Ohne Triebwerk entsteht kein Vortrieb. Bei modernen Verkehrsflugzeugen übernimmt diese Aufgabe fast immer ein Turbofan: Eine Gasturbine treibt einen großen Fan an, der enorme Luftmengen durch das Triebwerk und an dessen Kern vorbei bewegt. Hinter dieser auf den ersten Blick einfachen Aufgabe steckt ein komplexes System aus Verdichtern, Brennkammer, Turbinen, Wellen, Schaufelreihen und Regelungstechnik.
Das Grundprinzip eines Gasturbinentriebwerks ist seit Jahrzehnten ähnlich geblieben. Luft wird angesaugt und verdichtet, Kraftstoff wird zugeführt und verbrannt, anschließend expandiert das heiße Gas durch eine Turbine. Die technische Entwicklung findet vor allem darin statt, wie effizient die einzelnen Komponenten zusammenarbeiten, welche Temperaturen und Drücke beherrscht werden können und wie viel Luft mit möglichst geringem Energieverlust beschleunigt wird.
Bei Verkehrsflugzeugen hat sich deshalb das Turbofan-Triebwerk, auch Zweikreis- oder Bypasstriebwerk genannt, durchgesetzt. Der weitaus größte Teil der angesaugten Luft muss dabei die Brennkammer überhaupt nicht passieren. Eine gute technische Übersicht über das Funktionsprinzip liefert auch der NASA-Überblick zum Turbofan.
Vom Lufteinlauf bis zur Düse: Was passiert im Triebwerk?
Der Luftstrom eines Turbofans beginnt am Einlauf. Direkt dahinter sitzt der Fan, dessen großer Durchmesser bei modernen Verkehrsflugzeugen das Erscheinungsbild des Triebwerks bestimmt.
Hinter dem Fan trennt sich der Luftstrom in zwei Wege. Der Primärstrom gelangt in das Kerntriebwerk. Der Sekundär- oder Nebenstrom strömt außen am Kern vorbei.
Das Kerntriebwerk besteht im Wesentlichen aus Verdichter, Brennkammer und Turbine. Je nach Bauart kommen mehrere Verdichter- und Turbinenbereiche hinzu, die über konzentrisch ineinander laufende Wellen miteinander verbunden sind.
Der Ablauf lässt sich vereinfacht in fünf Schritte unterteilen:
Ansaugen – Verdichten – Verbrennen – Expandieren – Ausstoßen.
Entscheidend ist dabei, dass die Turbine nicht nur am Ende des Prozesses Energie aus dem Gasstrom gewinnt. Sie liefert zugleich die mechanische Leistung, mit der Verdichter und Fan angetrieben werden.
Das Triebwerk setzt damit mehrere Energieformen nacheinander um: Die chemische Energie des Kraftstoffs wird zunächst als Wärme in den Gasstrom eingebracht, anschließend teilweise in mechanische Wellenleistung übertragen und schließlich für die Erzeugung von Vortrieb genutzt.
Der Fan bewegt den größten Luftmassenstrom
Der Fan ist die große erste Rotorstufe eines modernen Turbofans. Seine Schaufeln sind aerodynamisch hoch belastete Profile, die große Luftmengen beschleunigen.
Bei zivilen High-Bypass-Turbofans strömt der größere Teil dieser Luft nicht durch den heißen Kern. Er wird durch den ringförmigen Nebenstromkanal geführt.
Das Verhältnis zwischen Nebenstrom und der durch das Kerntriebwerk strömenden Luft bezeichnet man als Bypass Ratio oder Nebenstromverhältnis.
Ein Bypassverhältnis von 10:1 bedeutet vereinfacht, dass auf einen Massenteil Luft durch den Kern etwa zehn Massenteile Luft im Nebenstrom kommen. NASA definiert die Bypass Ratio entsprechend als Verhältnis von Fan- beziehungsweise Bypass-Massenstrom zu Core-Massenstrom.
Das Prinzip hat erhebliche Auswirkungen auf die Effizienz. Für die Erzeugung eines bestimmten Schubs ist es grundsätzlich günstiger, eine große Luftmasse relativ wenig zu beschleunigen, anstatt eine kleine Luftmasse sehr stark zu beschleunigen.
Genau darauf basiert der Erfolg moderner High-Bypass-Turbofans.
Ein heutiges Beispiel ist der Pratt & Whitney GTF. Pratt & Whitney gibt für die GTF-Familie Bypassverhältnisse von bis zu etwa 12:1 an.
Im Verdichter steigt der Druck
Der Luftanteil, der in das Kerntriebwerk gelangt, wird anschließend verdichtet. Moderne Flugzeugtriebwerke verwenden dafür überwiegend Axialverdichter. Die Luft bewegt sich dabei im Wesentlichen parallel zur Triebwerksachse durch aufeinanderfolgende Schaufelreihen.
