mini|hochkant=1|Verschiedene Bauarten von Turbo-Strahltriebwerken mini|hochkant=2|Grundsätzlicher Aufbau eines Strahltriebwerks, hier am Beispiel eines Turbojets ohne Nachbrenner mini|hochkant=1.3|Ein Turbofan-Triebwerk der 1970er Jahre, Typ Rolls-Royce RB211

Ein Turbinen-Strahltriebwerk (auch Turbo-Strahltriebwerk, Turbo-Luftstrahltriebwerk, Turbinen-Luftstrahltriebwerk, Gasturbinen-Flugtriebwerk, allgemeinsprachlich auch Düsentriebwerk, Jettriebwerk oder einfach Düse) ist ein Flugtriebwerk, dessen zentrale Komponente eine Gasturbine ist und das auf der Rückstoßwirkung des erzeugten Luft- und Abgasstroms beruht (Rückstoßantrieb). Der Wortbestandteil „Turbo-“ oder „Turbinen-“ bezieht sich auf die rotierenden Innenteile des Triebwerks (vgl. ), d. h. auf die vom austretenden Abgasstrahl angetriebene Turbine (Gasexpansionsturbine), die den Turbokompressor zum Ansaugen und Verdichten der Verbrennungsluft antreibt.

Turbinen-Strahltriebwerke zeichnen sich durch hohe Leistung und Schubkraft aus, bei vergleichsweise geringen Massen und Baugrößen.Hans Rick: Gasturbinen und Flugantriebe. Grundlagen, Betriebsverhalten und Simulation. Springer Vieweg, Heidelberg / London / New York 2013, S. 3. Sie sind seit Mitte des 20. Jahrhunderts die meistgenutzten Triebwerke. Ihre Vorteile wirken sich aber erst oberhalb von etwa 100 Kilowatt Leistung aus; kleinere Flugzeuge nutzen daher Kolben- oder Elektromotoren. Die mit Turbinen-Strahltriebwerken ausgestatteten Flugzeuge werden als Strahlflugzeuge oder Düsenflugzeuge bezeichnet.

Abgrenzung Turbinen-Luftstrahltriebwerke zählen gemeinsam mit den Raketentriebwerken, den Staustrahltriebwerken und den Pulsstrahltriebwerken zur Gruppe der Strahltriebwerke. Mit Ausnahme des Raketentriebwerks sind sie luftatmend: vorne Luft einsaugend, die Luft in ihrem Inneren zur Verbrennung von Treibstoff nutzend und die Abgase hinten wieder ausstoßend (Durchströmtriebwerke). Raketen dagegen zählen zu den reinen Ausströmtriebwerken; Staustrahl- und Pulstriebwerke basieren nicht auf der Gasturbine.

Funktionsweise Wirkungsprinzip mini|Schub, Geschwindigkeit, Temperatur und Druck in einem Strahltriebwerk (hier Mantelstromtriebwerk) mini|Luftstrom am Triebwerk beim Start eines Flugzeuges. Ein Strahltriebwerk ist in der heutigen Form fast immer ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk (im Gegensatz zum Staustrahltriebwerk oder dem heute nicht mehr gebräuchlichen Pulsstrahltriebwerk). Das Turbinen-Luftstrahltriebwerk saugt die Umgebungsluft ein und komprimiert sie zur Druckerhöhung in einem Verdichter. In der nachfolgenden Brennkammer wird der Treibstoff (in der Regel Kerosin) eingespritzt und diese Mischung dann verbrannt. Die Verbrennung erhöht die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit, wobei der statische Druck des Gases leicht abfällt. Die dem Gas zugeführte Strömungsenergie wird dann in der dahinter folgenden Turbine teilweise in Drehbewegung umgesetzt, wobei das Gas noch weiter expandiert (die Turbine entzieht also Energie). Die Turbine dient als Antrieb des Verdichters, des Fans und weiterer Aggregate wie Generatoren oder Kraftstoff- und Hydraulikpumpen. Das Gas expandiert in die hinter der Turbine liegende Düse und hinter dieser auf fast Umgebungsdruck, wobei sich die Strömungsgeschwindigkeit weiter erhöht. Bei vielen im militärischen und Überschall-Bereich arbeitenden Strahltriebwerken ist zur Leistungssteigerung hinter der Turbine noch ein Nachbrenner angebracht.

Dieser Prozess kann durchaus mit dem in einem Kolbenmotor verglichen werden, wobei jedoch alle vier Takte – Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen – gleichzeitig und kontinuierlich stattfinden. Die dadurch entsprechend Newtons Aktionsprinzip entstehende Kraft ist der Schub (und ggf. Wellenleistung). Der Vorteil des Strahlantriebes gegenüber dem Antrieb über einen Kolbenmotor liegt in seiner Effizienz bei hohen Geschwindigkeiten (speziell bei Überschallgeschwindigkeit) in großen Höhen und in seiner hohen Leistungsdichte (sowohl Volumen- als auch Massenleistungsdichte), d. h. das Triebwerk ist klein und leicht bzgl. der Leistung, die es entwickelt. Bei geringen Geschwindigkeiten sind Turboprops effizienter.

