Der Turbofan ist heute die mit Abstand wichtigste Triebwerksbauart im modernen Luftverkehr. Sein markantestes Merkmal ist der große Fan an der Vorderseite, doch die eigentliche Komplexität verbirgt sich im Inneren. Die angesaugte Luft wird in zwei Ströme aufgeteilt: Während der größere Teil als Nebenstrom am Triebwerkskern vorbeigeführt wird und maßgeblich zur Schuberzeugung beiträgt, durchläuft der Kernstrom Verdichter, Brennkammer und Turbine. Die dort freigesetzte Energie treibt über mehrere Wellen sowohl die Verdichterstufen als auch den Fan an. Auf diese Weise entsteht ein ausgeklügeltes Zusammenspiel thermodynamischer und mechanischer Prozesse, das hohe Schubleistungen ermöglicht und zugleich den Kraftstoffverbrauch auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau hält.
Wer ein modernes Verkehrsflugzeug von vorne betrachtet, sieht vor allem den Fan. Bei aktuellen Flugzeug-Triebwerken erreicht er Durchmesser von deutlich über zwei Metern und bestimmt damit maßgeblich die äußeren Abmessungen der gesamten Gondel. Seine Größe ist kein Nebeneffekt, sondern Ausdruck eines grundlegenden Konstruktionsprinzips: Ein moderner Turbofan erzeugt seinen Schub zu einem erheblichen Teil dadurch, dass er eine große Luftmasse relativ moderat beschleunigt.
Damit unterscheidet er sich grundlegend vom klassischen Turbojet, bei dem nahezu die gesamte angesaugte Luft das Kerntriebwerk durchströmt und anschließend mit hoher Geschwindigkeit austritt. Beim Turbofan wird der Luftstrom bereits im vorderen Bereich geteilt.
Der Fan teilt den Luftstrom in zwei Wege
Nach dem Eintritt in die Triebwerksgondel trifft die Luft zunächst auf den Fan. Seine rotierenden Schaufeln beschleunigen den gesamten angesaugten Luftstrom.
Unmittelbar dahinter teilt sich dieser Strom in zwei Bereiche. Der Primär- oder Kernstrom gelangt in das Innere des Triebwerks. Der wesentlich größere Sekundär- oder Nebenstrom wird außen um den Gasgenerator herumgeführt. Das Verhältnis dieser beiden Luftmassen wird als Bypass Ratio oder Nebenstromverhältnis bezeichnet. Je größer dieser Wert ist, desto mehr Luft wird am Kerntriebwerk vorbeigeführt.
Bei modernen zivilen Turbofans liegt das Nebenstromverhältnis deutlich höher als bei älteren Generationen. Der PW1100G-JM aus der Pratt-&-Whitney-GTF-Familie erreicht beispielsweise ein Nebenstromverhältnis von rund 12:1. Vereinfacht bedeutet das: Auf einen Kilogramm Luft, der den Kern durchströmt, kommen etwa zwölf Kilogramm, die außen vorbeigeführt werden.
Dieser große Nebenstrom ist ein wesentlicher Grund für die Effizienz heutiger Verkehrsflugzeugtriebwerke. Für die Erzeugung eines bestimmten Schubs ist es energetisch günstiger, eine große Luftmasse um einen vergleichsweise kleinen Geschwindigkeitsbetrag zu beschleunigen als eine kleine Luftmasse extrem stark.
Genau darin liegt einer der entscheidenden Unterschiede zwischen den frühen Strahltriebwerken und heutigen High-Bypass-Turbofans.
Im Kern beginnt der eigentliche Gasturbinenprozess
Hinter dem Fan gelangt nur ein Teil der angesaugten Luft in das Kerntriebwerk. Dort beginnt der thermodynamische Prozess, der die Energie für den Antrieb des gesamten Triebwerks liefert. Zunächst wird die Luft in mehreren hintereinander angeordneten Verdichterstufen komprimiert. Jede dieser Stufen besteht aus rotierenden und feststehenden Schaufelreihen: Während die Rotoren der Strömung Energie zuführen, richten die nachfolgenden Statoren sie neu aus und wandeln einen Teil der Strömungsgeschwindigkeit in Druck um. Die Verdichtung erfolgt dabei schrittweise, sodass Druck und Temperatur von Stufe zu Stufe kontinuierlich ansteigen.
In einem klassischen Zweiwellentriebwerk sind Nieder- und Hochdruckverdichter voneinander getrennt. Der Hochdruckverdichter bildet gemeinsam mit Brennkammer und Hochdruckturbine das eigentliche Kerntriebwerk und übernimmt die letzte, besonders intensive Verdichtungsphase. Bis zum Austritt aus dem Verdichter hat sich das Luftvolumen auf einen Bruchteil seines ursprünglichen Werts verringert, während Druck und Temperatur deutlich angestiegen sind. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um den eingespritzten Kraftstoff effizient zu verbrennen und die im Triebwerk benötigte Energie freizusetzen.
