfläche. Die Hälfte zielt auf die kritischste Einlassstelle.
• Schaufelverlust (14 CFR 33.94). Bei höchster zulässiger Drehzahl wird eine Fanschaufel am Fuß gelöst, in einem zweiten Test eine Turbinenschaufel. Das Gehäuse muss die Teile mindestens 15 Sekunden ohne Feuer und ohne Versagen der Aufhängung zurückhalten.

GE Aerospace nennt für das GE9X mehr als 31.000 Testzyklen, darunter über 9000 Dauerlaufzyklen und 2300 Staubansaugzyklen. Das Unternehmen zeigt außerdem Vereisungstests in Peebles, Ohio.

Triebwerke in der Vergleichsliste

Die Laborliste enthält 45 Einträge. Folgende Zulassungswerte stammen aus den EASA-Kennblättern:

„Anzeigen“ wählt die passende Bauart und skaliert den Luftstrom so, dass Schub oder Wellenleistung auf Meereshöhe dem zugelassenen Startwert entsprechen. Von dort zeigen die Regler für Gas, Höhe und Geschwindigkeit die Modellvorhersage für weitere Flugbedingungen. Die Gewichte folgen dem jeweiligen Kennblatt und enthalten deshalb nicht überall dieselbe Ausrüstung.

Unterschiede zwischen Modell und echtem Triebwerk

• Der Kreisprozess ist eine eindimensionale Lehrbuchrechnung mit festen Komponentenwirkungsgraden und konstanten Gaseigenschaften. Echte Triebwerke werden mit detaillierten Leistungsprogrammen ausgelegt.
• Die Drosselkennlinie für Druck, Luftmenge und Temperatur ist vereinfacht. Selbst die niedrigste Einstellung liegt deutlich über echtem Bodenleerlauf.
• Echte Turbinenschaufeln werden mit Verdichterluft gekühlt. Auch die Kabine benötigt Zapfluft. Beides fehlt im Kreisprozess.
• Fangewicht, Gondelwiderstand und Einbauverluste am Flügel fehlen. Deshalb steigt die Nebenstromkurve immer weiter.
• Propeller und Rotor nutzen die Impulstheorie. Sie gibt eine brauchbare Vorstellung von Standschub und Auftrieb, aber keine echten Auslegungskurven.
• Die Ramjet-Einlassverluste folgen einer Standardkurve, die Scramjet-Brennkammer ist durch einen einzelnen Wert beschrieben. Echte Hyperschalleinlässe werden für eine bestimmte Geschwindigkeit ausgelegt.
• Auf dem Sockel sind alle Triebwerke ungefähr gleich groß. Ein Wellentriebwerk ist tatsächlich viel kleiner als ein Verkehrsflugzeugfan.
• Die Luftpunkte im Kern stehen dichter als im Nebenstrom, damit die Kernströmung sichtbar bleibt.

Vom ersten Turbojet zum Fan breiter als ein Rumpf

Whittle patentierte das Strahltriebwerk 1932. Sein britisches Patent GB 471,368, erstmals am 4. März 1936 angemeldet, beschrieb bereits das Nebenstromprinzip. Seine Whittle Unit lief erstmals am 12. April 1937. In Deutschland flog von Ohains Triebwerk am 27. August 1939 in der Heinkel He 178. Die Gloster E.28/39 mit Whittles W.1 absolvierte am 15. Mai 1941 ihren ersten offiziellen Flug. Im Oktober gingen das W.1X und die Zeichnungen des W.2B an General Electric. Dessen I-A flog am 2. Oktober 1942 im ersten amerikanischen Jet, der Bell XP-59A.

Der erste Serienturbofan, Rolls-Royce Conway, hatte nur 0,3 Nebenstromverhältnis. Der Sprung kam Ende der 1960er-Jahre, als General Electric für die Lockheed C-5 Galaxy den TF39 entwickelte, den ersten Hochnebenstrom-Turbofan mit Verhältnis 8. Pratt & Whitneys JT9D lief erstmals 1966 und trieb die Boeing 747 bei ihrem Erstflug am 9. Februar 1969 an. Er war das erste sehr große Hochnebenstromtriebwerk im Linienverkehr. GEs ziviler Wettbewerber CF6 folgte 1971 an der DC-10.

Am schnellen Ende trieben zwei J58 mit Nachbrenner jede SR-71 an. Die vier Olympus 593 der Concorde mit jeweils 38.050 lb beförderten Passagiere bei 1354 mph, bis zum letzten British-Airways-Flug am 24. Oktober 2003.

Seither wurden Fans immer größer. Laut GE war das GE90 das erste Triebwerk mit Fanblättern aus Verbundwerkstoff. Das im September 2020 von der FAA zugelassene GE9X hat 16 Verbundblätter, ungefähr 10 Nebenstromverhältnis und 60 Gesamtdruckverhältnis. Sein Verbrauch pro Schub liegt 10 Prozent unter dem GE90-115B. Pratt & Whitneys Getriebefan ging 2016 in Betrieb. MTU, das Teile davon baut, nennt den PW1100G-JM für die Airbus-A320neo-Familie. Bereits 2004 zeigte die NASA X-43A einen Scramjetflug mit Mach 9,6.