Populärwissenschaftliche Artikel zu den Funktionsprinzipien von Flugtriebwerken

Flugzeugmotoren sind die treibende Kraft hinter der Eroberung des Himmels durch die Menschheit, und ihre Entwicklung lässt sich als ein technologisches Epos in seiner Gesamtheit beschreiben. Vom „Flyer“ der Gebrüder Wright, der 1903 mit einem Kolbenmotor den ersten Motorflug absolvierte, bis hin zu den hybriden Elektroantrieben, die die Luftfahrtlandschaft im 21. Jahrhundert grundlegend veränderten – jeder Durchbruch in der Motorentechnologie hat die Geschichte der Luftfahrt grundlegend verändert.

Der erste Flugmotor der Menschheitsgeschichte

Sternmotor

Funktionsprinzipdiagramm

Funktionsprinzip:
Ansaugtakt: Der Kolben bewegt sich nach unten und im Zylinder entsteht Unterdruck. Das Einlassventil öffnet sich und das Luft-Kraftstoff-Gemisch (bzw. reine Luft bei Dieselmotoren) gelangt in die Zylinder.
Kompressionstakt: Der Kolben bewegt sich nach oben, um das Gemisch (oder die Luft) im Zylinder zu verdichten. Dadurch erhöhen sich Temperatur und Druck. Das Einlassventil ist geschlossen, um die Abdichtung während des Kompressionsvorgangs zu gewährleisten.
Verbrennungstakt: Am Ende des Kompressionstakts zündet die Zündkerze (Benzinmotor) oder die Einspritzung des Kraftstoffeinspritzventils (Dieselmotor) von selbst, und das Gemisch verbrennt heftig. Das Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck drückt den Kolben nach unten und überträgt die Kraft über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle, wodurch Drehkraft erzeugt wird.
Auspufftakt: Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und die Auslassventile öffnen sich. Die Abgase nach der Verbrennung werden zur Vorbereitung des nächsten Zyklus in den Zylinder abgelassen.

Modell:

5-Zylinder-Sternmotormodell

Turbojet-Triebwerk

Frühe Strahltriebwerke, heute als Turbojets klassifiziert, lassen sich in drei Hauptkomponenten unterteilen: den Verdichter, die Brennkammer und die Turbine. Je nach Verdichterstruktur unterscheidet man zwischen Zentrifugal- und Axialströmungstriebwerken.

Grundstruktur eines Einrotor-Axialstrahltriebwerks

Funktionsprinzip:
Lufteinlass und -kompression: Luft gelangt in den Kompressor, wo sie abwechselnd von Stator- und Rotorblättern (ähnlich gestapelten Windrädern) angesaugt und komprimiert wird. Die Form der Blätter erzeugt einen sich erweiternden Strömungsweg, der die Luft verlangsamt und erwärmt (gemäß dem Laval-Prinzip), um den Druck zu erhöhen.
Verbrennung: Druckluft vermischt sich in der Brennkammer mit Kerosin und entzündet sich, wodurch ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck entsteht (analog zum Arbeitstakt eines Kolbenmotors).
Turbine & Antrieb: Das Gas strömt rückwärts durch die Turbine und dreht diese. Die Turbinen-Kompressorwelle hält die Kompression aufrecht und schließt so den Leistungskreislauf. Die Abgase treten durch die Düse aus und erzeugen Schub.
Anlauf: Ein externer Motor treibt zunächst den Kompressor an, doch sobald er läuft, wandelt das Triebwerk kontinuierlich Kerosin in Schub um.

Modell:

SKYMECH 1/3 Turbojet-Triebwerksmodell

Turbofan-Triebwerk

Der Grundaufbau eines Win -Rotor-Turbofan-Triebwerks

Funktionsprinzip:
Lufteinlass und anfängliche Druckbeaufschlagung: Die Luft tritt durch den Fan ein, der in einen inneren und einen äußeren Kanal unterteilt ist. Die Luft im inneren Kanal wird durch den Niederdruckkompressor weiter komprimiert, und die Luft im äußeren Kanal strömt direkt nach hinten und sorgt gemeinsam für Schub (Eigenschaften eines Turbofan-Triebwerks).
Hochdruckkompression: Die vom Niederdruckkompressor komprimierte Luft gelangt in den Hochdruckkompressor und wird erneut komprimiert, um den Luftdruck und die Temperatur zu erhöhen und die Verbrennung vorzubereiten.
Verbrennungsarbeit: Luft mit hohem Druck und hoher Temperatur gelangt in die Brennkammer, vermischt sich mit Kraftstoff und verbrennt, wodurch Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck entsteht.
Turbinenantrieb: Das Gas trifft zuerst auf die Hochdruckturbine und treibt die Hochdruckrotorwelle (mit dem Hochdruckkompressor) zur Rotation an, wodurch der Energiekreislauf „Hochdruckkompressor – Hochdruckturbine“ realisiert wird. Anschließend wird die Niederdruckturbine getroffen und die Niederdruckrotorwelle (mit Lüfter und Niederdruckkompressor) zur Rotation angetrieben, wodurch der Energiekreislauf „Lüfter/Niederdruckkompressor“ abgeschlossen wird.

