Turboprop

Turboprop-Triebwerk einer NAMC YS-11 (Kurzstreckenflugzeug)

Turboprop (Kofferwort aus Turbojet und Propeller) ist eine landläufige Bezeichnung für Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (abgekürzt PTL), oft auch vereinfacht als Propellerturbine bezeichnet. Ein Turboprop ist eine Wärmekraftmaschine mit kontinuierlicher innerer Verbrennung (thermische Strömungsmaschine) und wird hauptsächlich als Luftfahrtantrieb verwendet. Umgangssprachlich wird häufig auch ein durch PTL angetriebenes gesamtes Flugzeug als „Turboprop“ bezeichnet (ebenso wie „Jet“ für ein Strahlflugzeug).

Anwendung und Einsatz

Diese Art des Triebwerks zeichnet sich durch einen relativ niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch aus, weswegen es vornehmlich bei Transport- und Kurzstreckenflugzeugen eingesetzt wird, die im oberen Luftraum bis 7.600 m (25.000 ft) verkehren. Regionalverkehrsflugzeuge mit geraden, ungepfeilten Tragflächen und einer Reisegeschwindigkeit von 500 bis 700 km/h sind heutzutage der Haupteinsatzbereich für Turbopropantriebe in der Zivilluftfahrt. Flugzeuge mit diesem Triebwerk sind auf Fluggeschwindigkeiten bis um 80 Prozent der Schallgeschwindigkeit (0,8 Mach) beschränkt, was in 8.000 m Höhe bei Normalbedingungen etwa 870 km/h entspricht. In diesem Geschwindigkeitsbereich arbeiten Turboprops wirtschaftlicher als reine Turbinentriebwerke. Obwohl moderne Hochleistungsturboprops auch Flughöhen über 10.000 m (30.000 ft) erreichen können, sind sie aus Zertifizierungsgründen (bis 7.600 m sind keine Passagier-Sauerstoffanlagen vorgeschrieben) meist auf maximal 8 km Flughöhe beschränkt. Des Weiteren nimmt der Luftdruck in höheren Luftschichten immer mehr ab, wodurch die Effizienz von Turboprop-Triebwerken abnimmt und deshalb vermehrt Flugzeuge mit Turbofan-Strahltriebwerken zum Einsatz kommen.

Ein weiterer ziviler Einsatzbereich sind kleinere Geschäftsreiseflugzeuge (Beispiel: Beechcraft King Air) und Agrarflugzeuge. Militärisch werden Turboprops in taktischen Transportflugzeugen wie der C-130 Hercules oder in Schul- und Trainingsflugzeugen wie zum Beispiel der Pilatus PC-21 verwendet.

Aufbau und Funktionsweise

Funktionsschema eines Turboproptriebwerkes
A Propeller
B Getriebe
C Kompressor
D Brennkammer
E Turbine
F Ausstoßdüse

Der Turboprop ist eine Gasturbine, die einen Propeller antreibt (in der Regel über ein die Drehzahl verminderndes Getriebe). Der Schub des Triebwerks wird dabei nahezu ausschließlich vom Propeller erzeugt - das den Auslass-Diffusor verlassende Arbeitsgas trägt mit lediglich max. 10 % zum Gesamtschub bei, womit sich das Vortriebsprinzip deutlich von Strahltriebwerken unterscheidet. Zur Schuberzeugung wird vom Propeller (auch im Vergleich zur Menge des das Triebwerk selbst durchströmenden Arbeitsgases) eine sehr große Luftmenge bewegt, diese dabei jedoch nur schwach beschleunigt. Bei reinen Strahltriebwerken werden dagegen wesentlich kleinere Mengen des Antriebsmediums stark beschleunigt.

Je nach Fluggeschwindigkeit, Flughöhe und Last wird der Anstellwinkel der Propellerblätter so eingestellt, dass sowohl die Turbine als auch die Luftschraube möglichst im optimalen Betriebsbereich arbeiten (Constant Speed Prop, Verstellpropeller).

Die Energie für den Antrieb der Luftschraube liefert die Gasturbine. Sie saugt Luft ein, die in einem axialen oder radialen, meist mehrstufigen Turbokompressor verdichtet wird. Anschließend gelangt sie in die Brennkammer, wo der Treibstoff mit ihr verbrennt. Das nun heiße energiereiche Verbrennungsgas strömt durch die meist axial und mehrstufig aufgebaute Turbine, wobei es sich ausdehnt und abkühlt. Die auf die Turbine übertragene Energie treibt über eine Welle den Kompressor und über ein Getriebe (Luftschraubengetriebe) die Luftschraube an. Die Abgase werden nach hinten ausgestoßen.

