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Strahltriebwerk


Dieser Artikel von Wikipedia ist u.U. veraltet. Die neue Version gibt es hier.

Strahltriebwerk der 1950er Jahre

Ein Strahltriebwerk ist ein meist für Flugzeuge verwendetes Triebwerk welches nach dem Prinzip des Rückstoßantriebes arbeitet.

Bei einem Stahltriebwerk wird Luft angesaugt und in einem Verdichter komprimiert. In die komprimierte und dadurch heiße Luft wird Treibstoff eingespritzt und diese Mischung dann in Brennkammern verbrannt. Die Verbrennung erhöht das Volumen des Gases und damit die Stömungsgeschwindigkeit sehr stark. Teil der so gewonnenen kinetischen Energie wird bevor die heißen Verbrennungsgase über eine Düse nach außen strömen - in einer den Brennkammern angeordneten Turbine entnommen und zum Antrieb des Verdichters anderer Aggregate (Generator Hydraulikpumpen etc.) verwendet. Bei Strahltriebwerken ist dahinter zur kurzfristigen Leistungserhöhung noch Nachbrenner angebracht.

Weil der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff der angesaugten Luft entnommen wird spricht auch von >>luftatmenden<< Triebwerken.

Dieser Prozess kann mit dem in Ottomotor verglichen werden wobei jedoch alle vier - Ansaugen Verdichten Verbrennen und Ausstoßen - und kontinuierlich statt finden. Die dadurch entsprechend Newtons Reaktionsprinzip entstehende Kraft ist der Schub. Entgegen landläufigen Meinung "drücken" die ausströmenden Gase nicht die umgebende Luft. Ein Strahltriebwerk beschleunigt eine geringe Masse Luft sehr stark wogegen ein eine große Luftmasse weitaus schwächer beschleunigt. Die Effizienz dieses Prozesses wird wie bei jedem Verbrennungsmotor durch das Verhältnis zwischen dem Volumen komprimierten Luft und dem Volumen des Abgases

Der Vorteil des Strahlantriebes liegt in Effizienz bei hohen Geschwindigkeiten (speziell bei Überschallgeschwindigkeit ) und in großen Höhen.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Anfänge

Propellerflugzeuge erreichten maximale Geschwindigkeiten von rund km/h die zwar noch etwas durch verstellbare und unterschiedliche Techniken zur Leistungssteigerungen der Motoren werden konnten doch das Ziel Flugzeuge zu die schneller als 800 km/h fliegen konnten sich nicht realisieren ohne eine neue Antriebstechnik entwickeln. Die bereits früh als beste Lösung Rückstoßantriebe ließen sie sich erst umsetzten als genügend Kenntnisse auf den Gebieten der Aerodynamik der Thermodynamik sowie der Metallurgie hatte.

Die frühsten Versuche ein Strahltriebwerk herzustellen hybride Designs bei denen die Kompression durch externe Energiequelle erfolgte. In einem solchem System von Secondo Campini) wird die Luft durch Gebläse das durch einen konventionellen Benzinmotor angetrieben mit dem Treibstoff vermischt und dann zur verbrannt. Es gab drei Exemplare dieser Bauart zwar Henri Coandas Coanda-1910 die viel später Campini Caproni CC.2 und der japanische Tsu-11-Antrieb für die Ohka Tokkōtai -Flugzeuge gegen Ende des Zweiten Weltkrieges vorgesehen war. Keiner dieser Antriebe war die CC.2 stellte sich schließlich als langsamer als konventionelles Flugzeug mit dem gleichen Motor.

Frank Whittle

Frank Whittle reichte schon 1928 verschiedene Vorschläge zum Bau von Triebwerken welche auf thermodynamischen Gesetzen beruhten. Er dachte ein Antriebssystem das in einer Höhe von m seine Arbeit verrichten sollte. Seine Pläne zu Beginn auf Gespött und Misstrauen was Zusammenarbeit mit dem Militär behinderte. Auch Anfragen verschiedenen Industriefirmen schlugen fehl.

Der Schlüssel zu einem verwendbaren Strahlantrieb die Gasturbine bei der die Energie zum Antrieb Kompressors von der Turbine selbst stammte. Die an einem solchen integrierten Design begann in England 1930 als Frank Whittle Patente für einen Antrieb einreichte (bewilligt 1932 ) der eine einzige Turbinenstufe am Auspuff um einen Zentrifugalkompressor anzutreiben.

