Start eines Mantelstromtriebwerkes und Schubumkehr

Auto, Rad & Mobilität Luft- & Raumfahrt
#1

Hallo,
ich bin jetzt schon einige Male mit Air Berlin geflogen, die (hoffe ich liege richtig) 737-800 nutzen.

jetzt frage ich mich ständig einige Dinge:

  1. Wie wird das Triebwerk überhaupt gestartet? Überhaupt wie genau bewirken die verbrennenden Gase eine Drehung der Turbine oder dieser vorderen Ansaugturbine?

  2. Wenn die Maschine noch steht, so hört man zwar die Triebwerke, jedoch kann man (beim Blick auf die Front) keinerlei Drehung sehen. Was genau dreht sich denn nun oder macht den Krach?

  3. Wieso wird Kerosin benutzt und nicht Diesel oder Benzin? Was ist so besonderes daran?

  4. Wie funktioniert der Umkehrschub? Ich konnte das leider noch nie beobachten. Wird der Strahl umgelenkt oder werden die Turbinenlamellen umgestellt?

Ich hoffe sehr, dass mir jemand helfen kann diese vielen Fragen zu bewältigen. Habe zwar schon stundenlang bei google gesucht, jedoch absolut keinerlei technische Beschreibung der Triebwerke gefunden.

Danke für die Hilfe

Gruß
Kai

#2

Hallo Kai,

ich bin jetzt schon einige Male mit Air Berlin geflogen, die
(hoffe ich liege richtig) 737-800 nutzen.

ja, unter anderem.

jetzt frage ich mich ständig einige Dinge:

  1. Wie wird das Triebwerk überhaupt gestartet? Überhaupt wie
    genau bewirken die verbrennenden Gase eine Drehung der Turbine
    oder dieser vorderen Ansaugturbine?

Das Starten und der Betrieb sind zwei Dinge. Ein Triebwerk besteht aus zwei großen Einheiten: dem Kompressor (vorne) und der Turbine (hinten). Im Kompressor wird - der Name verrät es - die Luft durch die drehenden Triebwerksschaufeln komprimiert. zwischen Kompressor und Turbine wird dann das Kerosin eingspritzt und entzündet (wenn es mal läuft, schaltet man die Zündung in den meisten Flugzeugen nur wieder dazu, wenn man ein Ausgehen der Flamme befürchtet, z.B. in schwerem Regen). Die hohe Energie der Verbrennungsgase treibt wiederum die Schaufeln der Turbine an. Diese sind über eine oder mehrere Wellen (je nachdem, wieviel Stufen der Kompressor und die Turbine haben, meist zwei) mit dem Kompressor verbunden und erzeugen dadurch die Luft für die Verbrennung. Außerdem hängt an einer der Wellen auch der sog. Fan, ein weiteres „Schaufelrad“ noch vor dem Kompressor, das einen großen (bei modernen Triebwerken den größeren) Teil der Luft an der Brennkammer vorbeischaufelt (Bypass-Triebwerk). Die Energie, die nicht für den Antrieb des Kompressors abgeogen wird, treibt zum Teil das Flugzeug an. Die größere Antriebskraft leistet aber der Kaltluftsrom, der vom Fan angetrieben wird.
Wie man jetzt sieht, treibt die Turbine den eigenen Kompressor an, der die Luft für die Verbrennung liefert. Damit sind wir bei der Problematik des Startens: Solange die Turbine nicht läuft, wird keine Luft komprimiert. Deshalb muss das Triebwerk zunächst auf eine Betriebsdrehzahl gebracht werden, mit der es sich dann selbst in Betrieb halten kann (Selbsterhaltungsdrehzahl). Das erledigt ein Motor, der entweder elektrisch (kleinere Triebwerke) oder durch Druckluft (größere Triebwerke) angetrieben wird. Ist das Triebwerk bei einer bestimmten Drehzahl, wird das Kerosin eingspritzt und entzündet, dann läuft es hoch und selbstständig weiter.

  1. Wenn die Maschine noch steht, so hört man zwar die
    Triebwerke, jedoch kann man (beim Blick auf die Front)
    keinerlei Drehung sehen. Was genau dreht sich denn nun oder
    macht den Krach?

Was Du meinst, ist wahrscheinlich die Hilfsturbine (APU - Auxiliary Power Unit) im Heck des Flugzeugs. Die versorgt die Systeme mit Strom, Luft und Hydraulik, solange noch kein Triebwerk läuft. Die Triebwerke laufen in dem Moment noch kein bißchen, sonst würden sie sich (sehr schnell) drehen.

