„Die faszinierendsten Maschinen aller Zeiten“: Wie Düsentriebwerke funktionieren

Wenn Sie ein Flugzeug besteigen, ist Ihnen vielleicht der kleine Wirbel oder die weiße Raute in der Mitte des Triebwerks aufgefallen, die sich wie eine optische Täuschung langsam dreht. Hinter diesem Wirbel verbirgt sich das wahrscheinlich komplexeste Stück Technik, das je entwickelt wurde: Eines der Düsentriebwerke, die Ihr Flugzeug antreiben.

„Es gibt keinen Metall-auf-Metall-Kontakt. Sie können Tausende von Stunden laufen – 60.000 Stunden – und sind nur von Luft und Kraftstoff abhängig. Die Komponenten sind unglaublich langlebig“, sagte Dr. Magdy Attia, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Embry-Riddle Aeronautical University.

Ich sprach mit Dr. Attia und James Speich, Marketingdirektor bei Pratt & Whitney Commercial Engines, um zu verstehen, wie ein Düsentriebwerk funktioniert.

Attia ist ein langjähriger Experte für Luft- und Raumfahrttechnik; er hat mehrere Patente für die Luft- und Raumfahrt und eine ganze Reihe von Veröffentlichungen mit Peer-Review. Er leitet außerdem eine Gasturbinen-Forschungseinrichtung an der Universität. Speich ist ein Maschinenbauingenieur, der seit 45 Jahren bei Pratt arbeitet; er begann seine Karriere mit frühen Computermodellen von Düsentriebwerken und mit dem PW4000, dem Nachfolger des ersten Triebwerks, das Pratt für die Boeing 747 entwickelt hat. Mehr dazu später.

Ich glaube, wir sind hier in guten Händen.

Das Wichtigste zuerst: Viel Luft. Wirklich viel.

Düsentriebwerke funktionieren grundsätzlich so, dass sie Luft ansaugen, viel Luft, sie mit Kraftstoff mischen und die entstehenden Gase mit großer Geschwindigkeit nach hinten ausstoßen. Dadurch wird das Triebwerk durch Reaktion vorwärts bewegt, ebenso wie das daran befestigte Flugzeug.

Aber so funktionieren die heutigen Düsentriebwerke nicht ganz. Der meiste Schub, den ein modernes Düsentriebwerk erzeugt, kommt einfach dadurch zustande, dass eine unglaubliche Menge Luft auf einmal und sehr schnell bewegt wird. Ganze 90 % der Luft, die in die Triebwerke eintritt, strömt direkt hindurch, ohne sich mit Treibstoff zu vermischen und zu entzünden. Die vorderen Gebläseschaufeln sind Sklaven des Triebwerkskerns – und dieser Kern sorgt dafür, dass die Gebläse die ganze schwere Arbeit verrichten.

In den Anfängen des Düsentriebwerks verwendeten Flugzeuge eine Art von Düsentriebwerk, das heute nicht mehr für kommerzielle Zwecke hergestellt wird: ein Turbojet, bei dem die gesamte in das Triebwerk eingesaugte Luft durch den Kern strömt. Heutzutage verwenden Flugzeuge stattdessen Turbofans, die fast die gesamte angesaugte Luft um den Triebwerkskern herumleiten. Sie sind leiser und weitaus effizienter als Turbofans.

Die größten Düsenflugzeuge, die heute in Betrieb sind, haben Triebwerke mit extrem hohem Bypass, bei denen ein hohes Verhältnis zwischen der Luft, die durch das Triebwerk beschleunigt wird – unter Umgehung des Kerns – und der Luft, die in den Kern des Triebwerks selbst gelangt, besteht. Der riesige Durchmesser dieser Triebwerke, wie z. B. bei der Boeing 777, ist auf die Notwendigkeit eines riesigen Fans an der Vorderseite zurückzuführen.

Zivile Turbojets flogen nicht mehr mit der Concorde, die sogar etwas nutzte, das nur bei Überschalljägern und -bombern zu finden war: Nachbrenner – buchstäblich Treibstoff in den Auspuff spritzen, um einen enormen Schub zu erzeugen – um beim Start zu beschleunigen und später im Flug die Schallmauer zu durchbrechen.

Heutzutage sieht man beim Start von Zivilflugzeugen keine Flammen mehr aus dem Heck schlagen.

Propulsive Energie ist der Schlüssel

Die Theorie, die mit Turbofans in die Praxis umgesetzt wird, nennt man Vortriebseffizienz. Es ist viel effizienter, ein großes Luftvolumen bei relativ langsamer Geschwindigkeit zu bewegen, als ein kleines Luftvolumen bei höherer Geschwindigkeit zu bewegen. (Attia hat mir diese Maxime auswendig gelernt). „Im Allgemeinen werden beim Start 70 bis 80 % des Schubs durch den Bypass und etwa 20 % durch den Kern selbst erzeugt. Wenn das Flugzeug die Reiseflughöhe erreicht, tendiert dies dazu, dass 95 % bis 100 % des Schubs vom Bypass geliefert werden“, sagte Attia. Turbojet-Triebwerke, wie die der Concorde, hatten überhaupt keinen Bypass, was ihren Betrieb sehr teuer machte. Um den Jet zum Dröhnen zu bringen, mussten die Triebwerke viel Treibstoff verbrennen.

