Wie funktioniert eigentlich eine Turbine?

Allgemein

Eine "Turbine" heißt eigentlich Turboluftstrahltriebwerk, abgekürzt TL und ist ein luftatmendes Triebwerk, welches mit flüssigen Brennstoffen läuft. Die Turbine ist das Namensgebende Herzstück des Triebwerks. Im Gegensatz zum Kolbenmotor, bei dem in gleichen Baugruppen und zeitversetzten Arbeitstakten ein Kraftstoff/Luftgemisch zur Leistungserzeugung angesaugt, verbrannt und ausgestoßen wird, findet im TL ein zeitgleiches Ansaugen, Verbrennen und Ausstoßen in jeweils vorgegebenen Baugruppen statt. Die Leistungsabgabe erfolgt in der Luftfahrt hauptsächlich als Schubstrahl um Vortrieb zu erzeugen.

Baugruppen im modernen Strahltriebwerk

Funktionsprinzip

Grundsätzlich muß man folgendes wissen: die wesentlichen Baugruppen Verdichter und Turbine bestehen immer aus mindestens einem Lauf- und einem Leitrad. Im Laufrad wird dem Gas Energie zugeführt oder entnommen, im Leitrad wird die Richtung des Gasstroms bestimmt. Anzahl und Bauform der Stufen von Verdichter und Turbine hängen vom Eisatzzweck der Maschine und dem erwünschtem Bauaufwand ab, minimum ist wie erwähnt jeweils eine Stufe. Über den Lufteinlauf wird angesaugt, in der Verdichterstufe abgebremst und komprimiert. Die so bereits erwärmte Luft wird zum großen Teil um die Brennkammer herum geleitet und dient zur Triebwerkskühlung. Ein geringer Teil der Luft gelangt in die Brennkammer und wird unter Zugabe von Kerosin auf sehr Hohe Temperaturen gebracht. Das Heißgas wird dann in der Turbinenstufe entspannt und verrichtet Arbeit. Die entstehende Leistung treibt einerseits die Verdichterstufe an, andererseits entsteht Nutzleistung in Form von Schub. Die nicht an der Verbrennung teilnehmende Luft kann wie im einfachen Triebwerk vor, oder im Mantelstrohmtriebwerk nach der Turbinenstufe zugeführt werden.

Gasfluss am Beispiel Mantelstromtriebwerk

Chronologie

Im Jahre 1937 beschäftigt sich in England der Ingenieur Frank Whittle im Auftrag der Gloster Aircraft Company mit der Entwicklung eines Rückstoßmotors, den er sich schon 1930 patentieren ließ. Die Whittle Unit (WU) genannte Turbine erreicht im April 1937 eine zufriedenstellende Drehzahl von 1600 Umdrehungen pro Minute. In Deutschland verfolgt der Göttinger Physiker Hans-Joachim Papst von Ohain ähnliche Pläne. Ernst Heinkel holt ihn nach Warnemünde, wo Ohains Triebwerk He S 1 im Frühjahr 1937 erfolgsversprechende Probeläufe hat. Mit dem weiterentwickelten He S 3 startet 1939 mit der He 178 das erste Düsenflugzeug der Welt . 1941 startet Englands Gloster Meteor mit einem Whittle-Triebwerk zum Erstflug. Die Amerikaner folgen erst 1947 mit ihrer Bell XP 59.

Triebwerk des deutschen Papst von Ohain

Alle wärend dieser Pionierzeit eingesetzten Triebwerke waren auf die wesentlichen Bauteile beschränkt und hatten einstufige Radialverdichter, weshalb die Bauweise ganz gut mit unseren Modelltriebwerken zu vergleichen ist. Im weiteren Entwicklungsverlauf in den 50er und 60er Jahren setzten sich die axialen Bauformen durch und die Triebwerke wurden leistungsfähiger und wesentlich komplexer. Moderne Aggregate haben bis zu 20 axiale Verdichterstufen und hauptsächlich im militärischen Bereich auch Nachbrenner. Sie Haben in der Luftfahrt bis auf wenige Ausnahmen den Kolbenmotor verdrängt.

Varianten

Auch die Möglichkeit Wellenleistung abzugeben gibt dem Turbinentriebwerk vielfältige Anwendungsgebiete. Zum Beispiel als Stromaggregat sind diese Bauweisen weit verbreitet.Der moderne Hubschrauberantrieb ist auch eine Wellenleistungsturbine. Sogar die Kombination von Wellen- und Schubleistung ist in vielen Fällen erwünscht und längst Stand der Technik. So gibt es Bauarten mit zwei oder mehr ineinander laufenden Wellen. In der heutigen Luftfahrt werden solche Konstruktionen wegen des geringeren Verbrauchs und der geringeren Lärmwerte eingesetzt

Auszug von gängigen Auslegungen

Spezialfall Modellturbine

Der Modellbauer hat nur begrenzte technische Möglichkeiten und muß daher eine einfache Bauweise wählen. Wegen der Fertig- und Montierbarkeit kommen nur einstufige Verdichter und Turbinen zum Einsatz. Diese liefern jedoch nur begrenzte Verdichtungsverhältnisse und Wirkungsgrade. Desweiteren ist die Kraftstoffaufbereitung ein Problem, denn ein Zerstäuben fällt wegen nicht verfügbarer Düsen und Pumpen (es würden min. 50bar Druck benötigt) aus. Die in der Luftfahrt verwendeten Materialien halten dauerhaft höchste Temperaturen und mechanische Belastungen aus, stehen aber uns Modellbauern nicht zur Verfügung. Alles in allem stehen die äußeren Umstände eher schlecht für gutes Funktionieren und eine vernünftige Leistungsausbeute.

Shema einer Modelturbine

Dennoch ist es gelungen diesen Treiblingen das Laufen beizubringen und genügend Leistung zu entlocken, um Modllflugzeuge ausreichend antreiben zu können. Eine mit einfachen Heimwerkermitteln zu beherschende Konstruktion hat sich über die Jahre durchgesetzt. Als Verdichtertypen kommen nur die Radiale Bauweise, meist als Turbolader-ersatzteil zum Einsatz. Verdichterdrücke: 1-2 bar. Der flüssige Brennstoff wird in Verdampferrohre" geträufelt" und ist dann entzündbar. Dazu ist Betriebstemperatur notwendig, deshalb werden unsere Turbinen mit Propangas vorgeheitzt. Bei den Materialien muß man mit Edelstählen zurechtkommen, dies wurde durch konsequentes Weiterentwickeln hin zu niedrigen Abgastemperaturen erreicht.

Jo Nüsseler