Erst 1935 als R. D. Williams die Firma Jets Ltd. gründete und ihn als Erfinder entwickelte Whittle mit seinen Mitarbeitern ein Triebwerk speziell für die Luftfahrt verwendet werden sollte: U. Es war das erste für ein entwickelte Strahltriebwerk welches am 12. April 1937 seinen Erstlauf absolvierte.

Nach diesem Erfolg entschlossen sich auch Militärs zur die Erforschung und Weiterentwicklung der Man beauftragte die Firma Gloster Aircraft ein Flugzeug herzustellen. So entstand das erstmals am 15. Mai 1941 geflogene Versuchsflugzeug E 28/39.

Hans von Ohain

Das erste in Deutschland entwickelte Strahltriebwerk von BMW . Es arbeitete mit einem Axial verdichter der den zu dieser Zeit verbreiteten überlegen war. Er hatte einen besseren Wirkungsgrad höheren Belastungen und einen kleineren Durchmesser. So es möglich den in der Brennkammer benötigten mit nur sechs Kompressorstufen aufzubauen. Das Verhältnis Verbrauch zu Leistung wies ein Optimum bei Druckverhältnis von 5:1 auf. Bei den Tests nur Druckverhältnisse von 3:1 gewählt um das nicht ausgereifte Triebwerk nicht zu überlasten.

Priorität hatte die Erhöhung der Geschwindigkeit; Kraftstoffverbrauch Gewicht und Stabilität sollten im Laufe Entwicklung verbessert werden. Um Erfahrungen bei der der Brennkammer zu sammeln verwendete man eine die aus einem von einem üblichen Kolbenmotor Kompressor einer Gasturbine sowie einer Brennkammer bestand.

Unabhängig und in Unkenntnis von Whittles begann 1935 Hans von Ohain in Deutschland seine Arbeit an einem Triebwerk. Ohain wandte sich an Ernst Heinkel einen der größeren Flugzeughersteller dieser Zeit der sofort die Vorteile neuen Antriebskonzeptes erkannte. Heinkel hatte erst kürzlich Hirth Motoren Fabrik gekauft und Ohain bildete mit seinem Mechanikermeister Max Hahn eine neue dieser Fabrik.

Der erste Antrieb - HeS-1 - bereits 1937 . Anders als Whittle benützte Ohain Wasserstoff als Treibstoff worauf er auch seine Erfolge zurück führte. Die nachfolgenden Entwürfe fanden Höhepunkt im HeS-3 mit 550 kp das in eine einfache Heinkel He 178 eingebaut wurde. Nach einer beeindruckend kurzen flog dieser Prototyp bereits im August 1939 als das erste Düsenflugzeug der Welt. Als erstes Strahltriebwerk in wurde später das Jumo 004 ab 1942 produziert welches unter anderem in der Messerschmitt Me 262 zum Einsatz kam. Bis Kriegsende wurden 8.000 Einheiten dieses Triebwerks produziert.

Militärische Weiterentwicklung

In der Zeit des Kriegs entstand Deutschland eine große Typenvielfalt. Bis zum Ende Krieges wurden weit über 2.000 Düsenflugzeuge aller in Deutschland hergestellt wie z.B. die Jäger Messerschmitt Me 262 und Heinkel He 162 bzw. der Bomber Arado Ar 234 .

Mit zur Entwicklung der Triebwerke gehörten die neuen Versuchsanstalten Mess- und Testgeräte. Man leistungsfähigere Windkanäle und neue Werkstoffe um den bevorstehenden gerecht zu werden. Die Entwicklung und Herstellung Baugruppen wurden bis auf die Konstruktion der von BMW übernommen. Deren Entwicklung übernahm die Versuchsanstalt in Göttingen (AVA). So entstand das Versuchstriebwerk mit der Bezeichnung P-3302 (V-1 bis das 1941 auf dem Prüfstand getestet wurde. zeichneten sich aber auch noch in dieser Schwierigkeiten auf da aufgrund von minderwertigen Schweißnähten Materialien oft Schaufeln brachen bevor sie die Drehzahl von 9000 U/min erreichten. Auch im der Brennkammer welche durch unterschiedliche Hitzestellen verzogen was im ganzen Triebwerk eine thermische Unruhe Folge hatte kam es zu Ausfällen. Erfahrungen Daten die von Industriebrennern genutzt wurden erwiesen bald als sehr ungeeignet da sie unter Umständen im Betrieb standen. Dies führte auch dass der in das Triebwerk eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrannt wurde was auf eine zu Brennkammer zurück zuführen war.