Eine Verdichterstufe besteht aus einer rotierenden und einer stehenden Schaufelreihe. Der Rotor führt der Strömung Energie zu. Der nachfolgende Stator richtet sie für die nächste Stufe aus und trägt zur Druckerhöhung bei. Dieser Vorgang wiederholt sich über mehrere Stufen.
Bei vielen Triebwerken ist die Verdichtung auf mindestens zwei Systeme aufgeteilt: einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter. Der Grund dafür liegt unter anderem in den unterschiedlichen optimalen Drehzahlen der Komponenten. Ein großer Fan kann nicht sinnvoll mit denselben Drehzahlen betrieben werden wie ein deutlich kleinerer Hochdruckverdichter.
Bei Pratt & Whitneys GTF arbeitet beispielsweise ein Hochdruckverdichter im Kern des Triebwerks. In der MRO-Fertigung wird dessen Rotor als eigenständiges, hochpräzises Modul montiert; Pratt & Whitney beschreibt dafür sogar automatisierte Montageprozesse.
Die Brennkammer führt dem Prozess Wärme zu
Nach der Verdichtung gelangt die Luft in die Brennkammer. Dort wird Kraftstoff eingespritzt, mit einem Teil der Luft vermischt und kontinuierlich verbrannt. Anders als im Kolbenmotor gibt es keine einzelnen Arbeitstakte für Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen. Die Vorgänge laufen gleichzeitig in unterschiedlichen Bereichen des Triebwerks ab.
Die Brennkammer muss mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen. So soll die Verbrennung über einen großen Betriebsbereich stabil bleiben. Der Druckverlust soll möglichst gering sein, gleichzeitig müssen Emissionen begrenzt und eine möglichst kontrollierte Temperaturverteilung am Austritt erzeugt werden.
Nur ein Teil der durch den Verdichter geführten Luft wird unmittelbar für die Verbrennung benötigt. Weitere Luftanteile dienen der Mischung, Kühlung und Temperaturführung. Die Brennkammer ist deshalb weit mehr als ein einfacher Raum, in dem Kraftstoff verbrannt wird. Luftführung, Einspritzung, Flammenstabilisierung und Kühlung sind eng aufeinander abgestimmt.
Die Turbine gewinnt Wellenleistung aus dem heißen Gas
Unmittelbar hinter der Brennkammer beginnt die Turbine. Der heiße Gasstrom expandiert durch Leit- und Laufschaufeln. Dabei wird ein Teil seiner Energie in mechanische Rotationsleistung umgewandelt. Diese Leistung wird über Wellen nach vorn übertragen und treibt Verdichter und Fan an.
In einer typischen Zweiwellenarchitektur treibt die Hochdruckturbine den Hochdruckverdichter. Die Niederdruckturbine ist mit dem Niederdrucksystem und dem Fan verbunden. Gerade die ersten Turbinenstufen arbeiten unter besonders hohen thermischen und mechanischen Belastungen. Die Gastemperaturen können so hoch sein, dass die Komponenten ohne spezielle Werkstoffe, Beschichtungen und Kühlung nicht dauerhaft betrieben werden könnten.
Ein Teil der verdichteten Luft wird deshalb genutzt, um Turbinenschaufeln und andere Komponenten der heißen Sektion zu kühlen. Diese Hot Section ist auch für die Lebensdauer moderner Triebwerke von großer Bedeutung. Bei Pratt & Whitneys GTF Advantage wurde gerade dieser Bereich umfassend überarbeitet.
Zwei, drei oder mehr Wellen: Warum unterschiedliche Drehzahlen nötig sind
Fan, Verdichter und Turbinen drehen nicht zwangsläufig mit derselben Geschwindigkeit. Bei einem klassischen Zweiwellentriebwerk laufen zwei konzentrische Wellensysteme ineinander. Der Hochdruckstrang verbindet Hochdruckverdichter und Hochdruckturbine. Der Niederdruckstrang verbindet Fan beziehungsweise Niederdruckverdichter mit der Niederdruckturbine.
Rolls-Royce nutzt bei seiner Trent-Familie zusätzlich einen Mitteldruckstrang. Fan, Intermediate-Pressure-System und Hochdruckkern können dadurch auf drei konzentrischen Wellen mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten. Rolls-Royce beschreibt genau diese Dreiwellenarchitektur als ein konstruktives Grundprinzip seiner RB211- und Trent-Familien. Andere Hersteller verfolgen überwiegend Zweiwellenkonzepte.