Gegenüber einem herkömmlichen Antrieb über Kolbenmotoren haben Propellerturbinen den Vorteil eines geringeren Gewichtes bei gleicher Leistung (etwa 0,23 bis 0,27 kg/kW) und eine kleinere Stirnfläche mit geringerem Luftwiderstand. Während jedoch Kolbentriebwerke direkt bei einer höheren Kraftstoffeinspritzung beschleunigen, reagiert das Turboprop-Triebwerk träge. Bei einem Vollgasbefehl beschleunigt es mit ein paar Sekunden Verzögerung, da erst die Kompressordrehzahl erhöht und der Arbeitsgasdurchsatz der erhöhten Leistungsanforderung angepasst werden müssen, bevor schließlich die höhere Leistung an der Luftschraube wirksam wird.

Als Treibstoff für Turbopropmotoren wird in der Luftfahrt üblicherweise Kerosin verwendet.

Freilaufturbine

Freilaufturbine (grün) auf eigener Welle, die Turbine (rot) des Gasgenerators treibt den Verdichter (blau) und die Hilfsaggregate an (Flugrichtung ist nach rechts).

Manche Turboprops besitzen eine Freilaufturbine. Hier sind die Turbinenstufen, die den Verdichter und die Hilfsaggregate antreiben, und die eigentliche Nutzturbine nicht auf einer gemeinsamen Welle miteinander gekoppelt. Der aus dem Verdichter und einer eigenen Turbine(-stufe) bestehende Gasgenerator erzeugt einen Gasstrom, der auf eine mechanisch getrennte Turbinenstufe wirkt, die den Propeller antreibt. Bei diesen Triebwerken können daher die Drehzahlen von Gaserzeuger und Nutzleistungsstufe, je nach Betriebszustand, erheblich voneinander abweichen. Die Nutzturbinen sind bei kleineren Ausführungen ein- oder zweistufig, bei den Verdichtern können Radial- und Axialverdichter kombiniert sein. Diese Bauart wird häufig bei Hubschraubern verwendet, da sie ein Starten des Triebwerks bzw. des Gasgenerators gestattet, während der Rotor über eine Rotorbremse festgehalten wird (z. B. CH-53G). Dies erübrigt den Einsatz von lösbaren mechanischen Kupplungen zwischen Turbine und Last, da durch die nur gasdynamisch, aber nicht mechanisch verbundenen Turbinenstufen das Rotorsystem nicht vom Starter mitgedreht werden muss. Dies gilt auch für den Anlassvorgang von Freilauf-Propellerturbinen, da Nutzturbine, Luftschraubengetriebe und Luftschraube keinen unmittelbaren Kraftschluss mit dem Anlassmotor haben, der die Gasgeneratorwelle so leichter auf Anlassdrehzahl bringen kann.

Das Konzept kommt auch bei Flächenflugzeugen zum Einsatz, wie etwa bei der Pilatus PC-7, die von einer Propellerturbine Pratt & Whitney Canada PT6 angetrieben wird. Antriebe mit Freilaufturbine werden bei einigen Mustern vom Gasstrom entgegen der eigentlichen Flugrichtung durchströmt (Lufteintritt in den Kompressor von hinten), meist mit markanten Abgasrohren im vorderen Teil der Triebwerksverkleidung. Von Vorteil ist dabei, dass der Gasgeneratorläufer (Verdichter und Turbine) nicht mit einer hohlen Koaxialwelle ausgeführt werden muss, sondern nur je einfache kurze Wellen benötigt werden, um die von den jeweiligen Turbinenstufen erzeugten Antriebskräfte nach hinten auf den Verdichter und nach vorne auf das Luftschraubengetriebe zu übertragen, was den Aufbau solcher Triebwerke wesentlich vereinfacht.

