Zusammenfassung
Das Kap. 16, das sich mit den Triebwerkssystemen beschäftigt, ist ein eher angewandtes, beschreibendes Kapitel. Eine solche Beschreibung der Triebwerkssysteme kann aber nur gelingen, wenn man auch Kenntnis über die theoretischen Grundlagen der Triebwerke hat, damit sich so schließlich auch der Sinn- und Zweck des einen oder anderen Teilsystems erschließen kann. Triebwerkssysteme sind – insbesondere bei den Details – bei jedem Triebwerk (irgendwie) unterschiedlich, sodass es praktisch unmöglich ist, eine universelle und übergreifend gültige Darstellung zum Thema zu geben. Die hier vorliegende Beschreibung und die zugehörigen Bilder sind deswegen auch mehr oder weniger eine Mischung aus den Systemen der in Europa häufig zum Einsatz kommenden Triebwerke IAE V2500 und CFM56 und der Rolls-Royce RB211-Trent Serie, die alle zusammen insbesondere in der Airbusflotte zum Einsatz kommen. Wie beim Auto auch, so sind die Triebwerkssysteme alles dass, was man im Motorraum so um den Motor herum angesiedelt vorfindet und was unbedingt erforderlich ist, um ihn dauerhaft und sicher lauffähig zu halten. Öffnet man eine Triebwerksgondel, so ist es wie beim Öffnen eines Automotorraums: Man sieht vor lauter Systemtechnik den eigentlichen Motor kaum. Und so muss man sich gedanklich und optisch auch von ganz außen, Schritt für Schritt, durch den Wust der Systeme hindurch zum eigentlichen Triebwerk voran arbeiten. Auf diesem Weg wird unter anderem das Starten eines Triebwerks erklärt und die damit verbundene Triebwerksregelung und -leistungssteuerung, die zum kleinen Teil auch schon in Kap. 5 beim Schub beschrieben wurde, ebenso wie auch alle Hilfsmechanismen zum stabilen Verdichterbetrieb zum Teil bereits in Kap. 10 inhaltlich angerissen wurden. Bei den Systemen bekommt nun insbesondere das Verdichterluft-Regelsystem einen hohen Stellenwert, auch hinsichtlich des Aspektes eines sicheren Triebwerkbetriebes. Das Brennstoffsystem wird erklärt, wie auch das Schmierölsystem und damit auch verbunden das Wärmemanagement eines gesamten Triebwerks mit dem zum Teil auch das interne Triebwerksluftsystem zu tun hat, das auch für die Kühlung des Turbinenbereichs zuständig ist, ebenso wie für die Einschränkung der Ausdehnung des Turbinengehäuses. Der Vereisungsschutz wird behandelt, ebenso wie die Prävention, Detektion und Löschung von Triebwerksfeuern.
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Notes
- 1.
In einem geschlossenen Regelkreis überwacht ein Sensor den Regelkreisausgang (Regelgröße oder Istwert: z. B. die Drehzahl). Diese Daten werden einem Rechner übergeben, der kontinuierlich den Brennstoffmassenstrom (Sollwert oder Führungsgröße am Regelkreiseingang) so anpasst, dass die Regeldifferenz, d. h. die Abweichung zwischen Soll- und Istwert (Aufrechterhaltung der gewünschten Beschleunigung) ein Minimum ist. Die Rückmeldungsmöglichkeit eines solchen geschlossenen Regelkreises erlaubt dem Rechner eine dynamische Kompensation möglicher Störgrößen, wie z. B. Änderungen im Umgebungszustand (Druck, Temperatur, Wind, Flugmanöver).
- 2.
Redundanz: Überfluss. In der Informationstheorie Weitschweifigkeit, Gehalt von Signalen, die keine zusätzliche Information liefern. Technische Redundanz: Die Mehrfachauslegung technischer Geräte zum Schutz gegen Ausfallerscheinungen.
- 3.
Als Ejektor oder Aspirator wird üblicherweise eine Strahlpumpe bezeichnet, die einen Unterdruck erzeugt, also eine primär absaugende Wirkung hat. Eine solche Strahlpumpe ist eine Pumpe, in der die Pumpwirkung durch einen externen Fluidstrahl (hier der Luftstrom für die Enteisung der Gondeleinlauflippe) erzeugt wird, der beim Vorbeiströmen an einer Öffnung dort einen Unterdruck erzeugt.
