Ein transsonisches Turbofan-Triebwerk ist eine Weiterentwicklung eines Turbojet-Triebwerks. Im Vergleich zum Turbojet-Triebwerk ist die Fläche des Kompressors der ersten Stufe deutlich größer. Er dient als Luftpropeller (Fan), um einen Teil der angesaugten Luft durch das Triebwerk zurückzudrücken. Das Triebwerk fliegt in der Regel mit transsonischer Geschwindigkeit, und das Turbofan-Triebwerk eignet sich am besten für Fluggeschwindigkeiten zwischen 400 und 1.000 Kilometern. Daher nutzen die meisten Flugzeugtriebwerke heute Turbofans als Antriebsquelle.

Vorteile: großer Schub, hohe Antriebseffizienz, geringe Geräuschentwicklung, geringer Kraftstoffverbrauch und große Reichweite des Flugzeugs.

Nachteile: Der Durchmesser des Lüfters ist groß und die Luvfläche groß, daher ist der Widerstand groß, die Struktur des Motors ist kompliziert und das Design schwierig.

Vergleich dreier Motoren

Es gibt im Wesentlichen drei verschiedene Arten von Strahltriebwerken: Turbojets, Turboprops und Turbofans. Bitte überprüfen Sie die Unterschiede unten:

Die Austrittsgeschwindigkeit eines Turboprop-Triebwerks ist zu niedrig, wodurch der Schub begrenzt ist und die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs erhöht wird. Daher muss der Wirkungsgrad des Strahltriebwerks verbessert werden. Der Triebwerkswirkungsgrad umfasst den thermischen Wirkungsgrad und den Antriebswirkungsgrad (Verhältnis der Austrittsgeschwindigkeit des Triebwerks zur Fluggeschwindigkeit). Der thermische Wirkungsgrad lässt sich durch Erhöhung der Gastemperatur vor der Turbine und der Ladedruckstufe (Drehzahl) des Hochdruckverdichters verbessern. Denn Gase mit hoher Temperatur und hoher Dichte enthalten mehr Energie. Bei gleicher Fluggeschwindigkeit bedeutet eine Erhöhung der Temperatur vor der Turbine jedoch eine Erhöhung der Drehzahl der Turbinenschaufeln und des Verdichters auf derselben Welle, wodurch sich naturgemäß die Austrittsgeschwindigkeit erhöht. Gase mit hoher Strömungsgeschwindigkeit verlieren beim Ausstoß viel kinetische Energie.

Die Austrittsgeschwindigkeit eines herkömmlichen Turbostrahltriebwerks übersteigt meist die Schallgeschwindigkeit, und das Flugzeug fliegt die meiste Zeit mit Unterschallgeschwindigkeit. Daher führt eine einseitige Erhöhung der thermischen Leistung, d. h. eine Erhöhung der Temperatur vor der Turbine, zu einem Rückgang des Antriebswirkungsgrads. Um den Triebwerkswirkungsgrad umfassend zu verbessern, muss der Widerspruch zwischen thermischem Wirkungsgrad und Antriebswirkungsgrad aufgelöst werden. Der Vorteil des transsonischen Turbofan-Triebwerks besteht darin, dass es die Temperatur vor der Turbine erhöht, ohne die Austrittsgeschwindigkeit zu erhöhen (durch Erhöhung des langsamen Abgasstroms und Verringerung der durchschnittlichen Austrittsgeschwindigkeit).

