Die Gechichte der Düsentriebwerke

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DIE GESCHICHTE DER DÜSENTRIEBWERKE

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Bevor wir auf die Entwicklung von Düsentriebwerksschaufeln eingehen können, müssen wir uns zunächst ansehen, wo und wie alles angefangen hat.

Für das Jahr 2021 wurde mit 22,2 Millionen weltweiten Flügen der Fluggesellschaften gerechnet. Dies ist ein starker Rückgang gegenüber den für 2020 prognostizierten 40,3 Millionen, aufgrund der COVID-19 Pandemie. Auf diesen Flügen wurden schätzungsweise 2,8 Milliarden Passagiere befördert. Wie viele dieser Passagiere machen sich jemals Gedanken über die Innovation und Technologie einer Düsenturbinenschaufel und die Funktionsweise eines Düsentriebwerks?

Das Düsentriebwerk ist das Triebwerk der heutigen Düsenflugzeuge. Es erzeugt nicht nur den Schub, der das Flugzeug antreibt, sondern auch die Energie, mit der viele andere Systeme des Flugzeugs betrieben werden. Düsentriebwerke funktionieren nach dem dritten Newtonschen Bewegungsgesetz, das besagt, dass jede Kraft, die auf einen Körper einwirkt, eine gleich große und entgegengesetzte Kraft erzeugt. Das Düsentriebwerk saugt einen Teil der Luft an, durch die sich das Flugzeug bewegt, komprimiert sie, verbindet sie mit dem Treibstoff, erhitzt ihn und stößt schließlich das entstandene Gas mit einer solchen Kraft aus, dass das Flugzeug vorwärtsgetrieben wird und Sie zu Ihrem Lieblingsurlaubsziel oder Ihrer geplanten Geschäftsreise bringt.

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GEHEN WIR ZURÜCK IN DIE GESCHICHTE DER DÜSENTRIEBWERKE, WO ALLES BEGANN UND SCHAUEN WIR UNS AN, WIE SICH DIE TURBINENSCHAUFELN ENTWICKELTEN.  

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DIE GESCHICHTE DER TURBINENSCHAUFELN

Man kann bis zu den ägyptischen Äolipilen zurückgehen, die 150 v. Chr. von Hero von Alexander entwickelt wurden. Die chinesische Raketentechnologie der 1230er Jahre, Leonardo Da Vincis "Schornsteinfeger"-Röstspieß, die Impulsturbine des italienischen Ingenieurs Giovanni Branca für ein Stampfwerk. Nicht zu vergessen das Bernoulli-Prinzip, das sich auch direkt von Newtons zweitem Bewegungsgesetz ableiten lässt, und obwohl all dies Auswirkungen hatte, wurde es erst im Ersten Weltkrieg auf die nächste Stufe gehoben, und inmitten all der Verwüstungen und Störungen beschleunigte es den Aufstieg der Luftfahrt und die Entwicklung von Düsenturbinen, die in direktem Zusammenhang mit der Entwicklung der Turbinenschaufeln steht.

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DURCHBRÜCHE UND GESCHICHTSSCHREIBER DES DÜSENTRIEBWERKS

Der Schweizer Ingenieur Alfred Buchi ließ den Turbolader 1910 patentieren, aber das Gerät versagte bei Flugversuchen in Frankreich. General Electric (GE) konzentrierte sich zu dieser Zeit hauptsächlich auf den Bau von Turbinen und anderen Ausrüstungen für Kraftwerke, aber im November 1917 wollte die US-Regierung ihre eigene Version eines Turboladers entwickeln und bat das Unternehmen um Hilfe bei der Entwicklung des Geräts für das amerikanische Militär.

Die Aufgabe, das geheime Projekt zu leiten, fiel einem GE-Gasturbineningenieur namens Sanford Moss zu.

Moss baute einen Turbolader, der die heißen Abgase des Flugzeugtriebwerks nutzte, um eine von ihm entworfene Radialturbine in Drehung zu versetzen und die in das Triebwerk eintretende Luft zu verdichten.  

Der Durchbruch gelang 1930, als der Leutnant der Royal Air Force, Sir. Frank Whittle ein Patent für eine Gasturbine mit Strahlantrieb einreichte. Sein Triebwerk mit einem einstufigen Zentrifugalkompressor, der mit einer einstufigen Turbine gekoppelt war, wurde im April 1937 erfolgreich auf dem Prüfstand getestet und bildete die Grundlage für das moderne Strahltriebwerk.

In der Zwischenzeit formulierte Hans von Ohain in Deutschland, während er an der Universität Göttingen promovierte, 1933 seine Theorie des Strahlantriebs. Von Ohain und Dr. Max Hahn patentierten 1936 ein Strahltriebwerk, und am 27. August 1939 wurde in Rostock mit dem ersten reinen Düsenflug Geschichte geschrieben

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IN DEUTSCHLAND WURDE MIT DEM ERSTEN KOMPLETT DÜSENGETRIEBENEN FLUG GESCHICHTE GESCHRIEBEN

Im Jahr 1939 erteilte das Luftfahrtministerium der Power Jets Ltd. (ein Unternehmen, an dem Whittle beteiligt war) einen Auftrag zur Entwicklung eines Flugmotors. Am 15. Mai 1941 absolvierte der Whittle-Motor W1 seinen Erstflug in der Gloster Model E28/39. Dieses Flugzeug erreichte im Horizontalflug mit 1.000 Pfund Schub eine Geschwindigkeit von 595 km/h (370 mph). Nach dem Erfolg des Whittle-Motors schickten die Briten umgehend einen Prototyp an ihre Verbündeten in den Vereinigten Staaten, wo General Electric sofort mit der Produktion von Kopien begann. Während dieser Zeit entwickelte eine Gruppe von GE-Ingenieuren, die so genannten Hush-Hush Boys, neue Teile für das Triebwerk, überarbeitete es, testete es und lieferte einen streng geheimen, funktionierenden Prototyp namens I-A mit einer Schubkraft von 1.300 Pfund!

DAS JET-ZEITALTER IN DEN USA UND EUROPA WAR IN VOLLEM GANGE

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Wie viele technologische Innovationen brauchte auch das Düsentriebwerk eine gewisse Zeit, um sich vom Konzept über die Konstruktion bis hin zur Ausführung zu entwickeln, aber zwei Weltkriege haben die Luftfahrttechnik in den Schatten gestellt. Gegen Ende des Zweiten Weltkriegs wurden moderne Turbinentriebwerke eingeführt, darunter die Schaufelkühlung, die Eisverhinderung und die Abgasdüse mit variablem Querschnitt.

1930 wurden die Prototypen von Sir Frank Whittle ganz aus Stahl gefertigt. Stahl eignet sich hervorragend für Festigkeit und Oberflächenhärte, aber wenn man Hochtemperaturleistungen benötigt, sollte man sich anderweitig umsehen, denn die Höchsttemperatur von Stahl liegt bei 450-500 °C.

Ein wichtiger limitierender Faktor bei den frühen Düsentriebwerken war die Leistungsfähigkeit der für den heißen Teil (Brennkammer und Turbine) des Triebwerks verfügbaren Materialien. Der Bedarf an besseren Werkstoffen gab den Anstoß zu umfangreichen Forschungen auf dem Gebiet der Legierungen und Fertigungstechniken, und diese Forschungen führten zu einer langen Liste neuer Werkstoffe und Verfahren, die moderne Gasturbinen möglich machen.

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Neben der Verbesserung von Werkstoffen und Legierungen war ein Durchbruch die Entwicklung von Verfahren zur gerichteten Erstarrung (DS) und zur Herstellung von Einkristallen (SC) sowie die Entwicklung von Wärmedämmschichten. Das Streben nach Hochleistungswerkstoffen, innovativem Design und verbesserten Produktionsmethoden bei der Entwicklung von Schaufeln wird in der nächsten Woche im Blog Jet Turbine Blades Part 2 eingehend besprochen. Die Entwicklung im Laufe der Jahre und die kontinuierliche Verbesserung ist ohne Messungen nicht möglich.

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FERTIGUNG UND MESSTECHNIK

Der Bau und Zusammenbau der Komponenten eines Düsentriebwerks dauert etwa zwei Jahre, nach einer Entwicklungs- und Testphase, die für jedes Modell bis zu fünf Jahre dauern kann. Während des gesamten Bauprozesses eines Triebwerks werden die Komponenten und Baugruppen auf Maßhaltigkeit, verantwortungsvolle Verarbeitung und Materialintegrität geprüft.  