Saugen, Drücken, Knallen und Blasen

„Saugen, Drücken, Knallen, Blasen“ – so erinnern sich Piloten an die verschiedenen Stufen eines Triebwerks.

Sog

Der Fan an der Vorderseite saugt Luft an. 10 Prozent dieser Luft gehen in den sogenannten „Kern“ des Motors. 90 Prozent werden beschleunigt und um den Kern herum gepresst.

Drücken

Die Luft, die in den Kern gelangt ist, bewegt sich durch eine Reihe von kleinen, sich drehenden Schaufeln, die an einer Welle, dem Kompressor, befestigt sind. Durch die Drehung der Luft entsteht ein Drehmoment, das die Luft beschleunigt und ihren Druck erhöht.

Knall

Der Brennstoff wird dann in die komprimierte Luft eingespritzt und in einer Brennkammer entzündet.

Blasen

Das sich schnell ausdehnende, heiße Gasgemisch durchläuft anschließend einen weiteren Satz von Gebläseschaufeln, die Turbine. Diese Gase werden von kleinen Schaufeln auf der Turbine aufgefangen, wodurch sich die Turbine dreht.

Diese Turbine ist das Unglaubliche.

Die sich drehende Turbine dreht eine Welle, die die Kompressoren zum Drehen bringt und das Gebläse ganz vorne antreibt. Das Wichtigste: Der Kern des Triebwerks dient dazu, den vorderen Ventilator zu drehen – und nicht dazu, den größten Teil des Schubs selbst zu erzeugen.

„Die Turbine wandelt die durch die Verbrennung erzeugte Wärmeenergie in mechanische Energie um. Es sind die kleinen Turbinenschaufeln, die sich drehen, und sie sind mit einer Welle verbunden, die wiederum mit dem Kompressor und dem Ventilator verbunden ist“, erklärt Attia. Diese Turbinenwelle dreht sich mit etwa 20.000 Umdrehungen pro Minute – das ist sehr, sehr schnell.

Wie viel Luft wird also benötigt, um genügend Vorwärtsbewegung zu erzeugen, um die Flügel in Gang zu bringen und Auftrieb zu erzeugen?

53 UPS-Trucks

Ein typisches Düsentriebwerk saugt etwa 1.500 Kilogramm Luft pro Sekunde an. Die Luftdichte auf Meereshöhe beträgt etwa 1,2 Kilogramm pro Kubikmeter. Dr. Attia rechnete für uns schnell nach: Ein typischer UPS-Lastwagen hat 23 Kubikmeter, und dementsprechend saugt ein Düsentriebwerk das Volumen von etwa 53 UPS-Lastwagen an – pro Sekunde.

„Der Massenstrom der Luft ist der wichtigste Teil der Schubgleichung“, sagte Attia. Speich pflichtete ihm bei und merkte an, dass Pratt & Whitney sich seit 20 Jahren auf die Effizienz des Antriebs konzentriert: „

Die Fan-Schaufeln

Die von den Fan-Schaufeln erzeugte Energie ist erstaunlich. Und jeder Motorenhersteller scheint eine farbenfrohe Art zu haben, die Energie zu erklären, die in einer einzigen Schaufel steckt. Ein Hersteller gab an, dass die Energie eines einzigen Ventilatorflügels im Betrieb einen Kleinwagen über ein siebenstöckiges Gebäude schleudern könnte. Ein anderer: Sie reicht aus, um neun Doppeldeckerbusse (oder 13 Elefantenbullen) anzuheben.

Die Fanschaufeln für die Pratt-Triebwerke bestehen aus einer hochfesten Aluminiumlegierung mit einer Vorderkante aus Titan. Andere Hersteller von Düsentriebwerken verwenden hohle Titanschaufeln oder mit Kohlefaser ummantelte Schaufeln. Witzig: Die Fanschaufeln selbst sind Mini-Flügel, die den Auftrieb erzeugen.

Wenn man sich dem Triebwerk nähert, fällt auf, wie nah die Fanspitzen am Triebwerksgehäuse sind. P&W hat sie sogar so präzise gebaut, dass sie nur ein paar Millimeter an der Gummi-Innenverkleidung reiben, wodurch eine kleine Rille im Gummi entsteht. Die Toleranzen müssen unglaublich klein sein.

