Flugzeugtriebwerke

Das Kap. 2 teilt die Triebwerke in verschiedenen Klassen auf, wie Strahl-, Turboprop- und Wellenleistungstriebwerke (Hubschraubertriebwerke). Diese werden wiederum in ein- und mehrwellige Triebwerke unterschieden und die Strahltriebwerke in solche mit und ohne Nachbrenner. Auch zukünftige Konzepte, wie der Getriebefan, werden in diese Art der Klassifizierung mit eingereiht, ebenso wie Hilfstriebwerke, die als vielseitige Energieversorger heute zum Standard aller modernen Verkehrsflugzeuge gehören. Daraus ergibt sich die dann erste Hauptklasse, die Turbo-Strahl-Triebwerke, die Turbojet- und Turbofantriebwerke mit und ohne Nachbrenner beinhaltet. Die zweite Hauptklasse sind die Wellenleistungstriebwerke, die Turboprop- und Turboshaft-Triebwerke beinhaltet, ebenso wie die Hilfstriebwerke. Im Rahmen der gesamten Ausführungen werden die Triebwerke noch einmal nach Schubklassen unterschieden und diverse Triebwerke mehr im Detail vorgestellt und ihre Hauptleistungsdaten beschrieben, sodass der Leser einen vollständigen Überblick darüber erhält, was heute an gängigem Fluggerät als Antrieb zum Einsatz kommt.

Das Kap. 3 gibt eine komprimierte Zusammenfassung zu den Themen Aerodynamik und Thermodynamik, die ein Leser im Minimum kennen sollte, wenn er sich mit Triebwerken eingehender beschäftigen möchte. Wer alles schon weiß, dem gibt das Kapitel ein kleines anschauliches Repetitorium zu den Grundlagen, wer noch einiges an Wissen braucht, der kann es hier nachholen oder Anregungen sammeln, wo er noch einmal genauer hinschauen sollte. Aber auch anscheinend banale Frage werden hier geklärt, wie z. B.: Warum saugt ein Triebwerk überhaupt Luft an? Wie viel Schub braucht eine A380 im Minimum, um ins Rollen zu kommen? Auch das viel diskutierte Thema, ob ein Flugzeug auf einem hypothetischen, sich entgegengesetzt zur Flugzeugbewegung rollenden Laufband starten kann, wird geklärt. Ebenso wird die Bedeutung der Schubdüse für das Triebwerk deutlich gemacht, die zwar für eine Schuberzeugung unerlässlich ist, aber bei genauerem Hinsehen obskurer Weise Kräfte innerhalb des Triebwerks freisetzt, die genau entgegengesetzt zur Schubrichtung wirken. Nicht alles ist so, wie es auf den ersten Blick zu sein scheint. Bei Strömungen sehr hoher Geschwindigkeit braucht man zur Beschleunigung einen Diffusor und zum Verzögern eine Düse, also umkehrte Verhältnisse, wie man es von der klassischen Strömungslehre her kennt. Die Gasmasse, die man durch eine gegebene Öffnung strömen lassen kann, ist begrenzt, ebenso wie die dabei erreichbare maximale Geschwindigkeit. Es begegnen uns physikalische Effekte, die wir vom Alltagleben her so nicht erwarten würden.

Das Kap. 4 beschreibt (fast) ohne Gleichungen alle Komponenten eines Triebwerks hinsichtlich Aufbau, Wirkungsweise und Bedeutung für Triebwerk und Flugzeug. Dabei wird vorne mit dem Einlauf begonnen und sich dann Komponente für Komponente nach hinten durch das Triebwerk bis hin zur Schubdüse und zum Schubumkehrer hindurchgearbeitet. Hierbei werden im Wesentlichen aktuelle Bauelemente beschrieben, aber es wird da, wo es interessant erscheint, auch manchmal auf ältere Technologien eingegangen, die heute nicht mehr oder nur noch sehr selten gebräuchlich sind, die aber das vertiefte Verstehen des Gesamtstoffes sehr gut ergänzen können, so wie z. B. die früher praktizierte Wassereinspritzung in den Verdichter. Aber auch möglicherweise zukünftige Techniken, wie adaptiv verstellbare Zick-Zack-Düsen (Chevron Nozzles) werden in den Stoff mit eingeflochten. Ein Ausblick auf hochaktuelle und zukünftige Technologien (Blisk, Bling, Geared Turbofan, Intercooled Recuperated Aero Engine, More Electrical Engine) und Werkstoffe (Carbon Fiber Composite, Metal-Matrix-Composite, Titan-Aluminide), die es zum Teil bereits gibt und sich noch bewähren müssen, und solche, die unter Umständen kommen können oder auch nicht, schließt das Kapitel ab.

