4. Hauptkomponentenbeschreibung und zugehörige Technologien

Hinter einem senkrechten Verdichtungsstoß liegt immer eine Unterschallgeschwindigkeit (Ma <1) vor, sodass in supersonischen Einläufen der letzte Verdichtungsstoß immer ein senkrechter ist. Dieser bildet sich gewöhnlich im engsten durchströmten Querschnitt des Einlaufs aus. Damit der senkrechte Stoß nicht zu viele Verluste erzeugt, soll die Machzahl vor diesem Stoß nicht zu hoch sein.

Das ST6 ist eine Variante des PT6 und wurde ursprünglich als Antrieb für die nordamerikanische Eisenbahn „UAC Turbo Train“ entwickelt. Später wurde daraus eine stationäre Gasturbine zur Stromerzeugung und auch eine Hilfsgasturbine (APU, Auxiliary Power Unit) für das Flugzeug Lockheed L-1011 TriStar.

Impeller =ωangetriebenes Rad mit einer Beschaufelung, durch das ein Fluid zur Druckerhöhung hindurch „gedrückt“ wird (engl.: to impel = treiben, zwingen, nötigen). Nicht zu verwechseln mit Propeller (engl.: to propel = vorwärtstreiben), der eine Axialkraft für den Vortrieb erzeugt.

Gerhard Neumann (*1917 †1997), der gerne den Spitznamen „Herman the German“ trug, studierte von 1936 bis1938 Maschinenbau an der Ingenieurschule in Mittweida (Sachsen) und musste Deutschland 1938 wegen seiner jüdischen Herkunft verlassen. Nach einem wirklich abenteuerlichen Leben, das ihn über China, wo er 1941 Angehöriger eines Freiwilligencorps wurde, aus dem 1942 die „Flying Tigers“ entstanden, in die USA brachte (Neumann 1984), und einer extrem steilen Karriere im Bereich der Flugantriebe, war er von 1963 bis 1979 Vizepräsident von General Electric Aircraft Engines, wo er seit 1948 arbeitete und u. a. für die Entwicklung des Turbojettriebwerks J79 (MD F-4, Phantom II) verantwortlich zeichnete.

Unter einem Potenzialwirbel versteht man die kreisende Bewegung von Fluiden, die dem Gesetz \({{c}_{u}}\cdot r=\text{const}\) folgen. Hierin ist c _u die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung der Drehbewegung und r der Drehradius. Die Geschwindigkeit c _u nimmt nach außen mit 1/r ab, während sie bei Annäherung an den Ursprung unbegrenzt zunimmt.

CDA-Profil (Controlled Diffusion Airfoil) ist eine in den USA typische Bezeichnung, während in Großbritannien eher der Begriff Codib-Profil (Controlled-Diffusion Blade) Verwendung findet.

Ein Oszillator erzeugt die Linearbewegung der zu schweißenden Schaufeln, ein Werkstückhalter nimmt die Schaufeln auf, positioniert sie und überträgt die notwendigen Klemm-, Stauch- und Reibkräfte. Am Ende des Schweißvorganges wird der Oszillator in Sekundenbruchteilen zum Stillstand gebracht und gleichzeitig die zu verschweißende Schaufel in ihrer Solllage mit engster Toleranz positioniert. Nach dem Schweißen müssen die Einspannstelle und die Schweißzone noch einmal überfräst werden.

Unter Bedingungen, die sofort nach dem Abheben eine Flächenenteisung erfordern, sollte aus Sicherheitsaspekten eigentlich nicht gestartet werden.

Das Trent 1000 Triebwerk benötigt nach wie vor einen, wenn auch vergleichsweise geringen, Teil an vom Verdichter entnommener Zapfluft zur Enteisung der Triebwerke. Was aber im Reiseflug nicht relevant ist.

Zum Triebwerk hin wird der Brennstoff aus den Flugzeugtanks, die sich in den Flügeln, im Zentralrumpf zwischen den Flügeln und evtl. auch im Leitwerk befinden, mittels in bzw. an den Tanks angeordneten Pumpen zum Triebwerk gefördert. Diesen Teil der Brennstoffanlage nennt man den primären Teil. Die am Triebwerk selbst angeordneten Komponenten stellen den so genannten sekundären Teil der Brennstoffanlage dar.

