Dr. András Jancsó

Flugzeug-triebwerke

Flugzeug-triebwerkeFlugzeugmotore

Bei einem Flugmotor handelt es sich um eine Verbrennungskraftmaschine, am häufigsten in Form eines Kolbenmotors, die speziell für den Einsatz in einem Fluggerät konstruiert wurde. Aufgrund dieses Umstandes werden an einen Flugmotor besondere technische sowie auch gesetzliche Anforderungen gestellt. Dieses verhindert bis auf wenige Ausnahmen den Einsatz von vergleichsweise preisgünstigen PKW- oder Motorradmotoren.

Anzani W-Motor, erster kommerziell erfolgreicher

Flugmotor

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Technische Anforderungen:

• Startleistung (in der Regel nur kurzzeitig, im Reiseflug reduziert auf i.a. 75%),• höchste Leistungsdichte,• günstiges Leistungsgewicht,• geringer spezifischer Verbrauch,• Zuverlässigkeit,• geringe Stückzahlen, • hohe Entwicklungskosten,• gesetzliche Nachweispflichten (Zertifizierung)

Ergebnis: seit Jahrzehnten praktisch unveränderte Flugkolbenmotoren, (technischer Stand der frühen 1960er-Jahre).

Flugzeug-triebwerkeFlugzeugmotore

Technische Anforderungen:

• Startleistung (in der Regel nur kurzzeitig, im Reiseflug reduziert auf i.a. 75%),• höchste Leistungsdichte,• günstiges Leistungsgewicht,• geringer spezifischer Verbrauch,• Zuverlässigkeit,• geringe Stückzahlen, • hohe Entwicklungskosten,• gesetzliche Nachweispflichten (Zertifizierung)

Ergebnis: seit Jahrzehnten praktisch unveränderte Flugkolbenmotoren, (technischer Stand der frühen 1960er-Jahre).

Flugzeugmotore

Technische Anforderungen:

1 - Propeller2 - Welle3 - Kurbelzapfen4 - Zylinder5 - Zylinderkopf6 - Kolben

Ergebnis: seit Jahrzehnten praktisch unveränderte Flugkolbenmotoren, (technischer Stand der frühen 1960er-Jahre).

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Flugzeugmotore

Technische Anforderungen:

p - VerbrennungsdruckA - KolbenflächeFk - Kolbenkraftr - Kurbelradiuss - KolbenhubP - Wellenleistung

Ergebnis: seit Jahrzehnten praktisch unveränderte Flugkolbenmotoren, (technischer Stand der frühen 1960er-Jahre).

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Zur Geschichte der Entwicklung:

1903. : erster erfolgreicher bemannter, gesteuerter Flug: Orville Wright fliegt mit der Kitty Hawk zwölf Sekunden lang in der Luft und legt dabei 37 Meter zurück.

Motor: 77 kg schwer, Wassergekühlt, Vierzylinder-Viertakt-Benzinmotor, Leistung: 12 PS

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Zur Geschichte der Entwicklung:

Aufgrund der Änderungen der Ansaugluftdichte und der Lufttemperatur, abhängig von der Flughöhe des Fluggerätes, ergab sich der Zwang nach geeigneten Regelvorrichtungen für die Gemischbildung.

Durch Motoraufladung bleiben Flugmotoren auch in großer Höhe leistungsfähig.

Im Zweiten Weltkrieg und bis in die 1950er-Jahre wurden Kolbenflugmotoren mit bis zu 2942 kW (4000 PS) Startleistung und mehr als 50 Liter Hubraum produziert, um die Jagdflugzeuge, Bomber und großen Passagiermaschinen zu motorisieren.

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Gesetzliche Anforderungen:

Aufgrund der öffentlichen Sicherheit werden für Flugmotoren strenge Auflagen erteilt. Der Ausfall eines Flugmotors kann zu einem tödlichen Unfall führen.

Deswegen werden vom Gesetzgeber umfassende Sicherheitsmassnahmen für die Zulassung als Flugmotor gefordert:

• umfangreiche Zuverlässigkeitsnachweise,• ein doppeltes Zündsystem, • strenges Wartungsplan der Motoren,• nach 2500 Betriebsstunden eine vollständige Motorüberholung mit Austausch

der Laufgarnitur.