Überschall-Fan-Spitzen und die Getriebefan-Lösung

Im Flug drehen sich die Fan-Schaufeln mit etwa 3.000 U/min. Bei höheren Drehzahlen beginnen die Fanspitzen im Überschallbereich zu laufen und erzeugen einen enormen Lärm in Form eines durchdringenden Dröhnens. Im Gegensatz dazu dreht sich die Niederdruckwelle mit 12.000 U/min und die Hochdruckwelle mit etwa 20.000 U/min. Wie verlangsamt man nun diese Rotation – von einer hohen Drehzahl im hinteren Teil des Motors zu einer niedrigeren Drehzahl im vorderen Teil?

Zurück zur Motorkonstruktion.

Durch die Mitte des Kerns verläuft eine „Welle in der Welle“. Eine Welle treibt die Niederdruckturbine, den Niederdruckverdichter und den Ventilator an, die Sie auf dem Diagramm oben sehen können. Eine andere Welle treibt die Hochdruckturbine und den Hochdruckverdichter an. Jedes Bauteil muss sich für jede Stufe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen.

Um den Fan an der Vorderseite zu verlangsamen, „brauchen wir mehr Stufen mit niedrigerem Druck, um den Fan mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Hochdruckwelle laufen zu lassen“, sagte Speich und bezog sich dabei auf die herkömmliche Konstruktion des Motors mit zwei Wellen. Diese zusätzlichen Stufen erhöhen das Gewicht und wirken sich negativ auf die Treibstoffeffizienz aus.

Und hier kommt der Getriebefan, oder GTF, ins Spiel. Es ist die bedeutendste Entwicklung in der Triebwerkstechnologie seit 20 Jahren.

Erstens hat P&W im Laufe der Zeit herausgefunden, wie man ein leichtes Getriebegehäuse herstellen kann. Das jetzige Getriebe wiegt etwa 250 Pfund; die ersten Versuche lagen eher bei 600 Pfund. Das Getriebe reduziert die Drehgeschwindigkeit um das Dreifache. Wenn die Niederdruckwelle mit 10.000 Umdrehungen pro Minute läuft, reduziert das Getriebe den Ventilator selbst auf 3.000 Umdrehungen pro Minute, aber – und das ist entscheidend – ohne weitere Niederdruckstufen hinzuzufügen. Pratt hat seit Speichs Eintritt in das Unternehmen daran gearbeitet und 20 Jahre lang aktiv Tests durchgeführt.

„Mit dem Getriebe kann man den Ventilator langsamer drehen, aber den Rest der Komponenten mit der für sie effizientesten Geschwindigkeit rotieren lassen“, erklärt Speich. Im Gegenzug benötigt man weniger Niederdruckstufen – und weniger Gewicht der Komponenten – um den Lüfter mit dieser niedrigeren Geschwindigkeit zu betreiben.

„Das Getriebe hat seinen Weg in den Motor gefunden“, sagte Speich. „

Effizienzgewinne im Laufe der Zeit

Speich ist seit Mitte der 1970er Jahre bei P&W und kam kurz nachdem P&W das JT9D auf den Markt brachte, das die erste Boeing 747 antrieb. „Diese ersten Triebwerke hatten ein Bypass-Verhältnis von etwa 4,5 zu 1“, so Speich. Außerdem wurden sie mit Fan-Gehäusen aus Stahl und Komponenten aus Schmiedestahl gebaut, was ziemlich schwer war.

Im Vergleich dazu bietet das GTF-Triebwerk ein Bypass-Verhältnis von 12 zu 1. Das Triebwerk soll eine um 15 % höhere Treibstoffeffizienz bieten. „

Speich wies darauf hin, dass sein Unternehmen Effizienzsteigerungen von mehr als 15 % verzeichnet. „Ich erinnere mich noch daran, als eine ein- bis zweiprozentige Steigerung der Treibstoffeffizienz eine Goldmine war“, sagte er mit Blick auf seine Karriere im Unternehmen. Die GTF fliegt derzeit auf fünf Plattformen: der Airbus A320Neo-Serie, dem Airbus A220, den E-2-Jets von Embraer, dem in Russland hergestellten Irkut MC-21 und dem Mitsubishi MRJ. (Die beiden letztgenannten sind noch nicht im kommerziellen Einsatz.) Sie werden in den USA unter anderem von Hawaiian, Delta und Spirit geflogen.

„Was die Aerodynamik, die Materialien, die Strukturen, die Physik … alles angeht, werden diese Flugzeuge bis an ihre Grenzen gebracht“, so Attia. „

Und falls Sie sich wundern sollten, der kleine Wirbel in der Mitte der Triebwerksnase dient dazu, jedem – visuell – zu zeigen, ob sich der Ventilator dreht oder nicht.

Mike Arnot ist der Gründer von Boarding Pass NYC, einer in New York ansässigen Reisemarke, und Privatpilot.

Das Bild stammt vom Autor.

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