Dr. András Jancsó Flugzeug-triebwerke

Präsentation zum Thema: "Dr. András Jancsó Flugzeug-triebwerke"—  Präsentation transkript:

1 Dr. András Jancsó Flugzeug-triebwerke

2 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore
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

3 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore 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).

4 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore 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).

5 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Technische Anforderungen:
1 - Propeller 2 - Welle 3 - Kurbelzapfen 4 - Zylinder 5 - Zylinderkopf 6 - Kolben Ergebnis: seit Jahrzehnten praktisch unveränderte Flugkolbenmotoren, (technischer Stand der frühen 1960er-Jahre).

6 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Technische Anforderungen:
p - Verbrennungsdruck A - Kolbenfläche Fk - Kolbenkraft r - Kurbelradius s - Kolbenhub P - Wellenleistung Ergebnis: seit Jahrzehnten praktisch unveränderte Flugkolbenmotoren, (technischer Stand der frühen 1960er-Jahre).

7 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore 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

8 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore 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.

9 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore 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.

10 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Doppelzündung Gemischbeeinflussung
Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor: Doppelzündung Gemischbeeinflussung starrer Nockenwellentrieb Luftkühlung relativ große Hubräume geänderte Schmierung

11 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore
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

12 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore
Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor: Doppelzündung: Gemischbeeinflussung Das 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

13 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore
Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor: Doppelzündung: Gemischbeeinflussung Starrer Nockenwellentrieb Die 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

14 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore
Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor: Doppelzündung: Gemischbeeinflussung Starrer Nockenwellentrieb Luftkühlung Eine 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

15 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore
Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor: Doppelzündung: Gemischbeeinflussung Starrer Nockenwellentrieb Luftkühlung relativ große Hubräume Flugzeugmotoren müssen sehr hohe Leistungen bereits bei niedrigen Drehzahlen ( U/min) erbringen. Alternativ können Untersetzungsgetriebe verwendet werden. geänderte Schmierung

16 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore
Unterschiede zum PKW-Verbrennungsmotor: Doppelzündung: Gemischbeeinflussung Starrer Nockenwellentrieb Luftkühlung relativ große Hubräume geänderte Schmierung Flugzeugmotoren müssen im Extremfall (Kunstflug) auch über Kopf funktionieren und ausreichend mit Schmiermittel versorgt werden.

17 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Einteilung von Kolbenflugmotoren:
nach dem Verwendungszweck (Sport-, Zivil-, Militärversion) nach dem Arbeitsverfahren (Otto, Diesel, Wankel) nach dem Arbeitsprinzip (Viertakt, Zweitakt) nach der Bauform (unterschiedliche Zylinderanordnungen)

18 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Hängender Reihenmotor Hängender V-Motor Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder Sternmotor Doppelsternmotor besondere Bauformen Gegenkolbenmotor

19 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Hängender Reihenmotor Hängender V-Motor Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder Sternmotor Doppelsternmotor besondere Bauformen Gegenkolbenmotor

20 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Hängender Reihenmotor Hängender V-Motor Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder Sternmotor Doppelsternmotor besondere Bauformen Gegenkolbenmotor

21 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Hängender Reihenmotor Hängender V-Motor Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder Sternmotor Doppelsternmotor besondere Bauformen Gegenkolbenmotor einreihiges Sternmotor im Zusammenbau

22 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Hängender Reihenmotor Hängender V-Motor Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder Sternmotor Doppelsternmotor besondere Bauformen Gegenkolbenmotor einreihiges Sternmotor im Zusammenbau Pratt & Whitney R-985 Sternmotor mit Townend-Ring

23 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Hängender Reihenmotor Hängender V-Motor Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder Sternmotor Doppelsternmotor besondere Bauformen Neunzylinder-Sternmotor einer Boeing Stearman PT-13D Gegenkolbenmotor einreihiges Sternmotor im Zusammenbau Pratt & Whitney R-985 Sternmotor mit Townend-Ring

24 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Hängender Reihenmotor Hängender V-Motor Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder Sternmotor Doppelsternmotor besondere Bauformen Gegenkolbenmotor zweireihiges Sternmotor aufgeschnitten

