Trie b Werke

JAR-ATPL Vorwort TRIEBWERKE 1

H.J.S. CIVIL AVIATION TRAINING WORMS v1.0J-20.05.01-jg

AIRCRAFT GENERAL KNOWLEDGE (ALLGEMEINE FLUGZEUGKUNDE)

021 03 00 00 POWERPLANT, AEROPLANES

(TRIEBWERK, FLÄCHEN-FLUGZEUGE) Dieses Buch ist die JAR-Ausgabe des C.A.T. ATPL-Fernlehrgangs im Fach Powerplant. Es kann auch als Skript für den ATPL Vollzeit-Theorie-unterricht im Lehrsaal verwendet werden. Der Inhalt entspricht den Lernzielen ("Learning Objectives"), die in den JAR-FCL 1 (Joint Aviation Regulations - Flight Crew Licencing) Subpart J festgelegt sind. Wo es aus didaktischen Gründen sinnvoll ist, die Reihen-folge der Themen beim Studium bezw. im Unterricht zu ändern, wird darauf hingewiesen.

JAR-ATPL INHALTSVERZEICHNIS

KOLBENTRIEBWERKE 2


INHALTSVERZEICHNIS Kolbentriebwerke

021 03 00 00 TRIEBWERKE..................................................................... 1

021 03 01 00 KOLBEN-TRIEBWERK ..................................................................4 Impulssatz, Ableitung der Schubkraft .......................................................... 4

021 03 01 01 Allgemeine Begriffe ......................................................................... 5 Viertakt-Arbeitsverfahren ............................................................................. 6 Bauformen und Bezeichnungen................................................................... 7 Lernkontroll-Aufgaben 1 - 8 ......................................................................... 8 Lernkontroll-Lösungen 1 - 8 ......................................................................... 9 Thermodynamische Vorgänge im Triebwerk ............................................. 10 Kreisprozess des Viertakt-Ottomotors ....................................................... 12 Thermischer und mechanischer Wirkungsgrad ......................................... 13 Spezifischer Kraftstoff-Verbrauch .............................................................. 14 Lernkontroll-Aufgaben 9 - 18 ..................................................................... 15 Lernkontroll-Lösungen 9 - 18..................................................................... 16 Leistungs-Berechnung ............................................................................... 17 Betriebsparameter...................................................................................... 18 Bauteile: Kurbelgehäuse, Kurbeltrieb, Zylinder ........................................ 20 Ventilsteuerung .......................................................................................... 21 Getriebe .................................................................................................... 22 Beispiel eines Kolbentriebwerks ................................................................ 23 Lernkontroll-Aufgaben 19 - 31 ................................................................... 24 Lernkontroll-Lösungen 19 - 31................................................................... 26

021 03 01 02 Schmierstoff-System ..................................................................... 27 Aufgaben des Schmierstoff-Systems, Motoröls, Ölsorten ......................... 27 Ölsorten, Eigenschaften und Additive, Alterung ........................................ 29 Ölkreislauf, Nass- und Trockensumpfsysteme .......................................... 30 Ölkreislauf, Naßsumpfsystem.................................................................... 31 Betriebswerte ............................................................................................. 32

021 03 01 03 Luft-Kühlsystem ............................................................................ 34 Aufbau, Arbeitsweise, Bedienung und Überwachung ............................... 34 Lernkontroll-Aufgaben 32 - 36 ................................................................... 35 Lernkontroll-Lösungen 32 - 36................................................................... 36

021 03 01 04 Zündung.......................................................................................... 37 Zündsystem................................................................................................ 37 Hochspannungs-Zündmagnet ................................................................... 38 Niederspannungs-Zündanlage .................................................................. 39 Magnetzündung, Zündhilfen beim Anlassen.............................................. 40 Magnet-Check, Dead Cut-Check............................................................... 42 Lernkontroll-Aufgaben 37 - 45 ................................................................... 43 Lernkontroll-Lösungen 37 - 45................................................................... 44

021 03 01 05 Kraftstoff-Regelung ....................................................................... 45 Schwimmer-Vergaser, Druckvergaser....................................................... 45 Einspritz-Systeme (direkt und indirekt) ...................................................... 46 Kraftstoff-Pumpen ...................................................................................... 47 Gemischbildung ......................................................................................... 48 Gemisch-Verhältnisse................................................................................ 49 Vergaser-Vereisung, Vorwärmung ............................................................ 50


KOLBENTRIEBWERKE 3


021 03 01 06 Triebswerks-Leistung ................................................................... 51 Leistungsverhalten, Diagramme ................................................................ 51 Leistungs-Bereiche und Bezeichnungen ................................................... 52 Lernkontroll-Aufgaben 46 - 57 ................................................................... 53 Lernkontroll-Lösungen 46 - 57................................................................... 55

021 03 01 07 Leistungssteigerung ..................................................................... 56 Methoden, Probleme und Grenzen............................................................ 56 Leistungs-Erhöhung durch Aufladung ....................................................... 58 Höhenleistungskurven ............................................................................... 60

021 03 01 08 Kraftstoff......................................................................................... 62 Flugbenzin (AVGAS).................................................................................. 62 Klopffestigkeit, Oktan- und Leistungszahl.................................................. 64 Normale Verbrennung, Klopfen, Glühzündung.......................................... 66 Wassergehalt, Eisbildung .......................................................................... 67 Lernkontroll-Aufgaben 58 - 70 ................................................................... 68 Lernkontroll-Lösungen 58 - 70................................................................... 70

021 03 01 09 Gemischregelung .......................................................................... 71 Luft/Kraftstoff - Mischungsverhältnis.......................................................... 71 Betriebsverhalten ....................................................................................... 72 Manuelle Gemisch-Verarmung .................................................................. 73 Lernkontroll-Aufgaben 71 - 75 ................................................................... 74 Lernkontroll-Lösungen 71 - 75................................................................... 75

021 03 01 10 Propeller ......................................................................................... 76 Grundlagen ................................................................................................ 76 Verstellbare Propeller ................................................................................ 78 Gleichdrehzahl (Constant Speed) - Propeller ............................................ 79 Segelstellungs-Anlagen ............................................................................. 80 Umkehrstellungs-Anlage............................................................................ 81 Lernkontroll-Aufgaben 76 - 86 ................................................................... 82 Lernkontroll-Lösungen 76 - 86................................................................... 83

021 03 01 11 Triebwerks-Bedienung und Überwachung ................................. 84 Betriebsstörungen...................................................................................... 84 Leistungseinstellungs-Instrumente. ........................................................... 85 Betriebs-Instrumente.................................................................................. 86

021 03 01 12 Betriebswerte ................................................................................. 87 Richtwerte und Grenzwerte ....................................................................... 87 Lernkontroll-Aufgaben 87 - 91 ................................................................... 89 Lernkontroll-Lösungen 87 - 91................................................................... 90

STICHWORTVERZEICHNIS Kolbentriebwerke .................................................. 91

JAR-ATPL 01 Allgemein

KOLBENTRIEBWERKE 4


021 03 01 00 KOLBEN-TRIEBWERK

Impulssatz, Ableitung der Schubkraft Triebwerke dienen dem Zweck, Flugzeuge anzutreiben. Die dazu erfor-derlichen physikalischen Vorgänge unterliegen bestimmten Gesetzen und können berechnet werden. Man kann die Zusammenhänge in einfachen Worten beschreiben. Der Impulssatz, auf dem der Antrieb jedes Flugzeugs beruht, lautet:

Impuls ist das Produkt aus Masse mal Geschwindigkeit eines Körpers.

Statt Impuls sagt man auch "Bewegungsgrösse". Um eine Masse zu bewegen, ist eine Kraft erforderlich. Wenn eine Masse sich bewegt, legt sie pro Zeiteinheit einen Weg zurück:

Weg pro Zeiteinheit ist Geschwindigkeit. Um die Geschwindigkeit einer Masse zu erhöhen - d.h. die Masse zu be-schleunigen - ist ebenfalls eine Kraft erforderlich.

Das Produkt von Kraft mal Zeit heißt Antrieb. und bewirkt eine Änderung der Bewegungsgrösse:

Geschwindigkeits-Änderung pro Zeiteinheit ist Beschleunigung.

Das Flugzeug stellt auch eine Masse dar, die bewegt werden soll. Das Triebwerk treibt das Flugzeug an, indem es eine andere Masse - nämlich Luft - nach hinten beschleunigt. Das kann durch einen Propeller oder eine Schubdüse oder eine Kombination davon geschehen. Diesen Vorgang nennt man "Aktion".

Bei jeder Aktion entsteht als Reaktion eine entgegengesetze Kraft gleicher Grösse.

Die Kraft aus Masse mal Beschleunigung ist der Schub, der das Flugzeug antreibt.

Tip: Die fett gedruckten Sätze sollten Sie sich merken !


KOLBENTRIEBWERKE 5


021 03 01 01 Allgemeine Begriffe Hubraum, Kompressions-Verhältnis, Leistungsmasse Der Hubraum (Displacement) eines Kolbentriebwerks ist das von den Kolben verdrängte Volumen zwischen den oberen und unteren Totpunk-ten. Der Hubraum ergib sich aus Kolbenfläche x Weg des Kolbens x An-zahl der Zylinder. Die international übliche Masseinheit für den Hubraum in der Typenbe-zeichnung von Fluzeug-Kolbentriebwerken ist das Kubikzoll (in³). Wir sind an die Einheit Liter gewöhnt, also müssen wir umrechnen: 1 in = 2,54 cm 1 in³ = 16.4 cm³ 1 Liter (1.000 cm³) entspricht 61 in³ Der Hub (engl: Stroke) ist 2 x Abstand des Kurbelzapfens von der Kur-belwelle, d.h. er entspricht dem Durchmesser des Kurbelkreises. Das Kompressions-Verhältnis (Compression Ratio) ergibt sich aus dem Hubraum des Zylinders plus Brennraum, geteilt durch den Brennraum. Ist der Kolben am unteren Totpunkt, dann ist das Gasvolumen über dem Kolben die Summe von Hubraum plus Brennraum. Geht der Kolben zum oberen Totpunkt, drückt er das ganze Gas in den verbleibenden Brenn-raum. Ist das Volumen vorher z.B. 80 in³ und danach 10 in³,dann hat der Motor ein Kompressions-Verhältnis von 8 : 1. Wichtig: Verwechseln Sie nicht Kompressions-Verhältnis mit Druckver-hältnis (engl: Pressure Ratio). Kompressions - (oder Verdichtungs-) Ver-hältnis bezieht sich auf das Volumen und nicht auf den Druck. Leistungsmasse ist das Verhältnis der Masse des Motors zur maximalen Leistung in Kilogramm pro Kilowatt. In amerikanischen Unterlagen steht Weight/Power Ratio. Das Weight (Gewicht) wird in Pounds angegeben, Power (Leistung) in Brake Horse Power. Ratio heisst Verhältnis. Beispiel: Der Continental TSIO-520 hat 520 in³ Hubraum, leistet 310 BHP und wiegt 540 lb. Sein Weight/Power Ratio ist 1,74 lb/BHP. 1 BHP = 0,746 kW oder 1 kW = 1,34 BHP 1 lb = 0,453 kg 310 BHP x 0,746 = 231 kW 540 lb x 0,453 = 245 kg Die Leistungsmasse ist 245 : 231 = 1,06 kg/kW.

Oberer Totpunkt

Unterer Totpunkt

Hub

Bohrung

Zylinder

Einlass-Ventil

Auslass-Ventil

Kolben Pleuel

Kurbelwelle GehäuseKurbel-

DIE WICHTIGSTEN TEILE

Brennraum

Kurbelkreis

Kurbelzapfen

Kurbelwelle

Hubraum

DES VIERTAKT-MOTORS


KOLBENTRIEBWERKE 6


Viertakt-Arbeitsverfahren In allen Kolbenmotoren gibt es vier aufeinanderfolgende Vorgänge: Einlassen, Verdichten, Verbrennen und Auslassen (beim sogenannten Zweitakter erfolgen zwei Vorgänge gleichzeitig). Beim Viertakter geschehen alle vier Vorgänge nacheinander im gleichen Raum über dem Kolben im Zylinder. Dazu sind zwei Umdrehungen (720°) der Kurbelwelle erforderlich. 1. Takt : Kurbelwellendrehung 0° - 180°, Einlasstakt Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt OT (Top Dead Cen-

ter) zum unteren Totpunkt UT (Bottom Dead Center). Durch das geöffnete Einlassventil strömt Kraftstoff-Luftgemisch bezw. Luft (bei direkter Kraftstoff-Einspritzung) in den Zylinder.

2. Takt: Kurbelwellendrehung 180° - 360°, Verdichtungstakt Das Einlassventil schliesst, damit sind beide Ventile

geschlossen. Der Koben bewegt sich von UT nach OT. Das Volumen wird dadurch kleiner, und der Druck steigt. Weil die beim Verdichten entstehende Wärme in der kurzen Zeit nicht nach aussen abfliesst, bewirkt sie eine zusätzliche Drucksteigerung. Deshalb entsteht bei einem Verdichtungs-Verhältnis von 8:1 ein Druck-Verhältnis von etwa 10 : 1. Kurz vor dem oberen Totpunkt wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch einen Zündfunken an der Zündkerze entzündet. Durch die Verbrennung steigen Temperatur und Druck des Gases. Der Zündzeitpunkt ist so früh eingestellt, weil Verbrennung und Druckaufbau andauern, bis der Kolben über den OT hinaus ist.

3. Takt: Kurbelwellendrehung 360° - 540°, Arbeitstakt Der hohe Druck im Verbrennungsraum drückt auf den Kolben, der

sich dadurch zum UT bewegt. Druck mal Fäche ist Kraft, und Kraft mal Weg ergibt Arbeit. Das Pleuel überträgt die Kraft auf die Kurbelwelle. Noch vor dem UT öffnet das Auslassventil, da-mit der Restdruck des verbrannten Gases zum schnelleren Entlee-ren genutzt wird.

4. Takt: Kurbelwellendrehung 540° - 720°, Auslasstakt Das Auslassventil ist offen. Der Kolben bewegt sich vom UT zum

OT und schiebt das verbrannte Gas aus dem Zylinder. Kurz vor OT beginnt das Einlassventil zu öffnen. Das Auslassventil schliesst erst nach OT, d.h. im Bereich des OT zwischen dem 4. und dem 1. Takt überschneiden sich die Ventil-Öffnungszeiten, um die in den strömenden Gasen enthaltene kinetische Energie zur Spülung und neuen Füllung des Zylinders auszunutzen.

1. Einlasstakt

2. Takt: Verdichten

3. Arbeitstakt

4. Auslasstakt


KOLBENTRIEBWERKE 7


Bauformen und Bezeichnungen Die heute verwendeten Flugzeug-Kolbenmotoren sind durchweg Viertak-ter und haben Fremdzündung. Bei den Bauformen, der Anzahl und der Anordung der Zylinder gibt es Unterschiede. Weil der Kolben eines Viertakters nur während des drittenTaktes Leistung abgibt, muss ein Einzylinder-Motor eine schwere Schwungmasse haben, die ihm über die anderen drei Takte hinweghilft. Günstiger ist es, mehrere Zylinder auf einer gemeinsamen Kurbel- welle so anzuordnen, daß ihre Arbeitstakte gleichmässig verteilt innerhalb von zwei Kurbelwellen-Umdrehungen (720°) erfolgen. Bei vier Zylindern ist nach 720° : 4 =180° der nächste Arbeitstakt. Um einen möglichst ruhigen Motorlauf zu erreichen, nimmt man mög-lichst viele Zylinder und ordnet sie so an, dass die Kröpfungen der Kur-belwelle gleichmässig im Kreis verteilt und massenmässig ausgeglichen sind. Aufgrund unterschiedlicher Anforderungen an die Motoren entstan-den viele verschiedene Bauformen, von denen heute nur noch wenige übriggeblieben sind. Typenbezeichnungen von Kolbenmotoren amerikanischer Firmen enthal-ten Kennbuchstaben, aus denen Bauform hervorgeht: L bedeutet "LINE ENGINE" und heißt bei uns Reihenmotor. Die Zy-

linder sind in einer Reihe hintereinander angeordnet und können stehen oder hängen.

O bedeutet "OPPOSED" (gegenüber). Wir sagen Boxermotor. Das

ist heute die häufigste Bauform, wo die Zylinder auf beiden Seiten des Kurbelgehäuses gegenüber angeordnet sind. Die Zylinder liegen normalerweise waagerecht.

R bedeutet "RADIAL ENGINE", auf deutsch Sternmotor. Die

Zylinder sitzen sternförmig um das Kurbelgehäuse herum. Die Anzahl der Zylinder eines Sterns ist immer ungerade. Ein Kolben sitzt direkt auf dem Hauptpleuel. Die anderen Kolben sind über Nebenpleuel am Hauptpleuel angelenkt. Alle Kolben eines Sterns wirken auf einen gemeinsamen Kurbelzapfen auf der Kurbelwelle. Der sogenannte Pleuelfehler des Sternmotors entsteht, weil die Füsse der Nebenpleuel keine Kreisbahnen, sondern elliptische Bahnen durchlaufen.

Es gibt den - Einfach-Sternmotor mit 5, 7 oder 9 Zylindern - Doppel-Sternmotor mit 14 oder 18 Zylindern - Vierfach-Sternmotor mit 28 Zylindern V bedeutet Motor mit V-förmiger Anordnung der Zylinder, wobei

immer zwei Kolben auf einen gemeinsamen Kurbelzapfen wirken. Die Zylinder können stehen oder hängen.

Reihenmotor

stehend hängend

Boxer-Motor

Sternmotor Hauptpleuel

Neben-

Doppelstern Vierfach-Stern

(4 x 7 = 28 Zylinder)(2 x 7 = 14 Zylinder)

KOLBENMOTOR-BAUFORMEN

V - Motor

stehend hängend

Pleuel

JAR-ATPL Lernkontrolle

KOLBENTRIEBWERKE 8


Lernkontroll-Aufgaben 1 - 8 Hinweis: Die Lernkontroll-Aufgaben beziehen sich auf den Lehrstoff der vorhergehenden Seiten. Bitte beantworten Sie die Fragen bezw. ergänzen die fehlenden Textstellen. Falls Sie eine Aufgabe nicht lösen können, arbeiten Sie bitte die betreffende Stelle der Unterlage nochmals durch, bevor Sie Ihre Anwort mit der Lösung auf der folgenden Seite vergleichen.

1. Wie lautet der Impulssatz ?

2. Wie wird Beschleunigung ausgedrückt ?

3. Wodurch entsteht die Antriebskraft beim Flugzeug ?

4. Der Hubraum eines Kolbenmotors errechnet sich aus

5. Das Kompressionsverhältnis eines Kolbenmotors errech-net sich aus

6. Die Leistungsmasse eines Motors wird angegeben in

7. Die Takte (Vorgänge) in einem Viertaktmotor sind

1. 2. 3. 4.

8 In der Typenbezeichnung von Kolbentriebwerken bedeutet der Buchstabe

O: R:


KOLBENTRIEBWERKE 9


Lernkontroll-Lösungen 1 - 8

1. Impuls ist das Produkt aus Masse mal Geschwindigkeit eines Körpers.

2. Geschwindigkeits-Änderung pro Zeiteinheit

3. Durch die Beschleunigung einer Luftmasse

4. Kolbenfläche mal Hub mal Zylinderzahl

5 Hubraum plus Brennraum geteilt durch Brennraum (eines Zylinders)

6 kg/kW bezw. lbs/BHP

7. Viertaktmotor:

1. Einlassen

2. Verdichten

3. Verbrennen

4 Auslassen

8. O = 0pposed = Boxermotor,

R = Radial = Sternmotor


KOLBENTRIEBWERKE 10


Thermodynamische Vorgänge im Triebwerk Das mechanische Wärmeäquivalent ist die Beziehung zwischen Wär-me und mechanischer Arbeit. Wärmekraftmaschinen wandeln Wärme in Kraft um. Dazu brauchen sie einen Stoff, der bei Zufuhr von Wärme seinen Zustand ändert. Technisch dafür besonders geeignet sind Dämpfe und Gase, deren Volumen bei Erwärmung stark zunimmt. Flugzeug -Triebwerke sind Wärmekraftmaschinen, die mit einem Gas - nämlich Luft - arbeiten. Sie wandeln die im Kraftstoff enthaltene Energie über Wärme in mechanische Arbeit um. Der Kraftstoff wird in der Luft verbrannt, wobei die Luft auch den zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoff liefert. Von der zugeführten Energie kommt nur ein Teil am Ende des Umwandlungsvorgangs als nutzbare Arbeit aus der Maschine heraus. Ein großer Teil der Wärme wird über die Motorkühlung, die heissen Abgase und den Ölkühler an die Umgebung abgegeben. Der Wirkungsgrad η (gesprochen: eta) ist das Verhältnis der

nutzbaren Arbeit geteilt durch die zugeführte Energiemenge. Das Ergebnis ist immer kleiner als 1.

Zum Berechnen von Arbeit und Energie in ihren verschiedenen Formen gibt es Masseinheiten: Die Einheit der Wärme-Energie ist das Joule (J) Mechanische Arbeit ist Kraft (in Newton) mal Weg (in Meter) =

Nm Elektrische Arbeit ist Leistung (in Watt) mal Zeit (in Sekunden)

= Ws Und jetzt kommt der wichtige Satz vom Wärmeäquivalent zum Auswendig-lernen: 1 Joule = 1 Newtonmeter = 1 Wattsekunde Thermodynamische Zustandsänderungen In einer Wärmekraftmaschine ändert sich bei der Umwandlung von Wär-meenergie in mechanische Arbeit mehrmals der Gaszustand. So wird z.B. in einem Kolbentriebwerk vor der Verbrennung das Gas bereits durch die Verdichtung erwärmt. Nach der Wärmezufuhr erhöht sich der Druck. Während des Arbeitstaktes nimmt das Volumen zu, Druck und Temperatur nehmen ab. Diese thermodynamischen Vorgänge nennt man Zustands-änderungen. Sie können durch Wärmezufuhr oder Abkühlung, aber auch auf rein mechanischem Wege durch Verdichtung (Kompression) oder Ausdehnung (Expansion) verursacht werden.


KOLBENTRIEBWERKE 11


Thermodynamische Vorgänge im Triebwerk (Fortsetzung) Zur Beschreibung der Zustandsänderungen gibt es folgende Begriffe: Adiabat: Zustandsänderung von Druck und Volumen, wobei Wär-

me weder zu- noch abgeführt wird Isentrop: Adiabate Zustandsänderung, die ohne Verluste abläuft Isobar: Der Druck bleibt konstant Isochor: Das Volumen bleibt konstant Isotherm: Die Temperatur bleibt konstant Polytrop: Zustandsänderung, bei der sich mehrere Werte ändern

können

V

P

V V

P

P

12

1

2

isobar

isochor

polytrop

konstantP

V konstant V2 V1

P1

P2


KOLBENTRIEBWERKE 12


Kreisprozess des Viertakt-Ottomotors Bei einer Wärmekraftmaschine erfolgt die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch einen Zyklus mehrerer aufeinanderfolgender Zustandsänderungen. Beim Kolbentriebwerk handelt es sich um einen offenen Kreisprozess mit Luft als Arbeitsmedium, welche nach dem Durchlauf aus dem Prozess entfernt und durch neue Luft mit gleichem Ausgangszustand ersetzt wird. Wird der Verlauf von Druck P und Volu-men V zwischen den beiden Totpunkten des Kolbens in einem Diagramm dargestellt, entsteht ein geschlossener Kurvenzug. Idealer Kreisprozess Damit es kein Missverständnis gibt: Ideal bedeutet hier nicht etwa er-strebenswert, sondern wirklichkeitsfremd ! Die thermodynamischen Vorgänge im Motor lassen sich leichter berech-nen, wenn die Kurven des Kreisprozesses idealisiert, d.h. die Vorgänge verlustfrei und ohne Wärmeabstrahlung nach aussen angenommen wer-den. Die dabei entstehenden Fehler nimmt man in Kauf, oder man korri-giert sie später. Den sogenannten idealen (d.h. rein theoretischen) Kreisprozess zeigt der Kurvenzug A - B - C - D in der obersten Skizze: A - B Isentrope Verdichtung ohne Wärmeabgabe B - C Isochore Verbrennung C - D Isentrope Entspannung ohne Wärmeabgabe D - A Isochorer Druckausgleich zur Ausgangsbedingung Hiernach erfolgt z.B. zwischen B und C die gesamte Verbrennung bei konstantem Volumen mit dem Kolben im oberen Totpunkt und dauert überhaupt keine Zeit (was in Wirklichkeit nicht stimmt). Reales (wirkliches) P-V Diagramm eines Viertakters ohne Aufladung. (mittlere Skizze). Die Zahlen im Diagramm zeigen den Beginn des ent-sprechenden Arbeitstaktes: Von 1 nach 2 wird frisches Gas angesaugt. Der Druck im Zylinder ist niedriger als der Aussendruck. Von 2 nach 3 wird verdichtet. Der Zündzeitpunkt ist etwa 20° vor OT, weil die Ver-brennung und der Druckaufbau einige Zeit dauern. Der maximale Druck darf sich erst aufbauen, wenn der Kolben schon wieder von 3 nach 4 abwärts geht. Bereits vor 4 öffnet das Auslassventil. Von 4 nach 1 drückt der Kolben das Abgas heraus, d.h. der Druck ist höher als der Aussendruck. Reales P-V Diagramm eines aufgeladenen Viertakters Unterste Skizze: Beachten Sie bitte, dass die Kurve von 1 nach 2 den Ladetakt darstellt und deshalb über der Aussendruck-Linie liegt. Der restliche Ablauf ist wie im Bild darüber. Tip: Die 2. und 3. Skizze und dazu ein paar erklärende Worte sollten Sie

vor der Prüfung üben !

P

VOT UT

B

C

D

Zündzeitpunkt

OT UT

A

V

P

Idealer Viertakt-Kreisprozess

Realer Viertakt-Kreisprozess

P

Zündzeitpunkt

OT UTV

Realer Viertakt-Kreisprozess

beim Saugmotor

beim Ladermotor

druck

druck

Aussen-druck

MaximalerDruck

MaximalerDruck

1 2

3

4

3

1 24

Aussen-

Aussen-


KOLBENTRIEBWERKE 13


Thermischer und mechanischer Wirkungsgrad Beim Motor unterscheidet man den Wirkungsgrad der thermo-dyna-mischen Vorgänge und den mechanischen Wirkungsgrad, deren Produkt den Motor-Gesamtwirkungsgrad ergibt. Der thermische Wirkungsgrad ist sehr niedrig, denn die Wärme der ab-fliessenden Abgase und die zum Schutz des Materials erforderliche Küh-lung stellen Verluste dar. Im mechanischen Wirkungsgrad stecken die Verluste durch die Reibung der Kolben in den Zylindern, Reibung der Lager und Getriebe. Reibung erzeugt Wärme, die über das Öl und den Ölkühler abgeführt werden muss. Auch der Antrieb der zum Motorbetrieb notwendigen Kraftstoff- und Ölpumpen und gegebenenfalls eines mechanischen, von der Kurbelwelle angetriebenen Laders zählt mit zu den Verlusten. Demgegenüber zählt der Antrieb flugzeugseitiger Hilfsgeräte (Airframe Accessories) wie Generator, Hydraulikpumpe usw. zur effektiven Arbeit, denn dort wird nutzbare Energie in andere nutzbare Energieformen um-gewandelt. Aus dem Verhältnis der effektiven Kurbelwellenarbeit zur aufgewandten Energiemenge errechnet sich der Motor-Gesamtwirkungsgrad. Da ein Kolbenmotor auch noch einen Propeller braucht, um ein Flugzeug anzutreiben, muss der Motor-Gesamtwirkungsgrad noch mit dem Propeller-Wirkungsgrad multipliziert werden. Der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks ist das Produkt der Ein-zel-Wirkungsgrade von Motor und Propeller. Energie-Aufteilung des Kraftstoffs in effektive Leistung, Abgasver-luste und Kühlverluste Die in der oberen Skizze genannten Zahlen sind Durchschnittswerte bei Reiseleistung. Bei Startleistung ist der thermische Wirkungsgrad bedeu-tend schlechter, weil mit reichem Gemisch gestartet wird und noch unverbrannter Kraftstoff im Abgas ist. Die untere Grafik zeigt die Energie-Aufteilung des Kraftstoffs im Motor bei Reiseleistung mit armem Gemisch und Startleistung mit reichem Gemisch. Der Motor hat bei Reiseleistung einen besseren Gesamtwir-kungsgrad.

THERMISCHη

η

η

ges

~

0,850,35

0,3

0,27

~

ges

~η ~

0,9η ~

(η )NUTZBARE ARBEIT

=EINGEBRACHTE ENERGIE

WIRKUNGSGRAD

MECHANISCH

MOTORPROPELLER

TRIEBWERK

(BEI REISELEISTUNG)

NUTZBARELEISTUNG VERLUSTE

WELLEN-LEISTUNG

ABGAS-WÄRME

REISE START

100 %

WELLEN-LEISTUNG

ABGAS-WÄRME

KÜHLUNG KÜHLUNG

LEISTUNG LEISTUNG

ENERGIE


KOLBENTRIEBWERKE 14


Spezifischer Kraftstoff-Verbrauch Die Angabe des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (engl: Specific Fuel Consumption = SFC) drückt aus, welche Kraftstoff-Menge (d.h. Masse !) für eine bestimmte Leistung in einer bestimmten Zeit erfor-derlich ist. Masse des Kraftstoffs Spezifischer Kraftstoffverbrauch = - Leistung x Zeit Der SFC ist ein Vergleichsmass für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von Triebwerken. Für die fliegerische Praxis ist der wichtigste Wert der SFC bei Reiseflug-leistung (Cruise Power) zur Berechnung von Nutzlast und Reichweite, denn in diesem Leistungsbereich arbeitet ein Triebwerk den grössten Teil seiner Laufzeit. Wenn nicht ausdrücklich anders definiert, bezieht sich die SFC-An-gabe auf den günstigsten im normalen Reiseflug erreichbaren Wert. Das ist normalerweise bei ca. 60 % Leistung und optimal von Hand verarmtem Gemisch (Manual Lean). Zum Vergleich: Die Verbrauchsangaben in den Auto-Prospekten sind in Liter pro 100 km. Jeder Autofahrer kennt die Auswirkung von Fahrweise, Geschwindigkeit usw. auf den realen Verbrauch. Bei konstant 90 km/h auf ebener Autobahn hat ein durchschnittliches Auto den günstigsten SFC. Die Angabe der Masse (kg oder lb) und nicht des Volumens (Liter oder Gallonen) im SFC ist wegen der Abhängigkeit des Krafstoffvolumens von der Temperatur sinnvoll. Die Energiemenge hängt von der Masse des Kraftstoffs ab. Die SFC-Angabe gibt es in verschiedenen Einheiten-Systemen : lbs Englisch/amerikanisch: SFC = (pounds per horse- BHP x h power-hour) Gramm Altes metrisches System: SFC = (Gramm pro PS- PS x h Stunde) kg Neues internationales System: SFC = (Kilogramm pro kW x h Kilowatt-Stunde)


KOLBENTRIEBWERKE 15


Lernkontroll-Aufgaben 9 - 18

9. Die Einheit für Energie, Arbeit und Wärmemenge heisst

10. 1 Newtonmeter = 1 = 1

11. Wie nennt man eine Zustandsänderung des Gases bei

a) konstantem Druck ?

b) konstanter Temperatur ?

c) konstantem Volumen ?

12. Was ist eine adiabate Zustandsänderung ?

13. Was ist eine isentrope Zustandsänderung ?

14. Was versteht man unter einem "idealen Kreisprozess"?

15. Wo liegt der Zündzeitpunkt im realen Kreisprozess ?

16. Welche Verluste ergeben den mechanischen Wirkungsgrad eines Kolbentriebwerks ?

17. Der Gesamtwirkungsgrad ist der Einzelwirkungsgrade.

18. Der spezifische Kraftstoffverbrauch eines Kolbentrieb-werks wird angegeben in


KOLBENTRIEBWERKE 16



9. Joule

10. 1 Newtonmeter = 1 Joule = 1 Wattsekunde

11. a) isobar

b) isotherm

c) isochor

12. Zustandsänderung von Druck und Volumen, wobei Wärme weder zu- noch abgeführt wird

13. Adiabate Zustandsänderung, die ohne Verluste abläuft

14. Theoretischer, verlustfreier Vorgang

15. ca. 20° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens im Verdichtungstakt

16. Lagerreibung, Antriebe der motorseitigen Hilfsgeräte, gegebenfalls Lader

17. das Produkt

18. Kilogramm pro Kilowatt-Stunde oder Pound per Horsepower-Hour


KOLBENTRIEBWERKE 17


Leistung, Leistungsgleichung, Indikator-Diagramm Die ersten von James Watt gebauten Dampfmaschinen liefen in engli-schen Kohlengruben. Davor hatte man Pferde an Göpel gespannt und im Kreise getrieben, um Wasserpumpen und Förderkörbe anzutreiben. Eine Maschine, welche vier Pferde ersetzte, hatte demnach vier Horsepower. Power heißt auf deutsch Leistung, d.h. Kraft mal Weg pro Zeit-einheit. In englischen Masseinheiten ist 1 Horsepower (HP) = 550 Pfund mal 1 Fuß pro Sekunde. Im alten metrischen System ist 1 Pferdestärke (PS) = 75 Kilogramm mal 1 Meter pro Sekunde. Umgerechnet in die Masseinheit der Leistung (Watt) des internationalen Systems ist. 1 Horsepower (HP) = 745 Watt 1 Pferdestärke (PS) = 736 Watt 1 Kilowatt (kW) = 1,34 HP = 1,36 PS Arbeit (Work) ist Kraft (Force) mal Weg (Distance). Bei einer drehenden Maschine wirkt die Kraft nicht geradlinig, sondern im Kreis um einen Mit-telpunkt herum. Der Weg der Kraft bei einer Umdrehung beträgt 2π x Radius. Der Radius ist der Hebelarm, an dem die Kraft wirkt. Das Produkt von Kraft mal Radius ergibt das Drehmoment (Torque). Die Drehzahl (Umdrehungen pro Zeiteinheit) x 2π x Radius ergibt den Weg der Kraft. Kraft mal Weg - d.h. Arbeit - pro Zeiteinheit ergibt Leistung. Alles klar ? Leistung kann man nur messen, wenn die Kraft wirksam ist. Eine drehende Welle muss dazu kontrolliert abgebremst werden. Daher stammen die Begriffe Bremsleistung (Brake Horse Power, BHP) und "Abbremsen" des Motors beim Standlauf. Die mechanische Leistung einer drehenden Welle ist das Produkt von Drehmoment mal Drehzahl. Beim Hubkolbenmotor entsteht die Kraft während des Arbeitstaktes aus dem Druck mal der Kolbenfläche. Aus einem geradlinigen Weg des Kolbens vom oberen zum unteren Totpunkt wird über das Pleuel und den Kurbel-zapfen eine halbe Umdrehung (180°) der Kurbelwelle. Der auf die Kolbenfläche wirkende Druck ändert sich während des Hubes. Der durchschnittlich wirkende Druck ist der "indizierte mittlere effektive Kolbendruck" oder auf englisch Indicated Mean Effective Pressure = IMEP. Davon werden etwa 15 % im Motor für die Überwindung der inneren Reibung (engl: Friction) und den Antrieb von Ventiltrieb, Zündmagneten, Öl- und Kraftstoffpumpen gebraucht, ohne die der Motor nicht läuft (siehe auch "mechanischer Wirkungsgrad"). Der für die wirkliche Bremsleistung (Brake Horse Power) des Motors an der Kurbelwelle ausschlaggebende Druck heisst Brake Mean Effective Pressure = BMEP und ist dem Drehmoment (Torque) direkt propor-tional. Anmerkung: Es gibt in keinem Flugzeug eine Anzeige des Drucks im Zylinder. Die BMEP-Anzeige der grossen Sternmotoren der 50er Jahre beruht auf dem Torquemeter-Öldruck, der im Propeller-Untersetzungs-getriebe gemessenen wird und sich analog zum BMEP verhält.

P

UTV

Druckverlauf währenddes Arbeitstaktes

KurbelwelleKurbelzapfen

PleuelKolbenfläche

Druck

OTINDIKATOR-DIAGRAMM

BMEP

IMEP

AUSSEN-DRUCK


KOLBENTRIEBWERKE 18


Zusammenhang von Leistung, Drehzahl, Drehmoment und spezifi-schem Kraftstoff-Verbrauch. Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit. Die Leistung eines bestimmten Kol-benmotors ist demnach unter anderem abhängig von der Anzahl der Arbeitstakte in einer bestimmten Zeit. Wenn ein Sechszylinder-Viertakt-motor mit 2.000 RPM (Revolutions per Minute = Umdrehungen pro Minute) läuft, sind das 6.000 Arbeitstakte pro Minute. Wenn er langsamer dreht, hat er weniger Leistung. Die Leistung hängt aber nicht allein von der Drehzahl ab, sondern ist das Produkt von Drehzahl mal Drehmoment. Dieser Zusammenhang wird im untenstehenden Diagramm gezeigt. Für ein Flugzeugtriebwerk ist wichtig, ob es einen festen oder einen verstellbaren Propeller antreibt. Die gleiche Leistung kann bei kleiner Propellersteigung, hoher Drehzahl und kleinem Drehmoment oder aber bei grosser Propellersteigung, niediger Drehzahl und hohem Drehmoment erzeugt werden. Zum Vergleich: Ein Auto braucht für 50 km/h auf ebener Strecke eine be-stimmte Antriebsleistung, welche sich aus Drehzahl mal Drehmoment des Motors zusammensetzt. Ob Sie dabei im ersten, zweiten, dritten, vierten oder fünften Gang fahren - die Motorleistung als Produkt von Drehzahl mal Drehmoment ist konstant - aber Kraftstoff-Verbrauch, Lärmentwicklung und Motorverschleiss sind verschieden. Halten Sie dagegen die Motordrehzahl konstant, fährt das Auto z.B. im 1. Gang mit 50 km/h und im 5. Gang mit 200 km/h. Für die vierfache Geschwindigkeit ist die sechszehnfache Leistung erforderlich. Ein Gleichdrehzahl (Constant Speed) - Propeller wirkt wie ein stufenloses Getriebe, welches automatisch die Übersetzung verändert, um die Drehzahl konstant zu halten. Das nebenstehende Diagramm zeigt den Verlauf von Leistung, Drehmo-ment und spezifischem Krafstoffverbrauch (nicht verwechseln mit Kraft-stoff-Durchfluss = Fuel Flow!) über der Drehzahl, d.h. ohne Propeller-Verstellung. Die Leistungskurve beginnt bei der zum Betrieb des Motors erforderli-chen Mindestdrehzahl. Wir sagen dazu Leerlauf (engl: Idle). Bei Erhöh-ung der Drehzahl steigt die Leistung zuerst fast linear, d.h. mehr Drehzahl bringt auch mehr Leistung.


KOLBENTRIEBWERKE 19


Zusammenhang von Leistung, Drehzahl, Drehmoment und spezifischem Kraftstoff-Verbrauch. (Fortsetzung) Das günstigste Verhältnis von Leistung zu Drehzahl ist der Wert, wo die Tangente durch den Schnittpunkt der Koordinaten die Leis-tungskurve berührt. Dass die Kurve dann flacher wird und nach dem Maximum wieder abfällt, liegt an der Verschlechterung des Zylinder-Füllungsgrades bei weiterem Drehzahlanstieg. Der Drehzahlbereich der fallenden Kurve wird gemie-den, weil Kolbengeschwindigkeit und Fliehkräfte dann zu hoch werden. Um die Drehzahl zu senken, wird die Steigung (Pitch) des Propellers vergrössert. Dadurch steigt das Drehmoment. Die Drehmomentkurve ist bei einem auf wirtschaftlichen Reiseflug ausgelegten Motor flach und hat ihren höchsten Wert bei Reiseleistung (Cruise Power). Der spezifische Kraftstoff-Verbrauch SFC ist am niedrigsten, wenn im Reiseflug mit manuell verarmtem Gemisch (Manual Lean Mixture) geflo-gen wird. Das darf man aber nur unterhalb von 70 % Motorleistung. Bei falscher Gemisch-Einstellung kann der Motor zerstört werden.

Leerlauf Reise StartDrehzahl

SFC

Drehmoment

Leistung

Günstigstes Verhältnis


KOLBENTRIEBWERKE 20


Bauteile: Kurbelgehäuse, Kurbeltrieb, Zylinder Von den wichtigsten Bauteilen des Motors sollten Sie die Bezeichnungen und Aufgaben kennen. Das zentrale Bauelement des Motors ist das Kurbelgehäuse, wel-ches alle Antriebskräfte überträgt. Es ist an der Flugzeugstruktur befestigt (man sagt "aufgehängt) und enthält die Kurbelwelle und die Nockenwelle. Beim Boxer-Motor besteht das Kurbelgehäuse aus zwei Hälften, zwi-schen denen Kurbelwelle und Nockenwelle gelagert sind. Die Kurbel-welle treibt den Propeller entweder direkt oder über ein Unterset-zungsgetriebe an. Die luftgekühlten Zylinder sind einzeln am Kurbelgehäuse angeflanscht. Die Laufbuchse des Zylinders ist aus Stahl. Der Zylinderkopf besteht aus einer Leichtmetall-Legierung. Ventilsitze und Ventilführungen sind aus Stahl. Der Kolben ist mittels federnder Kolbenringe zur Zylinder-Lauffläche abgedichtet. Die Kraftübertragung vom Kolben zum Pleuel erfolgt über den Kolbenbolzen.

Kurbelgehäuse (Boxer-Motor)

Kurbelwelle

Nockenwelle

Pleuel

Nockenwellen-Antrieb (2:1)

Längsverzahnungfür Propeller

Luftgekühlter

Kolben

Ventilführung

KolbenringeKolbenbolzen

Ölabstreifring

Kühlrippen

Zylinderkopf

Zylinder

Befestigungsflansch


KOLBENTRIEBWERKE 21


Ventilsteuerung Kolben-Motoren brauchen eine Einrichtungen zur Steuerung der Gas-wechsel-Vorgänge. Normale Viertakt-Kolbenmotoren haben Ventile im Zylinderkopf. Jedes Einlass- und Auslassventil muss einmal während der vier Takte des Motors - d.h. innerhalb von zwei Kurbelwellen-Umdre-hungen - genau zum richtigen Zeitpunkt geöffnet und geschlossen werden. Das nennt man "Ventil-Steuerung". Das Öffnen des Ventils geschieht durch einen Nocken auf der Nok-kenwelle, die über eine 2 : 1 Untersetzung mit halber Kurbelwellen-Drehzahl angetrieben wird. Das Schliessen des Ventils erfolgt durch die Ventilfeder, d h. zum Öffnen muss die Federkraft überwunden werden. Anmerkung: Früher war das Einstellen des Ventilspiels eine wichtige Wartungsarbeit. Es war erforderlich, damit die Ventile trotz ungleichmäs-siger Wärmeausdehnung der verschiedenen Bauteile (Zylinder, Stössel, Ventilschaft) in allen Betriebszuständen immer einwandfrei schliessen konnten. Heute gibt es wie bei Automotoren hydraulische Ventilstössel, die sich mit Motoröl füllen und dadurch automatisch anpassen.

Kurbelwelle

Nockenwelle

Nocken

Stösselstange

KipphebelVentilspiel-Einstellung

Ventilfeder

Ventil

Untersetzung 2:1

PRINZIP DER VENTILSTEUERUNG


KOLBENTRIEBWERKE 22


Hilfsgetriebe, Propeller-Untersetzungsgetriebe Hilfsgetriebe (engl: Accesory Drives) dienen zum Antrieb von Bau-teilen und Geräten durch das Triebwerk. Dazu zählen 1. Bauteile, ohne die der Motor nicht läuft, z.B. - Ölpumpen - zwei Zündmagnete - motorgetriebene Kraftstoffpumpe 2. Weitere Antriebe je nach Ausführung des Motors, z.B. - Tachometer-Generator für die Drehzahl-Anzeige - Propeller-Governor (Regler) für die automatische Verstel-

lung - Auch der Starter ist auch am Hilfsgetriebe befestigt. Er

braucht eine Untersetzung, um die Kurbelwelle zu drehen 3. Antriebe für zellenseitige Hilfsgeräte zur Energie-

Versorgung der Flugzeugsysteme, z.B. - Generator zur Stromversorgung des Bordnetzes, - Hydaulikpumpe, - Vakuumpumpe für pneumatische Kreisel-Instrumente - Kompressor für Druckkabine oder Enteisung Die Accessory Gearbox sitzt normalerweise am hinteren Ende des Kurbelgehäuses. Damit jedes Gerät mit der richtigen Drehzahl ange-trieben wird, sind entsprechende Zahnräder für die verschiedenen Über- bezw. Untersetzungen erforderlich. Propeller-Untersetzungsgetriebe ermöglichen höhere Kurbelwel-len-Drehzahl. Das bringt eine Steigerung der Motorleistung, wäh-rend der Propeller bei niedrigerer Drehzahl einen besseren Vor-triebs-Wirkungsgrad hat.

Starter

Zündmagnete

Nockenwelle

Hilfsgeräte-Getriebe(Boxer-Motor)

Tacho-Generator

Kurbelwelle

Ölpumpe Öltankund Ölfilter

Generator

Propeller-

Kurbel-

Nockenwelle

(Boxer-Motor)

Dämpfer

Propeller-

Propeller-Untersetzungs-Getriebe

Welle

AntriebGovernor

Welle

Schwingungs-


KOLBENTRIEBWERKE 23


Beispiel eines Kolbentriebwerks Der hier gezeigte Motor hat die Bezeichnung Teledyne Continental GTSIO-520. Die Buchstaben und Ziffern in der Typenbezeichnung haben folgende Bedeutung: G Gear Reduction = Untersetzungsgetriebe für den Propeller TS Turbo-Supercharged = Turbolader zur Leistungssteigerung I (Fuel) Injection = Kraftstoff-Einspritzung O Opposed Cylinders = Gegenüberliegende Zylinder (Boxer-

Motor) 520 Hubraum in Cubic Inches = 8,52 Liter

TURBINE

WASTE GATECONTOLLER

THROTTLEUNIT

INT ERCOOLER

INTAKE MANIFOLD

PROPELLERREDUCTION

GEAR

PROP. GOVERNORDRIVE GEA R HYDRA ULIC

VALVE TAPPET

INLET VA LVE

EXHAUST VA LVE

VALV E ROCKER

EXHA UST MANIFOLD

SPARK PLUGCAMSHAFT

TURBOCHARGER

WASTE GATEACTUATOR

Diesen Motortyp gibt es in verschiedenen Ausführungen von 340 bis 435 BHP bei 3.400 RPM. Das Bild zeigt einige interessante Konstruktions-Details: Turbocharger (Turbolader) zur Leistungssteigerung Throttle Unit (Droselklappe mit automatischer

Ladedruckregelung) Intercooler (Zwischenkühler für die Ladeluft) zur Verringerung der

Klopfgefahr Hydraulic Valve Tappets (hydraulisch selbsteinstellende

Ventilstößel) Propeller Reduction Gear (Untersetzungsgetriebe 1 : 0,67) Prop. Governor Drive Gear = Antrieb des Reglers für einen

Constant Speed Propeller Anmerkung: Das ist heute der stärkste im Westen gebaute Flugzeug-Kolbenmotor. Der einzige 8-Zylinder von AVCO Lycoming hat zwar 720 cubic inches, aber kein Untersetzungs-Getriebe und leistet maximal 400 BHP bei 2.650 RPM. Für höhere Leistungen werden seit ca.1960 nur noch Turbinen-Triebwerke gebaut.


KOLBENTRIEBWERKE 24



19. Wieviel Watt hat ein Horsepower ?

20. Wie lautet die physikalische Definition von Arbeit ?

21. Wie lautet die physikalische Definition von Leistung ?

22. Die mechanische Leistung einer drehenden Welle errechnet sich aus

23. Was bedeutet BMEP ?

24. Das zentrale Bauelement des Motors ist das

25. Wie erfolgt die Kraftübertragung vom Kolben zur Kurbel-welle ?

26. Die Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderwand erfolgt durch mehrere

27. Das Öffnen der Einlass- und Auslassventile erfolgt durch die

28. Die Kraftübertragung vom Nocken zum Ventil erfolgt durch


KOLBENTRIEBWERKE 25


Lernkontroll-Aufgaben 19 - 31 (Fortsetzung)

29. Das Schliessen der Einlass- und Auslassventile erfolgt durch die

30. Welche angetriebenen Hilfsgeräte sind für den Betrieb des Motors erforderlich ?

31. Welche weiteren Hilfsgeräte brauchen einen Antrieb ?


KOLBENTRIEBWERKE 26



19. 745 Watt

20. Arbeit ist Kraft mal Weg

21. Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit

22. Drehzahl mal Drehmoment

23. Brake Mean Effective Pressure = mittlerer (durch-schnittlicher) wirksamer Kolbendruck während des Arbeitstaktes

24. Kurbelgehäuse

25. Kolbenbolzen, Pleuel, Kurbelzapfen

26. Kolbenringe

27 Nockenwelle

28 Stössel, Stösselstangen, Kipphebel

29. Ventilfedern

30. Ölpumpe(n), Kraftstoffpumpe, Zündmagnete, evtl. Lader

31. Propeller Governor, Tachometer, Generator, Hydraulikpumpe, Vakuumpumpe, Kompressor

JAR-ATPL 02 Schmierstoffe

KOLBENTRIEBWERKE 27


021 03 01 02 Schmierstoff-System

Aufgaben des Schmierstoff-Systems, Motoröls, Ölsorten Das Öl hat im Kolbenmotor folgende Aufgaben: 1. Aufbau eines Schmierfilms zwischen gleitenden Teilen, um di-

rekten Materialkontakt und Reibung zu verhindern 2. Kühlung von heißen Teilen innerhalb des Motors, z.B. Ventilen

und Kolben. Die dort aufgenommene Wärme wird über den Ölküh-ler an die Umgebung abgegeben

3. Interne Reinigung durch Wegspülen von Abrieb, Ölkohle, Ver-brennungsrückständen usw., welche entweder feinstverteilt in der Schwebe gehalten oder durch Ölfilter aus dem Kreislauf entfernt werden

4. Feinabdichtung zwischen gleitenden Teilen, z.B. Kolben und Zylinder oder Ventilschaft und Ventilführung

5. Interner Korrosionschutz blanker Metalloberflächen 6. Als Hydraulikflüssigkeit zur Kraftübertragung für Propeller-Ver-

stellung, Waste Gate Actuator Ölsorten Öle und Fette auf pflanzlicher und tierischer Basis (z.B. Rizinusöl, Leber-tran, Knochenöl) wurden in der Steinzeit der Fliegerei auch für Motoren verwendet, spielen aber heute keine Rolle mehr. Flugzeug-Kolbenmotoren werden mit Mineralölen auf Petroleum-Basis betrieben, welche durch besondere Herstellungsverfahren und chemische Zusätze (Additive) auf die Betriebs-bedingungen abgestimmt werden. Die seit der Einführung der Turbinen-Triebwerke entwickelten syn-thetischen Öle sind chemisch anders aufgebaut und dürfen weder allein noch gemischt in Kolbenmotoren verwendet werden. Der Grund dafür liegt in der Unverträglichkeit der falschen Ölsorte mit dem Material der elastischen Dichtungen zwischen beweglichen Teilen, z.B. Simmeringen an Wellen, O-Ringen im Verstell-Propeller usw. Wenn zwischen solchen Dichtungen und dem Öl "die Chemie nicht stimmt", quellen sie auf und verkleben die Teile miteinander. Das kann gefährlich werden, zumindest sehr teuer.


KOLBENTRIEBWERKE 28


Aufgaben des Schmierstoff-Systems, Motoröls, Ölsorten (Fortsetzung) Welche Ölsorte für welchen Motor ? Der Motor-Hersteller weiss, welche Eigenschaften das Öl für seinen Mo-tor unter bestimmten Betriebsbedingungen haben muss. Die schreibt er in einer sogenannten Spezifikation (Spec.) unter einer Specification Number vor. Die Ölfirma will ihre Produkte verkaufen und stellt deshalb Öl her, welches die Spezifikation erfüllt. Hat der Motor-Hersteller das Öl erprobt, erteilt er die Zulassung. Natürlich gibt es auch andere Motoren, die das gleiche Öl verwenden können, und andere Ölfirmen, deren Öl derselben Spezifikation entspricht. In der Betriebsanleitung des Flugzeugs steht, welches Öl unter welchen klimatischen und sonstigen Bedingungen zu verwenden ist. Auskünfte und Empfehlungen kann auch der für die Wartung des Flugzeugs zuständige luftfahrttechnische Betrieb (LTB) erteilen. Hinweis: Das amerikanische Militär als grösster Kunde der internationalen Ölfirmen hat eigene "Military Specifications" herausgegeben und verlangt, daß alle Öle mit der gleichen MIL SPEC in beliebigen Anteilen miteinander mischbar sind.


KOLBENTRIEBWERKE 29


Ölsorten, Eigenschaften und Additive, Alterung Eigenschaften und Additive Viskosität ist die innere Reibung oder Zähflüssigkeit. Kaltes Öl ist "dicker" als warmes. Im Motor muss das Öl dickflüssig genug sein, damit der erforderliche Systemdruck aufgebaut und gehalten werden kann. Andererseits muss es dünnflüsig sein, damit es schnell überall hinkommt, wo es zum Schmieren und Kühlen gebraucht wird. Es gibt mehrere Methoden zur Bestimmung der Viskosität und deshalb verschiedene Maßsyteme, z.B. SAE = Society of Automotive Engineers oder SSU = Saybolt Universal Viscosimeter. Viskostabil oder viskostatisch nennt man ein Öl, dessen Viskosität innerhalb eines bestimmten Temperatur-Bereichs konstant bleibt. Diese sogenannten Mehrbereichsöle (engl: Multigrade Oil) haben Zusätze (Additives), die bei Erwärmung aufquellen. Das SAE 20W-50 ist z.B. ein Öl, welches die Viscositätszahl SAE 20 bei Erwärmung bis in den Temperaturbereich des SAE 50 Öls beibehält. Bei der Verbrennung des Gasgemisches in Zylinder ist es unvermeidlich, dass auch Öl verbrennt. Damit sich die dabei entstehenden Rückstände Ölkohle bezw. Asche nicht festsetzen, werden sie durch ein weiteres Additiv im Öl gelöst und feinstverteilt bis zum nächsten Ölwechsel in der Schwebe gehalten. Ein Öl mit diesem Zusatz heisst "AD Oil" (Ashless Dispersant). Noch andere Additive sollen Schaumbildung im Öl verhindern, denn mit Luftblasen im Öl gibt es Probleme bei der Kühlung und der Propeller-Verstellung. Alterung des Motoröls Das Öl wird im Gebrauch chemisch agressiv, weil es schwefelhaltige Verbrennungsrückstände des Kraftstoffs aufnimmt, welche in Verbindung mit Kondenswasser schweflige Säure bilden. Die Säure greift Dichtun-gen an und verursacht Korrosion an ungeschützten Metalloberflächen. Dagegen gibt es auch ein Additiv, welches neutralisierend wirkt. Dieser Zusatz wird regelrecht verbraucht, d.h. das Öl altert und verliert irgend-wann seine schützende Eigenschaft. Wie andere Fette reagiert auch Motoröl auf den Sauerstoff der Luft, es wird ranzig und zersetzt sich. Dagegen hilft kein Additiv, sondern recht-zeitiger Ölwechsel.


KOLBENTRIEBWERKE 30


Ölkreislauf, Nass- und Trockensumpfsysteme Das Ölsystem ist ein geschlossener Kreislauf. Es gibt zwei Arten: Das Naßsumpf-System (oberes Bild) ist wie beim Auto. Der Sumpf ist die tiefste Stelle des Systems, wohin das Öl aufgrund der Schwerkraft immer wieder zurückläuft. Unter dem Motorblock (1) befindet sich die Ölwanne (2), die als Ölsumpf und Reservoir dient. Die Druckölpumpe (3) ist eine Zahnradpumpe, die bei jeder Umdrehung eine bestimmte Menge fördert, d.h. die Fördermenge ist abhängig von der Drehzahl. Das Ölfilter (4) hält Verunreinigungen, Späne usw. zurück. Das Ölfilter-Umgehungsventil (5) (Oil Filter Bypass Valve) ist normaler-weise durch Federdruck geschlossen. Falls jedoch das Ölfilter verstopft ist, baut sich Differenzdruck auf, der das Ventil öffnet. Das sollte nicht vorkommen, aber notfalls ist schmutziges Öl besser als keins. Das Überdruckventil (6) (Pressure Relief Valve) begrenzt den System-Öldruck nach oben. Die Federspannung - d.h. der Öffnungsdruck - ist meistens einstellbar. Der Ölkühler (7) ist ein Öl/Luft-Wärmetauscher im Luftstrom. Das Ölkühler-Umgehungsventil (Oil Cooler Bypass Valve) (8) regelt die Öltemperatur. Bei kaltem Öl ist es offen. Mit steigender Öltemperatur schliesst es und zwingt das Öl, durch den Kühler zu fliessen. Das Trockensumpf-System (unteres Bild) ist erforderlich bei Motoren mit hängenden Zylindern, z.B. - bei Sternmotoren - wenn der Motor anders als "normal" eingebaut ist - z.B. in Hub-

schraubern - bei kunstflugtauglichen Motoren Die Unterschiede zum Naßsumpf-System sind: Nach getaner Arbeit wird das Öl von den Schmierstellen abgesaugt. Die Kapazität der Rückförderpumpe(n) (9) ist immer grösser als die der Druckölpumpe (3), damit es zu keiner Überflutung der tiefliegenden Bereiche kommt, wenn das Öl schaumig ist. Der Ölkühler (7) liegt meistens in der Leitung zwischen der Rückförder-pumpe und dem separaten Öltank (10). Das Rücköl fließt von oben in den Öltank, damit eventueller Schaum besser abgebaut wird. Über dem Ölspiegel muss ein bestimmtes freies Volumen zum Entschäumen sein. Damit der Tank nicht überfüllt werden kann, sitzt der Einfüllstutzen (11) nicht oben, sondern an der Seite.

1

10

2

8

3

7

9

546

3

ÖLSYSTEM MIT NASSEM SUMPF

TROCKENSUMPF-ÖLSYSTEM

8

1

54

6

7

11


KOLBENTRIEBWERKE 31


Ölkreislauf, Naßsumpfsystem Die Bilder zeigen ein typisches Naßsumpf-Ölsystem eines luftgekühlten Boxermotors. Verfolgen Sie bitte den Ölkreislauf in der Reihenfolge der Legende zu den Bildern: 1 Ölwanne und Vorratsbehälter 2 Einlaßsieb der Druckölpumpe 3 Druckölpumpe (im Hilfsgeräte-Getriebe) 4 Ölfilter 5 Ölfilter-Umgehungsventil (Oil Filter Bypass Valve) 6 Überdruckventil (Pressure Relief Valve). 7 Öldruck-Geber (Oil Pressure Transmitter) 8 Ölkühler 9 Ölkühler-Umgehungsventil (Oil Cooler Bypass Valve) 10 Temperaturfühler (Temperature Bulb). Der Widerstand steigt bei

Temperatur-Anstieg (d.h. positiver Widerstands-Koeffizient) 11 Drucköl-Verteilerkanal (Oil Gallery) zu den Lagern von

Kurbelwelle und Nockenwelle 12 Drehzahlregler (Governor) für den Constant Speed Propeller 13 Turbolader 14 Regler des Turboladers (Waste Gate Controller) 15 Waste Gate Actuator 16 Rückförderpumpe für den Turbolader 17 Kipphebelkammer (Rocker Box) 18 Ölzuleitung zum Kipphebel und Ventil durch die hohle Ventilstös-

selstange 19 Ölrückleitung von der Kipphebelkammer zum Ölsumpf durch das

Stössel-Hüllrohr 20 Spritzdüsen in den Pleuelfüssen zum Anspritzen der Kolben-Un-

terseite (Kühlung !) und der Zylinderwände 21 Peilstab (Dip Stick) 22 Einfüllstutzen (Filler Neck) und Entlüftung (Vent) zur Atmosphäre 23 Ölablaß-Stopfen (Drain Plug) 24 Öldruck-Anzeiger (Oil Pressure Indicator) 25 Öltemperatur-Anzeiger (Oil Temperature Indicator)

1

10

2

8

3

7

912

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20

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25


KOLBENTRIEBWERKE 32


Bedeutung von Öldruck und Öltemperatur beim Anlassen und im Betrieb Zur Erfüllung seiner Aufgaben im Motor braucht das richtige Öl auch noch ganz bestimmte Betriebs-bedingungen: 1. Die richtige Ölmenge ist wichtig, denn das Öl dient als Puffer und

Übertrager im Wärmehaushalt des Triebwerks: - Eine zu geringe Ölmenge wird schnell überhitzt und kann die

Wärme von den heissen Teilen innerhalb des Motors nicht ab-führen.

- Bei zuviel Öl im Naßsumpfsystem taucht die Kurbelwelle ein

und schlägt Schaum. Beim Trockensumpf-System ist in einem übervollen Öltank zuwenig Platz zum Entschäumen des Rück-öls. Schaum - d.h. Luftblasen im Öl - führt zu Störungen bei der Schmierung, Kühlung und Propeller-Verstellung.

2. Der richtige Systemdruck ist wichtig, damit der Umlauf zur

Schmierung und Kühlung stimmt. Nach dem Anlassen muss sich der Öldruck sofort aufbauen und stabilisieren. Andernfalls muss der Motor unverzüglich abgestellt und die Ursache der Störung behoben werden.

3. Die richtige Öltemperatur ist wichtig. - Bei zu kaltem (zähflüssigem) Öl reisst der Schmierfilm zwi-

schen schnell aufeinander gleitenden Teilen. Dann kommt es zum sogenannten "Fressen" von Kolben oder Gleitlagern.

- Wird der Motor im Betrieb nicht warm genug, kann unverbran-nter Kraftstoff nicht verdampfen. Dadurch wird das Öl verdünnt und seine Schmierfähigkeit beeinträchtigt.

- Mit zu heissem (dünnflüssigem) Öl kann die Ölpumpe den

Systemdruck nicht aufrecht erhalten. Bei unzureichender Schmierung und Kühlung wird der Motor beschädigt oder zerstört.

- Bei Überhitzung verdampfen zuerst die Bestandteile mit den niedrigsten Siedepunkten. Was danach übrig bleibt, hat auch nach Abkühlung nicht mehr die ursprünglichen Eigenschaften, weil die verschiedenen Additive durch Übertemperatur zerstört werden.


KOLBENTRIEBWERKE 33


Bedeutung von Öldruck und Öltemperatur beim Anlassen und im Betrieb (Fortsetzung) Das bedeutet für die Praxis: Vor dem Anlassen muss sichergestellt sein, dass die Ölmenge stimmt (Peilstab oder zuverlässige Anzeige) und der Öltankdeckel geschlossen ist. Sobald der Motor läuft, muss sich der Öldruck aufbauen und stabi-lisieren. Ein kalter Motor soll bei niedriger Drehzahl (ca. 1.000 RPM) bis zu einer bestimmten Mindest-Öltemperatur (z.B. 40°C) warmlaufen, bevor die Drehzahl erhöht und der Propeller in eine größere Steigung verstellt wird. Während des Betriebs sollen die Anzeigen von Druck und Temperatur im grünen Skalenbereich stehen. Nach einer Überhitzung des Öls ist es wichtig, daß die Ursache (Bedienungsfehler ?) ermittelt bezw. behoben und das Öl umgehend gewechselt wird. Ungewöhnlich hoher Ölverbrauch, niedriger Öldruck und hohe Öl-temperatur sind Anzeichen von Motorstörungen und müssen sofort dem zuständigen Wartungsbetrieb gemeldet werden.

JAR-ATPL 03 Luftkühlung

KOLBENTRIEBWERKE 34


021 03 01 03 Luft-Kühlsystem

Aufbau, Arbeitsweise, Bedienung und Überwachung Ohne Kühlung würde das Material des Motors die beim Arbeitsprozess auftretende Temperatur nicht überstehen. Gekühlt wird durch die Ablei-tung der Wärme von den heissen Motorteilen an die umgebende Luft. Das geschieht bei allen luftgekühlten Motoren direkt von den Kühlrippen der Zylinder und indirekt unter Zwischenschaltung des Triebwerksöls als wärmeübertragendes Medium über den Ölkühler. Maßgebend für den für den Kühleffekt sind u.a. die Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Materialien, Grösse der Oberfläche und Temperaturdiffe-renz zum Kühlmedium, d.h. der Luft. Kühlung bedeutet Wärmeverlust und verringert den Wirkungsgrad. Durch das Kühlsystem wird ausserdem der Luftwiderstand erhöht. Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist es deshalb wichtig, die Küh-lung genau zu dosieren: Soviel wie nötig, aber sowenig wie möglich. Die abzuführende Wärmemenge hängt ab von der Menge des zuge-führten Kraftstoffs - d.h. von der Motorleistung. Der Kühleffekt hängt ab von der zur Kühlung verfügbaren Luftmasse und ihrer Temperatur. Weil die Kühlluft-Eintrittsöffnung in der Motorverkleidung (Engine Cowling) eine feste Grösse hat, ist der Staudruck ρ/2 v² wichtig, d.h die Kühlung hängt ab von der Luftdichte und der Geschwindigkeit. Die Triebwerks-Verkleidung (Cowling) hat aussen eine möglichst strö-mungsgünstige Form für geringen Luftwiderstand. Innen hat sie die Auf-gabe, zusammen mit dem Brandschott (Firewall) die Kühlluft über die heissen Bereiche zu leiten. Die zu kühlende Oberfläche der Zylinder ist durch Kühlrippen vervielfacht. Die grösste Kühlrippenfläche befindet sich an den Leichtmetall-Zylinderköpfen im Bereich der Auslassventile, weil dort die grösste Wärmemenge anfällt. Die durchströmende Kühlluftmenge kann durch verstellbare Klappen (Cowl Flaps) am hinteren Ende der Motorverkleidung reguliert werden. Bei offener Klappe wird gleichzeitig durch die Ablenkung der vorbei-strömenden Aussenluft eine Zone geringeren Drucks erzeugt, welche die austretende Kühlluft durch die Sogwirkung beschleunigt. Zur Betätigung der Kühlluft-Klappen gibt es mechanische, elektrische oder hydraulische Systeme. Die Bedienung soll so erfolgen, dass die Zy-linderkopf-Temperatur-Anzeige im grünen Bereich steht. Auch die Öltemperatur-Anzeige ist eine wichtige Information über die Betriebstemperatur des Motors. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Ölsystem eine eigene Temperatur-Regelung durch das Ölkühler-Umgeh-ungsventil hat. Bei luftgekühlten Boxer-Motoren liegt der Ölkühler meis-tens unter der Engine Cowling im Motor-Kühlluftsystem, d.h. die Wirk-samkeit des Ölkühlers hängt ebenfalls von der Cowl Flap Stellung ab.

BRANDSCHOTTVERKLEIDUNG

KÜHLLUFT-

EINTRITT

AUSLASS

ACTUATOR

KLAPPE

LUFTGEKÜHLTERZYLINDER

ALUMINIUM

KÜHLRIPPENSTAHL

ABGAS-KANAL

KÜHLLUFT-

GRÜNER BEREICH


KOLBENTRIEBWERKE 35



32. Welche Aufgaben hat das Schmieröl im Motor ?

33. Was bedeutet Viskosität beim Öl, und wovon ist sie abhängig ?

34. Was kann geschehen, wenn ein für Mineralöl gebauter Motor mit synthetischem Öl betrieben wird ?

35. Die Kühlung eines normalen luftgekühlten Kolbentrieb-werks erfolgt nur zu einem Teil über die Kühlrippen der Zylinder, der andere Teil erfolgt über

36. Mit welchen Massnahmen kann der Pilot die Kühlung be-einflussen ?


KOLBENTRIEBWERKE 36



32. Schmieren, kühlen, reinigen, abdichten, gegen Korrosion schützen, Kraft übertragen

33. Zähflüssigkeit, von der Temperatur abhängig.

34. Dichtungen können quellen, verkleben oder verhärten

35. das Öl und den Ölkühler

36. Kühlklappen öffnen, Gemisch reicher einstellen, Propellersteigung reduzieren.

JAR-ATPL 04 Zündung

KOLBENTRIEBWERKE 37


021 03 01 04 Zündung

Zündsystem, Magnetzündung, Grund für Magnetzündung Flugzeug-Kolbenmotoren arbeiten nach dem Otto-Prinzip und brauchen für jeden Arbeitstakt eine elektrische Fremdzündung. Jeder Zylinder hat zwei Zündkerzen, die von zwei separaten, vom elektri-schen Bordnetz unabhängigen Magnet-Zündanlagen versorgt werden. Jede Zündkerze wird einmal in zwei Kurbelwellen-Umdrehungen zum richtigen Zeitpunkt gezündet. Zum Funken-Überschlag an der Zündkerze ist eine Spannung von ca. 20.000 Volt erforderlich. Warum Magnetzündung ? Der Zündmagnet liefert die Spannung selbst und ist relativ unkompli-ziert und zuverlässig. Dagegen setzt eine Batteriezündung (wie im Auto) die einwandfreie Funktion von Generator, Spannungsregler und Batterie voraus. Die Zuverlässigkeit dieser Bauteile war vor der Einführung von DC Alternator, Transistor-Spannungsregler und Nickel-Cadmium-Batterie jedoch sehr zweifelhaft. Aus alter Zeit stammt die heute noch gültige Bauvorschrift, wonach ein völliger Ausfall der elektrischen Stromversorgung den Betrieb des Motors nicht beeinträchtigen darf, und dass jeder Motor zwei Zündsysteme haben muss. Jeder Motor hat eine bestimmte Zündfolge (Firing Order), welche ähnlich der Ventilsteuerung von der Kurbelwelle abhängt. Jedes Zündsystem versorgt in jedem Zylinder eine Zündkerze. Die Bezeichnung Linker (Left) und Rechter (Right) Magnet (engl: Mag-neto) bezieht sich auf die Flugrichtung. Bei Boxer-Motoren gibt es Unterschiede zwischen den Herstellern in der Zählweise der Zylinder und Schaltung des Zündgeschirrs (engl: Har-ness). Die Kerzen sitzen oben (Top) und unten (Bottom) im Zylinderkopf.

Zündmagnet

Hochspannungs-Kabel

ZündschalterVerteilerkappe

Startvibrator

Boxer-Motor Zündgeschirr

Obere KerzenUntere Kerzen

Linker RechterZündmagnet

Zündfolge 1 - 6 - 3 - 2 - 5 - 4


KOLBENTRIEBWERKE 38


Zündsystem, Hochspannungs-Zündmagnet Zum Verständnis der Zusammenhänge sollten Sie über das Induktions-gesetz und die Anwendung von Transformatoren Bescheid wissen bezw. nochmal nachlesen. Der Zündmagnet hat einen Stator aus Eisenblechen, um den zwei Wicklungen gewickelt sind. Die Primärwicklung hat wenige Windungen aus dickem Draht. Die Sekundärwicklung hat viele Windungen aus dün-nem Draht. Beide Wicklungen zusammen ergeben die Zündspule. Der Rotor ist ein Permanentmagnet. Die Induktion erfolgt durch die Richtungsumkehr des Magnetfelds gegenüber der feststehenden Pri-märwicklung. Ein Magnetpolpaar liefert bei einer Umdrehung zwei Halbwellen, nämlich eine positive und eine negative. Der Primärstromkreis wird durch den federbelasteten Unterbrecher-kontakt (engl: Breaker) geschlossen. Auf derselben Welle wie der Magnet sitzt ein Nocken (engl: Cam), der so viele Erhöhungen (engl: Lobes) wie der Magnet Pole hat. Der Nocken ist so eingestellt, dass der Unterbrecher genau dann öffnet, wenn der Strom durch die Primärwicklung und damit das Mag-netfeld den höchsten Wert hat. Durch die Unterbrechung des Primärstroms bricht das Magnetfeld der Wicklung schlagartig zusammen, d.h. es ändert sich sehr stark in sehr kurzer Zeit. In den vielen Windungen der Sekundärwicklung entsteht dadurch eine hohe Induktionsspannung, für die auch eine Funken-strecke kein Hindernis ist. Das ist der Sinn des Ganzen. Der Kondensator parallel zum Unterbrecher ist entladen, wenn der Unterbrecher geschlossen ist. Beim Öffnen lädt sich der Kondensator auf und verhindert das Entstehen eines Abreissfunkens, der sonst den Kontakt bald zerstören würde. Wichtig: Der hier beschriebene Vorgang kann nur stattfinden, wenn der Kurzschluss-Schalter offen ist. Bei geschlossenem Schalter ist die Zündung AUS !

Primärwicklung Sekundärwicklung

Nocken Kondensator

Hochspannungs-Zündmagnet

(Prinzip)

Stator-EisenpaketZündspule

Unterbrecherkontakt

Permanent-Magnet

Nocken

Unterbrecher-Kontakt

FunkenstreckeKurzschluss-

Schalter


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Niederspannungs-Zündanlage mit Schleifbahn-Verteiler - Hochspannungs-Zündanlage mit Überschlagverteiler Das obere Bild dieser Seite zeigt als Beispiel, was zu einer normalen Hochspannungs-Zündanlage mit Überschlagverteiler eines 6-Zylinder Motors gehört. Der Rotor des Zündverteilers (beim Auto sagt man "Vertei-lerfinger") dreht mit halber Kurbelwellendrehzahl und schickt die Zündspannung zu der Kerze, welche gerade an der Rei-he ist. Bei ausreichend hoher Spannung schlägt der Funke vom Rotor zum Kontakt des Kerzenkabels über, ohne dass eine Berührung stattfindet. Das hat den Vorteil, daß es ausser der Erosion durch den Funken keinen mechani-schen Verschleiss gibt (wie beim Auto). In grösserer Höhe tritt aber ein Problem auf: Die dünnere Luft isoliert nicht mehr so gut wie unten. Findet der Funke einen leichteren Weg als durch das hochverdichtete Gas im Zylinder, schlägt er woanders über, und die richtige Kerze geht leer aus. Diese Erscheinung heißt "Altitude Flash-Over". Die Lösung des Höhen-Überschlag-Problems ist die Verringerung der Spannung am Verteiler. In der Nie-derspannungs-Zündanlage mit Schleifbahn-Ver-teiler wird im Magnet nur eine geringe Spannung (ca. 200 Volt) erzeugt. Da mit dieser Spannung kein Fun-ken überschlägt, muss der Verteiler-Rotor einen be-rührenden, d.h. schleifenden Kontakt zum richti-gen Sektor einer Schleifbahn herstellen, wo das Kabel zur Kerze angeschlossen ist. Natürlich braucht die Kerze weiterhin ihre 20.000 Volt. Dafür sitzt ein Transformator - denn das ist die Zündspule - unmittelbar vor jeder Kerze am Zylinderkopf. Meistens sind zwei Zündspulen (für beide Kerzen eines Zylinders) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Kerzen

Verteiler-

Primärwicklung

SekundärwicklungNocken

Unterbrecher

KondensatorRotor

Zündschalter

Hochspannungs-Zündmagnet Überschlag-Verteiler

Nocken

Unterbrecher

Kondensator

Zündschalter

Schleifbahn-Verteiler

Primär- SekundärWicklung

Kerze

ZündspuleNiederspannungs-

Zündmagnet

Schleifkontakt


KOLBENTRIEBWERKE 40


Magnetzündung, Zündhilfen beim Anlassen Beim Anlassen von Kolbenmotoren mit Magnetzündung gibt es zwei Pro-bleme: 1. Die Zündspannung ist abhängig von der Drehzahl. Beim

Durchdrehen mit dem Starter sind beide noch zu niedrig, um einen kräftigen Zündfunken zu erzeugen.

2. Der Zündzeitpunkt ist für normale Betriebsdrehzahl bei etwa 20° Kurbelwellen-Winkel vor dem oberen Totpunkt (OT) des Verdichtungstaktes eingestellt, weil die Verbrennung einige Zeit dauert. Bei normaler Drehzahl erfolgt der Druckaufbau erst, wenn der Kolben schon wieder abwärts geht. Wenn beim Starten bei gleichem Zündwinkel 20° vor OT der Kolben sich nur langsam bewegt, erwischt der Druckanstieg den Kolben noch in der Aufwärtsbewegung, und der Motor schlägt zurück.

Es gibt zwei Arten von Zündhilfen beim Anlassen: a. Mechanisch: Der Zündmagnet hat am Eingang der Antriebswelle eine sogenannte Im-pulskupplung. Wenn die Kurbelwelle langsam dreht, rastet eine Sperre ein und hält die Welle des Magneten fest, wobei eine Feder aufgezogen wird. Erst wenn die Kurbelwelle über den normalen Zündwinkel hinaus weitergedreht wird, löst die Sperre. Die gespannte Feder reisst den nun freigegebenen Magnet mit hoher Winkelgeschwindigkeit über den Punkt, wo der Unterbrecherkontakt öffnet. Dadurch entsteht eine höhere Span-nung zu einem späteren Zeitpunkt. Wenn der Motor anspringt und die Drehzahl steigt, wird die Impulskupplung durch zwei Fliehgewichte aus-ser Funktion gesetzt, wonach der Magnet normal (d.h. früher) zündet. Die Impulskupplung wird auch "Schnapper" genannt und war früher weit ver-breitet. b. Elektrisch (heute allgemein üblich): Solange der Starter dreht, liefert die Bordbatterie die Energie für die ersten Zündfunken zum Anlassen Dazu wird ein Vibrator (auch Sum-mer genannt) in den Primär-Stromkreis eines der beiden Magneten ge-schaltet. Den späteren Zündzeitpunkt für den Anlassvorgang erreicht man durch einen zusätzlichen, später öffnenden Unterbrecherkontakt (Re-tard Breaker). Vorteile: - Weniger klappernde Mechanik, - heisse, energiereiche Mehrfachfunken ("Shower of Sparks" d.h.

Funkenregen) zum sicheren Zünden. Nachteil (Auswirkung für die Praxis !): Ohne Batterie bezw. External Power kann ein solcher Motor

nicht gestartet werden, d.h. Drehen am Propeller ist zwecklos !

Schaltplan und Erklärung auf der nächsten Seite.

Überschlag-Verteiler

Hochspannungs-Zündmagnet

Sperre undFliehgewichte Feder Mitnehmer

Teile der Impulskupplung

Zündmagnet mit Impulskupplung


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Magnetzündung, Zündhilfen beim Anlassen (Fortsetzung) Der folgende Schaltplan zeigt die zum Starten erforderlichen Stromkreise eines 6-Zylindermotors mit Überschlag-Zündverteilern und Anlass-Vibra-tor. Sehen Sie sich bitte zuerst die Bauteile an: Der rechte Zündmagnet (1) ist ein normaler Hoch-spannungs-Magnet wie auf der vorigen Seite im obers-ten Bild. Sein Unterbrecher (2) öffnet bei 20° vor OT. Der linke Zündmagnet (3) hat einen Unterbrecher für normale Frühzündung (4) bei 20° vor OT und einen zusätzlichen späten Un-terbrecherkontakt (5). Der heisst auf englisch "Retard Breaker" und öffnet erst, wenn der Kolben am obe-ren Totpunkt ist. Der Zündschalter (6) hat zwei mechanisch gekoppelte Kontakte (7) und (8) mit vier Stellungen: OFF: Beide Magnete (1) und (3) sind kurzgeschlossen und an

Masse gelegt LEFT: Der linke Magnet kann zünden, der rechte ist kurzge-

schlossen und an Masse gelegt RIGHT: Der rechte Magnet kann zünden, der linke ist kurzge-

schlossen und an Masse gelegt BOTH: Beide Magnete können zünden Der Startvibrator (9) hat einen Ruhekontakt (10) und sitzt in einem ge-meinsamen Gehäuse mit Relais (11), welches drei miteinander gekop-pelte Arbeitskontakte (a), (b) und (c) hat. Der Anlass-Vorgang verläuft wie folgt: Der Zündschalter (6) steht auf BOTH. Beim Drücken von Starterknopf (12) wird das Starter-Relais (13). erregt und schließt. Der Starter-Motor (14) dreht. Gleichzeitig mit (13) schließt Relais (11). Über Relaiskontakt (a) kommt Spannung von der Batterie über Ruhekontakt (10) und die Vibrator-Spule (9) bis zum Punkt (x). Wie es weitergeht, hängt von den Unterbrechern (4) und (5) ab. Solange einer davon geschlossen ist, liegt Punkt x an Masse. Zwar summt der Vibrator und zerhackt den Gleichstrom, weil der Ruhekontakt (10) bei jedem Öffnen den Stromkreis unterbricht, aber mehr geschieht noch nicht. Erst wenn Retard Breaker (5) öffnet, fliesst der zerhackte Gleichstrom durch die Primärwicklung des linken Zündmagneten (3) zur Masse. Mit jedem Impuls des Vibrators wird ein Zündfunken erzeugt, der über den Verteiler-Rotor zur richtigen Kerze geschickt wird. Ein Funken-regen (das Prinzip heisst auf englisch "Shower of Sparks") prasselt wie ein Feuerwerk in das verdichtete Gas und entzündet es. Kontakt (c) von Relais (11) hat den rechten Zündmagneten an Masse gelegt, damit von dort kein früher Funken kommt und den Motor zurückschlagen lässt. Sobald der Motor läuft und Starterknopf (12) losgelassen wird, hört der Vibrator auf zu arbeiten. Dann zünden beide Magnete 20° vor OT.


KOLBENTRIEBWERKE 42


Zündanlage: Magnet-Check, Dead Cut-Check Denken Sie daran: Wenn der Zündschalter keinen Kontakt gibt oder ist das Kabel zwischen Schalter und Magnet unterbrochen ist, dann ist der betreffende Zündmagnet eingeschaltet und kann zünden ! Die wichtigsten Funktionsprüfungen der Zündanlage sind: 1. Magnet-Check: Vor jedem Take-Off prüft man im Stand bei gesetzter Bremse, ob der Motor die normale Leistung bringt und das Zündsystem in Ordnung ist. Bei einem nicht aufgeladenen Motor wird die Propeller-Verstellung auf Anschlag High RPM (kleinste Steigung) gestellt und die Drosselklappe voll geöffnet ("Vollgas"). Der Ladedruck (Manifold Absolute Pressure = MAP) ist dann beinahe wie der barometrische Aussendruck. Bei einem Ladermotor macht man diesen Check mit der Drosselklappen-stellung, bei welcher der Ladedruck gleich dem Aussendruck ist. Der Motor erreicht eine bestimmte Drehzahl, die von Motorleistung und Propellerwiderstand abhängt. Bei Wind von vorn ist die Drehzahl höher, weil der Propeller-Anstellwinkel dann kleiner ist. Diese Prüfdrehzahl ist immer dieselbe, solange der Motor in Ordnung ist. Dabei ist es gleich, ob der Check in Meereshöhe oder auf einem Flugplatz mit 12.000 ft Elevation gemacht wird. Auf dem hochgelegenen Platz ist wegen des geringeren Luftdrucks natürlich die Leistung geringer, aber der Propeller hat in der dünneren Luft auch weniger Widerstand zu überwinden und erfordert weniger Drehmoment. Bei dieser Prüfdrehzahl macht man den Magnet-Check. Dazu schaltet man den Zündschalter von BOTH nach RIGHT und beobachtet die Dreh-zahl-Anzeige. Ein kleiner Abfall (engl: RPM Drop) von 50 - 80 RPM ist normal, denn mit nur einer Zündkerze ist der Ablauf der Verbrennung im Zylinder nicht optimal. Ein grösserer Drehzahl-Abfall wäre ein Anzeichen, dass ein Zylinder bezw. eine Kerze nicht arbeitet. In Stellung LEFT soll die Drehzahl-Anzeige genauso sein. Ein Unter-schied in der Drehzahl (engl: RPM Spread) zwischen RIGHT und LEFT kann ein Zeichen für ungenaue Synchronisation (d.h. nicht gleichzeitiges Zünden) der Magnete sein. Es gibt aber auch Motoren, bei denen ein Drehzahl-Unterschied durch die Position der Kerzen im Brennraum bedingt und normal ist. Vor lauter Ablesen nicht vergessen, wieder auf BOTH zurückzuschalten!

2. Dead Cut Check: Das ist die Kurzschluss-Prüfung, um sicherzustellen, dass der Zünd-schalter in Stellung OFF auch tatsächlich beide Magnete an Masse legt. Dazu lässt man den Motor mit einer etwas höheren als der Leerlauf-drehzahl (~ 1000 RPM) laufen und schaltet kurz den Zündschalter auf OFF und wieder zurück auf BOTH. Dabei muss die Zündung aus- und wieder einsetzen. Das normale Abstellen des Motors erfolgt mit dem Gemischhebel auf CUT OFF. Erst wenn der Propeller steht, wird der Zündschalter auf OFF geschaltet.

OFFLEFT RIGHT

BOTH

Zündschalter

Linker Zündmagnet

Rechter Zündmagnet

Zündschalter-Stromkreis


KOLBENTRIEBWERKE 43



37. Wodurch wird die geforderte Zuverlässigkeit der Zündan-lage gewährleistet ?

38. In welchem Stromkreis (Primär oder Sekundär) des Zünd-magneten befinden sich der

a) Unterbrecherkontakt:

b) Verteiler-Rotor:

c) Kondensator:

d) Zündschalter:

39. Die Hochspannung für den Zündfunken entsteht, wenn der Unterbrecherkontakt

40. Welche Zündhilfen für den Anlassvorgang gibt es ?

41. Warum kann ein Motor mit Anlass-Vibrator nicht durch Drehen am Propeller gestartet werden, wenn die Batterie zu schwach ist ?

42. Woran erkennt man, wenn die Magnete nicht gleichzeitig (synchron) zünden ?

43. Bei welchem Ladedruck (MAP) und welcher Propellerstel-lung wird im Stand am Boden die Prüfdrehzahl abgelesen ?

44. Welche Auswirkung hat Gegenwind (von vorn) auf die Prüfdrehzahl beim Standlauf ?

45. Welche Auswirkung hat niedriger Aussendruck (auf einem hochgelegenen Platz) auf die Prüfdrehzahl beim Standlauf ?


KOLBENTRIEBWERKE 44



37. Redundanz durch zwei Zündmagnete pro Triebwerk und zwei Zündkerzen pro Zylinder

38. a) Unterbrecherkontakt im Primärkreis

b) Verteiler-Rotor im Sekundärkreis

c) Kondensator im Primärkreis

d) Zündschalter im Primärkreis

39. öffnet

40. Impulskupplung (Schnapper), Anlassvibrator (Summer)

41. Weil der Vibrator nicht versorgt wird und die Induktions-spannung des langsam drehenden Magneten zur Zündung nicht ausreicht

42. Unterschiedlicher Drehzahlabfall beim Magnet-Check von LEFT und RIGHT

43. Ladedruck = Aussendruck, Prop. FULL INCREASE

44. Die Drehzahl ist höher

45. Die Drehzahl ist gleich

JAR-ATPL 05 Kraftst.-Regelung

TRIEBWERKE 45


021 03 01 05 Kraftstoff-Regelung

Schwimmer-Vergaser, Druckvergaser. Aufgabe der triebwerksseitigen Kraftstoff-Anlage ist die Bereitstellung des zündfähigen Luft/Kraftstoff- Gemisches. Der flüssige Kraftstoff muss in den gasförmigen Zustand überführt und in einem bestimmten Verhältnis mit Luft vermischt werden. Dazu muss die Kraftstoffmenge entsprechend der durchgesetzten Luftmenge bemessen werden. In den meisten Gemischbildungs-Anlagen wird ein Venturi zur Be-stimmung des Luftdurchsatzes verwendet. Der Differenzdruck ∆P (gesprochen: Delta P) am Venturi ist ein Mass für die Strömungs-Ge-schwindigkeit. Wichtig: Über die Luftmasse sagt der ∆P allein noch nichts aus. Dazu braucht man noch Druck und Temperatur der Luft. Der Schwimmer-Vergaser (engl: Float Carburetor) hat seinen Namen von dem System, welches die Höhe des Kraftstoff-Pegels im Vergaser regelt. Es funktioniert wie das Zulaufventil im Wasserkasten der Toilet-tenspülung. Die Grösse des Unterdrucks an der engsten Stelle des Ven-turi bestimmt, wieviel Kraftstoff aus der dort befindlichen Düse angesaugt wird. Der Schwimmer-Vergaser ist fluglageempfindlich, nur bedingt regelbar, vereisungs- und feuergefährdet und für Ladermotoren nicht geeignet. Wegen seiner vielen Nachteile wird er an grösseren Motoren nicht verwendet. Wir werden ihn hier nicht näher behandeln (zum Aufzählen und Vergleichen genügt, was hier steht). Der Druck-Vergaser (engl: Pressure Carburetor) erfordert eine Kraft-stoffpumpe, denn der bemessene Kraftstoff wird unter Druck in das Ladesystem eingespritzt. Das Arbeitsprinzip ist aus dem untersten Bild ersichtlich. An der Seite des Ansaugschachts befindet sich ein Membran-Gehäuse mit 5 Kammern, die hier von A bis E bezeichnet sind. Die zum Motor strömende Luft erzeugt einen Differenzdruck im Venturi, wobei der höhere Druck Ptotal vom Staurohr in die Kammer A geht. Von der engsten Stelle des Venturi geht der niedrigere Druck Pstatic in Kammer B. Mit einer vom Luftdurchsatz abhängigen Kraft wird die Mem-brane zwischen den Kammern A und B nach rechts gedrückt. Dadurch öffnet das Kegelventil und lässt Kraftstoff von Kammer E in Kammer D eintreten. Durch das offene Gemisch-Ventil fliesst der unter Pumpendruck steh-ende Kraftstoff zum Einspritz-Ventil. Auf die Membrane des Einspritz-ventils muß ein bestimmter Kraftstoffdruck wirken, bevor es öffnet und der Kraftstoff in den Luftschacht sprüht. Zwischen den kraftstoffgefüllten Kammern D und C ist ebenfalls eine Membrane. Der Druckunterschied D-C erzeugt eine Gegenkraft zur Membrane A-B mit dem Ergebnis, dass die Öffnung des Kegelventils die richtige Kraftstoffmenge für das gewünschte Luft/Kraftstoff-Gemisch er-gibt.

A B C D EVenturi

Drosselklappe

Einspritz-Düse

Kraftstoff-Eintritt

Nadelventil

Schwimmer

DrosselklappeVenturi

DüsenstockLeerlauf-Kanal

Schwimmer-Vergaser

Luft Luft

Kraftstoff-Eintritt

MembraneFeder

Gemisch-Ventil

Kegelventil

Staurohr

Ptotal Pstatic

Differenzdruck-

Druck-Vergaser

Anzeige

VENTURI - PRINZIP

Membran-Gehäuse

Einspritz-Ventil

(Gashebel)

(MIXTURE-Hebel)

P


TRIEBWERKE 46


Einspritz-Systeme (direkt und indirekt) Zuerst eine Klarstellung: Auch bei dem auf der vorigen Seite behandelten Druck-Vergaser wird der Kraftstoff eingespritzt, jedoch aus nur einer Dü-se in das Ladesystem, bevor die Laderohre zu den einzelnen Zylindern abgehen. Bei Ladermotoren wird in den Lader-Eintritt eingespritzt. Das hat den Vorteil, dass der Kraftstoff durch den mit hoher Drehzahl rotierenden Lader mit der Luft verquirlt wird und durch den Temperaturanstieg beim Verdichten besser vergast. Kraftstoff-Einspritzung (engl: Fuel Injection) bedeutet Zuteilung des bemessenen Kraftstoffs unter Druck zu den einzelnen Zylindern. Es gibt zwei Möglichkeiten: 1. Direkte Einspritzung (in die Zylinder) erfordert hohen technischen

Aufwand, weil für jeden Zylinder ein eigenes Hochdruck-Pum-penelement mit regelbarer Fördermenge gebraucht wird. Wurde zuletzt in Hochleistungs-Triebwerken der 50er Jahre eingesetzt (die heute in modernen Auto-Motoren verwendete "Common Rail" -Einspritzung gibt es noch nicht an Flugzeug-Triebwerken.

2. Indirekte Einspritzung (vor das Einlassventil jedes Zylinders). Dazu muss die Pumpe nicht den hohen Kompressionsdruck im Zylinder, sondern nur den viel niedigeren Ladedruck überwinden. Das ist bei Benzinmotoren (auch im Auto) heute das normale Ein-spritzverfahren.

Das übliche indirekte Einspritz-System besteht aus - einer motorgetriebenen Kraftstoffpumpe, z.B. eine von der

Nockenwelle betätigte Membranpumpe - einer elektrischen Kraftstoffpumpe für den Anlassvorgang

und als Reserve (Auxiliary Fuel Pump), falls die motorgetrie-bene Kraftstoffpumpe ausfällt

- dem Reglerteil (Air/Fuel Control Unit) mit der Drosselklappe (Throttle) und dem Kraftstoffregler

- dem Verteilerventil (Flow Divider) zur Aufteilung des bemessenen Kraftstoffs

- den Einspritzdüsen (Fuel Nozzles) vor den Einlassventilen der Zylinder

Die Steuerung erfolgt luftseitig durch die Drosselklappe und kraftstoff-seitig durch den Kraftstoff-Bemessungsteil (Fuel Metering Section). Da der Kraftstoff-Durchfluss durch die Einspritzdüsen direkt vom Druck am Verteilerventil abhängt, kann man eine Druckanzeige auch in Volumen pro Zeiteinheit - also Fuel Flow - eichen. Die Sache hat aber einen Haken: Wenn eine Düse verstopft, steigt der Druck, und die Anzeige ist dann sogar höher als normal, obwohl nichts fliesst ! Das sollte man wissen. Vorteile von Einspritzern gegenüber Vergaser-Motoren: - Gleichmässige Gemischverteilung, dadurch - gleichmässige Zylinder-Leistung und -Temperatur - ruhigerer Motorlauf und geringerer Verbrauch - keine Dampfblasenbildung in grösserer Höhe - keine durch den Wärme-Entzug beim Verdampfen des Kraftstoffs

hervorgerufene Einlass-Vereisung

Einspritzdüsen

Verteiler

Drosselklappe

Gemisch-VerstellungGasgriff

Membran-Pumpe(motorbetätigt)

Elektrische

Kraftstoffpumpe

Umgehungs-Ventil

Filter

Luft/Kraftstoff_Regler

Luft

Kraftstoff

INDIREKTE KRAFTSTOFF-EINSPRITZUNG

Nockenwelle

Drehschieber-

Fuel Flow(Pressure !)-Anzeige


TRIEBWERKE 47


Kraftstoff-Pumpen In der Kraftstoff-Anlage haben Kraftstoff-Pumpen zwei Aufgaben: 1. Kraftstoff vom Tank zum Motor fördern 2. Für Druckvergaser und Einspritz-Systeme den Kraftstoff unter

Druck setzen Damit überhaupt ein Fluss zustande kommt, muß ein Druck-Unterschied vorhanden sein. Das kann z.B. ein Höhen-Unterschied (Gefälle) vom Tank zum Motor sein. Ist kein Gefälle vorhanden, muss eine Pumpe ver-wendet werden. Eine Pumpe kann saugen oder drücken. Beim Saugen ist der Druck-Unterschied - d.h. die mögliche Förderhöhe - begrenzt durch den Umgebungs-Luftdruck. Zum Vergleich: Eine Wasserpumpe kann in Meereshöhe nur aus einer Tiefe von maximal 10 Metern Wasser ansaugen, denn das Gewicht von 10 m Wassersäule entspricht dem Druck der Atmosphäre. Soll ein grös-serer Höhenunterschied überwunden werden, muß die Pumpe drücken. Beim Fördern von Kraftstoff im Flugzeug ist von grosser Bedeutung, dass der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, und dass bei niedrigem Druck im Kraftstoff Dampfblasen entstehen, welche den Fluss unterbrechen und den Motor-Betrieb stören. Deshalb hat die Kraftstoff-Anlage zusätzlich zur motorgetriebenen Kraftstoffpumpe (engine-driven fuel pump) im Tank oder an der tiefsten Stelle des Systems noch eine elektrische Pumpe mit der Bezeichnung Auxiliary Pump oder Boost Pump. Diese Pumpe saugt nicht, sondern drückt. Im Flussverlauf sitzen beide Pumpen hintereinan-der. Zu jeder Pumpe gehören zwei Ventile: - ein Überdruck-Ventil (Relief Valve), wenn die Pumpe mehr fördert,

als der Motor braucht. - ein Umgehungsventil (Bypass Valve), um Kraftstoff an der stehen-

den Pumpe vorbeizulassen Zum Anlassen des Motors muss die elektrische Pumpe den zum Einsprit-zen erforderlichen Druck aufbauen, bis die motorgetriebene Pumpe diese Aufgabe übernimmt. Für grössere Kolbenmotoren ist die Drehschieber-Exzenterpumpe am besten geeignet. Auf englisch heisst sie Vane Pump. Als motorgetriebene Pumpe sitzt sie am Hilfsgeräte-Getriebe. Als elektrische Pumpe hat sie wegen ihrer Bedeutung eine vorrangige Stromversorgung vom Battery Bus. Im obersten Bild fördert die Drehschieber-Pumpe bei jeder Umdrehung eine bestimmte Menge. Im mittleren Bild fördert die Pumpe mehr, als der Motor braucht. Das ist der Normalfall. Der Druck hinter der Pumpe wird durch das Überdruck-Ventil begrenzt, welches gegen die Federspannung genau soweit aufge-drückt wird, wie notwendig ist, um den zuviel geförderten Kraftstoff zum Pumpeneintritt zurückfließen zu lassen. Die Federspannung des Über-druck-Ventils - d.h. den Förderdruck der Pumpe - kann man einstellen. Im untersten Bild fliesst der Kraftstoff durch das Umgehungs-Ventil an der stehenden Pumpe vorbei. Dazu ist eine Druckdifferenz erforderlich, die grösser ist als die Federspannung.

DREHSCHIEBER-PUMPE

ROTOR

ÜBERDRUCK-VENTIL

GEÖFFNET

UMGEHUNGS-

DRUCK-

VENTILGEÖFFNET

EINSTELLUNG


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Gemischbildung Der Motor benötigt für jeden Betriebszustand ein bestimmtes Mischungs-Verhältnis von Luft und Kraft-stoff, welches von mehreren Faktoren ab-hängt und sowohl automatisch als auch manuell beeinflusst werden kann. Dafür sind Einrichtungen in der Kraftstoff-Anlage erforderlich, die hier am Beispiel eines Druck-Vergasers erklärt werden. Zum Verständnis der Zusammenhänge ist es wichtig, die Wirkung der verschiedenen Teile zu kennen. Die Drosselklappe wird mit dem Gashebel betätigt und bestimmt den Ladedruck (Manifold Pressure). Von ihrer Stellung hängt der Luftdurch-satz und damit der Differenzdruck ∆P am Venturi ab. Mit dem justierba-rem Anschlag der geschlossenen Drosselklappe wird die Leerlaufdreh-zahl eingestellt. Das Gemisch-Ventil (wegen seiner Form auch Kleeblatt bezw. Clover Leaf genannt) wird durch den Mixture-Hebel betätigt. Die Öffnung ist in Stellung Auto Rich (Hebel ganz nach vorn) am grössten. Die Primer-Kraftstoffleitung umgeht den Regler und spritzt hinter der Drosselklappe direkt in den Ansaugschacht ein. Das Primer-Ventil ist fe-derbelastet geschlossen. Zum Anlassen wird es bei eingeschalteter Hilfs-pumpe durch einen Elektromagneten (engl: Solenoid) geöffnet, wenn ein Druckschalter betätigt wird. Die Primer-Durchflussmenge so bemessen ist, daß der Motor damit anspringen und mit ca. 1000 RPM laufen kann. Durch Zurückziehen des Gemisch-Hebels (Manual Leaning) kann der Kraftstoff-Anteil des Gemisches verringert werden. Das macht man erst im Reiseflug unter genauer Einhaltung des für den betreffenden Motor gültigen Verfahrens, denn davon hängt nicht nur der Kraftstoff-Ver-brauch, sondern auch Lebensdauer und Betriebssicherheit des Motors in ganz entscheidendem Maße ab. Weil mit zunehmender Höhe der Luftdruck abnimmt, wird bei gleicher Drosselklappenstellung die Luftmenge geringer. Damit dadurch das Gemisch nicht fetter wird, gibt es den automatischen Gemischregler (Automatic Mixture Control). Das ist ein Ventil in der Leitung vom Staurohr zu Kammer A, welches durch die höhen-abhängige Ausdehnung eines Faltenbalgs den Luftdruck in Kammer A verringert. Dadurch sinkt der Kraftstoffdruck in Kammer D. Der Fuel Flow wird geringer, aber das Mischungs-Verhältnis Luft : Kraftstoff bleibt konstant. Zum Abstellen lässt man den Motor mit Auto Rich Mixture bei ca. 1000 RPM stabilisieren und zieht dann den Mixture-Hebel langsam in die Cut-Off Position. Dabei steigt am Best Power Punkt die Drehzahl kurzzeitig etwas an, bevor der Motor stehenbleibt. Die Gashebelstellung kann für das nächste Anlassen so bleiben. Der Zündschalter wird erst auf OFF geschaltet, wenn der Propeller steht.

A B C D EVenturi

Drosselklappe

Einspritz-Düse

Kraftstoff-Eintritt

Staurohr

Einspritz-Ventil

AutomaticMixture Control

Faltenbalg

Ventilschieber

Primer-Ventil

Gemisch-Ventil

Auto-Rich

Manual Lean

Cut-Off

LUFT

Anreicherung(Enrichment)

Alles zu

gedrosselt

ganz offen

offen

geschlossenAnreicherung


TRIEBWERKE 49


Anwendungsgrenzen der einzelnen Gemisch-Verhältnisse Das folgende Diagramm zeigt die Anwendung der einzelnen Gemisch-Verhältnisse in Abhängigkeit von Throttle und Mixture Control. Mit dem Gashebel wird die Drosselklappe (Throttle) betätigt, d.h. der Luftdurchsatz eingestellt. - Der Anschlag an der geschlossenen

Seite (IDLE Stop) ist so justiert, daß die Drosselklappe immer einen Spalt weit offen ist, um Luft für den Leerlauf (ca. 700 RPM) durchzulassen.

- Die zum Leerlauf erforderliche Kraft-stoffmenge ist passend zum Spalt der Drosselklappe fest eingestellt, so dass ein Leerlaufgemisch von 10 :1 entsteht. Der eigentliche Gemischregler arbeitet bei IDLE noch nicht, weil die Luftkräfte am Venturi noch zu gering sind.

Die Gemischregel-Anlage dosiert automatisch die Kraftstoffmenge zum jeweiligen Luftdurchsatz nach einem vorgegebenen Programm, in das der Pilot manuell eingreifen kann: Mit dem Mixture-Hebel wird das Gemischregler-Ventil (Kleeblatt) betätigt: - In der hintersten Stellung CUT OFF ist es ganz geschlossen, - auf dem Hebelweg nach vorn geht es zuerst gedrosselt (LEAN)

und dann immer weiter auf, - In der vordersten Stellung RICH kommt das Anreicherungs (En-

richment) -System dazu, wenn der Motor mit mehr als 70% Leis-tung läuft (abhängig vom Luftdurchsatz!).

Am Boden steht der Mixture Hebel auf AUTO RICH. Im IDLE-Bereich ist das Gemisch reich (10 : 1). Mit steigender Leistung (Kurve A) wird das Gemisch auf BEST POWER (12,5 : 1) geregelt. Bei 70% Power (Linie B) beginnt die Anreicherung und erhöht progressiv den Kraftstoff-An-teil zwecks interner Kühlung der Zylinder durch Kraftstoff-Überschuss (Kurve C), um den schraffierten Bereich zu umgehen, in dem die Gefahr des Klopfens (engl: Detonation) besteht. Bei TAKE-OFF Power ist das Gemischverhältnis 10 : 1. Wird nach dem Start die Leistung auf CLIMB Power reduziert, verringert sich automatisch der Kraftstoff-Anteil auf ca. 11 : 1. Beim Unterschreiten von Linie B endet die Anreicherung, und das Gemisch ist wieder BEST POWER 12,5 : 1. Links von Linie B - d.h. nach Reduzierung auf Reise-leistung (CRUISE POWER) kann das Gemisch abgemagert werden auf BEST ECONOMY 16,5 : 1 (Kurve D). Beim Zurückziehen des Mixture-Hebels wird die Öffnung des Gemisch-Ventils kleiner und das Gemisch magerer. Dabei soll der Motor im Bereich CHEMICAL CORRECT MIX-TURE (CCM) 15 : 1 so kurz wie möglich betrieben werden, d.h. nur solange, wie für das Ablesen der Instrumente zum manuellen Verarmen erforderlich ist. Beachten Sie unbedingt, dass die Linie B die obere Gren-ze des mageren Bereichs ist. Bei höherer Leistung würde sonst das Anreicherungs-System öffnen und Kurve E in den Klopfbereich laufen.

10:1

12:1

14:1

16:1

18:1

AUTO RICH

IDLE CRUISE

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

CCM

BEST POWER

BEST ECONOMY

% POWER

CLIMBMETO

THROTTLE

RICH

CUT OFF

Luft/KraftstoffVerhältnis

A

TAKE-OFFB

C

D

CLOSED OPEN

MANUAL LEAN

VentilGemisch-

(Kleeblatt)

E

DETONATION


TRIEBWERKE 50


Vergaser-Vereisung, Vorwärmung Vereisung im Lufteinlaß kann zwei Ursachen haben: 1. Im Venturi des Vergasers steigt die Geschwindigkeit der Luft,

wobei der Druck abnimmt und die Temperatur sinkt. Beim Un-terschreiten des Taupunkts setzt sich Wasser ab.

2. Die zur Verdampfung des versprühten Kraftstoffs

erforderliche Wärme wird der Luft entzogen, d.h. die Temperatur sinkt dadurch nochmals.

Die Gefahr der Vergaser-Vereisung bei Aussentemperaturen weit über dem Gefrierpunkt wird jedem Flugschüler schon vor der ersten Platz-runde erklärt. Schwimmer-Vergaser von kleinen Schulflugzeugen sind dafür besonders anfällig, weil beide Vorgänge an derselben Stelle vor der Drosselklappe erfolgen. Um Vereisung zu verhüten, muss die Luft erwärmt werden. Die Wärme-quelle ist der Motor (aber nur solange er läuft. Wenn er wegen Vergaser-Vereisung bereits stehengeblieben ist, wird es brenzlich !). Es gibt mehrere praktische Lösungen. Eine davon leitet Luft, die sich bei der Kühlung der Zylinder erwärmt hat, in den Vergaser. In einem anderen System (hier im Bild) geben die heissen Aus-puffgase in einem kombinierten Schalldämpfer mit Wärmetauscher einen Teil ihrer Wärme an einen Luftstrom ab, der durch den soge-nannten Zweitluft (Alternate Air) Einlass hereinkommt. Eine mittels Bowdenzug von Hand verstellbare Luftklappe gestattet ein Mischen von kalter und vorgewärmter Luft. Die Auswirkung für die Praxis: - Durch Erwärmung sinkt die Luftdichte und damit die

Motorleistung. - Das Luft/Kraftstoffgemisch wird fetter, was ebenfalls die Leis-

tung verringert. - Durch unvollständige Verbrennung bildet sich Russ an den

Zündkerzen. Zur Vorwärm-Anlage (Carburetor Heat System) gehört eine Tempe-ratur-Anzeige. Eine Funktionsprüfung des Systems unter Beobach-tung der Auswirkung auf die Leistung vor jedem Take-Off ist emp-fehlenswert.

Kraftstoffdüse

Drosselklappe

Venturi

Eis

Vergaser-Vereisung

Luft

Waste Gate

Luftklappe

Luftfilter

Wärmetauscher

Turbolader

Vergaser

Schalldämpfer und

Kaltluft-Einlass

Zweitluft(Alternate Air)

Einlass

Kalt/Warm-

Lufteinlass-Systemmit Vorwärmung

JAR-ATPL 06 TW-Leistung

KOLBENTRIEBWERKE 51


021 03 01 06 Triebswerks-Leistung

Leistungsverhalten bei Änderung von Luft- Temperatur und -Feuchtigkeit Boden- und Höhenleistungskurven, Volldruckhöhe Die Leistung eines Kolbenmotors hängt direkt von der durchgesetzten Luftmasse ab, welche nach dem Zusatz von Kraftstoff das brennbare Ge-misch ergibt. Wieviel Masse in einem bestimmten Volumen enthalten ist, hängt ab von der Dichte. Die Dichte eines Gases hängt ab vom Druck und der Temperatur. Weil die Eigenschaften der Luft die Motorleistung beeinflussen, wer-den Leistungsangaben auf die International Standard Atmosphere in Sea Level (abgekürzt ISA SL) bezogen. ISA SL ist wie folgt definiert: Druck 1.013 Millibar (= 29,92 inHg = 14,7 PSI) Temperatur 15° Celsius (= 59° Fahrenheit) Dichte 1,228 kg/m³ Das Leistungsverhalten unter verschiedenen Betriebs-Bedingungen am Boden und im Fluge kann durch Diagramme dargestellt werden. Das nebenstehende Beispiel zeigt das Boden-Leistungsdiagramm eines nicht aufgeladenen Motors mit Verstell-Propeller bei verschie-denen Ladedrücken und Drehzahlen. Zero Ram bedeutet bei Null Staudruck, d.h. im Stand. Dieser Motor hat seinen vollen Ladedruck nur bei voll geöffneter Drosselklappe in Meereshöhe. Mit zunehmender Höhe nimmt die Leistung ab. Das Höhen-Leistungsdiagramm zeigt die Leistung des gleichen Mo-tors bei verschiedenen Ladedrücken und Drehzahlen über der Dich-tehöhe (Density Altitude). Die Dichtehöhe unterscheidet sich von der Druckhöhe (Pressure Altitude) durch die Berücksichtigung der Temperatur. Volldruckhöhe Bei einem Ladermotor darf in Meereshöhe die Drosselklappe nicht bis zum Anschlag geöffnet werden, sondern nur bis zum zulässigen Startleistungs-Ladedruck (Volldruck). Wenn mit zunehmender Höhe der Aussendruck abnimmt, kann man den Volldruck beibehalten, in-dem man den Gashebel weiter vorschiebt. Die Höhe, wo bei Voll-druck der Gashebel an den vorderen Anschlag stösst, nennt man die Volldruckhöhe dieses Motors. Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit (Wichtig !) Weil Luft bei Erwärmung das Volumen vergrössert, nimmt mit der Luftdichte auch die Motorleistung ab. Man rechnet 1% Leistungsabfall pro 6°C Temperatur-Erhöhung. Auch der Feuchtigkeitsgehalt beeinflusst die Luftdichte. Was-serdampf ist leichter als trockene Luft. Je höher die Luftfeuch-te, um so niedriger ist die Motorleistung.

Boden-Leistungsdiagramm

Manifold Absolute Pressure (MAP) "Hg

Dichtehöhe (Density Altitude) in ft

Standard-Temperatur in °C

Höhen-Leistungsdiagramm

Vollgas-Linie

(Zero Ram Sea Level Performance)

(Altitude Performance)

JAR-ATPL 06 TW-Leistung

KOLBENTRIEBWERKE 52


Leistungs-Bereiche und Bezeichnungen Für die verschiedenen Triebwerks-Leistungsstufen (Power Settings) gibt es festgelegte Bezeichnungen: TAKE-OFF Power Startleistung ist die höchste verfügbare Leistung

für begrenzte Zeit (max. 5 Minuten), gegebenen-falls mit Leistungserhöhung durch Aufladung, Wasser-Metanol-Einspritzung etc.

METO Power Maximum except for Take-Off (Höchstleistung aus- oder ser beim Start) oder Maximum Continuous Power MCP Power ist die höchste zulässige Leistung, mit welcher der

Motor ohne Zeitbeschränkung betrieben werden darf

CLIMB Power Steigleistung ist ein Bereich, der bei 70 % Power

beginnt und nur mit angereichertem Gemisch (reicher als Best Power Mixture) gesetzt werden darf

CRUISE Power Reiseleistung ist der Bereich unter 70 % Power, in

dem das Gemisch verarmt werden darf. MAX CRUISE (70 %) ist die höchstzulässige Reise-leistung, die noch auf der mageren Seite der Ge-mischkurve gesetzt werden darf

IDLE heisst Leerlauf und ist kein Leistungsbereich, son-

dern ein Betriebszustand. Der Motor soll keine Vortriebsleistung bringen, aber jederzeit dazu be-reit sein und die Wellenleistung zum Antrieb der flugzeugseitigen Hilfsgeräte (Airframe Accessories) wie Generator, Hydraulikpumpe usw. liefern.

Anmerkung: Manchmal gibt es Missverständnisse wegen der Prozent-Angaben bei den Leistungsbereichen. In manchen Performance-Unter-lagen ist METO Power oder Maximum Continuous Power gleich 100% Leistung. Logischerweise (?) - aber mathematisch nicht korrekt - müsste die TAKE-OFF - Power dann eine Prozentzahl über 100 sein, z.B. 110 % oder sogar 125 %. Beim Militär gibt es auch noch andere Bezeichnungen und Prozentan-gaben, z.B. Emergency- oder Combat Power (bei der alten deutschen Luftwaffe hiess das früher "Not- und Kampfleistung").


KOLBENTRIEBWERKE 53



46. Welche Arten von Gemischbildungs-Anlagen gibt es für Flugzeug-Kolbentriebwerke ?

47. Wodurch erfolgt die Luftmengen-Messung in der Gemisch-bildungs-Anlage ?

48. Welche Bedienungselemente gibt es für die Gemischbil-dungs-Anlage, und was betätigen sie ?

49. Welches Gemischbildungs-System hat mehrere Membra-nen im Reglerteil ?

50. Welche Vorteile haben Einspritzsysteme ?

51. Welche Aufgabe hat das Primer-Ventil ?

52. Was bewirkt der automatische Gemischregler (Automatic Mixture Control) ?

53. Aus welchem Betriebszustand heraus und mit welchem Bedienungselement wird das Triebwerk abgestellt ?

54. Wodurch entsteht Vergaser-Vereisung ?

55. Wie ist die Internationale Standard-Atmosphäre in Meeres-höhe (ISA SL) definiert ?


KOLBENTRIEBWERKE 54



56. Unter welchen Bedingungen von Luftdruck, -Temperatur und -Feuchtigkeit hat das Triebwerk die höchste Leistung ?

57. Wie verändert sich die Motorleistung bei einer Temperatur-Erhöhung der Aussenluft von 15°C auf 27°C ?


KOLBENTRIEBWERKE 55



46. Schwimmer-Vergaser, Druckvergaser, indirekte und direkte Einspritzanlagen

47. Differenzdruck an einem Venturi

48. Gashebel für Drosselklappe, Hebel für Gemischregler, Hebel für Vergaser-Vorwärmung

49. Druckvergaser (Pressure Carburetor)

50. Gleichmässige Gemischverteilung, gleichmässige Zylinder-Leistung und -Temperatur, ruhigerer Motorlauf und geringerer Verbrauch, keine Dampfblasenbildung in grösserer Höhe, geringere Vereisungsgefahr

51. Umgehung des Gemischreglerteils zum Anlassen

52. Konstanthalten des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit zunehmender Höhe

53. Aus ca 1.000 RPM durch Zurückziehen des Gemischhebels

54 Durch die Expansion am Venturi und das Verdampfen des Kraftstoffs hinter der Düse

55. Druck 1.013 Millibar (hPa) bezw. 29,92 inchHG oder 14,7 PSI,

Temperatur 15° Celsius bezw. 59° Fahrenheitt Dichte 1,23 kg/m³

56. Hoher Luftdruck, niedrige Temperatur, trocken

57. ca. 2% Leistungsabnahme

JAR-ATPL 07 Leistungssteigerung

KOLBENTRIEBWERKE 56


021 03 01 07 Leistungssteigerung

Methoden, Probleme und Grenzen. Die Leistung einer Wärmekraftmaschine hängt ab von der verarbeiteten Energiemenge pro Zeiteinheit. Um aus einem Kolbentriebwerk gegebener Grösse mehr Leistung herauszuholen, gibt es mehrere Methoden: 1. Erhöhung der Motor-Drehzahl ergibt mehr Leistung, weil mehr

Arbeitstakte pro Zeiteinheit erfolgen. Sinnvoll ist das jedoch nur bei gleichzeitiger Reduzierung der Propeller-Drehzahl durch ein Untersetzungsgetriebe, denn wenn die Propeller-Blattspitzen in die Nähe der Schallgeschwindigkeit kommen, steigt der Luftwiderstand stark an, und der Propeller-Wirkungsgrad nimmt ab. Die Erhöhung der Triebwerksdrehzahl hat ihre Grenzen, denn - mit der Drehzahl erhöht sich die Geschwindigkeit der Kolben in den

Zylindern. Die Grenze liegt bei einer mittleren Kolbengeschwindig-keit von ca. 15 Metern pro Sekunde. Darüber reisstder Ölfilm, der ein "Fressen" der Kolben in den Zylindern verhindern soll,

- die Massenkräfte der hin- und hergehenden Motorteile (Kolben, Pleu-

el, Ventiltrieb) werden zu hoch, - die Ventile schliessen nicht mehr, bevor der Nocken sie wieder

öffnet, - der Füllungsgrad der Zylinder nimmt ab. 2. Aufladung der Zylinder mit vorverdichteter Luft - d.h. höherer

Ladedruck - vergrössert die Luftmasse pro Zylinderfüllung, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann.

Auch die Aufladung kann nicht beliebig gesteigert werden, denn mit dem Druck steigt auch die Temperatur der Zylinderfüllung und damit die Gefahr des "Klopfens" (Detonation). Die Obergrenze der Aufladung ist u.a. abhängig von der Klopffestigkeit des Kraftstoffs. Überladen führt zu Klopfen, wodurch der Motor plötzlich Leistung verliert und in kurzer Zeit zerstört werden kann. Früher hat man die Klopffestigkeit des Flugbenzins durch Zusätze von Bleitetraethyl und Benzol erhöht. Wegen der negativen Auswirkungen auf die Umwelt ist das heute nur noch in sehr geringem Umfang zulässig (ähnlich wie beim Autobenzin). Auch die im 2. Weltkrieg entwickelte Wasser/Methanol-Einspritzung zur Kühlung der Ladeluft ermöglichte kurzzeitig eine weitere Erhöhung des Ladedrucks, was etwa 20 % mehr Leistung brachte. Das letzte zivile Kolbentriebwerk mit Wasser/Methanol Einspritzung war ein 18-Zylinder-Doppelsternmotor, zuletzt gebaut ca. 1960. Wegen vieler Nachteile wird dieses Verfahren nicht mehr angewandt.


KOLBENTRIEBWERKE 57


Methoden, Probleme und Grenzen (Fortsetzung) Heute verwendet man Turbolader, die von den Abgasen angetrieben werden und die Ladeluft vorverdichten. Der grösste Vorteil ist dabei ist die Konstanthaltung der Motorleistung bis in grosse Höhen, die einen wirtschaftlichen Reiseflug ermöglichen. Günstig ist ausserdem, dass die noch in den Abgasen enthaltene Energie genutzt wird und den Gesamtwirkungsgrad verbessert. Manche Lader-Systeme haben hinter dem Lader einen Ladeluft-Kühler (Intercooler), um vor den Zylindern die beim Verdichten entstandene Wärme und damit die Klopfneigung zu verringern. Darüberhinaus tragen grundsätzlich alle Massnahmen zur Wirkungsgrad-Verbesserung auch zur Leistungs-Erhöhung bei, wenn sie die Verluste verringern.


KOLBENTRIEBWERKE 58


Leistungs-Erhöhung durch Aufladung Die Leistung eines Kolbenmotors hängt ab von der Masse des verar-beiteten Luft/Kraftstoff-Gemisches pro Zeiteinheit. Masse pro Volumen ist Dichte. Durch Verdichtung der Luft vor den Zylindern kann die Luftmasse vergrößert werden, so dass mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Vorverdichter zur Druckerhöhung werden Lader genannt (engl: Blower, Supercharger). Vom Prinzip her sind es normalerweise einstufige Zentri-fugal (Radial) -Verdichter. Es gibt zwei Antriebsarten für die Lader: Beim mechanischen Lader kommt der Antrieb von der Kurbelwelle und zählt zu den mechanischen Verlusten, wobei die Leistungssteigerung durch die Aufladung mehr einbringt als der Lader-Antrieb an Leistung braucht. Das Ladergetriebe hat normalerweise eine Übersetzung von ca.1:7, d.h. der Rotor (Impeller) dreht siebenmal so schnell wie die Kurbelwelle. Das sind bei Startleistung etwa 20.000 RPM, bei Reisedrehzahl etwa 1/4 weniger. Die Drosselklappe zur Einstellung des Ladedrucks befindet sich hier im Eingang des Laders. Die Laderohre zu den einzelnen Zylindern gehen vom ringförmigen Kollektor ab, der den Stator (Diffusor) umgibt. Dort wird auch der Ladedruck (Manifold Pressure) gemessen. Wenn bei Reiseleistung in Reiseflughöhe die Kurbelwelle langsamer dreht und der Aussenluftdruck niedriger ist, nimmt zwangsläufig auch beim Ladermotor bei offener Drosselklappe der Ladedruck ab. Hochleistungsmotoren, die für wirtschaftlichen Reiseflug in grossen Hö-hen gebaut sind, haben umschaltbare Zweistufen-Lader mit zwei Getriebe Übersetzungen: Die niedrige Übersetzung LOW BLOWER wird für Start und Steigflug bei hoher Triebwerksdrehzahl in niedriger Höhe verwendet. HIGH BLOWER ist für Reiseleistung in grosser Höhe bei niedrigem Aussendruck. Anmerkung: Die letzten Motoren mit zweistufigen Ladern wurden Ende der 50er Jahre des vorigen Jahrhunderts gebaut. Die damit ausgerüste-ten Flugzeuge (Convair 440, Lockheed 1049/1649, DC-6/7 usw.) sind nur noch selten zu sehen.

ZUM

LADEROHR

VON DERKURBEL-

WELLE

IMPELLER(ROTOR)

DIFFUSOR(STATOR)

KOLLEKTORGETRIEBE

VENTURI

DROSSEL-KLAPPE

EINSTUFIGER ZENTRIFUGAL-LADER

ZYLINDER

LADEDRUCK-ANTEIGER

ANTRIEB VON DER

IMPELLER

KUPPLUNG

LOW HIGHBLOWER

GETRIEBE

ZWEISTUFEN-LADER

KURBELWELLE


KOLBENTRIEBWERKE 59


Leistungs-Erhöhung durch Aufladung (Fortsetzung) Beim Abgas-Turbolader (Turbo-Supercharger) wird die noch in den Abgasen steckende Restenergie zum Antrieb einer Turbine genutzt, die einen auf derselben Welle sitzenden Radialverdichter antreibt. Die Drehzahl und damit die Förderleistung des Tubo-Laders hängt ab von der Stellung des sogenannten Waste Gate. Das ist ein Umgeh-ungsventil, welches geschlossen wird, damit die Abgase den Weg über die Turbine nehmen müssen und sie dadurch antreiben. Der Turbinen-Rotor kann am Umfang fast die Schallgeschwindigkeit erreichen. Bei einem Durchmesser von 10 cm sind 60.000 RPM völlig normal. Das folgende Schemabild zeigt das Funktionsprinzip eines Turboladers mit automatischer Regelung:

Die Waste Gate Klappe ist federbelastet offen. Das Schliessen erfolgt durch einen hydraulischen Arbeits-zylinder (engl: Actuator), der mit Trieb-werks-Öldruck arbeitet. Gesteuert wird der Schliessvorgang durch zwei Regler, welche die Luftdichte vor der Drosselklappe (Throttle) und die Druckdifferenz (Delta-P) an der Drosselklappe als Signale bekommen. Es ist eine automatische Schutzeinrichtung vorhanden, die ein Überladen (engl: Overboost) verhindert. Im Fall einer Störung im Regelsystem geht die Waste Gate Klappe federbelastet auf, so dass der Motor ohne Aufladung weiter betrieben werden kann. Wichtig: Alle aufgeladenen Motoren müssen eine Anzeige des absoluten Ladedrucks (MAP= Manifold Absolute Pressure) haben, die genau be-achtet werden muss. Ein zu hoher Ladedruck (Overboost) führt zu Klop-fen (Detonation) mit schlagartigem Leistungsverlust, und der Motor kann in kurzer Zeit zerstört werden.

TURBO-LADER

VERDICHTER-GEHÄUSE

UND STATOR

TURBINEN-

WELLE

GEHÄUSE UND STATOR

VERDICHTER-ROTOR

TURBINEN-ROTOR

EINLASS-AUSLASSVENTIL EINSPRITZ-

DÜSE

KRAFTSTOFF- DROSSEL-KLAPPE

KOMPRESSORTURBINE

DICHTE-

REGLERDELTA-P

DRUCKÖL

DRUCKÖL-STEUERLEITUNG

ABGASROHR

FEDER

WASTE GATE KLAPPE

LUFT

ABGAS

VENTIL

LADEROHR

REGLER

ACTUATORKOLBEN

RÜCKÖL

RÜCKÖL


KOLBENTRIEBWERKE 60


Leistungssteigerung: Höhenleistungskurven Die Leistung eines Motors hängt ab von der durchgesetzten Luftmenge pro Zeiteinheit. Ein Saugmotor (ohne Lader) hat seine höchste Leistung bei seiner höchsten Drehzahl und dem höchsten möglichen Ladedruck (Manifold Absolute Pressure = MAP), d.h. bei "Vollgas". Da mit zuneh-mender Höhe der Luftdruck abnimmt, sinkt trotz Vollgas der MAP und damit die Leistung (Kurve A). Durch Verwendung eines Laders kann der Luftdurchsatz erhöht werden, und der Motor leistet mehr. Mechanische Lader werden von der Kurbel-welle angetrieben. Ist die Übersetzung des Lader-Getriebes so gewählt, dass zum Start der Gashebel bis an den vorderen Anschlag geschoben wird, dann nennt man diesen Motor "vollgasfest" (oder "idiotensicher"). Mit zunehmender Höhe nimmt die Leistung natürlich ab (Kurve B). Ist der Lader höher übersetzt, darf die Drosselklappe beim Start nicht voll geöffnet werden (Kurve C). Der Motor ist nicht vollgasfest, denn durch zu hohe Aufladung (engl: Overboost) ürde er in den Klopfbereich geraten, schlagartig Leistung verlieren und möglicherweise sogar zerstört werden. Dieser Motor bietet aber die Möglichkeit, mit konstantem MAP zu steigen (Bereich D). Wird das Abnehmen des atmosphärischen Luftdrucks durch Vorschieben des Gashebels kompensiert, steigt die Motorleistung sogar, weil der Gegendruck abnimmt. Normalerweise wird nach dem Start (Take-Off) der MAP auf Steigleistung (Climb Power) reduziert. Wird die Drehzahl durch Vergrößern der Propel-ler-Steigung verringert, sinkt auch die Laderdrehzahl. Will man mit kons-tantem MAP steigen, muss der Gashebel entsprechend weiter vorge-schoben werden. Die Höhe, bis zu der voller Ladedruck gehalten werden kann (wo der Gashebel am vorderen Anschlag anstösst), heisst Voll-druckhöhe (Punkt E) und auf englisch"Critical Altitude". Beim weiteren Steigen fällt der MAP ab. Zweistufige Ladergetriebe gab es in den grossen Sternmotoren der 50er Jahre. Für Starten und Steigen in niedriger Höhe wurde die Low Blower-Übersetzung (Bodenladerstufe) verwendet. Wenn im Steigflug der Gashebel in Low Blower am vorderen Anschlag anstiess (Punkt F), wurde auf High Blower (Höhenladerstufe) umgeschaltet. Die Lader-Um-schalthöhe nannte man Low Blower Critical Altitude. Logisch, dass man vor dem Umschalten den Gashebel zurücknehmen musste. Beim Weitersteigen konnte der Gashebel erneut vorgeschoben werden. In der High Blower Critical Altitude (Punkt G) stiess er wieder an den vorderen Anschlag. Von da an fiel der MAP ab. Bei den heutigen Turboladern gibt es manuelle und automatische Re-gelung des Ladedrucks. Die Laderdrehzahl und damit die Fördermenge des Kompressors bezw. des MAP hängt von der Motorleistung (Energie der Abgase) und der Stellung des Waste Gate ab. Bei der manuellen Verstellung ist das Waste Gate mit dem Gashebel verbunden. Nachdem die Drosselklappe ganz offen ist, beginnt beim weiteren Vorschieben des Gashebels das Waste Gate zu schliessen.

Leistung

Höhe

Geregelter Abgas-Turbolader

E

F G

H

A

B

D

I

NICHT ZULÄSSIG !

C

BEREICH


KOLBENTRIEBWERKE 61


Leistungssteigerung: Höhenleistungskurven (Fortsetzung) Bei manueller Verstellung des Waste Gate muss man sehr aufpassen, weil ein Vorschieben des Gashebels erst mit einiger Verzögerung ("Tur-bo-Lag") zu einer Steigerung der Turbinendrehzahl führt, wodurch der Kompressor mehr fördert und den MAP erhöht und die Motorleistung steigert und die Turbinen-Drehzahl erhöht ....usw....usw. - bis der.Motor sich zerlegt ...! Turbolader mit stufenloser automatischer Regelung können bis zur Höhe, in der das Waste Gate völlig geschlossen ist, die Leistung konstant halten (Kurve H). Darüber fällt die Leistung ab (Punkt I). Automatische Turbolader sind so geregelt, dass der Motor bei "Vollgas" nicht überladen wird.

JAR-ATPL 08 Kraftstoff KOLBENTRIEBWERKE 62


021 03 01 08 Kraftstoff

Flugbenzin (AVGAS) Die Sicherheit des Flugbetriebs hängt entscheidend von den Eigenschaf-ten des verwendeten Kraftstoffs ab. Die Anforderungen an Flugbenzin (engl. Aviation Gasoline, abgek. Avgas) sind: - hoher Energiegehalt von Masse und Volumen - gute Lager- und Transportfähigkeit - hohe Klopffestigkeit - niediger Gefrierpunkt - niedriger Flammpunkt - niedriger Dampfdruck - rückstandfreie Verbrennung Diese zum Teil widersprüchlichen Forderungen können nur durch die Mi-schung verschiedener Zutaten erfüllt werden. Die geforderten Eigenschaften sind in sogenannten Fuel Specifications für verschiedene Avgas-Sorten definiert. Die Lieferfirmen sind für die Ein-haltung der Qualitätsmerkmale verantwortlich. Avgas ist kein homogener Stoff, sondern ein Gemisch aus mehreren Substanzen mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Ei-genschaften, die sich besonders an der oberen und unteren Grenze des Temperaturbereichs bemerkbar machen. Es wird durch Destillation und sogenannte "Crack"-Verfahren aus Mineralöl erzeugt. Heizwert ist der Energie-Gehalt und wird in Kilojoule pro Kilogramm an-gegeben. Avgas hat etwa 43.400 kJ/kg. Weil 1 Joule = 1 Wattsekunde ist, hat 1 kg Avgas die Energie von ca. 12 Kilowattstunden. Spezifische Masse (oder Dichte) ist die Masse (in kg) pro Volumen (in Litern). 1 Liter Avgas bei 15° C wiegt ca 0,72 kg. Warmer Kraftstoff hat eine geringere Dichte als kalter. Flammpunkt ist die Temperatur, bei der sich über der Flüssigkeit ein zündfähiges Gas bildet. Ein niedriger Flammpunkt bedeutet gutes Kalt-start-Verhalten, aber grössere Feuergefahr. Der Flammpunkt der für den Kaltstart zuständigen Bestandteile liegt bei ca. - 25° C. Siedepunkt ist die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit verdampft. Die verschiedenen Bestandteile des Flugbenzins haben unterschiedliche Sie-depunkte zwischen 70 - 150°C. Dampfdruck entsteht beim Übergang aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand. Er ist um so grösser, je höher die Temperatur steigt. Bei der international üblichen "Reid Vapor Pressure Scale" wird der Druck über der Flüssigkeit bei 100° Fahrenheit (= 37,8°C) gemessen. Bei Avgas beträgt er ca. 0,4 - 0,5 bar und ist ein Mass für die unerwünschte Gasblasenbildung in drucklosen Kraftstoffleitungen (niedriger ist besser)



Flugbenzin (AVGAS) (Fortsetzung) Gefrierpunkt ist die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit in den festen Zustand übergeht. Weil die verschiedenen Bestandteile des Avgas unter-schiedliche Gefrierpunkte haben, ist der Stockpunkt wichtig. Das ist die Temperatur, bei der sich feste Paraffinflocken im Kraftstoff bilden, die einen Filter verstopfen können. Bei Avgas geschieht das bei ca. - 60°C. Schwefelgehalt (ca. 0,05 Vol%) stammt aus dem ursprünglichen Mine-ralöl und ist unerwünscht, weil sich die Verbrennungsrückstände mit Kon-denswasser zu schwefliger Säure entwickeln und Korrosion hervorrufen.



Klopffestigkeit, Oktan- und Leistungszahl Leistung und Wirkungsgrad eines Kolbenmotors hängen ab vom Druck, der auf den Kolben wirkt. Der effektive Druck entsteht bei der Ausdeh-nung des Gases durch den Temperatur-Anstieg während der Verbren-nung. Hierbei ist die Art der Verbrennung wichtig. Erwünscht ist ein kontrolliert einsetzender Druckaufbau zum Maximalwert erst dann, wenn der Kolben den oberen Totpunkt überschritten hat. Für den optimalen Ablauf der Verbrennung sind im Zylinder ganz bestim-mte Bedingungen von Druck und Temperatur erforderlich, welche das Ergebnis des Zusammenwirkens mehrerer Faktoren sind. Dazu gehören u.a. die Klopffestigkeit des Kraftstoffs und das Luft/Kraftstoff-Mi-schungsverhältnis. Klopfen ist die unerwünschte Art der Verbrennung, die unbedingt vermieden werden muss. Bei der Petroleum-Destillation entsteht eine Reihe von gesättigten Koh-lenwasserstoffen. Davon werden das Heptan (C7H16) und das Oktan (C8H18) als Vergleichskraftstoffe verwendet. Es gibt eine Skala für die Klopffestigkeit, auf der reines Heptan den Wert Null und reines Oktan den Wert 100 hat. Ein Kraftstoff mit derselben Klopffestigkeit wie ein Gemisch von 80 % Oktan und 20 % Heptan hat demnach 80 Oktan (Octane Rating). Damit ist nicht gesagt, woraus der Kraftstoff tatsächlich besteht. Wird die Klopffestigkeit mit zwei Zahlen - z.B. 80/87 Oktan angegeben, so gilt die erste Zahl für armes Gemisch bei Reiseleistung und die zweite Zahl für reiches Gemisch bei Startleistung. Es gibt Kraftstoffe, die noch klopffester als 100 %iges Oktan sind. Um die Klopffestigkeit dieser "Super-Kraftstoffe" zu bewerten, hat man die Oktanskala über 100 hinaus erweitert. Die Zahlenangabe heisst dann nicht mehr Octane Rating, sondern "Performance Number", auf deutsch "Leistungszahl". Man kann hohe Klopffestigkeit durch Zusatz von Bleitetraäthyl (engl: Tetra Ethyl Lead = TEL) erreichen, welches beim Verdichten verdampft und dadurch dem Gemisch Wärme entzieht. Wegen der Umweltbela-stung wird heute weniger Blei im Kraftstoff verwendet. Die letzten hochgezüchteten grossen Sternmotoren der 50er Jahre brauchten verbleite Super-Kraftstoffe mit Performance Numbers 108/115 und 115/145. Beide gibt es heute nicht mehr. Für jeden Flugtag mit echten Oldtimern müssen ein paar Fässer davon extra angerührt werden. Heutige Kolbenmotoren baut man so, dass sie mit Kraftstoff der Bezeich-nung 100 LL (das heisst Low Lead = niedriger Bleigehalt) auskommen.



Klopffestigkeit, Oktan- und Leistungszahl (Fortsetzung) Additive zum Flugbenzin Additive sind Zusätze, mit denen bestimmte Eigenschaften des Benzins erzielt werden, zum Beispiel - Erhöhung der Klopffestigkeit - Verhinderung von Blei-Ablagerung an den Zündkerzen - Unterdrückung der Entwicklung vom Mikro-Organismen in den

Ablagerungen am Tankboden - Verhinderung von harz- und gummiartigen Rückständen - Verhinderung elektrostatischer Aufladung Farbkennzeichnungen und Sorten Jeder zugelassene Flugzeug-Kraftstoff muss einer bestimmten Spe-zifikation entsprechen. Am Abgabegerät und am Einfüllstutzen des Flugzeugtanks ist die Bezeichnung angebracht. Jeder Pilot muss wissen, welchen Kraftstoff sein Flugzeug braucht, und wie er die richtige Sorte erkennt. Avgas ist durch Beimischung von Farbe gekennzeichnet. Es gab früher fünf verschiedene Sorten von 80/87 bis 115/145, heute nur noch Avgas 100 LL (blau). Die Verwendung von Kraftstoff mit höherer als der vorgeschriebenen Klopffestigkeit ist normalerweise unbedenklich. Im Zweifelsfall kann der für die Wartung des Flugzeugs zuständige luftfahrt-technische Betrieb (LTB) Auskunft erteilen.



Normale Verbrennung, Klopfen, Glühzündung Normale Verbrennung (engl: Combustion) Die Verbrennung wird durch die gleichzeitigen Überschläge der Funken an beiden Zündkerzen eingeleitet, während der Kolben noch in der Aufwärtsbewegung ist. Die Flammen breiten sich bogenförmig aus und bilden sogenannte Flammfronten, die mit einer Geschwindigkeit von ca. 20 - 30 m/s durch das verdichtete Gemisch fortschreiten. Der Tempera-turanstieg durch die Verbrennung führt zu einer weiteren Druckerhöhung, wodurch die Geschwindigkeit der Flammfront während der Verbrennung zunimmt. Weil die normale Verbrennung eine bestimmte Zeit dauert, erreicht der Gasdruck seinen höchsten Wert erst, wenn der Kolben den oberen Totpunkt schon überschritten hat. Klopfen (engl: Detonation) Klopfen ist eine unkontrollierte, spontane Selbstentzündung, die nach der normalen Zündung durch die zusätzliche Druckerhöhung vor der Flammfront verursacht wird, wenn das Luft/Kraftstoffge-misch die Selbstentzündungs-Temperatur erreicht. Die Druckwellen des explosionsartigen Druckanstiegs erreichen Geschwindigkeiten von 250 m/s zu einem Zeitpunkt, wo der Kolben im oberen Totpunkt stillsteht und nicht nachgeben kann, weil das Pleuel senkrecht steht. Dadurch treten an Kolben, Ventilen, Pleueln und Kurbel-wellenlagern extreme Belastungen auf, die zu schweren Motorschäden führen können. Klopfen ist erkennbar durch rauhen Lauf, Schütteln und Leistungsverlust. Mögliche Ursachen für Klopfen - Ladedruck zu hoch - Drehzahl zu niedrig für die Leistung (Propeller-Steigung ?) - Gemisch zu arm - Klopffestigkeit (Oktanzahl) des Kraftstoffs zu niedrig - Einlasstemperatur zu hoch (Vergaser-Vorwärmung ?) - Motor zu heiss (Zylinderkopf-Temperatur ?) - Zündzeitpunkt-Einstellung (Wartung !) Maßnahmen des Piloten beim Auftreten von Klopfen - Ladedruck reduzieren (Gashebel zurück) - Prop. Verstellung auf INREASE RPM - Mixture REICH - Vergaser-Vorwärmung KALT - Kühlluftklappen OFFEN Glühzündung (engl: Pre-Ignition) Glühzündung ist eine unkontrollierte Entzündung des Gemisches an glü-hender Ölkohle, heissen Kerzen-Elektroden oder Ventiltellern vor der normalen Zündung. Dadurch erfolgt der Druckaufbau bereits vor dem oberen Totpunkt, wodurch die Leistung abfällt und der Motor rauh läuft. Gegenmassnahmen: Normale Betriebsbedingungen und -Temperaturen herbeiführen.

NORMALEZÜNDUNG

SELBSTZÜNDUNGKLOPFEN

ZÜNDUNG FLAMMFRONT DRUCK-AUFBAU

NORMALE VERBRENNUNG

KLOPFEN (DETONATION)



Wassergehalt, Eisbildung Wasser ist immer im Avgas enthalten. Ob dadurch der Betrieb des Mo-tors gestört wird oder nicht, hängt von der Erscheinungsform des Wassers ab. 1. Gelöstes Wasser: Avgas kann Wasser in Lösung aufnehmen. Ähnlich wie der Taupunkt bei der Luftfeuchtigkeit gibt es auch für den Wassergehalt im Kraftstoff eine Sättigungsgrenze (siehe nebenstehendes Diagramm). Im Beispiel sind 7 cm³ Wasser pro 100 Liter Kraftstoff enthalten. Bei Punkt (a) beträgt die Temperatur 25°C. Unterhalb der Kurve ist das Wasser im Benzin gelöst und nicht sichtbar, wenn man davon eine Probe in einem Glas (A) gegen das Licht betrachtet. Die Probe erscheint klar. Gelöstes Wasser verdampft im Motor und verursacht keine Störungen im Betrieb. 2. Wasser im Schwebezustand: In Punkt (b) ist der derselbe Kraftstoff auf 17°C abgekühlt und hat die Sättigungskurve erreicht. Sinkt die Temperatur im Tank unter die Sättigungsgrenze, kondensiert das Wasser zu feinen Tröpfchen, welche die Probe (B) trübe (opak) erscheinen lassen. Auch dieses Wasser verdampft im Motor. Bei weiterer Abkühlung unter 0°C auf Punkt (d) bilden sich jedoch Eiskristalle, die sich im Kraftstoffilter festsetzen und den Durchfluss behindern können. 3. Freies Wasser: Ungelöstes Wasser bei Punkt (c) setzt sich wegen seiner grösseren Dichte an den tiefsten Stellen des Systems ab. Die Probe (C) enthält unten freies Wasser. Der Kraftstoff darüber ist klar, aber gerade mit Wasser gesättigt. Wenn freies Wasser den Kraftstoff verdrängt und in die Gemischbildungs-Anlage gelangt, setzt der Motor aus. Wo es gefriert, kann es Filter und Leitungen blockieren. Was muss der Pilot beachten ? Vor dem ersten Flug des Tages Kraftstoffproben aus den Sumpf-Ablass-ventilen (Sump Drain Valves) der Tanks und am Motor-Kraftstoffsieb (En-gine Fuel Strainer) entnehmen, bis kein Wasser mehr kommt. Beim Tanken darf kein Wasser in den Tank gelangen. Bei zweifelhaftem Lieferanten vor dem Tanken eine Probe nehmen. Das Flugzeug möglichst nicht mit leeren Tanks abstellen. Luftfeuchtigkeit gelangt über die Tankbelüftung in den Kraftstofftank. Je voller der Tank ist, um so weniger Wasser wird aus der Luft aufgenommen. Die Bildung von Eis in den Tanksümpfen durch Absetzen von ungelöstem Wasser (z.B. langer Flug in grosser Höhe bei niedriger Außentemperatur) kann durch abwechselndes Umschalten der Triebwerksversorgung und Einschalten der Behälterpumpen verhindert werden.

30

25

20

15

10

5

-20 -100

10 20 30 40Temperatur (°C)

0 50

Wassergehalt im Avgas

gelöstesWasser

ungelöstesWasser

KristalleEis-

b ad c a

KLAR

WASSER

KLAR

A B C

TRÜBE


KOLBENTRIEBWERKE 68



58. Welche Möglichkeiten zur Leistungssteigerung gibt es bei Kolbentriebwerken ?

59. Was ist ungünstig an einem sogenannten "vollgasfesten" Motor ?

60. Was versteht man unter "critical Altitude"?

61. Wozu dient die "High"-Stufe eines zweistufigen Laders ?

62. Wodurch wird die Drehzahl eines Abgas-Turboladers beeinflusst ?

63. Welche Signale steuern die Regelfunktion des Abgas-Tur-boladers ?

64. Was geschieht bei einer Störung in der Regelfunktion des Abgas-Turboladers ?

65. Was bedeutet "Flammpunkt", und wo liegt er bei Flugbenzin ?

66. Wie wird die Bildung von Gasblasen in Kraftstoffleitungen verhindert ?

67. Wozu dient der Zusatz von Blei zum Kraftstoff?


KOLBENTRIEBWERKE 69



68. Welche Umstände können "Klopfen" verursachen ?

69. Woran ist Klopfen erkennbar ?

70. Warum soll ein Flugzeug nicht mit leeren Tanks abgestellt werden ?


KOLBENTRIEBWERKE 70



58. Drehzahl-Erhöhung, Aufladung,

59. Eine Erhöhung des Ladedrucks in grösserer Höhe ist nicht möglich

60. Druckhöhe, bis zu der voller Ladedruck gehalten werden kann

61. Drehzahlerhöhung des Laders für Reiseflug in grosser Höhe

62. Stellung der Abgasklappe (Waste Gate)

63. Luftdichte vor der Drosselklappe und Differenzdruck an der Drosselklappe

64. Waste Gate geht federbelastet voll auf

65. Temperatur, bei der sich über der Flüssigkeit ein zündfähiges Gas bildet, ca. - 25° C

66. Indem man die Leitungen unter Druck setzt

67. Zur Erhöhung der Klopffestigkeit

68. Ladedruck zu hoch, Drehzahl zu niedrig für die Leistung, Gemisch zu arm, Klopffestigkeit des Kraftstoffs zu niedrig, Einlasstemperatur zu hoch, Motor zu heiss

69. Rauher Motorlauf, Schütteln, Leistungsabfall

70. Weil mit der Aussenluft auch Feuchtigkeit in den Kraftstofftank gelangt

JAR-ATPL 09 Gemischregelung

KOLBENTRIEBWERKE 71


021 03 01 09 Gemischregelung

Luft/Kraftstoff - Mischungsverhältnis

Bezin ist nur gasförmig - d.h. als Dampf - brennbar, wenn es mit Luft gemischt wird. Es braucht Sauerstoff aus der Luft für die Verbren-nung. Um 1 Kg Flugbenzin zu verbrennen, sind 15 Kg Luft erforderlich. Anders ausgedrückt: 1 Liter Benzin wiegt etwa 0,72 Kg. 1 Kubikmeter Luft bei Standard-Druck und -Temperatur in Meereshöhe (ISA SL) wiegt etwa 1,23 Kg. Das bedeutet: Um 1 Liter Flugbenzin zu verbrennen, sind etwa 9 Kubikmeter (Standard-) Luft erforderlich. Zündgrenzen Ein Gemisch aus Luft und Kraftstoffdampf ist nur innerhalb eines engen Anteilbereichs überhaupt zündfähig. Die Grezen dieses Bereichs sind die obere und untere Zündgrenze: - Die obere Zündgrenze liegt bei 8 Gewichtsanteilen Luft auf 1

Gewichtsanteil Kraftstoff. Darüber ist das Gemisch zu reich (rich), um zündbar zu sein.

- Die untere Zündgrenze liegt bei 18 Teilen Luft auf 1 Teil Kraft-stoff. Darunter ist das Gemisch zu mager (lean).

Zwischen 1 : 10 und 17 : 1 liegen die Mischungsverhältnisse, mit denen der Motor arbeitet. Gemisch-Bezeichnungen Aufgabe der Gemischaufbereitungsanlage - d.h. des Vergasers oder Einspritzsystems - ist die automatische Bemessung des Kraftstoffanteils zur durchgesetzten Luftmasse. Zusätzliche manuelle Eingriffe des Piloten in den Regelvorgang sind möglich, wenn der Zustand der verarbeiteten Luft von den Standardwerten abweicht. Für die verschiedenen Mischungsverhältnisse gibt es folgende Bezeich-nungen: Rich Mixture 10 : 1 (reiches Gemisch) wird für hohe Leistungsbereiche über 70% verwendet, d.h. für Take-Off, Maximum Continuous und Climb Powert. Der unverbrannte Restkraftstoff ist zur inneren Kühlung der Zylinder erforderlich. Best Power Mixtur 12,5 : 1 (Gemisch für beste Leistung) darf nur im mittleren Leistungsbereich (unter 70%) verwendet werden, weil dabei die Gefahr des Motorklopfens besteht. Chemical Correct Mixtur 15 : 1 (stöchiometrisches Gemisch) ist zu vermeiden, weil nach der Verbrennung weder Kraftstoff- noch Luftüber-schuß zur Kühlung übrigbleibt. Best Economy Mixtur 16,5 : 1 (Gemisch für beste Wirtschaftlichkeit) darf nur bei Reiseleistung (Cruise Power) bis maximal 70% Leistung verwendet werden. Der Überschuß an unverbrannter Luft dient zur inne-ren Kühlung.


KOLBENTRIEBWERKE 72


Abhängigkeit der Triebwerks-Parameter von der Gemisch-Einstellung

Das folgende Diagramm zeigt den Verlauf der wichtigsten Triebwerks-Parameter innerhalb der Bereichsgrenzen der Gemischregelung bei mittlerer Reiseflugleistung (Cruise Power) und konstantem Ladedruck. Die Leistung (1) ist mit Best Power Mixture 12,5:1 am höchsten, weil ein bestimmter Kraftstoff-Überschuss die Verbrennung begünstigt. Die Zylinderkopf-Temperatur (2) ist mit Chemical Correct Mixture 15:1 am höchsten, weil dann weder Luft- noch Kraftstoff-Überschuss zur inne-ren Kühlung vorhanden ist. Die Abgas-Temperatur (3) ist mit CCM 15:1 am höchsten, weil dann we-der Luft- noch Kraftstoff-Überschuss zur inneren Kühlung vorhanden ist. Der thermische Wirkungsgrad (4) ist am höchsten, wenn das Gemisch von Hand - d.h. unter Berücksichtigung der realen Bedingungen - auf Best Economy Mixture 16,5 : 1 eingestellt wurde. Die Flammfront-Geschwindigkeit (5) bei normaler Verbrennung (nicht Klopfen !) ist mit Best Power-Gemisch 12,5: 1 am höchsten. Der spezifische Kraftstoff-Verbrauch (6) ist am niedrigsten, wenn das Gemisch von Hand - d.h. unter Berücksichtigung der realen Bedingungen - auf Best Economy Mixture 16,5 : 1 eingestellt wurde. 10:1 11:1 12:1 13:1 14:1 15:1 16:1 17:1 18:1

Luft/Kraftstoff-Verhältnis

MANUALLEAN

AUTORICH MIXTURE

1

2

3

4

6

5


KOLBENTRIEBWERKE 73


Manuelle Gemisch-Verarmung Wozu wird verarmt? Gemischregel-Systeme sind so eingestellt, daß sie bei Standard-Bedingungen in Meereshöhe (ISA SL) und maximaler Motorleistung auf der reichen Seite vom Best Power-Gemisch liegen. Deshalb ist bei anderen Betriebsbedingungen der Kraftstoffanteil oft zu hoch. Zum Eingreifen in den Regelvorgang muß der Pilot die Zusammenhänge zwischen Mischungsverhältnis und Motor-Verhalten kennen, um die vor-handenen Anzeigen zur optimalen Einstellung nutzen zu können. Es gibt zwei Anwendungen für manuell verarmtes Gemisch: 1. Im Reiseflug bei reduzierter Leistung (unter 70 %) stellt man

das Gemisch für beste Wirtschaftlichkeit (Best Economy Mixture) 16,5 : 1 ein. Davon hängt nicht nur der Kraftstoff-Verbrauch und damit die Reichweite, sondern auch die Lebensdauer des Motors ab.

2. Zum Take-Off bei niedrigerer Luftdichte als ISA SL (hochgele-gener Platz, hohe Temperatur, hohe Luftfeuchte) mit einem Ge-mischregelsystem ohne automatische Höhenkorrektur (AMC) wird das Gemisch manuell verarmt, damit der Motor die höchste noch mögliche Startleistung erreicht. Dabei ist grösste Vorsicht gebo-ten: Das Gemisch muss zum Start auf der reichen Seite von Best Power sein. Zu reich bedeutet weniger Leistung, aber zu arm bedeutet Klopfgefahr!

Das Verarmen hat nach dem Flughandbuch zu erfolgen. Unterschiede in den Verfahren hängen von der Ausstattung und Instrumentierung des Flugzeugs ab, weshalb hier nur ein Standard-Ablauf beschrieben werden kann. Verarmen im Reiseflug beginnt bei stabilisierter Reiseflug-Leistung (Cruise Power). Man zieht den Mixture-Hebel aus der RICH Stellung langsam zurück und beobachtet die Parameter, die sich nach der Kurve A verhalten, - mit Constant Speed Propeller: Die Airspeed (die Drehzahl bleibt

konstant, weil die Blattsteigung verändert wird) - mit starrem Propeller: Drehzahl und Airspeed Ist eine Abgas-Temperatur (EGT) -Anzeige vorhanden, verläuft sie nach der Kurve B. Den EGT Höchstwert (engl: Peak) merkt man sich und zieht dann den Mixture Hebel langsam noch weiter zurück bis zum Wert (a) oder (b). Falls der Motor dabei "rauh" wird, schiebt man den Hebel gerade soweit vor, dass er wieder "rund" läuft. Verarmen am Boden bei niedrigerer Luftdichte als ISA SL Constant Speed Propeller am Anschlag Kleine Steigung, d.h. Prop.-Hebel auf FULL INCREASE RPM). Im Stand etwa 60 % Power setzen und die Drehzahl (Kurve C) beachten. Jetzt den Mixture-Hebel langsam zurückziehen und die höchste Drehzahl (PEAK RPM) suchen. Das ist Best Power-Gemisch Punkt (c). Aus dieser Stellung den Mixture-Hebel langsam wieder nach vorn schieben, bis der Motor "rauh" wird. Dann den Hebel soweit zurück, bis er wieder "rund" läuft. Das ist Punkt (d) auf Kurve C. Mit dieser Stellung des Mixture-Hebels wird anschliessend gestartet.

THROTTLE = CONSTANT

RICH MIXTURE

A

B

a

b

c

LEAN

d

C


KOLBENTRIEBWERKE 74



71. In welchem Mischungsbereich ist das Luft/Kraftstoff-Ge-misch brennbar ?

72. Welches Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist (etwa)

a) Rich

b) Best Power

c) CCM

d) Best Economy

73. Warum darf man im Reiseflug bei armem Gemisch nicht den Gashebel vorschieben ?

74. Bei welchem Gemisch sind Zylinderkopf- und Abgastempe-ratur am höchsten ?

75. Wozu ist bei hoher Leistung ein reiches (fettes) Gemisch erforderlich ?


KOLBENTRIEBWERKE 75



71. Zwischen 8 : 1 und 18 : 1

72. a) 10 : 1

b) 12,5 : 1

c) 15 : 1

d) 16,5 : 1

73. Weil der Motor in den Klopfbereich kommt

74. Bei CCM 15 : 1

75. Zur inneren Kühlung der Zylinderköpfe

JAR-ATPL 10 Propeller

KOLBENTRIEBWERKE 76


021 03 01 10 Propeller

Propeller-Anlagen, starrer und verstellbarer Propeller Aufgabe des Propellers ist die Umwandlung der vom Motor erzeug-ten Wellenleistung in Schub zum Antrieb des Flugzeugs. Die aerodynamischen Vorgänge am Propellerblatt kann man mit denen am Flügel vergleichen. Die Oberseite des Flügels und die Vorderseite des Propellerblattes sind stärker gewölbt als die Unter- bezw. Rückseite. Durch die unterschiedliche Geschwindigkeit der Luftströmung entsteht ein Druckunterschied. Wenn die drehenden Propellerblätter die Luft(masse) nach hinten beschleunigen (das ist die Aktion), entsteht durch die gleich große Reaktion eine Schubkraft nach vorn. Schub ist das Produkt aus Masse mal Bescheunigung. Das günstigste Verhältnis von Auftrieb (bezw. Schub) zu Widerstand hat ein Flügel-(bezw. Propeller-) Profil bei etwa 4° Anstellwinkel zwischen der Profilsehne und der anströmenden Luft. Damit jeder Teil des Propellerblatts denselben Anstellwinkel zur Strömung hat, wird der Einstellwinkel des Profils zur Propeller-Ebene mit zunehmendem Abstand von der Welle kleiner (geometrische Schränkung). Bild A zeigt Schnitte des Blattprofils in verschiedenen Abständen von der Welle. Die Profilsehnen treffen sich in Punkt (1). Der Abstand (2) dieses Punkts von der Propeller-Ebene ist die geometrische Steigung (Geometric Pitch) des Blattes. Bild B zeigt ein starres Propellerblatt mit dem Einstellwinkel (a). Jeder Punkt am Blatt legt pro Umdrehung einen bestimmten Weg (3) zurück, nämlich 2π x Radius in der Propeller-Ebene. Den längsten Weg macht die Blattspitze. Dazu kommt der Weg (4), den der Propeller in axialer Richtung zurücklegt, wenn das Flugzeug sich vorwärtsbewegt, und der ist senkrecht zur Propeller-Ebene. Die Strecke (5) resultiert aus den Wegen (3) und (4) als die Hypothenuse eines rechtwinkligen Dreiecks und kann mit der Formel des guten alten Pythagoras berechnet werden. Die tatsächlich bei einer Umdrehung zurückgelegte Strecke (6) ist durch den Schlupf (7) um etwa 10 - 15 % kürzer als die geometrische Steigung und heisst effektive Steigung (Effective Pitch). Der Anstellwinkel (b) zwischen Profilsehne und Anströmrichtung ist 4°. Bild C zeigt dasselbe starre Propellerblatt bei höherer Drehzahl, d.h. Um-fangsgeschwindigkeit (8). Ebenfalls gestiegen sind die Vorwärtsgeschwindigkeit (9) und die resultierende Geschwindigkeit (10). Der Anstellwinkel (b) ist 4°. Hier liegt das Problem: Um schneller zu fliegen, muss die Drehzahl erhöht werden. Kommt aber die Blattspitze in die Nähe der Schallgeschwindigkeit, steigt der Luftwiderstand schlagartig an und verschlechtert den Vortriebs-Wirkungsgrad.


KOLBENTRIEBWERKE 77


Propeller-Anlagen, starrer und verstellbarer Propeller(Fortsetzung) Bild D zeigt die Lösung des Problems: Im Fluge verstellbare Blattstei-gung. Wenn der Einstellwinkel (c) vergrössert wird, kann die Umfangsge-schwindigkeit (11) reduziert werden. Dadurch sinkt die resultierende Ge-schwindigkeit (12), obwohl die Vorwärtsgeschwindigkeit (13) jetzt höher ist als in Bild C. Der Anstellwinkel (b) ist 4°. In Bild E ist der Flieger noch schneller (14), obwohl die Blattdrehzahl (15) nochmals reduziert wurde. Dazu musste der Einstellwinkel (d) nochmals vergrössert werden. Die resultierende Geschwindigkeit (16) hat sich nicht erhöht. Anstellwinkel (b) ist 4°. Untersetzungsgetriebe zur Verringerung der Propellerdrehzahl und Propeller-Blattverstellung sind seit ca. 1935 in Verkehrsflugzeugen allgemein üblich.


KOLBENTRIEBWERKE 78


Verstellbare Propeller Um Propellerblätter zu verstellen und in der gewünschten Steigung zu halten, sind beträchtliche Kräfte innerhalb der rotierenden Nabe erforder-lich. Im Verlauf der Entwicklung gab es verschiedene Systeme der Kraft-erzeugung für die Blattverstellung: - Ausnutzung aerodynamischer Kräfte der Propellerblätter - Fliehgewichte an den Blattwurzeln - vom Fahrtwind angetriebene Turbine vor der Propellernabe - Elektromotor in der Nabe - mit Motoröl verstellbarer hydraulischer Arbeitszylinder Bild A zeigt das Prinzip der Verstellung durch Fliehgewichte und Öl-druck. An jeder Blattwurzel befindet sich ein Gewicht (1), welches bestrebt ist, bei steigender Drehzahl den Anstellwinkel (Pitch) zu vergrössern. Der bewegliche Zylinder (2) ist über ein Zwischenglied (3) mit dem exzentrisch an der drehbaren Blattwurzel sitzenden Zapfen (4) verbunden. Wenn unter Druck stehendes Motoröl durch die hohle Propellerwelle (5) kommt, bewegt sich der Zylinder bei steigendem Öldruck nach vorn und verdreht das Blatt in Richtung kleinerer Anstellwinkel. Zwischen Fliehkraft und Öldruck stellt sich ein Balance-Zustand ein. Bild B zeigt ein Beispiel eines solchen Gegengewicht- Propellers. In Beispiel C ist der Zylinder (6) fest auf der Nabe. Wenn Drucköl (7) durch die hohle Welle zu Vorderseite des Kolbens (8) gelangt, drückt der Kolben nach hinten über den Exzenterzapfen (9) die Blattwurzel in Rich-tung kleine Steigung. Die Kraft für die Gegenrichtung in große Steigung liefert eine starke Feder (10). Beispiel D zeigt eine Nabe, die in beide Richtungen hydraulisch verstellt werden kann. Der Kolben (11) kann auf der Vorder- oder Rückseite unter Druck gesetzt werden und über den Exzenterapfen (12) in der Wurzel das Blatt verdrehen. In Beispiel E kann ebenfalls der Kolben (13) hydraulisch in beide Rich-tungen bewegt werden. Dabei verschiebt sich der Nocken (14) in dem schrägen Schlitz der Hülse (15). Dadurch dreht sich die Hülse, deren Hinterseite eine Kegelverzahnung (16) hat. Damit im Eingriff ist die Kegelverzahnung (17) an der Blattwurzel. Hier sehen Sie auch das Steuerventil (18), welches den Druck der Ölpumpe (19) zur Blattverstellung auf die Vorder- oder Rückseite des Verstellkolbens in der Nabe leitet. In der gezeigten Stellung ist das Steuerventil in der neutralen Position, in der beide Kanäle zur Nabe abgesperrt sind. Das eingesperrte Öl blockiert den Kolben und damit die Propellerblätter in der gegenwärtigen Stellung. Das von der Ölpumpe geförderte Öl fliesst jetzt durch das Überdruckventil (20) zum Pumpeneintritt zurück.


KOLBENTRIEBWERKE 79


Gleichdrehzahl (Constant Speed) - Propeller Die Drehzahlregelung des Constant Speed-Propellers erfolgt durch ein-en geschlossenen Regelkreis mit proportionalem Regelverhalten. Die gewünschte Drehzahl ist die Führungsgrösse oder Soll-Wert, wel-cher durch das System konstant gehalten wird. Ein Hebel mit der Beschriftung INCR - DECR RPM ist durch ein Über-tragungssystem mit dem Regler - das ist der Propeller Governor - ver-bunden und bestimmt dort die Vorspannung einer Feder. Die Federspannung ist analog dem gewünschten Soll-Wert. Die Drehzahl des Governors ist die Regelgrösse und ist analog dem Ist-Wert der Propellerdrehzahl. Mit der Governor-Welle drehen sich Fliehgewichte. Sie sind der Messumformer, der den Drehzahl-Ist-Wert in eine analoge Kraft umwandelt. Die Skizze zeigt, wie die Fliehgewichte angeordnet sind, damit die Fliehkraft gegen die Federkraft wirkt. Sind Soll-Wert und Ist-Wert gleich, steht das Steuerventil in der Neutralstellung wie in Bild E auf der vorigen Seite. Ein Unterschied zwischen Soll- und Ist-Wert ist ein Fehler, welcher korrigiert werden muss. Jeder Fehler hat eine Grösse und eine Richtung. In unserem Beispiel wird der Propeller-Hebel in Richtung INCREASE RPM vorgeschoben. Über das Seilystem wird im Governor das Ritzel gedreht und die Zahnstange nach unten geschoben. Damit wird die Federspannung grösser, wodurch das Steuerventil nach unten geht. Das Steuerventil ist das Stellglied. Sein Weg ist in Grösse und Richtung analog dem Fehler. Das Steuerventil lässt Drucköl von der Ölpumpe zur Rückseite des Kolbens. Der Kolben geht nach vorn. Das dabei vor dem Kolben verdrängte Öl kann durch den anderen Kanal des Steuerventils zur Eintrittsseite der Ölpumpe fliessen. Vom Weg des Kolbens wird durch den Nocken im schrägen Schlitz die Hülse verdreht. Mit der Verzahnung am Ende der Hülse wird die Drehung auf die Blätter übertragen, die in kleinere Steigung verstellt werden. Der Propeller ist die Regelstrecke. Weil damit das Dremoment an der Propellerwelle sinkt, steigt die Drehzahl. Höhere Drehzahl bedeutet mehr Fliehkraft, welche gegen die Federkraft wirkt und das Steuerventil nach oben drückt. Mit kleiner werden dem Fehler wird auch die Stellgrösse kleiner. Die Korrektur ist beendet, wenn kein Fehler mehr vorliegt und das Steuerventil wieder die Neutralstellung erreicht. Unter Störungen versteht man alles, was den Ist-Wert verändert. Das kann eine Veränderung der Motorleistung durch Verstellen des Gas-hebels oder der Gemischeinstellung sein, aber auch eine Änderung der Fluglage, d.h. Steigen oder Sinken des Flugzeugs. Wird im Constant Speed-Betrieb z.B. der Gashebel zurückgenommen, muss die Propeller-steigung kleiner werden, damit die Drehzahl trotz geringerer Leistung konstant bleiben kann.

RITZEL

FLIEHGEW ICHT

ANTRIEBSWELLE

ZAHNSTANGE

FEDER

SEILSCHEIBE

DREHPUNKT

FÜHRUNGS-

(SOLL-WERT)

REGLER STELLGLIED REGEL-STRECKE

STÖRUNGEN

REGEL-GRÖSSE

GRÖSSE

RÜCKMELDUNG(FEEDBACK)

MESS-UMFORMER

IST-WERT

GESCHLOSSENER REGELKREIS

STEUER-

KOLBEN

VENTIL

HÜLSE

NOCKEN

BLATTGOVERNOR-

PUMPE

KEGEL-VERZAHNUNG


KOLBENTRIEBWERKE 80


Segelstellungs-Anlagen Mehrmotorige Flugzeuge haben Einrichtungen, um die Propellerblätter eines ausgefallenen Motors so in den Fahrtwind zu stellen, daß der Luftwiderstand des Propellers auf ein Minimum reduziert und der defekte Motor nicht gedreht wird. Diese Blattstellung heißt auf deutsch Segelstellung und auf englisch Feathered Position. Sie wird erreicht durch die Erweiterung des Verstellbereichs bis auf 90° Steigung. Es gibt viele verschiedene Ausführungen solcher Anlagen, deren detail-lierte Erklärung nicht Zweck dieser Unterlage ist. Moderne Propeller-An-lagen sind technisch sehr aufwendige Systeme, besonders in Verbindung mit Turbinen-Triebwerken. Wir beschränken uns deshalb auf eine grundsätzliche, allgemein gültige Erklärung der Zusammenhänge. Für den Piloten ist es wichtig zu wissen, woher die Kraft für die Blattver-stellung stammt. Kommt sie von einer vom Triebwerk angetriebenen Öl-pumpe, dann ist Öldruck zum Verstellen in Segelstellung nur vorhanden, solange der Motor dreht. Das muss bei der Bedienung beachtet werden und wird bei der Typeneinweisung erklärt. Um den Propeller wieder aus Segelstellung herauszufahren, ist eine vom Motor unabhängige Kraftquelle erforderlich. Das kann z.B. ein hydrauli-scher Druckspeicher sein, der eine Stickstoff- oder Feder-Vorspannung hat. Heutige Propeller-Anlagen mehrmotoriger Verkehrsflugzeuge haben eine elektrische Segelstellungspumpe (Feather Pump) zum Verstellen in und aus Segelstellung (Feather-Unfeather) und gegebenenfalls in und aus Umkehrstellung (Reverse-Unreverse). Der DC-Motor der Feather Pump wird vorrangig direkt von der Bord-batterie versorgt. Die für den Feather-Vorgang erforderliche Ölmen-ge ist auch dann noch garantiert, wenn das Triebwerk wegen totalen Ölverlusts ausgefallen ist. Der Feather-Vorgang wird normalerweise manuell durch Betätigung eines Schalters oder Hebels eingeleitet. Die Automatische Segelstellungsanlage (Auto-Feather System) soll den Piloten bei einem Triebwerksausfall beim Start entlasten und einen Motor "feathern", wenn er keine Leistung bringt. Voraussetzung dafür ist eine Drehmoment-Messanlage bezw. ein sogenanntes "Negative Torque Sensing (NTS) -System. Das Auto-Feather-System ist beim Start in Bereitschaft ("Armed"), wenn die Gashebel vorgeschoben werden. Fällt danach das Drehmoment eines Motors länger als zwei Sekunden unter einen bestimmten Wert, fährt automatisch der Propeller in Segelstellung.

ÖLFILTER

ZAHNRAD-PUMPE

ELEKTRISCHE FEATHER-PUMPE

GLEICHSTROM-MOTOR

90°

SEGEL-STELLUNG

STEUERVENTILANGEHOBEN

VERLÄNGERTERSCHLITZ FÜR

ERWEITERTENVERSTELLBEREICH

ÖLDRUCKVON DER

FEATHER PUMP

SEGELSTELLUNG

HYDRAULIK-AKKUMULATOR

STICK-

FÜLL-VENTIL

MEMBRANE

GOVERNORLEITUNG ZUM

STOFF

ÖL

VORSPANNUNG NORMALBETRIEB


KOLBENTRIEBWERKE 81


Umkehrstellungs-Anlage Einige Verstellpropeller mit Segelstellungs-Anlage haben eine zusätzliche Einrichtung, um die Blätter in Umkehrstellung (Reverse) zu drehen und dadurch die Schubrichtung umzukehren. Das geschieht durch die Erweiterung des Verstellbereichs über den normalen Anschlag Kleine Steigung hinaus bis zur negativen Blattstellung. Das ist am Boden eine feine Sache zur Verkürzung des Bremswegs und zum Rückwärtsrollen und Rangieren. Fährt dagegen im Fluge ein Propeller unkontrolliert in kleinere Steigung, führt das zum gefürchteten "Runaway Propeller" und Überdrehzahl des Triebwerks mit sehr gefährlichen Folgen. Deshalb sind zuverlässige Vorrichtungen erforderlich, die eine ungewollte Verkleinerung des Einstellwinkels verhindern. Auch hierfür gibt es verschiedene Lösungen, von denen hier nur ein typisches Beispiel beschrieben wird. In Bild A ist der Flieger noch in der Luft. Der Gashebel kann nur bis zum Leerlauf-Anschlag (IDLE Stop) zurück-gezogen werden. Der Verstellkol-ben in der Nabe kann nur bis zum Anschlag Kleine Steigung (Low Pitch bezw. High RPM Stop) nach vorn fahren. Bild B zeigt den Flieger am Boden. Der Scherenschalter am Federbein (Air/Ground Switch, Landing Gear Safety Switch) schliesst den Stromkreis eines Elektromagneten (Solenoid), damit der Gashebel über den IDLE Stop zurückgezogen werden kann. Wenn jetzt der Gashebel zurückgezogen wird, steuert ein elektrischer Stromkreis die Segelstellungs-Pumpe und diverse Ventile (hier nicht ge-zeigt) so, dass der Anschlag Kleine Steigung entfernt und das Steuerventil im Governor heruntergedrückt wird (Bild C). Zur Sicherheit ist dazu ein erhöhter Öldruck erforderlich, den nicht die Governor-Ölpumpe, sondern nur die Segelstellungs-Pumpe liefert. Damit kann der Kolben nach vorn und die Blätter in die Umkehrstellung fahren. Ausserdem wird die Drosselklappe geöffnet (mehr Gas), wenn der Gas-hebel noch weiter zurückgezogen wird. Zum Verstellen aus Reverse wird der Gashebel wieder nach vorn in den Normalbereich geschoben. Zur Überwachung der Anlage leuchten Anzeigelichter, wenn die elektri-sche Pumpe arbeitet, und wenn die Reverse-Stellung erreicht ist.

FEDER

GASHEBEL(THROTTLE)

FORWARD

REVERSE

IDLESTOP SAFETY

SWITCH

AIR

GROUNDELEKTROMAGNETBATTERIE

SAFETYSWITCH

ROTATION

STEUERVENTILGEDRÜCKT

KOLBEN

VERLÄNGERTERSCHLITZ FÜR

ERWEITERTENVERSTELLBEREICH

HOHER

VON DERFEATHER

PUMP

ÖLDRUCK

BLATT INREVERSEPOSITION


KOLBENTRIEBWERKE 82



76. Was versteht man unter "Schränkung" eines Propellers ?

77. Was versteht man unter "Steigung" eines Propellers ?

78. Wodurch werden die meisten Verstellpropeller betätigt ?

79. In welcher Form wird die Regelgröße (Ist-Wert) im Gover-nor eines Constant Speed Propellers dargestellt ?

80. Was geschieht im Governor, wenn der Drehzahlhebel nach vorn (INCREASE RPM) geschoben wird ?

81. Was geschieht, wenn im Reiseflug der Gashebel vorge-schoben wird ?

82. Wann spricht die automatische Segelstellungsanlage (Auto Feather) an ?

83 . Wodurch wird im Fluge ein Verstellen der Propeller in Um-kehrstellung (Reverse) verhindert ?

84. Wo sitzt der Schalter, der im Fluge ein Verstellen der Pro-peller in Umkehrstellung (Reverse) verhindert ?

85. Welche Einrichtungen gibt es, um den Propeller eines ste-henden Triebwerks aus Segelstellung zu fahren ?

86. In welcher Steigung ist ein Verstellpropeller beim "Abbrem-sen" (Power Check) des Triebwerks am Boden ?


KOLBENTRIEBWERKE 83



76. Zunehmende Verdrehung des Propellerblatts von aussen nach innen, damit der Einstellwinkel überall gleich ist

77. Axialer Weg des Propellerblattes bei einer Umdrehung

78. Hydraulisch mit Triebwerksöl

79. Durch die drehzahlabhängige Zentrifugalkraft der Fliehgewichte

80. Die Vorspannung der Feder des Fliehkraftreglers wird stärker

81. Die Propellersteigung wird grösser, die Drehzahl bleibt gleich

82. Wenn bei vorgeschobenem Gashebel die Leistung länger als 2 Sekunden abfällt

83. Fahrwerks-Sicherheitsschalter (Landing Gear Safety Switch) , Air/Ground Switch, Scherenschalter, Squat Switch

84. An der Federbeinschere (Spurgabel, Torsion Link)

85. Druckspeicher (Akkumulator) mit Feder oder Stickstoff, elektrische Pumpe

86. Am Anschlag "Kleine Steigung"

JAR-ATPL 11 TW-Bedienung

KOLBENTRIEBWERKE 84


021 03 01 11 Triebwerks-Bedienung und Überwachung

Betriebsstörungen

Die Voraussetzung für einem störungsfreien Motorbetrieb ist, dass - alle technischen Bedingungen (z.B. einwandfreier Zustand des

Motors, ausreichend Kraftstoff und Öl der richtigen Sorte) gegeben sind,

- die Bedienung durch eine sachkundige Person nach Checkliste und Betriebsanleitung erfolgt,

- diese sachkundige Person das normale Betriebsverhalten des Mo-tors und die dazugehörigen Instrumente-Anzeigen in allen Leis-tungsbereichen kennt, sowie über ausreichende System-Kenntnis-se verfügt, um bei Abweichungen vom Normalzustand die Ursache zu erkennen und gegebenenfalls einzugreifen.

Die folgende Liste von Motorstörungen und möglicher Ursachen ist ohne Bezug auf ein bestimmtes Triebwerksmuster und deshalb allgemein gehalten. Beim Anlassen - Motor rührt sich nicht Fehler in der Stromversorgung: Voltmeter ? Starter

defekt - Motor ruckt, aber dreht nicht durch Spannung bricht bei Belastung zusammen, Batterie ? Motor mit hängenden Zylindern: Bei Verdacht auf

Flüssigkeitsschlag unterste Zündkerzen herausnehmen. - Kalter Motor springt nicht an Zuwenig Kraftstoff: Mehr "primen" Motor abgesoffen: Mit offener Throttle durchdrehen. - Heißer Motor springt nicht an Dampfblasen im Kraftstoffsystem. Geeignetes Verfahren

zum bezw. bleibt wieder stehen Entlüften anwenden (systembedingt) Beim Abbremsen - Prüfdrehzahl wird nicht erreicht Zündkerzen verrusst durch langen Leerlauf mit reichem

Gemisch: Kerzen-Reinigungslauf mit armen Gemisch durchführen, sonst Werkstatt

- Grosser Drehzahl-Abfall beim Zündsystem prüfen Magnetcheck Im Steigflug (Climb Power mit Auto Rich) - Leistung lässt nach, rauher Lauf Gemisch zu reich, automatischer Gemischregler hängt,

Zündkerzen verrusst durch zu reiches Gemisch - Motor schüttelt und läuft rauh Bei Verdacht auf Klopfen: Ladedruck verringern und Dreh-

zahl erhöhen. Im Reiseflug (Cruise Power mit Manual Lean) - Rauher Lauf Fuel Flow Anzeige? Gemisch zu reich oder zu arm In allen Betriebszutänden: - Abweichungen von den Normalwerten Siehe unter Schmierstoff- Anlage von Öldruck- Öltemperatur und - Leistung lässt nach, rauher Lauf Vereisung im Lufteinlass oder Vergaser (Vorwärmung ?) Eis im Kraftstoffilter


KOLBENTRIEBWERKE 85


Leistungseinstellungs-Instrumente. Leistungseinstellungs-Instrumente dienen zum "Setzen" der Triebwerks-leistung und Überwachen der Betriebswerte. Zwischen den angezeigten Parametern bestehen funktionelle Zusammenhänge, die der Pilot kennen muss. Die Ladedruck- (Manifold Absolute Pressure = MAP) Anzeige zeigt den absoluten Druck hinter der Drosselklappe in Inches of Mercury (Zoll Quecksilbersäule) an. Bei stehendem Motor und ISA SL muss die Anzeige 29,92 "Hg betragen, das sind 760 mm Hg = 1.013 mb. Wichtig: Motoren mit Lader oder mit Gleichdrehzahl- (Constant Speed-) Propeller müssen eine MAP-Anzeige haben. Die Drehzahl-Anzeige zeigt Umdrehungen pro Minute (Revolutions per Minute = RPM) der Kurbelwelle an. Bei einem Triebwerk mit verstellbarem Propeller hängt die Drehzahl unter anderem von der Propellersteigung ab. Beim "Abbremsen" muss der Propeller am Anschlag "Kleine Steigung" (FULL INCREASE RPM) sein. Der Kraftstoffdruck (Fuel Pressure) hinter dem Regler kann bei Druck-Vergasern und Kraftstoff-Einspritzsystemenin als analoges Mass für die zugeführte Energiemenge verwendet werden. Manchmal steht auf der Skala auch Fuel Flow, (d.h. Kraftstoff-Durchfluss), aber gemessen wird meistens der Druck. Das Exhaust Gas Temperature (EGT) Instrument wird zur Anzeige der Abgastemperatur -Änderung beim manuellen Verarmen des Reiseflug-Gemisches benutzt. Weil die absolute Temperatur dabei unwichtig ist, sind auf der Skala keine Zahlen. In diesem Beispiel entspricht ein Teilstrich der Skala (Division) einer Temperatur-Änderung von 10 °C. Farbige Markierungen auf den Instrumente-Skalen haben folgende Bedeutungen: Grüner Skalenbereich: Normaler Betriebswert Gelber Skalenbereich: Achtung ! (Caution !) Roter Radialstrich: Grenzwert, soll nicht überschritten

werden

EGT

10°C/DIV

Thermo-Element

im Abgas-Rohr

RPMx 100

MANIFOLD

INCHES of MERCURY ABS


KOLBENTRIEBWERKE 86


Betriebs-Instrumente Die auf dieser Seite genannten Instrumente dienen zur Überwachung des Betriebsverhaltens: Die Zylinderkopf- (Cylinder Head) Temperatur Anzeige hat als Sensor (Messfühler) ein Thermo-Element, welches entweder in einer Zündker-zendichtung oder in einer Sonde zwischen den Kühlrippen enthalten ist. Das Thermo-Element erzeugt die Betriebsspannung für die Anzeige selbst, d.h. die Anzeige braucht keine Stromversorgung vom Bordnetz. Das gilt auch für die EGT-Messung auf der vorigen Seite ! Die Carburetor Air (Vergaser Luft) Temperatur wird mit einem tempe-raturabhängigen Widerstand (Temperature Bulb) im Lufteinlass gemessen. Hierfür ist Gleichstrom-Versorgung erforderlich. Je nach Art der Gemisch-Aufbereitungsanlage (Schwimmer-Vergaser sind am meisten vereisungsgefährdet) gibt es Vorschriften für die Bedienung der Vergaser-Vorwärmung (Carburetor Heat Control) und die Grenzwerte im Betrieb. Die Öldruck (Oil Pressure)- Anzeige hat einen Geber (Transmitter), der den Öldruck in ein elektrisches Signal umwandelt. Angezeigt wird der Be-triebsdruck des Ölsystem hinter dem Öldruck-Regelventil und dem Ölfilter. Das Fernübertragungssystem braucht Stromversorgung. Die Öltemperatur-Anzeige hat einen temperaturabhängigen Wider-stand (meisten derselbe Typ wie bei Carburetor Air) als Messfühler im Bereich des Ölkühlers und braucht Gleichstrom-Versorgung zum Funk-tionieren. Wichtig: Aus Sicherheitsgründen werden in Verkehrsflugzeugen unter Druck stehende Messleitungen mit feuergefährlichen Stoffen wie Luft-Kraftstoffgemisch, Kraftstoff und Triebwerksöl nicht bis zum Anzeige-In-strument ins Cockpit geführt. Früher verwendete man sogenannte Membran-Druckmittler, die den Druck des brennbaren Stoffes über eine Membrane auf eine andere Flüssigkeit übertrugen, welche den Druck vom Motor-Brandschott (engl: Engine Firewall) zum Anzeiger weitergab. Das war zwar feuersicher, aber auch eine zusätzliche Störquelle. Heute verwendet man elektrische Geber, die den Meßwert in ein elektrisches Signal umwanden. Solche elektrischen Fernübertragungen brauchen Stromversorgung, damit die Anzeige funktioniert !

CYL.HEAD

°C

200

160

120

200

160

120

240240

CYLINDERHEAD

°C

ZÜNDKERZE

DICHTUNG

THERMO-ELEMENT

ZYLINDERKOPF

JAR-ATPL 12 Betriebswerte

KOLBENTRIEBWERKE 87


021 03 01 12 Betriebswerte

Richtwerte und Grenzwerte

Für jeden Motor gibt es Richtwerte und Grenzwerte der Betriebspara-meter. Sie stehen im Flughandbuch und sind meistens auch als farbige Bereichs-Markierungen auf den Instrumente-Skalen angegeben. Der normale Betrieb sollte innerhalb dieser Grenzen ablaufen. Der Pilot muss die Bedeutung der Anzeigen über die Vorgänge im Motor kennen, um danach seine Entscheidungen zu treffen. Dazu muss er wissen, welche Folgen ein Abweichen von den normalen Betriebswerten hat, welche Ursachen dahinterstecken, und was gegebenenfalls zu tun ist. Die folgende Aufzählung ist allgemein gültig für typische Kolbentriebwerke. Drehzahl - zu hoch: Bei zu hoher Kolbengeschwindigkeit reisst der Ölfilm,

d.h. die Schmierung versagt; hohe Bauteilbelastung durch hin- und hergehende Massenkräfte. Sofortmassnahmen bei Überdrehzahl durch Propeller Runaway: Blattsteigung vergrössern, Throttle schliessen, Fahrt reduzieren,

- zu niedrig: Motorleistung nicht normal, Ölpumpen-Fördermenge und Kühlung unzureichend, Klopfgefahr

- Schwankungen: Zündaussetzer; Wasser oder Dampfblasen im Kraftstoff

Ladedruck (zwischen Ladedruck und Drehzahl besteht ein Zusammen-

hang !) zu hoch: Klopfgefahr (Gashebelstellung, Waste Gate Controller ?) Kraftstoffdruck bzw. -Fluss Die Anzeige muss der Gashebelstellung bezw. dem Ladedruck

entsprechen und auf Veränderung der Gemischhebel-Stellung reagieren. Bei Einspritzanlagen kann eine ungewöhnlich hohe Anzeige durch verstopfte Düsen verursacht werden, wobei die Leistung abfällt und der Motor unrund läuft.

Öldruck - zu niedrig: Ungenügende Schmierung hochbelasteter Lager (Kur-

belwelle, Pleuel); unzureichende Spritzölkühlung der Zylinder und Kolbenunterseiten (Öltemperatur ?) Um Folgeschäden zu vermei-den, sollte der Motor baldmöglichst abgestellt werden.

- zu hoch: Öl zu kalt, Ölkühler-Thermostat ? Überdruck-Ventil klemmt

JAR-ATPL 12 Betriebswerte

KOLBENTRIEBWERKE 88


Richtwerte und Grenzwerte (Fortsetzung) Öltemperatur - zu niedrig: Öl zu dickflüssig, fliesst zu langsam, erreicht nicht alle

Schmierstellen, Gefahr von Lagerschäden und Kolbenfressern; un-verbrannter Kraftstoff verdampft nicht

- zu hoch: Öl zu dünnflüsig, Öldruck instabil, Schaumbildung im Öl, ungenügende interne Kühlung der heissen Motorteile, Drehzahl-Schwankungen wegen Schaum in der Propeller-Verstellanlage, Öl-verlust durch Verdampfen, Zerstörung von Additiven und beschleu-nigte Alterung des Öls, Zerstörung elastischer Dichtungen

Vergaser-Luft-Temperatur - zu niedrig: Vereisungsgefahr ! - zu hoch: Leistungsverlust, Gemisch zu fett, Klopfgefahr Zylinderkopf-Temperatur - zu hoch: Materialzerstörung, Klopfgefahr - zu niedrig: Unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs, unnötig

hoher Luftwiderstand durch zu weit offene Kühlklappen (Cowl Flaps)


KOLBENTRIEBWERKE 89



87. Was bedeuten die farbigen Skalenmarkierungen auf den Instrumenten ?

a) Grüner Bereich:

b) Gelber Bereich:

c) Roter Strich:

88. Nach welchen Instrumenten wird die Leistung eingestellt bezw. überwacht ?

89 Welche Instrumente zählen zur Betriebsüberwachung ?

90. Welche Systeme können die Ursache von Drehzahlschwan-kungen im Reiseflug sein ?

91. Woran kann es liegen, wenn ein Motor die höchstzulässige Drehzahl überschreitet ?


KOLBENTRIEBWERKE 90



87. a) normaler Betriebszustand

b) Achtung !

c) Grenzwert

88. Ladedruck, Drehzahl

89. Öldruck, Öltemperatur, Zylinderkopf-Temperatur, Kraftstoffdruck bezw -Fluss, EGT, Vergaser-Temperatur

90. Propeller-Verstellung, 2. Gemischbildungs-Anlage, 3. Zündsystem

91. Falsche Propeller-Stellung (Steigung zu gering)

JAR-ATPL STICHWORTVERZEICHNIS

KOLBENTRIEBWERKE 91


STICHWORTVERZEICHNIS Kolbentriebwerke

A

Accesory Drives ..............................................23 AD Oil .............................................................30 Additive (Avgas).............................................66 Additive (Öl) ...................................................30 Adiabat............................................................12 Akkumulator (Propeller)...............................81 Aktion................................................................5 Altitude Flash-Over .......................................40 Anlass-Zündhilfen..........................................41 Anreicherung..................................................50 Antrieb ..............................................................5 Arbeitstakt ........................................................7 Ashless Dispersant .........................................30 Auslasstakt........................................................7 Auto-Feather ..................................................81 Automatic Mixture Control ..........................49 Avgas ...............................................................63

B

Bauformen ........................................................8 Beschleunigung.................................................5 Best Economy Mixtur ....................................72 Best Power Mixtur .........................................72 Betriebs-Anzeige (Kolben) ............................86 Betriebskriterien ............................................88 Bewegungsgrösse..............................................5 Bleitetraäthyl ..................................................65 BMEP ..............................................................18 Bodenleistungskurve......................................52 Bohrung ............................................................6 Boxermotor.......................................................8 Brake Horse Power ........................................18 Bremsleistung .................................................18 Brems-PS ........................................................18 Brennraum .......................................................6

C

Chemical Correct Mixtur ..............................72 Combat Power ................................................53 Constant Speed-Propeller .............................80 Cowl Flaps ......................................................35 Crack"-Verfahren..........................................63 Critical Altitude .............................................61 CRUISE Power...............................................53

D

Dampfdruck ................................................... 63 Dead Cut Check ............................................. 43 Delta-P Regler ................................................ 60 Detonation ...................................................... 67 Dichtehöhe...................................................... 52 Dichte-Regler ................................................. 60 Dip Stick ......................................................... 32 Drehmoment .................................................. 18 Drehschieber-Pumpe ..................................... 48 Drosselklappe ................................................. 49 Druck-Vergaser ............................................. 46

E

Einlasstakt ........................................................ 7 Expansion ....................................................... 11

F

Faltenbalg ....................................................... 49 Feather Pump................................................. 81 Flammfront .................................................... 67 Funkenregen .................................................. 42

G

Gasoline .......................................................... 63 Gemischregler ................................................ 49 Gemisch-Verarmung ..................................... 74 Geschwindigkeit............................................... 5 Gleichdrehzahl Propeller .............................. 80 Glühzündung.................................................. 67

H

Hauptpleuel ...................................................... 8 Heizwert.......................................................... 63 Heptan ............................................................ 65 HIGH BLOWER ........................................... 59 Hilfsgetriebe ................................................... 23 Höhenleistungskurve ..................................... 52 Horsepower .................................................... 18 Hub.................................................................... 6 Hubraum .......................................................... 6


KOLBENTRIEBWERKE 92


I

Idealer Kreisprozess ......................................13 IDLE................................................................53 IMEP ...............................................................18 Impulskupplung .............................................41 Impulssatz.........................................................5 Indikator-Diagramm .....................................18 Indirekte Einspritzung ..................................47 Intercooler ......................................................24 Isentrop ...........................................................12 Isobar ..............................................................12 Isochor.............................................................12 Isotherm ..........................................................12

J

Joule ................................................................11

K

Kilowatt...........................................................18 Kipphebel........................................................22 Kleeblatt-Ventil ..............................................49 Klopfen............................................................67 Klopffestigkeit ................................................65 Kolbenbolzen ..................................................21 Kolbenringe ....................................................21 Kompression ...................................................11 Kompressions-Verhältnis ................................6 Kraftstoff-Einspritzung .................................47 Kreisprozess....................................................13 Kröpfung...........................................................8 Kühlluft-Klappen ...........................................35 Kühlrippen .....................................................21 Kurbelkreis .......................................................6 Kurbeltrieb .....................................................21 Kurbelwelle.......................................................6 Kurbelzapfen ....................................................6

L

Ladedruck.......................................................49 Lader ...............................................................59 Leistung...........................................................18 Leistungs-Anzeigen (Kolben) ........................86 Leistungskurve ...............................................19 Leistungsmasse .................................................6 Leistungssteigerung .......................................57 Leistungszahl (Avgas) ....................................65 LOW BLOWER.............................................59 Luft/Kraftstoff-Gemisch................................72 Luftkühlung....................................................35

M

Magnet-Check................................................ 43 Magnetzündung ............................................. 38 Manifold Absolute Pressure ......................... 86 Manual Leaning ............................................. 74 Maximum Continuous Power ....................... 53 MCP Power .................................................... 53 Mechanischer Wirkungsgrad ....................... 14 Mehrbereichsöl .............................................. 30 METO Power ................................................. 53 Mikro-Organismen ........................................ 66 MIL SPEC ...................................................... 29 Mischungs-Verhältnis ................................... 49 Mixture Control ............................................. 49 Multigrade Oil................................................ 30

N

Naßsumpf-System .......................................... 31 Nebenpleuel ...................................................... 8 Negative Torque Sensing............................... 81 Newtonmeter .................................................. 11 Niederspannungs-Zündanlage...................... 40 Nockenwelle.................................................... 21

O

Oktan .............................................................. 65 Oktanzahl ....................................................... 65 Öldruck........................................................... 31 Ölkreislauf ...................................................... 31 Ölkühler.......................................................... 31

P

Peilstab............................................................ 32 Performance Number.................................... 65 Pferdestärke ................................................... 18 Pitch ................................................................ 77 Pleuel................................................................. 7 Pleuelfehler....................................................... 8 Polytrop .......................................................... 12 Power .............................................................. 18 Power Settings................................................ 53 Primärwicklung ............................................. 39 Primer-Ventil ................................................. 49 Propeller ......................................................... 77 Propeller Reverse........................................... 82 Propeller-Governor ....................................... 80 Prüfdrehzahl .................................................. 43 P-V Diagramm ............................................... 13


KOLBENTRIEBWERKE 93


R

Reaktion ............................................................5 Realer Kreisprozess .......................................13 Reid Vapor Pressure Scale ............................63 Reihenmotor .....................................................8 Retard Breaker...............................................41 Rich Mixture ..................................................72 RPM-Speed.....................................................43

S

SAE..................................................................30 Saybolt Universal Viscosimeter ....................30 Schleifbahn-Verteiler.....................................40 Schlupf ............................................................77 Schmierstoff-System ......................................28 Schnapper (Zündmagnet) .............................42 Schränkung.....................................................77 Schubkraft ........................................................5 Schwimmer-Vergaser ....................................46 Segelstellung (Propeller)................................81 Sekundärwicklung .........................................39 Selbstentzündung ...........................................67 SFC ..................................................................15 Shower of Sparks ...........................................42 Spezifischer Kraftstoffverbrauch .................15 Startleistung ...................................................53 Startvibrator...................................................42 Steigung...........................................................77 Sternmotor........................................................8 Stöchiometrisches Gemisch ...........................72 Stockpunkt......................................................64 Supercharger ..................................................59

T

TAKE-OFF Power .........................................53 Teledyne Continental.....................................24 Thermischer Wirkungsgrad..........................14 Thermodynamik.............................................11 Totpunkt ...........................................................6 Trockensumpf-System ...................................31 Turbocharger .................................................24 Turbolader......................................................60

U

Überschlagverteiler ....................................... 40 Umkehrstellung (Propeller) .......................... 82 Unterbrecherkontakt..................................... 39

V

Ventil................................................................. 7 Ventilfeder ...................................................... 22 Ventilführung................................................. 21 Ventilsitz ......................................................... 21 Ventilspiel ....................................................... 22 Ventilsteuerung .............................................. 22 Ventilstössel.................................................... 22 Ventil-Überschneidung ................................... 7 Venturi............................................................ 46 Verdichtungstakt ............................................. 7 Vereisung........................................................ 51 Vibrator .......................................................... 41 Viertakt-Motor ................................................ 7 Viskosität ........................................................ 30 V-Motor ............................................................ 8 Volldruckhöhe................................................ 52 vollgasfest ....................................................... 61

W

Wärmeäquivalent .......................................... 11 Wasser/Methanol ........................................... 57 Waste Gate ..................................................... 60 Wattsekunde .................................................. 11 Wirkungsgrad ................................................ 11

Z

Zündfolge........................................................ 38 Zündgeschirr .................................................. 38 Zündgrenzen .................................................. 72 Zündmagnet ................................................... 39 Zündschalter .................................................. 42 Zündspule ....................................................... 39 Zündzeitpunkt.................................................. 7 Zustandsänderungen ..................................... 11 Zylinder ............................................................ 6


TRIEBWERKE 1


INHALTSVERZEICHNIS Turbinentriebwerke

021 03 00 00 TRIEBWERKE...................................................................................... 4

021 03 02 00 TURBINEN-TRIEBWERKE ............................................................................ 4

021 03 02 01 Arbeitsprinzip des Turbinen-TW ................................................................. 4 Schuberzeugung ................................................................................................................ 4 Zustandsänderungen des strömenden Gases. .................................................................. 6 Kreisprozess des Turbinentriebwerks ................................................................................ 7 Schubspezifischer Kraftstoffverbrauch............................................................................... 8 Wirkungsgrade, Einflussgrössen........................................................................................ 9 Lernkontroll-Aufgaben 101 - 110...................................................................................... 11 Lernkontroll-Lösungen 101 - 110 ..................................................................................... 12

021 03 02 02 Triebswerkstypen ....................................................................................... 13 Bauarten von Turbinen-Triebwerken................................................................................ 13 Mehrwellen-Turbofan-Triebwerke .................................................................................... 14 Propeller-Turbinentriebwerke ........................................................................................... 15 Turboprop-Triebwerke: Besonderheiten .......................................................................... 16

021 03 03 00 TURBINEN-TW-KONSTRUKTION ............................................................. 17

021 03 03 01 Lufteinlass ................................................................................................... 17 Aufgabe, Aufbau............................................................................................................... 17 Gefahrenbereiche am laufenden Triebwerk..................................................................... 18 Lernkontroll-Aufgaben 111 - 119...................................................................................... 19 Lernkontroll-Lösungen 111 - 119 ..................................................................................... 20

021 03 03 02 Kompressor .................................................................................................. 21 Radial-Verdichter.............................................................................................................. 21 Axial-Verdichter, Aufbau, Arbeitsweise ............................................................................ 22 Verdichter von Mehrwellen-Triebwerken.......................................................................... 23 Verdichter-Pumpen (Surge); Strömungsabriss (Stall)...................................................... 24 Verdichter-Kennfeld, Einflußgrössen................................................................................ 26

021 03 03 03 Diffusor ........................................................................................................ 27 Aufgaben .......................................................................................................................... 27 Lernkontroll-Aufgaben 120 - 129...................................................................................... 28 Lernkontroll-Lösungen 120 - 129 ..................................................................................... 29

021 03 03 04 Brennkammer .............................................................................................. 30 Aufbau der verschiedenen Brennkammer-Typen ............................................................ 30 Arbeitsweise ..................................................................................................................... 31

021 03 03 05 Turbinen....................................................................................................... 32 Aufbau von Radial- und Axial-Turbine.............................................................................. 32 Aufgabe und Arbeitsweise................................................................................................ 33 Beanspruchung, Kühlung ................................................................................................. 34 Thermische Überwachung (TIT, EGT) ............................................................................. 35 Lernkontroll-Aufgaben 130 - 143...................................................................................... 36 Lernkontroll-Lösungen 130 - 143 ..................................................................................... 38

021 03 03 06 Schubdüse................................................................................................... 39 Aufgabe und Arbeitsweise................................................................................................ 39


TRIEBWERKE 2


021 03 03 07 Betriebswerte ............................................................................................... 40 Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitsverlauf .......................................................... 40

021 03 03 08 Schubumkehrer........................................................................................... 41 Arten, Wirkungsweise....................................................................................................... 41 Bedienung, Überwachung ................................................................................................ 42 Lernkontroll-Aufgaben 144 - 152...................................................................................... 43 Lernkontroll-Lösungen 144 - 152 ..................................................................................... 44

021 03 03 09 Leistungs-Erhöhung von Turbinen-Triebwerken .................................... 45 Nachverbrennung ............................................................................................................. 45 Wasser-Einspritzung ........................................................................................................ 46

021 03 03 10 Luftentnahme .............................................................................................. 48 Aufgabe und Arbeitsweise................................................................................................ 48 Auswirkungen ................................................................................................................... 49

021 03 03 11 Hilfsgeräte-Getriebe.................................................................................... 50 Aufgabe, Einbauort ........................................................................................................... 50 Lernkontroll-Aufgaben 153 - 162...................................................................................... 51 Lernkontroll-Lösungen 153 - 162 ..................................................................................... 52

021 03 04 00 TURBINEN-TRIEBWERKS-SYSTEME........................................................ 53

021 03 04 01 Zündanlagen................................................................................................ 53 Aufbau, Arbeitsweise........................................................................................................ 53

021 03 04 02 Startanlagen ................................................................................................ 55 Elektrische Startanlagen................................................................................................... 56 Pneumatischer Niederdruck-Turbinenstarter ................................................................... 57 Niederdruck-Turbinenstarter, Startvorgang...................................................................... 58

021 03 04 03 Startprobleme.............................................................................................. 59 Lernkontroll-Aufgaben 163 - 175...................................................................................... 61 Lernkontroll-Lösungen 163 - 175 ..................................................................................... 63

021 03 04 04 Triebwerksseitige Kraftstoff-Anlage ......................................................... 64 Aufgabe ............................................................................................................................ 64 FCU-Regelprinzip ............................................................................................................. 65 Aufbau .............................................................................................................................. 66 Überwachung ................................................................................................................... 67 Lernkontroll-Aufgaben 176 - 187...................................................................................... 68 Lernkontroll-Lösungen 176 - 187 ..................................................................................... 70

021 03 04 05 Schmierstoff-Anlage................................................................................... 71 Aufbau, Arbeitweise, Kühlung .......................................................................................... 71 Überwachung ................................................................................................................... 72

021 03 04 06 Kraftstoffe für Turbinentriebwerke ........................................................... 73 Eigenschaften................................................................................................................... 73 Kraftstoff-Verunreinigungen, Wasser im Kraftstoff ........................................................... 74 Lernkontroll-Aufgaben 188 - 199...................................................................................... 75 Lernkontroll-Lösungen 188 - 199 ..................................................................................... 77

021 03 04 07 Schub- und Vortriebsleistung.................................................................... 78 Einflussgrössen für TL und ZTL ....................................................................................... 78 Schubverlauf in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Flughöhe ................................. 80 Flat-rated Engine .............................................................................................................. 81 Triebwerkslärm ................................................................................................................. 82


TRIEBWERKE 3


021 03 04 08 Triebwerks-Bedienung und -Überwachung ............................................. 83 Leistungs- und Schubbezeichnungen .............................................................................. 84 Triebwerks-Bedienung...................................................................................................... 85 Propeller-Turbinen-Triebwerk: Leistungs-Überwachung ................................................. 87 Propeller-Turbinen-Triebwerk: Bedienung ....................................................................... 88 Lernkontroll-Aufgaben 200 - 211...................................................................................... 89 Lernkontroll-Lösungen 200 - 211 ..................................................................................... 91

021 03 05 00 HILFSKRAFTANLAGEN .............................................................................. 92 Hilfskraftanlagen (allgemein) ............................................................................................ 92

021 03 05 01 Bordaggregat (Auxiliary Power Unit)........................................................ 93 Aufgaben, Aufbau............................................................................................................. 93 Auxiliary Power Unit: Betrieb ............................................................................................ 95

021 03 05 02 Stauluft-Turbine (Ram Air Turbine)........................................................... 97 Lernkontroll-Aufgaben 212 - 223...................................................................................... 98 Lernkontroll-Lösungen 212 - 223 ................................................................................... 100

STICHWORTVERZEICHNIS Turbinen-TW...................................................................... 101 FRAGENKATALOG .......................................................................................................... 104 ABSCHLUßTEST .............................................................................................................. 129

JAR-ATPL 02 00 TURBINEN-TW

TRIEBWERKE 01 Arbeitsprinzip 4


021 03 00 00 TRIEBWERKE

021 03 02 00 Turbinen-Triebwerke

021 03 02 01 Arbeitsprinzip des Turbinen-TW

Schuberzeugung Alle Flugzeug-Triebwerke sind Wärmekraftmaschinen. Für die Umwand-lung der beim Verbrennen des Luft/Kraftstoff-Gemisches entstehenden Wärme in Vortriebskraft gibt es zwei Verfahren: Beim Kolbentriebwerk steigt der Druck des im Zylinder bren-

nenden Gases und übt eine Kraft auf den Kolben aus. Beim Turbinentriebwerk vergrössert sich das Volumen des

Gases in der Brennkammer, ohne dass der Druck dabei steigt. Dafür nimmt die Geschwindigkeit zu. Das ausströmende Gas treibt die Turbine an. Die Turbine ist erforderlich, um den Verdichter an-zutreiben, ohne den das Triebwerk nicht arbeitet.

In beiden Triebwerksarten sind vier Vorgänge erforderlich, nämlich 1. Einlass 2. Verdichtung 3. Verbrennung 4. Auslass Die dabei erfolgenden Zustandsänderungen des Gases betreffen - Volumen - Druck - Temperatur - Geschwindigkeit Beim Kolbentriebwerk erfolgen alle Änderungen des Gaszustands nacheinander im gleichen Raum, dessen Volumen durch die Bewegung des Kolbens im Zylinder verändert wird. Der Gaswechsel wird durch Ventile gesteuert. Das Kolbentriebwerk braucht einen Propeller, um Wellenleistung in Vortriebsleistung umzuwandeln. Beim Turbinentriebwerk erfolgen alle Änderungen des Gaszustands gleichzeitig in verschiedenen Räumen, die nacheinander vom Gas durchströmt werden. Durch die Verbrennung des Kraftstoffs wird die Temperatur erhöht und bei gleichem Druck das Volumen vergrössert. Das ausströmende Gas muss durch die Turbine, die es dadurch antreibt.

EINLASSVERDICHTUNG

VERBRENNUNGAUSLASS

KOLBENTRIEBWERK

TURBINENTRIEBWERKVerdichter Turbine




Schuberzeugung (Fortsetzung) Etwa zwei Drittel der zugeführten Energie braucht das Turbinen-triebwerk für den Antrieb des Verdichters. Auf welche Weise das ver-bleibende Drittel der Energie in Schub zum Vortrieb des Flugzeugs umgewandelt wird, hängt von der Bauart des Triebwerks ab: - Reine Turbinen-Strahltriebwerke (Turbo-Jet) haben hinter der

Turbine eine Düse, wo das austretende verbrannte Gas beschleu-nigt wird und den Schub erzeugt.

- Zweikreis-Turbinentriebwerke beschleunigen mehr Luft, als für

die Verbrennung gebraucht wird. Die Turbine entnimmt dafür dem heissen Gas auch noch Energie für den Antrieb entweder eines Propellers (Turbo-Prop.Triebwerk) oder eines sogenannten "Fans" (Turbo-Fan Triebwerk), womit zusätzliche Luft nach hinten be-schleunigt wird.

Die Schubkraft zum Antrieb des Flugzeugs ist das Produkt aus Masse mal Beschleunigung.




Zustandsänderungen des strömenden Gases in Diffusor und Düse. Wir wissen, dass bei jeder Energie-Umwandlung Verluste auftreten. Für die folgenden Erklärungen der Vorgänge im strömenden Gas werden je-doch Verluste durch Luftwiderstand, innere Reibung, Wirbel und Wärme-Abstrahlung vernachlässigt. Die Gesamtenergie einer bestimmten strömenden Gasmasse besteht aus drei Teilen; nämlich - Druck P (Pressure) - Temperatur T - Geschwindigkeit V (Velocity) Strömt das Gas durch einen Kanal (Duct) mit konstantem Querschnitt (Beispiel A), bleiben die Anteile unverändert. Das Pizza- (oder Torten-) Diagramm davor und dahinter ist gleich. Wenn das Gas durch einen Kanal strömt, dessen Querschnitt sich än-dert, ändert sich das Verhältnis der Anteile zueinander, aber die Summe bleibt gleich. Ein divergenter (weiter werdender) Kanal (Beispiel B) heisst Diffu-sor. Dort nimmt die Geschwindigkeit ab. Dafür steigt der Druck, und zusammen mit dem Druck steigt die Temperatur. Die Gesamt-Energie bleibt konstant. Ein konvergenter (enger werdender) Kanal (Beispiel C) heisst Düse (engl: Jet) Dort nimmt die Geschwindigkeit zu. Dafür sinkt der Druck, und zusammen mit dem Druck sinkt auch die Temperatur (merken: Druck und Temperatur verändern sich immer in der gleichen Richtung). Die Gesamt-Energie bleibt konstant. Auf diesen beiden Grundformen der Energie-Umwandlung beruht die Funktion des Turbinentriebwerks: Im Verdichter ist der Kanal zwischen zwei Rotorschaufeln immer ein Diffusor. Die Geschwindigkeit nimmt ab, Druck und Temperatur steigen. Über die Welle kommt Energie von der Turbine und fügt Ge-schwindigkeit hinzu. Der Kanal zwischen den nachfolgenden Stator-schaufeln ist nochmals ein Diffusor, der Geschwindigkeit in mehr Druck und Temperatur umwandelt. In der Turbine ist der Kanal zwischen zwei Statorschaufeln immer eine Düse. Die Geschwindigkeit nimmt zu, Druck und Temperatur neh-men ab. Das Gas trifft auf die Rotorschaufeln, die den grössten Teil der Energie in mechanische Arbeit umwandeln und über die Welle den Verdichter antreiben. Der Kanal zwischen zwei Rotorschaufeln ist meistens eine Düse. Die Form ist abhängig davon, ob das Triebwerk seine Arbeit als Schub aus der Düse oder über eine Antriebswelle für einen Fan bezw. Propeller liefern soll.

Druck

Geschwindigkeit Temperatur

Gesamt-Energie

Konvergenter Kanal = Düse

Divergenter Kanal = Diffusor

Rotor

Stator

PTV

VT

P

Rotor

Stator

Verdichterstufe

++=

Turbinenstufe

TV

P

TVP

Kanal mit konstantem Querschnitt

B

C

TVPA

TVP

TVP

Verdichter Turbine




Kreisprozess des Turbinentriebwerks Auch beim Turbinentriebwerk erfolgt die Umwandlung von Wärme in me-chanische Arbeit durch mehrere aufeinanderfolgende Zustandsänderun-gen in einem Kreisprozess. Das Arbeitsmedium ist angesaugte Luft, welche nach dem Durchlauf durch neue Luft mit gleichem Ausgangs-zustand ersetzt wird. Ähnlich wie beim Kreisprozess des Kolbentriebwerks kann auch bei der Gasturbine für theoretische Berechnungen ein idealer Verlauf der Zu-standsänderungen angenommen werden, wobei jeweils eine Zustands-grösse unverändert bleibt. Ideales P - V - Diagramm Wird der Verlauf von Druck P und Volumen V zwischen Einlass und Aus-tritt in einem Diagramm dargestellt, entsteht ein geschlossener Kurven-zug: Von 1 nach 2 wird verdichtet, indem das Volumen verringert wird. Dabei steigt der Druck (dass dabei auch die Temperatur steigt, ist wird hier ver-nachlässigt. Von 2 nach 3 steigt die Temperatur, weil Kraftstoff verbrennt. Da in der Brennkammer ein grösserer Raum zur Verfügung steht, nimmt das Volu-men zu, ohne dass der Druck steigt. Von 3 nach 4 expandiert das Gas, indem es durch die Turbine strömt. Das Volumen nimmt zu, während der Druck abnimmt. Von 4 nach 1 ist der Volumenausgleich bei gleichem Druck zur Ausgangsbedingung des Kreisprozesses. Die Fläche des Kurvenzugs stellt die Arbeit dar. Ideales T - S - Diagramm Entropie (Formelbuchstabe S) ist die Arbeitsfähigkeit einer Wärme-menge. Sie ist eine Zustandsgrösse der Thermodynamik. Werden Temperatur T und Entropie S in einem Diagramm dargestellt, entsteht ein geschlossener Kurvenzug: Von 1 nach 2 steigt die Temperatur (der Druck auch). Von 2 nach 3 wird Kraftstoff verbrannt. Mit der Temperatur steigt die En-tropie. Von 3 nach 4 wird Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt, wobei die Temperatur abnimmt (der Druck auch). Von 4 nach 1 ist der Ausgleich von Temperatur und Entropie zur Aus-gangsbedingung des Kreisprozesses. Die Fläche des Kurvenzugs stellt die Wärmemenge dar.

P

1

2 3

4

Volumen

Temperatur

Druck

V

T

Entropie S

1

4

2

3

Idealer Kreisprozess der Gasturbineals P - V - Diagramm

als T - S - DiagrammIdealer Kreisprozess der Gasturbine

1 2 3 4




Schubspezifischer Kraftstoffverbrauch, Einflußgrößen Als Vergleichswert für die Wirtschaftlichkeit eines Triebwerks dient der schubspezifische Kraftstoff-Verbrauch Thrust Specific Fuel Consump-tion = TSFC. Die Angabe ist in "Kilogramm Kraftstoff pro Kilonewton (kN) oder Kilopond (kp) Schub pro Stunde" bezw. "lbs fuel per lbs thrust per hour" und bezieht sich auf bestimmte Standard-Betriebsbedingungen. Wenn es um den tatsächlichen Kraftstoffverbrauch im Fluge geht, müssen Triebwerk und Zelle bei jedem Flugleistungs (Performance) -Problem im Zusammenhang betrachtet werden. Triebwerksleistung und aerodynamisches Verhalten des Flugzeugs werden von vielen Bedingun-gen bestimmt, die sich in ihren Auswirkungen gegenseitig beeinflussen. Wichtig für die Flugplanung sind die Einflüsse von Geschwindigkeit und Flughöhe auf die Reichweite (Range) bei einer gegebenen Kraftstoffmen-ge. Es gibt für jedes Fluggewicht (eines gegebenen Flugzeugs) - eine Geschwindigkeit, bei welcher die grösste Reichweite erzielt

wird (Max. Range Cruise) und - eine Flughöhe für maximale Reichweite (Range Optimum Altitude) Aus dem Fuel Flow lässt sich berechnen, wie lange ein Flugzeug mit einer gegebenen Kraftstoff-menge in der Luft bleiben kann (Endurance). Weil während des Fluges das Gewicht durch den Kraftstoffverbrauch abnimmt, hängt diese Rechnung von mehreren variablen Einflußgrössen ab. Zur Ermittlung der wirtschaftlichsten Fluggeschwindigkeit eines Verkehrs-flugzeugs werden die Kosten für den Kraftstoff und die Betriebszeit - d.h. auch Triebwerksstunden, Wartung und Pilotengehälter - herangezogen. Zur Berechnung der Flugleistungsdaten gibt es heute digitale Performance Data Computer, die für jede mögliche Kombination von Bedingungen die optimale Triebwerkseinstellung berechnen und anzeigen bezw. über das Auto Throttle System einstellen.




Wirkungsgrade, Einflussgrössen Der Wirkungsgrad (Efficiency) η einer Wärmekraftmaschine - also auch eines Turbinen-Triebwerks - ist das Verhältnis von Nutzarbeit zu aufgewendeter Energie und immer kleiner als 1. Im Betrieb der Wärmekraftmaschine wirken mehrere Wirkungsgrade zusammen: Der thermische Wirkungsgrad ηtherm ist das Verhältnis der in nutzbare Arbeit umgewandelten Wärmemenge zur zugeführten Energie. Die Einflussgrössen des thermischen Wirkungsgrades sind - das Verdichter-Druckverhältnis, - der Unterschied zwischen Aussen- und Turbineneintritts-

Temperatur, - die Einzel-Wirkungsgrade der Verdichtungs-, Ausdehnungs- und

Verbrennungsprozesse - Fluggeschwindigkeit und Flughöhe Der mechanische Wirkungsgrad ηmech enthält folgende Einflussgrös-sen - die Verluste durch Reibung in den Lagern, - Widerstand, Wirbel und Leckagen der Luft- bezw. Gasströmung in

den durchströmten Triebwerksbereichen, - Verluste durch Luftabnahme zur Kühlung der Turbinen und Druck-

beaufschlagung der Lager - Verluste durch den Antrieb notwendiger Hilfsgeräte wie Kraftstoff-

und Ölpumpen Der Vortriebs- oder Schubwirkungsgrad ηs des Triebwerks hängt ab vom Verhältnis der Geschwindigkeit der beschleunigten Masse zur eintretenden Luft und wird grösser bei Abnahme des Verhältnisses von Austritts- zu Eintritts-Geschwindigkeit. Das bedeutet: Je kleiner der Unterschied zwischen Austritts- und Fluggeschwindigkeit; um so besser ist der Vortriebs-Wirkungsgrad, aber um so geringer ist der Schub ! Der Gesamt-Wirkungsgrad ηges berücksichtigt alle Verluste, die bei der Umwandlung von Wärme in Vortriebsarbeit auftreten: - Wärmeverluste durch Strahlung, - innere mechanische Verluste, - äussere Verluste bei der Umwandlung von mechanischer Arbeit in

Vortriebsarbeit




Wirkungsgrade, Einflussgrössen (Fortsetzung) Der Gesamt-Wirkungsgrad ηges ist das Produkt aller Einzel-Wir-kungsgrade ηges = ηtherm x ηmech x ηs Der Gütegrad einer Wärmekraftmaschine ist das Real- : Ideal- Verhält-nis zwischen dem tatsächlich erzielten Ergebnis und der theoretisch möglichen Arbeit. Vorsicht! Falle beim Test: Im Stand am Boden ist - der Schub am grössten, weil ohne Vorwärtsbewegung der Unter-

schied zwischen Austritts- und Eintrittsgeschwindigkeit am größten ist,

- der Vortriebswirkungsgrad Null, weil zur Arbeit immer ein Weg gehört,

- der Gesamt-Wirkungsgrad Null, weil einer der Faktoren Null ist.


TRIEBWERKE Lernkontrolle 11



101. Was ist die Hauptaufgabe der Turbine im Turbinentriebwerk ?

102. Welche Zustandsgrösse des Gases wird durch die Zufuhr von Wärme verändert ?

103. Die Gesamtenergie einer strömenden Gasmasse besteht aus

104. Welche Zustandsänderungen im Gasstrom erfolgen in

a) einem Diffusor ?

b) einer Düse ?

105. Der Kanal zwischen zwei Verdichter-Rotorschaufeln ist

106. Der Kanal zwischen zwei Turbinen-Statorschaufeln ist

107. Was ist ein "offener Kreisprozess" ?

108. Was ist ein "ideales P-V Diagramm" ?

109 Was ist der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraft-maschine ?

110. Wie setzt sich der Gesamt-Wirkungsgrad eines Triebwerks zusammen ?





101. Antrieb des Verdichters

102. Das Volumen des Gases in der Brennkammer wird grösser

103. Druck, Temperatur und Geschwindigkeit

104. a) Druck und Temperatur steigen, Geschwindigkeit nimmt ab

b) Geschwindigkeit steigt, Druck und Temperatur nehmen ab

105. divergent (Diffusor)

106. konvergent (Düse)

107. Das Arbeitsmedium (Luft) wird nach dem Durchlauf durch neue Luft mit gleichem Ausgangszustand ersetzt

108. Theoretische Darstellung mit verlustfreiem Verlauf

109. Das Verhältnis der in nutzbare Arbeit umgewandelten Wärmemenge zur zugeführten Energie

110. Als Produkt aller Einzel-Wirkungsgrade


TRIEBWERKE 02 TW-Typen 13


021 03 02 02 Triebswerkstypen

Bauarten von Turbinen-Triebwerken Turbinentriebwerke von Verkehrsflugzeugen sind "luftatmende" Triebwer-ke. Sie brauchen Sauerstoff aus der umgebenden Luft zur Verbrennung des in flüssiger Form mitgeführten Kraftstoffs. Sie haben mechanische Verdichter, die von Turbinen angetrieben werden. Die umgebende Luft wird auch für die Erzeugung des Schubs zum Vortrieb benötigt. Weil der Schub durch die Beschleunigung einer Masse entsteht, muss die Austrittsgeschwindigkeit höher sein als die Fluggeschwindigkeit. Der Vortriebs-Wirkungsgrad ist besser, wenn der Geschwindigkeits-Un-terschied zwischen dem Flugzeug und der beschleunigten Luftmasse kleiner ist, weil dann weniger Wirbel entstehen, die den Widerstand vergrössern und Lärm verursachen. Beim einfachen Turbojet (Turbinen-Luftstrahltriebwerk, TL) in Bild A ist die Geschwindigkeit des heissen Gasstrahls aus der Düse sehr hoch. Um den Schub zu erhöhen, ohne dabei den Vortriebs-Wirkungsgrad zu verschlechtern, muss die Masse der beschleunigten Luft vergrös-sert werden. Aus diesem Grunde sind die Turbinen-Triebwerke aller heutigen Verkehrsflugzeuge sogenannte Zweikreis-Turbinen-Luft-strahltriebwerke (ZTL). ZTL-Triebwerke haben einen heissen Gasstrom (Kreis), der durch den Kern (Core) des Triebwerks geht und die Turbine(n) antreibt. Das aus der Düse austretende heisse Gas liefert nur einenTeil der Schubkraft. Zur Vergrösserung der Masse wird zusätzlich Luft be-schleunigt, die nicht durch die Brennkammer geht. Das geschieht entweder durch grössere Niederdruckverdichter, oder sogenannte "Fan"-Stufen, die mit niedrigerer Drehzahl laufen. ZTL-Triebwerke haben zwei oder drei konzentrische Wellen, die von getrennten Tur-binen angetrieben werden. Bild B zeigt ein ZTL-Triebwerk, bei dem die 1. und 2. Stufe des Niederdruck-Verdichters besonders gross sind. Sie wirken aussen als Fan und innen als Kompressor. Das Mengenverhältnis zwischen dem kalten und dem heissen Kreis wird C/H- oder Bypass-Verhältnis genannt. Hinter dem Triebwerk umgibt der kalte Luftstrom wie ein Mantel den heissen Gasstrahl und verringert dadurch die Wirbelbildung. Daher auch der Name "Mantelstrom". ZTL (Bypass)-Triebwerke sind nicht nur wirtschaftlicher, son-dern auch viel leiser als reine Turbojets. Bild C zeigt ein ZTL-Triebwerk mit drei Wellen und nur einer Fan-Stufe und einem C/H- Verhältnis von etwa 5 : 1. Das Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (PTL) in Bild D ist op-timal für Geschwindigkeiten bis ca. 600 km/h. Es braucht ein Unter-setzungs-Getriebe zum Antrieb des Propellers. Die Geschwindig-keits-Obergrenze ist erreicht, wenn die Blattspitzen in die Nähe der Schallgeschwindigkeit kommen.

80

60

40

20

200 400 600 800 1000 1200 1400

Fluggeschwindigkeit (km/h)

A

B

D

Kalt

Kalt

C

Kalt

Heiss

Heiss

Heiss Kalt Heiss

Kalt Heiss

HeissHeiss

Heiss

Kalt

Kalt Heiss

Heiss

Kalt Heiss

Heiss




Aufbau eines Mehrwellen-Turbofan-Triebwerks Die Bilder zeigen ein modernes High-Bypass Turbofan-Triebwerk. Es ist in der heute üblichen Modul-Bauweise aus mehreren Baugruppen auf-gebaut und hat zwei Rotorsysteme: - N1 ist der Niederdruck-Rotor mit dem Fan, - N2 ist der Hochdruck-Rotor Betrachten Sie bitte die bezeichneten Bauteile in der angegebe-nen Reihenfolge. 1 Einstufiger Fan. Die Blätter sind bei eingebautem Trieb-

werk einzeln austauschbar 2 Niederduck (N1)-Verdichter (3 Stufen) 3 Niederdruck (N1)-Turbine (4 Stufen) 4 Hochdruck (N2)- Verdichter (9 Stufen) 5 Hochdruck (N2)- Turbine (1 Stufe) 6 Vorderer Ölsumpf mit 3 Lagern 7 Hinterer Ölsumpf mit 2 Lagern 8 Ring-Brennkammer 9 Kraftstoff-Einspritzleitungen 10 N2-Hilfsgeräte-Getriebe 11 Antriebswelle vom N2-Rotor 12 Kraftstoffregler (Main Engine Control) 13 Ölpumpen-Einheit 14 Antrieb für Generator 15 Antrieb für Hydraulikpumpe 16 Starter-Antrieb Anmerkung: Dieses Triebwerk (CFM-56) gibt es in vielen Versionen und Leistungsklassen, u.a. in Boeing 737-300/400/500 und alle danach, Airbus A 320, A 340 usw.

12 3

4 5

6 7

8

9

1

2

3

45

11

12

13

14

15

16

10




Propeller-Turbinentriebwerke Durch die Entwicklung der Turbinentriebwerke wurden Flugzeug-Kolben-motoren aus allen Leistungsklassen über ca. 500 Horsepower (ca. 370 kW) völlig verdrängt. Davon am besten geeignet als Flugzeugantrieb im unteren Geschwindigkeitsbereich sind Propeller-Turbinen (Trurbo-Prop.)-Triebwerke. Warum ? Der Vortriebs-Wirkungsgrad ist um so besser, je kleiner der Geschwindigkeits-Unterschied zwischen dem Flugzeug und der beschleunigten Luftmasse ist. (Siehe Diagramm bei "Bauarten von Turbinen-TW) Bei Geschwindigkeiten bis ca. 600 km/h wird die Leistung der Turbine von einem durch ein Untersetzungs-Getriebe angetriebenen Verstellpropeller mit erheblich besserem Vortriebs-Wirkungsgrad in Schub umgesetzt, als es ein Gasstrahl aus einer Schubdüse kann. Die Geschwindigkeits-Obergrenze eines konventionellen Propellers ist bedingt durch den Anstieg des Widerstands, wenn die aus der Umfangs- und Vorwärtsgeschwindigkeit resultierende Blattspitzen-Geschwindigkeit in den Schallbereich kommt. Wenn der Gasstrahl hinter der Turbine auch noch Schub erzeugt, erhöht das die Gesamtleistung des Triebwerks und wird "Äquivalente Wellenleistung" (Equivalent Shaft Horse Power) genannt. Kleine Turboprop-Triebwerke (bis ca. 2.000 kW) haben Radial-Ver-dichter oder die Kombination von einer Radial-und mehreren Axial-Ver-dichterstufen. Darüber sind Axial-Verdichter zweckmäßiger, weil sie hö-heren Luftdurchsatz mit kleinerem Durchmesser und geringerem Stirn-widerstand ermöglichen. Die Bilder zeigen Beispiele gebräuchlicher Bauarten von Propeller-Tur-binentriebwerken: A Einwellen-Turboprop Garrett 331 mit 2-stufigem Radial-

Verdichter (ca. 500 - 1.000 kW). B Zweiwellen-Tuboprop Pratt & Whitney PT-6 mit freier Turbine

für den Propeller. Verdichter mit 1 Radial- und 3 Axial-Stufen (400 - 1.200 kW).

C Einwellen-Turboprop Rolls Royce "Dart" mit 2-stufigem Radial-Verdichter (1.200 - 1.800 kW).

D Zweiwellen-Turboprop Rolls Royce "Tyne" mit zwei Axial-Verdichtern mit 6 und 9 Stufen (4.500 kW).

Vorteile von Turbo-Prop.-Triebwerken: - Guter Vortriebs-Wirkungsgrad im Auslegungsbereich, dadurch

günstiger Kraftstoff-Verbrauch - Einfache Bedienung durch die Verbindung von Kraftstoffregelung

und Propeller-Verstellung - Propeller-Segelstellung und Reverse möglich Nachteile: - Hoher konstruktiver Aufwand für Propeller und Untersetzungs-

Getriebe, - niedrigere Höchstgeschwindigkeit

A

B

C

D




Turboprop-Triebwerke: Besonderheiten bei der Propeller-Ver-stellung Stellung der Propeller-Blätter beim Triebwerksstart Propeller von Turboprop-Triebwerken werden normalerweise hydraulisch durch Triebwerksöl verstellt. Den zum Verstellen erforderlichen Druck lie-fert im normalen Betrieb eine Zahnradpumpe im Drehzahlregler (Gover-nor). Zum Anlassen eines Turbinentriebwerks dreht der Starter die Welle, auf welcher der Hochdruckverdichter sitzt. Wenn beim Einwellen-Triebwerk (Bild A) auch der Propeller von dieser Welle angetrieben wird, dreht dieser sofort mit und belastet den Starter zusätzlich. In diesem Fall ist es erforderlich, die Blätter zum Anlassen in Null Steigung zu stellen, damit sie den geringsten Luftwiderstand haben. Das geschieht bereits beim Abstellen davor, solange noch Öldruck zum Verstellen vorhanden ist. Wenn das Triebwerk mit eigener Kraft läuft, kann der Propeller normal verstellt werden. Bei einem Triebwerk mit freier Turbine für den Antrieb des Propellers (Bild B) dreht der Starter nur die Welle mit dem Hochdruck-Verdichter. Die Propellerblätter sind beim Anlassen in Segelstellung, weil durch den Abfall des Torque Pressure beim letzten Abstellen die Steigung automatisch vergrössert wurde. Sobald das Triebwerk mit eigener Kraft läuft, fahren die Blätter in den normalen Verstellbereich. Die Leistungs-Einstellung von Turboprop-Triebwerken erfolgt durch die Bedienung von Kraftstoffregelung und Propeller-Verstellung über einen gemeinsamen Hebel (Power Lever). Dabei gibt es zwei Möglichkeiten (siehe auch Kap. 021 03 04 08 Einstel-lung und Bedienung beim PTL-TW). Version 1: Beim Vorschieben des Leistungshebels steigen Fuel Flow, Drehzahl, Propellersteigung und Torque gemeinsam. Die Begrenzung der maximalen Drehzahl erfolgt durch den Propeller-Governor. Version 2: Die Drehzahl wird mit dem Kraftstoffregler auf konstant 100% RPM gere-gelt. Wird kein Schub gewünscht, sind die Propellerblätter in Null Stei-gung. Beim Vorschieben des Leistungshebels geht der Propeller in Stei-gung. Mit dem Drehmoment (Torque) steigt die Leistung. Die Drehzahl bleibt konstant 100% RPM, weil der Kraftstoffregler den Fuel Flow erhöht, bis entweder Torque oder EGT (bezw. TIT) das maximale Limit erreicht ("whichever comes first") und der Power Limiter in die Kraftstoffregelung eingreift. Version 2 wird bei großen Triebwerken mit Axialverdichtern angewandt und bietet folgende Vorteile: - Der Verdichter ist ausgelegt (Design Point) auf besten Wirkungs-

grad bei 100% RPM, - Leistungswechsel erfordern keine Veränderung der Drehzahl, - Für den Antrieb eines Drehstrom-Generators ist kein Constant

Speed Drive erforderlich.

Starter

Starter

90° Steigung

0° Steigung

A

B

Propeller-Steigung beim Anlassen

EINWELLEN-TURBOPROP

TURBOPROP MIT FREIER TURBINE

JAR-ATPL 03 00 KONSTRUKTION

TRIEBWERKE 01 Lufteinlass 17


021 03 03 00 Turbinen-TW-Konstruktion

021 03 03 01 Lufteinlass

Aufgabe, Aufbau Der Lufteinlass ist zwar konstruktiver Bestandteil der Zelle, jedoch ist er ein wesentliches Funktions-Element des Triebwerks mit den folgenden Aufgaben: - Einleitung der Luft mit der günstigsten Geschwindigkeit, - gleichmäßige, wirbelfreie Druckverteilung, - Ausnutzung des Staudrucks zur Vorverdichtung im Reiseflug zur

Wirkungsgrad-Verbesserung Das Arbeitsverhalten ist abhängig von Triebwerksleistung, Fluggeschwin-digkeit, Anstellwinkel des Einlaufs zur anströmenden Luft durch Fluglage oder Seitenwind, Luftdichte (Druck und Temperatur). Der Einlauftrichter oder Bellmouth (Bild A) wird verwendet, wenn keine Verringerung der Einströmgeschwindigkeit erforderlich ist, z B. bei Turbo-Props, Hubschraubern oder bei Triebwerks-Prüfständen. Der Pitot-Einlauf eines Turbojets oder Turbofans (Bild B ) ist ein Diffu-sor, wo die Geschwindigkeit abnimmt, aber Druck und Temperatur stei-gen. Die Form des Kanals ist so gewählt, dass durch die Ausnutzung des Staus zur Vorverdichtung der beste Gesamt-Wirkungsgrad des Flug-zeugs im Reiseflug erreicht wird. Bei einem für wirtschaftlichen Reiseflug mit hoher Unterschall-Geschwin-digkeit optimierten Pitot-Einlauf kann es geschehen, dass beim Start mit hoher Triebwerksleistung und geringer Vorwärtsgeschwindigkeit das Triebwerk nicht genug Luft bekommt. Deshalb gibt es den Pitot-Einlauf mit Sekundär-Luftklappen (Secondary Air Inlet Doors). Die Klappen sind normalerweise federbelastet geschlossen. Sie öffnen sich durch den Druckunterschied (Bild C) und lassen zusätzliche Luft von der Seite ein, wenn das Triebwerk stark ansaugt. Bild D zeigt die Zweitluftklappen in Normalstellung. Überschall-Flugzeuge müssen besondere Einrichtungen im Luftein-lass haben, weil die Eintrittsgeschwindigkeit in den Verdichter unter Schallgeschwindigkeit liegen muss. Im Einlaßkanal der Concorde sind drei Komponenten, deren Stellung in Abhängigkeit von der Triebwerks-leistung und der Fluggeschwindigkeit automatisch verändert wird: - Der Keil (Wedge) verändert die Form des Kanals und den Durch-

trittsquerschnitt. - Die Klappe an der Unterseite kann Luft entweder einlassen (Scoop

Position) oder auslassen (Dump Position). - Mit dem Spill-Valve wird der Druck geregelt. Bild E zeigt die Stellungen im Unterschallbetrieb. In Bild C ist der Flieger im Überschallflug. Der Einlaßkanal ist jetzt ein so-genannter Mehrstoss-Diffusor. Die Eintritts-Geschwindigkeit der Luft wird in mehreren Schritten auf die am Verdichtereintritt erforderliche Unterschall-Geschwindigkeit verzögert. Mehr Theorie ist erst beim Concorde Type-Rating erforderlich.

Wedge

Scoop Position

Dump Position

Spill Valve

Actuator

Unterschall-Betrieb

Überschall-Betrieb

Sekundär-Luftklappen

ReiseflugTake-OffD

E

F

Verstellbarer Einlaufkanal

A B

C

Pitot-Einlauf"Bellmouth"-Einlauf


TRIEBWERKE 01 Lufteinlass 18


Gefahrenbereiche am laufenden Triebwerk Ein laufendes Turbinen-Triebwerk saugt vorne Luft an wie ein riesiger Staubsauger und stösst hinten heisses Gas mit hoher Geschwindigkeit aus. Damit Menschen und Material nicht zu Schaden kommen, muss man die Gefahren kennen, um sie zu vermeiden. Logischerweise gibt es Unterschiede zwischen verschiedenen Flugzeugen, deshalb sind die fol-genden Angaben allgemein gehalten. Die Grösse der Gefahrenbereiche und die Gefährlichkeit sind abhängig von der Triebwerksleistung. Unter den Tragflächen hängende Triebwerke sind ihrerseits besonders gefährdet durch angesaugte Fremdkörper (Foreign Object Damage = FOD).

ANSAUG-GEFAHR AMTRIEBWERKS-EINLASS

ANSAUG-GEFAHR AMTRIEBWERKS-EINLASS

LEERLAUF STARTSCHUB(TAKE OFF THRUST)(IDLE POWER)

TEMPERATURGESCHWINDIGKEIT TEMPERATURGESCHWINDIGKEIT Der Pilot muss wissen, wo bei der Abfertigung im Bereich laufender Triebwerke gearbeitet wird, zum Beispiel hier bei den Positionen - A External Electrical Power Receptacle zur Stromversorgung - B Pneumatic System Ground Connection für den Anschluss des

Luftstartgeräts - C Türen des vorderen und hinteren Frachtraums bei "last

minute" Beladung Die Beachtung der umfangreichen Unfallverhütungs-Vorschriften ist selbstvertändlich.





111. Welche Triebwerks-Bauart eignet sich für ein Verkehrs-flugzeug mit ca. 800 km/h Reisegeschwindigkeit ?

112. Was bedeutet "C/H Verhältnis" ?

113. Welche Vorteile hat ein ZTL Triebwerk in seinem Anwen-dungsbereich gegenüber einem TL Triebwerk ?

114. Welche Vorteile haben konventionelle Turboprop-Triebwer-ke in ihrem Anwendungsbereich gegenüber anderen Turbi-nentriebwerken ?

115. Was versteht man bei Triebwerken unter "Modul-Bauweise" ?

116. Was wissen Sie über den Aufbau eines Turboprop-Trieb-werks, wenn bei abgestelltem Triebwerk am Boden die Pro-pellerblätter in Segelstellung stehen ?

117. Die Aufgaben des Pitot-Lufteinlass vor einem ZTL sind

118. Welche Triebwerke haben einen Einlauftrichter (Bellmouth Inlet) ?

119. Welche Flugzeuge haben verstellbare Lufteinlässe ?





111. High Bypass Fan-Triebwerk

112. Verhältnis von kaltem Luftstrom zu heissem Gasstrom eines Zweikreis-Triebwerks

113. Besserer Vortriebs-Wirkungsgrad, leiser

114. Wirtschaftlicher

115. Aufbau aus trennbaren Baugruppen

116. Es ist ein Mehrwellen-Triebwerk mit freier Turbine für den Propeller-Antrieb

117. Ausrichtung, wirbelfreie Druckverteilung, Verringerung der Geschwindigkeit,Vorverdichtung

118. Hubschrauber- Triebwerke, Wellenturbinen

119. Flugzeuge für Überschall-Geschwindigkeit


TRIEBWERKE 02 Kompressor 21


021 03 03 02 Kompressor

Verdichter: Radial-Verdichter Radial-Verdichter werden in kleinen Turbojets mit geringem Luftdurch-satz, kleinen Propeller-Turbinen und Hilfskraft-Aggregaten (Auxiliary Power Units) verwendet. Eine Radial-Verdichterstufe (Bild A) besteht aus zwei Teilen: Dem angetriebenen Rotor - auch Impeller genannt, und dem Stator, der die beschleunigte Luft aufnimmt und umlenkt . Bild B: Die Luft wird im Rotor durch die Zentrifugalkraft nach aussen beschleunigt. Der Kanal zwischen zwei Rotorstegen ist ein Diffusor, wo Druck und Temperatur steigen. Durch die Drehung wird Geschwindigkeit hinzugefügt. Auch der Stator besteht aus Diffusor-Kanälen, wo die Geschwindigkeit der durchströmen-den Luft verringert und dafür Druck und Temperatur erhöht wird. Die Leistung steigt (wie die Fliehkraft) mit dem Quadrat der Drehzahl. Die Drehzahl-Obergrenze ist abhängig vom Radius bezw. Umfang und liegt bei etwa 90% der Schallgeschwindigkeit am Außenrand, d.h. je kleiner der Rotor, desto höher die mögliche Drehzahl. Das Druckverhältnis (Ausgangs- geteilt durch Eingangs-Druck einer Radial-Verdichterstufe ist abhängig von der Drehzahl und kann ca. 4,5 : 1 erreichen. Bild C zeigt ein Turbojet-Triebwerk älterer Bauart mit einem zweiflutigen (doppelseitigem) Radialverdichter. Damit wird grösserer Luftdurchsatz ohne grösseren Durchmesser (Stirnwiderstand des Triebwerks) erreicht. Bild D zeigt ein Turboprop-Triebwerk mit zwei Radialverdichter-Stufen. Damit wird ein höheres Gesamt-Druckverhältnis des Verdichters erreicht. Vorteile des Radialverdichters - Einfach und aus wenigen Teilen herzustellen. - hohes Stufendruck-Verhältnis. - keine Surge- und Stall-Probleme (wird beim Axialverdichter erklärt. Nachteile des Radialverdichters - Verluste durch den bei jeder Richtungsänderung der Strömung

entstehenden Luftwiderstand. - für grössere Triebwerke wegen der grossen Stirnfläche ungünstig.

A

C

D

StatorRotor

Rotor

Stator

Lufteintritt

Luftaustritt

B




Axial-Verdichter, Aufbau, Arbeitsweise Axial-Verdichter werden verwendet, wo hoher Durchsatz und guter Wirkungsgrad gefordert sind. Bild A zeigt den Aufbau eines typischen Axial-Verdichters und darunter den Verlauf von Druck (P), Geschwindigkeit (V) und Temperatur (T) der durchströmenden Luft. Die feststehenden Eintrittsleitschaufeln (Inlet Guide Vanes) (1) gehören noch nicht zum Verdichter. Der Kanal (Nozzle) zwischen zwei Vorleitschaufeln ist ein Diffusor, wo V abnimmt, und P und T steigen. Durch die Anstellung der Vorleitschaufeln wird die einströmende Luft in die Drehrichtung des Verdichters gebracht, um die Relativ-Geschwindigkeit an der ersten Rotorschaufel zu verringern. In der Mitte tragen die Vorleitschaufeln das vordere Lager des Rotorsystems. Sie sind hohl und können bei Bedarf zur Verhütung von Vereisung von innen mit heisser Luft aus einer der hinteren Verdichterstufen beheizt werden. Jede Axial-Verdichterstufe besteht aus je einer Reihe im Kranz angeordneter Rotor- und Statorschaufeln. Die Rotorschaufeln der ersten Verdichterstufe (2) wirken wie Propeller, welche die vorn einströmende Luft nach hinten beschleunigen und V ver-grössern. Weil der Kanal zwischen zwei Rotorschaufeln ein Diffusor ist, steigen P und T. Das Schaufelprofil ist geschränkt wie bei einem Propel-ler. Bild B zeigt Schnitte des Profils in verschiedenen Abständen von der Wurzel. Die Statorschaufeln der ersten Verdichterstufe (3) lenken die anströ-mende Luft nach hinten. Weil der Kanal zwischen zwei Statorschaufeln ebenfalls ein Diffusor ist, steigen P und T, V nimmt ab. Das wiederholt sich in allen folgenden Stufen. Das Stufen-Druckverhältnis einer Axialstufe beträgt nur etwa 1,2 ...1,3 zu 1 (abhängig von der Drehzahl). Für das Gesamt-Druck-verhältnis von ca. 26...30 zu 1 eines heutigen Hochleistungs-Triebwerks sind deshalb bis zu 16 Axial-Verdichterstufen erforderlich. Mit zunehmen-dem Druck nimmt das Volumen ab, deshalb werden die Schaufeln der hinteren Stufen kleiner und der Kanal dazwischen enger. Vorteile des Axial-Verdichters - Guter Wirkungsgrad - hoher Luftdurchsatz bei kleinem Stirnwiderstand Nachteile des Axial-Verdichters - hoher konstruktiver Aufwand, teuer - niedriges Stufendruck-Verhältnis - problematisches Verhalten (Surge und Stall) ausserhalb der engen

Auslegungs-Parameter

P

T

V

1 2 3 4 5

A

B




Verdichter von Mehrwellen-Triebwerken Die meisten grossen Turbinentriebwerke mit Axial-Verdichtern haben mehrere Rotorsysteme, die mit verschiedenen Drehzahlen laufen. Jedes Rotorsystem besteht aus der antreibenden Turbine, der verbindenden Welle und dem angetriebenen Verdichter bezw. Fan oder Propeller. Der Niederdruck-Verdichter muss langsam laufen, weil sonst die Blatt-spitzen in den Schallbereich kommen. Der Hochdruck-Verdichter braucht hohe Drehzahl, um den geforderten Druck aufzubauen. Dort ist die Schallgrenze kein Problem, weil die Temperatur höher und die axiale Geschwindigkeit der Luft relativ niedrig ist. Ihren besten Wirkungsgrad hätte jede Verdichterstufe bei einer anderen Drehzahl; je höher der Druck, desto schneller müsste sie drehen. Weil das bei den vielen Stufen eines Axial-Verdichters praktisch nicht möglich ist, muss ein Kompromiss gefunden werden. Am häufigsten sind Zweiwellen-Zweikreis-Triebwerke wie der schon er-wähnte CFM 56 mit getrennten Niederdruck- und Hochdruck-Verdich-tern. Beim CFM 56 dreht bei Startleistung das N1 Rotorsystem, bestehend aus Fan, Niederdruck-Verdichter und Niederdruck-Turbine, mit etwa 5.000 RPM. Das N2 Rotorsystem mit dem Hochdruck-Verdichter und der Hochdruck-Turbine dreht mit etwa 14.000 RPM. Beide Verdichter sind so konstruiert, dass sie bei Reiseflugleistung den besten Wirkungsgrad haben. Das ist die sogenannte Auslegungsdrehzahl (Design Speed). Bei beiden Verdichtern sind konstruktive Maßnahmen erforderlich, die bei anderen Betriebszuständen das Pumpen (Surge) und den Strömungsabriß (Stall) verhindern sollen. Bei niedriger Triebwerksleistung fördert der N1-Verdichter mehr Luft, als der N2 Verdichter verarbeiten kann. Deshalb sind im Gehäuse zwischen N1 Verdichter-Ausgang und N2 Verdichter-Eingang insgesamt 12 ver-stellbare Ablass-Ventile (Variable Bleed Valve = VBV) angeordnet, die je nach Bedarf von einem gemeinsamen hydraulischen Motor über eine biegsame Welle verstellt werden. Im Leerlauf sind sie offen und lassen die überschüssige Luft in den Fan-Kanal austreten, bei höherer Drehzahl schliessen sie. Die Hydraulik-Flüssigkeit zur Betätigung der VBVs ist Hochdruck-Kraft-stoff aus der Pumpe des Kraftstoffreglers, die auch den zum Einspritzen erforderlichen hohen Druck aufbaut. Die Steuerung erfolgt in Verbindung mit der Verstellung der variablen Stator-Schaufeln (VSV) des N2-Verdichters und der Kraftstoff-Regelung durch die Main Engine Control (MEC) an der Accessory Gearbox.

FAN N1-VERDICHTERN2-VERDICHTER

N1-TURBINE

N2-TURBINE

HYDRAULIK-MOTORFÜR VERSTELLBAREABLASS-VENTILE

BIEGSAMEWELLE

GETRIEBE

HYDRAULIK-MOTOR

VERSTELLBAREABLASS-VENTILE




Verdichter-Pumpen (Surge); Strömungsabriss (Stall) Verdichter-Pumpen (Compressor Surge) ist eine pulsierende Instabilität der Verdichterarbeit und kann in jeder Stufe auftreten. Wird das Druckverhältnis für die Drehzahl zu gross, entsteht am Ausgang ein Stau. Durch den Anstieg des Widerstands erhöht sich die Leistungsaufnahme des Verdichters. Es kommt zu Rückströmung, Drehzahlabfall, dröhnendem Laufgeräusch und Vibrationen. Strömungsabriss im Verdichter (Compressor Stall) entsteht bei zu grossem Anstellwinkel der Schaufel zur anströmenden Luft und kann ebenfalls in jeder Stufe auftreten. Beim Stall steigen Widerstand und Leistungsaufnahme des Verdichters schlagartig an, wobei die Förderung abnimmt. Die Folgen sind explosionsartige Schläge, Schütteln, Leistungsabfall, hohe Druck- und Temperaturbelastung der Brennkammer und mögliche Zerstörung des Triebwerks. Verursacht werden Surge- und Stall-Zustände durch Betriebsbedingun-gen, die vom Auslegungspunkt (Design Point) der Verdichters abweichen und die Seiten des Anströmdreiecks an der Schaufel so verändern, dass der Anstellwinkel grösser wird. Diese Zusammenhänge sind recht kom-pliziert und werden hier nur sehr vereinfacht dargestellt (für die ATPL-Prüfung reicht es). Bild A zeigt die Normalfunktion eines Axialverdichters: Vektor a ist die einströmende Luft, die zwischen den feststehenden Vorleitschaufeln verlangsamt und in die Drehrichtung des Rotors abgelenkt wird. Vektor b ist die Luft beim Eintritt zwischen die Rotorschaufeln. Vektor c ist die Umfangsgeschwindigkeit der Rotorschaufel, woraus sich die Relativgeschwindigkeit d ergibt. Zwischen d und der Profilsehne der Rotorschaufel entsteht dadurch der Anströmwinkel x. Hinter der Rotorstufe addieren sich die Austrittsgeschwindigkeit e und die Umfangsgeschwindigkeit c vektoriell zur Relativgeschwindigkeit f. Zwischen Vektor f und der Profilsehne der Statorschaufel entsteht dadurch der Anströmwinkel y. In Bild B ist die axiale Geschwindigkeit der Luft zu niedrig für die Dreh-zahl, z.B. verursacht durch einen Stau hinter dem Verdichter. Dadurch sind die Anströmwinkel x und y zu gross, die Strömung reisst ab, und der Verdichter "stallt". Wie bei einem überzogenen Tragflügel nimmt der Wi-derstand - d.h. die Rotor-Leistungsaufnahme - schlagartig zu, aber die Förderung (beim Flügel der Auftrieb) bricht zusammen. Zur Abhilfe gibt es zwei praktische Möglichkeiten: 1. Verringern des Gegendrucks hinter dem Verdichter durch Ablassen

von Luft (Variable Bleed Valves). 2. Verändern des Einstellwinkels der feststehenden Vorleit- und Stator-

Schaufeln (Variable Stator Vanes), damit bei allen im Betrieb vor-kommendenden Kombinationen von axialer Geschwindigkeit der Luft und Rotordrehzahl der günstigste Anströmwinkel an den Schaufeln eingestellt wird.

Vorleitschaufel

Rotor

Stator

A

B

a

b

cd

e

f c

c

c

x

y

x

y




Verdichter-Pumpen, Strömungsabriss (Fortsetzung) Die an modernen Triebwerken heute übliche Lösung der Surge- und Stallproblematik im Hochdruckverdichter sind verstellbare Statorschaufeln (Variable Stator Vane, abgekürzt VSV), die automatisch in den zum jeweiligen Betriebszustand günstigsten Winkel verstellt werden. Im hier gezeigten Beispiel sind die Eintritts-Leitschaufeln (Inlet Guide Vanes) und die Statorschaufeln der drei folgenden Hochdruck-Verdichterstufen verstellbar. Jede einzelne Schaufel ist auf zwei Zapfen im Gehäuse drehbar gelagert. Der Zapfen am Schaufelfuss ist über einen Hebel mit dem Synchronring (Unison Ring) der Stufe verbunden. Die vier Synchronringe werden gemeinsam von zwei hydraulischen Arbeitszylindern gedreht. Die Hydraulik-Flüssigkeit zur Betätigung der VSVs ist ebenfalls Hoch-druck-Kraftstoff aus der Pumpe des Kraft-stoffreglers, die auch den zum Einspritzen erforderlichen hohen Druck aufbaut. Die Steuerung der VSVs des N2-Verdichters erfolgt in Verbindung mit der Verstellung der variablen Ablass-Ventile (VBVs) des N1-Verdichters und der Kraftstoff-Regelung durch die Main Engine Control (MEC) an der Accessory Gearbox. Was kann der Pilot tun, um Surge- oder Stallzustände zu verhindern ? - Bei hoher Triebwerksleistung und niedriger Vorwärtsgeschwindig-

keit schräge Anströmung am Lufteinlass vermeiden - Bei Seitenwind einen "Rolling Take-Off" durchführen - Den Steigflug nicht zu steil angehen Falls es im Fluge zu Surge- oder Stallzuständen kommt: - Leistungshebel zurücknehmen - Fluggeschwindigkeit erhöhen (drücken !) - Verdichter-Gegendruck verringern durch Entnahme von Engine

Bleed Air für pneumatische Verbraucher (Wing Anti-Ice, Air Condi-tioning, Engine Anti-Ice)

Woran erkennt der Pilot, wenn VBVs oder VSVs nicht korrekt arbeiten ? - Das Triebwerk hat bei gleicher Schubhebelstellung und Fuel Flow-

Anzeige weniger EPR- bezw. N1 Anzeige (d.h. weniger Leistung), - für die gleiche EPR bezw. N1 -Anzeige braucht es höhere N2

Drehzahl-, mehr Fuel Flow- und höhere EGT- bezw. TIT- Anzeige als ein intaktes Vergleichstriebwerk bei gleichen Betriebsbedingungen.

EINTRITTS-LEITSCHA UFEL

STATOR-SCHA UFEL

V ERSTELL-ZYLINDER

V ERSTELL-ZYLINDER

SY NCHRON-RING

V ERSTELLBA RE

V ERSTELLBA RE

STATOR-SCHAUFEL

FESTE

N2 VERDICHTER

N2 V ERDICHT ER ROTOR




Verdichter-Kennfeld, Einflußgrössen

In den verschiedenen Stationen eines Turbinentriebwerks erfolgen im Luft- bezw. Gasstrom eine Folge Reihe thermodynamischer Zustands-änderungen. Wie bei einer Reihenschaltung von Widerständen in einem elektrischen Stromkreis hat jede Veränderung der Betriebswerte in einem Bereich auch direkten Einfluss auf alle - d.h. auch die davorliegenden - anderen Bereiche. Die massgebenden variablen Einflussgrössen für die Arbeit des Verdichters sind Druck, Temperatur und Geschwindig-keit im Lufteinlass (d.h. der Staudruck ρ/2 v²), sowie die von der Turbine über die Welle gelieferte mechanische Energie, wovon die Drehzahl abhängt. Wichtig: Leistungsaufnahme und Fördermenge des Ver-dichters steigen mit dem Quadrat der Drehzahl ! Das folgende Diagramm zur Darstellung dieser Zusammen-hänge heisst Verdichter-Kennfeld und zeigt das Betriebsverhalten eines typischen Axialverdichters unter verschiedenen Bedingungen. Auf der Senkrechten ist das Verdichter-Druckverhältnis als Quotient von Ausgangsdruck geteilt durch Eingangsdruck dargestellt. Waagerecht ist die durchgesetzte Luftmasse pro Zeiteinheit dargestellt. Hierbei wirken mehrere Faktoren mit, nämlich Dichtehöhe, Fluggeschwindigkeit und Drehzahl. Die Kurven haben folgende Bedeutung: a Stabile Betriebslinie (Steady State Line) bei ISA SL (Standard-

Atmosphäre in Meereshöhe), wenn Turbinenabgabe- und Ver-dichter-Aufnahmeleistung gleich sind

b Verdichter-Pumpgrenze (Surge Line) bei ISA SL c Steady State Line in 30.000 ft (Reiseflughöhe), d Surge Line in 30.000 ft Der störungsfreie Verdichter-Betriebsbereich liegt zwischen den ent-sprechenden Kurven. Über der Surge Line beginnt der Stall-Bereich. Zum Beschleunigen wird die Turbinenleistung erhöht, indem mehr Kraftstoff eingespritzt wird. Dabei darf der Druckanstieg in der Brenn-kammer nicht zu einem Rückstau am Verdichter-Ausgang führen. Deshalb ist. e Beschleunigungslinie (Acceleration Line) bei ISA SL Zum Verzögern wird der Fuel Flow verringert. Erfolgt die Änderung zu schnell, verlöscht die Flamme. Deshalb ist Verzögerungslinie (Dece-leration Line) bei ISA SL Darunter besteht die Gefahr des "Flame Out". Mit zunehmender Höhe wird das Betriebsverhalten kritischer und das Verdichter-Kennfeld schmäler, deshalb ist g Beschleunigungslinie (Acceleration Line) in 30.000 ft h Verzögerungslinie (Deceleration Line) in 30.000 ft Bei einer Erhöhung des Staudrucks wandert das gesamte Kennfeld im Diagramm nach rechts.

Kraftstoff

Verdichter TurbineBrenn-kammer Düse

Energie

Lufteinlass

STAUDRUCK

Druck-Verhältnis

Luftdurchsatz

Surge Line

Sea Level

30.000 ft

Sea Level Steady State Line

Acceleration Line

Deceleration Line

ae

fh

b

cd

g

Verdichter-

VERDICHTER - KENNFELD


TRIEBWERKE 03 Diffusor 27


021 03 03 03 Diffusor

Aufgaben Zwischen dem Ausgang des Hochdruck-Verdichters und dem Eingang der Brennkammer befindet sich ein ringförmiger Kanal mit divergentem Verlauf, d.h. ein Diffusor. Dort nimmt die Geschwindigkeit der durchströmenden Luft ab, Druck und Temperatur nehmen nochmals zu. Am Ende des Diffusors hat die Luft den höchsten Druck, die höchste Temperatur und die niedrigste axiale Geschwindig-keit vom gesamten Triebwerk. Natürlich sind die absoluten Werte abhängig von den Aussenbe-dingung und dem Betriebszustand. Bei ISA SL und Startleistung können das mehr als 25 bar und 450° C sein. Wichtig: Heisse Druckluft aus dem Diffusor dient auch als Energie-quelle für andere Anlagen, z.B. zur Versorgung des Pneumatik-Systems für Druck/Klima-Anlage und Eisverhütung (Anti-Ice).

VERSTELLBARE

N2 VERDICHTER ROTOR

DIFFUSOR

STATORSCHAUFEL

EINSPRITZ-

STATORSCHAUFEL

FESTE

DÜSE

BRENNKAMMER





120. Wo werden Radial-Verdichter verwendet ?

121. Welche Aufgabe hat das kranzförmige Bauteil, das den Rotor des Radial-Verdichters umgibt ?

122. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Durchmesser und maximaler Drehzahl eines Radial-Verdichters ?

123. Die Vorteile des Axialverdichters sind

124. Was versteht man unter "Compressor Surge"?

125. Wodurch entsteht "Compressor Stall"?

126. Welche Massnahmen kann der Pilot beim Auftreten von Verdichter-Problemen ergreifen ?

127. Welche konstruktiven Einrichtungen gegen Surge- und Stallneigung gibt es an modernen Triebwerken ?

128. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Drehzahl, Leis-tungsaufnahme, Förderleistung und Druckverhältnis eines Axialverdichters ?

129. Was ist die "stabile Betriebslinie" (Steady State Line) eines Verdichter-Diagramms ?





120. Für Triebwerke mit kleiner Leistung, Auxiliary Power Units, Turbolader

121. Umlenkung und Umwandlung von Geschwindigkeit in Druck- und Temperaturanstieg

122. Je kleiner der Durchmesser, desto höher die Drehzahl - bis zur Schallgeschwindigkeit am Umfang

123. Guter Wirkungsgrad (im Auslegungspunkt), kleine Stirnfläche

124. Instabile Verdichterarbeit, Rückströmung, Vibrationen

125. Zu großer Anstellwinkel zur anströmenden Luft

126. schräge Anströmung vermeiden, Bleed Air Verbraucher einschalten, Leistung reduzieren

127. Verdichter-Ablassventile (Surge Bleed Valves), verstellbare Verdichter-Leitschaufeln

128. Leistungsbedarf, Förderleistung und Druckverhältnis steigen mit dem Quadrat der Drehzahl

129. Die Verbindungslinie aller Punkte, wo Turbinenleistung und Verdichterwiderstand gleich sind und die Drehzahl konstant bleibt


TRIEBWERKE 04 Brennkammer 30


021 03 03 04 Brennkammer

Aufbau der verschiedenen Brennkammer-Typen In der Brennkammer wird der bemessene Kraftstoff unter hohem Druck in die verdichtete Luft eingespritzt und entzündet. Eine Brennkammer besteht aus einem Brennkammergehäuse (Combustor Case) und dem darin befindlichen Flammrohr (Flame Tube, Combustor Liner) aus einer hochtemperaturfesten Spezial-Legierung. Je nach Grösse und Art des Triebwerks gibt es verschiedene Ausführun-gen. Bild A zeigt die Einzel-Brennkammer (1) eines kleinen Radial-Turbinen-triebwerks einer Auxiliary Power Unit. Am Kopf des Flammrohrs (2) sitzt der Brenner (3), d.h.die Einspritzdüse. Von der Seite ragt die Anlass-Zündkerze (4) (Igniter) in den Verbrennungsraum hinein. So oder ähnlich baut man die Brennkammern für kleine Wellenturbinen, Luftstart-Aggre-gate usw. Bild B zeigt eine Kombinations-Brennkammer eines älteren Triebwerks aus neun Flammrohren (5) in einem gemeinsamen Gehäuse. Das Gehäuse besteht aus der äusseren Schale (6) und der inneren Hülse (7). Jedes Flammrohr hat vorn einen Brenner. Im Bild nicht sichtbar sind zwei (wegen Redundanz) Igniter und die Ver-bindungs-Stutzen (Interconnect Ports), die beim Anlassvorgang zum Übertreten der Flamme in die anderen Flammrohre erforderlich sind. Am Ende der Brennkammer wird das heisse Gas aller Flammrohre vom Überleit-Kanal (8) (Transition Duct) zur Turbine geleitet. Bilder C und D zeigen eine heute bei grossen Turbinen-Triebwerken allgemein übliche Ringbrennkammer (9) am Beispiel des CFM 56. An der Vorderseite des äußeren Gehäuses (10) sitzen die Brenner (11), die von der Ringleitung (12) versorgt werden. Auch hier sind zwei (im Bild nicht gezeigte) Igniter vorhanden. Die Ringbrennkammer ermöglicht den grössten Gasdurchsatz bezw. Kleinsten Durchmesser des Triebwerks.

1112

C

D

9

10

5

7

6

8

B

1

2

34A


TRIEBWERKE 04 Brennkammer 31


Arbeitsweise In der Brennkammer erfolgt die Wärmezufuhr in den Kreisprozess des Gasturbinen-Triebwerks. Der vom Kraftstoffregler (Fuel Control Unit) be-messene Kraftstoff wird unter hohem Druck durch den Brenner einge-spritzt, wo er sich mit der vom Verdichter gelieferten Luft vermischt. Das Gas entzündet sich fortlaufend an der vorhandenen Flamme. Zur vollständigen Verbrennung von 1 Masseteil Kraftstoff ist der Sauerstoff von 15 Masseteilen Luft erforderlich. Dabei entsteht im Inneren der Flamme eineTemperatur von ca. 2.500 °C. Weil kein Material diese Temperatur aushält, muss die Flamme in zusätzliche Luft eingehüllt und dadurch die Gastemperatur verringert werden. Das Mengen-Verhältnis des brennenden Gases zur beigemischten Kühlluft ist etwa 1 zu 3. Zur Klarstellung ein Beispiel: Das brennende Gas besteht aus 1 kg Kraft-stoff und 15 kg Luft. Die dreifache Menge Luft - d.h. 45 kg - werden ge-braucht, um die Temperatur am Turbinen-Eintritt unter 1.300°C zu sen-ken. Das ist ein Gesamt-Verhältnis von 1 Teil Kraftstoff zu 60 Teilen Luft, was durch den heissen Teil des Triebwerks geht. Der CFM 56 ist ein Zweikreis-Triebwerk mit einem Bypass-Verhältnis von 5 : 1. Also geht in derselben Zeit noch die fünffache Luftmenge - nämlich weitere 300 kg Luft - auf dem kalten Weg durch den Fan. (das sind übrigens etwa die aktuellen Werte pro Sekunde bei Startleistung!). Bild A zeigt ein Schnittbild der Brennkammer und darunter den Verlauf von Druck, Temperatur und Geschwindigkeit (1) ist die Statorschaufel der letzten N2-Verdichterstufe. Von (a) nach (b) nimmt der Querschnitt zu. Bei (b) ist der Brenner (2), wo der Kraftstoff eingespritzt wird. Zwischen (b) und (c) ist die sogenannte Primärzone mit der höchsten Temperatur (ca. 2.500°C) in der Flamme und der niedrigsten Geschwindigkeit (ca. 25 m/s) des Gasstroms. Zwischen (c) und (d) wird Verdichterluft zur Kühlung dazugemischt (die "Kühlluft" hat durch die vorhergehende Verdichtung auf ca. 25 bar eine Temperatur von ca. 400°C !) An der Vorderkante der ersten Hochdruck-Turbinen-Leitschaufel (3) ist die höchste Material-Temperatur im Triebwerk, sie kann bis etwa 1.300°C betragen. Nun zum Brenner: Im Leerlauf ist die Kraftstoffmenge gering. Damit der Kraftstoff fein versprüht wird, muss die Düsenöffnung eng sein. Bei Start-leistung geht aber die etwa sechfache Kraftstoffmenge nicht durch das enge Loch. Deshalb sind entweder verschiedene Brennergrössen oder sogenannte Duplex-Brenner mit zwei Düsen erforderlich. Bild (B) zeigt einen Duplex-Brenner mit einer kleinen Primär-Düse (4) in der Mitte und einer grossen ringförmigen, konzentrischen Sekundär-Düse (5). Das Dazuschalten der Sekundär-Düse erfolgt durch das Öffnen des Pressurizing Valve (6), wenn der Kraftstoffdruck die Feder (7) überwindet.

P

TV

1

2

3

6 7

A

B

a b c d

Primär-Kraftstoff

Luft

Sekundär-

Pressurizing Valve

LuftDuplex Burner

Kraftstoff

2

45

Kraftstoff

6

Flamme


TRIEBWERKE 05 Turbinen 32


021 03 03 05 Turbinen

Aufbau von Radial- und Axial-Turbine Aufgabe der Turbine ist, dem ausströmenden Gas einen Teil (je nach Art des Triebwerks zwischen 60 - 95%) seiner Energie zu entziehen, um den Verdichter und gegebenenfalls den Fan, Propeller oder sonstige Geräte anzutreiben. Es gibt Radial- und Axial-Turbinen. Die Radial-Turbine gibt es nur einstufig. Sie eignet sich für kleine Auxiliary Power Units, Luftstart-Aggregate, Turbo-Supercharger u.ä. mit geringer Leistung. Eine Radial-Turbine (Bild A) besteht aus zwei Teilen: Der Stator hat einen Kranz von Leitschaufeln, die das Gas auf den Rotor lenken. Der Kanal zwischen zwei Schaufeln ist immer konvergent (ein Düse), wo das Gas beschleunigt wird. Der Rotor hat radiale Stege, und der Kanal zwischen zwei Stegen ist ebenfalls konvergent. Die Strömungsrichtung ist von außen zur Mitte. So-wohl im Stator als auch im Rotor werden Druck und Temperatur des Gases abgebaut und die Geschwindigkeit erhöht. Vorteile der Radial-Turbine - einfach und billig herzustellen. Nachteile der Radial-Turbine - schlechter Wirkungsgrad (ca. 0,6), weil die Expansion gegen die

Richtung der Zentrifugalkraft erfolgt - ungünstiger Stirnwiderstand des Triebwerks Für grössere Flugzeug-Triebwerke werden nur Axial-Turbinen ver-wendet. Die Axial-Turbine (Bild B) besteht aus einem Stator mit feststehenden Leitschaufeln, und dem Rotor mit den an einer Scheibe befestigten Lauf-schaufeln. Die Art und Anzahl der Turbinenstufen hängt ab von der Aufgabe. Mehr-wellen-Triebwerke brauchen für den Antrieb jedes Rotorsystems eine eigene Turbine, die ihrerseits aus mehreren Stufen bestehen kann. Vorteile der Axial-Turbine - guter Wirkungsgrad - große Energiedichte Nachteile der Axial-Turbine - hoher konstruktiver Aufwand, dadurch teuer Bild C zeigt die Anordnung der Turbinen beim CFM 56.

AXIAL-TURBINE

B

C

GAS

ROTOR-HOCHDRUCK-

NIEDERDRUCK-STATOR ROTOR

RADIAL-TURBINEAROTOR

GEHÄUSE

LEITSCHAUFELN(STATOR)

KÜHLLUFT

(N2) TURBINELEITSCHAUFELN

(STATOR)SCHAUFELN

(N1) TURBINE




Turbinen: Aufgabe und Arbeitsweise Heutige Zweikreis-Triebwerke haben mindestens zwei, manchmal sogar drei Rotor-Systeme, die mit verschiedenen Drehzahlen laufen und von Axialturbinen angetrieben werden. Je näher zur Brennkammer, um so höher sind Druck und Temperatur des Gases sowie Drehzahl und Leis-tung der Turbine. Bild A zeigt als Beispiel wieder den CFM 56: Die einstufige Hochdruck (N2)-Turbine (1) treibt den Hochdruck-Verdichter (2) und das N2-Hilfs-geräte-Getriebe (Accessory Gearbox) (3) mit den triebwerks-und zellen-seitigen Hilfsgeräten. Die vierstufige Niederdruck (N1) Turbine (4) treibt den Niederdruck-Ver-dichter (5) und den Fan (6) über die innen liegende verbindende Welle (7). Bild B zeigt ein Schnittbild der Turbinen-Sektion, welches den Aufbau erkennen lässt. Die Umwandlung von Druck und Temperatur des Gases in kinetische Energie erfolgt durch die konvergente Kanalform zwischen den Leitschaufeln des Stators, wo die Geschwindigkeit zunimmt. Durch die Form der Leitschaufeln wird der Gasstrom umgelenkt, um einen möglichst günstige Anströmung der Rotorschaufel zu erreichen. Die an der Rotorschaufel ausgeübte Kraft hängt ab von der Masse, der Geschwindigkeit und der Ablenkung des auftreffenden Gases. Das Produkt von Masse mal Geschwindigkeit ist der Impuls, der die Turbine antreibt. Ist der Kanal zwischen zwei Rotorschaufen konvergent (Bild C), erfolgt auch im Rotor eine Beschleunigung des durchströmenden Gases, wobei Druck und Temperatur abnehmen. Die Beschleunigung ist eine Aktion, die eine gleichgrosse, entgegengerichtete Reaktion verursacht. Das Produkt von Masse mal Beschleunigung ist die Reaktion, wel-che die Turbine antreibt. Bleibt der Kanalquerschnitt zwischen den Rotorschaufeln konstant (Bild D), bleiben die Energie-Anteile P, T und V konstant. Das nennt man Gleichdruck- oder Impuls-Turbine. Wird der Kanal zwischen den Rotorschaufeln enger (C), nimmt der Druck ab und das Gas wird beschleunigt. Das nennt man Überdruck- oder Re-aktions- Turbine. Bild E zeigt eine Rotorschaufel, wo die Charakteristik von Impuls- am Fuss übergeht zu Reaktion- an der Spitze.

C

E

D

REAKTIONS-

B

21

3

45

6 7

A

TURBINE

IMPULS-

STATOR ROTOR

TURBINE

"TANNENBAUM"-BEFEST IGUNG




Beanspruchung, Kühlung Die Turbine ist das am höchsten beanspruchte Bauteil des Triebwerks. Die Schaufeln müssen hohe Temperaturen in Verbindung mit weiteren Belastungen aushalten, nämlich - Fliehkräfte durch hohe Drehzahl, - Biegekräfte durch das entstehende Drehmoment, - thermische Spannungen durch Belastungswechsel, - Korrosion und Sulfidation durch die chemische Zusammen-

setzung der Verbrennungsgase, - Erosion Die Gesamt-Beanspruchung ergibt sich aus den Faktoren Betriebszeit, Temperatur, Drehzahl und Anzahl der "Cycles". Unter einem Cycle versteht man einen Betriebsablauf mit Anlassen, maximaler (Start-) Leistung, Dauerleistung (Reiseflug), mehreren Lastwechseln und Abstellen. Hohe Gastemperatur bei niedriger Drehzahl - z.B. bei einem "Hot Start" - hat eine andere (weniger) Auswirkung als die gleiche Temperatur bei Startleistung mit hoher Drehzahl und hohem Drehmoment. Für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Turbinen-Triebwerken ist die Einhaltung der Temperatur- und Drehzahl-Grenzwerte von entscheidender Bedeutung. Da die von einem Turbinentriebwerk erzielbare Leistung von der Höhe der Gastemperatur am Turbinen-Eintritt abhängt, gibt es zwei Richtungen, in denen ständig an weiteren Entwicklungen gearbeitet wird: 1. Verbesserung der Werkstoff-Wärmefestigkeit zur Erhöhung der

Grenztemperatur 2. Senkung der Material-Temperatur durch Kühlung Die thermisch am höchsten belasteten Schaufeln der Hochdruck-Turbine sind hohl und werden von innen mit Luft vom Verdichter gekühlt. Man kombiniert meistens mehrere Verfahren: - Konvektions- (Convection) Kühlung durch die Wärme-Abgabe

an die durchströmende Kühlluft. - Prall- (Impingement) Kühlung durch Luft, die von innen an die

Vorderwand der Schaufel geblasen wird. - Film-Kühlung durch Kühlluft, die aus kleinen Löchern an der

Schaufel-Vorderkante austritt und sich wie eine Grenzschicht zwi-schen den Gasstrahl und die Schaufel legt.

KÜHLLUFT

LUFTKÜHLUNG VONTURBINEN-SCHAUFELN

1 KONVEKTIONS-KÜHLUNG2 PRALL-KÜHLUNG3 FILM-KÜHLUNG

EINTRITTS-LEITSCHAUFELNHOCHDRUCK-TURBINE

KÜHLLUFT KÜHLLUFT

HOCHDRUCK-TURBINEROTOR-SCHAUFELN




Thermische Überwachung (TIT, EGT) Die höchste Material-Temperatur im Triebwerk herrscht unmittelbar hinter der Brennkammer an den Leitschaufeln der Hochdruck (N2) -Turbine. Das wichtigste Überwachungs-Instrument am Turbinen-Triebwerk ist die Temperatur-Anzeige, weil beim Überschreiten der maximal zulässigen Temperatur (Red Line Limit) die Turbine zerstört wird. Weil andererseits die Triebwerksleistung von der Temperatur abhängt, ist eine genaue und zuverlässige Anzeige erforderlich. Für die zu messende Temperatur sind Thermo-Elemente als Messumfor-mer am besten geeignet. Da es jedoch kein Thermo-Element gibt, wel-ches die Betriebsbedingungen am Turbinen-Eintritt auf Dauer verträgt, wird die Gastemperatur weiter hinten gemessen. Es gibt mehrere Möglichkeiten und Bezeichnungen für die Anzeige, z.B. - Turbine Interstage Temperature (TIT) zwischen irgendwelchen

Turbinenstufen - Exhaust Gas Temperature (EGT) hinter der letzten Turbinenstufe Logischerweise ist der Zahlenwert der Anzeige um so niedriger, je weiter die Expansion des Gases fortgeschritten ist. Beim Beispiel CFM 56 (Bild A) wird die Turbine Interstage Temperature (TIT) an den Leitschaufeln der zweiten Niederdruck (N1)-Turbinenstufe angezeigt. Rund um den Stator verteilt sitzen dort 9 parallelgeschaltete Thermo-Elemente als Messumformer. Wenn dort das Red Line Limit 900°C angezeigt wird, beträgt die tatsächliche Gastemperatur am Brenn-kammer-Ausgang etwa 1.300°C. Bild B zeigt die Anordnung der Thermo-Elemente hinter der letzten Nie-derdruck-Turbinenstufe eines anderen Triebwerks. Hier wird die Exhaust Gas Temperature (EGT) angezeigt. Der rote Strich bei 620°C ist das Max. EGT Limit bei der maximal zulässigen Turbinen-Temperatur dieses Triebwerks. Anmerkung: Durch die Parallelschaltung mehrerer Thermo-Elemente kommt der Durchschnittswert zur Anzeige. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Anzeige auch noch funktioniert, wenn einige Fühler ausfallen. Ältere analoge Anzeigen (wie Beispiel B) brauchen keine Stromver-sorgung vom Bordnetz. Bei modernen kombinierten Digital/Analog-Anzeigern (Beispiel A) ist Stromversorgung erforderlich, weil das Signal auch für Auto Throttle, Per-formance Computer usw. verwendet wird.

A

T IT

°C x 100

RED LINELIMIT

ÜBERTEMPERATUR-

THERMOELEMENT

B

EGT°C x 100

N1 TURBINE

RED LINELIMIT

GELB

THERMOELEMENT

GRÜN

GELB

GRÜN

WARNLICHT (ROT)





130. Welche Arten von Brennkammern gibt es ?

131. Wie wird verhindert, dass die Flamme an die Brennkammerwand gelangt ?

132. Wie ist (etwa) das Verhältnis von Kraftstoff, Verbrennungs-luft und Kühlluft in der Brennkammer ?

133. Wie funktioniert ein Duplex-Brenner ?

134. Welche Zustandsänderungen des Gases erfolgen in der Turbine ?

135. Wo werden Radial-Turbinen verwendet ?

136. Welche Funktionsprinzipien sind in Axialturbinen oft kom-biniert ?

137. Der Kanal zwischen zwei Turbinen-Leitschaufeln ist

138. Welche Grenzwerte (Limits) sind wichtig für die Lebens-dauer einer Turbine?

139. In welchem Verhältnis zu einer Erhöhung der Drehzahl stei-gen Leistung und Belastung durch die Zentrifugalkraft?





140. In welcher Größenordnung (etwa) liegt die höchstzulässige Materialtemperatur am Turbineneintritt?

141. Wie werden Turbinenschaufeln gekühlt?

142. Mit welcher Art von Messfühlern wird die Temperatur im Turbinenbereich gemessen?

143. Was ist der Unterschied zwischen einer TIT- und einer EGT-Anzeige?





130. Einzelflammrohr, Kombinations-Brennkammer, Ring-brennkammer

131. Durch Einhüllen der Flamme in einen Kühlluftmantel

132. 1 Teil Kraftstoff und 15 Teile Luft zur Verbrennung, dazu 45 Teile Luft zur Kühlung

133. Enge Primärdüse bei geringer Kraftstoffmenge. Bei grösserer Kraftstoffmenge öffnet das Pressurizing Valve zusätzlich den Kanal zur grossen Sekundärdüse

134. Druck und Temperatur nehmen ab, Geschwindigkeit nimmt zu

135. Triebwerke mit kleiner Leistung, Auxiliary Power Units, Turbolader, Starter

136. Impulsturbine am Schaufelfuss, Übergang zur Reak-tionsturbine an der Schaufelspitze

137. konvergent (Düse)

138. Temperatur und Drehzahl

139. Mit dem Quadrat der Drehzahl-Zunahme

140. bis ca. 1.300°C

141. Mit Druckluft vom Verdichter

142. Thermo-Elemente

143. Die Entfernung des Messfühlers von der heissesten Stelle ist verschieden. Bei gleichen Bedingungen ist TIT höher als EGT.


TRIEBWERKE 06 Schubdüse 39


021 03 03 06 Schubdüse

Aufgabe und Arbeitsweise Aufgabe der Schubdüse ist die Umwandlung der Energieform des aus der Turbine austretenden Gases. In der Düse werden Druck und Temperatur abgebaut, wobei die Geschwindigkeit zunimmt. Die Austritts-Geschwindigkeit hängt ab vom Druckverhältnis (Eintritt : Austritt) und dem Austritts-Querschnitt der Düse. Die Gestalt der Düse ist mitbestimmend für alle Betriebs-Parameter des Triebwerks wie Luftdurchsatz, Drehzahl, Verdichter-Druckverhältnis, Tur-binen-Eintrittstemperatur und Turbinen-Austrittsdruck usw. Bei einem Verkehrsflugzeug sind Lufteinlass, Triebwerk und Düse so ausgelegt, dass sie im Reiseflug den besten Gesamt-Wirkungsgrad ergeben. Der Geschwindigkeits-Unterschied zwischen Triebwerks-Lufteinlass und Gasaustritt ist die Beschleunigung, welche multipliziert mit der Masse den Schub ergibt. Je grösser die Beschleunigung, desto höher ist der Schub, aber um so schlechter ist der Vortriebs-Wirkungsgrad, und um so mehr Lärm entsteht durch die Wirbel beim Aufprall der Abgase auf die umgebende Luft. Deshalb baut man Mehrwellen-Zweikreis-Triebwerke mit hohem Neben-strom (Bypass) -Verhältnis. Die Niederdruck-Turbine ist so konstruiert, dass sie dem Gas den grössten Teil seiner Energie entzieht, um den Fan (bezw. Propeller) anzutreiben. Der grösste Anteil des Schubs entsteht durch die relativ geringe Beschleunigung der grossen Luftmasse, weshalb der Fan einen wesentlich besseren Vortriebs-Wirkungsgrad als die Düse hat. Für den Restschub hinter der Turbine genügt eine einfache konvergente Düse, worin das Gas vollständig bis auf Aussendruck expandiert. Die Gasaustritts-Geschwindigkeit am Ausgang liegt noch im Unterschall-Be-reich. Der Konus dient zur Überleitung des Kanals von Ringform auf Kreisform bei annähernd konstantem Querschnitt. Anmerkung: In einer konvergenten Düse kann der Gasstrom nur bis zur Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Ein damit angetriebenes Flugzeug könnte jedoch Überschall-Fluggeschwindigkeit erreichen, da die Schallgeschwindigkeit im heissen Gas höher ist als in kalter Luft. Soll jedoch der Gasstrom auf Überschall-Geschwindigkeit beschleunigt werden, ist für das grössere Gasvolumen nach dem Druckabbaueine Erweiterung des Kanals erforderlich. Eine solche konvergent-divergente Düse heisst Laval-Düse. Als einziges ziviles Überschall-Verkehrsflugzeug hat die Concorde Trieb-werke mit verstellbarem Mehrstoss-Diffusor-Lufteinlass, Nachbrenner und verstellbarer Schubdüse. Weitergehende Erklärungen dieser Syste-me werden in den JAR-FCL Richtlinien nicht gefordert.

Fan-Austritt

Turbine

Schubdüse

High-Bypass Engine

Konvergent-divergente (Laval-) Düse

KONVERGENTE TL-SCHUBDÜSE

N2 TURBINEN1 TURBINE

KONUSSTRAHLROHR

DRUCK

TEMPERATUR

GESCHWINDIGKEITP

V

T


TRIEBWERKE 07 Betriebswerte 40


021 03 03 07 Betriebswerte

Verlauf von Druck, Temperatur und Geschwindigkeit in einem Turbojet Das folgende Diagramm zeigt die Änderungen der Energieformen des durchströmenden Gases in einem Turbojet, d.h. einem Turbinentrieb-werk, welches den Schub mit der Düse erzeugt. Die Zahlen über dem Triebwerk bezeichnen Stationen, zwischen denen Zustandsänderungen im Gas erfolgen. Der Lufteinlasskanal von Station 1 bis 2 ist ein Diffusor mit der Auf-gabe, die einströmende Luft auszurichten und wirbelfrei in den Ver-dichter zu leiten. Durch die divergente Kanalform wird die Geschwin-digkeit kleiner, Druck und Temperatur nehmen zu. Zwischen 2 und 3 liegt der Verdichter. Er wird von der Turbine über die verbindende Welle angetrieben und fügt Energie hinzu. Von Stufe zu Stufe steigen Druck und Temperatur, die Geschwindigkeit sinkt. Von 3 nach 4 strömt die Luft durch einen Diffusor. Dort wird Ge-schwindigkeit abgebaut, wobei Druck und Temperatur nochmals stei-gen. Bei Station 4 am Eingang der Brennkammer ist der höchste Druck und die niedrigste Geschwindigkeit. Zwischen 4 und 5 liegt die Brennkammer. Der Kraftstoff wird durch den Kraftstoffregler bemessen und verbrennt restlos, weil immer ein Luftüberschuss vorhanden ist. Durch die Zufuhr von Energie steigt die Temperatur und das Volumen des Gases. Der Druck steigt nicht, sondern nimmt sogar ab, weil der Kanalquerschnitt in der Brennkammer grösser wird und die Geschwindigkeit zunimmt. Die Geschwindigkeit des Gases in der Flamme muss langsamer sein als die Flammfront der Verbrennung (d.h. weniger als 30 m/s), sonst würde die Flamme ausgeblasen werden. Weil die Temperatur in der Flamme viel höher ist, als das Material der Turbine verträgt, wird die Flamme mit einem Mantel aus überschüssiger verdichteter Luft umgeben. Zwischen 5 und 6 liegt die Turbine. Die höchste Materialtemperatur herrscht an der ersten Statorschaufel. Durch das Druck- und Tempera-turgefälle wird die Gasgeschwindigkeit erhöht. Die Turbine entzieht dem Gasstrom die erforderliche Energie zum Antrieb des Verdichters. Zwischen 6 und 7 strömt das Gas durch die Schubdüse. Druck und Tem-peratur nehmen ab. Die Geschwindigkeit nimmt zu und erreicht bei der normalen Düse den Höchstwert - maximal Schallgeschwindigkeit - am Ausgang der Düse. Das Gas expandiert bis auf Aussendruck. An-merkung: Überdruck-Schubdüsen mit unvollständiger Expansion (engl. Choked Nozzle) werden in normalen Verkehrsflugzeugen nicht verwendet. Der Geschwindigkeits-Unterschied zwischen Lufteintritt bei Station 1 und Gasaustritt bei Station 7 ist die Beschleunigung. Mutipliziert mit der Masse ergibt das den Schub.Das Verhältnis von Turbinen-Austrittsdruck geteilt durch Verdichter-Eintrittsdruck ist das Trieb-werks-Druckverhältnis (Engine Pressure Ratio, EPR).

1 2 3 4 5 6 7

P

T

V

DRUCK

TEMPERATUR

GESCHWINDIGKEIT


TRIEBWERKE 08 Schbumkehr 41


021 03 03 08 Schubumkehrer

Arten, Wirkungsweise Schubumkehr dient zum Verzögern des Flugzeugs am Boden zur Unter-stützung der Radbremsen nach der Landung oder bei einem Startab-bruch. Die Bremswirkung ist durch Veränderung der Triebwerksleistung dosierbar. Je nach Art des Triebwerks gibt es verschiedene Systeme: Bei Turboprop. (PTL)-Triebwerken (Bild A) werden zur Schubumkehr die Propellerblätter in negative Steigung gestellt. Bei TL- und ZTL- Triebwerken wird der schuberzeugende Strahl schräg nach vorn umgelenkt. Beispiel B zeigt den Schubumkehrer (Thrust Reverser) eines älteren Zweiwellen-Zweikreis-Triebwerks mit niedrigem Bypass-Verhältnis und einer gemeinsamen Schubdüse für den kalten und den heißen Strom. Zum Reversen werden zwei schalenförmige Tore (Clamshells) (1) vor die Düse geschwenkt und gleichzeitig die Ablenktore (Deflector Doors) (2) ausgestellt. Dadurch werden beide Ströme schräg nach vorn umgelenkt. Beispiel C zeigt ein modernes High Bypass-Triebwerk, bei dem zur Schubumkehr nur noch der Fanstrom umgelenkt wird, weil sich der Auf-wand eines zweiten Reversers für den geringen Restschub der Düse nicht lohnt. Zum Reversen fährt der Ring (Sleeve) des Fan Reverser (3) nach hinten, wobei die Blocker Doors (4) nach innen klappen und der Fan-Luft den Weg nach hinten versperren. Dafür hat der Sleeve den Weg nach außen freigemacht. Durch Umlenkschaufeln (Cascade Vanes) (5) wird die Fan-Luft schräg nach vorn umgelenkt. Auch bei der Kraftquelle zur Betätigung des Reversers gibt es verschiedene Möglichkeiten: Der Reverser im Beispiel B hat pneumatische Arbeitszylinder und wird mit Kompressorluft vom Triebwerk versorgt. Ein ähnlicher Reverser (hier nicht gezeigt) wird mittels hydraulischer Ar-beitszylinder mit Druckversorgung vom Hydraulik-System des Flugzeugs betätigt. Der Reverser in Beispiel C hat einen Luftmotor, der mit Kompressorluft vom Triebwerk arbeitet und die diversen mechanischen Teile über bieg-same Wellen und Schraubenspindeln betätigt.

1

2

3

45

A

B

C

12

3

4KALT

HEISS

HEISS

KALT

HEISS

5

HEISSKALT


TRIEBWERKE 08 Schbumkehr 42


Bedienung, Überwachung Bei allen mit Schubumkehrern ausgerüsten Turbinen-Triebwerken wird das Reverser-System mit einem Umkehrschub-Hebel (Reverse Lever) bedient, der am Schubhebel (Thrust Lever) angelenkt ist. In der praktischen Ausführung gibt es Unterschiede zwischen der hier beschriebenen konventionellen mechanischen Bedienung und der neuen digitalisierten Triebwerks-Steuerung (FADEC = Full Authority Digital En-gine Control), doch die Bedienung erfolgt nach dem gleichen Prinzip. Bild A zeigt die Anordnung der Bedienhebel: Der Schubhebel (Thrust Le-ver) (1) hat den Drehpunkt (2). Er steht jetzt in der IDLE (Leerlauf) Posi-tion am hinteren Anschlag (3). Der Reverse-Hebel (Reverse Lever) (4) hat seinen Drehpunkt (5) und seinen vorderen Anschlag (6) am Schub-hebel. Die Sperrklinke (7) in Verbindung mit dem T-Profil (8) hat zwei Funktio-nen: Der Reverse-Hebel kann nur gezogen werden, wenn der Schubhebel am hinteren Anschlag (3) anliegt, und der Schubhebel kann nur vorgeschoben werden, wenn der Reverse-Hebel am vorderen Anschlag (6) anliegt. Von der Seilscheibe (9) geht das Stahlseil (10) zum Kraftstoffregler (Fuel Control Unit = FCU) und Richtungs-Steuerventil (Directional Control Valve) des Reversers. Die Bedienung erfolgt so: Thrust Lever IDLE, Reverse Lever von a nach b (weiter geht es noch nicht, denn bei b ist ein Anschlag, welcher Reverser Interlock heisst). Zuerst wird das Richtungs-Steuerventil (Directional Control Valve) betätigt und der Fahrvorgang in Richtung Reverse eingeleitet. Wenn die mechanische Verriegelung der Vorwärtsschub-Stellung öffnet, brennt das gelbe REVERSER UNLOCKED Licht (Bild C). Erst wenn der Reverser die Umkehrschub-Endstellung (Deployed Posi-tion) erreicht hat, zieht ein mechanisches Nachfolgesystem (Follow-Up) den Reverser Interlock fort und gibt den weiteren Weg des Reverse-Le-vers von b nach c zur Leistungs-Erhöhung frei. Bei c ist eine fühlbare Raste (engl: Detent), die als Hilfe für die Dosierung der Bremswirkung dient. Falls erforderlich, kann der Reverse-Lever noch weiter zurückgezogen werden. Man sollte allerdings die Umkehrschub-Leistung entsprechend der Geschwindigkeit bemessen, damit das Triebwerk nicht sein eigenes Abgas ansaugt. Die bewährte Regel dafür ist: Soviel % N1 Drehzahl wie Airspeed Indication in Knoten (aber unter Max EPR und den Red Line Limits bleiben!). Zum Fahren aus Reverse wird der Reverse Lever bis zum Anschlag nach vorn geschoben. Das Directional Control Valve steuert wieder den Fahrvorgang der mechanischen Teile. Wenn der Reverser die Forward Thrust (Retracted) Position erreicht hat, rastet die Verriegelung ein, und das REVERSER UNLOCKED Licht verlischt.

EPR

N1

% RPM x 10

REVERSERUNLOCKED

10

B

C

FWD

A 1

2

3

4

bc

a

5

6

7

8

9

1

87

4





144. Welche Art von Triebwerk und welche Art von Schubdüse hat heute ein normales Verkehrsflugzeug für hohe Unter-schall-Geschwindigkeit (ca. Mach 0,8) ?

145. An welcher Stelle des Turbinentriebwerks hat der Luft- bezw. Gasstrom

a) den höchsten Druck ?

b) die höchste Temperatur ?

c) die niedrigste Geschwindigkeit ?

d) die höchste Geschwindigkeit ?

146. Welche Arten der Schubumkehrer-Betätigung gibt es ?

147. Welches Bauteil der Schubumkehr-Anlage wird direkt vom Reverse Lever betätigt ?

148. Warum haben moderne Fantriebwerke an der Schubdüse keinen Reverser ?

149. Das REVERSER UNLOCKED Licht brennt, wenn der Schubumkehrer ...

150. Bei welcher Triebwerksleistung wird der Reverser gefahren ?

151. Was ist die Aufgabe des Reverser Interlock ?

152. Wie lautet die "Daumenregel" für Triebwerksleistung mit Reverse Thrust nach der Landung ?





144. High Bypass Fan-ZTL, konvergente Schubdüse mit Unterschall-Austrittsgeschwindigkeit

145. a) am Brennkammer-Eingang

b) in der Brennkammer

c) am Brennkammer-Eingang

d) am Ausgang der Schubdüse

146. hydraulische oder pneumatische Arbeitszylinder, Luftmotor und biegsame Wellen

147. Das Richtungs-Steuerventil (Directional Control Valve)

148. Für den geringen Schubanteil der Düse lohnt sich der Aufwand nicht

149. ... nicht in der Forward Thrust Position verriegelt ist

150. bei GROUND IDLE (Leerlauf am Boden)

151. Verhindert Leistungserhöhung, wenn der Reverser nicht in einer Endstellung ist

152. Soviel % N1 Drehzahl wie Airspeed Indication in Knoten, dabei Red Line Limits beachten


TRIEBWERKE 09 Leistungserhöhung 45


021 03 03 09 Leistungs-Erhöhung von Turbinen-Triebwerken Zur Leistungs-Erhöhung von Turbinen-Triebwerken gibt es zwei Verfahren:

1. Nachverbrennung Bei der Nachverbrennung (Afterburning, Reheat) beruht die Steigerung des Schubs auf der Erhöhung der Austritts-Geschwindigkeit aus der Schubdüse durch erneute Aufheizung. Weil Schub = Masse x Beschleunigung ist, liefert die gleiche Masse Gas bei grösserer Geschwindigkeit mehr Vortriebskraft, allerdings mit redu-ziertem Vortriebs-Wirkungsgrad. Das Prinzip ist wie folgt: Das Abgas hinter der Turbine enthält noch den Sauerstoff der Kühlluft, mit dem die Flamme in der Brennkammer umgeben wurde. Durch Verbrennung von zusätzlichem Kraftstoff im Abgasrohr hinter dem eigentlichen Triebwerk wird das Gasvolumen nochmals vergrössert, wodurch in einer speziell für diesen Zweck gestalteten Düse der Abgasstrahl auf Überschall-Geschwindigkeit beschleunigt wird. Die Düse muss verstellbar sein von konvergent im Nor-malbetrieb auf konvergent-divergent (sog. Laval-Düse) bei Nachverbrennung im Überschall-Betrieb. Nachbrenner-System (in Betrieb) Es gibt verschiedene Nachbrenner-Systeme an Überschall-Kampfflugzeugen und an der Concorde zur kurzzeitigen Erhöhung der Startleistung und zum Beschleunigen auf Überschall-Geschwindigkeit. Die Schubsteigerung beträgt ca. 25 % bei mehr als doppeltem Kraftstoff-Verbrauch, d.h. schlechtem Gesamt-Wirkungsgrad sowie sehr starker Lärmentwicklung. Anmerkung: Weitergehende Theorie-Kenntnisse oder Funktionsbeschrei-bungen von Nachbrenner-Systemen werden in der JAR-FCL Liste der Lernziele (Learning Objectives) nicht gefordert.

BYPASS-LUFT KÜHLLUFT

ZYLINDERHYDRAULIK-NACHBRENNER

KRAFTSTOFF

VERSTELLBARERAUSLASS

TURBINE




2. Wasser-Einspritzung Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge sollten Sie zuerst den Abschnitt über Schub und Leistung 021 03 04 07 S 01 - S 03 lesen. Der Schub bei Startleistung (Take Off Thrust) eines Triebwerks wird an-gegeben bei Standard-Bedingungen in Meereshöhe (ISA SL), d.h. Temperatur 15°C und Luftdruck 1,013 bar. Um diesen Schub zu liefern, muss das Triebwerk mit einem bestimmten Druckverhältnis (Engine Pressure Ratio = EPR) bezw. einer bestimmten N1 Drehzahl laufen. Der Turbine muss Energie zugeführt werden. Dazu wird in der Brennkammer ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt. Bis zu einer bestimmten Aussentemperatur (OAT) kann das Triebwerk den vollen "flat rated Thrust" liefern, denn der Take Off -Sollwert "Target EPR" bezw. "Target N1" wird erreicht, bevor die höchste zulässige Tem-peratur an der Turbine (max. TIT) erreicht wird. Weil bei zunehmender Aussentemperatur aber auch die Gastemperatur im Triebwerk steigt, wird irgendwann die max. TIT beim Vorschieben des Leistungshebels schon bei weniger als 100% Schub erreicht. Dann darf der Leistungshebel nicht weiter vorgeschoben werden. Bei hoher OAT muss die Startleistung begrenzt werden (limited Take Off Performance), damit die Turbine nicht verbrennt. Das Diagramm zeigt das Prinzip des "flat-rated"-Betriebs bei drei Triebwerken gleicher Grösse, die alle bei Standard-Bedin-gungen den gleichen Schub liefern. Triebwerk A hat bei 15°C OAT bei 100% Schub die max. TIT erreicht. Bei höherer OAT fällt die Leistung entlang der Linie A. Das ist im prak-tischen Einsatz äusserst unbefriedigend. Bei Triebwerk B wurde durch Verbesserungen von Material und Kühlung der Turbine der flat-rated Bereich bis ISA + 9°C = 24°C erweitert. Das ist schon etwas besser. Bei Triebwerk C wird zum Take Off Wasser eingespritzt, um die Tempe-ratur des Gases am Turbinen-Eintritt zu senken. Das kann an verschie-denen Stationen geschehen. Es gibt (bezw. gab) Einpritzung in den Luft-einlass und/oder Verdichter, Diffusor oder die Brennkammer. Durch die Verdampfung des Wassers wird die Luft gekühlt und ihre Dichte erhöht. Das Wasser darf beim Verdampfen keine Rückstände hinterlas-sen, d.h. es muss destilliert bezw. demineralisiert sein. Beim Start nicht verbrauchtes Wasser muss abgelassen werden, damit es nicht im System gefriert. Merken: Wasser-Einspritzung dient nicht zur Erhöhung des Nenn-schubs (Rated Thrust) des Triebwerks, sondern zur Konstanthal-tung des Schubs bei zunehmender Aussentemperatur.

°C0 15 24 38

100%

SCHUB

OAT

A

MAX. TIT

B CFLAT-RATED




2. Wasser-Einspritzung (Fortsetzung) Wasser-Einspritz-Systeme sind schwer, kompliziert, störanfällig und teu-er. Seit ca. 1975 werden sie nicht mehr gebaut. Die Triebwerks-Hersteller haben die Materialien und Kühlsysteme der Turbinen soweit verbessert, dass moderne Triebwerke auch ohne Wasser bis 38°C (80°F) flat-rated betrieben werden können. Eine "Wasser-Orgel" wie den "nassen" JT-3 oder JT-9 würde heute kein Flugzeughersteller mehr einbauen, denn keine Airline würde den Flieger kaufen. Anmerkung: Es gab früher (1960) auch Turboprop.-Triebwerke mit Ein-spritzung von Wasser/Methanol-Gemisch. Das Methanol diente als Frostschutz im Tank und verbrannte in der Brennkammer.


TRIEBWERKE 10 Luftentnahme 48


021 03 03 10 Luftentnahme

Aufgabe und Arbeitsweise

Vom Triebwerks-Verdichter wird an zwei Stellen Druckluft (Compressor Bleed Air) zur Versorgung des Pneumatik-Systems des Flugzeugs abgegezapft. Das Pneumatik-System beliefert die Druck/Klima-Anlage (Air Conditioning and Pressurization System) sowie die Eisverhütungs-Anlagen von Tragflächen (Wing Thermal Anti-Ice) mit heisser Druckluft. Die Luft enthält Energie in Form von Druck und Wärme. Je weiter nach hinten im Verdichter die Luft entnommen wird, um so höher sind Druck und Temperatur, d.h. so mehr Energie steckt darin. Logischerweise hän-gen Druck und Temperatur an der Entnahmestelle auch von der momen-tanen Triebwerksleistung und den Aussenluftbedingungen ab. Die heute üblichen Niederdruck-Pneumatik-Systeme arbeiten mit 45 PSI (ca. 3 bar) Druck bei ca. 200°C Temperatur. Das folgende stark vereinfachte Schema zeigt den Aufbau eines typi-schen Luftentnahme-Systems an einem High Bypass Triebwerk sowie die Stellen, wo die Signale für die Anzeigen herkommen.

6

S

RÜCKSCHLAGVENTIL (CHECK VALVE)

1.98EPR

EGT

°C x 100

PSIDUCT PRESS

S

FANN1

N2LOW

STAGEHIGH

N1

N2

N1%RPM

N2%RPM

PFEIL ZEIGT IN FLUSSRICHTUNG

SOLENOID- (ELEKTROMAGNETISCHGESTEUERTES, PNEUMATISCHBETÄTIGTES REGELVENTIL

PNEUMATISCH BETÄTIGTESREGELVENTIL (CONTROL VALVE)

1

2 3

4

5

BLEED AIR PRESSURE REGULATORAND SHUTOFF VALVE

BLEED AIR PRECOOLER

PRECOOLER CONTROL VALVE

HIGH STAGE CONTROL VALVE

DUCT PRESSURE TRANSMITTER

EPR TRANSMITTER

PNEUMATIC SYSTEM

1

3

4

5

6

2

Bei normaler Reiseflugleistung des Triebwerks hat bereits die niedrige Stufe (Low Stage) des N2-Verdichters ausreichend Druck und Tempera-tur, um das Pneumatik-System zu versorgen. Wenn Druck oder Temperatur der Low Stage nicht ausreichen (z.B. weil im Sinkflug das Triebwerk mit geringerer Leistung läuft), öffnet das High Stage Control Valve (4), damit höher verdichtete und wärmere Luft aus der letzten N2-Verdichterstufe (High Stage) zur Low Stage-Luft dazugemischt wird. Die Druckregelung auf 45 PSI erfolgt durch das Bleed Air Pressure Re-gulator Valve (1), welches auch als Absperrventil dient und mit dem Triebwerks-Feuerschalter (Engine Fire Switch) verbunden ist. Das Ventil wird elektrisch gesteuert, aber pneumatisch betätigt. Die Temperatur-Regelung auf 200°C erfolgt durch einen Luft/Luft-Wär-metauscher (Precooler) (2) in Verbindung mit dem Precooler Control Valve (3) und Fan-Luft als Kühlmedium.


TRIEBWERKE 10 Luftentnahme 49


Einfluss auf Schub, Abgastemperatur, Drehzahl und Trieb-werks-Druckverhältnis (EPR) Jede Abnahme von Verdichterluft bedeutet Leistungsverlust des Trieb-werks durch die Verringerung der Gasmenge, die durch die Brennkam-mer geht und an den Turbinen Arbeit verrichtet. Die Auswirkungen davon sind: - Wegen der geringeren Luftmenge in der Brennkammer bei gleicher

Kraftstoffzufuhr steigt die Gastemperatur (TIT bezw. EGT), - wegen der geringeren Turbinenleistung sinken die Drehzahlen bei-

der Rotorsysteme, - es sinkt die schuberzeugende Abgasmenge aus der Schubdüse

und damit das Verhältnis von Austrittsdruck geteilt durch Eintritts-druck (Engine Pressure Ratio = EPR),

- damit verringert sich die Schubkraft. Will man trotz des Energie-Entzugs durch Luftentnahme die Vortriebsleis-tung des Triebwerks (EPR bezw. N1) konstant halten, muss die Kraftstoffzufuhr zur Brennkammer erhöht - d.h. der Schubhebel vorgeschoben - werden, natürlich unter Beachtung der Red Line Limits auf den EGT-, N1 und N2 -Anzeigen. Das automatische Schubregelsystem (Auto Throttle) reagiert sinngemäss. Falls das Flugzeug einen Performance Data Computer hat, werden die Stellungen der Engine Bleed Valves über die Endlagenschalter (Limit Switches) abgefragt (Engine Bleed Logic Circuit). Anmerkung: Ausser Bleed Air für das Pneumatik-System liefert der Ver-dichter noch Druckluft für triebwerksinterne Anwendungen, zum Beispiel - zur Eisverhütung im Lufteinlass (Engine Inlet Anti-Ice), - für den Kraftstoff-Vorwärmer (Fuel Heater), - für die Kühlung der Turbinenschaufeln, - zur Druckbeauschlagung der Labyrinthdichungen im Schmierstoff-

system


TRIEBWERKE 11 Getriebe 50


021 03 03 11 Hilfsgeräte-Getriebe

Aufgabe, Einbauort Das Hilfsgeräte-Getriebe (Accessory Gearbox) hat die Aufgabe, die für die Funktion des Triebwerks und der zel-lenseitigen Systeme erforderlichen Ge-räte anzutreiben, d.h. Kraftstoffregler, Kraftstoff- und Ölpumpen sowie Dreh-strom-Generator, Hydraulikpumpe usw. Hier sitzt auch der Starter, der das N2 Rotorsystem beim Triebwerksstart dreht. Der Antrieb erfolgt von der Hochdruck-Verdichterwelle (HPC Rotor Shaft) über Kegelräder (Bevel Gears) in der Inlet Gearbox, die radiale Welle (Radial Driveshaft), nochmals Kegelräder in der Transfer Gearbox, und die horizontale Welle (Horizontal Driveshaft). Normalerweise befindet sich das Hilfs-geräte-Getriebe unterhalb des Trieb-werks, und die radiale Welle geht durch die senkrechte Strebe in der 6 Uhr-Position. Das Besondere am hier gezeigten Bei-spiel ist die seitliche Anordnung des Getriebes beim CFM 56 Triebwerk der Boeing 737 (ab Baureihe -300) mit der radialen Welle in der 9 Uhr Position. Das ist notwendig, weil sonst die Triebwerksverkleidung (Cowling) zu wenig Bodenfreiheit hätte.

HORIZONTAL DRIVESHAFT

ACCESSORYGEARBOX

BEVELGEARS

HYDRAULIC

(FOR BORESCOPE CHECK)





153. Worauf beruht die Leistungssteigerung durch Nachver-brennung ?

154. Wo wird der Kraftstoff zur Nachverbrennung eingespritzt ?

155. Welche Einrichtung an der Schubdüse ist beim Nachbren-ner erforderlich ?

156. Was bewirkt die Wasser-Einspritzung ?

157. In welche Triebwerks-Bereiche wird Wasser eingespritzt ?

158. Für welche Anwendungen wird Verdichterluft (Engine Bleed Air) abgenommen ?

159. Aus welchen Triebwerks-Bereichen wird Luft für das Pneumatik-System abgenommen ?

160. Auf welchen Druck und welche Temperatur wird die Bleed Air geregelt ?

161. Welche Auswirkungen hat Luftentnahme auf die Trieb-werks-Anzeigen ?

162. Von welchem Rotorsystem wird das Hilfsgeräte-Getriebe angetrieben ?





153. Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit durch Volumen-Vergrösserung in der Schubdüse

154. In die Schubdüse

155. Versellbarer Schubdüsen-Auslass

156. Senkung der Gastemperatur an der Turbine

157. Lufteinlass, Verdichter, Diffusor, Brennkammer

158. Air Conditioning, Wing Anti-Ice, Engine Anti-Ice

159. Aus (etwa) der Mitte und vom Ende des Hochruck-Verdichters bzw. Diffusors

160. 3 bar (45 PSI), 200°C

161. TIT bezw EGT steigt, N1 und EPR fällt

162. Hochdruck-Rotorsystem

JAR-ATPL 04 00 TW-Systeme

TRIEBWERKE 01 Zündung 53


021 03 04 00 Turbinen-Triebwerks-Systeme

021 03 04 01 Zündanlagen

Aufbau, Arbeitsweise Zur Entzündung des Kerosin-Luftgemisches ist ein heisser Lichtbogen erforderlich. Zündanlagen für Gasturbinen-Triebwerke unterscheiden sich von Kolbentriebwerks-Zündsystemen durch die Höhe der Spannung und Stromstärke. Die Energiemenge einer Anlaßkerze (engl: Igniter) beträgt etwa 20 Joule (Watt-Sekunden) und setzt sich zusammen aus einem Stromstoss von ca. 1.000 Ampere (!) bei ca. 1.000 Volt und einer Dauer von 0,00002 Sekunden, das Ganze einmal in jeder Sekunde. Die Zündeinheit funktioniert wie das Kondensator-Blitzgerät einer Foto-kamera. Sie besteht aus einem Transistor-Oszillator (früher nahm man einen Vibrator-Kontaktunterbrecher), Transformator, Gleichrichter und Ladekondensator. Sobald der Kondensator wieder geladen ist, erfolgt der nächste Blitz. Normalerweise wird die Zündanlage nur beim Anlassen gebraucht: - Das Einschalten erfolgt gleichzeitig mit dem Beginn der Kraft-

stoffeinspritzung bei ca. 10 - 20% Drehzahl. - Das Ausschalten erfolgt gleichzeitig mit dem Abschalten des Star-

ters beim Erreichen der Selbsterhaltungs-Drehzahl (self-sustaining Speed).

Jedes Triebwerk hat zwei getrennte Zündanlagen und zwei Kerzen (Igni-ter) links und rechts am Anfang der Brennkammer, die zum Starten gleichzeitig betrieben werden. Es gibt Betriebszustände, wo man aus Sicherheitsgründen bei laufendem Triebwerk eine Zündanlage dauernd einschaltet, um ein Verlöschen der Flamme (Flame Out) zu verhindern, z.B. bei Flug durch Gewitter oder starke Niederschläge. Einige Systeme haben eine Start Ignition mit 20 Joule und Continuous Ignition (Dauerzündung) mit 4 Joule, um die Anlage im Dauerbetrieb we-niger zu belasten. Bei zwei gleichstarken Systemen sollte man die Dauerzündung abwechselnd, d.h. nach einer bestimmten Zeit zwischen IGN LT und IGN RT umschalten. Der Zündschalter hat folgende Stellungen: GRD START : Starter in Betrieb und beide Zündanlagen mit voller

Leistung. Der Schalter wird während des Startvorgangs in dieser Stellung magnetisch gehalten

IGN LT: Nur linker Igniter allein (Dauerzündung) IGN RT: Nur rechter Igniter allein (Dauerzündung) FLT START: Beide Zündanlagen mit voller Leistung, aber ohne Starter

(zum Starten eines "windmilling engine" im Fluge)

Brenner

Brennkammer

Igniter

Hochspannungs-Kabel

Start/Ignition Switch

Ignition Unit

Hochspannungs-

Niederspannung-Eingang

Ausgang


TRIEBWERKE 01 Zündung 54


Aufbau, Arbeitsweise (Fortsetzung) Die Zündspannung ist lebensgefährlich. Falls nach einem missglück-ten Startversuch an der Anlage gearbeitet wird, sind folgende Sicher-heitsregeln zu beachten: - Stromversorgung der Zündeinheit durch Ziehen des Circuit

Breaker und/oder Lösen des Niederspannungs-Eingangssteckers unterbrechen,

- die vorgeschriebene Zeit (z.B. 5 Minuten) warten, damit ein

Entlade-Widerstand im Zündgerät den Kondensator entlädt, - erst dann das Hochspannungskabel am Igniter lösen und an Mas-

se halten (kurzschliessen).


TRIEBWERKE 02 Starter 55


021 03 04 02 Startanlagen Arten, Arbeitsweise Ein Gasturbinen-Triebwerk muss beim Starten angetrieben werden, bis es die Selbsterhaltungs-Drehzahl (ca. 40% der Enddrehzahl) erreicht hat. Es braucht deshalb eine viel höhere Startermotor-Leistung als ein ver-gleichbares Kolbentriebwerk. Bei Mehrwellen-Triebwerken wird das Hochdruck-Rotorsystem vom Starter angetrieben. In den ersten Jahren nach der Einführung von Turbinen-Triebwerken beim Militär gab es exotische und oft gefährliche Startverfahren mit Schießpulver-Kartuschen, Hochdruck-Pressluft, Gasturbinen usw. In der zivilen Luftfahrt sind heute für Verkehrsflugzeuge nur noch zwei Starter-Systeme üblich: - Elektrische Starter bezw. Starter-Generatoren mit 28 Volt Gleich-

spannung für kleine Triebwerke, Turboprops, Wellenturbinen für Hubschrauber usw.

- Pneumatische Niederdruck-Turbinenstarter für grössere Trieb-werke.

Wichtig: Alle Starter sind nur für Kurzzeitbetrieb gebaut ! Wegen ihrer enormen Leistung werden sie beim Startvorgang sehr heiss. Normalerweise hat ein Starter nach etwa 20 Sekunden seine Arbeit getan und kann wieder abkühlen. Muss er dagegen länger laufen, weil das Triebwerk nicht startet und dann weitere Anlassversuche folgen, wird er durch Überhitzung zerstört. Für die meisten Starter gilt deshalb folgende (oder eine ähnliche) Spielregel: Nach einer Minute Betrieb vier Minuten abkühlen, nach drei Startversuchen von einer Minute eine Stunde Pause vor dem nächsten Startversuch.




Elektrische Startanlagen Bild A zeigt einen elektrischen Starter-Motor mit Klinken-Freilauf in der Welle. Eine kraftschlüssige Verbindung (Bild B) ist nur vom Starter zum Triebwerk möglich, aber nicht in umgekehrter Richtung. Wenn das Triebwerk seine Selbsterhaltungs-Drehzahl erreicht hat, be-schleunigt es weiter, während der Starter abgeschaltet wird und stehen-bleibt (Bild C). Gleichzeitig mit dem Starter wird auch die Anlasszündung abgeschaltet. Bild D zeigt ein kleines Propeller-Turbinentriebwerk mit einem Starter-Generator am Getriebe, der ständig im Eingriff ist. Zum Starten ist er ein Reihenschluss-Motor und wird von der Batterie bezw. einer DC External Power versorgt. Bei laufendem Triebwerk wird er zum Nebenschluss-Generator und liefert Gleichstrom für das Bordnetz. Ein solcher Starter-Generator hat den Vorteil, dass er Gewicht spart und für beide Funktionen nur einen Platz am Hilfsgeräte-Getriebe bean-sprucht. Wichtig: Wegen der hohen Stromaufnahme elektrischer Starter ist eine leistungsfähige Versorgung erforderlich. Durch den Span-nungsabfall sind Aussetzer bei Instrumenten oder Radio-Anlagen möglich. Es empfiehlt sich, empfindliche Geräte und grössere Stromverbraucher erst nach dem Anlassen der Triebwerke einzu-schalten.

Antrieb Freilauf

Starter Triebwerk

A

B C

D

ELEKTRISCHER STARTER-MOTOR

STARTER-GENERATOR




Pneumatischer Niederdruck-Turbinenstarter Wegen der günstigeren Leistungsmasse (Kilowatt pro Kilogramm) gibt es oberhalb einer bestimmten Leistungsgrenze nur noch luftgetriebene Turbinenstarter. Die Luftversorgung kommt entweder von einem Bodengerät (Air Start Unit) oder von einer im Flugzeug installierten Auxiliary Power Unit (APU) durch die Rohre des ohnehin vorhandenen Pneumatik-Systems. Bild A zeigt ein modernes Fan-Triebwerk mit Starter Valve und Starter am N2-Hilfsgeräte-Getriebe (Accessory Gearbox). Das Starter-Ventil (Bild B) wird elektrisch durch eine Magnetspule (Solenoid) gesteuert und pneumatisch betätigt. Es ist federbelastet geschlossen und braucht Luftdruck zum Öffnen. Auf der Klappenwelle sitzt ein Stellungsschalter, der bei offenem Ventil ein Anzeigelicht (VALVE OPEN Light) einschaltet. Viele Starter-Ventile haben einen "Manual Override" zur direkten Betäti-gung von Hand, falls das elektrische System gestört ist. Der Starter (Bild C) hat eine einstufige Turbine (1) und ein mehrstufiges Planeten-Untersetzungsgetriebe (2) in einem ölgefüllten Gehäuse. Die Höchstdrehzahl der Turbine ist bei fast Schallgeschwindigkeit am Um-fang und beträgt je nach Durchmesser ca. 40.000 bis 50.000 Umdre-hungen pro Minute. In der Starter-Ausgangswelle zum N2-Getriebe (3) befindet sich ein Kleikenfreilauf (4), der nur vom Starter zum Triebwerk ein Drehmoment übertragen kann. Wenn das Triebwerk läuft, hebt die Fliehkraft die Klinken (5) gegen die Kraft der Blattfedern (6) vom Ritzel (7) ab, und der Starter bleibt stehen. Für alle Fälle hat die Ausgangswelle eine Soll-bruchstelle (8). Ebenfalls in der Ausgangswelle sitzt ein zweipoliger Fliehkraftschalter (9) (Centrifugal Switch). Wenn das Triebwerk die Selbsterhaltungsdreh-zahl überschritten hat, öffnet er bei 40% N2 und unterbricht die Strom-kreise des Starter Valve Solenoid und der magnetischen Haltespule (10) des Start/Ignition Schalters. Der Start/Ignition Schalter springt in die OFF Stellung und schaltet damit auch die Anlaß-Zündung aus. Die Schaltplanskizze (D) zeigt den Zusammenhang von Starter und Zündsystem. Das Starter-Ventil wird geöffnet durch die Stellung GRD START des Start/Ignition Schalters. Es schließt, wenn das Triebwerk seine Selbser-haltungs-Drehzahl (40% N2) erreicht und der Fliehkraftschalter (9) im Starter den Stromkreis unterbricht.

10

A

B

C

12 3

6

4

57

8

9

9

IgnitionSystem

Ignit ionSwitch

CentrifugalSwitch(Starter)

StarterValve

Solenoid

CircuitBreaker

DC Bus

D

VALVEOPEN




Niederdruck-Turbinenstarter, Startvorgang Der normale Ablauf des Startvorgangs eines typischen Zweiwellen-Trieb-werks ist wie folgt:. A Vor dem Anlassen gemäss Checklist: Thrust Lever IDLE,

Reverse Lever FORWARD, Start Lever CUT OFF B Pneumatic Duct Pressure prüfen: Sollwert ca. 40 - 45 PSI C Start/Ignition Switch auf GRD START - Der Schalter wird magnetisch gehalten - Das Starter Valve öffnet, Duct Pressure fällt auf ca. 35 PSI - Starter beginnt zu drehen D Starter VALVE OPEN Licht brennt E N2 Drehzahlanzeige steigt - Mit dem N2 Rotorsystem werden alle Hilfsgeräte an der Acces-

sory Gearbox angetrieben - Die Druckölpumpe dreht, Öldruck-Anzeige steigt - N1 Anzeige bewegt sich vom Anschlag weg Bei 15% N2-Anzeige: START LEVER auf RUN - Das elektrische Engine Fuel Shutoff Valve (in der Versorgungs-

leitung vom Tank zum Triebwerk) öffnet - Das Hochdruck-Kraftstoffventil in der Fuel Control Unit (FCU)

am Triebwerk öffnet - Beide Start-Zündanlagen arbeiten (je 1 Funken/Sekunde) F FUEL FLOW Anzeige (ca. 500 kg/hr). Jetzt sind alle drei Voraus-

setzungen - Luft, Kraftstoff und Zündung - für die Verbrennung vorhanden.

G Das Triebwerk flammt an, die EGT- Anzeige steigt - N2 Anzeige steigt - Öldruck steigt, LOW OIL PRESSURE Warnlicht verlöscht - N1 Anzeige steigt - Das Triebwerk erreicht bei ca. 35% N2 seine

Selbsterhaltungs-Drehzahl (self-sustaining Speed) und kann nun mit eigener Kraft laufen und beschleunigen

Bei ca 40% N2 öffnet der Centrifugal Switch im Starter und unterbricht den Haltestromkreis des Start/Ignition Schalters und den Stromkreis des Starter Valve Solenoid: - Der Start/Ignition Switch springt in die OFF-Stellung und schaltet

die Zündanlagen aus - Das Starter Valve schliesst, das VALVE OPEN Licht verlischt - Die DUCT PRESSURE- Anzeige steigt auf den früheren Wert Achtung: Diese Anzeigen sind sehr wichtig. Bei einem in offener Stellung hängenden Starter Valve muss das Triebwerk unverzüglich abgestellt werden, weil der Starter sich sonst zerlegt. Das Triebwerk stabilisiert sich auf 56% N2, weil der erforderliche Leerlauf-Kraftstoffdurchfluss so am Kraftstoffregler eingestellt ist.

DUCT

PSI

80

EGT

°C x 100

G

FUELFLOW

KG/HRx1000

VALVEOPEN

D

C

B

N2% RPM

E

THRUSTLEVER

START LEVER

A

F


TRIEBWERKE 03 Startstörung 59


021 03 04 03 Startprobleme Ursachen und Gegenmassnahmen Zum Starten eines Turbinentriebwerks sind in der Brennkammer drei Vor-aussetzungen erforderlich: 1. Ausreichend verdichtete Luft: Dazu muss das vom Starter

angetriebene Rotorsystem schnell genug drehen, d.h. der Starter muss genügend Leistung haben.

2. Feinversprühter Kraftstoff. Für den Druck und die richtige Menge

und ist die Fuel Control Unit zuständig. 3. Ein paar kräftige Zündfunken. Dazu gehört die Funktion der Zünd-

anlage und deren Versorgung aus dem elektrischen Bordnetz. Jede dieser Bedingungen resultiert aus Funktionen, für die es Anzeigen im Cockpit gibt. Um eine Störung erkennen und sinnvolle Massnahmen ergreifen zu kön-nen, muss man zuerst den normalen Ablauf kennen und wissen, was die Anzeigen bedeuten. Die Kurven im nebenstehenden Diagramm gehören zur Erklärung des Startvorgangs auf der vorigen Seite und zeigen: A N2-Anzeige bei normalem Startvorgang - (a) 15% N2 Fuel und Ignition ON - (b) 20% N2 Anflammen (EGT-Anstieg) - (c) 35% N2 Selbsterhaltungs-Drehzahl - (d) 40% N2 Starter Cutout (Duct Pressure beachten!) - (e) Leerlauf stabilisiert B EGT-Anzeige bei normalem Startvorgang C N1-Anzeige bei normalem Startvorgang D N2-Anzeige, wenn das Triebwerk nicht anflammt. Der korrekte Ablauf des Startvorgangs und die Einhaltung der Zeit- und Temperatur-Limits ist von grösster Bedeutung für die Lebens-dauer des Triebwerks. Alle Abweichungen vom normalen Verlauf müssen sofort der Wartung gemeldet werden.

%RPM

10 20 30 40

EGT

N2

10

20

30

40

50

60

SEKUNDEN

N1A

B

C

Da

b

c

d

e


TRIEBWERKE 03 Startstörung 60


Startprobleme (Fortsetzung)

Wet-, Hot- und Hung- Start: Anzeigen, Ursachen und Gegenmaßnahmen Wet bedeutet nass. Ein Wet Start ist ein Startversuch, bei dem das Triebwerk nicht anflammt. Wenn normaler Fuel Flow angezeigt wird (hinschauen!) und keine Zün-dung erfolgt, sind Brennkammer und Turbine innerhalb weniger Sekun-den nass, und Kraftstoffnebel weht aus der Schubdüse. Flammt das Triebwerk nicht an, kommt das N2-Rotorsystem mit dem Starter auf etwa 22% RPM und verbleibt so, weil der Starter nicht automatisch durch den Fliehkraftschalter abgeschaltet wird. Zum Abbruch des Startversuchs zieht man den Start Lever zurück in die Cut Off Position. Den Starter lässt man noch etwa 30 Sekunden weiter-drehen, um mit der vom Verdichter geförderten Luft das Triebwerk trok-kenzublasen, bevor man manuell den Start/Ignition Switch auf OFF dreht. Der englische Ausdruck dafür ist "Blow Out". Das Ausblasen ist unbe-dingt erforderlich, bevor ein neuer Startversuch unternommen oder an der Zündung gearbeitet wird. Hot bedeutet heiss. Ein Hot Start ist ein Startvorgang mit sehr hoher Gastemperatur, wenn zuviel Kraftstoff und zuwenig Luft miteinander ver-brennen. Mögliche Ursachen sind Kraftstoffreste in der Brennkammer von einem vorhergegangenen Wet Start, ein verzögert einsetzendes Anflammen wegen abgenutzter Igniter, oder weil die den Ignitern am nächsten liegenden Brenner verkokt sind und nicht sauber sprühen. Wichtig ist, dass jetzt mehr Luft und weniger Kraftstoff in die Brenn-kammer gelangt und der Starter in Betrieb bleibt, bis die EGT normal ist. Wenn möglich (nur bei hydro-mechanischem Kraftstoffregler), zieht man den Start Lever etwas zurück, um den Fuel Flow zu verringern. Falls das Triebwerk dabei stehenbleibt, muss das N2 Rotorsystem erst völlig zum Stillstand kommen, bevor der Starter wieder eingeschaltet werden darf. Der Grund dafür ist der Klinkenfreilauf in der Starter-Ausgangswelle. Solange das Triebwerk noch dreht, sind die Klinken wegen der Fliehkraft nicht voll im Eingriff mit dem Ritzel. Ein erneutes Einschalten des Starters bei noch drehendem Triebwerk (sog. Crash Engagement) könnte die Klinkenkupplung zerstören. Hung bedeutet aufgehängt. Bei einem Hung Start flammt zwar das Triebwerk an, aber es beschleunigt nicht oder nur sehr träge. Die Ursache für einen Hung Start ist meistens eine zu geringe Leistung des Starters, die nicht ausreicht, dem Triebwerk über die Selbsterhal-tungs-Drehzahl hinwegzuhelfen (d.h. Luftdruck im Pneumatiksystem bezw. Bordnetzspannung unter Belastung zu niedrig). Es kann aber auch an zu niedrigem Fuel Flow liegen (Anzeige beachten !). Ob man den Startvorgang abbricht oder es wagt, mit dem Schubhebel ein bisschen nachzuhelfen, hängt von der EGT-Anzeige ab. Bei einigen Triebwerken kann dieser Trick manchmal helfen, aber auch eine verbran-nte Turbine zur Folge haben.





163. Die hohe Stromstärke des Zündsystems ist die Folge der Entladung eines

164. Wann wird beim Anlassen die Zündung eingeschaltet ?

165. Wann wird nach dem Startvorgang die Zündung ausge-schaltet ?

166. Wieviel Zündsysteme hat ein Triebwerk eines typischen Verkehrsflugzeugs ?

167. Welche Arten von Starter-Motoren sind üblich für normale Verkehrsflugzeuge ?

168. Warum brauchen Turbinentriebwerke so starke Starter ?

169. Welches Rotorsystem wird vom Starter angetrieben ?

170. Welche Luftquellen für pneumatische Niederdruck-Starter gibt es ?

171. An welcher Anzeige erkennt man das Öffnen und Schließen des Starter-Ventils ?

172. Bei welcher Drehzahl beginnen Fuel Flow und Zündung ?





173. Wann wird der Starter abgeschaltet ?

174. Was kann geschehen, wenn der Starter bei drehendem Triebwerk eingeschaltet wird ?

175. Was ist zu beachten, wenn ein Starter länger oder öfter als normal läuft ?





163. Kondensators

164. Vor oder gleichzeitig mit dem Beginn des Fuel Flow (bei ca. 15% Drehzahl)

165. Gleichzeitig mit dem Starter (bei ca. 40 - 50 % Drehzahl)

166. Zwei

167. 158 Elektrische Starter oder Starter-Generatoren mit 28 Volt DC für kleine Triebwerke, pneumatische Nieder-druck-Turbinenstarter für grosse Triebwerke

168. Weil das Hochdruck-Rotorsystem auf mindestens 20% Drehzahl gebracht werden muss

169. Das Hochdruck-Rotorsystem

170. Bodengerät, Auxiliary Power Unit, Bleed Air aus einem laufenden Triebwerk

171. Am Abfall bezw. Anstieg der Pneumatic Duct Pressure Anzeige

172. Bei ca. 15% RPM des Hochdruck-Rotorsystems

173. Nach Überschreiten der Selbsterhaltungs-Drehzahl, d.h. bei ca. 40 - 50 % RPM

174. Der Klinkenfreilauf kann zerstört werden

175. Die vorgeschriebene Abkühlzeit


TRIEBWERKE 04 FCU 64


021 03 04 04 Triebwerksseitige Kraftstoff-Anlage

Aufgabe Aufgabe der triebwerksseitigen Kraftstoff-Anlage ist die Bemessung und Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennkammer zur Steuerung der Triebwerksleistung. Dazu gehören die folgenden Funktionen: - Filtern des vom Tank geförderten Kraftstoffs, - Vorwärmen des kalten Kraftoffs zum Entfernen von Eiskristallen

und Paraffinflocken, - Aufbau des zum Einspritzen erforderlichen Drucks in der Brenner-

leitung, - Bemessung der Einspritzmenge für die geforderte Leistung und die

Erfordernisse des Betriebsablaufs zur Vermeidung von Compres-sor Stall und Flame-Out

Die Vielzahl der verschiedenen Systeme führte zu unterschiedlichen Ver-fahren bei der Erfassung, Übertragung und Weiterverarbeitung der Ein-gangssignale. Die Spanne reicht vom einfachen handbetätigten Kraftstoffhahn bis zur voll digitalisierten Computer-Regelanlage. Die am häufigsten anzutreffenden Kraftstoff-Anlagen arbeiten noch mit konventionellen Komponenten analoger Regel- und Übertragungstechnik. Das sind u.a. Hebel, Seilzüge, biegame Wellen, Nocken, Federn, Fliehgewichte, Kolbenflächen, Elektromagnete usw. Entsprechend der angewandten Technik unterscheidet man analoge hydro-mechanische oder hydro-pneumatische Kraftstoff-Regler (Fuel Control Units). Das Wort "hydro" kommt immer dann darin vor, wenn der Kraftstoffdruck als Signalgröße und zur hydraulischen Kraftübertragung im Regler dient. Das nebenstehende Schema zeigt die zum Rechenvorgang erforderli-chen Eingangsgrössen bei einem typischen Zweiwellen-Turbinen-Trieb-werk: - Der Start Lever ist so etwas wie der Hauptschalter des Triebwerks

und hat für die Kraftstoffanlage nur die Stellungen EIN (Run) oder AUS (Cut Off),

- die Schubhebelstellung (Thrust Lever Angle, TLA) drückt nur den Wunsch nach einer bestimmten Leistung aus. Ob und wie der Fuel Flow verändert wird, bestimmt der Rechner erst nach der Verarbei-tung weiterer Signale:

- Das N2-Drehzahlsignal sagt dem Rechner, wie schnell der Verdichter dreht,

- das Compressor Discharge Pressure (CDP)-Signal sagt, wie hoch der Druck am Eingang der Brennkammer ist,

- die Verdichter-Einlaßtemperatur (CIT) sagt etwas aus über den Ausgangszustand der Luft vor dem Triebwerk.

Das Ergebnis des Rechenvorgangs in der Fuel Control Unit (FCU) ist die zur Brennkammer fliessende Kraftstoffmenge. Das Ergebnis der Energiezufuhr in die Brennkammer ist die Leistung des Triebwerks und wird entweder als Triebwerks-Druckverhältnis (Engine Pressure Ratio, EPR) oder N1 Drehzahl angezeigt. Anmerkung: Seit der Einführung digitaler Datenverarbeitung in der Mess- und Regeltechnik gibt es heute die Full Authority Digital Engine Control (FADEC)-Systeme. Die Signal-Verarbeitung und Übertragung erfolgt jetzt digital, aber das Grundprinzip der Regelung ist geblieben.

N2 DrehzahlsignalVerdichter-Ausgangsdruck

Start Lever-Stellung

Kraftstoff

Schubhebelstellung

Einlass-Temperatur

FUELCONTROL

UNIT

N1%RPM

1.98EPR

EPRTRANSMITTER

TRANSMITTERFUEL FLOW

FUELFLOW

KG/HRx 1000




FCU-Regelprinzip Die folgende Schemaskizze zeigt das am häufigsten angewandte FCU-Regelprinzip: Die Fördermenge der Hoch-druck-Pumpe (1) ist bei je-der Drehzahl grösser als der Kraftstoffbedarf. Der Rechner (2) bestimmt auf Grund der Eingangssignale den Fuel Flow zur Brennkammer, indem er das Drosselventil (3) entsprechend stellt. Durch den am Drosselventil entstehenden Differenz-druck wird das Rücklauf-Ventil (4) gesteuert, welches den zuviel geförderten Kraftstoff zum Pumpen-Eintritt zurückfliessen lässt. Anders ausgedrückt: Pumpen-Fördermenge minus Rücklaufmenge ergibt den Fuel Flow zur Brennkammer. Das Diagramm zeigt die FCU-Regelfunktion als Zusammenhang zwi-schen Drehzahl und Fuel Flow: Der Leistungsbedarf zum Antrieb des Verdichters steigt mit dem Quadrat der Drehzahl. Im Bereich zwischen der Selbsterhaltungs-Dreh-zahl (ca. 35%) und der maximalen Drehzahl (100%) gehört zu jedem konstanten Fuel Flow eine bestimmte Turbinen-Leistung und damit eine bestimmte konstante Drehzahl. Kurve A ist die Kraftstoff-Bedarfslinie im stabilen Zustand und heisst Steady State Line. Linie B ist die Fördermenge der Hochdruckpumpe. Sie ist direkt proportional zur Drehzahl und prinzipiell grösser als der Kraftstoff-Bedarf des Triebwerks. Bei zuviel Kraftstoff wird das Gemisch zu reich und der Druck in der Brennkammer zu hoch. Dadurch entsteht ein Stau im Verdichter. Kurve C ist die Verdichter-Pumpgrenze oder Surge Line, die nicht überschrit-ten werden darf. Bei zuwenig Kraftstoff wird das Gemisch zu mager und die Flammfront-Geschwindigkeit zu langsam. Die Flamme wird vom Brenner weggetragen und geht aus. Kurve D ist die Verlöschgrenze oder Combustor Flame-Out Line, die nicht unterschritten werden darf. Zwischen den Kurven C und D ist der Arbeitsbereich der Fuel Con-trol Unit. Bei einer schnellen Änderung der Schubhebelstellung muss der Rechner ein Überschreiten der Grenzen verhindern. Deshalb ist ein Sicherheitsabstand von den kritischen Grenzen im Rechnerprogramm enthalten. Wenn das Triebwerk beschleunigen soll, wird der Fuel Flow bis zur Max Acceleration Line (E) erhöht. Beispiel: Von 56% auf 86% RPM: (a) - (b) - (c) - (d) Um die Leistung zu verringern, wird der Fuel Flow bis zur Max. Deceleration Line (F) reduziert. Beispiel: Von 86% nach 56 % RPM: (d) - (e) -(f) - (a)




Triebwerksseitige Kraftstoff-Anlage: Aufbau Das folgende Schema zeigt den Zusammenhang der Bauteile in der Kraftstoff-Anlage eines typischen Zweiwellen-Triebwerks. Betrachten Sie bitte die bezeichneten Bauteile in der angegebenen Reihenfolge im Bild von unten nach oben: 1 Fuel Boost Pump. Kreiselpumpe mit Drehstrom-Motor.

Jeder Tank hat zwei Pumpen mit getrennter Stromver-sorgung. Überwachung jeder Pumpe durch LOW PRESSURE Licht

2 Engine Fire Switch 3 Fuel (Fire) Shutoff Valve. DC Motor, wird versorgt vom

Hot Battery Bus. Betätigt von Start Lever und Fire Switch. Stellungsanzeige-Licht. Grenze zwischen dem zellenseitigen (primären) und dem triebwerksseitigen Kraftstoffsystem

4 Low Pressure Fuel Pump. Kreiselpumpe 5 Low Pressure Pump Bypass Valve. Ermöglicht Umgeh-

ung, falls die Pumpenwelle abschert. 6 Fuel Filter. Filtert Schmutz aus dem Kraftstoff aus. Kann

durch Eiskristalle und/oder Paraffinflocken verstopfen. 7 Filter-Differenzdruck (∆P) Schalter. Schliesst bei begin-

nender Filterverstopfung und schaltet das FUEL FILTER ICING Licht ein

8 Fuel Heater. Luft/Kraftstoff-Wärmetauscher. Heizt mit Luft aus der letzten Verdichterstufe

9 Fuel Heater Hot Air Valve. AC Motor. Endlagenschalter schaltet das FUEL HEAT ON Licht

10 Fuel Heater Bypass Valve. Ermöglicht Umgehung, falls der Fuel Heater verstopft

11 Filter Bypass Valve (falls der Filter verstopft ist) 12 Fuel Temperature Sensor. Temperaturabhängiger

Messfühler (PTC-Widerstand) für die Anzeige 13 Fuel Temperature Indicator. Dazu gehört noch ein hier

nicht gezeigter Wahlschalter (Selector Switch) für das andere Triebwerk und einen Tank.

14 High Pressure Fuel Pump. Zahnradpumpe für den zum Einspritzen erforderlichen hohen Druck.

15 High Pressure Relief Valve (Überdruckventil) 16 Hydro-mechanischer Analogrechner (FCU) : 17 Eingangssignal vom Thrust Lever 18 N2-Drehzahlsignal zum Centrifugal Governor 19 Compressor Inlet Temperature (CIT) Signal 20 Compressor Discharge Pressure (CDP) Signal 21 Throttle Valve. Wird vom Rechner gesteuert und be-

stimmt den Fuel Flow zur Brennkammer 22 Pressure Regulator Valve. Lässt den von der High Pres-

sure Fuel Pump zuviel geförderten Kaftstoff zum Pum-pen-Eintritt zurückfliessen.

23 High Pressure Fuel Shutoff Valve. Wird über Seilzug vom Start Lever betätigt

24 Justierung für Leerlauf und Teillast (Part Power) 25 Fuel Flow Transmitter und Indicator 26 Engine Oil Cooler (Öl/Kraftstoff-Wärmetauscher)




Überwachung Zur Überwachung der triebwerksseitigen Kraftstoff-Anlage gibt es die fol-genden Anzeigen: A FUEL VALVE Position Light (blau): Normalerweise AUS. Wird durch die Endlagenschalter des Ab-

sperrventils (Fuel Shutoff Valve) geschaltet und leuchtet, wenn Schalter- und Ventilstellung nicht übereinstimmen (Disagree-ment), d.h. es brennt auch im Transit.

B FUEL TEMPERATURE Indication: Der Messfühler ist ein temperaturabhängiger Widerstand hinter

dem Fuel Heater. Beim Öffnen des Fuel Heat Valve muss ein Anstieg der Anzeige erkennbar sein. Es ist nur ein Indicator für alle Triebwerke und einen Tank vorhanden, d.h. der Wahlschalter (Selector Switch) muss entsprechend geschaltet werden.

Wichtig: Weil bei eingeschalteter Kraftstoff-Vorwärmung das Kühl-

medium (d.h. der Kraftstoff) im Ölkühler wärmer ist, steigt auch die Öltemperatur.

C FUEL FILTER ICING Light (gelb): Wird durch den Differenzdruck-Schalter am Fuel Filter geschaltet

und leuchtet, wenn das Filter-Element durch Eiskristalle oder Paraffinflocken zu verstopfen beginnt.

D FUEL HEAT ON Light (gelb): Wird durch den Fuel Heat Valve Endlagenschalter geschaltet

und leuchtet, wenn das Ventil offen ist. Anmerkung: Man schaltet Fuel Heat nur solange ein, bis das Fuel

Filter Icing Light wieder verlöscht. Es gibt auch Anlagen, wo das Fuel Heat Valve automatisch gesteuert wird. Überheizen ist schäd-lich für die FCU. Weil die Luft für Fuel Heat aus dem Verdichter entnommen wird (Bleed Air), sinkt die EPR-Anzeige um ca. 0,01.

E FUEL FLOW Indication: Die Zeiger-Anzeige erfolgt in derselben Masseinheit pro Stunde

wie die Vorratsanzeige im Tank, um eine Gegenkontrolle von Durchfluss und Verbrauch zu erleichtern. Das Messverfahren beruht auf dem Dreh-Impuls des Kraftstoffs hinter einem Flügelrad, welches durch einen Elektromotor mit konstanter Drehzahl angetrieben wird. Für eine genaue Anzeige braucht der Fuel Flowmeter Transmitter eine frequenzstabile Stromversorgung mit genau 400 Hertz. Ein Frequenzfehler der Versorgung verursacht einen analogen Fehler der Anzeige, z.B. bei 404 Hz um 1% zu hoch. Manche Anlagen haben deshalb ein besonderes Netzteil (Fuel Flowmeter Power Supply).

F FUEL USED Indication Das Zählwerk zeigt den Verbrauch seit dem letzten Rückstellen

(Reset). Es wird vor jedem Anlassen mit dem RESET-Knopf auf Null gestellt.

FIRE SWITCH





176. An welchem Bauteil beginnt die triebwerksseitige Kraft-stoff-Anlage ?

177. Welche Bedienorgane bezw. Schalter steuern das Engine Fuel Shutoff Valve ?

178. Woher kommt die Stromversorgung für das Engine Fuel Shutoff Valve ?

179. Was sind die Aufgaben der triebwerksseitigen Kraftstoff-Anlage ?

180. Welche Eingangssignale werden für die Kraftstoff-Rege-lung gebraucht ?

181. Welche Aufgabe hat der Fliehkraftregler (Centrifugal Governor) im Kraftstoffregler ?

182. In welchem Verhältnis stehen Fuel Flow und Drehzahl zueinander ?

183. Was geschieht mit dem zuviel geförderten Hochdruck-Kraftstoff ?

184. Wann wird der Fuel Heater eingeschaltet ?





185. Welche Anzeigen ändern sich beim Einschalten des Fuel Heater ?

186. Warum sitzt der Fuel Heater an einer Stelle, wo der Kraft-stoff unter Druck steht ?

187. Welche Überwachungs-Einrichtungen gibt es im sekundä-ren Kraftstoff-System ?





176. Am Engine Fuel Shutoff Valve

177. Start Lever und Feuerschalter (Fire Switch)

178. Direkt von der Batterie (Hot Battery Bus)

179. Filtern, gegebenenfalls Vorwärmen des Kraftstoffs, Druckaufbau, Bemessung, Einpritzung

180. - Stellung des Leistungshebels,

- Drehzahl des Hochdruck-Rotorsystems,

- Hochdruckverdichter-Ausgangsdruck,

- Verdichter-Einlasstemperatur

181. Rückmeldung (Feedback) der Drehzahl)

182. Der Fuel Flow steigt mit dem Quadrat der Drehzahl (wie der Leistungsbedarf)

183. Fliesst zurück zum Eingang der Hochdruckpumpe vor dem Regler

184. Wenn am Filter ein Differenzdruck auftritt

185. Kraftstoff-Temperaturanzeige steigt; EPR fällt wegen Bleed Air-Abnahme; Öltemperatur steigt, weil das Kühlmedium im Ölkühler wärmer ist

186. Damit durch die Erwärmung des Kraftstoffs keine Dampfblasen entstehen

187. - Fuel Valve Position

- Fuel Temperature

- Fuel Filter Icing

- Fuel Heater ON

- Fuel Flow,

- Fuel Used seit dem letzten Indicator Reset


TRIEBWERKE 05 Schmierstoff-Anlage 71


021 03 04 05 Schmierstoff-Anlage

Aufbau, Arbeitweise, Kühlung Die Schmierstoff-Anlagen heutiger Turbinentriebwerke sind Trocken-sumpf-Systeme. Als Schmierstoff und zur internen Kühlung dient dünn-flüssiges synthetisches Öl mit hohem Siedepunkt, niedrigem Stockpunkt und praktisch konstanter Viskosität über den Temperaturbereich von 60°C bis 150°C. Die Abdichtung der Lager gegen das Austreten von Öl in den Luft- bezw. Gasstrom erfolgt durch druckluftbeauf-schlagte Labyrinth-Dichtungen. Jedes Lager sitzt in einer Ölkammer und wird durch Spritzöl aus einer Öldüse geschmiert und gekühlt. Um die Ölkammer herum befindet sich eine Luftkammer, die unter Luftdruck vom Verdichter steht, der höher als der Öldruck ist. Die Entlüftung des Ölsystems nach aussen geht durch eine Zentrifuge in der Accessory Gearbox, welche die Ab-luft herausauslässt, aber das Öl zurückhält. Weil die Küh-lung durch einen Öl/Kraftstoff-Wärmetauscher mit bemes-senem Hochdruck-Kraftstoff hinter der Fuel Control Unit erfolgt, passt die Kühlwirkung zur entstehenden Wärme. Das Schema zeigt ein typisches Ölsystem. Verfolgen Sie bitte den Ölkreislauf in der Reihenfolge der bezeichneten Bauteile: 1 Öltank (am Triebwerk) 2 Tankdeckel mit Peilstab. Einfüllstutzen an der Seite,

damit der Tank nicht überfüllt werden kann 3 Ölstand-Schaugläser für MAX und MIN 4 Oil Quantity Transmitter für Anzeige 5 N2 Accessory Gearbox 6 Pressure Pump 7 Pressure Filter 8 Oil Filter Bypass Valve (öffnet bei verschmutztem

Filter) 9 Oil Pressure Relief Valve. Einstellbares Druckregel-

bezw. Überdruck-Ventil 10 Oil Filter Differential Switch. Schaltet bei beginnen-

der Filter-Verschmutzung das OIL FILTER BY-PASS-Licht ein

11 Ölkühler (Oil Cooler). Sitzt beim "Hot Tank" Oil System in der Druckleitung, beim "Cold Tank"- Oil System im Rücklauf

12 Oil Temperature Control (Bypass) Valve Bei kaltem Öl wird der Ölkühler umgangen

13 Oil Temperature Sensor für Anzeige 14 Oil Pressure Transmitter für Anzeige 15 Low Oil Pressure Warning Light Switch 16 Scavenge Pump (Rückförder-Pumpe) 17 Entlüftungs-Zentrifuge (Centrifugal Breather) 18 Entlüftungs-Auslass (Breather Outlet)


TRIEBWERKE 05 Schmierstoff-Anlage 72


Überwachung Die Überwachung des Ölsystems erfolgt durch elektrische Fernübertra-gungs-Anzeigen und Warnlampen und erfordert Stromversorgung. A LOW OIL PRESSURE Warning Light (gelb) Wird durch einen Druckschalter geschaltet und leuchtet bei zu niedrigem Öldruck (unterhalb des grünen Skalenbereichs vom Oil Pressure Indi-cator). Die Warnlampe muss von der Öldruck-Anzeige unabhängig sein und eine separate Stromversorgung haben. B OIL FILTER BYPASS Warning Wird durch einen Differenzdruck-Schalter am Ölfilter geschaltet und leuch-tet bei beginnender Filter-Verschmutzung, bevor das Oil Filter Bypass Valve öffnet. Anmerkung: Es gibt Anlagen mit nur einer Warnlampe für beide Funk-tionen. Bei Low Oil Pressure brennt das Licht ständig (steady), bei Filter Bypass blinkend (flashing). C OIL PRESSURE Indication Der Öldruck wird an der Stelle gemessen, wo das gefilterte und gekühlte Öl zu den Lagern verteilt wird. D OIL TEMPERATURE Indication Der Öltemperatur-Messfühler ist ein temperaturabhängiger Widerstand im Bereich des Ölkühlers. E OIL QUANTITY Indication Der Ölstand wird über die Kapazität eines senkrecht im Öltank eingebau-ten Kondensators gemessen, in dem das Öl als Dielektrikum wirkt. Wichtig: Weil bei einer Störung der Anzeige der Zeiger in der letzten Stellung stehenbleibt, muß vor dem Ablesen der OIL QUANTITY TEST Knopf gedrückt werden. Beim Test läuft der Zeiger in Richtung LEER. Nach dem Loslassen des Knopfes muss er in die vorherige Stellung zu-rücklaufen.

OIL PRESS

PSI

OIL TEMP

°C

OIL QTY

TEST

1

2 3

4

0

OIL QUANTITY

US GALLONS

A B

C

D

E

OIL FILTERBYPASSPRESSURE

LOW OIL


TRIEBWERKE 04 Kraftstoffe 73


021 03 04 06 Kraftstoffe für Turbinentriebwerke

Eigenschaften Kraftstoffe für Turbinentriebwerke werden durch Destillations- und Crack-Prozesse aus Erdöl hergestellt. Die Tabelle enthält die Daten der beiden wichtigsten Arten zum Vergleich. In der Zivilluftfahrt wird Kerosin Jet A1 verwendet, weil es durch seinen hohen Flammpunkt weniger feuergefährlich ist. Das Militär verwendet normalerweise Jet B. Das ist ein sogenanntes "wide-cut gasoline" und in grösseren Mengen verfügbar als Jet A1, weil aus einer gegebenen Menge Erdöl mehr benzinartige Stoffe als Kerosin gewonnen werden. Die höhere Feuergefahr durch den niedrigen Flammpunkt von Jet B (ca. -20°C) nimmt man in Kauf (aber auf Flugzeugträgern verwendet man ein spezielles Kerosin mit einem Flammpunkt von +65°C !) Die Tabellenwerte bedeuten: Heizwert ist der Energie-Gehalt und wird normalerweise in Kilojoule pro Kilogramm angegeben. Spezifische Masse (oder Dichte) ist die Masse (in kg) pro Volumen (in Litern). Kraftstoff dehnt sich bei Erwärmung aus, d.h. die Dichte wird geringer. Flammpunkt ist die Temperatur, bei der sich über der Flüssigkeit ein zündfähiges Gas bildet. Je niedriger der Flammpunkt, desto grösser die Feuergefahr. Gefrierpunkt ist die Temperatur, bei der Flüssigkeit in den festen Zu-stand übergeht. Wenn verschiedene Bestandteile der Flüssigkeit unter-schiedliche Gefrierpunkte haben, ist der Stockpunkt wichtig. Das ist die Temperatur, bei der sich feste Flocken im Kraftstoff bilden, die ein Filter verstopfen können. Siedepunkt ist die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit verdampft bezw. Dampfblasen bildet. Wegen der durch die Verdichtung der Luft erfolgten Erwärmung spielt der Siedepunkt für die Gemischbildung in der Brenn-kammer keine Rolle. Schwefelgehalt stammt aus dem Ursprungsstoff Mineralöl und ist für Turbinentriebwerke unschädlich, weil keine Verbrennungsrückstände ab-gelagert werden. Dampfdruck spielt bei Kraftstoffanlagen von Turbinen-Triebwerken keine Rolle, weil der Kraftstoff von der Tankpumpe bis zum Brenner unter Überdruck steht. Klopffestigkeit ist bei Turbinentriebwerken kein Thema und deshalb in dieser Tabelle nicht aufgeführt.

Bezeichnungfrüher

Farbe

Heizwert (kJ/kg)kW/Liter)

Flammpunkt (°C)

Stockpunkt (°C)

Siedetemperatur-

Schwefelgehalt(Gewichts-%)Reid-Dampfdruck

(bar)

JET A-1JP 1A

farblos-opalisierend

42.6009,585

0,81

+ 40

- 50

150 - 250

0,2

JET BJP 4

farblos

42.8009,035

0,76

- 20

- 60

50 - 250

0,4

0,15-

Spezifische Masse(kg/Liter bei 15°C)

Bereich (°C)


TRIEBWERKE 04 Kraftstoffe 74


Kraftstoff-Verunreinigungen, Wasser im Kraftstoff

Damit keine Betriebsstörungen auftreten, darf nur sauberer Kraftstoff zum Triebwerk gelangen. Dazu dienen folgende Massnahmen und Einrichtungen: - Die Lieferfirma ist verantwortlich für die Anlieferung von sauberem

Kraftstoff gemäss Spezifikation ohne feste Fremdkörper und freies Wasser.

- Die Betriebsanleitung enthält Anweisungen über das Ablassen ab-gesetzten Wassers und Entnahme von Kraftstoffproben aus den Ablassventilen (Sump Drain Valves) an den tiefsten Stellen der zellenseitigen Kraftstoffanlage.

- Die Förderpumpen in den Tanks sind so angeordnet, dass im Sumpf abgesetztes freies Wasser nicht angesaugt wird. Man nimmt dafür lieber eine gewisse nicht ausfliegbare Kraftstoffmenge (unusable Fuel) in Kauf. Es gibt auch sogenannte "Fuel Tank Scavenge"- Systeme, die im Fluge bei eingeschalteten Förderpumpen ein Absetzen von Wasser verhindern.

- Jedes Triebwerk hat ein Filter vor dem Kraftstoffregler, um Verun-reinigungen auszufiltern.

- Um ein Verstopfen des Filters durch Eiskristalle oder Paraffin-flocken zu verhindern, gibt es vor dem Filter einen bei Bedarf ein-zuschaltenden Kraftstoff-Vorwärmer (Fuel Heater).

Wasser ist immer im Kraftstoff enthalten. Ob es dadurch zu Störungen kommt, hängt von seiner Erscheinungsform ab. 1. Gelöstes Wasser: Kraftstoff kann Wasser in Lösung aufnehmen. Ähnlich dem Taupunkt bei der Luftfeuchte gibt es auch für den Wassergehalt im Kraftstoff eine Sättigungsgrenze (siehe nebenstehendes Diagramm). Im eingezeichneten Beispiel sind 7 cm³ Wasser pro 100 Liter Kraftstoff enthalten. Bei Punkt (a) beträgt die Temperatur 25°C. Unterhalb der Kurve ist das Wasser im Kraftstoff gelöst und nicht sichtbar, wenn man davon eine Probe in einem Glas (A) gegen das Licht betrachtet. Die Probe erscheint klar. Gelöstes Wasser verdampft im Triebwerk und verursacht keine Störungen. 2. Wasser im Schwebezustand: In Punkt (b) ist der derselbe Kraftstoff auf 17°C abgekühlt und hat die Sättigungskurve erreicht. Sinkt die Temperatur im Tank unter die Sätti-gungsgrenze, kondensiert das Wasser zu feinen Tröpfchen, welche die Probe (B) trübe erscheinen lassen. Auch dieser Wassergehalt ist zu niedrig, um die Verbrennung zu stören, aber: Bei weiterer Abkühlung unter 0°C nach (d) bilden sich Eiskristalle, die sich im Filter vor dem Kraftstoffregler festsetzen und den Durchfluss behindern können. 3. Freies Wasser: Ungelöstes Wasser bei Punkt (c) setzt sich wegen seiner grösseren Dichte an den tiefsten Stellen des Systems ab. Die Probe (C) enthält unten freies Wasser. Der Kraftstoff darüber ist klar, aber gerade mit Wasser gesättigt. Wenn freies Wasser den Kraftstoff verdrängt und in den Kraftstoffregler gelangt, verlöscht die Flamme in der Brennkammer. Wo freies Wasser gefriert, können Filter oder Leitungen blockiert werden.

WASSERGEHALT IM KRAFTSTOFF

30

25

20

15

10

5

-20 - 100

10 20 30 40Temperatur (°C)

0 50

gelöstesWasser

ungelöstesWasser

KristalleEis-

b ad c a

KLA R

WASSER

KLA R

A B C

TRÜBE





188. Nach welchem Prinzip arbeitet die Schmierstoff-Anlage eines Turbinen-Triebwerks ?

189. Welche Art von Öl wird in Turbinentriebwerken verwendet ?

190. Wodurch wird gewährleistet, daß kein Triebwerksöl in den Luft- bezw. Gasstrom gelangt ?

191. Wodurch wird verhindert, daß bei der notwendigen Entlüf-tung auch Öl verlorengeht ?

192. Wie wird die Öltemperatur geregelt ?

193. Welche Anzeigen gibt es für das Ölsystem ?

194. Welche Kraftstoff-Sorte wird normalerweise für Turbinen-triebwerke verwendet

a) in der Zivilluftfahrt ?

b) beim Militär ?

195. Worin liegt der wichtigste Unterschied zwischen den Kraft-stoff-Sorten ?





196. Wo steht geschrieben, mit welcher Kraftstoff-Sorte ein Triebwerk zu betreiben ist, ob gegebenenfalls Ausweich-Kraftstoffe oder Gemische verwendet werden dürfen usw. ?

197. Wovon hängt die im Kraftstoff lösbare Wassermenge ab ?

198. Wann sollte eine Kontrolle auf Wasser in den Tanksümpfen gemacht werden ?

199. Wo liegt der Flammpunkt bei einem Gemisch von Benzin und Kerosin ?





188. Trockensumpf-Druckumlaufsystem

189 Dünnflüssiges synthetisches Öl

190. Druckluft-beaufschlagte Labyrinth-Dichtungen, wo der Luftdruck höher als der Öldruck ist

191. Durch eine Entlüfter-Zentrifuge

192. Durch ein automatisch verstellbares Ölkühler-Umgehungsventil (Bypass bei kaltem Öl)

193. Ölvorrats-, Öltemperatur- und Öldruckanzeiger; Warnlampen für niedrigen Öldruck und beginnende Filterverstopfung

194. a) JET A1

b) JET B

195. Der Flammpunkt von JET A1 liegt bei ca. + 40°C, der von JET B bei - 20°C

196. Im Betriebshandbuch (Operations Manual) des Flugzeugs

197. Von der Temperatur

198. Erst nach genügend langer Zeit zum Setzen

199. Wie Benzin bei ca. - 20°C


TRIEBWERKE 07 Schub 78


021 03 04 07 Schub- und Vortriebsleistung

Einflussgrössen für TL und ZTL Die Schubkraft ist die Resultierende der gasdynamischen Kräfte und ergibt sich aus der Formel Schub = Masse x Beschleunigung Anmerkung: Zur Vereinfachung betrachten wir nur die Masse der Luft. Dass auch die Masse des eingespritzten Kraftstoffs beschleunigt wird, lassen wir unberücksichtigt, ebenso wie die für den Antrieb von Hilfsge-räten abgezweigte mechanische Arbeit. Die Auswirkungen der verschie-denen Einflussgrössen auf den Schub beziehen sich auf eine konstante Turbinen-Eintrittstemperatur. Die vorn in das Triebwerk eintretende Luft stellt die Masse dar. Die Masse eines Gases hängt ab vom Volumen und der Dichte. Die Dichte hängt ab von den Einflußgrößen Druck (positiv) und Tem-peratur (negativ), d.h. der Schub steigt bei zunehmendem Druck und nimmt ab bei steigender Temperatur. Die Abnahme der Luftdichte mit zunehmender Höhe bewirkt eine Schub-Verringerung. Die eintretende Luftmasse hat die Geschwindigkeit Vein.. Dieselbe Masse tritt an der Schubdüse aus mit der Geschwindigkeit Vjet. Die Differenz Vjet - Vein ist die Beschleunigung: Schub = Masse x (Vjet - Vein) Im Stand ist der Schub am höchsten. Wenn die Eintrittsgeschwin-digkeit Null beträgt, ist die Differenz am grössten. In einer normalen konvergenten Schubdüse kann die Strömung nur bis zur Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Sobald das Druckverhältnis zwischen Schubdüsen-Eintritt und -Austritt einen bestimmten Wert übersteigt, hat das mit Schallgeschwindigkeit austretende Gas einen höheren statischen Druck als die umgebende Luft. Das nennt man "unvollständige Expansion" oder "überkritisches Druckverhältnis". Der englische Name für eine derartige Schubdüse ist "Choked Nozzle". Aus dem Differenzdruck der Abgase gegenüber der umgebenden Luft mal der Querschnittsfläche des Düsen-Austritts entsteht eine zusätzliche Kraft, die zum Düsenschub addiert wird. Die Schubformel bei unvollständiger Expansion ist deshalb Schub = Masse x (Vjet - Vein) + Fläche x (Pjet - Pein)




Einflussgrössen für TL und ZTL (Fortsetzung) Ein solcher Überdruck-Gasaustritt an einem Unterschall-Flugzeug wäre wegen des ungünstigen Vortriebs-Wirkungsgrades sehr unwirtschaftlich und wegen der Randzonen-Wirbel auch sehr laut. Bei einem ZTL (das sind heute alle Triebwerke von Verkehrsflugzeugen) sind es zwei Massen (hot = Gasstrom und cold = Fanstrom) und zwei Beschleunigungen, aus denen der Gesamtschub besteht, also Schubges = Massehot x (Vjet - Vein) + Massecold x (Vfan - Vein) Merken: Je größer der Anteil des kalten Luftstroms am Gesamt-schub (Bypass-Ratio), um so besser der Wirkungsgrad des Trieb-werks.




Schubverlauf in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Flughöhe Beim Betrieb eines Flugzeugtriebwerks in verschiedenen Höhen und Ge-schwindigkeits-Bereichen ändern sich sämtliche Grössen, die den Schub beeinflussen. Die folgenden Erklärungen beziehen sich auf die Bedingungen der Stan-dard-Atmosphäre und normaler höhenabhängiger Abnahme von Druck, Temperatur, Dichte und Schallgeschwindigkeit bei konstanter Turbinen-Eintrittstemperatur (Turbine Inlet Temp. = TIT). Das ist natürlich reine Theorie, denn normalerweise wird bei einem Ver-kehrsflugzeug nach dem Start der Schubhebel zurückgenommen und die Leistung - d.h. auch die Turbinen-Eintrittstemperatur - reduziert, während Höhe und Geschwindigkeit zunehmen. Einfluss der Geschwindigkeit (Diagramm A) Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit (Airspeed) wird der Unterschied zwischen Austritts- und Eintrittsgeschwindigkeit - d.h. die Beschleunigung - kleiner. Das ist der Speed Effect. Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt aber der Staudruck (engl: Ram Pressure) ρ/2 v² im Lufteinlaß mit dem Quadrat der Geschwindigkeits-Zu-nahme. Damit wird die durchgesetzte Masse grösser. Das ist der Ram Effect. Das Zusammenwirken von Speed Effect und Ram Effect ergibt den Verlauf der Total Thrust - Kurve. Bei Annäherung an die Schallgeschwindigkeit kommt es durch die begin-nende Kompressibilität der Luft zu erhöhter Verdichtung im Lufteinlass, was bei konstanter TIT zu einer weiteren Schubsteigerung führt. Einfluss der Flughöhe (Diagramm B) Mit zunehmender Höhe sinken Druck, Temperatur und Dichte der Luft. Beim Steigen mit konstanter TIT wird unterhalb der Tropopause (ca. 36.000 ft = 11.000 m) der Einfluss der Druck-abnahme auf die Dichte zum Teil dadurch kompensiert, dass die Temperatur abnimmt. Linie a ist der Schubabfall von Sea Level bis zur Tropopause. Darüber bleibt die Temperatur konstant (-56°C), während der Druck weiter fällt. Deshalb ist oberhalb der Tropopause der Schubabfall mit zu-nehmender Höhe stärker, wie Linie b zeigt.

Airspeed

Constant TIT

Altitude

Constant TIT

A

B

a

b




Flat-rated Engine Flat heißt flach oder platt. Ein "flat-rated Engine" ist ein Triebwerk, wel-ches beim Start (T/O Power) mit konstantem Schub im flachen Teil seiner Leistungskurve betrieben wird, soweit es ohne Überschreiten der maximal zulässigen Turbinen-Eintrittstemperatur (TIT) möglich ist. Der maximale Schub eines Triebwerks ist begrenzt durch die Belastbar-keit der Turbine durch Hitze, Fliehkraft, Druck- und Torsionskräfte. Des-halb sind für die Turbinentemperatur und Rotordrehzahlen Grenzwerte (Red Line Limits) festgelegt,die nicht überschritten werden dürfen. Es gibt im Flugzeug keine direkte Anzeige des Schubs. Man kann aber die Leistung aus dem dem Triebwerks-Druckverhältnis (Engine Pressure Ratio = EPR) oder der N1-Drehzahlanzeige berechnen, wenn statischer Druck, Staudruck und Außentemperatur bekannt sind. Dazu wurden früher Diagramme oder Tabellen verwendet. Neuere Flugzeuge mit High Bypass-Triebwerken haben digitale Perfor-mance Data Computer, die aus Luftdaten vom digitalen Air Data Compu-ter und der ebenfalls digital gemessenen N1-Drehzahl den Schub berechnen und die Schub-Sollwerte (Targets) von EPR bezw. N1 anzeigen. Wenn eine automatische Schubregel-Anlage (Auto Throttle) vorhanden ist, werden auch die Schubhebel davon betätigt. Das nebenstehende Diagramm zeigt die Betriebswerte eines Zweiwellen-Zweikreis-Triebwerks, welches bis zur Aussentemperatur ISA + 14 = 29°C "flat rated" ist, d.h. den vollen Startschub liefern kann. Bei 29°C ist die TIT am Limit. Bei noch höherer Aussentemperatur (bezw. geringerer Luftdichte) muss die Kraftstoffmenge - d.h. Leistung - verringert werden. Entsprechend der Aussentemperatur wird vor jedem Take-Off der EPR- bezw. N1- Sollwert (Target) für den Startvorgang bestimmt. Der Schubhebel wird vorgeschoben, bis dieser Sollwert angezeigt wird oder aber eine TIT- bzw. EGT- oder Drehzahl-Anzeige das Red Line Limit auf der Skala erreicht - "whichever comes first". Das untere Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Leistung, Materialbeanspruchung und Lebensdauer eines Turbinentriebwerks. Je geringer die Belastung, um so länger die sichere Betriebszeit. Bei Über-lastung wird das Triebwerk sehr schnell zerstört. Wenn die maximale Startleistung nicht gebraucht wird und die Umstände es zulassen - z.B. lange Startbahn, niedriges Startgewicht - kann man das Triebwerk schonen, indem man einen "De-Rated Take-Off " mit reduzierter Leistung macht.

Belastung

Flat Rated Thrust

15° 29°COutside Air Temperature

EPR Target

N1 RPM Limit

N2 RPM Limit

Turbine Inlet Temp. Limit

FLAT RATED ENGINE




Triebwerkslärm Entstehung, Minderungs-Möglichkeiten Triebwerkslärm entsteht hauptsächlich durch Wirbel und dadurch verur-sachte periodische Druckänderungen beim Auftreffen schneller Strömung auf langsamere oder stehende Luft am Ausgang von Schubdüse und Fan sowie an den Kompressorschaufeln. Die Intensität des Schalls wird normalerweise in der Masseinheit Dezibel dB(A) gemessen. Um die Empfindung (Perception) der Lästigkeit von Fluglärm durch Menschen besser erfassen zu können, wurde weltweit als Vergleichsgrösse das Perceived Noise dB (PNdB) eingeführt. Dabei werden die Schalldruckpegel der einzelnen Frequenzbänder unterschied-lich bewertet. Bei der Festlegung der zulässigen Lärmgrenzen wird die Masseinheit Effectice Perceived Noise (EPNdB) verwandt, die durch Inte-gration des PNdB-Verlaufs über der Zeit entsteht. Zulässige Lärmgrenzen (in EPNdB) für seit ca. 1975 neu zugelassene Flugzeugmuster sind in den Federal Aviation Regulations FAR Part 36 in Abhängigkeit vom Startgewicht des Flugzeugs definiert. Dazu wird der Lärmpegel an drei in Richtung und Entfernung festgelegten Messpunkten gemessen. In Anlehnung an internationale Bestimmungen gibt es in Deutschland die "Lärmschutz-Verordung für Luftfahrzeuge (LSL)" vom Luftfahrt-Bundesamt. Minderungs-Möglichkeiten der Lärm-Emission: 1. Lärmmindernde Massnahmen und technische Einrichtungen am

Triebwerk Die Einführung von Nebenstrom (Bypass) -Triebwerken zur Vergösserung der Masse bei verringerter Austrittsgeschwindigkeit ergab neben der Verbesserung des Vortriebs-Wirkungsgrades auch eine Reduzierung des Triebwerkslärms bei Start und Landung. Zusätzliche Massnahmen sind die Auskleidung mit schallabsorbierendem Material im Lufteinlass, in den Fanluft-Auslässen und in der Schubdüse sowie sogenannte "Mixer" im "Ducted Fan"-Auslass zur Verringerung der Wirbelbildung durch den heissen Gasstrom. 2. Lärmmindernde Bedienungs-Verfahren (Noise Abatement

Procedures) Für Start- und Landevorgänge auf lärmkritischen Flughäfen sind soge-nannte "Noise Abatement Procedures" entwickelt worden, z.B - Start mit reduzierter Leistung (De-rated Thrust Take-Off), wenn

Startbahnlänge und Startmasse es zulassen, - Steilerer Gleitwinkel beim Landeanflug - Low Power/Low Drag Approach (niedriger Schub und Widerstand)

durch späteres Ausfahren von Landeklappen und Fahrwerk


TRIEBWERKE 08 Bedienung 83


021 03 04 08 Triebwerks-Bedienung und -Überwachung Bei Turbinentriebwerken wird die Leistung eingestellt, indem man die Stellung des Leistungshebels (Power Lever Angle) verändert, bis der ge-wünschte Sollwert (Target) angezeigt wird. Dabei darf kein Grenzwert (Red Line Limit) überschritten werden. Die massgebenden Leistungsanzeigen sind beim - TL: Triebwerks-Druckverhältnis (EPR) - ZTL: PR und/oder Fan-Drehzahl - Turboprop: Propeller-Drehzahl und Torque (gemeinsam) Die Instumente sind normalerweise so angeordnet, dass oben - abgegebene Leistung EPR bezw. N1, darunter - Betriebswerte EGT bezw. TIT und N2, weiter unten - Energiezufuhr (Fuel Flow) angezeigt werden. Die nebenstehenden Bilder zeigen die Triebwerks-Instrumente eines "flat rated engine" bei ISA Bedingungen (15°C) und Take Off Thrust. Beachten Sie bitte die Zeigerstellungen und Skalen-Markierungen. A Engine Pressure Ratio (EPR) ist das Verhältnis von Turbinen-Aus-trittsdruck geteilt durch Verdichter-Eintrittsdruck. Mit dem Set-Knopf (1) wird das Target-EPR eingedreht, bis das Zählwerk (2) und die bewegliche Dreiecksmarke ("Bug") (3) auf dem per Tabelle, Diagramm oder Computer ermittelten Sollwert steht. Zum Setzten dieser Leistung wird der Schubhebel vorgeschoben, bis der Zeiger (4) auf die Dreiecksmarke (3) zeigt. B N1 Drehzahl wird in % RPM einer vom Triebwerkshersteller festge-legten Bezugsdrehzahl des Niederdruck-Rotorsystems angezeigt. Anmerkung: Bei Zweikreis-Mehrwellen-Triebwerken mit hohem Bypass-Verhältnis liefert der Fan den grössten Anteil vom Gesamtschub. Die Leistungsbestimmung nach EPR ist dann ungenau. Weil solche Triebwerke meistens in modernen Flugzeugen mit digitalen Air Data- und Performance Data-Computern eingebaut sind, bietet sich die N1-Drehzahl als Schubsetz-Parameter (Target) an. Auf die EPR-Anzeige kann dann verzichtet werden. C EGT (oder TIT) ist die Temperatur-Anzeige der heissen Sektion. Wichtig ist, dass der obere Grenzwert nicht überschritten wird. D N2 Drehzahl ist die Betriebsanzeige des Hochdruck-Rotorsystems und wird in % RPM einer vom Triebwerkshersteller festgelegten Bezugs-drehzahl angezeigt. N2 treibt die Accessory Gearbox - d.h. Kraftstoff- und Ölpumpen, Generator usw. an. E Fuel Flow zeigt die zugeführte Energiemenge an. Im normalen Betrieb bestehen zwischen diesen Anzeigen bestimmte Zu-sammenhänge. Jede Veränderung eines Betriebswertes hat Auswirkun-gen auf andere Anzeigen zur Folge. Die Kenntnis dieser Zusammen-hänge ist erforderlich für das Erkennen von Störungen.

FUELFLOW

KG/HRx1000

N1%RPM

N2%RPM

1.98EPR

EGT

°C x 100

A

B

C

D

E

1

23

4




Leistungs- und Schubbezeichnungen Zur Definition von Leistungs- bezw. Schubwerten gibt es die sogenannten Engine Ratings. Weil die Lebensdauer eines Triebwerks bei zunehmender Belastung ab-fällt, ist die Einhaltung der zulässigen Betriebsgrenzen von grösster Wichtigkeit. Die Schubsetz-Sollwerte (Targets) EPR bezw. N1 RPM werden aufgrund der Aussenbedingungen entweder aus Diagrammen oder Tabellen entnommen oder an Bord durch Rechner ermittelt und angezeigt. Für jedes Triebwerk sind bestimmte Engine Ratings festgelegt: A Take Off Thrust Startleistung, begrenzt auf 5 Minuten B Go Around Thrust Wie Take Off Thrust, jedoch korrigiert für die höhere Geschwindig-

keit beim Go Around C Maximum Continuous Thrust Höchstzulässiger zeitlich unbegrenzt verwendbarer Schub.

Soll nur im Notfall (z.B. bei Triebwerksausfall) gesetzt werden, wenn auf Grund von Zeit- und/oder Höhen-Limitierung nicht Take Off- oder o Around Thrust gesetzt werden darf.

Anmerkung: Take Off-, Go Around- und Maximum Continuous

Thrust sind sogenannte "Certified Ratings" und müssen von der Zulassungsbehörde genehmigt sein.

D Maximum Climb Thrust Für Steigflug und zum Beschleunigen auf Reisegeschwindigkeit. E Maximum Cruise Thrust Obere Leistungsggrenze für den normalen Reiseflug. F Flight Idle Erhöhte Leerlaufdrehzahl im Flugzustand für - ausreichend Druck und Temperatur im Pneumatiksystem - kurze Beschleunigungszeit zu höherer Drehzahl (Leistung) G Ground Idle Leerlaufdrehzahl am Boden (Fahrwerk belastet) zum Rollen und

zur Energieversorgung aller Systeme (Antrieb von Generator, Hy-draulikpumpe, Luftentnahme).




Triebwerks-Bedienung Zur Triebwerks-Bedienung gibt es konventionelle mechanische Übertra-gungssysteme von den Hebeln im Cockpit zum Triebwerk und neuere elektrische Systeme mit digitaler Übertragungstechnik. Zuerst das konventionelle analoge mechanische Seilsystem: Mit dem Winkel des Schubhebels (Thrust Lever Angle) wird über das Seilsystem zum Triebwerksregler (Main Engine Contol = MEC bezw. Fuel Control Unit = FCU) am Triebwerk die gewünschte Leistung eingestellt. Der hintere Anschlag des Thrust Lever ist der Idle Stop. Wenn ein automatisches Schubregel (Auto-Thrust oder -Throttle)-System vorhanden ist, greift der Servo-Motor über die Kupplung (Clutch) in das Seilsystem ein, wobei auch der Schubhebel bewegt wird (siehe auch Buch Instrumente 022 02 07 00 S 03 - 05). Der Umkehrschub-Hebel (Reverse Lever) ist mit dem Thrust Lever ver-bunden und kann nur aus der IDLE Stellung heraus betätigt werden. Beim Reversen wird das gleiche Seilsystem in umgekehrter Bewegungsrichtung verwendet. (siehe auch 021 03 03 08 Schbumkehr: Bedienung, Überwachung). Der Start Lever betätigt über ein zweites Seilsystem das Hochdruck-Kraftstoffventil im Kraftstoffregler, und über einen Schalter das elektrisch betätigte Kraftstoff-Absperrventil (Fuel Shutoff Valve) in der Leitung vom Tank zum Triebwerk, welches auch noch am Engine Fire Switch hängt. (siehe auch 021 03 04 04 Triebwerksseitige Kraftstoff-Anlage: Aufbau, Position 3).

THRUST LEVER

SWITCHES

THRUST CONTROLPUSH-PULL CABLE

AUTO-THROTTLESERVO MOTOR

CLUTCH

MAIN ENGINECONTROL

MECHANISCHE VERBINDUNG VOMSCHUBHEBEL (THRUST LEVER) ZUM

TRIEBWERKSREGLER (MEC)

THRUST

START LEVER

REVERSE LEVERLEVER




Triebwerks-Bedienung (Fortsetzung) Moderne Verkehrsflugzeuge mit Fly by Wire-Steuerung haben für die Be-dienung der Triebwerke keine mechanischen Seilsysteme mehr, sondern ein digitales elektronisches System mit der Bezeichnung FADEC = Full Authority Digital Engine Control als Bestandteil des Flight Management Systems (siehe auch Buch Instrumente 022 01 06 00 S 05 - 06). Zum stark vereinfachten Schema eine Kurzbeschrei-bung eines typischen Sys-tems (Airbus A 320): Das FADEC-System jedes Triebwerks besteht aus ei-ner Zweikanal-ECU (Engine Control Unit) mit den dazu-gehörigen Peripherie-Gerä-ten am Triebwerk. Die ECU ist der Rechner des Sys-tems und dient als Schnitt-stelle zwischen dem Flug-zeug und den Komponenten der Triebwerks-Regelung sowie den Sensoren zur Überwachung aller relevan-ten Betriebsdaten. Drehzahlen der Rotorsys-teme; Drücke und Temperaturen von Luft, Kraftstoff, Öl; Stellungen von Ventilen, Schubumkehrer usw. werden durch elektrische Signale erfasst. Alle wichtigen Funktionen - auch die Stromversorgung - sind mehrfach redundant abgesichert. Zwischen den Bedienhebeln im Cockpit und dem Triebwerk gibt es keine mechanische Verbindung. Der Pilot stellt den Thrust Lever in die Position für den gewünschten Betriebszustand, z.B. TO-GA (Take Off bezw. Go Around), CL (Climb) usw. Das FADEC-System berechnet auf Grund der Signale vom Air Data Computer das N1 Target und stellt die Main Engine Control (MEC) entsprechend ein. Es erfolgt keine Rückmeldung (Feed-back) auf die Schubhebelstellung, wenn das Auto Thrust System den Schub regelt ! Die Informationen zur Triebwerks-Überwachung werden im ECAM (Elec-tronic Centralized Aircraft Monitor) System (bezw. EICAS = Engine Indi-cating and Crew Alerting System) aufbereitet und auf den Bildschirmen dargestellt (siehe auch Buch Instrumente 022 04 10 00 S 01 - 06).

THRUST LEVERS

MULTI-PURPOSECONTROL AND DISPLAY UNIT

ENGINECONTROL

ENGINE INTERFACE

UNIT

COMMANDS SENSOR

FLIGHT MANAGEMENTAND GUIDANCE

COMPUTER

FLIGHT CONTROL UNIT

AUTO THRUSTENGAGE SWITCH

SIGNALS

CONTROL

FADEC = Full Authority Digital Engine Control

UNIT




Propeller-Turbinen-Triebwerk: Leistungs-Überwachung Die Wellenleistung eines Propeller-Turbinen-Triebwerks ist das Produkt der Drehzahl (RPM) mal dem Drehmoment (Torque) der Antriebswelle. Zur Einstellung der Leistung gibt es eine Verbindung von Kraftstoff-Rege-lung für die Drehzahl und Propeller-Verstellung für das aufgenommene Drehmoment mit einem gemeinsamen Leistungshebel (Power Lever) (siehe auch 021 03 02 02 Turboprop-TW: Besonderheiten bei der Pro-peller-Verstellung). Die Nenn-Wellenleistung (Rated Shaft Power) wird erreicht bei 100% RPM mit 100% Torque. Die Drehzahl der Antriebswelle wird elektrisch gemessen und zum Anzeiger übertragen. Die maximale Drehzahl wird begrenzt auf 100% RPM durch den Propeller Governor. Das Drehmoment wird in diesem Beispiel durch die Verdrehung der inneren Torsionswelle (Tor-sion Shaft) gegenüber der Rotorwelle als Öl-druck gemessen und elektrisch zum Anzeiger übertragen. Es gibt noch andere technische Lö-sungen der Drehmoment-Messung. Das Torque-meter-Signal dient ausserdem zur Leistungs-begrenzung auf 100% Torque durch den Power Limiter im Kraftstoffregler, und automatischen Segelstellung (Auto Feather) des Propellers bei Triebwerksausfall im Take Off. Wenn die EGT den Maximalwert erreicht, redu-ziert der Kraftstoffregler automatisch den Fuel Flow, d.h. bis zu einer bestimmten Aussentem-peratur ist die Leistung konstant (flat rated), darüber nimmt die Leistung ab. Anmerkung: Wenn das aus der Turbine strömen-de Gas noch Schub erzeugt, ergibt die Summe von Wellenleistung plus Restschub die sogenannte Äquivalent-Wellenleistung (Equivalent Shaft Horse Power, abgekürzt ESHP).

EGT

°C x 100%RPM0

20

40 60

120100

80TORQUE

%

TORQUESENSOR

TORSIONSHAFT

COMPRESSORTURBINE




Propeller-Turbinen-Triebwerk: Bedienung Die Einstellung der Leistung beim Propeller-Turbinen-Triebwerk erfolgt über den Leistungshebel (Power Lever) in Verbindung mit dem Wahl-hebel für die Propellerfunktion (Condition Lever). Die Verstellung der Propellerblätter erfolgt durch Öldruck (Oil Pressure) in die Richtung zur Steigungs-Verringerung bis Reverse, und durch eine starke Feder (Spring) in Richtung Grosse Steigung bis zur Segelstellung (Feather). Die kleinste Propellersteigung im Fluge ist bei Flight Idle. Der Verstellbereich des Power Lever zur Leistungs-Einstel-lung oberhalb Flight Idle mit der Fuel Control Unit und dem Propeller Governorzur kombi-nierten Regelung von Drehzahl (RPM) und Drehmoment (Torque) heisst "alpha Range". Der Verstellbereich unter-halb Flight Idle heisst "beta Range" und dient zum Rollen am Boden und zum Verstellen der Blätter in negative Steigung (Reverse). Bei Null Steigung kann der Propeller mit beliebiger Drehzahl drehen, ohne dabei Schub zu liefern. Beim Einwellen-Turboprop.-Triebwerk wird beim Abstellen der Propeller in Null Steigung mechanisch festgehalten, damit der Starter es leichter hat beim nächsten Anlassen. Beim Abstellen eines Turboprop.-Triebwerk mit freier Turbine für den Propeller fahren die Blätter in Segelstellung, d.h. Einstellwinkel 90°. Siehe auch 021 03 02 02 Turboprop-TW: Besonderheiten bei der Pro-peller-Verstellung.

PROPELLER

GOVERNOR

ENGINEOIL

BLADE

BETA TUBE

FEATHER

REVERSE

POWERLEVER

CONDITION

FUEL CONTROL UNIT

LEVER

PROPELLER

PROPELLER

OIL PRESSURE

SPRING





200. Wie lautet die einfache allgemeine Schubformel ?

201. Welchen Einfluß hat die Luftdichte auf den Schub eines Triebwerks ?

202. Wie lautet die vereinfachte Schubformel eines High Bypass Fantriebwerks ?

203. Warum ist ein Zweikreis-Triebwerk (ZTL) bei Startleistung leiser als ein Strahltriebwerk (TL) mit gleichem Schub ?

204. Wie weit wird bei einem "flat-rated Engine" zum Take Off bei 10° C Außentemperatur der Leistungshebel vorgeschoben ?

205. Wozu dient der SET-Drehknopf am EPR-Indicator ?

206. Warum haben moderne High Bypass-Triebwerke keine EPR-Anzeige ?

207. Was bedeutet "Maximum Continuous Power" ?

208. Warum ist ein Unterschied zwischen Flight Idle und Ground Idle Drehzahl ?





209. Welche Werte sind für die Leistungs-Bestimmung eines Turboprop.-Triebwerks erforderlich ?

210. Wozu wird - ausser zur Anzeige - das Torque-Signal noch gebraucht ?

211. Was bedeutet "alpha"- und "beta"- Bereich beim Turbo-prop.-Triebwerk ?





200. Schub ist gleich Masse mal Beschleunigung

201. Der Schub nimmt ab bei abnehmender Luftdichte

202. ZTL Gesamtschub = Masse FAN (VFAN - VFLUG) + Masse DÜSE (VDÜSE - VFLUG)

203. Weniger Wirbel, weil die Luft aus dem Fan langsamer ist als das heisse Gas aus der Schubdüse des TL

204. Bis das vorher errechnete "Target" angezeigt wird (oder ein Red Line Limit erreicht wird)

205. Zum "Eindrehen" des EPR-Target, damit die Dreiecks-marke (Bug) an die Stelle kommt, wo beim Take Off der Zeiger stehen soll

206. Das digitale N1-Drehzahlsignal ist genauer und als Basis für die Weiterverarbeitung im Performance Data Computer besser geeignet als das analoge Signal des EPR-Transmitters

207. Höchstzulässiger, zeitlich unbegrenzt verwendbarer Schub, der nur im Notfall gesetzt werden sollte

208. Höhere Mindestdrehzahl im Fluge, damit das Triebwerk genügend Luftdruck und -Temperatur liefert und bei Bedarf schneller beschleunigt. Am Boden soll das Triebwerk beim Rollen im Leerlauf möglichst wenig schieben.

209. Propellerdrehzahl und Drehmoment (Torque)

210. Für den Power Limiter und die automatische Segelstellungs-Anlage bei Triebwerksausfall

211. Alpha Range ist der normale Propeller-Verstellbereich im Fluge. Beta Range ist der Bereich zwischen Flight Idle und Reverse

JAR-ATPL 05 00 Hilfskraftanlagen

TRIEBWERKE Allgemein 92


021 03 05 00 Hilfskraftanlagen

Hilfskraftanlagen (allgemein) Heutige Verkehrsflugzeuge haben drei Arten von Kraftanlagen, die im normalen Betrieb ihre Energie von den Triebwerken beziehen: - Elektrisches Bordnetz mit 115/200 Volt 400 Hz Drehstrom von den

Triebwerks-Generatoren - Hydraulik-System(e) mit 207 bar (3.000 PSI) von triebwerks-getrie-

benen Hydraulikpumpen. - Pneumatiksystem mit ca. 3 bar (45 PSI) und 200°C Bleed Air von

den Triebwerks-Verdichtern Wenn die normale Versorgung eines Systems nicht arbeitet (z.B. Trieb-werk abgestellt) oder bei Störungen, gibt es für wichtige Systeme alterna-tive Möglichkeiten der Versorgung (Redundanz). Bei der Abfertigung am Boden bei abgestellten Triebwerken liefert die Auxiliary Power Unit Strom für das Drehstrom-Bordnetz und Luft für die Klima-Anlage und die Triebwerksstarter. Eine verfügbare Energie kann in eine andere Energieform umgewandelt werden, zum Beispiel: - Elektromotor treibt Hydraulikpumpe (allgemein üblich), - Hydraulikmotor treibt Drehstrom-Generator (z.B. Airbus), - Luftturbine treibt Hydraulikpumpe (Boeing 747) Manche Flugzeuge haben eine herausklappbare Stauluftturbine (Ram Air Turbine), die entweder eine Hydraulikpumpe (Airbus, Boeing) oder einen Drehstrom-Generator (MD) antreibt.

N2

GENGEN

HYDPUMP

ELECT RICPNEUMATIC HY DRAULICPOW ER POW ER POW ER

AIR

HY D

HY DPUMP

N1 RAM AIR

AUXILIARY POWERUNIT

AC GENERATOROR

HYDRAULIC PUMP

T URBINE

MAIN ENGINE (TY PICAL)

AIR CONDITIONINGPRESSURIZATION

FLIGHT CONTROLSLANDING GEAR

AVIONICSINSTRUMENTS

BLEED A IR

A CC ESSO RY G EA RBOX

ELEC HY DMOTOR PUMP

MOTORACGEN

ACAC

MOTOR

COM PRESSOR


TRIEBWERKE 01 Bordaggregat 93


021 03 05 01 Bordaggregat (Auxiliary Power Unit)

Aufgaben, Aufbau Die meisten Verkehrsflugzeuge mit Turbinentriebwerken haben eine Hilfskraftanlage (Auxiliary Power Unit, APU). Sie sind dadurch bei der Abfertigung unabhängig von Bodengeräten zur - Stromversorgung des Drehstrom-Bordnetzes, - Druckluftversorgung der Triebwerksstarter, - Klimatisierung der Passagierkabine. Das nebenstehende Blockschema zeigt den prinzipiellen Zusammen-hang der APU mit den Flugzeug-Systemen. Die APU hat eine Gasturbine, die einen Verdichter und einen Dreh-strom-Generator antreibt. Sie läuft mit dem gleichen Kraftstoff wie die Haupttriebwerke und wird mit einem elektrischen Starter von der Bordbatterie gestartet. Steuerung und Überwachung des APU-Betriebs sind vollautoma-tisch. Weil die APU bei einer Störung sich automatisch abstellt bezw. nicht gestartet werden kann, darf sie auch von Hilfspersonal (nach entsprechender Einweisung) bedient werden und ohne ständige Auf-sicht laufen. Wichtig: Zum Einschalten die Check List benutzen ! Die APU kann zwei Arten von Energie liefern: 1. Drehstrom 115/200 Volt 400 Hertz für das elektrische Bordnetz. Dazu muß der APU-Generator entsprechend seiner Polpaarzahl mit konstanter Drehzahl (RPM) angetrieben werden. 100% RPM ent-spricht 400 Hz Generatorfrequenz. Der APU-Generator kann am Boden das gesamte elektrische Bordnetz versorgen. 2. Druckluft für das Pneumatik-System zum Betrieb der Flugzeug-Klima-Anlage und der Triebwerkstarter. Luftabnahme ist nur bei versorgtem Drehstrom-Bordnetz möglich (Sicherheits-Beding-ung). Elektrische Belastung hat Vorrang vor Luftentnahme. Wenn mit zunehmender Belastung mehr Kraftstoff eingespritzt wird, um die Drehzahl konstant zu halten, steigt die Temperatur der Turbine. Beim Erreichen der maximal zulässigen Abgastemperatur (Exhaust Gas Tem-perature = EGT) spricht ein Thermostat an, der automatisch die Luft-entnahme durch das APU Bleed Valve drosselt, um eine Überhitzung der Turbine zu vermeiden. In fast allen modernen Flugzeugen kann die APU auch im Fluge be-trieben werden, um einen ausgefallenen Triebwerks-Generator zu erset-zen oder Luft für die Druck/Klima-Anlage zu liefern. Anmerkung: Bei Flugzeugen mit ETOPS-Zulassung gibt es besondere Bedingungen für Leistung und Betriebssicherheit der APU in grösseren Flughöhen.

AUXILIARY POWER UNIT

FUELBATTERY

ELECTRICALSYSTEM

PUMPS

PNEUMATIC

GENERATOR

STARTER

SYSTEM

COMPRESSORTURBINEGEARBOX

115/200 V AC

CONDITIONINGAIR

APU FIREPROTEC TIO N

HYDRAULICPUMPS

MAIN ENGINESTART

APUSHROUD

COMBUSTOR

THERMOSTAT

BLEED VALVE




Auxiliary Power Unit (Fortsetzung) Diese APU ist im Rumpfheck ausserhalb der Druck-Kabine eingebaut. Die Lufteinlassklappe wird elektrisch betätigt. Die APU ist umgeben von einer feuerfesten Verklei-dung (Shroud) mit eigener Feuerwarn- und Feuer-lösch-Anlage. Die Kraftstoff-Leitung vom Tank in der Tragfläche durch die Druck-Kabine zur APU ist ebenfalls von einem Schutzrohr (Fuel Line Shroud) umgeben. Diese Auxiliary Power Unit ist ein kleines Gastur-binen-Triebwerk mit zwei Radial-Verdichterstufen und einer einstufigen Radial-Turbine. Bei 100 % Betriebsdrehzahl dreht die Rotorwelle mit 40.700 RPM und der am APU-Getriebe angebaute Drehstrom-Generator mit 6.000 RPM.

LUFT-EINLASS

KRAFTSTOFF-LEITUNG

APU VERKLEIDUNG

ABGASROHR

LUFTKANAL ZUMPNEUMATIK-SYSTEM

IGNIT ERBRENNKAMMER

BRENNER

APU BLEEDVALVE

NIEDERDRUCK-VERDICHTER

HOCHDRUCK- TURBINE

STARTER

GENERATOR-

(6.000 RPM)

(DREHZAHL)REGLER

T HERMOSTATABGAS-

LUFT EINLASS

COOLING FAN

ÖLKÜHLER

ÖLFILTER

VERDICHT ER

ANTRIEB

GETRIEBE

KRAFTSTOFF-

(40.700 RPM)MOTOR ROTORW ELLE




Auxiliary Power Unit: Betrieb Die folgende Beschreibung erklärt in stark vereinfachter Form die Zusam-menhänge zwischen den Bedienungselementen und System-Komponen-ten beim Betrieb einer typischen Auxiliary Power Unit. Der BATTERY SWITCH (1) muss zum APU-Betrieb immer auf ON stehen. Der APU MASTER SWITCH (2) wird zum Anlassen von OFF nach START gedrückt. Beim Loslassen springt er nach RUN. Die APU START LOGIC (3) hat ein Steuerprogramm, welches - die Lufteinlassklappe (4) öffnet, - das motorbetätigte APU Kraftstoff-Ventil (5) öffnet, und - nur

wenn alle Betriebsbedingungen erfüllt sind - - den Starter (6) einschaltet. Das APU OIL SYSTEM (7) baut Öldruck auf und steuert - das Einschalten der Zündung sowie das - Öffnen des Kraftstoff-Magnetventils 8 (Fuel Solenoid) in der

Einspritzleitung zur Brennkammer (9). Wenn die APU anflammt, wird der Starter beim Erreichen der Selbst-erhaltungsdrehzahl bei ca. 40% RPM durch einen Drehzahlschalter automatisch abgeschaltet. Springt sie nicht an, wird der Starter nach einer Minute ebenfalls automatisch abgeschaltet. Nach dem automa-tisch gesteuerten Beschleunigungsvorgang schaltet bei 95%RPM wieder ein Drehzahlschalter. Damit - wird die Zündung abgeschaltet - kann der APU GENERATOR SWITCH (10) eingeschaltet

werden. Der Generator geht aber nur ans Bordnetz, wenn auch alle elektrischen Einschaltbedingungen erfüllt sind und die Frequenz über 380 Hertz (= 95% RPM) ist

- kann mit dem APU BLEED SWITCH (11) das Luftentnahme-Ventil (APU Bleed Valve) (12) geöffnet werden. Dazu muß das AC Bordnetz versorgt sein

- werden mehrere automatische Schutzkreise (Shutdown Cir-cuits) (13) aktiviert, welche im Fall einer Betriebsstörung das Fuel Solenoid (8) schliessen

Die Regelung der Betriebsdrehzahl auf 100% RPM erfolgt durch einen Regler (14) in der Kraftstoffleitung, der auch die Einspritzpumpe enthält und am Getriebe sitzt. Die automatische Begrenzung der APU -Belastung (LOAD CON-TROL) (15) erfolgt durch Überwachung der Abgastemperatur (EGT) durch den EGT Thermostat (16). Beim Erreichen der maximal zulässigen EGT geht das APU Bleed Valve (12) in eine drosselnde (weniger offene) Stellung, um ein Überschreiten des EGT Limit (roter Strich auf dem EGT Indicator) zu verhindern.




Auxiliary Power Unit: Betrieb (Fortsetzung) Die Feuerschutz-Kreise schliessen sofort das Fuel Solenoid (8) und gleichzeitig das Kraftstoff-Absperrventil (5) bei jedem Ansprechen der APU Feuerwarnung (17), Ziehen des APU Feuerschalters (18) im Cockpit oder Ziehen des APU-Feuerschalters im Fahrwerksschacht (19). Beim normalen Abschaltvorgang mit dem APU Master Switch nach OFF wird ein Überdrehzahl-Fehlersignal simuliert, woraufhin der Overspeed Shutdown Schutzkreis die APU abstellt.


TRIEBWERKE 02 Stauluft-Trubine 97


021 03 05 02 Stauluft-Turbine (Ram Air Turbine) Solange ein Flugzeug noch kontrolliert fliegt, enthält seine Masse poten-tielle und kinetische Energie, die durch eine ausklappbare Stauluft-Turbi-ne im Notfall in nutzbare Arbeit umgewandelt werden kann. Im oberen Beispiel (DC-10) treibt die Stauluft-Turbine einen Drehstrom-Generator, welcher den Emergency AC Bus und eine elektrische Hy-draulikpumpe versorgt. Die Turbinenschaufeln werden automatisch verstellt, um die Drehzahl und damit die Fre-quenz auf 400 Hz zu regeln. Das untere Bild zeigt die Stauluft-Turbine eines Airbus A 340, welche eine variable Hydraulik-pumpe antreibt. In diesem Hydrauliksystem gibt es einen hydraulisch angetriebenen Drehstrom-Generator.

