Technischer Artikel zu Flugzeugantrieben. Historie bis Zukunft

[Hind]

Ich habe meinen nächsten Technikartikel fertig!

Diesmal geht es um die Geschichte der Flugzeugantriebe, deren Funktion und die vermutliche Zukunft.

Ich hoffe Ihr habt Spaß am Lesen.

Wie immer sind Kommentare erwünscht. Auf diese Weise kommt zu dem was ich schrieb noch weitere Information hinzu. Wenn man mich von Irrtümern überzeugt, dann werde ich die Korrekturen schnellstmöglich einpflegen. Aber, nicht vergessen: Auch Anerkennung ist konstruktive Kritik. Dann weiß ich, dass ich in ähnlicher Weise weiter machen soll.

 

Beste Grüße

 

Hind ak: Toolface

 

http://virtual-jabog32.de/forum/viewtopic.php?f=70&t=13238

[MAD-MM]

Danke für die mühe intressanter Artikel, auch wenn das geschriebene mehr auf die kommerzielle Luftfahrt und militärische Abzielt vielleicht noch ein paar Anmerkungen.

Ich persönlich denke ist klar auch nur eine Vermutung das die nicht kommerzielle Luftfahrt früher oder später mit weiterentwicklung der Technologie bei Elektromotern ankommt

.

Bis die Boing 747 damit fliegt wird noch lang dauern wie gesagt, aber die Gebrüder Wright oder Gustav Weißkopf (streit über den ersten Motorflug) sind auch nicht mit Turbo Fan Triebwerken davon geschwebt.

Als Beispiel wäre die Extra 300LE von Siemens als Protoyp mit Elektroantrieb.

 

Momentan fliegen Cessna & Co immer noch mit 60 Jahren alten Lycoming und Continental Motoren.

Diesel Antriebe sind auch wieder stärker im kommen, Diamond DA 42 z.B.

[Drotik]

Also da hast du dir wirklich Mühe gegeben, ein schöner kleiner Artikel! Viel hinzufügen kann man eigentlich nicht ohne zu technisch zu werden.

 

Ein paar Anmerkungen habe ich dennoch:

 

Bezüglich der Anzahl von Bauteilen. Die ersten Gasturbinen waren im Vergleich zu den Monster Kolbenmotoren jener Zeit zweifelsfrei deutlich simpler aufgebaut. Das grundlegende Prinzip ist eigentlich viel einfacher und wie du geschrieben hast, war es eine der größten Revolutionen in der Luftfahrtgeschichte. Heutzutage stimmt das allerdings nicht mehr. Ein modernes Strahltriebwerk hat zigfach so viele Teile wie der komplexeste Kolbenmotor. Man hört das Argument immer noch in manchen Dokus aber wer das behauptet hat noch nie an einer modernen Gasturbine gearbeitet.

 

Zu Kompressoren kann man noch sagen, dass der Hauptvorteil einer axialen Durchströmung ganz einfach in der Effizienz liegt. Radialverdichter können ganz einfach keine so hohe Kompression aufbauen wenn man sie nicht unrealistisch groß baut. Mehr als zwei Stufen sind auch kaum möglich weil die Verluste durch die andauernde Umlenkung der Gase und die Oberflächenreibung die Arbeit weiterer Stufen praktisch negiert.

 

Ein Punkt der nicht ganz korrekt ist, ist die Behauptung Überschallflug ohne Nachverbrennung wäre erst seit kurzen möglich. Viele Strahlflugzeuge waren dazu in der Lage, die alte 104 z.B. konnte es auf jeden Fall, die Phantom vermutlich auch, die MiG-29 und wahrscheinlich noch einige weitere. Der knackende Punkt ist, dass es erst bei moderneren Flugzeugen (wie unserem Eurofighter) mit Außenlasten möglich ist. Obwohl auch da schnell Schluss ist, mehr als zwei Flugkörper und die kleinen Tanks gehen auch nicht.