Das Kap. 5 beschäftigt sich theoretisch mit der Schubgleichung für Turbojet- und Turbofantriebwerke. Eine detaillierte Anwendung des Impulssatzes der Strömungsmechanik auf Triebwerke und deren Einzelkomponenten zeigt, wie man den Schub und/oder die Axialkräfte von Triebwerkskomponenten bestimmen kann. Dieses schließt auch senkrecht startende Flugzeuge mit schwenkbaren Düsen mit ein. Der Einfluss der Außenströmung auf die Impulsbetrachtung am Triebwerk wird ebenfalls analysiert. Die Entwicklung des Strahls hinter dem Triebwerk wird dabei ebenso mitdiskutiert, wie auch die Wahl der Kontrollebenen vor und hinter dem Triebwerk und welchen Einfluss sie auf den so berechneten Schub haben. Zahlreiche Rechenbeispiele ergänzen und veranschaulichen den Stoff. Anschließend werden die äußeren Einflüsse (Flughöhe, Barometerdruck, Umgebungstemperatur) auf den Schub behandelt, so wie auch die Wirkung der Fluggeschwindigkeit auf den Schub. Es schließt sich eine Abhandlung über Triebwerksleistungsstufen (Ratings) an, zu der auch eine grundlegende Beschreibung der Triebwerksregelung gehört. Das Kapitel schließt damit ab, nach welchen Methoden Piloten den Schub im Flugzeugcockpit angezeigt bekommen und verändern können. Und da Triebwerke, genau wie auch Autos, nicht immer mit „Vollgas“ gefahren werden, wird erläutert, was man unter Schubreduzierung und Triebwerksschonung im alltäglichen Flugbetrieb versteht und wie man ihn realisiert. Also die Betrachtung des Schubes unter den Gesichtspunkten der Wirtschaftlichkeit, der Umweltschonung und der Wartungsminimierung, ohne dabei Einbußen hinsichtlich der Sicherheit hinnehmen zu müssen.

Mit dem Kap. 6 wird ein erster Einstieg in die Aerodynamik und insbesondere in die Thermodynamik der Triebwerke unternommen und wichtige charakteristische Strahltriebwerkskenngrößen definiert: spezifischer Schub, spezifischer Brennstoffverbrauch, Einheitsmasse, Stirnflächenschub und Schubverhältnis. Für Wellenleistungstriebwerke werden die Begriffe Wellenvergleichsleistung oder äquivalente Leistung eingeführt. Um sich eine Übersicht zu verschaffen, was diese Begriffe bedeuten und wie sie sich entwickelt haben, wurden alle genannten Kenngrößen für ausgeführt Triebwerke in diversen Diagrammen zusammengestellt. Daran schließt sich eine grundlegende Einführung in die Joule-Vergleichsprozesse für Turbojet- und Turbofantriebwerke an, aus der sich die grundlegenden Triebwerkswirkungsgrade (thermischer Wirkungsgrad, Vortriebswirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad) ableiten lassen. Darauf basierend kann gezeigt werden, unter welchen Gesichtspunkten Triebwerke weiterzuentwickeln sind und wo sich Machbarkeitsgrenzen abzeichnen. Es eröffnet sich dabei eine neue Art von Verlust, der nicht auf Reibung basiert, und dennoch ganz entscheidend dafür ist, dass nur kleine Düsengeschwindigkeiten, kombiniert mit großen Massenströmen, zu wirtschaftlichen Flugantrieben führen können. Es wird desweiteren diskutiert, wie sinnvoll der Einsatz von Wasserstoff für Triebwerke sein kann und es wird eine Übersicht über Einkaufpreise von Strahltriebwerken geben. Auch dieses Kapitel wird mit zahlreichen Zahlenwertbeispielen bereichert und endet damit, dass für einen Turbojet und einen Turbofan ein erster, noch sehr trivialer rechnerischer Schritt zum Einstieg in die synthesebasierte Triebwerksberechnung gegangen wird. Dieser einfache Beginn zeigt aber bereits, wie eine solche Rechnung vom Prinzip her angelegt werden muss.