Nach 1941 galt es eine neue von 800 kp zu erreichen. Dies gelang dadurch dass den Kompressor umkonstruierte um so bei gleichem den Luftdurchsatz um 30% zu steigern. Durch Erhöhung des Luftdurchflusses erhöhte sich auch die die jetzt bei 6:1 bis 7:1 lag. der Weiterentwicklung ergaben sich neue Probleme. Es zu Schaufelbrüchen die auf spröde Schweißnähte zurückzuführen

Es zeigte sich auch dass man der neuen Technik anders umgehen musste. Rasche wie man sie bei Kolbenmotoren vornehmen konnte man einfach den Gashebel nach vorn schob nun nicht mehr möglich wollte man nicht Verlust oder die Beschädigung des Triebwerks herbeiführen. der weiteren Verbesserung hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches und Leistung begann man 1943 mit der Herstellung BMW Triebwerks BMW-003 (Nullserie). Das Triebwerk bewährte bei vielen Tests so z. B. beim Dauertest der jedoch nicht ganz ohne Modifikationen den Kompressorschaufeln vonstatten ging da man diese um so ein vorzeitiges Reißen zu verhindern. der Erprobung erfolgten weitere Umbauten aber auch Rekorde wie z. B. der Höhenflug mit Arado 234 die eine Höhe von 13.500 erreichte. Weiterhin stellte man auch die Art Kraftstoffes um. Man verwendete nun nicht mehr Normalbenzin sondern Dieselkraftstoff der den Vorteil hatte dass er war und keiner größeren Destillationen bei der bedurfte. Aufgrund dieses Umstiegs mussten auch Veränderungen werden. Man baute eine Zündanlage ein um schwerer zündenden Dieselkraftstoff zu entflammen. Bis zum des Krieges wurden an die 1300 Triebwerke Typs BMW-003 hergestellt die weiterhin Verbesserungen bei Leistung erreichten die später bei etwa 900 lag.

Das erarbeitet Wissen bildete die Grundlage weitere Entwicklungen in den Militärbündnissen des Warschauer und in der NATO . Raketentriebwerke wurden unter Hochdruck entwickelt um Wettlauf ins All und später auch zum zu bestreiten. Im zivilen Einsatzbereich standen vor Treibstoffverbrauch Gewicht und Sicherheit im Vordergrund. Leistung Geschwindigkeit wurden hingegen im militärischen Bereich gefordert.

Im Laufe der Zeit entstanden neue und ein immer größer werdendes Einsatzgebiet. Heute Luftfahrzeuge zum größten Teil mit Luftstrahltriebwerken angetrieben. werden genutzt um Lasten in das All den Bau der Weltraumstation ISS zu befördern. Im Bereich der langsameren kraftstoffsparenden Flugzeuge werden Propellerturbinen eingesetzt die im wesentlich günstiger sind.

Funktionsweise und Aufbau

Im Gegensatz zu den Raketentriebwerken nutzen Strahltriebwerke für die Verbrennung des Luft welche auch den größten Teil der bildet. Der Ablauf ist dabei folgender: Als wird dem Triebwerk Luft zugeführt die durch stark erhitzt und verdichtet wird. Dieser Luft dann ein Kraftstoff zu geführt der Selbst- Fremdgezündet wird. Die Verbrennung in einem Strahltriebwerk Pulsstrahltriebwerk) läuft konstant ab. Durch den starken der aufgrund der exothermen Reaktion entsteht kommt zur raschen Expansion der Gase wodurch es einem nach hinten gerichteten Austritt der Verbrennungsgase und Vortrieb erzeugt werden.

Die meisten Strahltriebwerke besitzen Einlauf Kompressor Turbine und Düse. Bis auf Einlauf und werden alle anderen Komponenten über eine oder mehrer Wellen gekoppelt. Der vorne angeordnete Einlauf bei hohen Geschwindigkeiten von Nutzen da schon die einströmenden Luftmassen vorverdichtet wird.