Die Brennkammer führt dem Gasstrom Energie zu
Die Brennkammer bildet das energetische Zentrum des Triebwerks. Hier wird Kraftstoff in die zuvor stark verdichtete Luft eingespritzt und kontinuierlich verbrannt. Im Gegensatz zu einem Kolbenmotor laufen die einzelnen Prozessschritte jedoch nicht nacheinander im selben Arbeitsraum ab. Während im vorderen Teil des Triebwerks ständig neue Luft angesaugt und verdichtet wird, findet in der Brennkammer fortlaufend die Verbrennung statt, während die heißen Gase weiter stromabwärts bereits durch die Turbinen expandieren. Das Triebwerk arbeitet somit als kontinuierlicher Prozess.
Die Anforderungen an die Brennkammer sind dabei hoch. Sie muss eine stabile Verbrennung gewährleisten, den Druckverlust möglichst gering halten und zugleich dafür sorgen, dass die Temperaturverteilung am Turbineneintritt möglichst gleichmäßig ausfällt. Aus diesem Grund wird nur ein Teil der vom Verdichter bereitgestellten Luft unmittelbar für die Verbrennung genutzt. Ein erheblicher Anteil dient der Kühlung der Bauteile sowie der Stabilisierung und Durchmischung des Gasstroms.
Am Austritt der Brennkammer erreicht das Arbeitsgas schließlich seine höchste Temperatur innerhalb des gesamten Triebwerks. Genau an dieser Stelle beginnt mit der Hochdruckturbine einer der technisch anspruchsvollsten Bereiche des Antriebssystems, dessen Komponenten dauerhaft extremen thermischen und mechanischen Belastungen standhalten müssen.
Die Turbine liefert die mechanische Leistung
Die Bedeutung der Turbine wird bei der Betrachtung eines Flugzeugtriebwerks oft unterschätzt. Ihre Aufgabe besteht nicht in erster Linie darin, zusätzlichen Schub zu erzeugen, sondern die Komponenten anzutreiben, die den eigentlichen Arbeitsprozess im vorderen Teil des Triebwerks ermöglichen. Dazu strömen die heißen Verbrennungsgase zunächst durch feststehende Leitschaufeln und anschließend durch die rotierenden Schaufeln der Turbine. Dabei entzieht die Turbine dem Gasstrom einen Teil seiner Energie und wandelt diese in eine Drehbewegung um, die über Wellen nach vorne übertragen wird.
Bei einem klassischen Zweiwellentriebwerk erfolgt die Kraftübertragung über zwei voneinander unabhängige Wellensysteme. Die Hochdruckturbine versorgt über die Hochdruckwelle den Hochdruckverdichter mit der benötigten Leistung, während die weiter hinten angeordnete Niederdruckturbine über eine zweite, konzentrisch verlaufende Welle den Niederdruckverdichter und den Fan antreibt. Auf diese Weise entsteht ein geschlossener mechanischer Kreislauf: Die Verbrennung liefert Energie an den Gasstrom, die Turbinen gewinnen einen Teil dieser Energie zurück und übertragen sie auf die Verdichterstufen sowie den Fan. Genau dieses Zusammenspiel sorgt dafür, dass das Triebwerk nach dem Anlassen keinen externen Antrieb mehr benötigt, sondern sich gewissermaßen selbst am Laufen hält.
Zwei Wellen – oder drei
Die Aufteilung eines Triebwerks auf mehrere Wellensysteme ist vor allem deshalb erforderlich, weil die einzelnen Komponenten bei unterschiedlichen Drehzahlen ihre höchste Effizienz erreichen. Während der große Fan aufgrund seines Durchmessers vergleichsweise langsam rotieren muss, um die Umfangsgeschwindigkeiten an den Blattspitzen zu begrenzen, arbeitet der deutlich kleinere Hochdruckverdichter optimal bei wesentlich höheren Drehzahlen. Beide Komponenten können daher nicht über dieselbe Welle angetrieben werden.
In vielen modernen Triebwerken kommt deshalb das klassische Zweiwellenkonzept zum Einsatz. Einen anderen Weg beschreitet jedoch Rolls-Royce bei den großen Trent-Triebwerken. Dort ergänzt ein Mitteldrucksystem mit eigenem Verdichter, eigener Turbine und eigener Welle die Nieder- und Hochdrucksysteme. Die drei konzentrisch angeordneten Wellen ermöglichen es, dass jede Turbine exakt den ihr zugeordneten Verdichter beziehungsweise den Fan antreibt. Dadurch lassen sich die jeweiligen Drehzahlbereiche noch präziser auf die aerodynamischen Anforderungen der einzelnen Komponenten abstimmen, was die Effizienz des Gesamtsystems verbessert und zusätzliche Freiheiten bei der Triebwerksauslegung schafft.