In Kap. 7 werden die in Kap. 6 angelegten Grundlagen für Joule-Vergleichsprozesse (ideale, reversible Kreisprozesse) auf verschiedene Flugzeugtriebwerksarten und Fahrzeuggasturbinen übertragen und damit eine Basis geschaffen, sich einen tendenziellen Überblick über existierende Triebwerkstypen, deren Möglichkeiten und deren Machbarkeitsgrenzen zu verschaffen. Dabei werden die diversen Parameter in den Gleichungen systematisch variiert, in Diagrammen aufgetragen und die so erhaltenen Ergebnisse ausführlich diskutiert. Eine solche Art des Vorgehens nennt man parametrische Kreisprozessanalyse. Ergänzende Zahlenwertbeispiele veranschaulichen zusätzlich die Art und Weise der Rechnungsgänge. Da die Berechnung unter Verwendung von Vergleichsprozessen erfolgt, sind die Ergebnisse generell überbewertet, d. h. Schübe und Leistungen fallen immer zu hoch aus, Wirkungsgrade sind stets zu gut und Verbräuche sind generell zu niedrig. Wie auch immer, Vergleiche mit real ausgeführten Triebwerken zeigen, dass selbst so einfache Rechenmethoden, wie die hier verwendeten, von der Tendenz her bereits sehr gute Aussagen liefern. Die tendenzielle Qualität der Ergebnisse ist gut, die Quantität, d. h. die Zahlenwertergebnisse und manche Details lassen aber zu Wünschen übrig, sodass der Wunsch nach einer anderen Rechenmethode erwächst, die dann in Kap. 14 angeboten werden wird.

Hinsichtlich fast aller Hauptkomponenten, außer Einlauf, Brennkammer und Düse, bestehen Triebwerke überwiegend aus den thermischen Turbomaschinen: Fan, Verdichter und Turbine. Das Kapitel 8 gibt eine Einführung in diesen Maschinentyp. Auf den daraus resultierenden Gegebenheiten können dann später in den Kapiteln 10 und 12 Wege zur Vorauslegung von Triebwerksverdichtern und Triebwerksturbinen aufgezeigt werden. Klassisch wird mit dem Begriff des Turbomaschinengitters begonnen und passend dazu die Eulersche Hauptgleichung der Turbomaschinen herausgearbeitet, die lehrt, dass Leistungswandlung in Strömungen über Dralländerung erfolgt. Zusätzlich dazu wird geklärt, dass es stehende und rotierende Bauteile geben muss und damit dann absolute und relative Strömungen. Es ergibt sich dabei ein technologischer Weg vom Gitter zum Laufrad, zur Stufe und dann zur Maschine. Bei letzterer wird zwischen Axial- und Radialmaschinen unterschieden. Es werden anschließend die Eigenschaften von Verdichter- und Turbinenprofilen dargestellt und mittels numerischer, viskos berechneten Analysen ihre Vor- und Nachteile aufgezeigt. Zur Berechnung von Turbomaschinenstufen wird ein System von Gleichungen (von vollständig nach vereinfachend) zusammengestellt und daraus verschiedene charakteristische Kenngrößen hergeleitet und dann gezeigt, wie mittels dieser dimensionslosen Kenngrößen eine Berechnung im Schaufelmittenschnitt aufgebaut werden kann. Basierend darauf wird anschließend gezeigt, wie mittels des so genannten Radialen Gleichgewichts daraus räumlich gestaltete Turbomaschinenschaufeln entstehen können. Abschließend werden dann viskose und gasdynamische Effekte bei der Schaufeldurchströmung diskutiert. Die komplexen und vielfältigen Inhalte dieses Kapitels werden durch umfangreiche und inhaltlich speziell abgestimmte Beispielrechnungen ergänzt.