 

Ein interessanter Punkt ist der Erwähnung, dass bei zu hoher Gasgeschwindigkeit in der Brennkammer ein Flammabriss droht. Wie bei einem Feuerzeug im Wind. Ich glaube allerdings nicht, dass das maßgeblich mit der Fluggeschwindigkeit zusammenhängt. Die Druckluft die der Verdichter liefert ist eigentlich in jedem Fall zu schnell, die Gasgeschwindigkeit liegt bei etwa Mach 0,5, weit über der Flammfrontgeschwindigkeit von Kerosin. Deshalb ist der Einlass der Brennkammer divergent geformt und wirkt als Diffusor um die Geschwindigkeit entsprechend herabzusetzen. Die Brennkammer in einer Gasturbine ist am Einlass immer als Diffusor und am Auslass immer als Düse ausgelegt. Also ich denke bevor es in der Brennkammer zu Problemen kommt wird der gesamte Kompressor wirkungslos weil der bei Schallgeschwindigkeit einfach nicht mehr funktioniert (Düse/Diffusor Umkehrwirkung bei Mach 1 ;-)

 

Ansonsten könnte man als großen Nachteil der Gasturbine noch den hohen spezifischen Verbrauch erwähnen, da kontinuierliche Verbrennung.

 

Alles in Allem ist es aber ein sehr gutes Dokument in das bestimmt einiges an Zeit geflossen ist. Also ich würde auf jeden Fall weiter machen.

[Hind]

Also da hast du dir wirklich Mühe gegeben, ein schöner kleiner Artikel! Viel hinzufügen kann man eigentlich nicht ohne zu technisch zu werden.

 

Ein paar Anmerkungen habe ich dennoch:

 

Bezüglich der Anzahl von Bauteilen. Die ersten Gasturbinen waren im Vergleich zu den Monster Kolbenmotoren jener Zeit zweifelsfrei deutlich simpler aufgebaut. Das grundlegende Prinzip ist eigentlich viel einfacher und wie du geschrieben hast, war es eine der größten Revolutionen in der Luftfahrtgeschichte. Heutzutage stimmt das allerdings nicht mehr. Ein modernes Strahltriebwerk hat zigfach so viele Teile wie der komplexeste Kolbenmotor. Man hört das Argument immer noch in manchen Dokus aber wer das behauptet hat noch nie an einer modernen Gasturbine gearbeitet.

 

Zu Kompressoren kann man noch sagen, dass der Hauptvorteil einer axialen Durchströmung ganz einfach in der Effizienz liegt. Radialverdichter können ganz einfach keine so hohe Kompression aufbauen wenn man sie nicht unrealistisch groß baut. Mehr als zwei Stufen sind auch kaum möglich weil die Verluste durch die andauernde Umlenkung der Gase und die Oberflächenreibung die Arbeit weiterer Stufen praktisch negiert.

 

Ein Punkt der nicht ganz korrekt ist, ist die Behauptung Überschallflug ohne Nachverbrennung wäre erst seit kurzen möglich. Viele Strahlflugzeuge waren dazu in der Lage, die alte 104 z.B. konnte es auf jeden Fall, die Phantom vermutlich auch, die MiG-29 und wahrscheinlich noch einige weitere. Der knackende Punkt ist, dass es erst bei moderneren Flugzeugen (wie unserem Eurofighter) mit Außenlasten möglich ist. Obwohl auch da schnell Schluss ist, mehr als zwei Flugkörper und die kleinen Tanks gehen auch nicht.

 

Ein interessanter Punkt ist der Erwähnung, dass bei zu hoher Gasgeschwindigkeit in der Brennkammer ein Flammabriss droht. Wie bei einem Feuerzeug im Wind. Ich glaube allerdings nicht, dass das maßgeblich mit der Fluggeschwindigkeit zusammenhängt. Die Druckluft die der Verdichter liefert ist eigentlich in jedem Fall zu schnell, die Gasgeschwindigkeit liegt bei etwa Mach 0,5, weit über der Flammfrontgeschwindigkeit von Kerosin. Deshalb ist der Einlass der Brennkammer divergent geformt und wirkt als Diffusor um die Geschwindigkeit entsprechend herabzusetzen. Die Brennkammer in einer Gasturbine ist am Einlass immer als Diffusor und am Auslass immer als Düse ausgelegt. Also ich denke bevor es in der Brennkammer zu Problemen kommt wird der gesamte Kompressor wirkungslos weil der bei Schallgeschwindigkeit einfach nicht mehr funktioniert (Düse/Diffusor Umkehrwirkung bei Mach 1 ;-)

 

Ansonsten könnte man als großen Nachteil der Gasturbine noch den hohen spezifischen Verbrauch erwähnen, da kontinuierliche Verbrennung.