25 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Hängender Reihenmotor Hängender V-Motor Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder Sternmotor Doppelsternmotor besondere Bauformen Gegenkolbenmotor

26 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Ansaugkanal für das vom Vergaser aufbereitete Gemisch Mechanischer Lader (hier: Flügelzellenlader; im Original Zentrix-Lader) Frischgaskammer zum Speichern und Verteilen an die Zylinder Überdruckventil (Waste-Ventil) Auslass-Kurbeltrieb Einlass-Kurbeltrieb (läuft circa 20° nach, zum Erreichen eines asymmetrischen Steuerdiagramms) Zylinder mit Ein- und Auslassschlitzen Auslass, Anschluss für die Auspuffanlage Wasserkühlmantel Zündkerze Gegenkolbenmotor

27 Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Bauformen von Fugmotoren:
Hängender Reihenmotor Hängender V-Motor Boxermotor Vierzylinder, Sechszylinder Sternmotor Doppelsternmotor besondere Bauformen Gegenkolbenmotor Junkers Jumo 205D Gegenkolbendieselmotor

28 Geschwindigkeits-grenze beim Propellerantrieb
Flugzeug-triebwerke Flugzeugmotore Grenzen der Entwicklung Geschwindigkeits-grenze beim Propellerantrieb 1 MACH

29 Flugzeug-triebwerke Geschwindigkeits-grenze beim Propellerantrieb 1 MACH

30 Flugzeug-triebwerke Gasturbinen-Triebwerke

31 Flugzeug-triebwerke Ein 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. Einlass Niederdruckkompressor (Fan) Hochdruckkompressor Verbrennung Turbine und Schubdüse 6. Heißer Abschnitt 7. Hoch- und Niederdruckturbine 8. Brennkammern 9. Kalter Abschnitt 10. Lufteinlass

32 Flugzeug-triebwerke Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk
Geschwindigkeits-, Temperatur- und Druckverlauf in der Turbine

33 Flugzeug-triebwerke Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk

34 Flugzeug-triebwerke Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk Der Verdichter

35 Flugzeug-triebwerke Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk

36 Flugzeug-triebwerke Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk
Die Brennkammer

37 Flugzeug-triebwerke Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk

38 Flugzeug-triebwerke Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk Die Turbine

39 Flugzeug-triebwerke Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk
… Abmessungen … (ein Turbinenschaufel)

40 Flugzeug-triebwerke Ein typisches Gasturbinen-Triebwerk mit Zentrifugalverdichter

41 Flugzeug-triebwerke 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). Praktisch alle strahlgetriebenen Flugzeuge werden mit Turbofans ausgerüstet.

42 Flugzeug-triebwerke Turbofan-Triebwerk von CFM International

43 Flugzeug-triebwerke Turbofan
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.

44 Flugzeug-triebwerke Turbofan
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.

45 Flugzeug-triebwerke Pratt & Whitney JT9D-Turbofan-Triebwerk einer Boeing 747

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

47 Flugzeug-triebwerke Getriebefan
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.

48 Flugzeug-triebwerke Gasturbine 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.

49 Flugzeug-triebwerke Turboproptriebwerk Lycoming T 53 (Propellerabtrieb links über Reduktionsgetriebe)

50 Einsatzbereiche von Turbotriebwerken
Flugzeug-triebwerke Einsatzbereiche von Turbotriebwerken

51 Flugzeug-triebwerke Turbojet
Leistungssteigerung duch Anknüpfung eines Nachbrennvorgangs

52 Flugzeug-triebwerke Parameter eines Turbotriebwerks
Ein Turbinenluftstrahltriebwerk besitzt eine Vielzahl von Eigenschaften. Hier eine Liste der wichtigsten technischen Parameter, um einen schnellen Vergleich unterschiedlicher Strahltriebwerke herstellen zu können: 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)

53 Flugzeug-triebwerke Staustrahltriebwerk
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.

54 Flugzeug-triebwerke Staustrahltriebwerk
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.

55 Flugzeug-triebwerke Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit!