Experimente:
Versuch: Modellversuch zur Funktion einer Turbine

Bild 1: Startende "Galaxy"
(Foto: Blume)

Schon mancher wird sich angesichts eines Jumbojets gefragt haben: Wie wuchtet der Jumbo seine Massen in die Luft und wie schafft er es, sich solange oben zu halten?

Die Antwort heißt: Das geschieht mit einem Hochleistungs-Verbrennungsmotor, dem Turbinentriebwerk, mit Hilfe der Verbrennung von riesigen Mengen Treibstoff. Der Treibstoff für Jets wird übrigens mit JP bezeichnet (Abk. für Jet Propulsion; amerikan. für Düsentreibstoff). Es handelt sich vor allem um Kerosin, also einer petroleumähnlichen Erdölfraktion mit einem Siedebereich, der zwischen dem von Benzin und Dieselkraftstoff liegt.

Vorweg ein paar durchschnittliche Zahlen:
Ein 300 t schwerer Jumbojet benötigt zum Flug von London nach Newark an der Ostküste der USA durchschnittlich 85 t Treibstoff (etwa 110 000 Liter). Zum Rollen am Boden kommt noch 1 t Treibstoff hinzu. Die Geschwindigkeit eines Jumbos beträgt rund 1000 km/h.

Das Jet-Triebwerk ist eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Verbrennung von Treibstoff. Ähnlich wie bei einer Ölheizung wird ständig Luft mit Treibstoff vermischt und kontinuierlich verbrannt. Nur sind die Drücke und Temperaturen in einem Jettriebwerk bedeutend höher.

Im Turbinentriebwerk wird zunächst die Luft komprimiert und mit Treibstoff im Verhältnis 1:15 vermischt. Dieses Gemisch verbrennt, die Verbrennungsgase werden ausgestoßen, woraus ein kräftiger vorwärtsgerichteter Schub resultiert. Die heißen Gase treiben über eine Turbine zugleich die Pumpe an, die vorn die Luft ansaugt und verdichtet.
Wenn du wissen willst, wie ein Jettriebwerk im Detail genau funktioniert, blättere weiter.

Wovon der Schub abhängt
Der Schub hängt von der Masse und von der Geschwindigkeit des ausströmenden Gases ab. Die 1300 °C heißen Verbrennungsgase verlassen die Brennkammer mit einer Ausströmgeschwindigkeit von 1800 km/h. Beim Verlassen der Triebwerksdüse beträgt die Gasgeschwindigkeit noch immer um 1000 km/h.

Nachbrenner
Um die Geschwindigkeit des ausströmenden Gases und zugleich seine Masse zu erhöhen, kann man in die heißen Abgase noch einmal Treibstoff einspritzen; dieser verbrennt dann außerhalb der Turbine im Nachbrennerrohr unter starker Erhöhung des Schubs. Den resultierenden Feuerstrahl kennst du von Startbildern des Überschallflugzeugs Concorde oder von Kampfjets (-> Bild). Der Treibstoffverbrauch ist aber ungeheuer groß.

Bild 2: Flugzeug mit Nachbrenner (Foto: Blume)

Das Fantriebwerk
Bei einer modernen Technologie erzeugt man einen Kaltluftstrom um das eigentliche Triebwerk herum. Diese Turbofan- oder Mantelstromtriebwerke besitzen vor dem eigentlichen Verdichter noch ein großes Gebläse (engl. fan), angetrieben von der Turbine. Dieses Triebwerk erkennst du an seinen riesigen Dimensionen (-> Bild). Große Flugzeuge leiten fünf- bis sechsmal soviel kalte Luft an der Brennkammer vorbei, als in ihr aufgeheizt wird. Mit Drehzahlen von 20-30.000 Umdrehungen pro Minute schaufelt ein Jumbo-Triebwerk in einer Sekunde 650 kg Luft hindurch.

Bild 3: Bild einer aufgeschnittenen Turbine mit kleinem Fan (Foto: Blume)

Fantriebwerke produzieren also einen hohen Schub bei niedrigem Treibstoffverbrauch. Das ist in Zeiten hoher Treibstoffkosten und niedriger Flugpreise wichtig. Flugzeuge wie der Jumbojet oder der Airbus sind deshalb besonders sparsam, produzieren dabei aber 25 und mehr Tonnen Schub pro Triebwerk. Die Leistung eines Triebwerks beträgt 50.000 und mehr PS (bzw. 37.000 kW)! Mit vier solchen Triebwerken kann man einen schweren Jumbojet oder eine C-5 Galaxy schon zum Rollen, Abheben und Langstreckenflug bringen!

Bild 4: Großes Fantriebwerk von 1997 (Rolls Royce Trent 800, genutzt in der Boeing 777) (Foto: Blume)

Hinzu kommt, dass sich die Mantelströmung dämpfend um den heißen Abgasstrahl legt und so den Fluglärm verringert ("Flüsterjets"). Klassische Triebwerke sind dagegen vor allem wegen des Ausströmgeräuschs sehr laut.

Das Material im Triebwerk
Wie aber verringert man die Einwirkung der hohen Temperaturen auf das Material des Triebwerks?

Bild 5: Mehrstufige Heißluftturbine (Foto: Blume)

Die Triebwerkschaufeln bestehen aus Einkristallen von Hochleistungsmetallen. Sie können innen hohl sein. Durch die Bohrungen wird kalte Luft gepresst, die die Schaufeln mit einem kühlenden Luftfilm überströmt. Neuerdings erprobt man Überzüge oder sogar Turbinenschaufeln aus Keramik. Titan dient auch zur Abschirmung des Flugzeugs gegenüber der großen Hitze, die das Triebwerk abstrahlt.

Bemerkenswert ist, dass man Triebwerke auch für Zwecke nutzt, die mit dem Fliegen gar nichts zu tun haben. Um diese kennenzulernen, lies die Extrawebseite!

Bild 6: Tiefergelegtes Transportflugzeug "Galaxy"
(Foto: Blume)

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