Zur Vermeidung lokaler Verdampfungen in den Pumpen an Orten hoher Strömungsgeschwindigkeiten soll der statische Druck des Brennstoffs nicht unter den Dampfdruck absinken. Andernfalls würden sich lokale Dampfblasen ausbilden, die sich stromab, in Gebieten ansteigenden Druckes, wieder auflösen und dabei von der umgebenden Flüssigkeit bei sehr hohen lokalen Beschleunigungen aufgefüllt werden. In der Nähe umströmter Wandungen führt dieser Vorgang zu Erosionserscheinungen (Auswaschung, Abtragung) des Wandmaterials und damit schließlich zu einer Zerstörung des Bauteils. Dieser Gesamtvorgang wird als Kavitation bezeichnet.

Ein stabil laufendes Triebwerk ist nicht auf eine Fremdzündung über eine Zündkerze angewiesen. Der Verbrennungsvorgang in der Brennkammer läuft so ab, dass eine kontinuierliche Selbstentzündung des Brennstoffs gewährleistet ist.

Die APU ihrerseits wird – genau wie beim Auto – über einen elektrisch angetriebenen Starter gestartet. Der Strom dazu wird aus im Flugzeug befindlichen Batterien bezogen.

Der spezifische Heizwert, kurz auch nur Heizwert genannt, H _i (der Index i steht hier für inferior, lateinisch: unterer) wurde früher auch als unterer Heizwert H _u bezeichnet. Der Heizwert H _i ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmeenergie pro Masseneinheit, bei der die zusätzlich aufzuwendende Energie zur Verdampfung des im Brennstoff enthaltenen Wassers nicht mit einbezogen ist. Das unterscheidet ihn vom Brennwert H _s (der Index s steht hier für superior, lateinisch: oberer), der früher oberer Heizwert H _o genannt wurde, und der deshalb zahlenwertmäßig auch größer als der Heizwert ist.

In Sonderfällen, wie bei starkem Schnee oder Regen, wird die Zündkerze aus Sicherheitsgründen vom Piloten ebenfalls zugeschaltet.

Für eine vollständige, stöchiometrische Verbrennung wird etwa 14.7-mal so viel Luftmasse mehr benötigt als an Brennstoffmasse in die Brennkammer eingespritzt wird.

Im englischen Sprachgebrauch wird das erste Leitrad vor einer Turbine als Nozzle-Guide Vane bezeichnet. Die Leiträder innerhalb der folgenden Turbine heißen dann nur Vanes. Besteht eine Turbine aus einer Hoch- und einer Niederdruckturbine, so werden jeweils die Statoren zu Beginn des Hoch- und des Niederdruckteils als Nozzle-Guide Vanes bezeichnet.

Der Zusammenhang zwischen Ein- und Austrittsimpuls ist in Kap. 5 „Triebwerksschub“ ausführlich dargestellt. Zum grundlegenden Verständnis der Dinge soll hier aber auch auf die Abb. 1.​1 in Kap. 1 verwiesen sein.

Auf Grund der hohen Gastemperatur am Eintritt in die erste Stufe einer Turbine kann die Schallgeschwindigkeit hier durchaus bei 750 m/s oder mehr liegen. Von Stufe zu Stufe nimmt die Temperatur in der Strömung dann ab, wodurch auch die Schallgeschwindigkeit sukzessive geringer wird.

Hinsichtlich der Hochdruckwelle gibt es derart gravierende Probleme, die einen solch signifikanten Einfluss auf die Gesamtkonstruktion eines Triebwerks haben, praktisch nicht.

Ein besonders tragischer Unfall ereignete sich 1954 bei den Tests mit dem zweiten Prototyp des viermotorigen Turbopropflugzeugs Bristol Britannia. Ein Teil des Planetengetriebes eines der Triebwerke (Bristol Proteus Mark (Mk) 705) verlor auf Grund einer konstruktiven Schwäche seine Verzahnung, worauf die freie zweistufige Arbeitsturbine innerhalb von Sekundenbruchteilen hoch lief. Als Folge der extremen Überdrehzahlen zerbarsten die Turbinenscheiben der Arbeitsturbine. Die Trümmer zerschlugen den Öltank des Triebwerks und setzen erst diesen und dann das gesamte Treibwerk in Flammen. Es kam zum Verlust des Flugzeuges.

Unter dem Begriff Nickelbasislegierungen versteht man Werkstoffe, deren Hauptbestandteil Nickel ist und die mit mindestens einem anderen chemischen Element in einem Schmelzverfahren erzeugt werden.

