Wie die 4 Arten von Turbinentriebwerken funktionieren

Gasbetriebene Turbinentriebwerke haben seit 1903 einen langen Weg zurückgelegt. Das war das erste Jahr, in dem eine Gasturbine genug Strom produzierte, um sich selbst am Laufen zu halten. Das Design wurde vom norwegischen Erfinder Aegidus Elling entwickelt und produzierte 11 PS, was zu dieser Zeit eine enorme Leistung war.Heutzutage gibt es Gasturbinentriebwerke in allen Formen und Größen, und die meisten von ihnen produzieren viel mehr als 11 PS. Hier sind die 4 Haupttypen von Turbinentriebwerken sowie die Vor- und Nachteile der einzelnen.

1) Turbostrahltriebwerk

Heinkel He 178, das weltweit erste Turbostrahlflugzeug

Turbostrahltriebwerke waren die erste Art von Gasturbinentriebwerk erfunden. Und obwohl sie völlig anders aussehen als der Hubkolbenmotor in Ihrem Auto oder Flugzeug, arbeiten sie nach derselben Theorie: Einlass, Kompression, Leistung, Auspuff.

Wie funktioniert ein Turbojet?

Turbojets arbeiten, indem sie Luft durch 5 primäre Abschnitte des Motors leiten:

Schritt 1: Lufteinlass
Der Lufteinlass ist im Wesentlichen ein Rohr vor dem Motor. Der Lufteinlass mag einfach aussehen, ist aber unglaublich wichtig. Die Aufgabe des Einlasses besteht darin, die Luft sanft in die Kompressorschaufeln zu leiten. Bei niedrigen Geschwindigkeiten muss der Luftstromverlust in den Motor minimiert werden, und bei Überschallgeschwindigkeiten muss der Luftstrom unter Mach 1 verlangsamt werden (die Luft, die in einen Turbojet strömt, muss Unterschall sein, unabhängig davon, wie schnell das Flugzeug fliegt).
Schritt 2: Kompressor
Der Kompressor wird von der Turbine im Heck des Motors angetrieben und hat die Aufgabe, die einströmende Luft zu komprimieren, wodurch der Luftdruck deutlich erhöht wird. Der Kompressor besteht aus einer Reihe von Ventilatoren mit jeweils kleineren Schaufeln. Wenn Luft durch jede Kompressorstufe strömt, wird sie stärker komprimiert.
Schritt 3: Brennkammer
Als nächstes kommt die Brennkammer, wo die Magie wirklich beginnt. Die Hochdruckluft wird mit Kraftstoff kombiniert und das Gemisch wird gezündet. Wenn das Kraftstoff / Luft-Gemisch verbrennt, setzt es sich durch den Motor in Richtung Turbine fort. Turbojets laufen sehr mager, mit etwa 50 Teilen Luft zu jedem 1 Teil Kraftstoff (die meisten Hubkolbenmotoren laufen überall von 6-zu-1 bis 18-zu-1). Einer der Hauptgründe, warum Turbinen so mager laufen, ist, dass ein zusätzlicher Luftstrom erforderlich ist, um einen Turbojet kühl zu halten.
Schritt 4: Turbine
Die Turbine ist eine weitere Serie von ‚Ventilatoren‘, die wie eine Windmühle arbeiten und Energie aus der Hochgeschwindigkeitsluft absorbieren, die durch sie strömt. Die Turbinenschaufeln sind mit einer Welle verbunden und drehen sich, die auch mit den Verdichterschaufeln an der Vorderseite des Motors verbunden ist. Der ‚Kreislauf des Lebens‘ des Turbjets ist fast abgeschlossen.
Schritt 5: Auspuff (aka „Ich bin hier raus!“)
Das mit hoher Geschwindigkeit verbrannte Kraftstoff / Luft-Gemisch tritt durch eine Abgasdüse aus dem Motor aus. Wenn die Hochgeschwindigkeitsluft aus dem Heck des Motors austritt, erzeugt sie Schub und drückt das Flugzeug (oder was auch immer daran befestigt ist) nach vorne.

Turbojet Takeaway:

• Vorteile:
• Relativ einfaches Design
• Kann sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen
• Nimmt wenig Platz ein
• Nachteile:
• Hoher Kraftstoffverbrauch
• Laut
• Schlechte Leistung bei langsamen Geschwindigkeiten

2) Turboprop-Triebwerk

King Air mit Turboprop-Triebwerken

Die nächsten drei Arten von Turbinentriebwerken sind alle Formen des Turbostrahltriebwerks, und wir beginnen mit dem Turboprop. Der Turboprop ist ein Turbostrahltriebwerk, das über ein Getriebe mit einem Propeller verbunden ist.

