Energieumwandlung Flugzeug?

Da finden mehrere Energieumwandlungen statt.

Grundlage ist immer die Energieumwandlung im Kolbenmotor oder der Turbine.

Das Flugbenzin 100LL (Oktanzahl 100, Low Lead= geringer Tetraethyl-Bleigehalt) bzw. Autosuper 95 bei Ulraleicht-Flugzeugen wird mit Luft gemischt, im Verhältnis von verdichtet und gezündet, wodurch die Kolben nach unten gedrückt werden und die Kurbelwelle den Propeller (meist direkt, Ultraleichtflugzeuge dagegen mit Untersetzungsgetriebe).

Der Wirkungsgrad ist mit etwa 20 %, deutlich schlechter als im PKW-Bereich, weil zumindest bei den direkt übersetzten Motoren-Methusalems der allgemeinen Luftfahrt die Verdichung niedrig (ca. 7:1) ist, und die direkte Magnetzündung keine Optimierung des Zündzeipunkts je nach Drehzahl oder Lastzustand ermöglicht, was im PKW unmerklich für den Fahrer ständig vom Motorsteuergerät durchgeführt wird.

Der Propeller ist der komplexeste Teil der Energieumwandlung, je nachdem ob es sich um einen Festpropeller oder constant-speed-Propeller handelt. Festpropeller sind im Wirkungsgrad deutlich schlechter, ebenso wirkt sich ein direkt (ohne Untrsetzungsgetriebe) angetriebener durch das höhere Drehzahlniveau negativ auf den Wirkungsgrad aus. Bei Startleistung kommen die Blattspitzen direkt angetriebener Propeller in den Bereich der Überschallgeschwindigeit, bei North American T-6 Trainern deutlich hörbar:

https://www.youtube.com/watch?v=LH9i7ySY_i8

Bei Turbinen ist der Wirkungsgrad stark von deren Größe abhängig, weil größere Turbinen ein höheres Verdichtungsverhältnis erreichen. Je höher das Verdichtungsverhältnis, desto höher grob gesagt der Wirkungsgrad.

Das General Electric GE9X, das biher größte jemals gebaute Jet-Triebwerk, erreicht beispielsweise ein Verdichtungsverhältnis von sagenhaften 60:1. Dm dürfte es der Verbrennungsmotor mit dem höchsten Verdichtungsverhälnis überhaupt sein, auch Großdieselmotoren liegen nur bei 25:1.

https://de.wikipedia.org/wiki/General_Electric_GE9X

Das kleine CFM International CFM56, jahrzehntelang der Standard-Antrieb von Airbus A320 und Boeing 737, erreicht beispielsweise nur ein Gesamtdruck-verhältnis zwischen 32,6 und 38,8:1.

https://de.wikipedia.org/wiki/CFM_International_CFM56

Beim Strahltriebwerk ist das Verdichtungsverhlnis jedoch nicht lastunabhängig annähernd konstant wie beim Dieselmotor, weil eine höhere Drehzahl der Verdichterstufen ein höheres Verdichtungsverältnis und damit einen günstigeren Wirkungsgrad bedingt. Flugzeugturbinen erreichen ihren günstigsten Wirkungsgrad daher anders als Kolbenmotoren bei hoher Last.

Die Energieumwandlung im Strahltriebwerk vollzieht sich größtenteils über den vordersten Bläser, der Kaltluft nach hinten beschleunigt, die nicht durch die Brennkammer und die Turbine strömt. Ein hohes Nebenstromverhältnis bedeutet große beschleunigte kalte Luftmassen. Beim GE9X ist das Nebenstromverhältnis 10:1, d. h. 10mal mehr kalte Luft wird am Kerntriebwerk vorbei geleitet gegenüber der Luftmenge die durch Brennkammer und Turbine strömt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Nebenstromverh%C3%A4ltnis

Propellerturbinen wie sie in Hubschraubern oder Regionlverkehrsflugzeugen verwendet werden bestehen aus einer Turbine und einem Reduktionsgetriebe, mit dem der Rotor oder der Propeller angetrieben wird.

Bei einem Regionalverkehrsflugzeug wie dem Airbus ATR 42/72 oder der Bombardier Q400 ersetzt der Propeller im Prinzip den Bläser, im Gegensatz zu diesem hat er aber den Vorteil dass er über einen Constant-Speed-Propeller mit regelbarer Blattstellung und sogar Bremsstellung verfügt.

Dadurch wird ein Landeanflug mit hoher Triebwerksdrehzahl ermöglicht. mit dementsprechend sofort zur Verfügung stehender Leistung bei einem Durchstartmanöver. Bläsertriebwerke, bei denen der Landeanflug stark gedrosselt durchgeführt werden muss, benötigen hier einige Sekunden länger bis wieder die volle Leistung anliegt.

https://de.wikipedia.org/wiki/ATR_72

https://de.wikipedia.org/wiki/De_Havilland_DHC-8

Der Propeller-Wirkungsrad beim Start ist u.A. aufgrund der stufenlosen Blattverstellung sehr gut, zudem strömt der Propellerluftstrom über das Klappensystem und erhöht so den Aufrieb, weswegen beispielsweise der Militärtransporter A400 M mit eigens für ihn entwickelten Propellerturbinen statt Bläsertriebwerken ausgerüstet ist.

https://de.wikipedia.org/wiki/Airbus_A400M

Bei höheren Geschwindikeiten sinkt allerdings der Wirkngsgrad von Propellern, sodass zur Zeit nicht mit einer Renaissance von interkontinentalen Passagier-flugzeugen mit Propellerturbinen zu rechnen ist.

Immerhin: der immer noch im Einsatz befindliche russische Interkontinental-Bomber, der 1952 erstmals flog, schafft ein Langstrecken-Reisetempo von 720–750Km/h, bei einer beeindruckend flachen Propellerblatt-Stellung (siehe Bild), und eine Maxialgeschwindigkeit von 925 Km/h, mit Propellerturbinen, die nach dem Krieg von gefangen genommenen deutschen Ingenieuren entwickelt wurden. Die Geräuschkulisse der gegenläufigen Propeller ist dabei Furcht erregend.

https://de.wikipedia.org/wiki/Tupolew_Tu-95#/media/Datei:Russian_Bear_'H'_Aircraft_MOD_45158140.jpg

https://www.youtube.com/watch?v=r9S3h37GW2g

Die Wahl von Propellerturbinen erfolgte damals aufgrund ihrer größeren Treibstoffökonomie gegenüber den damals verfügbaren Strahltriebwerken. Auch für den US-Bomber-Methusalem Boeing B-52, für den jetzt gerade eine Entscheidung zur Ummotorisierung mit modernen Bläsertriebwerken gefallen ist, waren im Anfangsstadium aus demselben Grund Propellerturbinen als Antrieb vorgesehen.

Ja - da wird die Energie der chemischen Verbrennung oder elektrische Energie in kinetische Energie umgewandelt...

Nur, wenn das Flugzeug in Betrieb ist.