- 4.
Die Flugenveloppe ist die Hüllkurve der möglichen Leistungen eines Flugzeugs in einem Höhen-Geschwindigkeits-Diagramm. Flugenveloppen kennzeichnen den möglichen Betriebsbereich des Flugzeugs. Auch Triebwerke haben Hüllkurven für ihren Leistungsbereich.
- 5.
Die Steckverbindungen sind so angelegt, dass jeder einzelne Stecker nur in seinen ganz eigenen Anschluss hinein passt. So wird vermieden, dass es zu falsch angeschlossenen Kabelbäumen kommen kann.
- 6.
Die einzelnen Triebwerke einer Triebwerksserie sind i. Allg. mit unterschiedlichen Leistungen (Schüben) zu bekommen. Das Trent 900 des Airbus A380 gibt es in drei vollkommen baugleichen Varianten, die sich nur im maximalen Schub unterscheiden, der jeweils vom zugehörigen Data Entry Plug vorgegeben wird: Trent 970 mit 311.28 kN Schub, Trent 972 mit 320.27 kN Schub und Trent 977 mit 359.33 kN Schub.
- 7.
Eine Airline könnte prinzipiell später vom Triebwerkshersteller einen anderen Data Entry Plug ordern und so das bestehende Triebwerk über die EEC/ECU leistungsmäßig „umrüsten“. In einigen diversen Fällen wäre das sogar ohne eine weitere Hardwareänderung am Triebwerk möglich, in vielen Fällen wären aber zusätzliche und oft sehr aufwendige Hardwaremodifizierungen am Triebwerk erforderlich.
- 8.
Ob die N1- oder die EPR-Modifizierung zum Tragen kommt, hängt davon ab, welches die Hauptleistungsanzeige eines Triebwerks ist. Dieses kann entweder die Fandrehzahl (N1-Drehzahl) sein, wie beim Triebwerk CFM 56, oder aber das Triebwerksdruckverhältnis EPR (Engine Pressure Ratio), wie beim Triebwerk IEA V2500.
- 9.
Nach Aussagen von Triebwerkswartungsfirmen ist diesen bisher kein Vorfall bekannt geworden, indem diese Situation praktisch eingetreten wäre.
- 10.
Die Druckmessstelle am Triebwerk ist dabei durch eine einfache, dünne Rohrleitung, vgl. Druckmessstellen in Abb. 16.17, mit dem elektrischen Druckaufnehmer verbunden, d. h. der Gasdruck am Triebwerk wird mittels einer solchen „einfachen Verlängerung“ zu der Hardwareposition der Druckmessstelle geleitet.
- 11.
Bei den Triebwerken RB199 (Tornado) und GE90 (Boeing B777) wird z. B. so die Temperatur auf der Oberfläche der Schaufeln der Hochdruckturbine gemessen.
- 12.
Der Vorgang ist ähnlich wie das Messen des Totaldruckes, wo auch die Gasströmung innerhalb eines Pitot-Rohres auf null „abgebremst“ wird. Der dabei gemessene Druck ist dann der so genannte Gesamt- oder Totaldruck. Analog zu dieser Methode wird auch die Totaltemperatur einer Strömung gemessen.
- 13.
Stehendes Gas würde sich durch die heiße Schaufel erwärmen und eine Temperatur annehmen, die nicht der gewünschten Totaltemperatur entspricht.
- 14.
Als Seebeckeffekt wird das Auftreten einer Spannung zwischen zwei Stellen unterschiedlicher Temperatur eines Leiters genannt. Die Potenzialdifferenz ist annähernd proportional zur Temperaturdifferenz, und abhängig vom Leitermaterial.
- 15.
Ein Pt 100 Sensor hat bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ω, ein Pt 200 Sensor 200 Ω usw.
- 16.
Der piezoelektrische Effekt beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck und elektrischer Spannung in Festkörpern. Er basiert auf dem Phänomen, dass bei der Verformung bestimmter Materialien auf der Oberfläche elektrische Ladungen auftreten (direkter Piezoeffekt). Umgekehrt verformen sich diese (zumeist Kristalle) bei Anlegen einer elektrischen Spannung (inverser Piezoeffekt). Der Piezoeffekt gilt in der Physik als das Bindeglied zwischen der Elektrostatik und der Mechanik.