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Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor:

• Doppelzündung

• Gemischbeeinflussung

• starrer Nockenwellentrieb

• Luftkühlung

• relativ große Hubräume

• geänderte Schmierung

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Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor:

• Doppelzündung: Es sind zwei voneinander unabhängige Zündanlagen vorgeschrieben, die auch gleichzeitig benutzt werden. Im Falle des Ausfalls einer Anlage darf der Leistungsabfall infolge verschlechterter Zündung 5 Prozent nicht überschreiten

• Gemischbeeinflussung

• Starrer Nockenwellentrieb

• Luftkühlung

• relativ große Hubräume

• geänderte Schmierung

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Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor:

• Doppelzündung:

• GemischbeeinflussungDas Benzin-Luftgemisch muss dem geringeren Luftdruck in der Höhe angepasst werden. Dazu gibt es einen vom Piloten zu bedienenden Hebel, der direkt auf die Gemischbildung einwirkt. Nur in seltenen Fällen werden Einspritzanlagen oder Vergaser mit automatischer Gemischkorrektur eingesetzt.

• Starrer Nockenwellentrieb

• Luftkühlung

• relativ große Hubräume

• geänderte Schmierung

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Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor:

• Doppelzündung:

• Gemischbeeinflussung

• Starrer NockenwellentriebDie Nockenwelle darf nur über Zahnräder oder eine Königswelle angetrieben werden – Zahn- oder Steuerriemen sind nicht gestattet, da diese reißen können. Häufig werden die Ventile über Stößel statt von einer obenliegenden Nockenwelle betätigt.

• Luftkühlung

• relativ große Hubräume

• geänderte Schmierung

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Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor:

• Doppelzündung:

• Gemischbeeinflussung

• Starrer Nockenwellentrieb

• LuftkühlungEine Luftkühlung ist leichter als eine Flüssigkeitskühlung und kann nicht ausfallen. Zudem ist der Betriebsbereich relativ konstant und nicht einem häufigen Wechsel wie im PKW unterworfen, was das Einhalten der idealen Motortemperatur erleichtert.

• relativ große Hubräume

• geänderte Schmierung

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Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor:

• Doppelzündung:

• Gemischbeeinflussung

• Starrer Nockenwellentrieb

• Luftkühlung

• relativ große HubräumeFlugzeugmotoren müssen sehr hohe Leistungen bereits bei niedrigen Drehzahlen (2500-2700 U/min) erbringen. Alternativ können Untersetzungsgetriebe verwendet werden.

• geänderte Schmierung

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Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor:

• Doppelzündung:

• Gemischbeeinflussung

• Starrer Nockenwellentrieb

• Luftkühlung

• relativ große Hubräume

• geänderte SchmierungFlugzeugmotoren müssen im Extremfall (Kunstflug) auch über Kopf funktionieren und ausreichend mit Schmiermittel versorgt werden.

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Einteilung von Kolbenflugmotoren:

1. nach dem Verwendungszweck (Sport-, Zivil-, Militärversion)

2. nach dem Arbeitsverfahren (Otto, Diesel, Wankel)

3. nach dem Arbeitsprinzip (Viertakt, Zweitakt)

4. nach der Bauform (unterschiedliche Zylinderanordnungen)

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Bauformen von Fugmotoren:

1. Hängender Reihenmotor2. Hängender V-Motor3. Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder4. Sternmotor5. Doppelsternmotor6. besondere Bauformen

• Gegenkolbenmotor

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Bauformen von Fugmotoren:

1. Hängender Reihenmotor2. Hängender V-Motor3. Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder4. Sternmotor5. Doppelsternmotor6. besondere Bauformen

• Gegenkolbenmotor

Flugzeug-triebwerkeFlugzeugmotore

Bauformen von Fugmotoren:

1. Hängender Reihenmotor2. Hängender V-Motor3. Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder4. Sternmotor5. Doppelsternmotor6. besondere Bauformen

• Gegenkolbenmotor

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Bauformen von Fugmotoren:

1. Hängender Reihenmotor2. Hängender V-Motor3. Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder4. Sternmotor5. Doppelsternmotor6. besondere Bauformen

• Gegenkolbenmotor

einreihiges Sternmotor im

Zusammenbau

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Bauformen von Fugmotoren:

1. Hängender Reihenmotor2. Hängender V-Motor3. Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder4. Sternmotor5. Doppelsternmotor6. besondere Bauformen

• Gegenkolbenmotor

Pratt & Whitney R-985 Sternmotor mit Townend-Ring

einreihiges Sternmotor im

Zusammenbau

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Bauformen von Fugmotoren:

1. Hängender Reihenmotor2. Hängender V-Motor3. Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder4. Sternmotor5. Doppelsternmotor6. besondere Bauformen

