Flugzeuge: Turbinentriebwerke - Aircraft: Turbine Engines
Ein Flugzeugturbinentriebwerk besteht aus einem Lufteinlass, einem Kompressor, Brennkammern, einem Turbinenabschnitt und einem Auslass. Schub wird erzeugt, indem die Geschwindigkeit der durch den Motor strömenden Luft erhöht wird. Turbinentriebwerke sind höchst wünschenswerte Triebwerke für Flugzeuge. Sie zeichnen sich durch reibungslosen Betrieb und ein hohes Leistungsgewicht aus und verwenden leicht verfügbaren Kerosin.
Vor den jüngsten Fortschritten bei Material, Triebwerksdesign und Herstellungsprozessen war die Verwendung von Turbinentriebwerken in kleinen/leichten Serienflugzeugen aus Kostengründen unerschwinglich. Heutzutage produzieren mehrere Flugzeughersteller kleine/leichte turbinengetriebene Flugzeuge oder planen die Produktion. Diese kleineren Flugzeuge mit Turbinenantrieb bieten in der Regel Platz für drei bis sieben Passagiere und werden als Very Light Jets (VLJs) oder Microjets bezeichnet.
Arten von Turbinentriebwerken
Turbinenmotoren werden nach der Art der verwendeten Kompressoren klassifiziert. Es gibt drei Arten von Kompressoren – Zentrifugalströmung, Axialströmung und Zentrifugal-Axialströmung. Die Kompression der Einlassluft wird in einem Zentrifugalströmungsmotor erreicht, indem Luft senkrecht zur Längsachse der Maschine nach außen beschleunigt wird.
Der Axialstrommotor komprimiert Luft durch eine Reihe von rotierenden und stationären Schaufeln, die die Luft parallel zur Längsachse bewegen. Das zentrifugal-axiale Strömungsdesign verwendet beide Arten von Kompressoren, um die gewünschte Kompression zu erreichen.
Der Weg, den die Luft durch den Motor nimmt und wie Strom erzeugt wird, bestimmt den Motortyp. Es gibt vier Arten von Flugzeugturbinentriebwerken – Turbojet, Turboprop, Turbofan und Turboshaft.
Turbostrahl
Das Turbojet-Triebwerk besteht aus vier Abschnitten – Kompressor, Brennkammer, Turbinenabschnitt und Auspuff. Der Verdichterabschnitt leitet Einlassluft mit hoher Geschwindigkeit zur Brennkammer. Die Brennkammer enthält den Kraftstoffeinlass und den Zünder für die Verbrennung.
Die expandierende Luft treibt eine Turbine an, die über eine Welle mit dem Kompressor verbunden ist, und hält den Motorbetrieb aufrecht. Die beschleunigten Abgase des Triebwerks sorgen für Schub. Dies ist eine grundlegende Anwendung zum Komprimieren von Luft, zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches, zum Erzeugen von Energie zur Aufrechterhaltung des Motorbetriebs und zum Ablassen von Abgasen für den Antrieb.
Turbojet-Triebwerke sind in Reichweite und Ausdauer begrenzt. Sie reagieren auch langsam auf Gasanwendungen bei niedrigen Kompressordrehzahlen.
Turboprop
Ein Turboprop-Triebwerk ist ein Turbinentriebwerk, das über ein Untersetzungsgetriebe einen Propeller antreibt. Die Abgase treiben eine Leistungsturbine an, die durch eine Welle verbunden ist, die die Untersetzungsgetriebeanordnung antreibt. Bei Turboprop-Motoren ist ein Untersetzungsgetriebe erforderlich, da die optimale Propellerleistung bei viel niedrigeren Drehzahlen als der Betriebsdrehzahl des Motors erreicht wird.
Turboprop-Triebwerke sind ein Kompromiss zwischen Turbojet-Triebwerken und Kolbentriebwerken. Turboprop-Motoren sind am effizientesten bei Geschwindigkeiten zwischen 250 und 400 Meilen pro Stunde und Höhen zwischen 18.000 und 30.000 Fuß. Sie funktionieren auch gut bei den für Start und Landung erforderlichen langsamen Fluggeschwindigkeiten und sind treibstoffeffizient. Der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch des Turboprop-Triebwerks liegt normalerweise im Höhenbereich von 25.000 Fuß bis zur Tropopause vor.
Turbofan
Turbofans wurden entwickelt, um einige der besten Eigenschaften des Turbojets und des Turboprops zu kombinieren. Turbofan-Triebwerke sind so konstruiert, dass sie zusätzlichen Schub erzeugen, indem sie einen sekundären Luftstrom um die Brennkammer herum umleiten. Die Turbofan-Umgehungsluft erzeugt erhöhten Schub, kühlt den Motor und hilft bei der Abgasgeräuschunterdrückung. Dies bietet eine Reisegeschwindigkeit vom Turbojet-Typ und einen geringeren Kraftstoffverbrauch.
Die Einlassluft, die durch ein Turbofan-Triebwerk strömt, wird normalerweise in zwei getrennte Luftströme aufgeteilt. Ein Strom geht durch den Triebwerkskern, während ein zweiter Strom den Triebwerkskern 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 Fan strömt, dividiert durch den Massenluftstrom, der durch den Triebwerkskern strömt.
Turbowelle
Der vierte verbreitete Strahltriebwerkstyp ist die Turbowelle. Es liefert Kraft an eine Welle, die etwas anderes als einen Propeller antreibt. Der größte Unterschied zwischen einem Strahltriebwerk und einem Turbowellentriebwerk besteht darin, dass bei einem Turbowellentriebwerk der Großteil der von den expandierenden Gasen erzeugten Energie zum Antrieb einer Turbine und nicht zur Erzeugung von Schub verwendet wird. Viele Hubschrauber verwenden ein Turbowellen-Gasturbinentriebwerk. Außerdem werden Turbowellentriebwerke in großem Umfang als Hilfstriebwerke in großen Flugzeugen verwendet.
Instrumente für Turbinentriebwerke
Motorinstrumente, die Öldruck, Öltemperatur, Motordrehzahl, Abgastemperatur und Kraftstofffluss anzeigen, sind sowohl Turbinen- als auch Hubkolbenmotoren gemeinsam. Es gibt jedoch einige Instrumente, die nur für Turbinentriebwerke gelten. Diese Instrumente liefern Angaben über das Motordruckverhältnis, den Turbinenauslassdruck und das Drehmoment. Darüber hinaus haben die meisten Gasturbinentriebwerke mehrere Temperaturerfassungsinstrumente, Thermoelemente genannt, die Piloten Temperaturmesswerte in und um den Turbinenabschnitt liefern.
Motordruckverhältnis (EPR)
Ein Motordruckverhältnis (EPR)-Messgerät wird verwendet, um die Leistungsabgabe eines Turbojet/Turbofan-Triebwerks anzuzeigen. EPR ist das Verhältnis von Turbinenauslass zu Verdichtereinlassdruck. Druckmessungen werden von Sonden aufgenommen, die im Motoreinlass und am Auslass installiert sind. Nach der Erfassung werden die Daten an einen Differenzdruckwandler gesendet, der auf einem EPR-Messgerät im Flugdeck angezeigt wird.
Das EPR-Systemdesign kompensiert automatisch die Auswirkungen von Fluggeschwindigkeit und Höhe. Änderungen der Umgebungstemperatur erfordern eine Korrektur der EPR-Anzeigen, um genaue Motorleistungseinstellungen bereitzustellen.
Abgastemperatur (EGT)
Ein begrenzender Faktor in einem Gasturbinentriebwerk ist die Temperatur des Turbinenabschnitts. Die Temperatur eines Turbinenabschnitts muss genau überwacht werden, um ein Überhitzen der Turbinenschaufeln und anderer Abgasabschnittskomponenten zu verhindern. Eine übliche Methode zur Überwachung der Temperatur eines Turbinenabschnitts ist die Verwendung eines EGT-Messgeräts. EGT ist eine Motorbetriebsgrenze, die verwendet wird, um die gesamten Motorbetriebsbedingungen zu überwachen.
Variationen von EGT-Systemen tragen je nach Position der Temperatursensoren unterschiedliche Namen. Übliche Turbinentemperaturerfassungsmessgeräte umfassen das Messgerät für die Turbineneinlasstemperatur (TIT), das Messgerät für die Turbinenauslasstemperatur (TOT), das Messgerät für die Zwischenstufenturbinentemperatur (ITT) und das Messgerät für die Turbinengastemperatur (TGT).
