Turboprop

Ein Turboprop ist ein Gasturbinentriebwerk , das einen Flugzeugpropeller antreibt . ^{[ 1 ]}

Ein Turboprop-Triebwerk besteht aus einem Lufteinlass , einem Untersetzungsgetriebe , einem Verdichter , einer Brennkammer , einer Turbine und einer Schubdüse . ^{[ 2 ]} Luft strömt in den Lufteinlass und wird vom Verdichter verdichtet. Anschließend wird dem verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer Kerosin beigemischt, wo es verbrennt . Die heißen Verbrennungsgase dehnen sich in den Turbinenstufen aus und erzeugen am Abgasaustritt Leistung. Ein Teil dieser Leistung treibt den Verdichter und den Generator an . Die Abgase werden anschließend aus der Turbine ausgestoßen. Im Gegensatz zu einem Turbojet oder Turbofan liefern die Abgase des Triebwerks nicht genügend Leistung, um einen wesentlichen Teil des Gesamtschubs zu erzeugen, da fast die gesamte Triebwerksleistung zum Antrieb des Propellers benötigt wird. ^{[ 3 ]}

Der Abgasschub eines Turboprop-Triebwerks wird zugunsten der Wellenleistung reduziert, die durch die Gewinnung zusätzlicher Leistung (über die zum Antrieb des Verdichters hinausgehende) aus der Turbinenexpansion erzielt wird. Aufgrund der zusätzlichen Expansion im Turbinensystem ist die Restenergie im Abgasstrahl gering. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} Folglich erzeugt der Abgasstrahl etwa 10 % des Gesamtschubs. ^{[ 7 ]} Bei niedrigen Drehzahlen stammt ein größerer Anteil des Schubs vom Propeller, bei höheren Drehzahlen ein geringerer. ^{[ 8 ]}

Turboprop-Triebwerke weisen Nebenstromverhältnisse von 50–100 auf ^{[ 9 ] [ 10 ]} , wobei der Antriebsluftstrom bei Propellern weniger klar definiert ist als bei Ventilatoren. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Der Propeller ist über ein Untersetzungsgetriebe mit der Turbine gekoppelt , das die hohe Drehzahl /das niedrige Drehmoment in eine niedrige Drehzahl/ein hohes Drehmoment umwandelt. Es gibt zwei Hauptbauarten: Freilauf- und Festwellenturbine. Eine Freilaufturbine findet sich beispielsweise beim Pratt & Whitney Canada PT6 . Hier ist nur die Turbine mit dem Propeller verbunden, während sich der Rest des Gasturbinengenerators (Kompressor und Brennkammer) unabhängig dreht. Dadurch kann es bei einem Propelleraufprall oder ähnlichen Schäden zu Beschädigungen des Gasturbinengenerators kommen. In einem solchen Fall muss lediglich der Antriebsteil (Turbine und Getriebe) ausgebaut und ersetzt werden. Zudem wird der Anlassvorgang beim Bodenstart weniger belastet. Im Gegensatz dazu sind bei einem Festwellentriebwerk Getriebe, Turbine und Gasturbinengenerator auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, wie beispielsweise beim Honeywell TPE331 .

Der Propeller selbst ist üblicherweise ein Verstellpropeller (mit variabler Steigung), ähnlich dem von größeren Flugzeugtriebwerken , allerdings sind die Anforderungen an die Propellersteuerung deutlich anders. ^{[ 13 ]} Aufgrund der trägen Reaktion des Turbinentriebwerks auf Leistungseingaben, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, verfügt der Propeller über einen größeren Verstellbereich, um schnelle Schubänderungen zu ermöglichen, insbesondere beim Rollen, Rückwärtsfahren und anderen Bodenmanövern. ^{[ 14 ]} Der Propeller hat zwei Betriebsmodi: Alpha und Beta. Alpha ist der Modus für alle Flugmanöver, einschließlich des Starts. Beta, ein Modus mit typischerweise null bis negativem Schub, wird für alle Bodenmanöver außer dem Start verwendet. ^{[ 14 ]} Der Beta-Modus ist in zwei weitere Modi unterteilt: Beta für Rollen und Beta mit zusätzlicher Leistung. Beta für Rollen wird, wie der Name schon sagt, für Rollmanöver verwendet und umfasst alle Steigungsbereiche vom niedrigsten Alpha-Bereich bis hin zu null Steigung. Dabei wird nur sehr geringer bis gar kein Schub erzeugt. Dieser Modus wird typischerweise durch Umlegen des Leistungshebels auf den Beta-Bereich für Rollen aktiviert. Der Beta-Plus-Modus ist ein Schubumkehrbereich, der negativen Schub erzeugt und häufig für Landungen auf kurzen Landebahnen eingesetzt wird, wo das Flugzeug schnell abbremsen muss, sowie für Rückwärtsfahrten. Er wird aktiviert, indem der Schubhebel unter den Beta-Bereich für den Rollbereich bewegt wird. ^{[ 14 ]} Da der Pilot beim Rückwärtsfahren die Sicht nach hinten nicht hat und der Rückwärtsgang viel Schmutz aufwirbelt, begrenzen die Hersteller oft die Geschwindigkeiten, bei denen der Beta-Plus-Modus verwendet werden darf, und schränken dessen Einsatz auf unbefestigten Landebahnen ein. ^{[ 14 ]} Die Propellerverstellung erfolgt über den Propellersteuerhebel. ^{[ 14 ]}

Der Drehzahlregler eines Turboprop-Triebwerks unterscheidet sich vom Drehzahlregler eines Kolbenmotors durch sein Steuerungssystem. Das Turboprop-System besteht aus drei Drehzahlreglern : einem Drehzahlregler, einem Überdrehzahlregler und einem Kraftstoffnachfüllregler. ^{[ 14 ]} Der Drehzahlregler funktioniert im Prinzip wie der Drehzahlregler eines Kolbenmotors, kann jedoch für den Beta-Betrieb ein Beta-Steuerventil oder eine Beta-Hebestange aufweisen und befindet sich typischerweise in der 12-Uhr-Position. ^{[ 14 ]} Je nach Modell sind zusätzlich weitere Regler vorhanden, beispielsweise ein Überdrehzahl- und Kraftstoffnachfüllregler beim Pratt & Whitney Canada PT6 und ein Unterdrehzahlregler beim Honeywell TPE331 . ^{[ 14 ]} Das Turboprop-Triebwerk unterscheidet sich außerdem von anderen Turbinentriebwerken dadurch , dass die Kraftstoffregelungseinheit mit dem Drehzahlregler verbunden ist, um die Leistung zu steuern.

Um den Motor kompakter zu gestalten, kann die Luftströmung umgekehrt werden. Bei einem Turboprop-Triebwerk mit umgekehrter Luftströmung befindet sich der Verdichtereinlass am hinteren Ende des Triebwerks und der Auslass am vorderen Ende, wodurch der Abstand zwischen Turbine und Propeller verringert wird. ^{[ 15 ]}

Im Gegensatz zu den in Turbofan- Triebwerken verwendeten Lüftern mit kleinem Durchmesser besitzt der Propeller einen großen Durchmesser, der es ihm ermöglicht, ein großes Luftvolumen zu beschleunigen. Dies erlaubt eine geringere Luftströmungsgeschwindigkeit bei gleichem Schub. Da es bei niedrigen Geschwindigkeiten effizienter ist, ein großes Luftvolumen geringfügig zu beschleunigen als ein kleines Luftvolumen stark, ^{[ 16 ] [ 17 ]} erhöht eine geringe Flächenbelastung (Schub pro Flächeneinheit) die Energieeffizienz des Flugzeugs und reduziert somit den Treibstoffverbrauch. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Propeller arbeiten effizient, bis die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs so hoch ist, dass die Luftströmung an den Blattspitzen Schallgeschwindigkeit erreicht. Oberhalb dieser Geschwindigkeit sinkt der Anteil der Antriebsleistung, der in Propellerschub umgewandelt wird, drastisch. Aus diesem Grund werden Turboprop-Triebwerke in Flugzeugen, die schneller als Mach 0,6–0,7 fliegen , nicht häufig eingesetzt ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} , mit einigen Ausnahmen wie der Tupolev Tu-95 . Propfan- Triebwerke hingegen , die Turboprop-Triebwerken sehr ähnlich sind, können mit Reisegeschwindigkeiten von bis zu Mach 0,75 fliegen. Um die Propellereffizienz über einen weiten Geschwindigkeitsbereich aufrechtzuerhalten, verwenden Turboprops Verstellpropeller. Die Blätter eines Verstellpropellers erhöhen ihren Anstellwinkel mit zunehmender Fluggeschwindigkeit. Ein weiterer Vorteil dieses Propellertyps ist, dass er auch zur Erzeugung von Schubumkehr genutzt werden kann, um den Bremsweg auf der Landebahn zu verkürzen. Zusätzlich kann im Falle eines Motorausfalls der Propeller in Segelstellung gebracht werden , wodurch der Widerstand des nicht funktionierenden Propellers minimiert wird. ^{[ 20 ]}

Während die Leistungsturbine mit dem Gasturbinengenerator integriert sein kann, verfügen viele Turboprop-Triebwerke heutzutage über eine freistehende Leistungsturbine auf einer separaten koaxialen Welle. Dies ermöglicht es dem Propeller, sich unabhängig von der Verdichterdrehzahl frei zu drehen. ^{[ 21 ]}

Alan Arnold Griffith hatte 1926 eine Abhandlung über Kompressorkonstruktionen veröffentlicht. Anschließend wurden am Royal Aircraft Establishment axialverdichterbasierte Konstruktionen untersucht, die einen Propeller antreiben sollten. Ab 1929 begann Frank Whittle mit der Entwicklung von zentrifugalverdichterbasierten Konstruktionen, die die gesamte vom Triebwerk erzeugte Gasenergie für den Strahlschub nutzen sollten. ^{[ 22 ]}

Die weltweit erste Turboprop-Maschine wurde vom ungarischen Maschinenbauingenieur György Jendrassik entwickelt . ^{[ 23 ]} Jendrassik veröffentlichte 1928 eine Turboprop-Idee und ließ seine Erfindung am 12. März 1929 patentieren. 1938 baute er eine kleine (100 PS; 74,6 kW) experimentelle Gasturbine. ^{[ 24 ]} Die größere Jendrassik Cs-1 mit einer prognostizierten Leistung von 1000 PS wurde zwischen 1937 und 1941 im Ganz-Werk in Budapest produziert und getestet . Sie war als Axialturbine mit 15 Verdichter- und 7 Turbinenstufen sowie einer ringförmigen Brennkammer ausgeführt. Beim Erstlauf 1940 begrenzten Verbrennungsprobleme die Leistung auf 400 PS. Zwei Jendrassik Cs-1-Maschinen trieben das weltweit erste Turboprop-Flugzeug an – die Varga RMI-1 X/H . Es handelte sich um einen ungarischen Jagdbomber aus dem Zweiten Weltkrieg , von dem ein Exemplar fertiggestellt wurde. Dieses wurde jedoch vor seinem Erstflug bei einem Bombenangriff zerstört. ^{[ 25 ] [ 26 ]} 1941 wurde die Entwicklung des Motors kriegsbedingt eingestellt, und das Werk stellte auf die Produktion konventioneller Motoren um.

Die erste Erwähnung von Turboprop-Triebwerken in der breiten Öffentlichkeit erfolgte in der Februar-Ausgabe 1944 der britischen Luftfahrtzeitschrift „ Flight“ . Diese enthielt eine detaillierte Schnittzeichnung, die das mögliche Aussehen eines zukünftigen Turboprop-Triebwerks veranschaulichte. Die Zeichnung ähnelte stark dem späteren Rolls-Royce Trent. ^{[ 27 ]} Das erste britische Turboprop-Triebwerk war der Rolls-Royce RB.50 Trent , ein umgebauter Derwent II mit Untersetzungsgetriebe und einem fünfblättrigen Rotol- Propeller mit 2,41 m Durchmesser. Zwei Trent-Triebwerke wurden in die Gloster Meteor EE227 – die einzige „Trent-Meteor“ – eingebaut. Damit wurde sie zum weltweit ersten turbopropgetriebenen Flugzeug, das flog, allerdings als Testflugzeug und nicht für die Serienproduktion vorgesehen. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Der Erstflug fand am 20. September 1945 statt. Aus den Erfahrungen mit dem Trent entwickelte Rolls-Royce den Rolls-Royce Clyde , das erste Turboprop-Triebwerk mit Musterzulassung für militärische und zivile Zwecke, ^{[ 30 ]} und den Dart , der zu einem der zuverlässigsten jemals gebauten Turboprop-Triebwerke wurde. Die Produktion des Dart lief über fünfzig Jahre. Die mit einem Dart-Triebwerk ausgestattete Vickers Viscount war das erste Turboprop-Flugzeug überhaupt, das in Serie ging und sich in großen Stückzahlen verkaufte. ^{[ 31 ]} Sie war auch das erste viermotorige Turboprop-Flugzeug. Ihr Erstflug fand am 16. Juli 1948 statt. Das weltweit erste einmotorige Turboprop-Flugzeug war die Boulton Paul Balliol mit Armstrong Siddeley Mamba- Triebwerk , die am 24. März 1948 ihren Erstflug absolvierte. ^{[ 32 ]}

