Ein Flugzeugturbinentriebwerk besteht aus einem Lufteinlass, Kompressor, Verbrennungskammern, einem Turbinenabschnitt und Abgas. Der Schub wird erzeugt, indem die Geschwindigkeit der durch den Motor strömenden Luft erhöht wird. Turbinentriebwerke sind sehr wünschenswerte Flugzeugantriebe. Sie zeichnen sich durch einen reibungslosen Betrieb und ein hohes Leistungs-Gewicht-Verhältnis aus und verwenden leicht verfügbare Strahlkraftstoffe. Vor den jüngsten Fortschritten bei Material-, Motoren- und Fertigungsprozessen war der Einsatz von Turbinentriebwerken in Flugzeugen mit kleineren und leichten Produktionen unerschwinglich. Heute produzieren oder planen mehrere Luftfahrthersteller Flugzeuge mit kleiner / leichter Turbine. Diese kleineren turbinenbetriebenen Flugzeuge sitzen typischerweise zwischen drei und sieben Passagieren und werden als sehr leichte Jets (VLJs) oder Microjets bezeichnet. [Abbildung 6-22]

6.9.1 Typen von Turbinentriebwerken #

Turbinentriebwerke werden nach der Art der von ihnen verwendeten Kompressoren klassifiziert. Es gibt drei Arten von Kompressoren: Zentrifugalfluss, Axialfluss und Zentrifugal-Axialfluss. Die Kompression der Einlassluft wird in einer Zentrifugalströmungsmaschine durch Beschleunigen von Luft senkrecht zur Längsachse der Maschine erreicht. Der Axialmotor komprimiert Luft durch eine Reihe rotierender und stationärer Schaufeln, die die Luft parallel zur Längsachse bewegen. Das Zentrifugal-Axial-Flow-Design verwendet beide Arten von Kompressoren, um die gewünschte Kompression zu erreichen.

Der Weg, den die Luft durch den Motor führt und wie die Leistung erzeugt wird, bestimmt den Motortyp. Es gibt vier Typen von Flugzeugturbinentriebwerken: Turbojet, Turboprop, Turbofan und TurboShaft.

6.9.2 Turbojet #

Der Turbostrahltriebwerk besteht aus vier Abschnitten: Kompressor, Brennkammer, Turbinenabschnitt und Abgas. Der Kompressorabschnitt leitet die Einlassluft mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer. Die Brennkammer enthält den Brennstoffeinlass und den Zünder für die Verbrennung. Die sich ausdehnende Luft treibt eine Turbine an, die durch eine Welle mit dem Kompressor verbunden ist, wodurch der Motorbetrieb aufrechterhalten wird. Die beschleunigten Abgase aus dem Motor sorgen für Schub. Dies ist eine grundlegende Anwendung von Komprimieren von Luft, Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches, Erzeugen von Energie, um den Motorbetrieb selbst aufrechtzuerhalten, und Abgas für den Antrieb. [Abbildung 6-23]

Turbojet-Motoren sind in Reichweite und Ausdauer begrenzt. Sie reagieren auch langsam auf Drosselanwendungen bei langsamen Kompressordrehzahlen.

6.9.3 Turboprop #

Ein Turboprop-Motor ist ein Turbinentriebwerk, das einen Propeller durch ein Untersetzungsgetriebe antreibt. Die Abgase treiben eine Leistungsturbine an, die durch eine Welle verbunden ist, die die Untersetzungsgetriebeanordnung antreibt. Bei Turboprop-Motoren ist ein Reduktionsgetriebe erforderlich, da bei viel langsameren Drehzahlen als die Betriebsdrehzahl des Motors eine optimale Propellerleistung erreicht wird. Turboprop-Motoren sind ein Kompromiss zwischen Turbojet-Motoren und Hubkolbenmotoren. Turboprop-Motoren sind am effizientesten bei Geschwindigkeiten zwischen 250 und 400 Meilen pro Stunde und Höhen zwischen 18.000 und 30.000 Fuß. Sie arbeiten auch bei den langsamen Fluggeschwindigkeiten, die für Start und Landung erforderlich sind, und sind sparsam. Der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch des Turboprop-Motors ist normalerweise im Höhenbereich von 25.000 Fuß bis zur Tropopause verfügbar. [Abbildung 6-24]

6.9.4 Turbofan #

Turbofans wurden entwickelt, um einige der besten Funktionen des Turbojets und des Turboprop zu kombinieren. Turbofan-Triebwerke sind so konzipiert, dass sie zusätzlichen Schub erzeugen, indem sie einen sekundären Luftstrom um die Brennkammer umleiten. Die Turbofan-Bypassluft erzeugt einen erhöhten Schub, kühlt den Motor und unterstützt die Unterdrückung der Abgasgeräusche. Dies sorgt für eine Geschwindigkeitsgeschwindigkeit des Turbojet-Typs und einen geringeren Kraftstoffverbrauch.