Beim Geared Turbofan kommt ein Getriebe hinzu
Einen anderen Ansatz zur Lösung des Drehzahlkonflikts zwischen Fan und Niederdruckturbine verfolgt Pratt & Whitney mit dem Geared Turbofan. Bei einem konventionellen Turbofan sind Fan und Niederdruckturbine über die Niederdruckwelle direkt miteinander verbunden und drehen daher mit derselben Geschwindigkeit. Das ist jedoch ein Kompromiss: Während der Fan für einen effizienten Betrieb eher niedrige Drehzahlen benötigt, könnte die Niederdruckturbine ihre Leistung bei höheren Drehzahlen besser entfalten. Um beide Komponenten näher an ihrem jeweiligen Optimum arbeiten zu lassen, integriert Pratt & Whitney ein Untersetzungsgetriebe zwischen Fan und Niederdrucksystem. Die mechanische Verbindung bleibt erhalten, gleichzeitig können Fan und Turbine mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen. Das ermöglicht einen effizienteren Betrieb des Triebwerks und eröffnet zusätzliche Spielräume bei der Auslegung des Gesamtsystems.
Dieses Prinzip bildet die Grundlage der GTF-Familie, die unter anderem im Airbus A321neo eingesetzt wird. Mit dem GTF Advantage hat Pratt & Whitney die Architektur inzwischen weiterentwickelt. Das Getriebe verändert dabei nicht den thermodynamischen Grundprozess. Verdichter, Brennkammer und Turbine arbeiten weiterhin nach demselben Prinzip. Geändert wird die mechanische Kopplung zwischen Niederdruckturbine und Fan.
Schub entsteht in Nebenstrom und Kernstrom
Am Ende des Prozesses verlassen zwei Luft- beziehungsweise Gasströme das Triebwerk. Der Nebenstrom wurde durch den Fan beschleunigt und strömt außen am Kerntriebwerk vorbei. Der Kernstrom hat zusätzlich Verdichter, Brennkammer und Turbine durchlaufen. Beide tragen zum Schub bei. Physikalisch entsteht dieser Schub aus der Änderung des Impulses der durch das Triebwerk bewegten Luftmasse. Das Triebwerk nimmt Luft mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf und gibt sie mit höherem Impuls nach hinten wieder ab. Daraus resultiert eine Kraft in entgegengesetzter Richtung.
Wie groß die Beiträge von Neben- und Kernstrom jeweils sind, hängt von der konkreten Triebwerksauslegung und vom Betriebszustand ab. Pauschale Aussagen wie „80 Prozent des Schubs stammen vom Fan“ sind deshalb problematisch. Klar ist jedoch: Mit zunehmendem Nebenstromverhältnis wird der Fan für die Schuberzeugung immer wichtiger. Der Kern bleibt trotzdem unverzichtbar. Er stellt die mechanische Leistung bereit, die den Fan überhaupt antreibt.
Warum moderne Turbofans immer größer werden
Die Entwicklung der vergangenen Jahrzehnte zeigt einen deutlichen Trend zu größeren Fans und höheren Nebenstromverhältnissen. Technisch ist dieser Weg nachvollziehbar. Ein größerer Fan kann mehr Luft bewegen und damit den Vortriebswirkungsgrad erhöhen. Die Entwicklung hat allerdings Grenzen.
Größere Fans bedeuten größere Gondeln. Damit steigen Masse und Stirnfläche. Die Integration unter dem Flügel wird schwieriger, und insbesondere bei Schmalrumpfflugzeugen wird die Bodenfreiheit zum konstruktiven Faktor. Parallel muss auch das Kerntriebwerk weiterentwickelt werden. Ein größerer Fan benötigt mehr Leistung. Gleichzeitig soll der Kern möglichst kompakt bleiben und einen hohen thermischen Wirkungsgrad erreichen.
Moderne Triebwerksentwicklung bewegt sich deshalb in einem Spannungsfeld aus Fan-Durchmesser, Nebenstromverhältnis, Druckverhältnis, Turbinentemperatur, Gewicht, Lärm und Bauraum.
Die nächste Entwicklungsstufe könnte dieses Verhältnis nochmals verändern. Konzepte wie der Open Fan verzichten auf die klassische Fan-Gondel und zielen auf noch größere effektive Nebenstromverhältnisse. Airbus und CFM wollen die entsprechende RISE-Technologie gegen Ende der 2020er-Jahre auf einem A380-Testflugzeug erproben.
Bilder: Pratt & Whitney, Rolls-Royce