Der Aufbau eines Turbofan-Triebwerks besteht darin, dass hinter dem Turbostrahltriebwerk ein bis zwei Stufen Niederdruckturbinen (mit niedriger Drehzahl) angeordnet sind. Diese Turbinen treiben mehrere Lüfter an und verbrauchen einen Teil der kinetischen Energie der Abgase des Turbostrahltriebwerks (Kerntriebwerks), wodurch die Abgasgeschwindigkeit weiter reduziert wird. Ein Teil des vom Lüfter angesaugten Luftstroms wird wie bei einem herkömmlichen Strahltriebwerk zum Kompressor geleitet (innerer Kanal), der andere Teil wird direkt aus dem Gehäuse des Turbostrahltriebwerks abgeleitet (äußerer Kanal). Dadurch wird die Gasenergie des Turbofan-Triebwerks auf die beiden vom Lüfter und der Brennkammer erzeugten Abgasströme verteilt. Um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern und die Temperatur vor der Turbine zu erhöhen, kann die Gasenergie durch den von der Niederdruckturbine angetriebenen Lüfter durch eine entsprechende Turbinenstruktur und einen größeren Lüfterdurchmesser in den Außenkanal geleitet werden, wodurch ein starker Anstieg der Abgasgeschwindigkeit vermieden wird. Dadurch werden thermischer Wirkungsgrad und Antriebswirkungsgrad ausgeglichen, was die Effizienz des Triebwerks deutlich verbessert. Hoher Wirkungsgrad bedeutet geringen Kraftstoffverbrauch und größere Flugreichweite. Der große Fandurchmesser vergrößert jedoch die Luvfläche des Triebwerks, sodass ein Turbofan-Triebwerk mit einem Bypass-Verhältnis über 0,3 für Überschall-Reiseflüge ungeeignet ist. Obwohl das Turbofan-Triebwerk die Austrittsgeschwindigkeit reduziert, verringert es nicht den Schub, da der (externe) Abgasstrom durch die Reduzierung der Austrittsgeschwindigkeit erhöht wird. Aus Sicht des Bypass-Verhältnisses stellt das Turbofan-Triebwerk einen Kompromiss zwischen Turbojet- und Turboprop-Triebwerk dar.

Chinesisches WS-15-Motormodell

Ist Chinas WS-15-Turbofan-Triebwerk gut oder nicht?

Was die Entwicklung von Flugzeugtriebwerken angeht, so besteht die größte Kluft zwischen China und den USA im Forschungs- und Entwicklungsmodell.

Die Entwicklung chinesischer Flugzeugtriebwerke beginnt mit dem Flugzeug und dann mit dem Triebwerk. Die Entwicklung des Triebwerks beginnt in der Regel, nachdem das Flugzeugmodell feststeht. In den USA hingegen wird zuerst das Triebwerk und dann das Flugzeug entwickelt. Bei der Entwicklung des Flugzeugs steht bereits eine Auswahl an Triebwerken zur Verfügung.

Man kann sagen, dass das Entwicklungsmodell der Vereinigten Staaten mit den Entwicklungsregeln für Flugzeugtriebwerke im Einklang steht. Dies liegt daran, dass die technische Schwierigkeit der Entwicklung von Flugzeugtriebwerken viel höher ist als die von Flugzeugen und die Entwicklungszeit viel länger ist als die von Flugzeugen.

Die Folgen der beiden unterschiedlichen Forschungs- und Entwicklungsmodelle sind sehr unterschiedlich. China verliert oft seine Triebwerke, weil Flugzeugmodelle eingestellt werden, und stirbt schließlich aus. Im Gegensatz dazu ist das amerikanische Modell viel besser. Selbst wenn ein oder zwei Flugzeugmodelle aus dem Programm genommen werden, können sie nicht aufhören, in die Triebwerksforschung und -entwicklung zu investieren. Mit der Zeit werden sie ganz natürlich zu einem Triebwerksriesen.



Wie Sie alle wissen, ist das WS-15, auch bekannt als „Emei“, das Standardtriebwerk des chinesischen Tarnkappenjägers J-20. Der erste öffentliche Bericht in den offiziellen Medien stammt aus dem Jahr 2017 und gab bekannt, dass der chinesische J-20 mit einheimischen Triebwerken ausgestattet ist. Relevanten Informationen zufolge wird spekuliert, dass das Turbofan-15-Triebwerk sehr fortschrittlich und leistungsstark ist und zur Weltspitze gehört. Das derzeit leistungsstärkste Triebwerk der Welt ist das in den USA entwickelte F135-Flugzeugtriebwerk. Die maximale Schubkraft des Triebwerks beträgt 18 Tonnen. Die Schubkraft des WS15-Triebwerks beträgt ebenfalls 18 Tonnen. Das hier erwähnte „Emei“-Triebwerk der fünften Generation dürfte der vierten Generation angehören, d. h. es gehört zusammen mit den in den USA entwickelten Triebwerken F119 und F135 zur vierten Generation; die vorherigen amerikanischen Triebwerke F110, das russische AL-31 und das chinesische WS-10 gehören zur dritten Generation.

J-20-Kampfflugzeug

Tatsächlich blickt Chinas Luftfahrtindustrie auf eine 60-jährige Entwicklungsgeschichte zurück. In diesen 60 Jahren hat China große Durchbrüche erzielt. Die aerodynamische Auslegung von Kampfjets, elektronischen Systemen, Waffensystemen und Radarsystemen ist dem weltweiten Spitzenniveau recht ähnlich und sogar überlegen. Kürzlich hat China auch die Blockade des Westens im Bereich der Triebwerke durchbrochen und große Durchbrüche erzielt.

Dieser bahnbrechende Klassiker ist der Hochleistungsmotor WS10 und WS15. Der WS15-Motor stellt das höchste Niveau im chinesischen Motorenbereich dar, und die Ergänzung des WS15 zum Kampfflugzeug J-20 stellt eine sehr leistungsstarke Existenz dar und kann sogar mit dem amerikanischen F22 verglichen werden.

Russischer AL-31F-Motor

Das Schub-Gewichts-Verhältnis des WS15 beträgt 10. Das Schub-Gewichts-Verhältnis des amerikanischen F22 beträgt 11,7. In Bezug auf das Schub-Gewichts-Verhältnis liegen die USA nur 1,7 über uns. Was den Schub betrifft, kann der Schub des WS15-Triebwerks 16 Tonnen erreichen, während der Schub der USA nur 15,5 Tonnen beträgt. Damit ist das WS15-Triebwerk in dieser Hinsicht besser als das der USA oder sogar Russlands.

Motor der WS-10-Serie

Dies ist ein Meilenstein für die chinesische Luftfahrtindustrie. Flugzeuggeneratoren zeichnen sich durch hohe Forschungs- und Entwicklungskomplexität, lange Forschungs- und Entwicklungszyklen sowie große technische Reserven aus und sind daher die Lebensadern der modernen Industrie. Zudem gibt es weltweit relativ wenige Länder, die die Technologie für Flugzeuggeneratoren beherrschen. Die Länder, die derzeit Hochleistungstriebwerke entwickeln können, sind die USA, Russland, Frankreich und Großbritannien. China kann zwar auch selbst Hochleistungstriebwerke entwickeln, befindet sich jedoch erst in der Einstiegsphase und ist den USA und Russland derzeit weit voraus.

Technische Daten des WS-15-Motors
Maximaler Nachbrennerschub: 16186,5–18137,3 daN
Zwischenschub: 10522daN
Kraftstoffverbrauch des Nachbrenners: 1,98 kg/daN/h
Mittlerer Kraftstoffverbrauch: 0,67 kg/daN/h
Schub-Gewichts-Verhältnis: 9,7-10,87
Luftstrom: 138 kg/s
Bypass-Verhältnis: 0,25
Gesamt-Boost-Verhältnis: 30,5
Turbineneintrittstemperatur: 1850 K
Maximaler Durchmesser: 1,02 m

Auf Stirlingkit können Sie einen WS-15 Turbofan-Modellbausatz kaufen. Dieser WS15- Düsentriebwerksbausatz ist ideal für Ausbildungszwecke und Flugzeugbastler. Das Komplettpaket enthält mehr als 150 Komponenten, die einfach ohne Klebstoff eingesetzt und zusammengeschraubt werden können. Der Zusammenbau dauert 1 Stunde. Die Größe des zusammengebauten Produkts beträgt 33 x 11 x 14,5 cm. Das ausgehöhlte Gehäuse des Düsentriebwerks bietet einen Blick auf das Innere und die Funktionsweise des Triebwerks. Die umfassende Anleitung führt Sie Schritt für Schritt durch den Bauprozess und bietet eine gute Mischung aus Unterhaltung und Wissen. Sie verfügt über einen simulierten Außenkanal, präzise Verschachtelung, eine detaillierte Hülle und detaillierte Lüfterblätter. Es besteht aus Harz und wird mit Batterien betrieben. Mit diesem Bausatz können Sie in etwa zwei Stunden ein funktionsfähiges Metallmodell eines J-20-Kampfflugzeug-Turbofan-Triebwerks WS-15 bauen.

Wenn Sie den Vollmetallmotor diesem 3D-gedruckten Kunststoffmotor vorziehen, ist der DIY-Modellbausatz eines Vollmetall-Turbofan-Motors im Maßstab 1/10 von Teching eine gute Wahl für Sie.