miniatur|Kraftstoff-Durchfluss-Messer für Flugzeuge Das Kraftstoffsystem (engl. fuel system) eines Flugzeugs dient der Versorgung eines motorbetriebenen Flugzeugs mit Kraftstoff. Je nach Flugzeugtyp und dessen konstruktiver Auslegung, ob kunstflugtauglich oder nicht, können die Anlagen unterschiedlich ausgelegt sein.
Typen Bei aller Verschiedenheit der Kraftstoffsysteme lassen sich doch einige Grundprinzipien herausfinden. Die meisten modernen Flugzeuge sind mit zwei oder mehr Kraftstofftanks in den Tragflächen ausgestattet.
Bei Hochdeckern und Schulterdeckern liegen die Tanks in den Tragflächen höher als der Motor. Daher kann der Kraftstoff durch die Gravitation selbstständig zum Motor fließen. Hierbei handelt es sich um Fall-Kraftstoffanlagen.
Bei Tiefdeckern, bei kunstflugtauglichen Flugzeugen und bei Strahlflugzeugen werden Kraftstoffpumpen benötigt. Beim Anlassen der Maschine muss mittels einer elektrischen Pumpe (engl. boost pump) Kraftstoff zum Vergaser oder zur Einspritzung gepumpt werden. Wenn der Motor läuft, kann diese ausgeschaltet werden. Eine mechanische Pumpe, die vom Motor angetrieben wird, versorgt diesen dann weiter mit Kraftstoff.
Aufbau miniatur|350px|Schematische Darstellung einer Flugzeugtankanlage am Beispiel von Hochdeckern Das Kraftstoffsystem, evtl. auch jeder einzelne Tank, besitzt am tiefsten Punkt ein Ventil (Tankdrain, Ölwannendrain), das es dem Piloten während des Vorflugchecks ermöglicht, das möglicherweise angesammelte Kondenswasser abzulassen. Die Tanks werden je nach Füllungszustand über ein Ventil von außen belüftet. Über dieses Ventil kann bei heißem Wetter und vollem Tank der sich dann ausdehnende Kraftstoff auch das System verlassen. Die Tanks sind über ein Rohrsystem miteinander verbunden, sodass ein Volumenausgleich stattfinden kann.
links|miniatur|Tankanzeige für Flugzeuge Die im Tank enthaltene Kraftstoffmenge wird im Cockpit für jeden Tank durch die Tankanzeige dargestellt. Vorratsmessung für Flüssigkeiten kommt im Flugzeug auch für Öle, Hydraulikflüssigkeiten, Wasser und ähnliche zur Anwendung. Dafür werden Schwimmer, Peilstäbe und Standrohre zur Messung verwendet. Bei elektrischer Fernübertragung, beispielsweise beim Kraftstoffvorrat, werden Schwimmermesser als Messwertgeber benutzt. Der aktuelle Kraftstoffverbrauch wird durch den Kraftstoff-Durchfluss-Messer im Cockpit angezeigt.
Ein Tankwahlschalter im Cockpit erlaubt dem Piloten während des Fluges die Wahl zwischen den einzelnen Tanks. Der Pilot kann zum Ausgleich von Gewichtsungleichheiten den Wahlschalter so stellen, dass nur ein Tank entleert wird. Gewöhnlich, besonders aber in der Start- und Landephase, sollte der Schalter so gestellt werden, dass die Tanks in den Flächen gleichzeitig entleert werden. links|miniatur|Konsole einer Piper Seneca Der Kraftstoffprimer dient dazu, bei kalter Umgebungstemperatur direkt Kraftstoff in die Zylinder zu spritzen, um so ein Starten der Maschine zu ermöglichen. Der Gemischregler wird benötigt, um die Luft/Kraftstoffmischung an die geflogene Höhe anzupassen.
Schubhebel (engl. throttle), der Propellerverstellhebel (engl. prop pitch control) und der Gemischregler (engl. mixture control) sind häufig zusammen in einer Konsole untergebracht, da sie gemeinsam der Leistungskontrolle des Motors dienen und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussen. Wenn die Flughöhe zunimmt, verringert sich die Luftdichte. Der Vergaser benötigt weniger Kraftstoff, wenn die Luft/Kraftstoffmischung konstant bleiben soll. Es ist also Leanen (deutsch Abmagern des Gemisches) notwendig, andernfalls ist das Gemisch zu fett (zu viel Kraftstoff). Das führt nicht allein zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch, es können auch die Zündkerzen beschädigt werden. Dieses Leanen geschieht über den Gemischregler.
Mögliche Fehlerquellen Die Kraftstoffanzeigen im Cockpit unterliegen einer Reihe von Anzeigefehlern. Der Pilot sollte daher die restliche Spritmenge mehrfach im Fluge in Bezug auf power setting und Flugzeit überprüfen. Bei Tiefdeckern kann eine vollständige Entleerung eines Tanks zu einem Motorausfall führen. Der Kraftstoffvorrat wird in Volumeneinheiten angegeben. Für eine Kraftstoffvorratsmessung ist die Kraftstofftemperatur bei der Berechnung der Restflugzeit wichtig. Eine korrekte Angabe des Vorrats ist nur im unbeschleunigten Zustand möglich. Die Kraftstoffmengenanzeige ist zumindest in Kleinflugzeugen relativ ungenau. Da außerdem beispielsweise der Schwimmer hängen kann, ist vor Antritt eines Fluges unbedingt entweder eine Sichtprüfung des Tankinhaltes durchzuführen oder die für den Flug benötigte Kraftstoffmenge einzufüllen bzw. vollzutanken.
Treibstofftanks Die Unterbringung der Treibstofftanks erfolgt bei allen Flugzeugmodellen in den Tragflächen und im Rumpfbereich zwischen den Tragflächen. Lediglich einige Ultraleichtflugzeuge und Militärmaschinen bilden hier Ausnahmen. Die Verwendung der Tragflächen als Tank geschieht aus drei Gründen, von denen jeder einzelne für sich alleine Grund genug für einen solchen Entwurf wäre:
Würde man ihn nur im Rumpf unterbringen, so ginge erheblich Platz für den Treibstoff verloren. Die maximale Treibstoffmenge einer B747 beträgt bis zu 220.000 Liter – das sind 220 m³ Volumen, die als Frachtraum verloren gingen. Treibstoff ist flüssig und lässt sich somit in jeder beliebigen geometrischen Form transportieren. Der Innenraum der Tragflächen ist sonst ungenutzt und bietet sich als Tank an.
Würden die 220.000 Liter der B747 komplett im Rumpf untergebracht werden, so würde die Belastung der Tragflächenwurzel extrem ansteigen. Die Unterbringung in den Tragflächen entlastet zum einen die Tragflächenwurzel und zum anderen wirkt er der Durchbiegung der Tragflächen (nach oben) entgegen. Aus dem gleichen Grund wird im Flug auch erst der Inhalt eines eventuell vorhandenen Mitteltanks verbraucht, bevor der Kraftstoff aus den Haupttanks in den Tragflächen genutzt wird. Die Befüllung der Tanks erfolgt von außen nach innen, der Verbrauch in umgekehrter Richtung.
Um die Trimmung zu erhalten, muss dieser Gewichtsverlust im Bereich des Schwerpunktes erfolgen – eine Anbringung der Tanks müsste daher zwangsläufig im Centerbereich der Maschine erfolgen, die Anbringung im Bug oder im Heck wäre nicht möglich.
Flugzeuge nehmen stets nur diejenige Kraftstoffmenge mit, die (zzgl. Reserven) auch benötigt wird. Zudem können volle Beladung und gleichzeitig volle Tanks zur Überschreitung des zulässigen Gesamtgewichts führen.
Komplexes Kraftstoffsystem am Beispiel der Boeing 737 Classic miniatur|300 px|Bild 1 miniatur|300 px|Bild 2: Treibstoffsystem der B737; 1) Engine Driven Fuel Pump – Left Engine; 2) Engine Driven Fuel Pump – Right Engine; 3) Crossfeed Valve; 4) Left Engine Fuel Shutoff Valve; 5) Right Engine Fuel Shutoff Valve; 6) Manual Defueling Valve; 7) Fueling Station; 8) Tank No. 2 (Right); 9) Forward Fuel Pump (Tank No. 2); 10) Aft Fuel Pump (Tank No. 2); 11) Left Fuel Pump (Center Tank); 12) Right Fuel Pump (Center Tank); 13) Center Tank; 14) Bypass Valve; 15) Aft Fuel Pump (Tank No. 1); 16) Forward Fuel Pump (Tank No. 1); 17) Tank No. 1 (Left); 18) Fuel Scavenge Shutoff Valve; 20) APU Fuel Shutoff Valve; 21) APU; 22) Fuel Temperature Sensor; 23) Fuel Temperature Indicator; 24) Right Fuel Valve Closed Indicator Light; 25) Left Fuel Valve Closed Indicator Light; 26) Crossfeed Valve Open Indicator Light; 27) Crossfeed Selector; 28) Fuel Pump Switch for Left Aft Fuel-Pump; 29) Fuel Pump Switch for Left Forward Fuel-Pump; 30) Fuel Pump Switch for Right Forward Fuel-Pump; 31) Fuel Pump Switch for Right Aft Fuel-Pump; 32) Fuel Control Panel (Part of Overhead Panel); 33) Left Filter Bypass Indicator Light; 34) Right Filter Bypass Indicator Light; 35) Left Center Tank Fuel Pump Switch; 36) Right Center Tank Fuel Pump Switch; 40) Center Tank Scavenge Jet Pump; 41) APU Bypass Valve
Die Kraftstoffanlage in Großflugzeugen ist wesentlich komplexer als die von Kleinflugzeugen. Bei der bereits nicht mehr so modernen Boeing 737 Classic (737–300 und 737–400) sind viele Funktionen noch nicht automatisiert und verlangen die Kontrolle und Bedienung durch die Piloten. Neuere Flugzeugmodelle entlasten die Crew wesentlich durch die automatische Steuerung und Überwachung der Kraftstoffanlage.