Das Kap. 9 behandelt den Triebwerkseinlauf, der mehr oder weniger eine einfache Öffnung vor dem Triebwerk ist, ohne die aber ein schneller Reiseflug nicht möglich wäre. Ein Einlauf ist vom Grundprinzip her immer ein Diffusor (Unter- oder Überschalldiffusor), der die Aufgabe hat am unmittelbaren Triebwerkseintritt eine Verdichterzuströmmachzahl von etwa 0,5 bereitzustellen, und das selbst dann noch, wenn das Flugzeug selbst 4 bis 5 Mal so schnell fliegt. Der Einfluss dieser Zuströmmachzahl auf die Beschaufelung von Verdichter und Fan und auch auf den Triebwerkslärm wird erläutert. Es werden die Probleme der Einlaufgestaltung beschrieben und die dadurch entstehenden Verluste diskutiert. Anhand von einfachen Rechenbeispielen wird gezeigt, wie ein Unter- und ein Überschalleinlauf entwickelt werden könnte. Die Wechselwirkungen zwischen Triebwerk, Gondel und Tragflügel werden diskutiert.

Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem vorderen Hauptbereich eines Triebwerks, mit dem bzw. den Verdichter(n). Der Fan gehört mit zu diesem Bereich. Aufbauend auf den Thermischen Turbomaschinen des Kap. 8 wird hier anhand von Zahlenwertbeispielen gezeigt, wie im Rahmen einer Vorauslegung ein vergleichsweise einfacher Mehrwellenverdichter berechnet und eine zugehörige räumliche Schaufelgestaltung vorgenommen werden kann. Spezielle grundlegende Gesichtspunkte bezüglich der Profil- und Schaufelgestaltung im vorderen, mittleren und hinteren Verdichterbereich werden diskutiert, ebenso wie die Wahl der Materialien. Die Beschreibung der geeigneten Profilwahl wird durch numerische, viskose Verdichtergitterberechnungen zusätzlich veranschaulichend unterstützt. Die Leistungsmöglichkeiten von Verdichtern werden durch ihr so genanntes Kennfeld beschrieben und begrenzt. In diesem Zusammenhang werden das Entstehen und der Aufbau eines Kennfeldes erklärt, das in Teilen, bei den so genannten reduzierten Kennfeldgrößen (reduzierter Massenstrom und reduzierte Drehzahl), auf der Machschen Ähnlichkeit basiert. Darüber hinaus wird über instabile Verdichterzustände und sich daraus ergebende stabilisierende Maßnahmen zu reden sein. Damit lässt sich schließlich erklären, was Rotierende Ablösung, Stufenabreißen und Verdichterpumpen bedeutet, warum man in manchen Drehzahlbereichen seitlich Druckluft abblasen muss und wann und weshalb verstellbare Leitschaufeln unentbehrlich sind. Zum Abschluss des Kapitels wird kurz angerissen, welchen Entwicklungsweg schließlich moderne numerische Verdichterauslegungsverfahren und zugehörige Optimierungsmethoden für zukünftige Verdichterweiterentwicklungen bereiten können.

Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem heißesten Teil im Triebwerk, der Brennkammer. Ausgehend von den Eigenschaften der Flugzeugbrennstoffe wird über den grundlegenden Aufbau von Brennkammern gesprochen und über den Sinn und Zweck einzelner Komponenten. Es schließt sich eine Beschreibung diverser Brennkammertypen an und die dabei zur Anwendung kommenden Kühlungsverfahren. Ein weiterer, sehr wichtiger Bestandteil hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und schadstoffarmer Verbrennung sind die Brennstoffdüsen. Nachdem die verschieden Typen vorgestellt wurden und kurz auf die Zündung eingegangen wird, die nicht kontinuierlich, wie z. B. beim Ottomotor, erfolgt, schließt sich ein Kapitel über Schadstoffemissionen an und wie sie gemessen werden. Alternativen zu den heute üblichen Brennstoffen werden kurz diskutiert und auch die Möglichkeiten der Schadstoffreduktion durch Verändern der bisherigen Brennkammern und der darin stattfindenden Verbrennungsabläufe. Danach werden einige typische Brennkammerkenngrößen vorgestellt und anschließend über die Bestimmung der thermische (heißen) und reibungsbedingten (kalten) Totaldruckverluste gesprochen, was schließlich mit der Diskussion über die Rayleigh- und die Fanno-Kurve endet und was man sonst noch daraus lernen kann.