Eine besondere Lösung nutzt Pratt & Whitney beim Geared Turbofan. Hier ist der Fan über ein Untersetzungsgetriebe mit dem Niederdrucksystem verbunden. Der Hintergrund: Fan und Niederdruckturbine haben unterschiedliche optimale Drehzahlen.
Der große Fan soll vergleichsweise langsam laufen, unter anderem um die Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitzen zu begrenzen. Die Turbine kann dagegen bei höherer Drehzahl effizienter arbeiten. Das Getriebe schafft zusätzliche Freiheit bei der Auslegung dieser beiden Komponenten.
Wo entsteht beim Turbofan eigentlich der Schub?
Bei einem Turbofan entsteht Schub in mehreren Bereichen. Der Fan beschleunigt den Nebenstrom nach hinten. Gleichzeitig verlässt der Gasstrom des Kerntriebwerks das Triebwerk mit einer gegenüber der Anströmung veränderten Geschwindigkeit und Druckverteilung.
Beide Ströme tragen zum Gesamtschub bei. NASA beschreibt den Gesamtschub eines Turbofans deshalb als Summe der Beiträge von Fan- und Core-Strom. Bei modernen zivilen High-Bypass-Triebwerken hat der vom Fan beschleunigte Nebenstrom eine besonders große Bedeutung.
Das Kerntriebwerk erfüllt damit zwei Aufgaben: Es trägt selbst zur Schuberzeugung bei und liefert zugleich die Energie, mit der der Fan angetrieben wird.
Turbojet: das klassische Strahltriebwerk
Der Turbojet ist die klassische Grundform des Gasturbinen-Strahltriebwerks. Die angesaugte Luft durchläuft Verdichter, Brennkammer und Turbine. Anschließend wird der verbleibende Energieinhalt des Gasstroms über die Düse in hohe Austrittsgeschwindigkeit umgesetzt. Frühe Düsenverkehrsflugzeuge und zahlreiche militärische Muster verwendeten Turbojets.
Für moderne zivile Verkehrsflugzeuge spielt diese Bauart heute kaum noch eine Rolle. Turbofans bieten bei typischen Unterschallgeschwindigkeiten Vorteile bei Verbrauch und Geräuschentwicklung. In militärischen Anwendungen werden dagegen weiterhin Turbofans mit deutlich geringeren Nebenstromverhältnissen eingesetzt. Dort haben hoher spezifischer Schub, kompakte Abmessungen und teilweise der Betrieb mit Nachbrenner eine größere Bedeutung.
Mit den adaptiven Triebwerken XA102 und XA103 wird dieses Prinzip inzwischen weiterentwickelt: Variable Strömungswege sollen es ermöglichen, den Nebenstrom stärker an unterschiedliche Flugzustände anzupassen.
Turbofan: Standard im modernen Verkehrsflugzeug
Der Turbofan verbindet das Gasturbinen-Kerntriebwerk mit einem Fan und einem Nebenstrom. Bei Verkehrsflugzeugen werden heute überwiegend hohe Nebenstromverhältnisse eingesetzt. Große Luftmassen werden mit vergleichsweise geringer zusätzlicher Geschwindigkeit beschleunigt.
Diese Entwicklung hat zu immer größeren Fans geführt. Ein extremes Beispiel ist das GE9X von GE Aerospace für die Boeing 777X. GE nennt einen Fandurchmesser von 134 Zoll, ein Nebenstromverhältnis von ungefähr 10:1 und ein Gesamtdruckverhältnis von etwa 60:1.
Auch die Airbus-A321neo-Familie zeigt, wie unterschiedlich moderne Turbofan-Konzepte ausfallen können: Airbus bietet für sie sowohl den Pratt & Whitney PW1100G-JM als Geared Turbofan als auch das CFM LEAP-1A mit konventioneller Direktkopplung von Fan und Niederdrucksystem an.
Die Größe allein macht ein modernes Triebwerk allerdings nicht effizient. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Fan, Druckverhältnissen, Kerngröße, Turbinentemperatur, aerodynamischem Wirkungsgrad und Gewicht.
Turboprop: Gasturbine und Propeller
Auch ein Turboprop nutzt ein Gasturbinen-Kerntriebwerk. Der wesentliche Unterschied liegt darin, wie die verfügbare Energie genutzt wird. Beim Turboprop wird ein großer Teil der Energie des Gasstroms über eine Turbine als Wellenleistung entnommen. Diese treibt über ein Getriebe einen Propeller an, der den größten Teil des Vortriebs liefert
Diese Bauart ist insbesondere bei niedrigeren und mittleren Fluggeschwindigkeiten effizient. Regionalflugzeuge wie ATR 42 und ATR 72 nutzen deshalb Turbopropantriebe.