Superlegierungen sind Werkstoffe komplexer Zusammensetzung auf Eisen-, Nickel-, Platin-, Chrom- oder Kobalt-Basis mit diversen Zusätzen, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen. Sie sind zunder- und hochwarmfest und ihre Herstellung erfolgt sowohl schmelzmetallurgisch als auch pulvermetallurgisch.

Der Begriff Konvektion stammt vom lateinischen Wort convectio ab, was zusammenbringen bedeutet. Hierbei wird Wärme von einem festen Körper an ein Gas übertragen (abgegeben).

Übliche Laser sind hier blitzlampengepumpte Neodym-YAG-Stab-Laser (YAG = Yttrium-Aluminium-Granat). Ein solcher Laser gibt zum Bohren eine Leistung von etwas mehr als 0.1 kW ab, bei einer Leistungsaufnahme von mehr als 4 kW.

Da – bedingt durch den Gießprozess der Schaufeln – deren Wanddicken nicht immer konstant sind, aber die Anzahl der Laserimpulse beim Bohrprozess unverändert bleibt, könnte es passieren, dass beim Bohren einer lokal „dünneren“ Wandung mit den letzten Laserimpulsen die gegenüberliegende Wand der holen Schaufeln zerstört wird. Um dies zu vermeiden, werden die Schaufeln vor dem Laserbohren mit Wachs ausgegossen, welches nach dem Bohrprozess dann wieder herausgeschmolzen wird.

Der induzierte Widerstand wird durch eine Ausgleichsströmung hervorgerufen, die infolge der strömungsbedingten Druckunterschiede zwischen Saug- und Druckseite an einem Profil entsteht. Der induzierte Widerstand geht additiv mit dem Oberflächenwiderstand (Reibung) und dem Formwiderstand (Druckwiederstand) in den Gesamtwiderstand ein.

Der thermische Wirkungsgrad des Ericsson-Vergleichsprozesses mit innerem Wärmeaustausch entspricht dem des klassischen Carnot-Prozesses, d. h., jede Veränderung des Joule-Prozesses zum Ericsson-Prozess hin verbessert die Umwandlung der in der Brennkammer zugeführten chemischen Energie des Brennstoffes in Nutzleistung bzw. Schubleistung. Der thermische Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses und damit auch der des Ericsson-Prozesses ist der beste überhaupt erreichbare thermische Wirkungsgrad η _th .

Das Ineinandereinsetzen der Kontinuitätsgleichung der Strömungsmechanik und der allgemeinen Gasgleichung der Thermodynamik führt auf diesen Ausdruck.

Der Inhalt dieses Kapitels geht auf die Diplomarbeit meines ehemaligen Studenten Manfred Rüdiger (2005) zurück, die wir in Zusammenarbeit mit der Deutschen Lufthansa Technik AG in Hamburg durchgeführt hatten und in deren Rahmen Herr Rüdiger unter anderem das noch vorhandene historische Wissen (aus erster Hand) über Wassereinspritzung innerhalb der Firma Lufthansa zusammengetragen hatte.

Die Republic F-105 Thunderchief (auch Thud genannt) war ein einstrahliges US Kampfflugzeug. Der Erstflug des Prototyps YF-105A fand am 22. Oktober 1955 auf der Edwards Air Force Base statt. Nach dem Vietnamkrieg wurden die bis dahin noch verbliebenen Maschinen der Air National Guard übergeben. Die letzten Maschinen wurden am 25. Februar 1984 bei der Air Force Reserve und Anfang 1985 bei der Air National Guard außer Dienst gestellt.

Die späteren Untersuchungen ergaben, dass bereits zuvor auf dem Flughafen in Düsseldorf bei Reparaturarbeiten ein Mitarbeiter von Pan-International 100 l Kerosin in zwei 60-Liter-Kanister abgefüllt hatte, die anschließend von einem Flugzeugelektriker in ein Lager geräumt und später von der Unglücksmaschine zusammen mit drei weiteren Kanistern mit demineralisiertem Wasser mit nach Hamburg genommen wurden. Als dort am nächsten Tag die Tanks der Wassereinspritzanlage befüllt werden sollten, ließ man den Inhalt der fünf Kanister in die Tanks pumpen. Ein warnender Hinweis bezüglich des Geruchs des Wassers nach Kerosin wurde ignoriert. Da das spezifische Gewicht von Kerosin geringer als das von Wasser ist, wurde beim Start zunächst das unten stehende Wasser und dann erst das Kerosin eingespritzt, was dann schließlich zur Überhitzung und dem anschließenden Brand der Triebwerke führte.

Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion, z. B. einer Verbrennung, beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Dies geschieht bei der katalytischen Zündung durch das Herabsetzen der für die Zündung erforderlichen Energie (Aktivierungsenergie). Solche Katalysatoren werden auch als positive Katalysatoren bezeichnet. Sie ändern die Kinetik einer chemischen Reaktion, ohne aber deren Thermodynamik zu verändern, d. h., sie ändern nichts am Gleichgewicht der Reaktion.

An dieser Stelle mag für die meisten Leser nun eine gewisse Konfusion einsetzen. Bei Rolls-Royce (1996) findet man dazu folgende Anmerkung: „Although the principles of Propulsion will be familiar to the reader, the distribution of the thrust forces within the engine may appear somewhat obscure.“ Treffender kann man es kaum formulieren. Für ein weitergehendes Verständnis der Dinge sei der interessierte Leser auf das Kap. 5 dieses Buches verwiesen.

An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass in Überschallströmungen ein Zuwachs an Strömungsgeschwindigkeit nur in divergenten, d. h. diffusorartigen Strömungskanälen realisiert werden kann; ganz im Gegensatz zu den Gegebenheiten in Unterschallströmungen.

Henri Marie Coandă (*1886 †1972) war ein rumänischer Physiker, der mit der „Coandă-1910“ das erste strahlgetriebene Flugzeug baute. Der Antrieb war ein sog. Motor- oder Thermojet, der auch Campini-Triebwerk genannt wird, vgl. hierzu auch Kap. 1.​5. Beim ersten Testflug, am 16. Dezember 1910, entdeckte er dabei den nach ihm benannten Coandă-Effekt. Während der Landung des Flugzeugs war zu beobachten, dass sich das Heißgas des Triebwerks an den Rumpf des Flugzeuges anlegte. Dabei geriet es in Brand und wurde vollständig zerstört. Der Coandă-Effekt beschreibt die Eigenschaft einer schnellen, turbulenten Strömung, die über eine glatte, stark gekrümmte Oberfläche streicht, ohne dabei von dieser Oberfläche abzulösen. Bei turbulenten, wandnahen Strömungen ist längs einer gekrümmten Oberfläche das Eindringen und Vermischen des umgebenden Fluides zur Wand hin erschwert, sodass sich dort eine Unterdruckzone bilden kann. In Richtung zur Wand hin besteht also ein Druckgefälle, das den Strahl permanent zur Wand hin abdrängt. Ursache des Coandă-Effekts ist damit eine Unterdruckwirkung in der wandseitigen Region eines Strahls.

Der tragische Unfall mit einer Boeing B767-300ER der Lauda-Air am 26. Mai 1991 nordwestlich von Bangkok hat gezeigt, in was für einem Desaster für Flugzeug und Insassen das unbeabsichtigte Ausfahren eines einzigen Schubumkehrers während des Reisefluges enden kann. In einer Flughöhe von 7 500 m hat sich bei einer Flugmachzahl von 0.78 der Schubumkehrer des linken Pratt & Whitney Triebwerks PW4060 aus bis heute noch nicht eindeutig geklärter Ursache aktiviert. Alle Passagiere und die gesamte Besatzung kamen dabei ums Leben.

Der Lufthansa-Flug 2904 am 14. September 1993 in Warschau hatte aufgrund eines nicht perfekten Zusammenspiels dieser Eigenschaften und weiterer widriger Umstände zu einem Unfall mit 2 Toten geführt.

Duktilität = Eigenschaft von Werkstoffen, sich unter Einwirkung äußerer Kräfte bleibend zu verformen. Der Grad der Duktilität hängt von Art und Form des Werkstücks, der Temperatur und den Beanspruchsbedingungen ab.

Elektrische Aktuatoren können exakt auf ihre jeweilige Aufgabe zugeschnitten werden, sodass keine zusätzlichen Energiereserven einzukalkulieren sind. Darüber ist die Zuverlässigkeit elektrischer Systeme höher als die pneumatischer. Noch sind aber elektrische Aktuatoren deutlich schwerer als ihre hydraulischen Pendants. Insbesondere große Systeme wie das Fahrwerk bringen mit all den erforderlichen Starkstromkabeln, Steuergeräten und Aktuatoren insgesamt mehr auf die Waage als konventionelle Komponenten.