 

Alles in Allem ist es aber ein sehr gutes Dokument in das bestimmt einiges an Zeit geflossen ist. Also ich würde auf jeden Fall weiter machen.

 

Hi Drotik,

 

bei der Anzahl der bewegten Bauteile gibt es schon einen signifikanten Unterschiede. Bei einem Düsentriebwerk gibt es bis auf die Rotoren keine bewegten Bauteile. Dazu kommen dann noch Pumpen und Stellmotoren dazu... Aber nicht viel mehr. Dem zum Vergleich hätte ein Sternmotor gleicher Leistungsfähigkeit alleine eine dreistellige Zahl von Kolben. Die ganzen Hilfsaggregate gar nicht mitgezählt.

 

Den Vorteil der einfachen Kaskadierung bei den Axialverdichtern hatte ich genannt. Wir sind also der gleichen Ansicht.

 

Bei der Gasgeschwindigkeit am Brenner habe ich keine mir ausreichend belastbaren Quellen gefunden. Deshalb habe ich es nicht mit Zahlen belegt. Was ich gefunden habe entsprach der Windstärke 12. Deshalb sind die Brenner auch so gebaut, dass die quasi im Windschatten arbeiten. Die Brenner so zu gestalten, dass sie im Triebwerk arbeiten können, war eine der größten Herausforderungen. Ich denke es ist nicht falsch die Möglichkeit eines Verlöschens anzunehmen. Aber Mach 2 Triebwerke werden ja nicht ohne Diffusoren gebaut....

 

Es Mag sein, dass ein Überschallflug auch schon früher ohne Nachbrenner möglich war. Für die F22 und den Eurofighter stand die Fähigkeit zum Supercruise im Lastenheft. Deshalb habe ich es so geschrieben.

 

Die Kontinuität hat sicher nichts mit dem Wirkungsgrad des Düsentriebwerkes zu tun. Dieser definiert sich durch das delta t am Arbeitsschritt und den Verlusten an den Turbinenschaufeln. Es gibt zwar Versuche zu gepulsten Triebwerken zurückzukehren, aber das Pulsen an sich stellt keinen Wert im Sinne des Wirkungsgrades da. Das wird zwar oft so hingestellt... findet sich aber in der Thermodynamik nicht wieder. Wenn es so gelingt zu besseren Wirkungsgraden zu kommen, so liegt es an anderen Effekten. Diese können mit den Pulsen zusammenhängen, oder von ihnen bedingt sein. Aber Pulse sind nicht per se besser als eine kontinuierliche Flamme.

 

Aber deshalb kann man das hier ja diskutieren. Es kommen zusätztliche Informationen... Und ich kann korrigieren, oder begründen warum ich es so schrieb.

Edited May 24, 2018 by Hind

[Hind]

Danke für die mühe intressanter Artikel, auch wenn das geschriebene mehr auf die kommerzielle Luftfahrt und militärische Abzielt vielleicht noch ein paar Anmerkungen.

Ich persönlich denke ist klar auch nur eine Vermutung das die nicht kommerzielle Luftfahrt früher oder später mit weiterentwicklung der Technologie bei Elektromotern ankommt

.

Bis die Boing 747 damit fliegt wird noch lang dauern wie gesagt, aber die Gebrüder Wright oder Gustav Weißkopf (streit über den ersten Motorflug) sind auch nicht mit Turbo Fan Triebwerken davon geschwebt.

Als Beispiel wäre die Extra 300LE von Siemens als Protoyp mit Elektroantrieb.

 

Momentan fliegen Cessna & Co immer noch mit 60 Jahren alten Lycoming und Continental Motoren.

Diesel Antriebe sind auch wieder stärker im kommen, Diamond DA 42 z.B.