Nach dem Verdichter ist bzw. sind die Turbine(n) vom Bauvolumen her die zweitgrößte Turbomaschine im Triebwerk. Sie liefern die Energie für den Antrieb von Fan und Verdichter(n), für die elektrische, pneumatische und hydraulische Versorgung des Flugzeuges und auch für die Triebwerke selbst, sowie für deren Hilfsgeräte. Ihre Energieproduktion ist so groß, dass alle dann noch verbleibende Restenergie zum Flugzeugantrieb als Strahl- oder Wellenleistung genutzt werden kann. Turbinen sind die thermo-mechanisch am höchsten belasteten Triebwerksbauteile. Aufbauend auf den Thermischen Turbomaschinen des Kap.  8 wird dann anhand von Zahlenwertbeispielen gezeigt, wie im Rahmen einer Vorauslegung eine vergleichsweise einfache Mehrwellenturbine berechnet werden kann. Spezielle grundlegende Gesichtspunkte bezüglich der Profil- und Schaufelgestaltung, der Mehrwelligkeit und auch die einer Gegenläufigkeit werden diskutiert, ebenso wie die Wahl der Materialien, der hier – aufgrund der Kombination aus einer hohen Fliehkraftbelastung (der relativ schweren Schaufeln) und einer sehr heißen und schadstoffhaltigen Betriebsatmosphäre – ein besonders breit gefächerter und ausführlicherer Bereich gewidmet wird. Die heißen Bereiche der Turbine und ihrer Umgebung verlangen zusätzlich ausgeklügelte Kühlungskonzepte, die hier ebenfalls beschrieben werden. Die Leistungsmöglichkeiten von Turbinen werden, wie auch schon bei den Verdichtern, durch ihr so genanntes Kennfeld beschrieben und begrenzt, wobei das Turbinenkennfeld eine Besonderheit aufweist, die das Verdichterkennfeld nicht kennt, nämlich die Durchsatz- und die Leistungsgrenze, was mit der transsonischen Turbinendurchströmung erklärt werden kann. In diesem Zusammenhang werden dann auch das Entstehen und der Aufbau eines Kennfeldes erklärt, das in Teilen, bei den so genannten reduzierten Kennfeldgrößen, auf der Machschen Ähnlichkeit basiert. Gegenüber dem Verdichterkennfeld kommen weitere reduzierte Größen hinzu, wie die reduzierte Geschwindigkeit, die reduzierte aerodynamische Kraft und die reduzierte spezifische Arbeit.

In diesem Kapitel über die Schubdüse wird erläutert, welchen Einfluss die Düsenfläche auf das Druckniveau im Triebwerk hat und ein kurzer Abriss darüber gegeben welche Rückwirkung die Schubdüse auf die Triebwerksleistung hat und wann es angebracht ist, eine verstellbare Schubdüse zu verwenden. Es wird dann über angepasste und nicht angepasste Schubdüsen gesprochen, ebenso wie unter- und überexpandierende Schubdüsen. Auch optische Phänomene, die man unter Umständen bei Flugzeugen mit verstellbaren Schubdüsen sehen kann, werden erklärt.

Das Kap. 14 gibt eine Einführung in die realen Triebwerkskreisprozesse aus drei unterschiedlichen Blickwinkeln. Der erste Schritt ist die rein thermodynamische Behandlung eines realen Kreisprozesses für einen einfachen Turbojet. Hierbei wird deutlich, welche entscheidenden Unterschiede gegenüber den einfachen (idealen) Vergleichsprozessen nach Kap. 7 existieren. Auf dieser Basis wird dann wieder eine parametrische Kreisprozessanalyse unternommen, diese danach mit den Ergebnissen der idealen Kreisprozesse verglichen und so signifikante Unterschiede herausgearbeitet, ebenso wie thermodynamische Besonderheiten an den Grenzen realer Kreisprozesse. Mit vollständigen Rechenbeispielen werden die Ausführungen anschaulich ergänzt. In einem zweiten Schritt wird dann die triviale (ideale) Form der synthesebasierten Berechnung aus den Beispielen des Kap. 6, so verändert, das Druckverluste und Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten mit in die Rechnung eines 2-welligen Turbofan-Triebwerks in einem immer noch überschaulich bleibendem Umfang mit einbezogen werden. Der gesamte Rechengang wird mittels Zahlenwerten detailliert und leicht nachvollziehbar abgehandelt und die Ergebnisse als ein Gesamtdiagramm dargestellt, welches das Triebwerk so skizziert, dass alle Veränderungen von Flächen und Radien längs des Triebwerkes maßstäblich sichtbar sind und auch die Verläufe aller Drücke, Temperaturen und Machzahlen längs des Triebwerkes korrekt wiedergegeben werden. Der dritte Schritt ist dann der, dass zusätzlich nun auch noch die Änderungen der Gaszusammensetzung und der Gastemperatur im Triebwerk bei den Stoffgrößen mit in die Rechnung einfließen, sodass die Veränderungen der spezifischen Gaskonstanten und der spezifischen Wärmekapazität (bei konstanten Druck) und aller daraus ableitbaren Größen mit in die Rechnung einfließen. Eine solche Art der Berechnung ist in einem Buch in geschlossener Form fast nicht mehr übersichtlich bleibend darstellbar. Trotzdem wird versucht, anhand der Berechnungen für einen Turbojet und einen Turbofan zu zeigen, wie die Berechnung generell ablaufen muss. Teilweise wird der Rechengang durch den Quellcode eines verwendeten Rechenprogramms ergänzt. Weitergehend Interessierte werden ausdrücklich zur Verwendung der kommerziellen Software GasTurb^TM 12 (Kurzke und Jeschke, http://www.gasturb.de, 2013) aufgefordert. Ein erster grundlegender Einblick in diese Methodik ist aber auch bei Rick (2014) zu finden.

