Jet Triebwerk

Das moderne Jet Triebwerk

Tim Takeoff
04.01.2019
2 Fotos
6 Minuten

Das Triebwerk eines Verkehrsflugzeuges ist ein Wunderwerk der Technik. Der Wandel der Zeit hat die Antriebe in der Luftfahrt immer leiser, effizienter und natürlich leistungsstärker gemacht. Doch wie funktioniert so ein Triebwerk überhaupt? Gibt es eigentlich einen „Zündschlüssel?“

Letztere Frage ist schneller erklärt als die erste: Natürlich gibt es keinen „Zündschlüssel“. Das Anlassen eines Triebwerks ist grundsätzlich hochkomplex. Früher bedurfte es eines Bordingenieurs, um es in Gang zu setzen. Viele Parameter müssen überwacht werden, um Fehlfunktionen sofort zu erkennen.

Die FADEC

Genau genommen, regelt in einem modernen Flugzeug eine sogenannte „Full Authority Digital Engine Control“-Einheit, kurz FADEC genannt, die meisten Abläufe. Sie ersetzt die Regelfunktionen und reagiert auf fast alle Situationen vollautomatisch. Heutige Cockpits verfügen oftmals nur noch über einen Schalter zum Anlassen des Triebwerks und die Regelung der Zufuhr von Kerosin. Alle anderen Parameter werden indirekt über den Bordcomputer eingegeben oder überwacht. Hier wird der vorher berechnete Startschub eingegeben sowie die Leistungseinstellungen für den Reiseflug. Egal ob man besonders viel Zeit oder Treibstoff sparen möchte – der Computer und die FADEC kümmern sich darum!

Doch wie funktioniert so ein Triebwerk überhaupt?

Ein Triebwerk besteht aus verschiedenen Bereichen. Wenn man vorne beginnt, sieht man mit bloßen Augen die großen Schaufeln, den Fan. Dieser erzeugt in modernen Flugzeugen rund 90 Prozent des Gesamtschubs. Man spricht hier vom sogenannten „Nebenstromverhältnis“. Wir haben in diesem Beitrag bereits darüber berichtet. Blickt man etwas tiefer, entdeckt man, dass das Triebwerk in zwei Bereiche unterteilt ist. Am äußeren „Mantel“ kann man direkt nach hinten „hindurchschauen“. Denn der Fan schiebt die Luft ungehindert ins „Freie“. Im inneren Bereich kann man sogar noch die ersten Stufen der Verdichtung des Kompressors erblicken. Was man von außen weniger gut erkennen kann, ist dass dieser Kompressor noch viele weitere Stufen hat. Eine Stufe besteht aus einem drehenden Schaufelrad, dem Rotor, und einem stehenden Rad, dem Stator.

Nur heiße Luft?

Der Kompressor verdichtet die eintretende Luft (wie eine Art Turbolader im Auto) immer weiter, bis sie eine hohe Grundtemperatur erreicht hat. Nach den Grundsätzen der Physik erzeugt hoher Druck Wärme. Diese heiße Luft erreicht nun die Brennkammer. Hier kommt neben der Luft das Kerosin ins Spiel. Es wird über mehrere „Fuel Nozzles“ in den Brennraum eingespritzt. Dort kann es sich bei genügend hohen Temperaturen selbst entzünden und am Laufen halten. Die nun stattfindende Explosion und Ausdehnung der Gase entlädt sich kontrolliert über mehrere Schaufeln in verschiedenen Stufen der „Turbine“. Diese angetriebenen Schaufeln treiben über eine innenliegende Welle wiederum den Fan ganz vorne sowie den Kompressor an. Der Fan bildet sozusagen die erste Stufe des Kompressors.

Doch was kommt zuerst, Luft oder Treibstoff? Das Anlassen.

Wie startet sich nun so ein Triebwerk? Natürlich, am Ende wird Treibstoff verbrannt. Doch bevor es zu einer Verbrennung kommen kann, muss es eine gewisse Drehzahl erreicht haben. Um das Triebwerk vom Stillstand zum Drehen anzuregen, benutzt man Druckluft, sogenannte „Bleed Air“. Diese kann extern über einen „Air Starter“ zugeführt werden. Da das Flugzeug aber ohnehin am Boden mit Strom und Klimatisierung versorgt werden muss, benutzt man eine kleine Hilfsturbine, die „Auxiliary Power Unit“ – APU. Diese sitzt fest installiert im Heck des Rumpfes und kann völlig autark betrieben werden.