 

Hi, MAD-MM

 

das mit der Zukunft ist halt eine Vermutung. Ich halte sie aber für gut begründet. Die Energiemengen für einen 2000 km Flug sind so enorm. Selbst wenn ich darauf vertraue, dass es bald ganz leichte Märchenbatterien geben wird... Diese Energie ins Flugzeug zu bringen, und das in einer halben Stunde, ist selbst mit gutem Glauben nicht machbar. Da würden Oberschenkel dicke Kabel glühen. Mal ganz abgesehen davon, dass diese Anschlussleistung bereitgestellt und im Flugzeug verteilt werden muss. Und der Frankfurter Flughafen hätte dann 2 AKW Blöcke zur Flugzeugbetankung.

 

Das die alten Motoren so lange geflogen werden, hat den Grund der Zertifizierung, und der Ersatzteilvorhaltung. Porsche hatte mal einen sehr guten Flugmotor aus dem 911 Motor gebaut. Al die aber erkannten, dass sie die Jahrzehnte zu gewährleistende Ersatzteilversorgung überfordert, haben sie alle noch existierenden Porsche Motoren zurückgekauft. So sind sie aus dieser Verpflichtung wieder herausgekommen.

[MAD-MM]

Hi, MAD-MM

 

das mit der Zukunft ist halt eine Vermutung. Ich halte sie aber für gut begründet. Die Energiemengen für einen 2000 km Flug sind so enorm. Selbst wenn ich darauf vertraue, dass es bald ganz leichte Märchenbatterien geben wird... Diese Energie ins Flugzeug zu bringen, und das in einer halben Stunde, ist selbst mit gutem Glauben nicht machbar. Da würden Oberschenkel dicke Kabel glühen. Mal ganz abgesehen davon, dass diese Anschlussleistung bereitgestellt und im Flugzeug verteilt werden muss. Und der Frankfurter Flughafen hätte dann 2 AKW Blöcke zur Flugzeugbetankung.

 

Das die alten Motoren so lange geflogen werden, hat den Grund der Zertifizierung, und der Ersatzteilvorhaltung. Porsche hatte mal einen sehr guten Flugmotor aus dem 911 Motor gebaut. Al die aber erkannten, dass sie die Jahrzehnte zu gewährleistende Ersatzteilversorgung überfordert, haben sie alle noch existierenden Porsche Motoren zurückgekauft. So sind sie aus dieser Verpflichtung wieder herausgekommen.

 

 

Naja Porsche wollte das Projekt soweit ich weiß schon weiter betreiben, aber ihnen ist schlicht der Absatzmarkt weggebrochen.

Die Amerikaner hatten aufeinmal so ihre zweifel an der Sicherheit über Flugmotoren ohne Magnetzündung

Und die Ersatzteilversorgung hat Porsche dan ohne Absatz wieder eingeholt.

Vielleicht hat auch jeder Flieger in Zukunft hübsche Solarpanele oben drauf :D

Aber ja das ganze Elektro thema ist noch sehr weit weg von brauchbar..

[Drotik]

Die Kontinuität hat sicher nichts mit dem Wirkungsgrad des Düsentriebwerkes zu tun.

 

Mit dem Wirkungsgrad vielleicht nicht, mit dem Verbrauch schon. Der Verbrauch bezogen auf Leistung ist bei einer Gasturbine in jedem Fall höher eben weil sie ununterbrochen Kraftstoff verbrennt und nicht getaktet wie ein Kolbenmotor. Deshalb verbraucht ein 2-Takter auch mehr als ein 4-Takter. Und das ist eben einer der größten Nachteile, speziell bei Kampfflugzeugen. Die haben ineffiziente Triebwerke und kaum Platz für Kraftstoff, blöde Kombination.

Der Wirkungsgrad von Gasturbinen ist aber in der Tat sehr gut, heutzutage über 90%. Was aber nicht heißt, dass sie wenig verbrauchen. Sie holen eben nur viel Leistung aus dem was sie verbrennen.

 

Was Bauteile angeht, betrachtet man nur das Triebwerk ohne Anschlussgeräte dann hat ein Kolbenmotor mehr bewegliche Teile (nicht Bauteile insgesamt), das stimmt. Voll aufgerüstet nimmt sich das nicht viel. Aus dem Wirrwarr an Pumpen, Reglern und Getrieben kann man wirklich viele kleine Teile nehmen. Ich habe sowohl an Kolbentriebwerken als auch an Strahltriebwerken gearbeitet und selbst ein großer Sternmotor kommt nicht mal in die Nähe was Komplexität angeht.