- 17.
Der Potenziometergeber ist ein Positionssensor nach der Bauart eines Potenziometers. Er dient der Winkelmessung. Entsprechend der Stellung eines beweglichen Teiles (Schleifer) ändert sich der elektrische Widerstand und man erhält eine sich relativ zur Stellung des beweglichen Teils ändernde elektrische Spannung.
- 18.
FAR Part 1 „Definitions and Abbreviations“ und FAR Part 33.7 „Engine Ratings and Operating Limitations“.
- 19.
Es ist nach wie vor üblicher Standard, den Schub eines Triebwerks, sobald es am Flugzeug betrieben wird, in Pounds und nicht in Newton anzugeben (1 lbf =«4.44822 N).
- 20.
Der aerodynamische Vorteil hierbei ist die Verschiebung des Flugzeugschwerpunktes nach hinten infolge der Tragflügelpfeilung, was den Gesamtwiderstand und damit den Verbrauch des Flugzeugs mindert. Außerdem verringert sich das Biegemoment an der Flächenwurzel, wenn die Brennstoffmasse da positioniert ist, wo der Auftrieb erzeugt wird, nämlich im Bereich der Flügeltanks. Im Notfall ist der Brennstoff in den Flügeltanks aber auch weiter weg von den Passagieren bzw. von der Fracht. Entscheidend ist aber, dass durch die V-Stellung der Tragflügel das Brennstoffniveau außen höher als im Bereich der Flügelwurzel ist, und sich somit oberhalb der Triebwerke befindet und deswegen auch ohne die Brennstoffpumpen (z. B. bei einem Fehler im Elektrosystem) abwärts fließen kann (Gravity Feeding). Durch die Brennstoffmasse – insbesondere in den äußeren Flügeltanks – ändert sich aber auch das Flatterverhalten der Flügel. Leere Tanks an der Flügelwurzel und volle Tanks in den Flächenspitzentanks können dabei die zulässige Fluggeschwindigkeit durchaus um bis zu 40 kn vermindern.
- 21.
Für Flugzeuge, die im Überschallflug operieren, kann es erforderlich werden, die Tanks zu isolieren.
- 22.
Kapazitiv arbeitende Füllstandssensoren basieren auf dem Prinzip, dass zwei Platten (hier zwei nach unten offene ineinander geschobene Rohre) einen elektrischen Kondensator bilden. Zwischen den Platten (Rohren) steht der Brennstoff, dessen di-elektrische Konstante bekannt sein muss. Mit einer sich verändernden Brennstoffhöhe in den Tanks ändert sich die elektrisch messbare Kapazität, woraus auf die Füllstandshöhe geschlossen werden kann. Eine Boeing B737 hat insgesamt 26 solche Füllstandssensoren. Größere Flugzeuge, wie z. B. die Boeing B777 hat 52 Sensoren. Um die Variationen bei den di-elektrischen Konstanten der verschiedenen Brennstoffsorten berücksichtigen zu können, befindet sich in jedem Tank ein diesbezügliches Kompensatorelement.
- 23.
Zur Messung wird von einem Sender vom Tankboden aus ein Ultraschallsignal zur Brennstoffoberfläche gesandt. Das reflektierte Signal wird von einem ebenfalls am Tankboden installierten Empfänger gemessen, der aus der Signallaufzeit die Brennstoffhöhe berechnet. Aus der so ermittelten Höhe wird das Brennstoffvolumen berechnet und dann mittels Multiplikation mit der Dichte die Brennstoffmasse.
- 24.
Kavitation (lateinisch cavitare = aushöhlen) ist die Bildung und Auflösung von Hohlräumen in Flüssigkeiten durch Druckänderungen. Wenn örtlich die Brennstoffgeschwindigkeit so hoch ist, dass der statische Druck unter den Verdampfungsdruck des Brennstoffs fällt, bilden sich lokale Dampf- oder Gasblasen. Mit dem Ansteigen des statischen Drucks im weiteren Strömungsverlauf kondensiert der Dampf in den Hohlräumen schlagartig. Dabei treten extreme Druck- und Temperaturspitzen auf, die die Materialoberflächen auf Dauer zerstören. Ein erhöhter Flüssigkeitsvordruck, den die Niederdruckpumpe erzeugt, verhindert das lokale Abfallen des statischen Druckes unter den Dampfdruck in der Hochdruckpumpe. Durch Widerstände, wie unzureichende Leitungsquerschnitte, Ventilkanten und Winkelverschraubungen wird turbulente Strömung erzeugt, die ihrerseits ebenfalls zu Kavitation und Erosion führen kann.