  1. Wieso wird Kerosin benutzt und nicht Diesel oder Benzin?
    Was ist so besonderes daran?

Kerosin hat andere chemische Eigenschaften (anderer Flammpunkt etc.). Eine genauere Antwort will ich nicht geben, weil ich es wahrscheinlich sehr viel schlechter weiß, als einer der Experten, von denen hoffentlich einer auf diese Frage antwortet.

  1. Wie funktioniert der Umkehrschub? Ich konnte das leider
    noch nie beobachten. Wird der Strahl umgelenkt oder werden die
    Turbinenlamellen umgestellt?

Ja, der Strahl wird umgelenkt. Dazu werden Klappen in den Luftstrom im Triebwerk gefahren und Ausgänge geöffnet, die den Strom nach vorne lenken. Bei den oben beschriebenen modernen Bypass-Triebwerken nimmt man sogar nur den Kaltluftsrom. Das reicht aus.
Bei älteren Triebwerken wurden Klappen so ausgefahren, dass der Strom hinter dem Triebwerk „aufgefangen“ und umgelenkt wurde.
Die Turbinenlamellen werden für den Umkehrschub nicht umgestellt.

Ich hoffe sehr, dass mir jemand helfen kann diese vielen
Fragen zu bewältigen. Habe zwar schon stundenlang bei google
gesucht, jedoch absolut keinerlei technische Beschreibung der
Triebwerke gefunden.

Hoffe, ich konnte Dir helfen. Ich denke aber, zu dem Thema müsste man doch was im Internet finden. Sicherlich auch bebilderte Beschreibungen, das macht die Sache deutlich einfacher.

Gruß
Fabian

#3

Moin

  1. Wie wird das Triebwerk überhaupt gestartet?

Die werden angeblasen: d.h. man läst viel Druckluft durch den hinteren Teil der Turbine störmen. Das löst eine Drehbewegung aus, irgendwann kommt Kerosin dazu …

Überhaupt wie
genau bewirken die verbrennenden Gase eine Drehung der Turbine
oder dieser vorderen Ansaugturbine?

Das grosse Rad vorne saugt die Luft an und drückt sie nach hinten raus. Daher kommt ein grosser Teil des Schub. Hinter dem ersten Teil sitzt das eigentliche, kleinere Triebwerk. Vorne kommt kalte Luft rein, wird verdichtet. Kerosin kommt hinzu, das ganze wird gezündet. Dann geht es über mehrere Stufen (dekompression) wieder nach drausen.

Der Verdichter wird von den hinteren Stufen angetrieben.

Da vorne viel weniger Volumen (kalte Luft => höhere Dichte als warme Luft) reinströmt als hinten rauskommt (warm + Verbrennungsprodukte) erzeugen die hinteren Stufen mehr Power als der Verdichter braucht (um Luft reinzuholen). Der Unterschied wird in Vortrieb umgesetzt (durch das Rad ganz vorne).

Als Bild hier:
http://science.howstuffworks.com/turbine6.htm

  1. Wenn die Maschine noch steht, so hört man zwar die
    Triebwerke, jedoch kann man (beim Blick auf die Front)
    keinerlei Drehung sehen. Was genau dreht sich denn nun oder
    macht den Krach?

Hinten ist eine Hilfsturbine die Strom und Durckluft liefert. Wenn die nicht läuft steht nicht genug Power für den Start der Turbinen zur Verfügung.

  1. Wieso wird Kerosin benutzt und nicht Diesel oder Benzin?
    Was ist so besonderes daran?

Scroll ein bisschen durch’s Brett, das wurde schon oft durchgekaut.

  1. Wie funktioniert der Umkehrschub?

Hinter dem Triebwerk liegen ein paar verstellbare Klappen. Die lenken die Luft aus dem Triebwerk bei der Landung um. Das Triebwerk selbst läuft normal weiter, aber die Luft aus dem grossen Rad vorne wird umgelenkt.

Habe zwar schon stundenlang bei google
gesucht, jedoch absolut keinerlei technische Beschreibung der
Triebwerke gefunden.

Ab da allen Links folgen:
http://science.howstuffworks.com/turbine.htm

cu

#4

Moin

Hallo auch. Da war ich ja ein paar Minuten langsamer.