Die Einlassluft, die durch einen Turbofan-Motor strömt, wird üblicherweise in zwei getrennte Luftströme aufgeteilt. Ein Strom fließt durch den Motorkern, während ein zweiter Strom den Motorkern umgeht. Es ist dieser Bypass-Luftstrom, der für den Begriff „Bypass-Motor“ verantwortlich ist. Das Bypass-Verhältnis eines Turbofans bezieht sich auf das Verhältnis des Luftmassenstroms, der durch den Lüfter geteilt wird, geteilt durch den Massenluftstrom, der durch den Motorkern hindurchgeht. [Abbildung 6-25]

6.9.5 Turbowelle #

Die vierte gängige Art von Strahltriebwerk ist die Turbowelle. [Abbildung 6-26] Es liefert Kraft an eine Welle, die etwas anderes als einen Propeller antreibt. Der größte Unterschied zwischen einem Turbojet- und einem Turbowellenmotor ist der auf einem

Der Turbowellenmotor wird der größte Teil der von den expandierenden Gasen erzeugten Energie verwendet, um eine Turbine anzutreiben, anstatt Schub zu erzeugen. Viele Hubschrauber verwenden ein Turbowellen-Gasturbinentriebwerk. Darüber hinaus werden Turbowellentriebwerke häufig als Hilfsaggregate in großen Flugzeugen eingesetzt.

6.9.6 Turbinentriebwerksinstrumente #

Motorinstrumente, die Öldruck, Öltemperatur, Motordrehzahl, Abgastemperatur und Kraftstofffluss anzeigen, sind sowohl für Turbinen- als auch für Hubkolbenmotoren gemeinsam. Es gibt jedoch einige Instrumente, die nur für Turbinentriebwerke gelten. Diese Instrumente liefern Angaben über das Motordruckverhältnis, den Turbinenaustrittsdruck und das Drehmoment. Darüber hinaus verfügen die meisten Gasturbinentriebwerke über mehrere Temperaturerfassungsinstrumente, sogenannte Thermoelemente, die den Piloten Temperaturwerte im und um den Turbinenabschnitt liefern.

6.9.7 Motordruckverhältnis (EPR) #

Ein Motordruckverhältnis (EPR) wird verwendet, um die Leistung eines Turbostrahl- / Turbofanmotors anzuzeigen. EPR ist das Verhältnis von Turbinenentladung zu Kompressoreinlassdruck. Druckmessungen werden durch Sonden im Motoreinlass und am Auspuff aufgezeichnet. Nach dem Sammeln werden die Daten an einen Differenzdruckwandler gesendet, der auf einem EPR-Messgerät für Flugdeck angezeigt wird. Das EPR-Systemdesign kompensiert automatisch die Auswirkungen von Fluggeschwindigkeit und Höhe. Änderungen der Umgebungstemperatur erfordern eine Korrektur an EPR-Angaben, um genaue Motorleistungseinstellungen bereitzustellen.

6.9.8 Abgastemperatur (EGT) #

Ein begrenzender Faktor in einem Gasturbinentriebwerk ist die Temperatur des Turbinenabschnitts. Die Temperatur eines Turbinenabschnitts muss genau überwacht werden, um eine Überhitzung der Turbinenschaufeln und anderer Komponenten des Abgasbereichs zu verhindern. Eine übliche Art der Temperaturüberwachung eines Turbinenabschnitts ist mit einem EGT-Messgerät. EGT ist eine Motorbetriebsgrenze, die zur Überwachung der gesamten Motorbetriebsbedingungen verwendet wird. Variationen von EGT-Systemen tragen je nach Standort der Temperatursensoren unterschiedliche Namen. Zu den üblichen Turbinentemperatur-Messlehren gehören das Messgerät für die Turbineneinlasstemperatur (TIT), das Messgerät für die Auslasstemperatur der Turbinenaustrittstemperatur (TOT), das Messgerät für die Temperatur zwischen der Turbine und die Temperatur der Turbinengastemperatur (TGT).