Turboshaft: Leistung für Rotoren und andere Systeme
Der Turboshaft ist eng mit dem Turboprop verwandt. Auch hier wird ein großer Anteil der Energie des Gasstroms in Wellenleistung umgewandelt. Der Unterschied liegt beim Verbraucher dieser Leistung. Statt eines Flugzeugpropellers wird beispielsweise der Rotor eines Hubschraubers über das Getriebe angetrieben.
Deshalb steht beim Turboshaft weniger der direkt vom Triebwerk erzeugte Strahlschub als die verfügbare Wellenleistung im Mittelpunkt.
Warum größere Fans allein nicht reichen
Die Entwicklung moderner Turbofans folgt seit Jahrzehnten einem klaren Trend: höhere Nebenstromverhältnisse und eine geringere Geschwindigkeitsänderung einer größeren Luftmasse. Doch dieses Prinzip hat technische Grenzen.
Ein größerer Fan benötigt mehr Bauraum. Die Gondel wird größer und erzeugt zusätzlichen Widerstand. Gewicht, Integration und Bodenfreiheit werden wichtiger. Gleichzeitig darf die Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitzen nicht beliebig steigen.
Mit zunehmendem Nebenstromverhältnis sinkt typischerweise auch das erforderliche Fandruckverhältnis. Sehr hohe Nebenstromverhältnisse erhöhen damit die Anforderungen an die aerodynamische Stabilität des Fans. Deshalb beschäftigen sich neue Konzepte mit Getrieben, weiterentwickelten Kerntriebwerken, neuen Werkstoffen und teilweise variablen Strömungswegen.
Die Entwicklung des Triebwerks ist kein Rennen um einen einzelnen Bestwert. Effizienz entsteht aus einem Systemkompromiss.
Druck, Temperatur und Werkstoffe bestimmen die Entwicklung
Im Kern moderner Triebwerke konzentrieren sich zwei wesentliche Entwicklungsrichtungen: höhere Druckverhältnisse und höhere zulässige Temperaturen. Eine stärkere Verdichtung kann den thermischen Wirkungsgrad verbessern. Höhere Temperaturen vor der Turbine eröffnen ebenfalls Effizienzpotenzial. Beides erhöht jedoch die Belastung der Bauteile.
Moderne Verdichter arbeiten mit sehr kleinen Spalten und hoch belasteten Schaufeln. In der Turbine kommen unter anderem Nickelbasis-Superlegierungen, Wärmedämmschichten und zunehmend keramische Verbundwerkstoffe zum Einsatz. Beim GE9X setzt GE Aerospace unter anderem auf moderne Werkstoffe und einen sehr hohen Gesamtdruck.
Hinzu kommen komplexe Kühlsysteme. Verdichterluft wird an anderer Stelle des Kerntriebwerks entnommen und durch interne Kanäle thermisch hoch belasteter Turbinenbauteile geführt. Damit entsteht erneut ein Zielkonflikt: Kühlluft schützt das Material, steht aber für den eigentlichen Kreisprozess nicht mehr vollständig zur Verfügung.
Das moderne Triebwerk ist ein Gesamtsystem
Fan, Verdichter, Brennkammer und Turbine lassen sich technisch einzeln betrachten. Entwickelt werden können sie dennoch nicht unabhängig voneinander.
Ein höheres Verdichterdruckverhältnis verändert die Bedingungen in der Brennkammer. Eine höhere Turbineneintrittstemperatur stellt neue Anforderungen an Kühlung und Werkstoffe. Ein größerer Fan beeinflusst Turbine, Gondel, Gewicht und Integration ins Flugzeug. Auch Nebenaggregate und Systeme gehören zum Triebwerk: Kraftstoffversorgung, Ölkreislauf, Starter, Sensorik, Regelung, Zapfluftsysteme und elektrische Komponenten.
Eine wichtige Rolle beim Start und bei der Energieversorgung am Boden übernimmt zudem die APU – Auxiliary Power Unit.
Moderne FADEC-Systeme – Full Authority Digital Engine Control – steuern das Triebwerk über seinen Betriebsbereich und setzen die Leistungsanforderungen des Flugzeugs in entsprechende Triebwerkszustände um.
Ein modernes Flugzeugtriebwerk ist deshalb weniger als Abfolge einzelner Komponenten zu verstehen als als eng gekoppeltes thermodynamisches, aerodynamisches und mechanisches System. Die Grundidee ist vergleichsweise einfach: Luft aufnehmen, Energie zuführen und Masse nach hinten beschleunigen.
Die ingenieurtechnische Herausforderung besteht darin, diesen Prozess über Zehntausende Betriebsstunden möglichst effizient, zuverlässig und beherrschbar umzusetzen.