Strahltriebwerk- und Gasturbinenrechner

Ein Strahltriebwerk saugt Luft an, verdichtet sie, verbrennt darin Kraftstoff bei nahezu konstantem Druck und lässt das heiße Gas durch eine Turbine und dann eine Düse expandieren. Die Turbine entnimmt gerade so viel Energie, wie der Verdichter braucht, und der Rest beschleunigt das Gas aus der Düse. Nach dem zweiten und dritten Newtonschen Gesetz ist der Schub gleich der Impulsänderung pro Zeit: F = ṁ × (V_Strahl − V_Flug), plus ein Druckglied, wenn die Düse nicht vollständig auf Umgebungsdruck entspannt. Mehr Luft oder ein schnellerer Strahl bedeutet mehr Schub.

Ein Turbofan nutzt seinen Kern, einen kleinen Turbojet, um einen großen Fan anzutreiben. Der größte Teil der Luft durchströmt den Fan und fließt um den Kern herum; das Nebenstromverhältnis ist dieser Nebenstrom-Massenstrom geteilt durch den Kernstrom: etwa 5–6 : 1 beim CFM56 und 9–12 : 1 bei den neuesten Verkehrsflugzeugtriebwerken. Eine große Luftmasse wenig zu beschleunigen ist effizienter, als eine kleine Masse stark zu beschleunigen, denn der Vortriebswirkungsgrad ist ≈ 2 / (1 + V_Strahl / V_Flug). Bei einem Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis erzeugt der Fan etwa 80 % des Startschubs.

TSFC ist der Kraftstoffmassenstrom geteilt durch den Schub: wie viel Kraftstoff das Triebwerk pro Schubeinheit und Zeiteinheit verbrennt. Angegeben wird er in g/(kN·s), kg/(daN·h) oder lb/(lbf·h); 1 lb/(lbf·h) = 28,3 g/(kN·s). Ein Turbojet der 1950er verbraucht trocken etwa 0,9 lb/(lbf·h), ein moderner Turbofan mit hohem Nebenstromverhältnis etwa 0,30–0,35 beim Start und 0,5–0,55 im Reiseflug, und ein Nachbrenner treibt ihn auf 1,6–2,0. Bei Wellentriebwerken entspricht dem der spezifische Kraftstoffverbrauch pro kW oder hp Wellenleistung.

Der Brayton-Kreisprozess (im Deutschen meist Joule-Prozess) ist der thermodynamische Kreisprozess jeder Gasturbine: isentrope Verdichtung, Wärmezufuhr bei konstantem Druck, isentrope Entspannung und Wärmeabfuhr bei konstantem Druck. Der ideale Wirkungsgrad hängt nur vom Druckverhältnis ab: η = 1 − 1 / π^((γ−1)/γ). Bei einem Druckverhältnis von 30 und γ = 1,4 sind das 62 %. Reale Triebwerke verlieren davon einen Teil durch Verdichter- und Turbinenverluste, Druckverlust in der Brennkammer und Kühlluft; ihr tatsächlicher thermischer Wirkungsgrad ist daher niedriger und hängt außerdem stark von der Turbineneintrittstemperatur ab.

Die Turbineneintrittstemperatur bestimmt, wie viel Energie jedes Kilogramm Luft tragen kann. Die Turbine muss zuerst die Verdichterarbeit zurückliefern, und was übrig bleibt, wird zu Strahlgeschwindigkeit oder Wellenleistung; eine Erhöhung von 1250 K auf 1650 K kann den spezifischen Schub oder die spezifische Leistung daher um die Hälfte oder mehr steigern. Sie erlaubt außerdem ein höheres Druckverhältnis und damit einen besseren Wirkungsgrad. Die Grenze setzen die Turbinenschaufeln: Moderne einkristalline Nickelschaufeln mit innerer Luftkühlung und Wärmedämmschichten lassen Gastemperaturen deutlich über dem Schmelzpunkt des Metalls zu.

Alle vier haben denselben Gasgenerator: Verdichter, Brennkammer und Turbine. Ein Turbojet schickt die gesamte Luft durch den Kern und erzeugt Schub nur aus dem heißen Strahl, was zum Überschallflug passt. Ein Turbofan hat zusätzlich einen von der Turbine angetriebenen Fan und bewegt zusätzliche Luft um den Kern herum; das ist bei Unterschall leiser und effizienter. Ein Wellentriebwerk (Turboshaft) entspannt das Gas über eine freie Nutzturbine, die eine Abtriebswelle antreibt, wie bei Hubschraubern. Ein Turboprop ist ein Wellentriebwerk mit Getriebe zu einem Propeller und einem kleinen Restschub aus dem Strahl.