  1. Wie wird das Triebwerk überhaupt gestartet?

Die werden angeblasen: d.h. man läst viel Druckluft durch den
hinteren Teil der Turbine störmen. Das löst eine Drehbewegung
aus, irgendwann kommt Kerosin dazu …

Das würde ich so nicht sagen. Die Druckluft treibt einen Motor an, der über Wellen mit dem Triebwerk verbunden ist und so das Triebwerk antreibt.

Gruß
Fabian

#5

Hallo !

Einstromtriebwerk.

Luft wird vom Axialverdichter angesaugt.
In der Brennkammer wird dieses Luftvolumen um ein vielfaches vergrößert.
Das entstandene Gas treibt die Arbeitsturbine, entweicht durch die Schubdüse und erzeugt den eigentichen Schub, der das Flugzeug antreibt.
Die Arbeitsturbine treibt wiederum den Verdichter. Beide sind durch eine starre Welle verbunden.

Mantelstrom- oder Zweistromtriebwerk.

Die Arbeitsweise ist ähnlich. Nur wird hier ein Teil der Frischluft, die der Verdichter ansaugt, mit für den Antriebsschub verwendet.

Umkehrschub.

Um den Gasstrahl auch zum Bremsen verwenden zu können, sind an der Schubdüse Umlenkbleche und Öffnungen angebracht, die nach Bedarf den Gasstrahl seitlich und schräg nach vorn umlenken.

Anlassen

Durch angehängte Generatoren, die beim Anlassen als Motor arbeiten. Und andere Arten.

Leistungsmessung.

Da Strahltriebwerke keine Abtriebswelle besitzen, an der eine Maschinenleistung gemessen werden kann, ist ihre Leistung nicht unmittelbar in PS angebbar.
Da zur Leistung eine Bewegung gehört, entwickelt das in Betrieb befindliche, aber ruhende, auf einem Prüfstand an Federn befestigte Triebwerk keine Leistung, wohl aber Vortriebskraft (Schub), der in diesem Fall am Durchbiegen der Federn wie an einer Federwaagegemessen werden kann.
Dieser so genannte Standschub eines Triebwerks, ist stets geringer als der Schub, den es entwickelt, wenn es sich bereits in Vorwärtsbewegung befindet. Dies ist damit zu erklären, dass das ruhende Triebwerk die gesamte Verbrennungsluft ansaugen muß. Bei rascher Vorwärtsbewegung bildet sich jedoch vor der Eintrittsöffnung ein Luftstau mit erhöhtem Druck. Verdichter und Turbine werden dadurch entlastet und der Gasaustritt erleichtert und beschleunigt.
Weiterhin ist bei dem in Bewegung befindlichem Triebwerk die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den austretenden Gasmassen und der Umgebungsluft geringer. Dies erleichtert und beschleunigt ebenfalls den Gasaustritt. Die Abhängigkeit des Schubs von der Eigengeschwindigkeit des Triebwerks bedingt, dass das Triebwerk eine relativ geringe Anfangsbeschleunigung vermittelt (lange Startbahnen).

mfgConrad

#6

Zusatzfragen …
Guten Morgen,

im Prinzip sind mir die hier geantworteten Dinge bekannt, es ergeben sich aber einige Zusatzfragen:

  1. Ich habe gesehen, dass sich (auch im Flug) das vordere, große Verdichterrad relativ langsam dreht (schien mir jedenfalls so). Das ist ja wohl sowas wie ein Vorverdichter. Für die Zuluft der Turbine müsste doch ein Hochdruckverdichter mit hoher Drehzahl vorhanden sein. Gibt es da verschiedene Drehzahlen in der Turbine?
  2. Überrascht hat mich auch die Aussage, dass der Mantelstrom erheblich zum Schub beiträgt. Ich hätte mal gedacht, dass das eher ein Nebeneffekt ist. Das wäre doch nix anderes als ein Turboprop-Triebwerk!?

Danke, Stucki

#7

Guten Morgen,

im Prinzip sind mir die hier geantworteten Dinge bekannt, es
ergeben sich aber einige Zusatzfragen:

  1. Ich habe gesehen, dass sich (auch im Flug) das vordere,
    große Verdichterrad relativ langsam dreht (schien mir
    jedenfalls so). Das ist ja wohl sowas wie ein Vorverdichter.
    Für die Zuluft der Turbine müsste doch ein Hochdruckverdichter
    mit hoher Drehzahl vorhanden sein. Gibt es da verschiedene
    Drehzahlen in der Turbine?

Nimmst Du uns auf den Arm? Wie willst Du die Drehzahl erkennen? Vorne sitzt das Verdichterrad.