Modell:

TECHING Turbofan-Triebwerk

Wellenleistungstriebwerk

Funktionsprinzipdiagramm

Funktionsprinzip:
Lufteinlass und -kompression: Luft gelangt über den Einlass in den Kompressor, wo mehrstufige Schaufeln Druck und Temperatur erhöhen. Anschließend vermischt sie sich in der Brennkammer mit Kraftstoff und erzeugt Gase mit hoher Temperatur und hohem Druck.
Turbinenarbeit: Verbrennungsgase treiben zunächst die Gasgeneratorturbine an (und treiben den Kompressor an, was etwa 50 % der Energie verbraucht). Die restlichen Gase expandieren durch eine separate Arbeitsturbine und erzeugen dabei mechanische Arbeit.
Leistungsumwandlung: Die mehrstufigen Impeller der Nutzturbine wandeln Wärmeenergie effizient in Wellenleistung um, die durch ein Hauptgetriebe verlangsamt und im Drehmoment (bis zu 100:1) verstärkt wird. Dies treibt Hubschrauberrotoren/Heckrotoren für Senkrechtstarts und Schwebeflüge an.
Designschwerpunkt: Die freie Turbinenstruktur entkoppelt die Stromerzeugung von der Kompression. Eine Diffusordüse minimiert den Abgasschub und nutzt ca. 98 % der Verbrennungsenergie. Dies verbessert die Kraftstoffeffizienz im Vergleich zu Turbojets um 20–30 % und bietet ein besseres Leistungsgewicht im Vergleich zu Kolbenmotoren. Damit eignet sich die Turbine ideal für Anwendungen mit hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl wie Hubschrauber, Industriemaschinen und Schiffsantriebe.

Modell:

TECHING T700 Turbowellenmotormodell

Turboprop-Triebwerk

Funktionsprinzipdiagramm

Funktionsprinzip:
Ansaugvorgang: Die Luft gelangt über den vorderen Ansaugkanal in den Kompressor, wodurch der Luftstrom geglättet und gleichmäßig verteilt wird, um ihn anschließend zu verdichten.
Kompressionsprozess: Der von der Turbine angetriebene Kompressor komprimiert die einströmende Luft und erhöht deren Druck, Temperatur und Dichte, um energiereiche Luft für die Verbrennung zu erzeugen.
Verbrennungsprozess: Druckluft vermischt sich mit Kraftstoff, der durch die Düse in die Brennkammer eingespritzt wird, und entzündet sich, wodurch Gase mit hoher Temperatur und hohem Druck entstehen, die erhebliche Wärmeenergie freisetzen.
Arbeitsablauf der Turbine: Heiße Hochdruckgase treiben die Turbinenschaufeln an und wandeln die Gasenergie in mechanische Energie um. Die Turbine treibt sowohl den Kompressor (für Dauerbetrieb) als auch den Propeller über ein Untersetzungsgetriebe an.
Propellerantriebsverfahren: Ein Untersetzungsgetriebe reduziert die hohe Drehzahl der Turbine (über 10.000 U/min) auf die erforderliche Drehzahl des Propellers (~1.000 U/min) und ermöglicht so eine effiziente Schuberzeugung.
Auspuffprozess: Restliche Abgase dehnen sich durch die Düse aus und erzeugen einen geringen Rückwärtsschub (der etwa 1/9 des Gesamtschubs ausmacht).

Modell:

SKYMECH PT6A Turboprop-Triebwerksmodell

Die Triebwerkstechnologie hat sich in den letzten Jahren weiterentwickelt. Höhere Verdichtungsverhältnisse und eine optimierte Wärmeenergieumwandlung führten zu Effizienzsteigerungen. Hybrid-Elektroantriebe und hocheffiziente Turbinendesigns entwickeln sich derzeit zu zentralen Trends. Sie treiben die Entwicklung kohlenstoffarmer und leistungsstärkerer Flugzeugantriebe voran und fördern kontinuierlich Innovation und nachhaltige Entwicklung in der Luftfahrtindustrie.