Verdichter / Kompressor

Nach dem Lufteinlauf folgt der Verdichterkomplex aus mehreren Laufrädern mit Kompressorschaufeln in axialer bestehen. Er hat die Aufgabe der einströmenden kinetische Energie zuzuführen und sie somit zu Die Verdichterstufen werden in Richtung Brennkammer in Durchmesser stets kleiner. Durch die Verengung kommt zu einer Strömungsverzögerung was eine Druckerhöhung als hat. Es gibt unterschiedliche Kompressoren die sich der Streckung der Länge usw. der Schaufeln In einem Kompressor befinden sich Lauf- und Erstgenannte sind zur Förderung und damit für Zuführung von kinetischer Energie der Luftmasse zuständig das Leitrad der Rotationsbewegung der Luft entgegen und so eine fortlaufende Drallbewegung mit folgendem verhindert. Meist werden die Leiträder auch als bezeichnet da diese Umlenkschaufeln häufig fest am des Triebwerks angebracht sind.

Brennkammer

Durch hohe Kompression der Luft kommt parallel zu einem starken Temperaturanstieg. Die so Luft fließt anschließend in die Brennkammer wo Kraftstoff zugeführt wird. Dieser braucht nicht durch (z.B. Zündkerze) - außer beim Start - werden sondern entzündet sich von alleine. Durch exotherme Reaktion des Sauerstoff - Kohlenwasserstoff -Gemisches kommt es zu einem erneuten Temperaturanstieg einer schlagartigen Ausdehnung des Gases was einen Druckanstieg zur Folge hat. Dieser Abschnitt des ist durch die enorme Hitzebelastung von über stark belastet und so wird deshalb der Kontakt zwischen der Flamme und der Ummantlung Damit die Flamme nicht erlischt befinden sich Einspritzventile für den Kraftstoff in einer geschützten d.h. sie befindet sich in einem Windschatten durchströmenden Luft. Weiterhin wird in unmittelbarer Umgebung Luftdurchflussgeschwindigkeit reduziert um ein Erlöschen der Flamme verhindern und einen optimale Verbrennung zu erzielen.

Turbine

Die nach hinten austretenden Gase treffen auf eine Turbine. Sie treibt über eine oder mehrere Wellen - den Kompressor an. den meisten Einstrom - Triebwerken wird der Teil der kinetischen Energie für den Rückstoß Es wird also nur so viel Energie die Turbine übertragen wie man braucht um Kompressor zu betreiben.

Düse

Um die Austrittsgeschwindigkeit der Gase zu folgt nach der Turbine eine Düse. Durch Verkleinerung des Durchmessers kann somit die Ausströmgeschwindigkeit werden was einen stärkeren Rückstoß zur Folge Einstrom - Strahltriebwerke gehören heutzutage nicht mehr modernsten Ausstattung da sie eine hohe Lärmentwicklung hohen Kraftstoffverbrauch und eine hohe Umweltbelastung darstellen. bilden die einfachste Form eines Wellenstrahltriebwerks. Ihre ist vor allem in den Jahren nach Zweiten Weltkrieg zu finden.

Strahltriebwerkstypen

Zweistrom-Strahltriebwerk

Das Zweistrom-Strahltriebwerk wird wegen seines zweiten auch Mantelstrom- oder Bypasstriebwerk genannt. Weist das Triebwerk ein hohes (einen hohen Anteil der Mantelluft am Gesamtausstoß) so spricht man vom einem Fan- oder Bläsertriebwerk . Im Vergleich zu anderen Strahtriebwerksarten hat einen größeren Durchmesser. Grund dafür ist der Fan der sich meist ganz vorn befindet. Strahltriebwerk gibt es nicht nur einen sondern Luftströme. Ein Teil der vom Fan angesaugten strömt durch das Triebwerkszentrum (mit Verdichter Brennkammer Turbine) der andere (der Nebenstrom ) um dieses herum. Beide Ströme zusammen den Gesamtrückstoß.

Der Fan hat die Aufgabe große anzusaugen und zum Kompressor und in den zu leiten. Aufgrund des großen Fandurchmessers (bespielsweise Rolls Royce Trent 900 2 95 m) kann dieser nicht über eine Welle mit dem Kompressor und Turbine gekoppel werden da die Schaufelspitzen eine hohe Geschwindigkeit erreichen würden. Man nutzt daher ein Untersetzungsgetriebe oder zwei Wellen um die Komponenten mit unterschiedlichen Drehzahlen betreiben zu können.

Realisiert wird dies durch eine verschachtelte Ein Rundprofil als Primär- und ein Rohrprofil Sekundärwelle. Die Primärwelle führt durch die Sekundärwelle ist länger als diese. Neben einer unterschiedlichen ist auch eine entgegengesetzte Drehrichtung möglich wodurch zu transportierenden Luftmassen stabilisiert werden. Üblich ist die unterschiedlichen Drehrichtungen durch die Veränderung der von Kompressor und Turbine zu erreichen.