  1. Überrascht hat mich auch die Aussage, dass der Mantelstrom
    erheblich zum Schub beiträgt.

Ja, das gasgetriebene Rad soll den Verdichter bewegen.

Ich hätte mal gedacht, dass das

eher ein Nebeneffekt ist. Das wäre doch nix anderes als ein
Turboprop-Triebwerk!?

Nix anderes schon. Es fehlen die propeller.

#8

Strahlturbinen arbeiten mit Drehzahlen von über 20 000 U/min.

Da wirst Du kaum erkennen, ob sie vorne schneller dreht als hinten. Wobei ich schon merkwürdig finde, wie Du die Drehbewegung der Antriebsturbine (hinten) erkennen kannst.

Normale Turbinen haben nur eine Welle, also eine Drehzahl für alles.

Spezialturbinen haben auch zwei oder drei Wellen.

#9

Hallo zusammen,

  1. Ich habe gesehen, dass sich (auch im Flug) das vordere,
    große Verdichterrad relativ langsam dreht (schien mir
    jedenfalls so). Das ist ja wohl sowas wie ein Vorverdichter.
    Für die Zuluft der Turbine müsste doch ein Hochdruckverdichter
    mit hoher Drehzahl vorhanden sein. Gibt es da verschiedene
    Drehzahlen in der Turbine?

Nimmst Du uns auf den Arm? Wie willst Du die Drehzahl
erkennen? Vorne sitzt das Verdichterrad.

Nein, er nimmt hier keinen auf den Arm, schön ruhig…
Ich habe es selbst schon oft gesehen, wenn der Pilot „Gas wegnimmt“ und den Sinkflug einleitet fällt auch die Drehzahl, das kann man hören und auch sehen, nach einiger Zeit ist aus der sehr schnell drehenden schwach erkennbaren Scheibe etwas geworden, das ganz offensichtlich Flügel hat. Die vorher nur sehr verwischt erkennbare „Schnecke“ an der Spitze hat ebenfalls unübersehbar an Drehzahl verloren.
Das meint der Kollege.
Wenn also das große Schaufelrad und die ganz vielen kleinen dahinter auf einer Welle sitzen, so hat sich auch die Drehzahl des ganzen Apparats vermindert, oder :smile:)

Gruß
Bernd

#10

Die Grunddrehzahl liegt bei 7000 U/min. Wer da etwas erkennt, muß schon merkwürdige Augen haben.

#11
  1. Ich habe gesehen, dass sich (auch im Flug) das vordere,
    große Verdichterrad relativ langsam dreht (schien mir
    jedenfalls so). Das ist ja wohl sowas wie ein Vorverdichter.
    Für die Zuluft der Turbine müsste doch ein Hochdruckverdichter
    mit hoher Drehzahl vorhanden sein. Gibt es da verschiedene
    Drehzahlen in der Turbine?

Die genauen Drezahlwerte kenne ich nicht auswendig, sie koennen aber im Leerlauf durchaus in einen Bereich geraten, wo die Drehung mit blossem Auge erkennbar wird. Die Kompression fuer die Brennkammer erfolgt in mehreren Stufen. In modernen Jettriebwerken werden dabei um die 14 Axialverdichterstufen verwandt. Bei kleineren Turbinen wird oftmals auch noch ein Radialverdichter genutzt, der ein sehr viel höheres Verdichtungsverhältnis liefert und somit die Stufenzahl verringert.
Jettriebwerke haben in der Regel zwei Wellen: Eine fuer Hochdruckkompressor, -turbine und den Hilfsgeraetetraeger mit allen Nebenaggregaten inkl. Starter und eine mit dem Niederdruckkompressor und -turbine. Rolls Royce baut auch Triebwerke mit drei Wellen. Diese sind natuerlich komplexer, wartungsintensiver aber auf der anderen Seite auch genauer abgestimmt auf den jeweiligen Bedarf der Stufe. Im Endeffekt scheint es wohl eine Philosophiefrage zu sein, denn im grossen und ganzen werden beide Arten gleichwertig verwandt.

  1. Überrascht hat mich auch die Aussage, dass der Mantelstrom
    erheblich zum Schub beiträgt. Ich hätte mal gedacht, dass das
    eher ein Nebeneffekt ist. Das wäre doch nix anderes als ein
    Turboprop-Triebwerk!?

Jein, ein Turboproptriebwerk arbeitet mit einer nahezu konstanten Drehzahl des Propellers und einer variablen Blattwinkeleinstellung. Das Jettriebwerk hingegen hat eine fixe Blatteinstellung und eine stark variable Drehzahl. Hinzu kommt noch der Effekt der Ummantelung des Schubstrahls.

