Turbojet

Ein Turbojet ist eine Gasturbine, die Schub erzeugt, indem sie angesaugte Luft verdichtet, mit Brennstoff mischt, das Gemisch entzündet und das heiße Abgas mit hoher Geschwindigkeit ausstößt. Die Kernkomponenten sind linear angeordnet: Einlass, Verdichter, Brennkammer, Turbine und Düse. Im Gegensatz zu Turbofan-Triebwerken, die einen großen Teil der angesaugten Luft um den Kern herum führen, leitet ein Turbojet alle Luft durch Verdichtung und Verbrennung. Das macht ihn bei transsonischen und Überschallgeschwindigkeiten thermisch wirksam, aber laut und durstig beim Unterschallreiseflug.

Verdichter und Turbine sind mechanisch über eine einzelne Welle gekoppelt. Wenn heiße Abgase durch die Turbine expandieren, treiben sie den Rotor an, der seinerseits den Verdichter antreibt und frische Luft ansaugt und verdichtet. Dieser selbsterhaltende Kreisprozess beginnt beim Motorstart, wenn externe Kraft oder Luftströmung die Welle dreht, um Verdichtung und Verbrennung einzuleiten. Das Druckverhältnis über den Verdichter liegt in Militär-Turbojets typischerweise zwischen 4:1 und 8:1 und beeinflusst direkt Wirkungsgrad und Schubausgabe.

Warum Turbojets die frühe Strahlflugzeugtechnik dominierten

Turbojets trieben die ersten Kampfjets an, weil ihre einfache Bauweise hohe Wellendrehzahlen und hohe Abgastemperaturen ermöglichte, ohne die mechanischen Belastungen, die Turbofan-Stufen beschädigt hätten. Die Rolls-Royce Welland und General Electric J47, eingebaut in Flugzeugen der 1940er bis 1960er Jahre, waren reine Turbojets. Sie überzeugen ab Mach 0,8, weil die Staudruckwirkung der einströmenden Luft die Verdichterbelastung verringert und den Wirkungsgrad verbessert. Umgekehrt sind Turbojets beim Start und im Langsamflug unwirtschaftlich, weil der Verdichter fast die gesamte Arbeit der Luftverdichtung leisten muss und enormen Brennstoff verbraucht.

Wartungsprobleme bei Turbojets entstehen durch Verdichterschaufel-Erosion von Sandeinzug, Verschleiß im heißen Teil durch Thermowechselbeanspruchung und Lagerverschleiß. Die Turbineneintrittstemperatur, die bei Hochleistungsmotoren 1000 Grad Celsius überschreitet, begrenzt die Lebensdauer und erfordert strenge Inspektionsintervalle. Bleeds von der Verdichterstufe sind üblich, sie leiten Druckluft in Flugzeugsysteme wie Druckausgleich und Vereisungsschutz, was verfügbaren Schub verringert und in Leistungsrechnungen berücksichtigt werden muss.

Turbojets wurden im kommerziellen Betrieb großenteils durch Turbofans ersetzt, die den Kernstrahl in einen kleineren, heißeren Auslassstrahl und einen größeren, kühleren umgeleiteten Luftstrom aufteilen. Diese Anordnung verbessert Treibstoffverbrauch bei Unterschallgeschwindigkeiten erheblich. Militär- und Forschungsflugzeuge für Überschallflug nutzen weiterhin Turbojets oder Hybridkonzepte, weil der hohe thermodynamische Wirkungsgrad bei hohen Machzahlen und die Fähigkeit, Einlassschockbedingungen zu beherrschen, wertvoll bleiben, trotz Nachteilen bei Lärm und Treibstoffverbrauch.