„Cleared for Engine Start!“

Sobald die Piloten die Freigabe zum Anlassen der Triebwerke bekommen haben, gibt die FADEC Druckluft von der APU auf eines der Triebwerke. Diese reicht aus, um den Kompressor auf eine Mindestdrehzahl von circa 20 Prozent zu bringen. Ist die Drehzahl erreicht, wird in der Turbine Treibstoff zugeführt. Da die Temperatur noch nicht ganz ausreicht, um von selbst eine Entzündung herbeizurufen (der Zündpunkt von Kerosin liegt bei circa 220 Grad Celsius), sind rings um die Brennkammer Zündkerzen angebracht. Diese erzeugen einen Funken, der das Luft-Kerosin-Gemisch entfacht. Die Turbine treibt nun wie oben beschrieben über eine Welle den Fan und den Kompressor an. Die Abgastemperaturen steigen und das Triebwerk kann sich nun selbst „am Leben“ erhalten, solange die Zufuhr von Kerosin bestehen bleibt. Die Zünder werden von der FADEC ab einer gewissen Abgastemperatur abgeschaltet, da sie nicht mehr benötigt werden.

„Zapfluft“

Alle weiteren Triebwerke werden mithilfe des laufenden Triebwerks „angeblasen“. Luft wird im Kompressor „abgezapft.“ Diese Zapfluft, ebenfalls „Bleed Air“ genannt, versorgt danach auch die Klimaanlage des Flugzeuges. Die APU schalten die Piloten nach dem Start der Triebwerke ab. Sie wird nicht mehr benötigt. Das Abstellen des Triebwerks ist umso einfacher: Es wird lediglich die Treibstoffzufuhr abgeschaltet. Danach läuft es langsam im Leerlauf aus.

Wenn man beim nächsten Flug die Ohren spitzt, kann man deutlich den Punkt heraushören, ab wann „gezündet“ wird. Aus dem säuselnden und langsamen Anlaufen, wird plötzlich ein lautes Brummen. Auch in diesem Video sehr gut zu hören.

Dicke Leitungen…

Das derzeit größte Triebwerk der Welt, das General Electric GE90, montiert an der Boeing 777, bringt es pro Seite auf über 52 Tonnen Schub. Die Kerosinleitungen zum Triebwerk sind so mächtig, dass bei Volllast im Start ein guter 5 Liter Eimer pro Sekunde durch das Rohr rauschen kann. Der Durchmesser des Fans beträgt über 3 Meter. Damit passt der ganze Rumpf einer Boeing 737 hindurch.

…  und teure Werkstoffe

Um eine möglichst hohe Effizienz der Schaufeln zu erhalten, sind diese aus speziellen Werkstoffen gefertigt. Der Fan selbst besteht aus einer Composite Struktur aus Kohlefaser und Titan. Kompressor und Turbine sind extremen Temperaturen ausgesetzt, hier nutzt man hauptsächlich Keramikstrukturen. Jede einzelne Schaufel, egal ob im Fan oder im Rotor, ist von innen belüftet. Dies sorgt dafür, dass bei den extremen Kräften jederzeit der Abstand zum äußeren Mantel auf Hundertstel genau eingestellt werden kann. Ein Wunderwerk der Technik eben! Dies hat natürlich seinen Preis. Eine einzige Verdichterschaufel im Fan des GE90, kostet ca. 80.000 EUR.

Downsizing liegt im Trend

Da die Triebwerke immer verlässlicher geworden sind, verschwinden die berühmten Vierstrahler, wie die Boeing 747 oder der Airbus A340 langsam vom Markt. Moderne Zweistrahler bieten ähnliche Sicherheit und sind deutlich ökonomischer. Besondere Beispiele sind hier die Boeing 787 Dreamliner, die kommende Boeing 777X und der Airbus A350 oder A330 Neo. Sie ersetzen in den kommenden Jahren sämtliche älteren Modelle auf der Langstrecke. Lediglich der Airbus A380 hält sich insbesondere auf Strecken mit extrem hoher Kapazität noch wacker.

Flugzeuge mit Gangschaltung?

Auch im Kurz- und Mittelstreckensegment setzt man auf moderne Technik. Der Airbus A320 Neo und die Boeing 737 Max verfügen bereits über die aktuelle Technik der Getriebefans. Hierbei wird die Welle mit welcher der Fan mit dem Kompressor verbunden ist, wie im Auto über ein Getriebe übersetzt. Dadurch kann der Fan langsamer als der Kompressor drehen, und setzt trotzdem eine enorme Luftmenge durch. Man kann also wortwörtlich (und voll automatisch) in einem „höheren Gang“ fliegen. Praktisch, oder?

Mehr zur Funktionsweise moderner Jet Triebwerke könnte ihr in diesem Video erfahren (englische Sprache).

von Tim Takeoff

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