In Kap. 15 geht es um den an die Umgebung nach außen emittierten Lärm der Triebwerke, der insbesondere in der Nähe von bewohntem Gebiet, also beim Starten und Landen, von signifikanter Bedeutung für die Umwelt ist. Nach der grundlegenden Definition, was technisch unter Lärm verstanden wird, werden die Lärmvorschriften und zugehörige Regularien der Luftfahrt, ihre Messstandards und ihre Haupt-Messgröße, der effektiv empfundene Lärmpegel, behandelt. Danach wird auf die über- und untergeordneten triebwerksrelevanten Schallquellen, wie Strahllärm, Mischungslärm, Brennkammer- und Turbomaschinenlärm eingegangen und Breitbandlärm, tonaler Lärm (diskrete Töne) und Kreissägenlärm unterschieden. Diesem Abschnitt schließt sich eine Erörterung der schallreduzierenden Maßnahmen an einem Triebwerk an, was sie bewirken, wie sie wirken und wie sie über die Jahrzehnte die Triebwerke konstruktiv verändert haben, sodass deutlich wird, dass viele konstruktive Details heutiger Triebwerke ihre Ursache nicht in der Aero- oder der Thermodynamik haben, sondern in der Lärmreduzierung. Ein Abschnitt über eventuelle, zukünftige Maßnahmen zur Lärmminderung schließt das Kapitel ab.

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.

Das Kapitel 18 stellt im Wesentlichen die gesamten, für Flugzeugtriebwerke er-forderlichen Grundlagen der Aerodynamik, der Gasdynamik und der Thermody-namik zusammen. Ein Großteil des gesamten Buches greift auf die Basisglei-chungen dieses Kapitels zurück.

Die Thermodynamik befasst sich insbesondere mit dem Ersten Hauptsatz, für stationär durchströmte, offene Systeme und der Gibbssche Fundamentalbezie-hung für Turbomaschinen (Zweiter Hauptsatz). Über die Zustandsänderungen werden die verschiedenen Wirkungsrade definiert und insbesondere wird auf den Unterschied zwischen isentropen und polytropen Wirkungsgraden eingegangen. Dem schließt sich die Thermodynamik idealer Arbeitsfluide an, ein wenig auch die der realen Arbeitsfluide. Zustandsgrößen, Zustandsgleichungen und Wärme-kapazitäten runden das Thema ab. Daran anschließend wird dann tiefer auf die Mittelwertbildung der spezifischen Wärmekapazitäten in Abhängigkeit der Tem-peratur bei der Berechnung isentroper und polytroper Zustandsänderungen ein-gegangen. Mit einigen Grundlagen zu rechtsläufigen Kreisprozessen endete dann dieser Teil zu den thermodynamischen Grundlagen.

