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Triebwerke - Technologie 3/3


Die Hochdruck-Turbine entzieht dem Gasstrom Energie zum Antrieb des Kompressors, die Niederdruck-Turbine macht das Selbe für den Verdichter.

Die Turbine

Es gibt nur einen Ausweg für die Gasmassen die hinaus wollen - der Weg durch die Turbinenstufen.

Die Turbine ist ein Bauteil das wieder aus Schaufelrädern besteht und somit der Verdichterstufen irgendwie recht ähnlich sieht (nur dass die Turbinenschaufeln verglichen mit den Verdichterschaufeln winzig sind).
Der Grund, wieso wir mit diesem Bauteil dem Gasstrom jetzt die so mühsam erzeugte Energie entziehen ist leicht erklärt.
Die Turbine ist der Antrieb für die Luftverdichtung die vorher im Verdichter / Kompressor - Bereich stattgefunden hat.

Auch wenn die Turbine dem Verdichter recht ähnlich sieht, ein extremer Unterschied besteht.
Die aus der Brennkammer strömenden Gase sind über 1.400°C heiß und damit um einiges über dem Schmelzpunkt der Turbinenschaufeln (<1.200°C).

Einfach nach einem besseren Material suchen geht jetzt nicht mehr, mit Nickelstahl haben wir das schon gefunden. Und auch der "Schutzfilm"-Trick reicht hier nicht mehr aus.
Zwar sind Kühlkanäle in die Schaufeln gefräst, durch die sich von innen kühle Luft an die Außenseite der Schaufel legen kann aber das ist nur der sprichwörtliche "Tropfen auf den heißen Stein". Hier wird der Gasstrom zwischen den Turbinenschaufeln durchgepresst und das bisschen Kühlluft sofort von einem glutheißen Orkan weggerissen.

Die Produktion der Turbinenschaufeln muss optimiert werden um mit der enormen Temperaturbelastung fertig zu werden.
Die Schwachstelle von Nickelstahl ist, wie bei den meisten anderen Metallen, die kristalline Struktur. Entlang dieser Strukturen beginnen Metalle zu brechen oder zu schmelzen. Da mehr Energie notwendig ist um einen großen Kristall zu schmelzen wäre also eine Turbinenschaufel ideal die aus einem einzigen Kristall besteht.
Die Lösung dieses Problems ist ein Hightech-Fertigungsprozess der das Metall dazu bringt eine Monokristallstruktur einzunehmen. Nur so können die Turbinenschaufeln unter den hier herrschenden Bedingungen ihre Aufgabe erfüllen.

 

Der Nachbrenner

Nachdem der Gasstrom die Turbine passiert und jenen Teil an Energie abgegeben hat der zur Verdichtung benötigt wird, kann er für den Antrieb genutzt werden. Bevor jedoch der Gasstrom das Triebwerk verlässt passiert er noch ein langes Rohr, den Nachbrenner. Hier treffen wir wieder auf jenen Teil der Luft die zwischen Verdichter und Kompressor in den Bypass-Kanal abgeleitet wurde. Der Nachbrenner ist eine Einrichtung mit der Treibstoff in die heißen Abgase die aus der Turbine strömen eingespritzt werden kann, Ergebnis ist eine Steigerung der Triebwerksleistung um bis zu 50%. Beispiel:
Das EJ200 repräsentiert derzeit die technologische Spitze im militärischen Triebwerksbau Europa's. Englische, Deutsche, Italienische und Spanische Firmen im Hochtechnologiebereich entwickelten und fertigen mit 40.000 Mitarbeitern die EJ200 Triebwerke für den Eurofighter.
Jedes EJ200 verbrennt im Normalbetrieb durchschnittlich 21-23g Treibstoff pro erzeugtem kN Antriebsleistung pro Sekunde. Bei 2 x 60kN Schub verbraucht der Eurofighter somit zwischen 151 und 166 kg Kerosin pro Minute (Standschub/Meereshöhe*).
Beim Einsatz des Nachbrenners (2x90kN) fließen im Schnitt hingegen 47-49g Treibstoff für jedes erzeugte kN pro Sekunde aus den Tanks, immerhin 507-529 kg pro Minute (Standschub/Meereshöhe*).
Die internen Treibstofftanks des Eurofighter's fassen 4.500kg Treibstoff.

