Ein Turbofan 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).
Weist das Triebwerk ein besonders hohes Nebenstromverhältnis auf, so spricht man vom einem Fan- (englisch Gebläse) oder deutsch Bläsertriebwerk. Im Vergleich zu anderen Strahltriebwerksarten hat es einen größeren Durchmesser. Grund dafür ist der Fan, der sich ganz vorn befindet.
Praktisch alle strahlgetriebenen Flugzeuge werden mit Turbofans ausgerüstet.
Funktionsweise [Bearbeiten]
Meistens ist der Bläser vor dem Verdichter angeordnet. In seltenen Fällen, etwa dem General Electric CF700 befindet sich der Bläser im hinteren Bereich des Triebwerks. Diese Anordnung wird Aft-Fan genannt. Die Funktionsweise ist jedoch grundsätzlich gleich.
Bei den meisten Triebwerken ist die erste Stufe der Gasturbine 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 ca 80% des Vortriebs.
Charakteristisch für einen Turbofan ist ein hohes Nebenstromverhältnis. Das ist das Verhältnis der Luftmenge, die außen durch den Fan strömt, zu der Luftmenge, die durch die Gasturbine strömt. Moderne Turbofans in Zivilflugzeugen haben ein Nebenstromverhältnis (engl. Bypass ratio) von 80:20 = 4 bis 90:10 = 9. Sekundär- und Primärstrom zusammen bilden den Gesamtrückstoß. Eine extreme Auslegung zeigt das Samara NK-93 Triebwerk, bei der eine Propellerturbine auf zwei gegenläufige, gekapselte Propeller arbeitet. Hier wird bereits jetzt ein Bypassverhältnis von 16,6 (ca. 94,3:5,7) erreicht.
Man unterscheidet Niederdruck- (ND) und Hochdruck- (HD) Kompressor sowie Niederdruck- und Hochdruckturbine. Generell ist die dem Triebwerk über die Turbine entzogene Rückstoßenergie größer, als bei einem Einstrom-Strahltriebwerk, da mit ihr der Fan angetrieben werden muss.
Der Fan hat die Aufgabe, große Luftmassen anzusaugen, und zum Kompressor und in den Nebenstrom zu leiten. Aufgrund des großen Fandurchmessers (beispielsweise beim Rolls Royce Trent 900 2,95 m) kann dieser nicht mehr über eine Welle mit dem Kompressor und der Turbine gekoppelt werden, da die Schaufelspitzen eine zu hohe Geschwindigkeit erreichen würden. Man nutzt daher entweder ein Untersetzungsgetriebe oder zwei, bzw. 3 Wellen, um die beiden Komponenten mit unterschiedlichen Drehzahlen betreiben zu können.
Realisiert wird dies durch eine verschachtelte Wellenanordnung: Ein Rundprofil als Primär- und ein Rohrprofil als Sekundärwelle. Die Primärwelle führt durch die Sekundärwelle und ist länger als diese. Neben einer unterschiedlichen Drehzahl ist auch eine entgegengesetzte Drehrichtung möglich, wodurch die zu transportierenden Luftmassen stabilisiert werden. Üblich ist es, die unterschiedlichen Drehrichtungen durch die Veränderung der Schaufelwinkel von Kompressor und Turbine zu erreichen.
In einigen Turbofan-Triebwerken befinden sich drei Wellensysteme. Dies ermöglicht eine weitere Unterteilung von Kompressor und Turbine.
Als Getriebefan bezeichnet man Turbofan-Triebwerke mit 2 oder 3 Wellen, die ein Untersetzungsgetriebe (etwa 4:1) zwischen Fan und Niederdruckturbine besitzen. Dadurch können beide im für sie optimalen Drehzahlbereich arbeiten, was Treibstoff sparen und den Lärm reduzieren soll, aber (durch das Getriebe) eine größere Triebwerksmasse und -komplexität bedeutet. Die ersten Versuche mit dieser Technologie wurden Mitte der 1980er Jahre mit dem 578-DX von Pratt & Whitney zusammen mit Allison gemacht. 1986 entwickelte IAE mit dem SuperFan ein entsprechendes Triebwerk für den A340, welches aber aufgrund von technischen Risiken nicht zuende entwickelt wurde. Bei Pratt & Whitney hatten 1992 bzw. 2001 wieder ein Getriebefan (der Advanced Ducted Prop bzw. Advanced Technology Fan Integrator) mit 236 kN bzw. 56 kN Schub seinen Erstlauf, die jedoch beide nie in Serie gingen. Da diese Technik eine Treibstoffverbrauchssenkung von über 10% gegenüber von jetzigen Triebwerken bietet, entwickeln P&W und MTU trotz dieser Mißerfolge aktuell an einem Triebwerk mit dieser Technologie auf Basis des PW6000 für die Nachfolger von A320 und B737.