Propfantriebwerke

Modell der von General Electric in den 1980ern geplanten Unducted Fan Engine (UDF) mit hinten liegenden Propellern

Propfantriebwerke einer Antonow An-70 mit koaxialen, gegenläufig rotierenden Propellerfans

Bei modernen Triebwerken werden zunehmend Luftschrauben mit fünf oder oft noch mehr überlappenden Schaufelblättern verwendet, die meist sichelförmig und breit sind, ein sehr dünnes Profil aufweisen und teilweise sogar als gegenläufiges Paar auf zwei koaxialen Wellen einer Turbine arbeiten. Dadurch kann der gleiche Luftdurchsatz mit geringerer Schaufellänge und/oder niedrigerer Drehzahl erreicht werden. Durch die niedrigere Geschwindigkeit an den Blattspitzen erreicht man einen niedrigeren Geräuschpegel. Außerdem kann man nur so die Stromgeschwindigkeiten an den Blattspitzen unter dem Bereich der Schallgeschwindigkeit halten und die damit verbundenen enormen Reibungskräfte verringern. Solche Triebwerke werden häufig als Prop-Fan-Triebwerke bezeichnet. Die Namensgebung lehnt sich an die Turbofantriebwerke an, die einen vor den Turbinenkern gesetzten Fan (Bläserstufe) besitzen, um ein Mehrfaches der durch die Turbine strömenden Luftmasse um diese herum zu leiten. Während das Nebenstromverhältnis bei modernen Turbofantriebwerken bei etwa 9:1 liegt, beträgt es bei Propfantriebwerken etwa 20:1 und bei konventionellen Turboproptriebwerken etwa 100:1. Der Anteil des Turbinenschubs am Gesamtvortrieb ist bei Propfans damit höher als bei konventionellen Turboprops.

Intensive Forschungsanstrengungen wurden in den 1980er-Jahren unternommen, um sowohl Anzahl als auch Form und Anordnung der Schaufelblätter zu optimieren. Äußerlich unterscheiden sich Propfantriebwerke meist nur durch die Konstruktionsauslegung der Propeller von konventionellen Turboprops. Einen eher ungewohnten optischen Eindruck hinterlassen jedoch die Propfantriebwerke, bei denen die Schaufelblätter hinter der Turbine angeordnet sind.

Geschichte und beispielhafte Exemplare

Das Jendrassik CS-1 ausgestellt im Technik und Transport Museum, Budapest

• 1937 von György Jendrassik konzipiert und 1940 erfolgreich in Betrieb genommen, war die Jendrassik CS-1 das weltweit erste funktionierende Turboprop-Triebwerk. Das Triebwerk sollte in einem ungarischen Aufklärer eingesetzt werden, erreichte aufgrund von Stabilitätsproblemen aber nur 400 PS anstatt der ursprünglich projektierten 1000 PS. Das Projekt wurde vom Budapester Unternehmen Ganz & Co eingestellt, als das ungarische Militär sich für Lizenzprodukte der Messerschmitt AG entschied.
• Das erste deutsche Turboprop-Triebwerk (BMW 109-028) wurde im Februar 1941 geplant
• Der weltweit erste Flug mit einer Turboprop-Maschine wurde am 20. September 1945 durchgeführt: Eine Gloster Meteor war mit modifizierten Rolls-Royce Derwent-II-Triebwerken versehen, die über ein Getriebe fünfblättrige Propeller antrieben.
• Das erste serienmäßig produzierte Turboprop-Verkehrsflugzeug war die Vickers Viscount (Erstflug 1948).
• Das größte Flugzeug mit diesem Triebwerkstyp ist die Antonow An-22, deren von deutschen Junkers-Fachleuten unter Ferdinand Brandner entwickelten Kusnezow-NK-12MA-Triebwerke mit einer Leistung von je 11.188 kW (15.211 PS) die leistungsfähigsten je gebauten Turboproptriebwerke sind.
• Das schnellste und größte im Liniendienst eingesetzte Turboprop-Passagierflugzeug war die Tupolew Tu-114. Das Flugzeug war ebenfalls mit Kusnezow-NK-12-Triebwerken ausgestattet. (Reisegeschwindigkeit 770 km/h)
• Die schnellste Turboprop-Maschine ist der sowjetische Bomber Tupolew Tu-95, der – auch mit einer Variante des Kusnezow-NK-12-Triebwerks ausgestattet – maximal etwa 900 km/h erreicht.
• Die kleinsten Serien-Turboprop-Maschinen werden mit entsprechender „High-Performance-Einweisung“ auch von Inhabern einer Privatpilotenlizenz (PPL) geflogen und sind häufig Piper PA-46 Malibu Meridian oder Umrüstungen der Cessna 205/206/207.
• Das militärische Transportflugzeug Airbus A400M wird von vier Turboprops des Typs TP400-D6 angetrieben, die mit je 8200 kW zu den drei größten ihrer Art gehören und sichelförmige Propeller verwenden. 2011 erhielten sie als erste militärische Triebwerke eine direkte zivile Zulassung der EASA.