• Gegenkolbenmotor

Neunzylinder-Sternmotor einer

Boeing Stearman PT-13D

Pratt & Whitney R-985 Sternmotor mit Townend-Ring

einreihiges Sternmotor im

Zusammenbau

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Bauformen von Fugmotoren:

1. Hängender Reihenmotor2. Hängender V-Motor3. Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder4. Sternmotor5. Doppelsternmotor6. besondere Bauformen

• Gegenkolbenmotor

zweireihiges Sternmotor

aufgeschnitten

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Bauformen von Fugmotoren:

1. Hängender Reihenmotor2. Hängender V-Motor3. Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder4. Sternmotor5. Doppelsternmotor6. besondere Bauformen

• Gegenkolbenmotor

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Bauformen von Fugmotoren:

Gegenkolbenmotor

1. Ansaugkanal für das vom Vergaser aufbereitete Gemisch2. Mechanischer Lader (hier: Flügelzellenlader; im Original Zentrix-Lader)3. Frischgaskammer zum Speichern und Verteilen an die Zylinder4. Überdruckventil (Waste-Ventil)5. Auslass-Kurbeltrieb6. Einlass-Kurbeltrieb (läuft

circa 20° nach, zum Erreichen einesasymmetrischen Steuerdiagramms)

7. Zylinder mit Ein- und Auslassschlitzen8. Auslass, Anschluss für die Auspuffanlage9. Wasserkühlmantel10. Zündkerze

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Bauformen von Fugmotoren:

1. Hängender Reihenmotor2. Hängender V-Motor3. Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder4. Sternmotor5. Doppelsternmotor6. besondere Bauformen

• Gegenkolbenmotor

Junkers Jumo 205D Gegenkolbendieselmotor

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Geschwindigkeits-grenze

beim Propellerantrieb

1 MACH

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Grenzen der Entwicklung

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Geschwindigkeits-grenze

beim Propellerantrieb

1 MACH

Flugzeug-triebwerkeGasturbinen-Triebwerke

Flugzeug-triebwerkeEin typisches Gasturbinen-Triebwerk

Luft wird durch die Gebläseschaufeln im Verdichterabschnitt komprimiert, wenn sie in die Turbine eintritt. Sie wird mit Kraftstoff gemischt und im Verbrennungsabschnitt verbrannt. Die heißen Abgase entwickeln Schub nach vorne und drehen die Turbinen-schaufeln und damit die Gebläseschaufeln des Fans und im Verdichterabschnitt und andere Aggregate wie z. B. den Generator und die Hydraulikpumpen.

1. Einlass 2. Niederdruckkompressor (Fan) 3. Hochdruckkompressor 4. Verbrennung 5. Turbine und Schubdüse

6. Heißer Abschnitt 7. Hoch- und Niederdruckturbine 8. Brennkammern 9. Kalter Abschnitt 10. Lufteinlass

Flugzeug-triebwerkeEin typisches Gasturbinen-Triebwerk

Geschwindigkeits-, Temperatur- und Druckverlauf in der Turbine

Flugzeug-triebwerkeEin typisches Gasturbinen-Triebwerk

Flugzeug-triebwerkeEin typisches Gasturbinen-Triebwerk

Der Verdichter

Flugzeug-triebwerkeEin typisches Gasturbinen-Triebwerk

Flugzeug-triebwerkeEin typisches Gasturbinen-Triebwerk

Die Brennkammer

Flugzeug-triebwerkeEin typisches Gasturbinen-Triebwerk

Flugzeug-triebwerkeEin typisches Gasturbinen-Triebwerk

Die Turbine

Flugzeug-triebwerkeEin typisches Gasturbinen-Triebwerk

… Abmessungen … (ein Turbinenschaufel)

Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk mit Zentrifugalverdichter

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Flugzeug-triebwerkeTurbofan

ist ein Strahltriebwerk mit mindestens zwei Wellen, teilweise getrennten Luftströmen und einer stark vergrößerten ersten Verdichterstufe. Man spricht wegen des zweiten Luftstroms auch vom Zweistrom-Strahltriebwerk oder Mantelstromtriebwerk, russische Hersteller sprechen vom Nebenstrom-Triebwerk (Bypass Engine). Praktisch alle strahlgetriebenen Flugzeuge werden mit Turbofans ausgerüstet.