Wie funktioniert ein Turboprop?

Schritt 1: Der Turbojet dreht eine Welle, die mit einem Getriebe verbunden ist
Schritt 2: Ein Getriebe verlangsamt das Drehen und das langsamste Zahnrad verbindet sich mit dem Propeller
Schritt 3: Der Propeller dreht sich durch die Luft und erzeugt Schub wie Ihre Cessna 172

Turboprop Takeaway:

• Vorteile:
• Sehr kraftstoffeffizient
• Am effizientesten bei mittlerer Geschwindigkeit zwischen 250-400 knoten
• Am effizientesten in mittleren Höhen von 18.000-30.000 Fuß
• Nachteile:
• Begrenzte vorwärts fluggeschwindigkeit
• Gearing systeme sind schwer und können brechen

3) Turbofan Motor

Einige breite-körper turbofan motoren können produzieren mehr als 100,000 pfund schub

Turbofans kombinieren das beste aus beiden welten zwischen turbojets und Turboprops. Und Sie werden diese Motoren wahrscheinlich sehen, wenn Sie für Ihren nächsten Flug zum Flughafen fahren.

Wie funktioniert ein Turbofan?

Turboventilatoren arbeiten, indem sie einen Impeller an der Vorderseite eines Turbostrahltriebwerks anbringen. Der Lüfter erzeugt zusätzlichen Schub, kühlt den Motor ab und senkt die Geräuschentwicklung des Motors.

Schritt 1: Die Einlassluft wird in zwei separate Ströme aufgeteilt. Ein Strom fließt um den Motor herum (Bypassluft), während der andere durch den Motorkern strömt.
Schritt 2: Bypass-Luft strömt um den Motor herum und wird von einem Kanalventilator beschleunigt, wodurch zusätzlicher Schub erzeugt wird.
Schritt 3: Luft strömt durch das Turbostrahltriebwerk, weiterhin die Produktion von Schub.

Turbofan zum Mitnehmen:

• Vorteile:
• Kraftstoffeffizient
• Leiser als Turbojets
• Sie sehen fantastisch aus
• Nachteile:
• Schwerer als Turbojets
• Größere Frontfläche als Turbojets
• Ineffizient in sehr großen Höhen

Pratt & Whitney F100 Turbofan mit Nachbrenner auf einem F-16

4) Turbowellenmotor

Bell 206 Hubschrauber mit Turbowellenmotor

Turbowellenmotoren werden hauptsächlich in Hubschraubern eingesetzt. Der größte Unterschied zwischen Turbowellen und Turbojets besteht darin, dass Turbowellenmotoren den größten Teil ihrer Leistung nutzen, um eine Turbine zu drehen, anstatt Schub aus dem hinteren Teil des Motors zu erzeugen.

Wie funktioniert eine Turbowelle?

Turbowellen sind im Wesentlichen ein Turbostrahltriebwerk mit einer großen Welle, die mit der Rückseite verbunden ist. Und da die meisten dieser Motoren in Hubschraubern eingesetzt werden, ist diese Welle mit dem Rotorblattgetriebe verbunden.

Schritt 1: Der Motor arbeitet größtenteils wie ein Turbojet.
Schritt 2: Die an der Turbine befestigte Antriebswelle treibt das Getriebe an.
Schritt 3: Das Getriebe überträgt die Rotation von der Welle auf das Rotorblatt.
Schritt 4: Der Hubschrauber kann durch meist unbekannte und magische Mittel durch den Himmel fliegen.

Turbowelle zum Mitnehmen:

• Vorteile:
• Viel höheres Leistungsgewicht als Kolbenmotoren
• Typischerweise kleiner als Kolbenmotoren
• Nachteile:
• Laut
• Mit der Welle verbundene Getriebesysteme können komplex sein und zusammenbrechen

4 Motortypen, die auf demselben Grundkonzept basieren

Gasturbinentriebwerke haben in den letzten 100 Jahren einen langen Weg zurückgelegt. Und während Turbojets, Turboprops, Turbofans und Turbowellen alle ihre Unterschiede haben, ist die Art und Weise, wie sie Leistung erzeugen, im Wesentlichen dieselbe: Einlass, Kompression, Leistung und Auspuff.