Die daran anschließenden Grundlagen der Aero- und der Gasdynamik begin-nen mit der Schallgeschwindigkeit und der Machzahl, wobei die Machsche Linie, senkrechte und schräge Verdichtungsstöße und die Expansionswellen behandelt werden. Dem schließen sich Abhandlungen über kompressible, isentrope Strö-mungen an, die zur Eulerschen Bewegungsgleichung und der kompressiblen Bernoulli-Gleichung führen. Dabei wird geklärt, wie sich durchströmte Quer-schnitte in Unterschall- und Überschallströmungen verändern müssen, um be-schleunigte oder verzögernde Strömungen zu erhalten. Über die Massen-stromdichte wird gezeigt, dass es für jeden durchströmten Querschnitt ein Maxi-mum für den durchsetzbaren Massenstrom gibt (Sperrzustand). Mit dem so ge-nannten Kesselzustand werden die Total- oder Gesamtgrößen mit eingeführt und außerdem gezeigt, dass es eine maximale Strömungsgeschwindigkeit (Grenzge-schwindigkeit) beim Ausströmen aus einem Kessel bzw. einer Düse gibt (Glei-chung von de Saint-Venant und Wantzel). Mit den so genannten kritischen Strö-mungsgrößen werden die Laval-Zahl und die kritische Machzahl definiert, die in den Triebwerksturbinen dann als Sperrmachzahl bezeichnet wird. Darüber hinaus werden an dieser Stelle die Grundgleichungen der Machschen Ähnlichkeit zu-sammengestellt mit deren Hilfe in Verdichter- und Turbinenkennfeldern die so genannten reduzierten Kennfeldgrößen hergeleitet werden können.

Es schließen sich die Grundlagen des Impulssatzes der Strömungsmechanik an. Der Impulssatz für stationäre Strömungen ist wichtige Basis für die Schubglei-chung der Triebwerke, für die Berechnung der Axialkräfte seiner Komponenten, für die Eulersche Hauptgleichung der Turbomaschinen und auch für die Berech-nung der Brennkammerdruckverluste. Wegen dieser Signifikanz für praktisch alle Triebwerksgrundlagen, wird dem Impulssatz hier eine eigene, ausführliche Ab-handlung gewidmet. Beispiele für den Widerstand eines Profils und für die Kräfte an einer geschwenkten Schubdüse runden diesen sehr theoretischen Teil des Bu-ches mit etwas Anschaulichkeit ab.

Es werden darüber hinaus die Umrechnungsfaktoren zwischen physikalischen Einheiten aus dem englisch/amerikanischen und dem deutschen Sprachbereich zusammengestellt, so wie man sie manchmal benötigt, wenn man mit deutsch- und englischsprachiger Literatur gleichzeitig arbeitet.

Eine Auswahl von wesentlichen Triebwerken, zusammen mit ausgewählten Leistungsdaten, wird aufgelistet. Zum Ende dieses Kapitelteils gibt es einen aus-gewählten Überblick über die Bezeichnungen militärischer und ziviler Triebwer-ke, zusammen mit dem Versuch, dieses in eine gewisse Systematik zu bringen, was aber nicht immer so wirklich gelingen kann.

Es schließt sich eine Methodik an, mittels der die thermodynamischen Stoffe-igenschaften realer Verbrennungsgase ermittelt werden können, was reine, tro-ckene Luft als Gasgemisch mit einschließt. Dabei werden Gleichungen für die spezifische Wärmekapazität, die Enthalpieänderung und die so genannte Entro-piefunktion in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung und der Temperatur her-geleitet, die zusammen mit den dort angegebenen Literaturstellen auch auf weite-re Gaszusammensetzungen übertragen werden können. Für Molmasse und spezifi-sche Gaskonstante wird die formelmäßige Abhängigkeit von der Gaszusammen-setzung aufgezeigt.

Der letzte Abschnitt wird für das Kapitel 11.6.4.2 innerhalb des Hauptkapi-tels 11 zur Brennkammer benötigt. Hier werden die Totaldruckverlust infolge viskoser Vorgänge (die kalten Verluste) behandelt und in den Zusammenhang mit der so genannten Fanno-Kurve gebracht. Dieser Vorgang ist sehr mathematikin-tensiv, sodass dieser Anteil – der Überschaulichkeit wegen – in einen eigenen Abschnitt ans Buchende verlagert wurde. Da eine in jeder Beziehung vollständi-ge mathematische Herleitung des erforderlichen Gleichungsapparates in der ein-schlägigen Fachliteratur praktisch nicht zu finden ist, wurde auf diesen doch sehr mathematiklastigen Anhang aber auch bewusst nicht verzichtet.