6.9.9 Drehmomentmesser #

Die Motorleistung des Turboprop/Turboshaft wird vom Drehmomentmesser gemessen. Drehmoment ist eine auf eine Welle ausgeübte Drehkraft. Der Drehmomentmesser misst die an der Welle angelegte Leistung. Turboprop- und Turbowellenmotoren sind darauf ausgelegt, Drehmomente für den Antrieb eines Propellers zu erzeugen. Drehmomentmesser werden in prozentualen Einheiten, Fuß-Pfund oder PSI kalibriert.

6.9.10 N1-Anzeige #

N1 stellt die Drehzahl des Niederdruckkompressors dar und wird als Prozentsatz der Auslegungsdrehzahl auf dem Indikator dargestellt. Nach dem Start wird die Drehzahl des Niederdruckkompressors vom N1-Turbinenrad bestimmt. Das N1-Turbinenrad ist über eine konzentrische Welle mit dem Niederdruckkompressor verbunden.

6.9.11 N2-Anzeige #

N2 repräsentiert die Drehzahl des Hochdruckkompressors und wird als Prozentsatz der Auslegungsdrehzahl auf dem Indikator dargestellt. Der Hochdruckkompressor wird vom Turbinenrad N2 gesteuert. Das N2-Turbinenrad ist über eine konzentrische Welle mit dem Hochdruckkompressor verbunden. [Abbildung 6-27]

6.9.12 Betriebsüberlegungen zum Turbinentriebwerk #

Die große Vielfalt an Turbinentriebwerken macht es unpraktisch, bestimmte Betriebsabläufe abzudecken, aber es gibt bestimmte betriebliche Überlegungen, die allen Turbinentriebwerken gemeinsam sind. Es handelt sich um Motortemperaturgrenzen, Fremdkörperschäden, Heißstart, Kompressor-Stall und Flammenausgang.

6.9.13 Motortemperaturbegrenzungen #

Die höchste Temperatur in einem Turbinentriebwerk tritt am Turbineneinlass auf. Die Turbineneinlasstemperatur ist daher in der Regel der begrenzende Faktor im Turbinentriebwerkbetrieb.

6.9.14 Schubvarianten #

Der Schub des Turbinentriebwerks variiert direkt mit der Luftdichte. Wenn die Luftdichte abnimmt, nimmt auch der Schub ab. Da die Luftdichte mit zunehmender Temperatur abnimmt, führen erhöhte Temperaturen auch zu einem verringerten Schub. Während sowohl Turbinen- als auch Hubkolbenmotoren bis zu einem gewissen Grad von hoher relativer Luftfeuchtigkeit betroffen sind, werden Turbinentriebwerke einen vernachlässigbaren Schubverlust erleiden, während die Motoren einen erheblichen Verlust der Bremsleistung aufweisen.

6.9.15 Fremdkörperschäden (FOD) #

Aufgrund der Auslegung und Funktion des Lufteinlasses eines Turbinentriebwerks besteht immer die Möglichkeit der Aufnahme von Schmutz. Dies verursacht insbesondere an den Kompressor- und Turbinenabschnitten erhebliche Schäden. Wenn die Einnahme von Trümmer auftritt, wird es als Fremdkörperschäden (FOD) bezeichnet. Typische FOD besteht aus kleinen Kerben und Dellen, die durch die Einnahme kleiner Objekte von der Rampe, dem Rollweg oder der Landebahn verursacht werden, aber es kommt auch zu FOD-Schaden, die durch Vogelschläge oder Eisaufnahme verursacht werden. Manchmal führt FOD zu einer totalen Zerstörung eines Motors.

Die Prävention von FOD hat einen hohen Stellenwert. Einige Motoreinlässe neigen dazu, während des Bodenbetriebs einen Wirbel zwischen dem Boden und dem Einlass zu bilden. An diesen Motoren kann ein Vortex-Dissipater installiert sein. Auch andere Vorrichtungen, wie Bildschirme und/oder Umlenkelemente, können verwendet werden. Preflight-Verfahren umfassen eine Sichtprüfung für alle Anzeichen von FOD.

6.9.16 Turbinentriebwerk Heiß-/Aufhängungsstart #

Wenn das EGT die sichere Grenze eines Flugzeugs überschreitet, erfährt es einen „heißen Start“. Es wird durch zu viel Kraftstoff in den Brennraum oder unzureichende Turbinendrehzahl verursacht. Wenn ein Motor einen heißen Start hat, lesen Sie die Anforderungen an die Inspektion in der AFM/POH oder in einem entsprechenden Wartungshandbuch.