Das Eurofighter Triebwerk könnte etwa 74.000 PS Wellenleistung abgeben. Für einen Kolbenmotor vergleichbarer Leistung bräuchten wir entweder unglaublich viel Hubraum wie auf einem Schiff, oder unrealistisch viele Zylinder oder eine unrealistisch hohe Kompression. Der ausschlaggebende Punkt ist dann eher der Platzbedarf als die Anzahl an Teilen. Aber du hast natürlich Recht, dass das Treibwerk an für sich aus nur wenigen mechanischen Teilen besteht die sich vor allem alle gleichförmig bewegen. Das ist der springende Punkt für die enorme Zuverlässigkeit von Gasturbinen, es bewegt sich nicht jedes Teil in eine andere Richtung. Man hat nicht die oszillierenden Massen und damit verbundene Vibration.

 

Aber die grundsätzliche Aussage der Einfachheit von Strahltriebwerken ist natürlich korrekt. Man darf nur nicht annehmen ein Strahltriebwerk wäre simpler aufgebaut denn das genaue Gegenteil ist der Fall. Die Ingenieursleistung die in die Entwicklung fließt ist kaum vorstellbar. Abgesehen von der Raumfahrt gibt es in der Antriebstechnik nichts vergleichbares.

[Hind]

Naja Porsche wollte das Projekt soweit ich weiß schon weiter betreiben, aber ihnen ist schlicht der Absatzmarkt weggebrochen.

Die Amerikaner hatten aufeinmal so ihre zweifel an der Sicherheit über Flugmotoren ohne Magnetzündung

Ist diese Information gesichert? Dann würde ich sie für mich selbst mal in meinen eigenen Wissensschatz übernehmen. Was ich bisher wusste ist die Tatsache mit der Ersatzteilversorgung.

Es ist auf jeden Fall mal interessant da weiter zu suchen.

[Hind]

Mit dem Wirkungsgrad vielleicht nicht, mit dem Verbrauch schon. Der Verbrauch bezogen auf Leistung ist bei einer Gasturbine in jedem Fall höher eben weil sie ununterbrochen Kraftstoff verbrennt und nicht getaktet wie ein Kolbenmotor. Deshalb verbraucht ein 2-Takter auch mehr als ein 4-Takter. Und das ist eben einer der größten Nachteile, speziell bei Kampfflugzeugen. Die haben ineffiziente Triebwerke und kaum Platz für Kraftstoff, blöde Kombination.

Der Wirkungsgrad von Gasturbinen ist aber in der Tat sehr gut, heutzutage über 90%. Was aber nicht heißt, dass sie wenig verbrauchen. Sie holen eben nur viel Leistung aus dem was sie verbrennen.

 

Was Bauteile angeht, betrachtet man nur das Triebwerk ohne Anschlussgeräte dann hat ein Kolbenmotor mehr bewegliche Teile (nicht Bauteile insgesamt), das stimmt. Voll aufgerüstet nimmt sich das nicht viel. Aus dem Wirrwarr an Pumpen, Reglern und Getrieben kann man wirklich viele kleine Teile nehmen. Ich habe sowohl an Kolbentriebwerken als auch an Strahltriebwerken gearbeitet und selbst ein großer Sternmotor kommt nicht mal in die Nähe was Komplexität angeht.

Das Eurofighter Triebwerk könnte etwa 74.000 PS Wellenleistung abgeben. Für einen Kolbenmotor vergleichbarer Leistung bräuchten wir entweder unglaublich viel Hubraum wie auf einem Schiff, oder unrealistisch viele Zylinder oder eine unrealistisch hohe Kompression. Der ausschlaggebende Punkt ist dann eher der Platzbedarf als die Anzahl an Teilen. Aber du hast natürlich Recht, dass das Treibwerk an für sich aus nur wenigen mechanischen Teilen besteht die sich vor allem alle gleichförmig bewegen. Das ist der springende Punkt für die enorme Zuverlässigkeit von Gasturbinen, es bewegt sich nicht jedes Teil in eine andere Richtung. Man hat nicht die oszillierenden Massen und damit verbundene Vibration.