In einigen Zweistromstrahltriebwerken befinden sich mehr zwei Wellensysteme und ermöglichen so eine weitere von Kompressor und Turbine. Man unterscheidet in Fällen Niederdruck- (ND) und Hochdruck- (HD) Kompressor Niederdruck- und Hochdruckturbine. Generell ist die dem über die Turbine entzogene Rückstoßenergie größer als einem Einstrom-Strahltriebwerk da mit ihr der Fan werden muss.

Mit Zweistromtriebwerken kann bei Geschwindigkeiten zwischen bis 850 km/h mit geringem Kraftstoffverbrauch und ein hoher Luftdurchsatz erzielt werden. Die Luft Sekundärstromkreises kann entweder direkt ausgestoßen oder dem beigefügt werden. Der Vorteil der zweiten Vorgehensweise die Bildung einer Pufferschicht zwischen den heißen und der kalten Umgebungsluft (-60° C in m Höhe) was die starke Lärmentwicklung bei schlagartigen Entspannung der Abgase verhindert.

Heute werden fast ausschließlich Zweistromtriebwerke genutzt sie einen höheren Wirkungsgrad und höhere Sicherheit als Einstromtriebwerke. Je nach Verwendungszweck ist das unterschiedlich. Für hohe Geschwindigkeiten wie z.B. beim EJ200 für den Eurofighter Typhoon steht die Rückstoßenergie im Vordergrund weswegen Nebenstromverhältnis gering ist. Bei zivilen oder auch Flugzeugen wie Passagier- und Transportmaschinen stehen niedrige und Verschleißwerte im Vordergrund weswegen hier das hoch (10 zu 1) ist.

siehe auch: Turbofan

Propellerturbine

Eine Sonderform ist der Antrieb eines durch die Turbine (im Gegensatz zu sonstigen bei denen im Regelfall der Antrieb der durch einen Kolbenmotor erfolgt). Diese Antriebsart wird als Turboprop bezeichnet.

Staustrahltriebwerke

Bei Staustrahltriebwerken erfolgt die Verdichtung der der Brennkammer Luft nicht durch mechanisch bewegliche Teile (z.B. - Turbinen) sondern durch Ausnutzung des Staudrucks. der Staustrahltriebwerke kann man noch zwischen Ramjet- Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet) -Triebwerken unterscheiden. Bei behält die einströmende Luft auch nach der und in der Brennkammer Überschallgeschwindigkeit (Überschallverbrennung - Combustion). Ausgerüstet mit einem solchen Antrieb wurde von der NASA entwickeltes Hyperschall-Flugzeug die X-43A am 27. März 2004 erfolgreich getestet. Die X-43A erreichte dabei 10 s die 7-fache Schallgeschwindigkeit.

Pulsstrahltriebwerk

Seltener als Turbinentriebwerke werden Pulsstrahltriebwerk eingesetzt. Unterschied zu anderen Strahltriebwerken verläuft die Verbrennung Das Triebwerk besitzt eine Klappenvorrichtung ( Flatterventil ) zur Luftregulierung eine Brennkammer und ein in der sich die heißen Gase beruhigen

Anders als bei einem Staustrahltriebwerk strömt Luft selbstständig ein. Der weitere Ablauf ist als bei Wellentriebwerken. Die Flatterventile öffnen sich lassen Luft in die Brennkammer einströmen. Danach das Luft-Kraftstoffgemisch durch eine Zündkerze entzündet. Durch Expansion und den daraus resultierenden Druck schließen die Flatterventile die Verbrennungsgase können nur nach entweichen und erzeugen den Vortrieb. Nachdem das das Triebwerk verlassen hat kommt es zu Entspannung und zu einem erneuten Öffnen der Dadurch kann frische Luft nachströmen und wird gezündet. Dieser Ablauf wiederholt sich periodisch. Das stellt einen Helmholtz-Resonator dar.

Wie bei den Staustrahltriebwerken ist auch Einsatzspektrum der Pulsstrahltriebwerke begrenzt. Der bekannteste Einsatz während des Zweiten Weltkriegs als Antrieb der V1 . Heutzutage wird es lediglich bei kleineren und in verkleinertem Maßstab vor allem in verwendet. Zu den Nachteilen zählen die enorme (bis zu 140 dB ) die durch die periodischen Zündungen entsteht die relativ geringe Leistung.

Siehe auch: Raketentriebwerk



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