Wenn der Motor nach der Zündung nicht auf die richtige Drehzahl oder nicht auf Leerlaufdrehzahl beschleunigt, ist ein Aufhänge- oder Fehlstart aufgetreten. Ein hängender Start kann durch eine unzureichende Startstromquelle oder eine Fehlfunktion der Kraftstoffsteuerung verursacht werden.

6.9.17 Kompressorstände #

Kompressorblätter sind kleine Tragflächen und unterliegen den gleichen aerodynamischen Prinzipien, die für jedes Schaufelblatt gelten. Eine Kompressorschaufel hat einen Anstellwinkel, der auf die Einlassluftgeschwindigkeit und die Drehgeschwindigkeit des Kompressors zurückzuführen ist. Diese beiden Kräfte bilden zusammen einen Vektor, der den tatsächlichen Anstellwinkel des Schaufelblattes zur sich nähernden Einlassluft definiert.

Ein Kompressorstillstand ist ein Ungleichgewicht zwischen den beiden Vektorgrößen, Einlassgeschwindigkeit und Kompressordrehzahl. Kompressorstände treten auf, wenn der Anstellwinkel der Kompressorblätter den kritischen Anstellwinkel überschreitet. An diesem Punkt wird ein sanfter Luftstrom unterbrochen und Turbulenzen entstehen durch Druckschwankungen. Kompressor-Stalls führen dazu, dass die Luft, die im Kompressor strömt, verlangsamt und stagniert und manchmal die Richtung umkehrt. [Abbildung 6-28]

Kompressorstände können vorübergehend und intermittierend oder stetig und schwer sein. Hinweise auf einen vorübergehenden / intermittierenden Stall sind normalerweise ein intermittierender „Knall“, da ein Fehlschlag und eine Strömungsumkehr stattfinden. Wenn sich der Stall entwickelt und stetig wird, kann sich aus der kontinuierlichen Strömungsumkehr starke Vibrationen und ein lautes Brüllen entwickeln. Oft weisen die Flugdeckanzeigen keinen milden oder vorübergehenden Stall auf, zeigen jedoch einen entwickelten Stall. Typische Instrumentenindikationen umfassen Schwankungen der Drehzahl und eine Erhöhung der Abgastemperatur. Die meisten transienten Stände sind nicht schädlich für den Motor und korrigieren sich oft nach ein oder zwei Pulsationen. Die Möglichkeit schwerer Motorschäden durch einen stationären Stand ist sofort. Die Wiederherstellung muss erreicht werden, indem die Leistung schnell reduziert, der Anstellwinkel des Flugzeugs verringert und die Fluggeschwindigkeit erhöht wird.

Obwohl alle Gasturbinenmotoren Kompressorständen unterliegen, verfügen die meisten Modelle über Systeme, die diese hemmen. Ein System verwendet einen variablen Einlassleitflügel (VIGV) und variable Statorflügel, die die einströmende Luft in einem geeigneten Winkel in die Rotorblätter leiten. Um den Luftdruckstillstand zu verhindern, betreiben Sie das Flugzeug innerhalb der vom Hersteller festgelegten Parameter. Wenn sich ein Kompressor-Stall entwickelt, befolgen Sie die im AFM/POH empfohlenen Verfahren.

6.9.18 Flameout #

Beim Betrieb eines Gasturbinentriebwerks, bei dem das Feuer im Motor unabsichtlich erlischt, tritt ein Flammenausgang auf. Wird die Rich-Grenze des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in der Brennkammer überschritten, bläst die Flamme aus. Dieser Zustand wird oft als reiches Flammenout bezeichnet. Es resultiert im Allgemeinen aus einer sehr schnellen Motorbeschleunigung, bei der ein übermäßig fettes Gemisch die Kraftstofftemperatur unter die Verbrennungstemperatur sinkt. Es kann auch durch einen unzureichenden Luftstrom zur Unterstützung der Verbrennung verursacht werden.

Ein häufigeres Auftreten von Flammen ist auf niedrigen Kraftstoffdruck und niedrige Motordrehzahlen zurückzuführen, die typischerweise mit einem Höhenflug verbunden sind. Diese Situation kann auch auftreten, wenn der Motor während eines Abstiegs zurückgedrosselt wird, was den mageren Zustand des Flammenausgangs aufbauen kann. Eine schwache Mischung kann leicht dazu führen, dass die Flamme ausstirbt, selbst bei einem normalen Luftstrom durch den Motor.