Seit 1968 ist WENZEL mit seinen Innovationen in der Messtechnik bestrebt, bessere Messlösungen für die Fertigungsindustrie anzubieten. Für Turbinenschaufeln verschiedener Größen werden modernste Messsysteme angeboten. Die komplexen Kurven der Turbinenschaufeln haben kritische Abmessungen, die an zahlreichen Stellen der gemessen werden müssen, was durch die Reichweite herkömmlicher taktiler Systeme begrenzt ist. Typische Messungen umfassen Schaufelquerschnitte an mehreren Stellen, und auch das ist eine ganz besondere Herausforderung. Dies betrifft vor allem die Messung von Radien an der Vorderkante, der Hinterkante, der Wurzelform und der Position und Größe der Kühlöffnungen. (Erfahren Sie mehr über die Funktionalitäten von Turbinen und Schaufeln im Blogbeitrag der nächsten Woche).

Begrenzt durch den Durchmesser des Taststiftes können Formabweichungen und Defekte an kleinen Merkmalen nicht erkannt werden. Ein taktiler Messtaster hat die Wirkung eines mechanischen Filters auf die Messung und kann die Ergebnisse besser oder schlechter erscheinen lassen, als sie tatsächlich sind.

Als Alternative können optische Messsysteme eingesetzt werden. Reflektierende Oberflächen müssen in vielen Fällen vorbereitet und mit einem speziellen Pulver beschichtet werden. Dieses Verfahren fügt dem Teil zusätzliches Material zu und führt bei der Bewertung kleiner Merkmale zu falschen Ergebnissen. Außerdem ist nicht jedes Verfahren in der Lage, kleine Radien zu erfassen oder gar schwer zugängliche Merkmale zu messen.

WENZEL hat mit dem CORE ein optisches Messsystem entwickelt, das all diese Anforderungen erfüllt. Durch den innovativen Sensor ist keine Präparation von spiegelnden und polierten Oberflächen notwendig. Die Messpunkte werden mit einem kleinen Lichtfleck mit einem Durchmesser von 35 μm erfasst. Mit diesem Messsystem können auch kleine Radien mit einer hohen Punktzahl detailliert vermessen und Formabweichungen und Defekte analysiert werden.

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WIR SIND WEIT GEKOMMEN!  

Die Reise der Strahlturbinenschaufeln begann mit der Entschlossenheit, schneller zu werden, und in den nächsten zwei Wochen werden wir uns mit den technischen Aspekten und der Konstruktion von Strahlturbinenschaufeln befassen. Sehen Sie nur, wie weit wir in den letzten sechs Jahrzehnten gekommen sind. Vom ersten Düsenflugzeug im Jahr 1939 mit einem Schub von 1100 Pfund über den Schub eines typischen Jetliner-Triebwerks mit 5.000 lbf (22.000 N) (de Havilland Ghost Turbojet) in den 1950er Jahren bis hin zu 115.000 lbf (510.000 N) (General Electric GE90 Turbofan) in den 1990er Jahren, ganz zu schweigen von einer wesentlich höheren Zuverlässigkeit in Bezug auf Abschaltungen pro 100.000 Triebwerksflugstunden.

In Verbindung mit dem stark gesunkenen Treibstoffverbrauch ermöglichte dies um die Jahrhundertwende routinemäßige Transatlantikflüge mit zweimotorigen Verkehrsflugzeugen (ETOPS), für die zuvor mehrere Tankstopps erforderlich gewesen wären.  

Heute geht die Entwicklung der Gasturbinentechnologie mit neuen Triebwerken weiter, die eine noch höhere Treibstoffeffizienz und einen wesentlich geringeren Lärmpegel bieten. Zwei der größten jemals gebauten Gasturbinentriebwerke wurden im Airbus A380 in Betrieb genommen - das Rolls-Royce Trent 900 und das GP 7200 der Engine Alliance (eine Partnerschaft von GE und Pratt & Whitney). Diese massiven Triebwerke erzeugen eine Schubkraft von jeweils 70.000 Pfund.  

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IN ZUKUNFT WIRD ES INTERESSANT SEIN ZU SEHEN, WAS DIE NÄCHSTE PHASE DER ENTWICKLUNG VON GASTURBINENMOTOREN SEIN WIRD.

Folgen Sie uns auf unserer Plattform und nehmen Sie an unserer Serie All About Blades teil, eine Reise, die Sie nicht verpassen sollten! Unser Team und externe Experten werden mehr über Düsenturbinenschaufeln, die Geometrien und Herausforderungen in der Produktionsowie die Qualitätssicherung erzählen. Wir freuen uns darauf, mit Ihnen #allaboutblades zu teilen!

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