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Turbofan-Triebwerk von CFM International

Flugzeug-triebwerkeTurbofan

Die erste Stufe der Gasturbine ist nur Teil des Verdichters, die den Luftstrom aufteilt in einen inneren Luftstrom (Primärstrom), der in die Gasturbine gelangt (mit Verdichter, Brennkammer und Turbine), und einen äußeren Luftstrom (Nebenstrom oder Sekundärstrom), der durch den Fan außen an der Turbine vorbeigeführt wird. Er wirkt dabei wie ein ummantelter Propeller und erzeugt etwa 80 % des Vortriebs.

Flugzeug-triebwerkeTurbofan

Charakteristisch für einen Turbofan ist das Nebenstromverhältnis. Das ist das Verhältnis der Luftmenge, die außen durch den Fan strömt, zu der Luftmenge, die durch die Gasturbine strömt. Sekundär- und Primärstrom zusammen bewirken den Gesamtschub.

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Pratt & Whitney JT9D-Turbofan-Triebwerk einer Boeing 747

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Zwei General Electric TF-39-Turbofan-Triebwerke an der Tragfläche einer Lockheed C-5.

Flugzeug-triebwerkeGetriebefan

Als Getriebefan (engl. Geared Turbofan) werden Turbofan-Triebwerke mit zwei oder drei Wellen bezeichnet, die ein Untersetzungsgetriebe [2] (etwa 3:1 bis 4:1) zwischen Fan [1] und Niederdruckturbine besitzen. Da hiermit die Drehzahl des Fans gesenkt und die der Turbinenstufe erhöht werden kann, können beide Komponenten in ihrem jeweiligen optimalen Drehzahlbereich arbeiten, was Treibstoff spart und den Geräusch-pegel reduziert. Die zusätzliche Masse des Getriebes wird durch eine geringere Masse der schnelllaufenden Niederdruckturbine wettgemacht.

Flugzeug-triebwerkeGasturbine eines Turboproptriebwerks

Moderne zivile Strahltriebwerke weisen Nebenstromverhältnisse von 5:1 bis 9:1 aus, militärische Typen etwa bis 1,5:1. Die kommende Generation der zivilen Triebwerke steigert das Nebenstromverhältnis sogar bis auf 11:1.

Turboprop-Triebwerke erreichen ein fiktives Nebenstromverhältnis (Propellerstrom im Vergleich zum Massenstrom durch das Triebwerk) von etwa 100:1.

A Propeller, B Getriebe, C Kompressor, D Brennkammer, E Turbine, F Abgasausstoß.

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Turboproptriebwerk Lycoming T 53 (Propellerabtrieb links über Reduktionsgetriebe)

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Einsatzbereiche von Turbotriebwerken

Flugzeug-triebwerkeTurbojet

Leistungssteigerung duch Anknüpfung eines Nachbrennvorgangs

Flugzeug-triebwerkeParameter eines Turbotriebwerks

Ein Turbinenluftstrahltriebwerk besitzt eine Vielzahl von Eigenschaften. Hier eine Liste der wichtigstentechnischen Parameter, um einen schnellen Vergleich unterschiedlicher Strahltriebwerke herstellen zukönnen:• Art des Verdichters (Radial/Axial/Mischform/Sonder) • Art der Turbine (Radial/Axial/Mischform/Sonder) • Art der Brennkammern • Anzahl der Fan-Stufen • Anzahl der Niederdruckverdichterstufen • Anzahl der Hochdruckverdichterstufen • Anzahl der Hochdruckturbinenstufen • Anzahl der Niederdruckturbinenstufen • Wellenanzahl • Luftdurchsatz (kg/s) • Triebwerkslänge • Triebwerksdurchmesser • Trockengewicht • Schub • Nebenstromverhältnis • Kompressionsverhältniss des Verdichters • Spezifischer Kraftstoffverbrauch (kg/kNh)

Flugzeug-triebwerkeStaustrahltriebwerk

Ein Staustrahltriebwerk (engl. Ramjet, als Überschallausführung Scramjet) ist ein luftatmendes Strahltriebwerk, bei dem die Kompression der dem Verbrennungsraum zugeführten Luft nicht durch bewegliche Teile wie Verdichter erfolgt, sondern allein durch Ausnutzung der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gases selbst.

Flugzeug-triebwerkeStaustrahltriebwerk

Staustrahltriebwerke können keinen Standschub erzeugen und funktionieren erst bei hohen Geschwindigkeiten. Zum Start werden meist Raketen-Booster verwendet.

Gegenüber Raketentriebwerken haben sie den Vorteil der höheren Treibstoffeffizienz, da als Oxydationsmittel der Sauerstoff aus der Luft dient, der nicht im Treibstoff mitgeführt werden muss.

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Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit!