Turbofan

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Ein Turbofan ist ein Strahltriebwerk mit mindestens zwei Wellen und einer stark vergrößerten ersten Verdichterstufe (englisch Fan für Gebläse). Man spricht auch vom Zweistrom-Strahltriebwerk oder Mantelstromtriebwerk. Praktisch alle heute mit Strahlturbinen hergestellten Flugzeuge werden mit Turbofans ausgerüstet.

Die erste Stufe der Gasturbine ist jedoch nicht nur Teil des Verdichters, sondern sie teilt den Luftstrom auf in einen

inneren Luftstrom (Primärstrom) , der in die Gasturbine gelangt (mit Verdichter, Brennkammer und Turbine), und einen
äußeren Luftstrom (Nebenstrom oder Sekundärstrom), der durch den Fan außen an der Turbine vorbeigeführt wird. Er wirkt dabei wie ein ummantelter Propeller.

Charakteristisch für einen Turbofan ist ein hohes Nebenstromverhältnis. Das ist das Verhältnis der Luftmenge, die außen durch den Fan strömt, zu der Luftmenge, die durch die Gasturbine strömt. Moderne Turbofans in Zivilflugzeugen haben ein Nebenstromverhältnis (engl. Bypass ratio) von 80:20 = 4 bis 90:10 = 9. Sekundär- und Primärstrom zusammen bilden den Gesamtrückstoß. Eine extreme Auslegung zeigt das Samara NK-93 Triebwerk, bei der eine Propellerturbine auf zwei gegenläufige, gekapselte Propeller arbeitet. Hier wird bereits jetzt ein Bypassverhältniss von 16,6 (ca. 94,3:5,7) erreicht.

Der Turbofan wird wegen seines zweiten Luftstroms auch Mantelstrom- oder Bypasstriebwerk genannt. Weist das Triebwerk ein besonders hohes Nebenstromverhältnis auf, so spricht man vom einem Fan- oder Bläsertriebwerk. Im Vergleich zu anderen Strahltriebwerksarten hat es einen größeren Durchmesser. Grund dafür ist der Fan, der sich meist ganz vorn befindet.

Man unterscheidet Niederdruck- (ND) und Hochdruck- (HD) Kompressor sowie Niederdruck- und Hochdruckturbine. Generell ist die dem Triebwerk über die Turbine entzogene Rückstoßenergie größer, als bei einem Einstrom-Strahltriebwerk, da mit ihr der Fan angetrieben werden muss.

Der Fan hat die Aufgabe, große Luftmassen anzusaugen, und zum Kompressor und in den Nebenstrom zu leiten. Aufgrund des großen Fandurchmessers (beispielsweise beim Rolls Royce Trent 900 2,95 m) kann dieser nicht mehr über eine Welle mit dem Kompressor und der Turbine gekoppelt werden, da die Schaufelspitzen eine zu hohe Geschwindigkeit erreichen würden. Man nutzt daher entweder ein Untersetzungsgetriebe oder zwei, bzw. 3 Wellen, um die beiden Komponenten mit unterschiedlichen Drehzahlen betreiben zu können.

Realisiert wird dies durch eine verschachtelte Wellenanordnung: Ein Rundprofil als Primär- und ein Rohrprofil als Sekundärwelle. Die Primärwelle führt durch die Sekundärwelle und ist länger als diese. Neben einer unterschiedlichen Drehzahl ist auch eine entgegengesetzte Drehrichtung möglich, wodurch die zu transportierenden Luftmassen stabilisiert werden. Üblich ist es, die unterschiedlichen Drehrichtungen durch die Veränderung der Schaufelwinkel von Kompressor und Turbine zu erreichen.

In einigen Turbofan-Triebwerken befinden sich drei Wellensysteme. Dies ermöglicht eine weitere Unterteilung von Kompressor und Turbine.

Mit Zweistromtriebwerken kann bei Geschwindigkeiten zwischen 600 bis 850 km/h mit geringem Kraftstoffverbrauch und Kosten ein hoher Luftdurchsatz erzielt werden. Die Luft des Sekundärstroms kann entweder direkt ausgestoßen oder dem Primärstrom beigefügt werden. Der Vorteil der zweiten Vorgehensweise ist die Bildung einer Pufferschicht zwischen den heißen Abgasen und der kalten Umgebungsluft (-60° C in 11.000 m Höhe), was die starke Lärmentwicklung bei der schlagartigen Entspannung der Abgase verhindert.

Heute werden fast ausschließlich Zweistromtriebwerke genutzt, da sie einen höheren Wirkungsgrad und höhere Sicherheit bieten als Einstromtriebwerke. Je nach Verwendungszweck ist das Nebenstromverhältnis unterschiedlich. Für hohe Geschwindigkeiten, wie beispielsweise beim EJ200 für den Eurofighter Typhoon steht die Rückstoßenergie im Vordergrund, weswegen das Nebenstromverhältnis gering ist. Bei zivilen oder auch militärischen Flugzeugen wie Passagier- und Transportmaschinen stehen niedrige Verbrauchs- und Verschleißwerte im Vordergrund, weswegen hier das Nebenstromverhältnis sehr hoch ist.

Nachteilig ist die im Vergleich zu Propellerantrieben größere Gefahr einer Beschädigung durch das Einsaugen fremder Objekte, der sog. Foreign Object Damage (FOD). Vogelschlag spielt hier eine besondere Rolle. Moderne Triebwerke müssen eine Resistenz gegenüber einem 1,8 kg schweren Vogel aufweisen. Um die Aspekte der biologischen Flugsicherheit kümmert sich in Deutschland der Deutsche Ausschuss zur Verhütung von Vogelschlägen im Luftverkehr e.V.

Bekannte Hersteller von Zweistromstrahltriebwerken sind

und Kooperationen derselben zu

Triebwerksart

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