Mit Zweistromtriebwerken kann bei Geschwindigkeiten zwischen 600 und 850 km/h mit geringem Kraftstoffverbrauch und Kosten ein hoher Luftdurchsatz erzielt werden. Die Luft des Sekundärstroms kann entweder direkt ausgestoßen oder dem Primärstrom beigefügt werden. Der Vorteil der zweiten Vorgehensweise ist die Bildung einer Pufferschicht zwischen den heißen Abgasen und der kalten Umgebungsluft (-60° C in 11.000 m Höhe), was die starke Lärmentwicklung bei der schlagartigen Entspannung der Abgase verhindert.
Heute werden fast ausschließlich Zweistromtriebwerke genutzt, da sie einen höheren Wirkungsgrad und höhere Sicherheit bieten als Einstromtriebwerke. Je nach Verwendungszweck ist das Nebenstromverhältnis unterschiedlich. Für hohe Geschwindigkeiten bis in den Überschallbereich, wie beispielsweise beim EJ200 für den Eurofighter Typhoon steht die Rückstoßenergie im Vordergrund, weswegen das Nebenstromverhältnis gering ist. Bei zivilen und militärischen Passagier- und Transportmaschinen stehen niedrige Verbrauchs-, Verschleiß- und Lärmwerte im Vordergrund, weswegen hier das Nebenstromverhältnis sehr hoch ist.
Nachteilig ist die im Vergleich zu Propellerantrieben größere Gefahr einer Beschädigung durch das Einsaugen fremder Objekte, der sog. Foreign Object Damage (FOD), wie z. B. Vogelschlag. Um diesen zu Verhindern, ist auf dem vorderen Teil der Fan-Nabe (Spinner) bei vielen Fluggesellschaften eine weiße Spirale aufgemalt (Spinner Paint), deren Bewegung von Vögeln vermutlich auch bei hoher Drehzahl zu erkennen ist und sie möglicherweise abschreckt. Moderne Triebwerke müssen eine Resistenz gegenüber einem 1,8 kg schweren Vogel aufweisen. Um die Aspekte der biologischen Flugsicherheit kümmert sich in Deutschland der Deutsche Ausschuss zur Verhütung von Vogelschlägen im Luftverkehr e. V.
Geschichte [Bearbeiten]
Das erste funktionsfähige Zweistromtriebwerk war das Daimler-Benz DB 670 (auch 109-007), dessen erster Prüfstandlauf am 1. April 1943 erfolgte. Das Rolls-Royce Conway (Erstflug 1954 und ursprünglich für die Handley Page Victor konstruiert) stand ebenso wie das Pratt & Whitney JT3D (eigentlich für die Boeing B-52H) 1959 bereit. Beides waren Abwandlungen von Turbojet-Motoren und hatten ein niedriges Nebenstromverhältnis. Beides waren ursprünglich militärische Entwicklungen. Die zivile Zulassung des JT3D erfolgte einige Monate später als beim Conway.
Das russische Solowjow D-20 folgte 1960, war aber von vorn herein für die zivile Luftfahrt ausgelegt. Es eröffnete außerdem in der Tupolew Tu-124 den Kurzstreckenverkehr für das Strahltriebwerk.
Die Entwicklung der heute genutzten Turbofantriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis geht auf einen Auftrag der USAF an General Electric für das General Electric TF39 Triebwerk für den riesigen Militärtransporter Lockheed C-5 Galaxy zurück, da für dieses über 350 t schwere Langstrecken-Transportflugzeug Turbojet- oder Turbofantriebwerke mit niedrigem Nebenstromverhältnis zu viel Treibstoff verbraucht hätten und zu schwach waren.
Hersteller [Be
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