*Der Treibstoffverbrauch in absoluten Zahlen ist in Meereshöhe am größten und sinkt mit zunehmender Flughöhe erheblich ab. Diese Extremzahlen verdeutlichen aber sehr gut wie schnell im Extremfall der Treibstoff verbraucht werden kann.
Die Verbrauchsuntergrenze stellt der ökonomische Marschgeschwindigkeit in optimaler Flughöhe dar, bei der insgesamt etwa 40kg Treibstoff pro Minute verbraucht werden und so Reichweiten von an die 2.000km zulässt.


Der Nachbrenner wird mit Luft aus dem Bypass (Mantelstrom) Kanal versorgt. Wird zusätzlich Treibstoff eingespritzt entsteht mehr Schub.

Als "Wirtschaftlich" kann die Verwendung des Nachbrenners allerdings in keinem Fall bezeichnet werden. In den beiden Brennkammern des Eurofighter Typhoon haben wir gerade je 1.320g Treibstoff pro Sekunde verbrannt, dann der damit produzierten Gasmenge mit der Turbine die Antriebsenergie für die Luftverdichtung entzogen und letztendlich noch 60kN oder 6.118 kg Schub dafür erhalten. Jetzt spritzen wir noch mal ganze 3.000g Treibstoff pro Sekunde in jeden der beiden Nachbrenner um dafür einen äußerst "mageren" Zuwachs von je 30kN oder 3.059kg Schub präsentiert zu bekommen. Unserem 50% Schubzuwachs auf 90kN oder 9.178kg pro Triebwerk steht also ein auf 330% erhöhter Treibstoffbedarf gegenüber.

Noch dazu kann diese sprunghaft angestiegene Antriebsleistung nicht sofort und im gleichen Ausmaß in eine entsprechend höhere Geschwindigkeit umgesetzt werden. Schuld daran ist die Massenträgheit und der Luftwiderstand.

Schon ohne Nachbrenner erreicht ein Eurofighter Typhoon in großen Höhen leichte Überschallgeschwindigkeit.
Bei mehr als 3fachem Treibstoffverbrauch im Nachbrennerbetrieb kann aber nur maximal 2fache Schallgeschwindigkeit, also nur knapp das Doppelte an Geschwindigkeit erreicht werden. Dazu kommt noch, dass um einiges über eine Minute Vollschub notwendig ist um von Mach 1 auf Mach 2 zu beschleunigen. Eine Zeitspanne in der das Verhältnis von Verbrauch zu erzielter Geschwindigkeit noch um ein vielfaches schlechter ist. Im Extremfall verringert sich also die Strecke die zurückgelegt werden kann auf etwa 10%.

Der Pilot benötigt also "Spielraum" in seiner Treibstoffkalkulation um eine Verwendung des Nachbrenners in Betracht ziehen zu können und muss aufpassen, dass im die Menge zum Erreichen der nächsten "Tankstelle" übrigbleibt.

 

Die Schubdüse

Wir sind am Triebwerksauslass angelangt und der Gasstrom tritt über eine konvergent und divergent verstellbare Düse ins Freie.
Die Düse macht sich den selben Effekt zunutze wie er beim Lufteinlass angewandt wurde - nur umgekehrt. Jetzt wird dem Gasstrom weniger Platz gegeben um ihn zu beschleunigen, die höhere Austrittsgeschwindigkeit der Gase führt zu einer höheren Antriebsleistung.

Auslassdüse und Stellmechanismus