Drehmomentmesser
Die Ausgangsleistung des Turboprop-/Turbowellenmotors wird vom Drehmomentmesser gemessen. Drehmoment ist eine auf eine Welle ausgeübte Torsionskraft. Der Drehmomentmesser misst die auf die Welle aufgebrachte Leistung.
Turboprop- und Turbowellenmotoren sind so ausgelegt, dass sie ein Drehmoment zum Antrieb eines Propellers erzeugen. Drehmomentmesser werden in Prozenteinheiten, Fuß-Pfund oder psi kalibriert.
N1-Indikator
N1 stellt die Drehzahl des Niederdruckkompressors dar und wird auf der Anzeige als Prozentsatz der Auslegungsdrehzahl angezeigt. Nach dem Start wird die Drehzahl des Niederdruckverdichters durch das N1-Turbinenrad geregelt. Das N1-Turbinenrad ist über eine konzentrische Welle mit dem Niederdruckverdichter verbunden.
N2-Indikator
N2 stellt die Drehzahl des Hochdruckkompressors dar und wird auf der Anzeige als Prozentsatz der Auslegungsdrehzahl angezeigt. Der Hochdruckverdichter wird vom N2-Turbinenrad geregelt. Das N2-Turbinenrad ist über eine konzentrische Welle mit dem Hochdruckkompressor verbunden.
Überlegungen zum Betrieb von Turbinentriebwerken
Die große Vielfalt von Turbinentriebwerken macht es unpraktisch, spezifische Betriebsverfahren abzudecken, aber es gibt gewisse Betriebsüberlegungen, die allen Turbinentriebwerken gemeinsam sind. Dies sind Motortemperaturgrenzen, Beschädigung durch Fremdkörper, Heißstart, Blockieren des Kompressors und Flammenausfall.
Begrenzungen der Motortemperatur
Die höchste Temperatur in jedem Turbinentriebwerk tritt am Turbineneinlass auf. Die TIT ist daher normalerweise der begrenzende Faktor im Turbinentriebwerksbetrieb.
Schubvariationen
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 außerdem erhöhte Temperaturen auch zu einem verringerten Schub. Während sowohl Turbinen- als auch Hubkolbenmotoren bis zu einem gewissen Grad von hoher relativer Feuchtigkeit betroffen sind, erfahren Turbinenmotoren einen vernachlässigbaren Schubverlust, während Hubkolbenmotoren einen erheblichen Verlust an Bremsleistung erfahren.
Beschädigung durch Fremdkörper (FOD)
Aufgrund der Konstruktion und Funktion des Lufteinlasses eines Turbinentriebwerks besteht immer die Möglichkeit der Aufnahme von Trümmern. Dies verursacht erhebliche Schäden, insbesondere an den Verdichter- und Turbinenabschnitten. Wenn Fremdkörper verschluckt werden, spricht man von Fremdkörperschäden (FOD).
Typische FOD bestehen aus kleinen Kerben und Dellen, die durch Aufnahme kleiner Gegenstände von der Rampe, dem Rollweg oder der Landebahn verursacht werden, aber FOD-Schäden, die durch Vogelschlag oder Eisaufnahme verursacht werden, treten ebenfalls auf. Manchmal führt FOD zur totalen Zerstörung eines Motors.
Die Prävention von FOD hat hohe Priorität. Einige Triebwerkseinlässe neigen dazu, während des Bodenbetriebs einen Wirbel zwischen dem Boden und dem Einlass zu bilden. Bei diesen Motoren kann ein Wirbelableiter eingebaut werden. Andere Vorrichtungen, wie etwa Siebe und/oder Deflektoren, können ebenfalls verwendet werden. Zu den Vorflugverfahren gehört eine Sichtprüfung auf Anzeichen von FOD.
Turbinentriebwerk Hot/Hung Start
Wenn die EGT die Sicherheitsgrenze eines Flugzeugs überschreitet, erfährt es einen „Heißstart“. Dies wird durch zu viel Kraftstoff verursacht, der in die Brennkammer gelangt, oder durch eine zu geringe Turbinendrehzahl. Jedes Mal, wenn ein Motor einen Warmstart hat, siehe AFM/POH oder ein entsprechendes Wartungshandbuch für Inspektionsanforderungen.