- 25.
Der Begriff Servohydraulik umfasst alle Anwendungen der Hydraulik, bei denen hydraulische Komponenten in Regelkreisen eingesetzt werden. Wegen ihrer hohen Leistungsdichte kommt der Hydraulik dabei die Rolle des Leistungsteils zu, während der Signalteil in aller Regel auf elektronischem Wege realisiert wird. Die Zeiten, in denen die Reglerhardware selbst aus hydraulischen bzw. pneumatischen Komponenten bestand, sind vorbei. Als geregelte Größen treten sowohl mechanische (Lage, Winkel, Geschwindigkeit, Drehzahl, Beschleunigung, Kraft, Moment) als auch hydraulische Größen (Volumenstrom, Druck) auf, während die Führungssignale mechanischer, pneumatischer oder hydraulischer, in der überwiegenden Mehrzahl aller Fälle jedoch elektrischer Natur sind. Aus diesem Grund muss die Lücke zwischen dem elektrischen Signalteil und dem hydraulischen Leistungsteil durch einen geeigneten Umformer geschlossen werden.
- 26.
Für ein Flugzeug und seine Besatzung ist die Kenntnis über die Brennstoffmasse wichtiger als die Information über das Brennstoffvolumen, so wie es z. B. in der Automobiltechnik üblich ist. Die Brennstoffmasse wird zur kontinuierlichen Bestimmung des tatsächlichen Flugzeuggewichts benötigt, da ja z. B. im stationären Reiseflug die Flugzeuggewichtskraft auch immer im Gleichgewicht zur Auftriebskraft steht. Im Cockpit erfolgt die Brennstoffanzeige deswegen auch in einer Masseneinheit (Kilogramm) und nicht in einer Volumeneinheit (Liter), sodass stets Informationen zum Höchstabfluggewicht bzw. zur Höchstabflugmasse (MTOW, Maximum Take Off Weight) bzw. zum maximal zulässigen Landegewicht bzw. Landemasse (MALW, Maximum Allowable Landing Weight) vorliegen.
- 27.
Hierbei handelt es sich um eine sog. äußere Verdichtung, d. h., die Verdichtung findet nicht in der Pumpe selbst statt (innere Verdichtung), sondern im nachfolgenden „Verbraucher“. Bei der äußeren Verdichtung wird kontinuierlich Masse in ein „Verbrauchersystem“ gedrückt und dadurch der Druck erhöht, ähnlich wie bei einem Menschen, der einen Luftballon aufbläst.
- 28.
Ein Drehmoment- oder Torquemotor ist ein getriebeloser Direktantrieb mit sehr hohen Drehmomenten und relativ kleinen Drehzahlen.
- 29.
Die Luft im Ölstrom kommt daher, dass zur Abdichtung der Lagerkammern (Sperrluft, Sealing Air) und zum Ausgleich der Lageraxialkräfte (Bearing Load Control) Druckluft verwendet wird, das sich dabei teilweise mit dem Öl mischt und so in den Ölkreislauf gelangt.
- 30.
Die über Bord gehende Luft ist keine reine Luft, sondern immer noch ein schwaches Öl-Luft-Gemisch (Ölnebel), da eine vollkommene Trennung praktisch unmöglich ist. Der über Bord gehende Ölanteil, Abb. 16.59 unten links, repräsentiert den Ölverbrauch des Triebwerks, der zwischen 0.1 … 0.5 U.S. Liquid Quarts betragen kann.
- 31.
Hierbei handelt es sich um eine sog. äußere Verdichtung, d. h., die Verdichtung findet nicht in der Pumpe selbst statt (innere Verdichtung), sondern im nachfolgenden „Verbraucher“. Bei der äußeren Verdichtung wird kontinuierlich Masse in ein „Verbrauchersystem“ gedrückt und dadurch der Druck erhöht.
