[Populärwissenschaft der chinesischen Militärtechnologie] Warum unterscheiden sich Hubschraubermotoren so sehr von denen von Starrflügelflugzeugen?

Wie wir alle wissen, kommt die Antriebskraft für den Flug eines Flugzeugs von seinen Triebwerken. Als Kernkomponente eines Flugzeugs bestimmt die Qualität des Triebwerks direkt die Leistung des Flugzeugs. Sind die Triebwerke der Hubschrauber und Flugzeuge, die wir oft sehen, gleich? Da die beiden völlig unterschiedlich fliegen, sind auch ihre Motoren unterschiedlich.

Einfach ausgedrückt liegt der Grund, warum Flugzeuge fliegen können, darin, dass sie das Aktions- und Reaktionsprinzip des dritten Newtonschen Gesetzes anwenden und dabei normalerweise Turbojet-, Turbofan- oder Turboprop-Triebwerke verwenden. Der Aufbau eines Turbostrahltriebwerks besteht aus einem Lufteinlass, einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Turbine und einer Heckdüse. Luft wird von der Vorderseite des Flugzeugs angesaugt, durch Verbrennung komprimiert und schnell nach hinten ausgestoßen, wodurch eine Vorwärtsbewegung erzeugt wird.

Abbildung 1 Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Turbostrahltriebwerks (Quelle: NetEase)

Bei einem Turbofan-Triebwerk wird an der Rückseite eines Turbojet-Triebwerks eine Niederdruckturbine hinzugefügt. Einerseits kann dadurch die Austrittsgeschwindigkeit des Gases verringert werden, andererseits kann durch den Antrieb des Niederdrucklüfters das Ansaugvolumen des Kompressors erhöht werden. Ein Teil des vom vorderen Ansauglüfter angesaugten Luftstroms wird in den Kompressor geleitet (terminologisch „innerer Kanal“ genannt), der andere Teil wird von der Außenseite des Motorgehäuses („äußerer Kanal“) direkt nach außen abgeleitet. Das Turbofan-Triebwerk erreicht ein Gleichgewicht zwischen thermischer Effizienz und Antriebseffizienz und verbessert so die Effizienz des Triebwerks.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Turbofan-Triebwerks (Quelle: NetEase)

Im Vergleich zu beiden ist der Kraftstoffverbrauch des Turbostrahltriebwerks niedriger, seine Hochgeschwindigkeitsleistung ist jedoch besser als die des Turbofans. Turbofan-Triebwerke zeichnen sich durch eine hohe Antriebseffizienz und einen geringen Kraftstoffverbrauch aus, doch der Luftansaugventilator weist eine große Luvfläche, einen hohen Widerstand und eine komplexe Triebwerksstruktur auf.

Ein Turboprop-Triebwerk ist ein Turbostrahltriebwerk mit einem zusätzlichen Propeller und einem Satz Untersetzungsgetriebe. Das Untersetzungsgetriebe reduziert die Drehzahl der Turbinenwelle auf eine für den Propeller belastbare Drehzahl, also etwa 1000 Umdrehungen pro Minute. Der Propeller bläst die Luft nach hinten und erzeugt so eine Vorwärtsbewegung.

Abbildung 3 Schematische Darstellung des Betriebs eines Turboprop-Triebwerks (Bildquelle: NetEase)

Turboprop-Triebwerke haben einen relativ hohen Wirkungsgrad, sind jedoch für Hochgeschwindigkeitsflüge nicht geeignet. Sie werden hauptsächlich in Flugzeugen mittlerer und niedriger Geschwindigkeit eingesetzt.

Die Kraft des Helikopters kommt von einem Wellenleistungstriebwerk, das ähnlich aufgebaut ist wie ein Turboprop-Triebwerk und im Wesentlichen aus Komponenten wie Lufteinlass, Verdichter, Brennkammer, Arbeitsturbine, Turbinenwelle und Abgasvorrichtung besteht.

Abbildung 4 Schematische Darstellung der Struktur eines Wellenturbinentriebwerks (Quelle: NetEase)

Nachdem die Luft in den Kompressor gelangt und in mehreren Stufen komprimiert wurde, gelangt sie in die Brennkammer und vermischt sich mit dem Kraftstoff, um zu verbrennen. Dabei entsteht ein Verbrennungsgas mit hoher Temperatur und hohem Druck. Das Verbrennungsgas wird aus der Brennkammer ausgestoßen und versetzt die Turbine in Rotation, wodurch die Turbinenwelle angetrieben wird und Uranenergie abgibt. So wie Turboprop-Triebwerke Untersetzungsgetriebe verwenden, müssen auch Hubschrauber Drehzahlminderer verwenden, um die Drehzahl der Turbinenwelle von Zehntausenden Umdrehungen pro Minute auf Hunderte Umdrehungen pro Minute zu reduzieren und diese dann auf den Rotor zu übertragen, um die Drehzahl des Rotors stabil zu halten. Beispielsweise hat der in Russland produzierte Hubschrauber Mi-8 eine Turbinenwellendrehzahl von etwa 15.000 Umdrehungen pro Minute und eine Rotordrehzahl von etwa 190 Umdrehungen pro Minute. Das Hauptgetriebe des Hubschraubers ist ein wichtiges Getriebe, das mit dem Motor verbunden ist. Im Allgemeinen wird ein Zahnradgetriebe verwendet. Das Eingangsende ist die Turbinenwelle des Motors und das Ausgangsende ist mit der Rotor- und Heckrotor-Antriebswelle verbunden. Das Hauptgetriebe verringert nicht nur die Geschwindigkeit, sondern wandelt auch die Leistung der Turbinenwelle von der horizontalen Richtung des Rumpfes in die vertikale Richtung um.