ADG VOLTAGEREGULATOR

RAM AIR TURBINE WITHAIR-DRIVEN AC GENERATOR

(A 340)

HYDRAULIC PUMP

RAM AIR TURBINE

FLAP TRACK FAIRING





212. Was sind die Standard-Werte der in Verkehrsflugzeugen angewandten Energie-Formen

a) Elektrik :

b) Hydraulik :

c) Pneumatik :

213. Was sind die Aufgaben der Auxiliary Power Unit ?

214. Welcher Betriebsparameter der APU wird konstant gere-gelt, und aus welchem Grund ?

215. Welche Feuerschutzanlagen hat die APU ?

216. Welche APU-Belastungsart ist vorrangig ?

217. Wie wird die APU vor Überlastung geschützt ?

218. Wann und wodurch wird der APU Starter abgeschaltet ?

219. Welche automatischen Abschaltkreise hat die APU ?

220. Was geschieht bei APU Feuerwarnung ?





221 Wie erfolgt der normale APU-Abschaltvorgang ?

222. Welche Arten von Stauluftturbinen gibt es in Verkehrsflug-zeugen ?

223. Wodurch wird die Drehzahl der Stauluftturbine geregelt ?





212. a) 115/200 Volt 400 Hertz

b) 300 PSI (210 bar)

c) 45 PSI (3 bar), 200 °C

213. Lieferung von Drehstrom für das elektrische Bordnetz und Luft für das Pneumatik-System

214. Drehzahl auf 100 % RPM, damit der Generator 400 Hertz liefert

215. Feuerfeste Verkleidung, Feuerwarnsystem, automati-sches Abstellen beim Ansprechen der Feuerwarnung, eingebauter Feuerlöscher

216. Elektrische Belastung hat Vorrang vor Luftentnahme

217. Durch Drosselung der Luftentnahme beim Erreichen der max. EGT

218. Nach dem Überschreiten der Selbsterhaltungsdrehzahl durch einen Drehzahlschalter bei ca. 40 - 50% RPM

219. Öldruck zu niedrig, Öltemperatur zu hoch, Überdrehzahl, Feuerwarnung

220. Warnglocke und Warnlicht im Cockpit, Warnhorn und Warnlicht im Fahrwerkschacht, automatischer Abstell-vorgang, Kraftstoffventil schliesst

221. Durch ein simuliertes Überdrehzahl-Fehlersignal und den Überdrehzahl-Schutzkreis

222. Stauluft-Turbine mit Drehstrom-Generator oder Hydraulikpumpe

223. Durch Verstellung der Turbinenschaufeln

JAR-ATPL Stichwortverzeichnis

TRIEBWERKE Turbinen-TW 101


STICHWORTVERZEICHNIS Turbinen-TW

A

Acceleration Line..................................... 65 Accessory Gearbox................................. 50 Afterburning ............................................. 45 Alpha Range............................................. 88 APU ........................................................... 93 APU Operation ......................................... 95 Äquivalente Wellenleistung.................... 15 Auto Thrust .............................................. 86 Axial-Turbine............................................ 32 Axial-Verdichter ....................................... 22

B Bellmouth Inlet......................................... 17 Beta Range ............................................... 88 Beta Tube ................................................. 88 Bleed Air ................................................... 48 Blocker Doors .......................................... 41 Blow Out................................................... 60 Bordaggregat ........................................... 93 Breather .................................................... 71 Brenner ..................................................... 31 Brennkammer .......................................... 30 Bypass-Triebwerk ................................... 13

C C/H-Verhältnis.......................................... 13 Cascade Vanes ........................................ 41 CDP-Signal ............................................... 64 Choked Nozzle ......................................... 78 CIT-Sensor ............................................... 64 Clamshell.................................................. 41 Compressor Stall..................................... 24 Compressor Surge .................................. 24 Condition Lever ....................................... 88 Continuous Ignition................................. 53 Control Alternator.................................... 50 Convection Cooling................................. 34 Core........................................................... 13

D Dampfdruck.............................................. 73 Deceleration Line..................................... 65 Deployed Position ................................... 42 De-Rated Take-Off ................................... 81 Detent (Reverser)..................................... 42 Diffusor ....................................................... 6 Disagreement Light ................................. 67 Divergent .................................................... 6 Drehmoment-Messung ........................... 87 Druckverhältnis ....................................... 21 Duplex-Brenner........................................ 31 Düse ............................................................ 6

E EGT............................................................35 Eintrittsleitschaufeln ...............................22 Einwellen-PTL ..........................................15 Engine Limits ...........................................81 Engine Pressure Ratio ............................40 Engine Ratings.........................................84 Entlüftung .................................................71 Entlüftungs-Zentrifuge ............................71 Entropie ......................................................7 EPNdB .......................................................82 EPR............................................................40 Equivalent Shaft Horse Power ...............15 ESHP .........................................................15 Exhaust Gas Temperature ......................35

F FADEC.......................................................86 FCU............................................................64 Feuerschalter ...........................................67 Film-Kühlung............................................34 Fire Switch................................................67 Flame-Out Line.........................................65 Flammpunkt..............................................73 Flammrohr ................................................30 Flat-rated Engine .....................................81 Flight Idle ..................................................84 Flight Start ................................................53 Freie Turbine ............................................15 Fuel Control Unit......................................64 FUEL FILTER ICING .................................67 Fuel Flowmeter ........................................67 Fuel Heater ...............................................67 Fuel Shutoff Valve....................................67 FUEL USED Indication ............................67 Fuel-System..............................................66

G Gasverlauf im TW.....................................40 Gefrierpunkt .............................................73 Go Around Thrust ....................................84 Ground Idle...............................................84

H Heizwert ....................................................73 High Stage ................................................48 Hilfsgeräte-Getriebe ................................50 Hilfskraftanlagen......................................92 Hot Start....................................................60 Hung Start.................................................60




I Igniter........................................................ 53 Impeller ..................................................... 21 Impingement Cooling.............................. 34 Impuls-Turbine......................................... 33 Inlet Guide Vanes .................................... 22

J Jet A1 ........................................................ 73 Jet B. ......................................................... 73

K Kerosin ..................................................... 73 Konvektions-Kühlung ............................. 34 Konvergent................................................. 6 Kraftstoff-Bedarfslinie ............................ 65 Kreisprozess .............................................. 7 Kühlung der Turbinen ............................. 34

L Labyrinth-Dichtung ................................. 71 Lärm-Emission......................................... 82 Laval-Düse ............................................... 39 Leistungs-Erhöhung ............................... 45 LOW OIL PRESSURE Warning Light ..... 72 Low Stage................................................. 48 Lufteinlass................................................ 17 Luftentnahme........................................... 48

M Mantelstrom-Treibwerk........................... 13 Maximum Continuous Thrust................. 84 Mehrstoss-Diffusor ................................. 17 Modul-Bauweise ...................................... 14

N N1 .............................................................. 14 N2 .............................................................. 14 Nachbrenner ............................................ 45 Noise Abatement ..................................... 82 Nozzle ....................................................... 22

O OIL FILTER BYPASS Warning................ 72 OIL PRESSURE Indication...................... 72 OIL QUANTITY Indication ....................... 72 Oil System ................................................ 71 OIL TEMPERATURE Indication .............. 72

P P - V - Diagramm........................................ 7 Perceived Noise ....................................... 82 Pitot-Einlauf ............................................. 17 Pneumatic Starter.................................... 55 Pneumatik-System .................................. 48

Prall-Kühlung ...........................................34 Precooler ..................................................48 Pressurizing Valve ...................................31 Propeller-Turbine .....................................15 Propeller-Turbinen-Triebwerk ................87 PTL ............................................................13

R Radial-Turbine..........................................32 Radialverdichter.......................................21 Ram Air Turbine .......................................97 Ram Effect ................................................80 Reaktions- Turbine ..................................33 Reverser Follow-Up .................................42 REVERSER UNLOCKED..........................42 Richtungs-Steuerventil ...........................42

S Scavenge ..................................................74 Schmierstoff-Anlage................................71 Schubdüse................................................39 Schubeinstellung .....................................83 Schubspezif. Kraftstoffverbrauch ............8 Schubumkehr ...........................................41 Schubverlauf ............................................80 Sekundär-Luftklappen.............................17 Selbsterhaltungs-Drehzahl .....................58 Speed Effect .............................................80 Start Ignition.............................................53 Start Lever ................................................64 Starter .......................................................55 Starter-Generator .....................................55 Startvorgang.............................................58 Stationen...................................................40 Stauluft-Turbine .......................................97 Steady State Line .....................................65 Steady State Line(Compr.)......................26 Stockpunkt ...............................................73 Surge Line ................................................26

T T - S - Diagramm ........................................7 Take Off Thrust ........................................84 Target ........................................................83 Thermodynamik .........................................7 Thermo-Element ......................................35 Thrust Lever .............................................64 Thrust Lever Angle (TLA)........................85 Thrust Reverser .......................................41 TIT..............................................................35 TL...............................................................13 Torquemeter .............................................87 Transfer Gearbox .....................................50 Triebwerks-Druckverhältnis ...................40




Trurbo-Prop.-Triebwerke ........................ 15 TSFC ........................................................... 8 Turbine...................................................... 32 Turbine Interstage Temperature ............ 35

V Variable Bleed Valve ............................... 23 Variable Stator Vane................................ 25 VBV ........................................................... 23 Verdichter-Ablass-Ventil......................... 23 Verdichter-Kennfeld ................................ 26 Vollständige Expansion .......................... 39 VSV............................................................ 25

W Wasser/Methanol .....................................47 Wasser-Einspritzung ...............................46 Wassergehalt ...........................................74 Wet Start ...................................................60 Wirkungsgrad.............................................9

Z ZTL ............................................................13 Zündanlage...............................................53 Zustandsänderungen ................................4 Zweiflutig ..................................................21

JAR-ATPL Fragenkatalog

TRIEBWERKE 104


FRAGENKATALOG

01. Wirkungsgrad ist

a) die Differenz zwischen Aufwand und Effekt

b) das Verhältnis von Aufwand zu Effekt

c) das Verhältnis von Effekt zu Verlust

d) das Verhältnis von Effekt zu Aufwand

02. Aus dem Volumen von Hubraum und Brennraum eines Zylinders ergibt sich

a) das Hubverhältnis

b) das Verdichtungsverhältnis

c) das Druckverhältnis

d) die Zylinderleistung

03. Welches P-V Diagramm zeigt eine isobare Zustandsänderung ?

a) A

b) B

c) C

04. Welcher Punkt im P-V Diagramm des Viertaktmotors ist der Zündzeitpunkt ?

a) A

b) B

c) C

d) D

V

P

V

P

V

P

A B C

P

OT UTV

Aussen-druck

1 24

3

AB

C

D


TRIEBWERKE 105


05. Welche Kurve im Diagramm des Viertakt-Motors zeigt die Leistung ?

a)

b)

c)

d)

06. Das kraftübertragende Bauteil zwischen Kolben und Kurbelwelle heisst

a) Stössel

b) Nocken

c) Pleuel

d) Schieber

07. Die Ventile im Viertakt-Motor werden gesteuert durch die

a) Kurbelwelle

b) Nockenwelle

c) Kolben

d) Pleuel

08. Zu welcher Motor-Bauform gehört der Begriff "Pleuelfehler" ?

a) Boxer

b) Stern

c) V

d) Reihe

09. Die Zahl (z.B. 520) in einer Motor-Typenbezeichnung bezeichnet

a) die Leistung in Brake Horse Power

b) die Leistung in Kilowatt

c) den Hubraum in US Gallons (5,20 USG)

d) den Hubraum in inch³

DREHZAHL

a b

c

d


TRIEBWERKE 106


10. An welchem Bauteil tritt im Betrieb die höchste Material-Temperatur auf ?

a) Zylinderkopf

b) Kolben

c) Einlassventil

d) Auslassventil

11. In einem Sechszylinder-Boxermotor dreht sich die Nockenwelle

a) halb

b) genau

c) doppelt

d) dreimal

so schnell wie die Kurbelwelle.

12. Das Produkt von Drehzahl mal Drehmoment ergibt

a) Leistung

b) Arbeit

c) Kraft

d) Wirkungsgrad

13. Brake Mean Effektive Pressure (BMEP) ist

a) der angezeigte Ladedruck hinter der Drosselklappe

b) der Druck im Zylinder am Ende der Verdichtung

c) ein fiktiver Druck im Zylinder während des Arbeitstaktes

d) der angezeigte Öldruck der Drehmoment-Messanlage

14. Bei welchen Außenluftbedingungen hat ein Kolbenmotor ohne Lader die beste Leistung ?

a) Warm und feucht

b) Warm und trocken

c) Kalt und feucht

d) Kalt und trocken


TRIEBWERKE 107


15. Beim automatischen Turbocharger-Regelsystem erfolgt die Verstellung des Waste Gate durch

a) den Ladedruck

b) Triebwerks-Öldruck

c) einen elektrischen Verstellmotor

d) einen Bimetallregler

16. Zu welchem Motor gehört die Kurve im folgenden Diagramm ?

a) Saugmotor

b) Vollgasfester Ladermotor

c) Nicht vollgasfester Ladermotor

d) Geregelter Abgas-Turbolader

17. Bei einer Störung im automatischen Turbolader-Regelsystem

a) geht das Waste Gate federbelastet auf

b) bleibt das Waste Gate in der letzten Stellung stehen

c) geht das Waste Gate federbelastet zu

d) kann das Waste Gate manuell betätigt werden

18. Die Hochspannung für den Zündfunken entsteht, wenn der Unterbrecher-kontakt im Zündmagneten

a) öffnet

b) schliesst

19. Die Sekundärwicklung des Zündmagneten hat

a) wenige Windungen aus dünnem Draht

b) wenige Windungen aus dickem Draht

c) viele Windungen aus dünnem Draht

d) viele Windungen aus dickem Draht

Leistung

Höhe


TRIEBWERKE 108


20. Welches der folgenden Bauteile ist das Merkmal einer Niederspannungs-Zündanlage?

a) Überschlag-Verteiler

b) Schleifbahn-Verteiler

c) Kondensator

d) Unterbrecherkontakt

21. Das zum Unterbrecherkontakt parallelgeschaltete Bauteil ist ein(e)

a) Widerstand

b) Kondensator

c) Transistor

d) Diode

22. In welcher Grössenordnung ist (etwa) die Spannung an der Zündkerze ?

a) 28 V

b) 115 V

c) 1.500 V

d) 15.000 V

23. Wenn beim Magnetcheck in Stellung L oder R überhaupt kein Drehzahlabfall erkennbar ist,

a) sind die Magnete optimal synchron eingestellt

b) ist der Zündzeitpunkt zu spät

c) ist möglicherweise die Schalterleitung unterbrochen

d) ein Magnet defekt

24. Wenn im Reiseflug mit Constant Speed Propeller einer der beiden Zündmag-nete völlig ausfällt,

a) sinkt die Motordrehzahl um ca. 50 RPM

b) arbeitet der Motor nur noch mit halber Leistung

c) bleibt die Motordrehzahl konstant

d) bleibt der Motor stehen


TRIEBWERKE 109


25. Welche Aufgabe hat ein zweiter Unterbrecherkontakt in einem Zündmagneten ?

a) Als Reserve, falls der andere Kontakt ausfällt

b) Zum Umschalten auf früheren Zündzeitpunkt beim Anlassen

c) Zum Umschalten auf späteren Zündzeitpunkt beim Anlassen

d) Zum Umschalten von Hoch- auf Niederspannungs-Zündung

26. Welche Eigenschaft eines Flugbenzins ist günstig für gutes Kaltstart-Verhal-ten?

a) Hoher Heizwert

b) Niedriger Dampfdruck

c) Niedriger Flammpunkt

d) Hoher Flammpunkt

27. Bei welcher Gemischbildungs-Anlage ist die Vereisungs-Gefahr am grössten ?

a) Druckvergaser

b) Schwimmer-Vergaser

c) Direkteinspritzung

d) Indirekte Einspritzung

28. Wovon hängt beim Druckvergaser (Pressure Carburetor) die Menge des zu-geteilten Kraftstoffs ab ?

a) Stellung des Gashebels

b) Stellung des Mixture-Hebels

c) Drehzahl der Kraftstoffpumpe

d) Differenzdruck am Venturi

29. Der automatische Höhenregler (Automatic Mixture Control = AMC) beein-flusst die Kraftstoff-Bemessung in Abhängigkeit

a) von der Gashebelstellung

b) von der Stellung des Gemischhebels

c) vom Luftdruck

d) von der Triebwerksdrehzahl


TRIEBWERKE 110


30. Der automatische Höhenregler (Automatic Mixture Control = AMC)

a) verringert mit zunehmender Höhe den Kraftstoffanteil im Gemisch

b) hält mit zunehmender Höhe den Kraftstoffanteil im Gemisch konstant

c) vergrössert mit zunehmender Höhe den Kraftstoffanteil im Gemisch

d) erhöht mit zunehmender Höhe den Ladedruck

31. Wo liegt der Flammpunkt bei Flugbenzin ?

a) + 38°C

b) + 15°C

c) - 25°C

d) - 50°C

32. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für Best Power ist etwa

a) 10 : 1

b) 12,5 : 1

c) 15 : 1

d) 16,5 : 1

33. Bei welchem Gemisch ist die Abgastemperatur (EGT) am höchsten?

a) Best Power

b) Best Economy

c) CCM (Chemical Correct Mixture)

d) Auto Rich

34. Mit welchem Gemisch arbeitet der Motor bei Startleistung (Take Off Power) ?

a) Best Power

b) Best Economy

c) CCM

d) Auto Rich


TRIEBWERKE 111


35. Die Druckölpumpe ist normalerweise eine

a) Zahnradpumpe

b) Drehschieberpumpe

c) Kreiselpumpe

d) Membranpumpe

36. Was hat ein Trockensumpf-Ölsystem ausser einem separaten Öltank zusätzlich ?

a) Ölkühler

b) Rückförderpumpe(n)

c) Filter

d) Überdruckventil

37. Die Ladedruck (MAP) - Anzeige zeigt den

a) absoluten Luftdruck vor der Drosselklappe

b) Differenzdruck an der Drosselklappe

c) absoluten Luftdruck hinter der Drosselklappe

c) Druck im Zylinder während des Einlasstaktes

38. Was zeigt die MAP-Anzeige bei stehendem Motor am Boden an ?

a) Null

b) Den barometrischen Aussendruck

c) Den ISA SL Standard-Druck 29,92 inchHg

d) Den Ladedruck beim letzten Abstellen

39. Woher kommt der Druck für die hydraulische Propellerverstellung im norma-len Drehzahlbereich ?

a) Pumpe im Propeller-Governor

b) Triebwerks-Schmierstoffpumpe

c) Elektrische Hilfspumpe

d) Hochdruck-Kraftstoffpumpe


TRIEBWERKE 112


40. Die Aufgabe eines Constant Speed Propellers ist die Konstanthaltung

a) der Fluggeschwindigkeit

b) der Triebwerksdrehzahl

c) der Propeller-Steigung

d) der Triebwerksleistung.

41. Was geschieht im Propeller Governor, wenn der Drehzahlhebel nach vorn (INCREASE RPM) geschoben wird ?

a) Der Öldruck wird erhöht

b) Der Öldruck wird verringert

c) Die Federspannung wird erhöht

d) Die Federspannung wird verringert

42. Der Drehzahl-Istwert (Regelgrösse) des Constant Speed Propellers ist analog (entspricht)

a) der Federspannung im Governor

b) dem Öldruck am Verstellkolben in der Nabe

c) der Kraft der Fliehgewichte im Governor

d) der Stellung des Steuerventils im Governor

43. Was geschieht, wenn bei einem Motor mit Constant Speed Propeller im Reiseflug der Gashebel vorgeschoben wird ?

a) Die Drehzahl steigt

b) Der Propeller geht in grössere Steigung

c) Der Propeller geht in kleinere Steigung

d) Das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird reicher

44. Mit welchem Bedienungs-Element wird die Umkehrstellung (Reverse) des Propellers gesteuert ?

a) Propeller-Verstellhebel

b) Mixture Hebel

c) Leistungs (Gas) -hebel

d) Feather-Schalter


TRIEBWERKE 113


45. In welcher Steigung muss ein Verstellpropeller beim "Abbremsen" (Power Check) des Triebwerks am Boden sein ?

a) Am Anschlag "kleine Steigung"

b) Am Anschlag "grosse Steigung"

c) in der Mitte des Verstellbereichs

d) Die Propellersteigung hat keinen Einfluss

46. Der Schub des Strahltriebwerks ist

a) eine Arbeit

b) ein Druck

c) eine Leistung

d) eine Kraft

47. Die einfache Schubgleichung lautet

a) S = m x (VA - VE)

b) S = m + VA - VE

c) S = m x VE - VA)

d) S = m + (VA - VE)

48. Welche Triebwerks-Bauart ist für ein Flugzeug für ca. 800 km/h Reisege-schwindigkeit am wirtschaftlichsten ?

a) Propeller-Turbine (PTL)

b) Turbinen-Luftstrahltriebwerk (TL)

c) Zweikreis-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (ZTL)

d) ZTL mit hohem Nebenstrom-Verhältnis (Turbofan)

49. Welche Zustandsänderungen erfolgen in einer Gasströmung durch einen Dif-fusor ohne Zufuhr von Energie ?

a) Druck steigt, Temperatur und Geschwindigkeit sinken

b) Druck und Temperatur steigen, Geschwindigkeit sinkt

c) Druck und Geschwindigkeit steigen, Temperatur sinkt

d) Druck sinkt, Temperatur und Geschwindigkeit steigen


TRIEBWERKE 114


50. Welche Zustandsänderungen erfolgen in einer Gasströmung durch eine Düse ohne Zufuhr von Energie ?




d) Druck und Temperatur sinken, Geschwindigkeit steigt

51. Der Schub eines Strahltriebwerkes nimmt ab mit zunehmender Flughöhe wegen der/des geringeren Luft-

a) Dichte

b) Temperatur

c) Drucks

d) Feuchtigkeit

52. Das Nebenluftverhältnis (Bypass Ratio) C/H ist das Verhältnis

a) von Primär- zu Sekundärluft in der Brennkammer

b) des Luftdurchsatzes vom inneren zum äusseren Kreis beim ZTL

c) des Luftdurchsatzes vom äusseren zum inneren Kreis beim ZTL

d) des Gesamtluftdurchsatzes zu Kühl- und Dichtluft an den Lagern

53. Welche Zustandsgrösse im Luft- bezw Gasstrom bleibt im Einlauf und in der Schubdüse konstant ?

a) Geschwindigkeit V

b) Temperatur T

c) Statischer Druck Ps

d) Gesamtdruck Pt

54. Sekundär-Luftklappen am Lufteinlass

a) öffnen durch den Staudruck bei hoher Fluggeschwindigkeit, um den Druck im Lufteinlass zu verringern

b) werden durch Pneumatik-Zylinder geöffnet, um Verdichter-Pumpen (Surge) zu verhindern

c) öffnen durch Differenzdruck bei hoher Triebwerksleistung und geringer Geschwindigkeit

d) öffnen in grosser Höhe, um den Luftdurchsatz zu vergrössern


TRIEBWERKE 115


55. In welcher Grössenordnung liegt etwa das Stufen-Druckverhältnis einer Radial-Verdichterstufe ?

a) 1,2

b) 1,5

c) 4

d) 10

56. Welches Diagramm stellt den Verlauf von Druck P, Temperatur T und Ge-schwindigkeit V richtig dar ?

a) A

b) B

c) C

d) D

57. In welcher Grössenordnung liegt etwa das Stufen-Druckverhältnis einer Axial-Verdichterstufe ?

a) 1,3

b) 2,5

c) 4

d) 8

58. Welches Diagramm stellt den Verlauf von Druck P, Temperatur T und Geschwindigkeit V richtig dar ?

a) A

b) B

c) C

d) D

P VT

+

P VT P VT P VT

A B C D

ROTOR

STATOR

ROTOR STATOR

P

T

V

ROTOR STATOR

P

T

V

ROTOR STATOR

P

T

V

ROTOR STATOR

P

T

V

A B C D


TRIEBWERKE 116


59. Wie hoch ist etwa die maximale Austrittstemperatur des Verdichters eines modernen ZTL ?

a) ca. 200°C

b) ca. 500°C

c) ca. 800°C

d) ca. 1200°C

60. Bei einem Zweiwellen-ZTL treibt die Hochdruckturbine

a) den Niederdruckverdichter und Fan

b) den Hochdruckverdichter

c) den Niederdruckverdichter und die Hilfsgeräte

d) den Hochdruckverdichter und die Hilfsgeräte

61. Was versteht man unter einem zweiflutigen Verdichter ?

a) Einen Verdichter im Zweikreis-Triebwerk

b) Ein zweiseitig wirkendes Laufrad im Radialverdichter

c) Einen in Hoch- und Niederdruckteil unterteilten Verdichter mit verschiedenen Drehzahlen

d) Einen Verdichter, bei dem die Luft nach dem Niederdruckteil in Kaltluftstrom und Heissluftstrom unterteilt wird.

62. An welcher Stelle des Turbinentriebwerks hat der Luft- bezw. Gasstrom den höchsten Druck ?

a) Am Hochdruck-Verdichter Ausgang

b) Am Brennkammer-Eingang

c) Hinter der Hochdruck-Turbine

d) Am Schubdüsen-Ausgang

63. Welche Schaufeln sind (teilweise) in einem modernen High Bypass ZTL im Betrieb verstellbar ?

a) Verdichter-Statorschaufeln

b) Verdichter-Rotorschaufeln

c) Turbinen-Statorschaufeln

d) Turbinen-Rotorschaufeln


TRIEBWERKE 117


64. Wodurch werden die verstellbaren Leitschaufeln in einem modernen High Bypass ZTL betätigt ?

a) Elektrische Verstellmotoren

b) Pneumatik-Zylinder

c) Mechanische Getriebe und biegsame Wellen

d) Hydraulik-Zylinder

65. Das Medium für die hydraulische Schaufelverstellung in einem modernen High Bypass ZTL ist

a) Triebwerksöl

b) Kraftstoff

c) synthetisches Hydrauliköl

d) eine spezielle unbrennbare Flüssigkeit

66. Der zur Schaufelverstellung erforderliche Arbeitsdruck kommt

a) von der Triebwerks-Schmierstoffpumpe

b) von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe

c) aus dem Hydrauliksystem des Flugzeugs

d) aus dem Hochdruckverdichter

67. Die N1 und N2- Drehzahlanzeigen eines Zweiwellen-Triebwerks zeigen beide 100% RPM an.

Das bedeutet:

a) Beide Rotorsysteme laufen mit gleicher Drehzahl

b) N1 dreht schneller als N2

c) N1 dreht langsamer als N2

68. Durch welche Einrichtung wird die Neigung zu Surge und Stall in einem Tur-binentriebwerk verringert ?

a) Mehrwellen-Verdichter

b) Surge Bleed Valves

c) Verstellbare Verdichter-Leitschaufeln

d) a, b, und c sind richtig


TRIEBWERKE 118


69. Welche der aufgeführten Maßnahmen kann einen Kompressor-Stall beenden ?

a) Schubhebel zurücknehmen

b) Schubhebel schnell nach vorn schieben

c) Kraftstoffpumpe des Tanks ausschalten

d) in den Steigflug übergeben

70. Verdichter-Stall (Strömungs-Abriss) tritt auf bei

a) Vergrößerung der Axialgeschwindigkeit gegenüber der Umfanggeschwindigkeit

b) Verkleinerung der Axialgeschwindigkeit gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit

c) zu hoher Temperatur am Verdichter-Ausgang

d) zu hoher Drehzahl

71. Wieviel Luft ist zur Verbrennung von 1 kg Kraftstoff erforderlich ?

a) 15 Kubikmeter

b) 25 kg

c) 15 kg

d) 5 kg

72. Welcher Anteil der Verdichterluft wird in der Brennkammer zur Verbrennung gebraucht ?

a) 100 %

b) ca. 75 %

c) ca. 50 %

d) ca. 25 %

73. Das Gesamt-Massenverhältnis Kraftstoff : Luft in der Brennkammer beträgt etwa

a) 1: 3

b) 1: 15

c) 1: 60

d) 1: 360


TRIEBWERKE 119


74. Die Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkammer bewirkt die Erhöhung

a) des Gasvolumens

b) des Gasdrucks

c) der Gasgeschwindigkeit

d) a und c

75. Was versteht man unter der Primärzone der Brennkammer ?

a) Eintrittskegel der Brennkammer

b Austrittskegel der Brennkammer

c) Bereich der Brennkammer, in dem das Kraftstoff-Luftgemisch verbrannt wird

d) Bereich der Brennkammer, in dem heißes Gas und Kühlluft gemischt werden

76. Welche Temperatur tritt in der Primärzone der Brennkammer auf ?

a) ca. 1.000°C

b) ca. 1.800°C

c) ca. 2.500°C

d) ca. 3.000°C

77. Welche Geschwindigkeit hat das Gas in der Primärzone der Brennkammer ?

a) ca. 300 m/s

b) ca. 100 m/s

c) ca. 60 m/s

d) ca. 25 m/s

78. Welche Turbinenart wird in grossen ZTL-Triebwerken verwendet ?

a) Einstufige Radialturbinen

b) Mehrstufige Radialturbinen

c) Einstufige Axialturbinen

d) Mehrstufige Axialturbinen


TRIEBWERKE 120


79. Die Kühlung der Turbinenschaufeln moderner Hochleistungstriebwerke erfolgt durch

a) Niederdruck-Kraftstoff

b) Hochdruck-Kraftstoff

c) Verdichterluft

d) Triebwerksöl

80. Wie hoch ist etwa die Temperatur am Turbineneintritt bei Startleistung in ISA SL ?

a) ca. 750°C

b) ca. 900°C

c) ca. 1300°C

d) ca. 2500°C

81. Wie weit wird bei einem "flat rated ZTL" zum Take Off der Schubhebel vorge-schoben ?

a) Bis zum vorderen Anschlag des Schubhebels

b) Bis das errechnete "Target" von EPR oder N1 angezeigt wird

c) Bis zum Erreichen des ersten roten Strichs (whichever comes first)

d) Bis zum roten Strich auf der TIT bezw. EGT-Anzeige

82. Welcher Triebwerksparameter ist bei einem "flat rated ZTL" bei Startleistung im flachen Bereich konstant ?

a) EPR

b) N1 RPM

c) TIT bezw. EGT

d) N2 RPM

83. Welches Diagramm für ein bis 29°C Flat Rated Engine ist richtig ?

a) A

b) B

c) C

d) D

29°C OAT

EPR

EGT

29°C OAT

EPR

EGT

29°C OAT

EPR

EGT

29°C OAT

EPR

EGT

A B C D


TRIEBWERKE 121


84. Die Druck-Abnahmen für den Ausgangsdruck für die Engine Pressure Ratio (EPR)-Anzeige sind

a) hinter dem Hochdruck (N2) -Verdichter

b) zwischen der Hochdruck (N2)- und Niederdruck (N1)- Turbine

c) hinter der letzten Niederdruck-Turbinenstufe

d) am Ausgang der Schubdüse

85. An welchen Luftfahrzeugen findet man eine konvergent-divergente Kanal-form des Abgasrohrs hinter der Turbine ?

a) Langsame Turboprop-Flugzeuge

b) Hubschrauber

c) Verkehrsflugzeuge für hohe Unterschall-Reisegeschwindigkeit

d) Überschall-Flugzeuge

86. Die Temperaturfühler (TIT bezw. EGT) im Turbinenbereich sind

a) parallelgeschaltete temperatur-abhängige Kondensatoren

b) parallelgeschaltete Thermo-Elemente

c) In Reihe geschaltete temperatur-abhängige Widerstände

d) In Reihe geschaltete Thermo-Elemente

87. Bei einem Zweikreis-Turbinentriebwerk mit EPR-(Engine Pressure Ratio) -An-zeige erkennt man eine Verschlechterung des Wirkungsgrads, wenn für ein bestimmtes EPR

a) die EGT niedriger als normal ist

b) die N2 Drehzahl niedriger als normal ist

c) die N2 Drehzahl höher als normal ist

d) der Schubhebel weiter als normal vorgeschoben werden muss

88. Welche Triebwerksanzeige kann bei einem Flugzeug mit High Bypass Fan-Triebwerken wegfallen, wenn ein Performance Data Computer vorhanden ist ?

a) EPR

b) N1 RPM

c) TIT bezw. EGT

d) N2 RPM


TRIEBWERKE 122


89. In welcher Größenordnung sind etwa die Drehzahl-Anzeigen eines Zweiwel-len-ZTL im Leerlauf am Boden (Ground Idle) ?

a) N1 30 % RPM; N2 30 % RPM

b) N1 30 % RPM; N2 60 % RPM

c) N1 60 % RPM; N2 80 % RPM

d) N1 60 % RPM; N2 100 % RPM

90. Was ändert sich bei den Triebwerksanzeigen bei Abnahme von Verdichterluft (Bleed Air) ?

a) TIT(EGT) Anzeige steigt

b) TIT(EGT) Anzeige fällt

c) EPR-Anzeige fällt

d) a und c

91. Welche Art von Zündsytem hat ein normales Turbinentriebwerk ?

a) Zwei Zündmagnete und zwei Zündkerzen wie beim Otto-Kolbentriebwerk

b) Zwei Glühkerzen

c) Zwei Kondensator-Zündeinheiten und zwei Hochenergie-Zünder (High Energy Igniter)

d) Sebstzündung durch hohe Verdichtung wie beim Dieselmotor

92. Beim Startvorgang eines ZTL wird der Starter abgeschaltet

a) sobald das Triebwerk gezündet hat (TIT bezw EGT anzeigt)

b) bei ca. 15 % N2

c) bei ca. 40 % N1

d) bei ca. 40 % N2

93. Die Starter für mittlere und grosse Turbinentriebwerke sind meistens

a) 115/200 V Drehstrom Starter-Generatoren

b) 28 V Gleichstrom-Motoren

c) Hochdruck-Luftturbinen

d) Niederdruck-Luftturbinen


TRIEBWERKE 123


94. Was soll man bei einem Wet Start tun, wenn das Triebwerk nicht anflammt ?

a) Den Starter abschalten und den Start Lever auf RUN lassen, damit der Kraft-stoff abläuft.

b) Den Schubhebel vorschieben, damit mehr Luft in die Brennkammer gelangt

c) Den Start Lever auf OFF stellen, aber den Starter noch ca. 20 Sekunden drehen lassen

d) Bei drehendem Starter auf FLIGHT START schalten

95. Bei einer Überdruck (Reaktions)-Turbine erfolgt der Druckabbau

a) nur zwischen den Leitschaufeln

b) nur zwischen den Laufschaufeln

c) zwischen Leitschaufeln und Laufschaufeln

d) nur im inneren Drittel der Laufschaufel-Länge

96. Surge Bleed Valves befinden sich

a) am Eingang des Niederdruck-Verdichters

b) im mittleren Verdichterbereich

c) hinter dem Hochdruck-Verdichter

d) zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Turbine

97. Welches Bedienorgan steuert Kraftstoff und Zündung beim Startvorgang ?

a) Leistungshebel (Thrust Lever)

b) Starter Switch

c) Ignition Switch

d) Start Lever

98. Das Schliessen des pneumatischen Starterventils erfolgt

a) automatisch durch einen Fliehkraftschalter im Starter

b) durch einen Zeitschalter nach 20 Sekunden

c) von Hand, wenn der Start Switch auf OFF gestellt wird

d) automatisch durch einen Drehzahlschalter im Drehzahlanzeiger


TRIEBWERKE 124


99. Die Eingangssignale des hydromechanischen Kraftstoffreglers (Fuel Control Unit) eines ZTL sind Schubhebelstellung, Verdichter-Eintrittstemperatur,

a) N2 Drehzahl und TIT (bezw. EGT)

b) N1 Drehzahl und TIT (bezw. EGT)

c) N1 Drehzahl und Verdichter-Ausgangsdruck (CDP)

d) N2 Drehzahl und Verdichter-Ausgangsdruck (CDP)

100. Der Kraftstoff-Vorwärmer (Fuel Heater) befindet sich in der Leitung zwischen

a) Fuel Shutoff Valve) und Niederdruckstufe (Low Pressure Stage) der triebwerksgetriebenen Kraftstoffpumpe (Engine-driven Fuel Pump)

b) Niederdruckstufe der triebwerksgetriebenen Kraftstoffpumpe und Filter

c) Filter und Hochdruckstufe (High Pressure Stage)

d) Hochdruckstufe und Brenner-Ringleitung

101. Das Kühlmedium für den Ölkühler der meisten modernen Turbinentriebwerke ist



c) Verdichterluft

d) Außenluft

102. Wann ist die Öltemperatur-Anzeige am höchsten?

a) Während das Triebwerk mit höchster Leistung (Take Off Power) läuft

b) Im Leerlauf unmittelbar nach hoher Leistung, z.B. nach dem Reversen

c) Bei Steigleistung (Climb Power) und niedriger Geschwindigkeit

d) Im Reiseflug

103. Die Abdichtung der Rotorlager gegen austretendes Öl erfolgt durch

a) Stopfbuchen

b) Teflon-Ringdichtungen

c) berührungslose, luftdruckbeaufschlagte Labyrinth-Dichtungen

d) Stahlringe


TRIEBWERKE 125


104. Wozu dient Lüfterzentrifuge (centrifugal breather) in der Schmierstoffanlage ?

a) Erhöhung des Luftdrucks für die Labyrinth-Dichtungen

b) Erhöhung des Ölrucks

c) Aus ölhaltiger Luft das Öl entfernen

d) Aus lufthaltigem Öl die Luft entfernen

105. Welches Bauteil der Schubumkehranlage wird unmittelbar vom Reverse-Be-dienhebel betätigt ?

a) Mechanische Vorwärtsschub Verriegelung

b) Interlock-Mechanismus

c) Richtungssteuerventil (directional control valve)

d) Umlenktor (deflector door)

106. Das REVERSER UNLOCKED Licht brennt, wenn der Schubumkehrer

a) nicht in der Forward Thrust Position verriegelt ist

b) auf dem Weg zur Reverse-Stellung ist

c) in der Reverse-Stellung am Anschlag angekommen ist

d) den vollen Umkehrschub liefert

107. Welche Aufgabe hat der "Interlock" bei einem Schubumkehrer ?

a) Verriegelt den Reverser in der Vorwärts-Stellung (Forward Thrust Position)

b) Verhindert hohe Triebwerksleistung, bevor der Reverser am hinteren Anschlag ist

c) Begrenzt den Umkehrschub

d) Verhindert unsymmetrischen Umkehrschub bei einseitigem Reverser-Ausfall

108. Wann kann der Reverse Lever über die "interlock position" gezogen werden ?

a) Wenn der Schubhebel am hinteren Anschlag ist

b) Wenn die Schubumkehranlage entriegelt ist

c) Wenn die Schubumkehranlage in Umkehrschub gefahren ist

d) Wenn das Fahrwerk belastet ist (Bodenzustand)


TRIEBWERKE 126


109. Welchen Anteil am Gesamtschub des PTL erzeugt der Propeller ?

a) 5 - 10 %

b) 80 - 85 %

c) 50 - 60 %

d) 90 - 95 %

110. In welcher Stellung ist der Propeller eines Einwellen-PTL beim Triebwerks-Anlassvorgang ?

a) Null Steigung

b) Am Anschlag Kleine Steigung (Low Pitch Stop)

c) Am Anschlag Große Steigung (High Pitch Stop)

d) Segelstellung

111. Wenn der Leistungshebel in der Startstellung steht, wird die automatische Propeller-Segelstellunganlage (Auto-Feather System) aktiviert bei einem Ab-fall

a) des Triebwerks-Systemöldrucks


c) des Ladedrucks

d) des Drehmoments (Torque Cell Pressure)

112. Um die Wellenleistung eines Propeller-Turbinentriebwerks (PTL) zu bestim-men, braucht man

a) Turbinen-Drehzahl und Propeller-Drehzahl

b) Propeller-Drehzahl und Drehmoment

c) Propeller-Drehzahl und Turbinen-Temperatur

d) Turbinen-Drehzahl und Propeller-Drehzahl

113. Der automatische Überlastungsschutz der APU (Auxiliary Power Unit) spricht an beim Erreichen der höchstzulässigen Turbinen-Temperatur und verringert daraufhin

a) den Fuel Flow

b) die APU-Drehzahl

c) die Generatorbelastung

d) die Luftentnahme


TRIEBWERKE 127


114. Was wird an der APU konstant geregelt ?

a) Drehzahl

b) Bleed Air Menge

c) Bleed Air Druck

d) Generator-Leistung

115. Welche Aussage zur APU ist richtig ?

a) Die Betriebsdrehzahl muss mindestens 95% RPM betragen

b) Die Leerlaufdrehzahl ist ca. 60 %

c) Nach dem APU-Anlassvorgang kann die Bordbatterie abgeschaltet werden

d) Die Antworten a, b, und c sind alle richtig


TRIEBWERKE Lösungsbogen 128


Lösungen 1. d 2. b 3. a 4. b 5. b 6. c 7. b 8. b 9. d 10. d 11. a 12. a 13. c 14. d 15. b 16. c 17. a 18. a 19. c 20. b 21. b 22. d 23. c 24. c 25. c 26. c 27. b 28. d 29. c 30. b

31. c 32. b 33. c 34. d 35. a 36. b 37. c 38. b 39. a 40. b 41. c 42. c 43. b 44. c 45. a 46. d 47. c 48. d 49. b 50. d 51. a 52. c 53. d 54. c 55. c 56. d 57. a 58. d 59. b 60. d

61. b 62. b 63. b 64. d 65. b 66. b 67. c 68. d 69. a 70. b 71. c 72. d 73. c 74. d 75. c 76. c 77. d 78. d 79. c 80. c 81. b 82. a 83. a 84. c 85. d 86. b 87. c 88. a 89. b 90. d

91. c 92. d 93. d 94. c 95. c 96. b 97. d 98. a 99. d 100. b 101. b 102. b 103. c 104. c 105. c 106. a 107. b 108. c 109. d 110. a 111. d 112. b 113. d 114. a 115. a

JAR-ATPL Abschluß-Test TRIEBWERKE 129


Abschluß-Test

Triebwerkkunde

Anzahl der Fragen : 50 Erreichbare Punktzahl : 50 Verfügbare Zeit : 1 Stunde Hilfsmittel : Keine

Versuchen Sie eine ruhige Ecke zu finden, in der Sie für diesen Zeitraum ungestört arbeiten können. Tragen Sie, bevor Sie sich an die Lösung der Aufgaben machen, in das vorbereitete Checkblatt Ihre persönlichen Daten und Ihre Anfangszeit ein. Danach bearbeiten Sie den Test und übertragen zuletzt Ihre Lösungen und die Endzeit in den Antwortbogen. Senden Sie dann den Antwortbogen mit eventuellen Kommentaren und Nebenrechnungen auf gesondertem Beiblatt an Ihr

• Civil Aviation Training Worms.



001.) Wirkungsgrad ist

a) die Differenz zwischen Aufwand und Effekt

b) das Verhältnis von Aufwand zu Effekt

c) das Verhältnis von Effekt zu Verlust

d) das Verhältnis von Effekt zu Aufwand

002.) Das Produkt von Drehzahl mal Drehmoment ergibt

a) Leistung

b) Arbeit

c) Kraft

d) Wirkungsgrad

003.) Wie nennt man in einem idealen Kreisprozess eine Zustandsänderung bei konstantem Volumen ?

a) isotherm

b) isochor

c) isobar

d) entalphie

004.) Welche Kurve im folgenden Diagramm eines Viertaktmotors zeigt den Verlauf des Drehmoments ?

DREHZAHL

AB

C D



005.) In einem Sechszylinder-Boxermotor dreht sich die Nockenwelle

a) halb

b) genau

c) doppelt

d) dreimal

so schnell wie die Kurbelwelle

006.) Brake Mean Effektive Pressure (BMEP) ist

a) der angezeigte Ladedruck hinter der Drosselklappe

b) der Druck im Zylinder am Ende der Verdichtung

c) ein fiktiver Druck im Zylinder während des Arbeitstaktes

d) der angezeigte Öldruck der Drehmoment-Meßanlage

007.) Bei welchen Außenluftbedingungen hat ein Kolbenmotor ohne Lader die beste Leistung ?

a) Warm und feucht

b) Warm und trocken

c) Kalt und feucht

d) Kalt und trocken

008.) Bei Nachbrennertriebwerken werden

a) verstellbare Schubdüsen nur bei Flugmachzahlen über 2 benötigt

b) verstellbare Schubdüsen nur bei konvergenter Form benötigt

c) verstellbare Schubdüsen nur bei einer Lavaldüsen-Konfiguration benötigt

d) immer verstellbare Schubdüsen benötigt

009.) Die Hochspannung für den Funken an der Zündkerze entsteht, wenn der Unterbrecherkontakt im Zündmagneten...

a) öffnet

b) schließt



010.) Die Sekundärwicklung des Zündmagneten hat

a) wenige Windungen aus dünnem Draht

b) wenige Windungen aus dickem Draht

c) viele Windungen aus dünnem Draht

d) viele Windungen aus dickem Draht

011.) Wenn an der Zündkerze der Funke überspringt, ist der Kolben

a) ca. 20° vor dem oberen Totpunkt

b) genau am oberen Totpunkt

c) ca. 20° nach dem oberen Totpunkt

d) kurz vor dem unteren Totpunkt

012.) Wenn beim Magnetcheck in Stellunng L oder R überhaupt kein Drehzahlabfall erkennbar ist,

a) sind die Magnete optimal synchron eingestellt

b) ist der Zündzeitpunkt zu spät

c) ist möglicherweise die Schalterleitung unterbrochen und der Magnet "hot"

d) ist ein Magnet defekt

013.) Wenn im Reiseflug mit Constant Speed Propeller einer der beiden Zündmag-nete völlig ausfällt,

a) sinkt die Motordrehzahl um ca. 50 RPM

b) arbeitet der Motor nur noch mit halber Leistung

c) bleibt die Motordrehzahl konstant

d) bleibt der Motor stehen

014.) Der automatische Höhenregler (Automatic Mixture Control = AMC) beeinflußt die Kraftstoff-Bemessung in Abhängigkeit

a) von der Gashebelstellung

b) von der Stellung des Gemischhebels

c) vom Luftdruck

d) von der Triebwerksdrehzahl



015.) Der automatische Höhenregler (Automatic Mixture Control = AMC)

a) verringert mit zunehmender Höhe den Kraftstoffanteil im Gemisch

b) hält mit zunehmender Höhe den Kraftstoffanteil im Gemisch konstant

c) vergrößert mit zunehmender Höhe den Kraftstoffanteil im Gemisch

d) erhöht mit zunehmender Höhe den Ladedruck

016.) Wo liegt der Flammpunkt bei AVGAS 100 LL ?

a) - 25 °C

b) + 100 °C

c) + 57 °C

d) + 45 °C

017.) Welches Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist Best Power Mixture ?

a) 12,5 : 2

b) 12,5 : 1

c) 2 : 1

d) Best Power Mixture ist abhängig von der Flughöhe!

018.) Bei welchem Gemisch ist die Abgastemperatur (EGT) am höchsten?

a) Best Power

b) Best Economy

c) CCM (Chemical Correct Mixture)

d) Auto Rich

019.) Mit welchem Gemisch wird die Startleistung (Take Off Power) gesetzt ?

a) Best Power

b) Best Economy

c) CCM

d) Auto Rich



020.) Was bedeutet ein gelber Bereich auf einer Instrumente-Skala?

a) caution range

b) normal operation

c) flaps operation speed

d) turbulance penetration speed

021.) Die Aufgabe eines Constant Speed Propellers ist die Konstanthaltung

a) der Fluggeschwindigkeit


c) der Propeller-Steigung

d) der Triebwerksleistung.

022.) Woher kommt der Druck für die hydraulische Propellerverstellung im Constant Speed Bereich ?

a) Pumpe im Propeller-Governor

b) Triebwerks-Schmierstoffpumpe

c) Elektrische Hilfspumpe

d) Hochdruck-Kraftstoffpumpe

023.) Der Drehzahl-Istwert (Regelgröße) des Constant Speed Propellers ist proportional

a) zur Federspannung im Governor

b) zum Öldruck am Verstellkolben in der Propellernabe

c) zur Fliehkraft der Fliehgewichte im Governor

d) zur Stellung des Hebels für die Propeller-Verstellung

024.) In welcher Reihenfolge werden die Bedienhebel zur Leistungsreduzierung von Steig- auf Reiseleistung betätigt ?

a) 1. Mixture 2. Pitch 3. Throttle

b) 1. Throttle 2. Pitch 3. Mixture

c) 1. Pitch 2. Throttle 3. Mixture

d) 1. Mixture 2.Throttle 3. Pitch



025.) Welche Kurve gehört zu einem High Bypass Fan Triebwerk ?

80

60

40

20

200 400 600 800 1000

Fluggeschwindigkeit (km/h)

A B C

026.) Welche Zustandsänderungen erfolgen in einer Gasströmung durch eine Düse ohne Zufuhr von Energie ?




d) Druck und Temperatur sinken, Geschwindigkeit steigt

027.) Einlaufdiffusoren können verstellbar sein, um

a) den Durchsatz zu regeln

b) die Grenzschicht abzusaugen

c) die Strömung von Überschall auf Unterschall abzubremsen

d) bei Fremdkörpergefahr die Strömung umzuleiten

028.) Eine Erhöhung des C/H (Bypass) - Verhältnisses bringt

a) Verbesserung des Vortriebwirkungsgrads

b) geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch

c) geringeren Geräuschpegel

d) a) bis c) richtig



029.) In welcher Größenordnung liegt etwa das Stufendruckverhältnis einer Axial-Verdichterstufe ?

a) 1,3

b) 2,5

c) 4

d) 8

030.) Bei einem Zweiwellen-ZTL treibt die Hochdruckturbine

a) den Niederdruckverdichter und Fan

b) den Hochdruckverdichter

c) den Niederdruckverdichter und die Hilfsgeräte

d) den Hochdruckverdichter und die Hilfsgeräte

031.) An welcher Stelle des Turbinentriebwerks hat der Luft- bezw. Gasstrom den höchsten statischen Druck ?

a) vor der Brennkammer

b) nach der Brennkammer

c) vor dem Verdichter

d) vor dem Diffusor

032.) Welche Schaufeln sind (zum Teil) in einem modernen High Bypass ZTL im Betrieb verstellbar ?

a) Verdichter-Statorschaufeln

b) Verdichter-Rotorschaufeln

c) Turbinen-Statorschaufeln

d) Turbinen-Rotorschaufeln



033.) Das Medium für die hydraulische Schaufelverstellung in einem modernen High Bypass ZTL ist

a) Triebwerksöl

b) Kraftstoff

c) synthetisches Hydrauliköl

d) eine spezielle unbrennbare Flüssigkeit

034.) Welche der aufgeführten Maßnahmen kann einen Kompressorstall beenden ?

a) Schubhebel zurücknehmen

b) Schubhebel schnell nach vorn schieben

c) Kraftstoffpumpe des Tanks ausschalten

d) in den Steigflug übergeben

035.) Verdichterstall tritt auf bei

a) Vergrößerung der Axialgeschwindigkeit gegenüber der Umfanggeschwindigkeit

b) Verkleinerung der Axialgeschwindigkeit gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit

c) zu hoher Temperatur am Verdichter-Ausgang

d) zu hoher Drehzahl

036.) Welche Turbinenart wird in großen ZTL-Triebwerken verwendet ?

a) Einstufige Radialturbinen

b) Mehrstufige Radialturbinen

c) Einstufige Axialturbinen

d) Mehrstufige Axialturbinen

037.) Die Kühlung der Turbinenschaufeln moderner Hochleistungstriebwerke erfolgt durch



c) Verdichterluft

d) Triebwerksöl



038.) Die Form des Kanals zwischen zwei Turbinen-Leitschaufeln ist immer

a) konvergent

b) divergent

c) konvergent-divergent

d) divergent-konvergent

039.) Welcher Triebwerksparameter ist bei einem "flat rated ZTL" bei Startleistung im flachen Bereich konstant ?

a) EPR

b) N1 RPM

c) TIT bezw. EGT

d) N2 RPM

040.) Die Temperaturfühler (TIT bezw. EGT) im Turbinenbereich sind

a) parallelgeschaltete temperatur-abhängige Widerstände

b) parallelgeschaltete Thermo-Elemente

c) In Reihe geschaltete temperatur-abhängige Widerstände

d) In Reihe geschaltete Thermo-Elemente

041.) Bei einem Zweikreis-Turbinentriebwerk mit EPR-(Engine Pressure Ratio) -Anzeige erkennt man eine Verschlechterung des Wirkungsgrads, wenn für ein bestimmtes EPR

a) die EGT niedriger als normal ist

b) die N2 Drehzahl niedriger als normal ist

c) die N2 Drehzahl höher als normal ist

d) der Schubhebel weiter als normal vorgeschoben werden muß



042.) Welche Art von Zündsytem hat ein normales Turbinentriebwerk ?

a) Zwei Zündmagnete und zwei Zündkerzen wie beim Otto-Kolbenmotor

b) Zwei Glühkerzen

c) Zwei Kondensator-Zündeinheiten und zwei Hochenergie-Zünder (High Energy Igniter)

d) Sebstzündung durch hohe Verdichtung wie beim Dieselmotor

043.) Die Starter für mittlere und große Turbinentriebwerke von Verkehrsflugzeu-gen sind meistens

a) 115/200 V Drehstrom Starter-Generatoren

b) 28 V Gleichstrom-Motoren

c) Hochdruck-Luftturbinen

d) Niederdruck-Luftturbinen

044.) Was soll man bei einem Wet Start tun, wenn das Triebwerk nicht anflammt ?

a) Den Starter abschalten und den Fuel (Start) Lever offen lassen, damit der Kraft-stoff abläuft

b) Den Leistungshebel vorschieben, damit mehr Luft in die Brennkammer gelangt

c) Den Fuel (Start) Lever schließen, aber den Starter noch ca. 20 Sekunden drehen lassen

d) Bei drehendem Starter auf FLIGHT START schalten

045.) Der Kraftstoff-Vorwärmer (Fuel Heater) befindet sich in der Leitung zwischen

a) Kraftstoff-Absperrventil (Fuel Shutoff Valve) und Niederdruckstufe (Low Pressure Stage) der triebwerksgetriebenen Kraftstoffpumpe (Engine-driven Fuel Pump)

b) Niederdruckstufe der triebwerksgetriebenen Kraftstoffpumpe und Filter

c) Filter und Hochdruckstufe (High Pressure Stage)

d) Hochdruckstufe und Brenner-Ringleitung



046.) Das Kühlmedium für den Ölkühler der meisten modernen Turbinentriebwerke ist



c) Verdichterluft

d) Außenluft

047.) Die Abdichtung der Rotorlager gegen austretendes Öl erfolgt durch

a) Stopfbuchen

b) Teflon-Ringdichtungen

c) berührungslose, luftdruckbeaufschlagte Labyrinth-Dichtungen

d) Wellendichtungen (Simmeringe)

048.) Das REVERSER UNLOCKED Licht brennt, wenn der Schubumkehrer

a) nicht in der Forward Thrust Position verriegelt ist

b) auf dem Weg zur Reverse-Stellung ist

c) in der Reverse-Stellung am Anschlag angekommen ist

d) den vollen Umkehrschub liefert

049.) Welche Aufgabe hat der "Interlock" bei einem Schubumkehrer ?

a) Verriegelt den Reverser in der Vorwärts-Stellung (Forward Thrust Position)

b) Verhindert hohe Triebwerksleistung, bevor der Reverser am hinteren Anschlag ist

c) Begrenzt den Umkehrschub

d) Verhindert unsymmetrischen Umkehrschub

050.) Die Automatische Segelstellungs-Anlage (Auto Feather System) einer Propel-lerturbine wird aktiviert, wenn bei vorgeschobenem Leistungshebel

a) die Drehzahl abfällt

b) der Torque abfällt

c) die TIT (bezw. EGT) abfällt

d) die TIT (bezw. EGT) das Red Line Limit überschreitet

JAR-ATPL Antwortbogen

TRIEBWERKE 141


ABSCHLUSS-TEST ANTWORTBOGEN

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