Die Sowjetunion baute auf den Vorarbeiten von Junkers Motorenwerken zur Entwicklung von Turboprop-Flugzeugen im Zweiten Weltkrieg auf, während auch BMW, Heinkel-Hirth und Daimler-Benz an Entwürfen arbeiteten. ^{[ 33 ]} Obwohl die Sowjetunion über die Technologie verfügte, die Flugzeugzelle für einen strahlgetriebenen strategischen Bomber vergleichbar mit Boeings B-52 Stratofortress zu entwickeln , produzierte sie stattdessen die Tupolew Tu-95 „ Bär“. Diese wurde von vier Kusnezow NK-12- Turboprop-Triebwerken angetrieben, die mit acht gegenläufigen Propellern (zwei pro Gondel) gekoppelt waren und Überschallgeschwindigkeiten erreichten. Dadurch erzielte sie maximale Reisegeschwindigkeiten von über 925 km/h – schneller als viele der ersten Strahlflugzeuge und vergleichbar mit deren Reisegeschwindigkeiten für die meisten Missionen. Die „Bär“ diente als erfolgreichstes Langstrecken-Kampf- und Aufklärungsflugzeug der Sowjetunion und als Symbol sowjetischer Machtprojektion bis zum Ende des 20. Jahrhunderts. Die USA verwendeten in den 1950er Jahren Turboprop-Triebwerke mit gegenläufigen Propellern, wie beispielsweise das Allison T40 , in einigen Experimentalflugzeugen. Das mit einem T40-Triebwerk ausgestattete Flugboot Convair R3Y Tradewind wurde kurze Zeit von der US Navy eingesetzt.

Das erste amerikanische Turboprop-Triebwerk war das General Electric XT31 , das erstmals im Experimentalflugzeug Consolidated Vultee XP-81 eingesetzt wurde . ^{[ 34 ]} Die XP-81 absolvierte ihren Erstflug im Dezember 1945 und war das erste Flugzeug, das eine Kombination aus Turboprop- und Turbojet -Antrieb nutzte. Die Technologie des früheren Allison-Triebwerks T38 wurde zum Allison T56 weiterentwickelt, das die Lockheed Electra , deren militärische Seeaufklärungsversion P-3 Orion und das militärische Transportflugzeug C-130 Hercules antrieb .

Der erste turbinengetriebene, wellengetriebene Hubschrauber war der Kaman K-225 , eine Weiterentwicklung des Synchropters K-125 von Charles Kaman , der am 11. Dezember 1951 mit einem Boeing T50- Turbowellenmotor ausgestattet wurde. ^{[ 35 ]}

Im Dezember 1963 erfolgte die erste Auslieferung des PT6 -Turboprop-Triebwerks von Pratt & Whitney Canada für die damalige Beechcraft 87, die bald darauf zur Beechcraft King Air werden sollte . ^{[ 36 ]}

1964 erfolgte die erste Auslieferung des Garrett AiResearch TPE331 (heute im Besitz von Honeywell Aerospace ) auf der Mitsubishi MU-2 , wodurch diese zum schnellsten Turboprop-Flugzeug des Jahres wurde. ^{[ 37 ]}

Im Gegensatz zu Turbofans arbeiten Turboprop-Triebwerke am effizientesten bei Fluggeschwindigkeiten unter 725 km/h (450 mph; 390 Knoten), da die Strahlgeschwindigkeit des Propellers (und des Abgases) relativ gering ist. Moderne Turboprop-Verkehrsflugzeuge erreichen nahezu die gleiche Geschwindigkeit wie kleine Regionalflugzeuge , verbrauchen aber nur zwei Drittel des Treibstoffs pro Passagier. ^{[ 38 ]}

Im Vergleich zu Kolbenmotoren können ihr besseres Leistungsgewicht (das kürzere Startstrecken ermöglicht) und ihre höhere Zuverlässigkeit die höheren Anschaffungs-, Wartungs- und Treibstoffkosten ausgleichen. Da Kerosin in abgelegenen Gebieten leichter zu beschaffen ist als Flugbenzin , werden turbopropgetriebene Flugzeuge wie die Cessna Caravan und die Quest Kodiak als Buschflugzeuge eingesetzt .

Turboprop-Triebwerke werden üblicherweise in kleinen Unterschallflugzeugen eingesetzt, doch die Tupolew Tu-114 erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 470 Knoten (870 km/h). Auch große Militärflugzeuge wie die Tupolew Tu-95 und zivile Flugzeuge wie die Lockheed L-188 Electra wurden mit Turboprop-Triebwerken angetrieben. Der Airbus A400M verfügt über vier Europrop TP400- Triebwerke, die nach dem 11 MW (15.000 PS) starken Kusnezow NK-12 die zweitstärksten jemals produzierten Turboprop-Triebwerke darstellen .

Im Jahr 2017 waren die am weitesten verbreiteten Turboprop- Flugzeuge die ATR 42/72 ( 950 Maschinen), die Bombardier Q400 (506), die De Havilland Canada Dash 8-100 /200 / 300 (374), die Beechcraft 1900 (328), die De Havilland Canada DHC-6 Twin Otter (270) und die Saab 340 (225). ^{[ 40 ]} Zu den weniger verbreiteten und älteren Flugzeugen zählten die BAe Jetstream 31 , die Embraer EMB 120 Brasilia , die Fairchild Swearingen Metroliner , die Dornier 328 , die Saab 2000 , die Xian MA60 , MA600 und MA700 sowie die Fokker 27 und 50 .

Zu den Turboprop- Geschäftsflugzeugen gehören die Piper Meridian , Socata TBM , Pilatus PC-12 , Piaggio P.180 Avanti , Beechcraft King Air und Super King Air . Im April 2017 befanden sich weltweit 14.311 Turboprop-Geschäftsflugzeuge in der Flotte. ^{[ 41 ]}

Zwischen 2012 und 2016 verzeichnete das ATSB 417 Vorfälle mit Turboprop-Flugzeugen, 83 pro Jahr, bei über 1,4 Millionen Flugstunden: 2,2 pro 10.000 Stunden. Drei Vorfälle wurden als „hochriskant“ eingestuft (Triebwerksausfall und ungeplante Landung bei einmotorigen Cessna 208 Caravans) , vier als „mittelriskant“ und 96 % als „niedrigriskant“. Zwei Vorfälle führten zu leichten Verletzungen durch Triebwerksausfall und Kollisionen mit dem Boden bei Agrarflugzeugen . Fünf Unfälle betrafen Arbeiten in der Luft: vier in der Landwirtschaft und einer mit einem Rettungshubschrauber . ^{[ 42 ]}

Jane's All the World's Aircraft . 2005–2006.

• Ansaugimpulswiderstand
• Strahltriebwerk
• Jetboot
• Krummsäbelpropeller
• Kompressor
• Kipprotor
• Turbolader
• Smith XP-99 Prop-Jet
• Motorjet

• Green, W. und Cross, R. Die Strahlflugzeuge der Welt (1955). London: MacDonald
• Gunston, Bill (2006). Die Entwicklung von Strahltriebwerken und Turbinentriebwerken, 4. Auflage . Sparkford, Somerset, England, UK: Patrick Stephens, Haynes Publishing. ISBN 0-7509-4477-3Die
• Gunston, Bill (2006). Welt-Enzyklopädie der Flugzeugtriebwerke, 5. Auflage . Phoenix Mill, Gloucestershire, England, UK: Sutton Publishing Limited. ISBN 0-7509-4479-XDie
• James, DN Gloster Aircraft since 1917 (1971). London: Putnam & Co. ISBN 0-370-00084-6

• Van Sickle, Neil D .; et al. (1999). „Turboprop-Motoren“ . Van Sickles moderne Luftfahrt . McGraw-Hill Professional. S. 205. ISBN 978-0-07-069633-4Die

• Jet Turbine Planes ( Archiviert am 6. Oktober 2012 in der Wayback Machine von LtCol Silsbee, USAAF), Popular Science, Dezember 1945, erster Artikel über Turboprop-Flugzeuge (gedruckt).
• Wikibooks: Strahlantrieb
• „Die Entwicklung des Turboprop-Triebwerks“ – ein Artikel aus der Zeitschrift Flight von 1950 über britische und amerikanische Turboprop-Triebwerke.