Die Boeing 737 Classic besitzt drei Tanks. Je einen rechten und linken Haupttank in den Tragflächen (Tank No. 1 und 2) und einen Mitteltank (Center Tank) im Rumpf zwischen den Tragflächen, der aber auch bis in die Tragflächen reicht (Bild 1).
Bei einer Dichte von 0,8 kg/Liter haben die Tanks No. 1 und No. 2 eine Kapazität von je 5667 Liter (4530 kg) und der Centertank 8743 Liter (7000 kg). Das entspricht einem Gesamtinhalt von 20.077 Litern (16.060 kg).
Treibstofftemperatur Die maximale Treibstofftemperatur beträgt 49,6 °C. Während des Fluges muss die Treibstofftemperatur 3 °C über dem Gefrierpunkt des Treibstoffs liegen. Die minimale Treibstofftemperatur ist −45 °C oder der Gefrierpunkt des jeweils verwendeten Treibstoffes plus 3 °C – hier zählt der höhere Wert von beiden.
Die Treibstofftemperatur wird im linken Tank gemessen. Dies ist eine Hinterlassenschaft des Designs der B737–200. Bei dieser war der Treibstoff im linken Haupttank normalerweise kälter als im rechten Haupttank. Im linken Treibstofftank befand sich ein kleinerer Wärmetauscher für das Hydrauliksystem A, während der Wärmetauscher für das Hydrauliksystem B im rechten Tank größer ausgelegt war.
Für das Funktionieren des Messsystems wird Wechselstrom (28 Volt AC) benötigt.
Gefrierpunkte einiger Flugturbinenkraftstoffe Jet A-1 (JP-1A) und JP-8: −47 °C Jet A (JP-1): −40 °C Jet B, JP-4 und TS-1: −60 °C JP-5: −46 °C
Bei zu niedriger Treibstofftemperatur muss die Temperatur erhöht werden durch: Sinken auf eine niedrigere (und somit wärmere) Flughöhe. Kursänderung zu einer wärmeren Luftmasse oder Erhöhung der Fluggeschwindigkeit.
Als Faustformel gilt, dass sich der Treibstoff etwa 1 °C/10 kt IAS (Indicated Air Speed, deutsch angezeigte Fluggeschwindigkeit) durch die Luftreibung aufheizt.
Center Tank Sind beide Center Tank Fuel Pumps (11 und 12) ausgeschaltet, öffnet sich das Fuel Scavenge Shutoff Valve (18), so dass der Kraftstoffstrom der Forward Fuel Pump von Tank No. 1 (16) die Center Tank Scavenge Jet Pump (40, Rückförderpumpe) betreiben kann. So wird der Resttreibstoff aus dem Center Tank in den linken Tank gepumpt. Nach 20 Minuten schließt sich die Fuel Scavenge Shutoff Valve (18) wieder automatisch.
Die Belüftung der Tanks erfolgt in je einen rechten und linken Surge Tank, der wiederum über eine Öffnung an der Flügelspitze den Druckausgleich zu Außenluft herstellt. Zu hoher oder zu niedriger Luftdruck im Treibstofftank könnte die Struktur der Tragflächen beschädigen.
Center Tank Scavenge Pump Die Center Tank Scavenge Pump (deutsch Rückförderpumpe) pumpt Treibstoff vom Mitteltank in den Haupttank Nr. 1. Die Pumpmenge beträgt im Minimum 100 kg/Stunde, meist aber fast 200 kg/Stunde. Das Anspringen der Rückförderpumpe wird ausgelöst, wenn beide Kraftstoffpumpen für den Mitteltank ausgeschaltet werden. Die Rückförderpumpe läuft dann für 20 Minuten.