Jede Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr kann zu einem Flammenausfall führen. Dies kann auf längere ungewöhnliche Einstellungen, ein fehlerhaftes Kraftstoffkontrollsystem, Turbulenzen, Vereisung oder kein Kraftstoff mehr zurückzuführen sein.

Die Symptome eines Flammenausgangs sind normalerweise die gleichen wie bei einem Motorausfall. Wenn das Flammen auf einen vorübergehenden Zustand zurückzuführen ist, wie z. B. ein Ungleichgewicht zwischen Kraftstofffluss und Motordrehzahl, kann ein Luftstart versucht werden, sobald der Zustand korrigiert ist. In jedem Fall müssen die Piloten die in der AFM/POH beschriebenen Notfallverfahren einhalten. Im Allgemeinen enthalten diese Verfahren Empfehlungen bezüglich Höhe und Fluggeschwindigkeit, bei denen der Airstart am wahrscheinlichsten erfolgreich ist.

6.9.19 Leistungsvergleich #

Es ist möglich, die Leistung eines Hubkolbentriebwerks und verschiedener Typen von Turbinentriebwerken zu vergleichen. Damit der Vergleich genau ist, muss die Schubleistung (nutzbare PS) für das Hubkolbenantrieb anstelle der Bremsleistung verwendet werden, und für die Turbinenmotoren muss ein Nettoschub verwendet werden. Darüber hinaus müssen die Konfiguration und Größe des Flugzeugdesigns ungefähr gleich sein. Beim Vergleich der Leistung sind die folgenden Definitionen nützlich: Bremsleistung (PS) – Die Leistung, die tatsächlich an die Abtriebswelle geliefert wird. Bremsleistung ist die tatsächlich nutzbare Leistung. Nettoschub – Der Schub, der von einem Turbostrahl- oder Turbofan-Motor erzeugt wird. Schubpferdestärke (THP) – das Pferdestärkenäquivalent des Schubs, der von einem Turbostrahl- oder Turbofan-Motor erzeugt wird. Äquivalente Wellenpferdestärke (ESHP) – In Bezug auf Turboprop-Motoren die Summe der dem Propeller gelieferten Wellenleistung (SHP) und der von den Abgasen erzeugten THP. Abbildung 6-29 zeigt, wie vier Motortypen den Nettoschub vergleichen, wenn die Fluggeschwindigkeit erhöht wird. Diese Figur dient nur zu erklärenden Zwecken und ist nicht für bestimmte Motormodelle gedacht. Nachfolgend die vier Motortypen:

• Hubkolben
• Turbine, Propellerkombination (Turboprop)
• Turbinentriebwerk mit Lüfter (Turbofan)
• Turbojet (reiner Jet)

Durch Aufzeichnen der Leistungskurve für jeden Triebwerk kann ein Vergleich der maximalen Fluggeschwindigkeitsvariation mit dem verwendeten Triebwerkstyp durchgeführt werden. Da der Graph nur ein Vergleichsmittel ist, sind numerische Werte für Nettoschub, Flugzeuggeschwindigkeit und Luftwiderstand nicht enthalten.

Der Vergleich der vier Kraftwerke auf der Basis des Nettoschubes macht bestimmte Leistungsfähigkeiten offensichtlich. Im Drehzahlbereich links von Linie A übertrifft das Hubkolbentriebwerk die anderen drei Typen. Der Turboprop übertrifft den Turbofan im Bereich links von der Linie C. Der Turbofan-Motor übertrifft den Turbostrahl im Bereich links von der Linie F. Turboprop rechts von Linie C. Der Turbostrahl übertrifft das Hubkolbentriebwerk rechts von Linie D, der Turboprop rechts von Linie E und der Turbofan rechts von der Linie F.

Die Punkte, an denen die Flugzeugschleppkurve die Nettoschubkurven schneidet, sind die maximalen Flugzeuggeschwindigkeiten. Die vertikalen Linien von jedem der Punkte bis zur Grundlinie des Diagramms zeigen, dass das Turbostrahlflugzeug eine höhere Höchstgeschwindigkeit erreichen kann als Flugzeuge mit anderen Triebwerkstypen. Flugzeuge, die mit dem Turbofan-Triebwerk ausgestattet sind, erreichen eine höhere Höchstgeschwindigkeit als Flugzeuge, die mit einem Turboprop oder einem Hubkraftwerk ausgestattet sind.