Ein Strahltriebwerk beschleunigt eine relativ geringe Masse Luft sehr stark, wohingegen ein Propeller eine große Luftmasse weitaus schwächer beschleunigt.

Je nach Bauart des Triebwerks entzieht die Turbine mehr oder weniger Leistung aus der Gasenergie (beim Wellenleistungstriebwerk z. B. fast vollständig, beim Turbojet hingegen wird nur wenig Gasenergie entzogen). Bei vielen Triebwerken ist ein Fan vorhanden, der zusätzliche Antriebsenergie auf den Mantelstrom überträgt.

Turbinen-Luftstrahltriebwerke sind im Vergleich zu Kolbenmotor/Propeller-Kombinationen empfindlich gegenüber Fremdkörpern (siehe auch Vogelschlag). Schon eine erhöhte Staubbelastung kann die Wartungsintervalle drastisch verkürzen. Hingegen ist das Einsaugen von Wassertropfen auch bei schwerem Regen unproblematisch.

Das Anlassen des Triebwerkes erfolgt, indem der Verdichter auf eine Mindestdrehzahl gebracht wird. Dies kann durch Einblasen von Luft, elektrisch, mittels einer getrennten Turbine mit Untersetzungsgetriebe (Luftstarter/Kartuschenstarter) oder durch einen kleinen Verbrennungsmotor erfolgen. Im Allgemeinen wird heute ein elektrischer Anlasser für kleinere Triebwerke verwendet, alle kommerziellen Triebwerke der Airbus- oder Boeing-Flugzeuge besitzen Luftstarter. Boeing geht allerdings bei der Boeing 787 den Weg, auch bei großen Triebwerken (GE Nx) einen Elektrostarter einzusetzen. Dies ist ein weiterer Schritt zum neuen Konzept „Electric Engine“.

Nach Erreichen der Mindestdrehzahl wird Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und durch eine oder mehrere Zündkerzen gezündet. Nach der Entzündung des Kraftstoffs und weiterer Drehzahlzunahme wird die Zündung abgeschaltet; die Verbrennung läuft kontinuierlich weiter. Der Drehzahl-Regelbereich zwischen Leerlauf und Volllast beträgt dabei bis zu 95 %, in der Regel aber nur etwa 40 %. Wie bei allen Turbomaschinen ist der erzeugte Schub extrem von der Drehzahl abhängig, er fällt bei reduzierter Drehzahl schnell ab. So werden bei 90 % der Maximaldrehzahl nur noch ca. 50 % des Maximalschubs erzeugt.

Vom Verdichter wird sogenannte Zapfluft abgenommen, mit der die Druckkabine versorgt wird.

Physikalische Grundlagen mini|Verlustloser Jouleprozess. Verdichterarbeit hv, Turbinenarbeit hT, in Brennkammer zugeführte Energie Qb, im Abgass fortgeführte Wärme Qab, Turbineneintrittstemperatur T3, Umgebungsdruck PU, Energie der Austrittsgeschwindigkeit aus der Schubdüse C52/2, Energie der Fluggeschwindigkeit C02/2 Für die Effizienz-Berechnung eines Strahltriebwerkes eignet sich der (rechtslaufende) thermodynamische Kreisprozess nach James Prescott Joule am besten.Alfred Urlaub: Flugtriebwerke – Grundlagen, Systeme, Komponenten. Springer, Berlin, 2. Auflage, 1995, S. 52.Reinhard Müller: Luftstrahltriebwerke – Grundlagen, Charakteristiken, Arbeitsverhalten. Vieweg, 1997, S. 19 f. Entscheidende Parameter beim Joule-Kreisprozess sind dabei die Druck- und Temperaturunterschiede. Idealerweise wird also hoch verdichtet, man wählt eine möglichst hohe Turbineneintrittstemperatur T3 und lässt dann das Arbeitsgas über eine möglichst große Düse auf eine möglichst geringe Temperatur expandieren.

Schubformel

Der von den Triebwerken erzeugte Schub entspricht, im Falle einer konstanten Fluggeschwindigkeit und einer konstanten Flughöhe, dem Luftwiderstand des Flugzeugs; der Schub muss größer als der Widerstand sein, wenn das Flugzeug beschleunigen oder steigen soll.