- 32.
Bei dieser Legierung handelt es sich um eine Kobalt-Nickel-Chrom-Wolfram-Legierung, die hervorragende Beständigkeit gegen hohe Temperaturen mit guter Beständigkeit gegen oxidierende Atmosphären bei bis zu 980 °C aufweist. Sie bietet außerdem exzellente Beständigkeit gegen Sulfidieren.
- 33.
Es muss immer so viel Luft vorhanden sein, dass die Luft und die verdunstenden Flüssigkeitsanteile kein zündfähiges Gemisch bilden können.
- 34.
Paraffine sind langmolekülige Kohlenwasserstoffe (wie z. B. Kerzenwachs). Paraffinierung ist die Verfestigung von Kerosin oder Diesel bei tiefen Temperaturen, so wie es z. B. auch mit Frittierfett beim Erkalten passiert. Am Boden der Fritteuse sieht man dann zuerst eine weiße klumpige Masse, über der sich noch flüssiges Öl befindet.
- 35.
Triebwerkslager werden in geringen Stückzahlen hergestellt und für den individuellen Einsatz konstruiert. Aus Gewichts- und insbesondere Platzgründen werden sie oft in integraler Bauweise mit der Umgebung ausgeführt. Oft wird dabei der Federkäfig, der für eine weiche Abstützung des Rotors sorgt, direkt mit dem Außenring des Lagers kombiniert. Zuweilen dient die Welle selbst als Innenlaufbahn der Rollenlager.
- 36.
Die Wirkung eines Blattspitzenspaltes kann man sich in etwa so vorstellen wie die des induzierten Widerstandes bei Tragflügeln. Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen Saug- und Druckseite der Beschaufelung kommt es zu einer Umströmung der Blattspitze vom höheren zum niedrigeren Druckbereich hin. Hinzu kommt bei Turbomaschinen, dass auch noch ein Druckunterschied vor und hinter der Schaufel vorliegt, der zusätzlich die Blattspitzenumströmung beeinflusst. Dieses alles wird bei Turbomaschinen zum Oberbegriff „Sekundärströmung“ zusammengefasst.
- 37.
Man vergleiche hierzu auch die Ausführungen zum Turbinenkennfeld in Kap. 12.4.
- 38.
Einige Triebwerke verwenden zum Verstellen einen einzigen größeren Aktuator, andere Triebwerke arbeiten dagegen mit zwei kleineren Aktuatoren.
- 39.
Die Begriffe Open und Closed kann man sich dabei wie bei einer Jalousie vorstellen; ist sie offen, kann man hindurchschauen, wenn sie geschlossen ist, geht es nicht.
- 40.
Unter Bedingungen, die sofort nach dem Abheben eine Flächenenteisung erfordern, sollte aus Sicherheitsaspekten eigentlich nicht gestartet werden.
- 41.
Brom-Trifluormethan (BTM) ist eine chemische Verbindung, die in den 1960er Jahren als Feuerunterdrückungsmittel eingeführt wurde. BTM erstickt Verbrennungen bereits bei einer Konzentration von 6 % chemisch. Da BTM zur Gruppe der FCKW gehört, wurde der Einsatz verboten. Einzige Ausnahme sind Flugzeuge. Die in solchen Feuerlöschern verwendeten Mittel nennt man auch Halone. Da sie im hohen Maß die Ozonschicht angreifen, ist die Produktion von Halonen weltweit seit dem 1. Januar 1994 verboten. Seit dem Jahr 2000 dürfen in Europa Halone nur in solchen Anwendungsbereichen verwendet werden, die im Anhang VII der EG-Verordnung Nr. 2037/2000 als kritische Verwendungszwecke aufgelistet und damit zugelassen sind, wie z. B. in der Zivilluftfahrt als Gewicht sparendes Löschmittel.
Literatur
Linke-Diesinger A (2008) Systems of commercial turbofan engines, an introduction to systems functions. Springer, Berlin
Pratt & Whitney (1988) The aircraft gas turbine engine and its operation. United Technologies, P&W Oper.Instr. 200, Part No. P&W 182408
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Bräunling, W. (2015). Triebwerkssysteme. In: Flugzeugtriebwerke. VDI-Buch. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-34539-5_16
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