Wenn der Motor nach dem Zünden nicht auf die richtige Drehzahl beschleunigt oder nicht auf Leerlaufdrehzahl beschleunigt, liegt ein Blockier- oder Fehlstart vor. Ein hängender Start kann durch eine unzureichende Startstromquelle oder eine Fehlfunktion der Kraftstoffsteuerung verursacht werden.
Kompressorstillstände
Verdichterschaufeln sind kleine Tragflächen und unterliegen den gleichen aerodynamischen Prinzipien, die für alle Tragflächen gelten. Eine Kompressorschaufel hat einen AOA, der ein Ergebnis der Einlassluftgeschwindigkeit und der Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors ist. Diese beiden Kräfte kombinieren sich, um einen Vektor zu bilden, der den tatsächlichen AOA des Strömungsprofils zu der sich nähernden Einlassluft definiert.
Ein Kompressorstillstand ist ein Ungleichgewicht zwischen den beiden Vektorgrößen, der Einlassgeschwindigkeit und der Kompressordrehzahl. Verdichterstillstände treten auf, wenn die AOA der Verdichterschaufeln die kritische AOA überschreitet. An diesem Punkt wird der gleichmäßige Luftstrom unterbrochen und es entstehen Turbulenzen mit Druckschwankungen. Kompressorstillstand führt dazu, dass die im Kompressor strömende Luft langsamer wird und stagniert, manchmal mit umgekehrter Richtung.
Kompressorstillstände können vorübergehend und intermittierend oder stetig und schwerwiegend sein. Anzeichen für einen vorübergehenden/zeitweiligen Strömungsabriss sind normalerweise ein zeitweiliger „Knall“, wenn eine Fehlzündung und eine Strömungsumkehr stattfinden. Wenn sich der Strömungsabriss entwickelt und stetig wird, können sich starke Vibrationen und ein lautes Dröhnen aus der kontinuierlichen Strömungsumkehr entwickeln.
Oftmals zeigen die Flugdeckanzeigen keinen leichten oder vorübergehenden Strömungsabriss an, aber sie zeigen einen entwickelten Strömungsabriss an. Typische Instrumentenanzeigen sind Drehzahlschwankungen und ein Anstieg der Abgastemperatur. Die meisten vorübergehenden Strömungsabrisse sind für den Motor nicht schädlich und korrigieren sich oft nach ein oder zwei Pulsationen. Die Möglichkeit eines schweren Motorschadens aufgrund eines stationären Abwürgens ist unmittelbar gegeben. Die Wiederherstellung muss durch schnelles Reduzieren der Leistung, Verringern des AOA des Flugzeugs und Erhöhen der Fluggeschwindigkeit erreicht werden.
Obwohl alle Gasturbinentriebwerke Verdichterstillständen ausgesetzt sind, haben die meisten Modelle Systeme, die diese verhindern. Ein System verwendet eine variable Einlassleitschaufel (VIGV) und variable Leitschaufeln, die die einströmende Luft in einem geeigneten Winkel in die Rotorblätter leiten. Um Strömungsabrisse zu vermeiden, betreiben Sie das Flugzeug innerhalb der vom Hersteller festgelegten Parameter. Wenn sich ein Kompressorstillstand entwickelt, befolgen Sie die im AFM/POH empfohlenen Verfahren.
Flammenausbruch
Beim Betrieb eines Gasturbinentriebwerks kommt es zu einem Flammenausfall, bei dem das Feuer im Triebwerk unbeabsichtigt erlischt. Wird die Fettgrenze des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses im Brennraum überschritten, bläst die Flamme aus. Dieser Zustand wird oft als fetter Flammendurchbruch bezeichnet. Dies resultiert im Allgemeinen aus einer sehr schnellen Motorbeschleunigung, bei der ein zu fettes Gemisch dazu führt, dass die Kraftstofftemperatur unter die Verbrennungstemperatur fällt. Es kann auch durch einen unzureichenden Luftstrom zur Unterstützung der Verbrennung verursacht werden.
Ein häufigeres Auftreten von Flammenabrissen ist auf niedrigen Kraftstoffdruck und niedrige Motordrehzahlen zurückzuführen, die typischerweise mit Höhenflügen verbunden sind. Diese Situation kann auch auftreten, wenn der Motor während eines Abstiegs gedrosselt wird, was zu einem Flammabriss im mageren Zustand führen kann. Ein schwaches Gemisch kann selbst bei einem normalen Luftstrom durch den Motor leicht zum Erlöschen der Flamme führen.