Es gilt folgende vereinfachte Schubformel unter vernachlässigtem Kraftstoffmassenstrom, Sekundärluftmassenstrom und der Annahme, dass der statische Druck der Austrittsströmung dem Umgebungsdruck entspricht:Willy J. G. Bräunling: Flugzeugtriebwerke – Grundlagen, Aero-Thermodynamik, Kreisprozesse, Thermische Turbomaschinen, Komponenten- und Auslegungsberechnung. Springer, Berlin 2001, S. 117.Reinhard Müller: Luftstrahltriebwerke – Grundlagen, Charakteristiken, Arbeitsverhalten. Vieweg, 1997, S. 1.

.

mit

Schub in N Luftmassenstrom in kg/s Gasaustrittsgeschwindigkeit in m/s Fluggeschwindigkeit in m/s

Thermischer Wirkungsgrad

Der thermische Wirkungsgrad eines thermodynamischen Kreisprozesses ist allgemein definiert als das Verhältnis zwischen dessen Nutzleistung, , und der im Brennstoff gebundenen Wärmeenergie, . Für ein Turbo-Luftstrahltriebwerk ergibt sich im Speziellen

mit dem Treibstoff-Luft-Verhältnis und dem Heizwert .

Vortriebswirkungsgrad

Der Vortriebswirkungsgrad eines Turbo-Luftstrahltriebwerks ist das Verhältnis zwischen der erzeugten Schubleistung des Triebwerks und der Nutzleistung des Jouleprozesses. Für den Vortriebswirkungsgrad gilt

.

Zu erkennen ist, dass sich die Austrittsgeschwindigkeit negativ auf den Vortriebswirkungsgrad auswirkt. Eine geringere Austrittsgeschwindigkeit ist deshalb, trotz des positiven Einflusses auf den thermischen Wirkungsgrad, von Vorteil. Zweistrahl-Turboluftstrahltriebwerke sind aus diesem Grund effizienter als herkömmliche Turboluftstrahltriebwerke, da sie durch einen zusätzlichen Außenmassenstrom einen höheren Massendurchsatz aufweisen und dadurch für den gleichen Schub eine geringere Austrittsgeschwindigkeit des Kernmassenstroms erzeugen müssen.

Gesamtwirkungsgrad

Der Gesamtwirkungsgrad ist das Verhältnis von Schubleistung zur Wärmeleistung des Brennstoffs. Es gilt

.

Triebwerksbauarten Übersicht Basis aller Turbo-Luftstrahltriebwerke ist eine Gasturbine. Diese besteht aus einem Verdichter, der die Luft ansaugt und komprimiert, einer Brennkammer zur Verbrennung des Treibstoffs und einer anschließenden Turbine, die einen Teil der Energie der Abgase nutzt, um den Verdichter anzutreiben. Des Weiteren bestehen Turbo-Luftstrahltriebwerke mindestens noch aus einem aerodynamischen Einlauf vor der Gasturbine und dahinter einer druckregulierenden Düse. Dieser Grundaufbau wird als Turbojet oder Einstrom-Strahltriebwerk bezeichnet und stellt die einfachste und älteste Bauweise dar (siehe unten). Die nach der Turbine verbleibende Energie der Gase wird in Schubkraft umgewandelt. Durch weitere Turbinenstufen kann ein weiterer Anteil der Gasenergie in Rotationsleistung der Welle umgewandelt werden, um damit ein (meist vorgelagertes) Gebläse anzutreiben, dessen Durchmesser meist deutlich größer ist als der des Kerntriebwerks. Damit wird ein zusätzlicher Luftstrom um das Kerntriebwerk herum beschleunigt. Diese Bauweise ist am häufigsten anzutreffen und wird als Turbofan, Zweistrom- oder Mantelstromtriebwerk bezeichnet (siehe unten). Falls so viele Turbinenstufen eingebaut werden, dass praktisch die gesamte Energie der Verbrennungsgase in Rotationsenergie umgewandelt wird, und damit kein Gebläse angetrieben wird, so erhält man allgemein ein Wellenleistungstriebwerk. Daran kann ein Propeller angebaut werden, die dann Turboprop oder Propellerturbine genannt werden (siehe unten). Grundsätzlich kann man daran auch andere Maschinen oder „Verbraucher“ anschließen, z. B. den Rotor eines Hubschraubers. Ein Wellenleistungstriebwerk kann auch zum Antreiben von Schiffen genutzt werden (mit angeschlossener Schiffsschraube) oder zum Antreiben eines Generators etwa in einem Gaskraftwerk (stationäre Gasturbine). Tatsächlich gibt es einige Gasturbinen außerhalb der Luftfahrt, die als Anpasskonstruktion eines Flugtriebwerks entstanden sind, diese werden als Aero-Derivativ bezeichnet.

Kampfflugzeuge verfügen häufig über einen Nachbrenner, der nach der Turbine weiteren Treibstoff einspritzt und verbrennt, um noch mehr Schub zu erzeugen.

Einstrom-Strahltriebwerk (Turbojet) mini|Komponenten eines Turbojets der ersten Generation mit Radialverdichter (De Havilland Goblin)