 

Aber die grundsätzliche Aussage der Einfachheit von Strahltriebwerken ist natürlich korrekt. Man darf nur nicht annehmen ein Strahltriebwerk wäre simpler aufgebaut denn das genaue Gegenteil ist der Fall. Die Ingenieursleistung die in die Entwicklung fließt ist kaum vorstellbar. Abgesehen von der Raumfahrt gibt es in der Antriebstechnik nichts vergleichbares.

 

Um deinen post ausreichend zu beantworten müsste man sich ein wenig in Haarspaltereien ergehen.

Ein Düsentriebwerk ist halt doch etwas anderes als eine Gasturbine. Eine Gasturbine ist nur der Teil der den Arbeitsschritt leistet. Diese Turbinen gibt es auch gesondert in Kraftwerken. Die leisten tatsächlich hohe Wirkungsgrade. Das Düsentriebwerk als Wärmekraftmaschine betrachtet hat aber einen viel geringeren Wirkungsgrad. Dieser liegt ungefähr im Bereich eines Kolbenmotors. (Bitte das ungefähr beachten.) Durch den kontinuierlichen Betrieb kann das Düsentriebwerk aber viel mehr Luft und Treibstoff durchfeuern. Daher ist die Leistungsdichte viel größer. Natürlich ist der Verbrauch höher, aber ich bekomme auch etwas dafür. Viel Leistung erfordert viel Sprit. Der Wirkungsgrad sagt nur aus wie gut ich die im Treibstoff enthaltene Energie ausnutze.

Wenn Du sagst, dass ein Eurofighter Triebwerk 74000 PS hat, dann wirst Du einen vergleichbaren Kolbenmotor nicht in einen EF2000 unterbringen, und Du wirst keine Luftschrauben bauen können die diese Leistung an die Luft übergeben können. Von der Wartung eines 800 Zylinder Motors gar nicht zu reden. (Aber ich denke darüber besteht Einigkeit)

Ich stimme Dir auch zu, dass moderne Triebwerke hochkomplexe Maschinen sind. Das Funktionsprinzip ist aber im Vergleich zum Kolbenmotor recht einfach und gradlinig. Es besteht ein Unterschied zwischen einfach und primitiv. Komplexitätsvergleiche sind sehr problematisch. Schließlich wurden hochleistungs Sternmotoren seit 60 Jahren nicht mehr entwickelt. Schaue ich mir aber einen 28 Zylinder Sternmotor an, und stelle ein Jumo 004 dagegen, so ist das Jumo von verblüffender Einfachheit.

Der schlechtere Wirkungsgrad des Zweitakters liegt am viel weniger optimierbaren Gaswechsel im Brennraum. Daher ist auch der verwertbare Drehzahlbereich viel geringer.

[MAD-MM]

Ist diese Information gesichert? Dann würde ich sie für mich selbst mal in meinen eigenen Wissensschatz übernehmen. Was ich bisher wusste ist die Tatsache mit der Ersatzteilversorgung.

Es ist auf jeden Fall mal interessant da weiter zu suchen.

 

 

 

 

 

Ich kenn das Thema selber leider nur aus Erzählungen, einzige Quelle dich jetzt soweit gefunden hatte auf die schnelle war Wiki:

 

 

Die Konkurrenten bemühten sich, die Nachteile des elektronischen Zündsystems anstelle der von ihnen verwendeten Magnetzündung in der Öffentlichkeit herauszustellen. Porsches Zündsystem war auf mindestens einen funktionierenden Generator angewiesen, fielen beide Generatoren aus, konnte etwa eine Stunde mit Batteriestrom weitergeflogen werden. Die konventionelle Magnetzündung funktioniert hingegen auch ohne externe Stromzufuhr. Dieser Punkt war einer der Gründe des kommerziellen Misserfolges.

[Hind]

Ein kleiner Nachtrag zu den Sternmotoren:

Wann kann man schon mal so viele verschiedene Kolbenmotoren im Betrieb sehen... und hören. Besonders interessant ist einmal ein Umlaufmotor in betrieb zu sehen.