Abbildung 5: Hauptreduziergetriebe und Standortdiagramm des Hubschraubers (Bildquelle: NetEase)

Nach der obigen Einführung lässt sich feststellen, dass unabhängig davon, ob es sich um das Wellenleistungstriebwerk in Hubschraubern oder das Turbojet-, Turbofan- oder Turboprop-Triebwerk in Flugzeugen handelt, die Struktur sehr ähnlich ist, die Leistungsabgabemethode jedoch unterschiedlich ist.

Die Betriebsbedingungen von Flugzeugtriebwerken sind sehr rau. Die Gasströmungsrate kann 50–100 m/s erreichen und die Temperatur in der Brennkammer kann 1000 °C übersteigen, was einer typischen Umgebung mit hohen Temperaturen, hohem Druck und hoher Geschwindigkeit entspricht. Daher werden bei der Herstellung von Flugzeugtriebwerken sehr hohe Anforderungen an Materialien und Prozesse gestellt. Zu den hauptsächlich verwendeten Materialien zählen Aluminiumlegierungen, hochfester Stahl, Titanlegierungen, Hochtemperaturlegierungen, Verbundwerkstoffe usw. Die Herstellung der Komponenten umfasst eine Vielzahl von Verfahren, darunter Kristallguss, Einkristallguss, Präzisionsschmieden, Ringschmieden, Drehen und Fräsen, superplastisches Formen und Spritzgießen.

Abbildung 6: Flugzeugtriebwerksschaufeln (Bildquelle: NetEase)

Nehmen wir als Beispiel die Schaufelblätter, die Kernkomponenten von Flugzeugtriebwerken. Obwohl sie klein sind, sind diese winzigen Schaufelblätter unmittelbar für die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer des Motors verantwortlich. Die Fertigung der Schaufeln macht sogar ein Drittel der gesamten Triebwerksproduktion aus. Bei den Schaufeln unterscheidet man zwischen Fanschaufeln, Kompressorschaufeln und Turbinenschaufeln. Aufgrund unterschiedlicher Arbeitsumgebungen stellen verschiedene Klingen unterschiedliche Anforderungen an Materialien und Prozesse. Bei Kompressorschaufeln beispielsweise steigt mit der Anzahl der Kompressorstufen die Betriebstemperatur weiter an, und es ist notwendig, verformbare Hochtemperaturlegierungen als Ersatz für Titanlegierungen zu verwenden. Im letzten Schritt müssen leichte und hochtemperaturbeständige Titan-Aluminium-Legierungen zum Einsatz kommen.

Die Leistung von Turbofan-/Turbojet-Triebwerken, die in Flugzeugen verwendet werden, wird üblicherweise anhand des Schubs gemessen. Das Turbofan-Triebwerk GE90-115B des US-amerikanischen Herstellers General Motors ist derzeit das weltweit größte Triebwerk für die zivile Luftfahrt. Bei Versuchstests erreichte es einen Schub von 127.900 Pfund (ca. 58 Tonnen) und stellte damit einen Guinness-Weltrekord auf. Ein Wellenturbinenmotor gibt Energie durch die Rotation der Turbowelle ab, daher wird seine Leistung anhand der Wellenleistung gemessen, und die Einheit ist die Wellenleistung „shp“ (Abkürzung für Wellen-PS). Beispielsweise verwendet der Kampfhubschrauber AH-64 Apache des US-Militärs das Wellenturbinentriebwerk T700, das jeweils eine Leistung von bis zu 1.900 PS hat.

Abbildung 7 T700-Turbowellenmotor und Apache-Kampfhubschrauber

Laut einschlägigen Berichten entwickelt General Motors den Wellenturbinenmotor T901 auf Basis des T700 unter Verwendung von keramischen Verbundwerkstoffen und mithilfe der 3D-Drucktechnologie. Die Leistung wird um 50 % gesteigert und die Kraftstoffeffizienz um 25 % verbessert, was die Produktions- und Nutzungskosten weiter senkt und die Lebensdauer des Motors verlängert.

Produziert von: Popular Science of Chinese Military Technology

Produzent: Guangming Online Science Department

Autor: Zhang Huanming (Militärexperte)

Rezensionsexperte: Liang Chunhui (Militärexperte, militärwissenschaftlicher Autor)

Planung: Jin He