Jede Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr kann zu einem Flammendurchbruch führen. Dies kann auf längere ungewöhnliche Fluglagen, ein nicht funktionierendes Kraftstoffregelsystem, Turbulenzen, Vereisung oder Kraftstoffmangel zurückzuführen sein.
Die Symptome eines Flammendurchbruchs sind normalerweise die gleichen wie die nach einem Motorschaden. Wenn der Flammenabriss 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 Piloten die anwendbaren Notfallverfahren befolgen, die im AFM/POH beschrieben sind. Im Allgemeinen enthalten diese Verfahren Empfehlungen bezüglich Höhe und Fluggeschwindigkeit, bei denen der Luftstart am wahrscheinlichsten erfolgreich ist.
Leistungsvergleich
Es ist möglich, die Leistung eines Kolbentriebwerks und verschiedener Arten von Turbinentriebwerken zu vergleichen. Damit der Vergleich genau ist, müssen die Schubpferdestärken (nutzbare Pferdestärken) für das Kolbentriebwerk anstelle der Bremspferdestärken verwendet werden, und der Nettoschub muss für die turbinengetriebenen Motoren verwendet werden. Außerdem müssen die Konstruktionskonfiguration und die Größe des Flugzeugs ungefähr gleich sein.
Beim Leistungsvergleich sind die folgenden Definitionen hilfreich:
• Bremsleistung (BHP) – die tatsächlich an die Abtriebswelle abgegebene Leistung. Bremsleistung ist die tatsächlich nutzbare Leistung.
• Nettoschub – der von einem Turbojet- oder Turbofan-Triebwerk erzeugte Schub.
• Schubleistung (THP) – das PS-Äquivalent des von einem Turbojet- oder Turbofan-Triebwerk erzeugten Schubs.
Äquivalente Wellenleistung (ESHP) – in Bezug auf Turboprop-Triebwerke die Summe der an den Propeller abgegebenen Wellenleistung (SHP) und der durch die Abgase erzeugten THP.
Die Abbildung zeigt, wie vier Arten von Triebwerken im Nettoschub verglichen werden, wenn die Fluggeschwindigkeit erhöht wird. Diese Abbildung dient nur zu Erläuterungszwecken und gilt nicht für bestimmte Motormodelle. Im Folgenden sind die vier Arten von Motoren aufgeführt:
• Kolbentriebwerk
• Turbinen-Propeller-Kombination (Turboprop)
• Turbinentriebwerk mit Lüfter (Turbofan)
• Turbojet (Reinstrahl)
Durch Auftragen der Leistungskurve für jedes Triebwerk kann ein Vergleich der maximalen Flugzeuggeschwindigkeitsschwankung mit dem verwendeten Triebwerkstyp angestellt werden. Da die Grafik nur ein Vergleichsmittel ist, sind numerische Werte für Nettoschub, Flugzeuggeschwindigkeit und Luftwiderstand nicht enthalten.
Der Vergleich der vier Triebwerke anhand des Nettoschubs macht gewisse Leistungsfähigkeiten deutlich. In dem links von Linie A gezeigten Drehzahlbereich übertrifft das Hubkolbentriebwerk die anderen drei Typen. Der Turboprop übertrifft den Turbofan im Bereich links von Linie C. Das Turbofan-Triebwerk übertrifft den Turbojet im Bereich links von Linie F. Das Turbofan-Triebwerk übertrifft das Kolbentriebwerk rechts von Linie B und den Turboprop rechts der Linie C. Der Turbostrahl übertrifft das Kolbentriebwerk rechts von Linie D, den Turboprop rechts von Linie E und den Turbofan rechts von Linie F.
Die Punkte, an denen die Flugzeugwiderstandskurve die Nettoschubkurven schneidet, sind die maximalen Flugzeuggeschwindigkeiten. Die vertikalen Linien von jedem der Punkte zur Grundlinie des Diagramms zeigen an, dass das Turbojet-Flugzeug eine höhere Höchstgeschwindigkeit erreichen kann als Flugzeuge, die mit den anderen Triebwerkstypen ausgestattet sind. Flugzeuge, die mit dem Turbofan-Triebwerk ausgestattet sind, erreichen eine höhere Höchstgeschwindigkeit als Flugzeuge, die mit einem Turboprop- oder Hubkolbentriebwerk ausgestattet sind.