Gruss,

Nabla

#12

Hallo

Ja, das gasgetriebene Rad soll den Verdichter bewegen.

Äähm, was willst du uns mit diesem Satz eigentlich sagen?

fragende Grüße

Dirk

#13

Die Grunddrehzahl liegt bei 7000 U/min. Wer da etwas erkennt,
muß schon merkwürdige Augen haben.

So sei es, dann habe ich merkwürdige Augen…

#14

Die genauen Drezahlwerte kenne ich nicht auswendig, sie
koennen aber im Leerlauf durchaus in einen Bereich geraten, wo
die Drehung mit blossem Auge erkennbar wird.

Mir erschien die Drehzahl auch beim Start und nach dem Abheben, also bei Höchstleistung, noch recht niedrig - zu sehen an der weißen Spirale, die häufig vorne an der Achse drauf ist. Ich hätte gedacht, dass man nur noch eine graue Fläche sieht. Aber lassen wir das, ist auch nicht so wichtig.
Spirale

Hinzu kommt noch der Effekt der Ummantelung des Schubstrahls.

Das dachte ich sei ausschließlich dazu da, dass der Lärm des Triebwerks geringer ist.

Gruss, Stucki

#15

Ein paar Zahlen…
…aus der Praxis vom A300 mit seinen CF6-80C2A3:

Niederdruckwelle (also auch der Fan): Bis maximal ca. 3500 U/min
Hochdruckwelle: Bis maximal ca. 11000 U/min

Gruß,

Nabla

#16

HI Fabian,

Außerdem hängt an einer der Wellen auch der sog. Fan, ein weiteres
„Schaufelrad“ noch vor dem Kompressor, das einen großen (bei
modernen Triebwerken den größeren) Teil der Luft an der
Brennkammer vorbeischaufelt (Bypass-Triebwerk). Die Energie,
die nicht für den Antrieb des Kompressors abgeogen wird,
treibt zum Teil das Flugzeug an. Die größere Antriebskraft
leistet aber der Kaltluftsrom, der vom Fan angetrieben wird.

Stimmt das so? Man könnte ja meinen, die Turbine hätte nur die Aufgabe, den Fan vorne anzutreiben? Ein Mantelstromtriebwerk ist also ein Propellerantrieb, der von einer Turbine angetrieben wird? Und was sind diese beiden Drehzahlen n1 und n2 der Triebwerke? Sind das die Kompressor- und die Turbinendrehzahl? Wenn die unterschiedliche Drehzahlen haben, dann heißt das ja, daß sie nicht auf einer Welle sitzen können. Ist dann ein Getriebe dazwischen?

Wie man jetzt sieht, treibt die Turbine den eigenen Kompressor
an, der die Luft für die Verbrennung liefert. Damit sind wir
bei der Problematik des Startens: Solange die Turbine nicht
läuft, wird keine Luft komprimiert. Deshalb muss das Triebwerk
zunächst auf eine Betriebsdrehzahl gebracht werden, mit der es
sich dann selbst in Betrieb halten kann
(Selbsterhaltungsdrehzahl). Das erledigt ein Motor, der
entweder elektrisch (kleinere Triebwerke) oder durch Druckluft
(größere Triebwerke) angetrieben wird.

Woher kommt die Druckluft? Ich habe noch nie gesehen, daß einem Jet die Druckluftflaschen getauscht wurden ;o). Abgesehen davon bräuchte es wahrscheinlich ein paar pro Start…

  1. Wenn die Maschine noch steht, so hört man zwar die
    Triebwerke, jedoch kann man (beim Blick auf die Front)
    keinerlei Drehung sehen. Was genau dreht sich denn nun oder
    macht den Krach?

Was Du meinst, ist wahrscheinlich die Hilfsturbine (APU -
Auxiliary Power Unit) im Heck des Flugzeugs. Die versorgt die
Systeme mit Strom, Luft und Hydraulik, solange noch kein
Triebwerk läuft. Die Triebwerke laufen in dem Moment noch kein
bißchen, sonst würden sie sich (sehr schnell) drehen.

Früher bei den 3-motorigen Jets hat man das beim dritten Triebwerk oft gesehen, daß die auch nach längerem Stehen des Jets noch massig heiße Luft hinten rausbliesen.

Martin

#17

Ooh…
da habe ich wohl die Zusatzfragen und -antworten überlesen…

Martin