Ein Mantelstromtriebwerk , auch Nebenstromtriebwerk , Zweistrom strahltriebwerk , Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (ZTL) oder Fantriebwerk ? engl. Turbofan ? genannt, ist ein Strahltriebwerk, bei dem ein außerer Luftstrom den inneren ?Kernstrom“ ummantelt. Der eigentliche thermodynamische Kreisprozess (Luft verdichten, aufheizen (Treibstoff verbrennen), expandieren und Energie liefern) findet im Kernstrom statt. Der Mantelstrom liefert bei modernen Triebwerken je nach Nebenstromverhaltnis meist den Großteil der Schubkraft , oft uber 80 %. Das Kerntriebwerk wird daher mitunter vor allem als Antrieb fur Fan und somit Mantelstrom betrachtet. Deshalb wird es gelegentlich als ?Heißgas-Erzeuger“ fur die Fan-antreibende Turbine bezeichnet. Der Mantelstrom bewirkt eine Verringerung der Strahlgeschwindigkeit (ausgestoßener Luft-Abgas-Strahl) mit der Folge eines niedrigeren Treibstoffverbrauchs und geringerer Schallemission gegenuber einem Einstrom-Strahltriebwerk gleicher Schubkraft.

Nahezu alle strahlgetriebenen zivilen Flugzeuge werden heutzutage wegen der erhohten Wirtschaftlichkeit und der larmreduzierenden Wirkung des Mantelstromes mit Mantelstromtriebwerken ausgerustet. Bei Kampfflugzeugen ist der Nebenstromanteil zu Gunsten einer maximalen Endgeschwindigkeit jedoch gering bis sehr gering, da sich dieser Vorteil bei hohen Geschwindigkeiten (großer Mach 0,7?0,9) verliert. ^{[1] [2]}

Am Einlass des Mantelstromtriebwerks wird Luft eingesaugt. Das erste, große Schaufelblatt-Rad ( Fan , s. u.) beschleunigt im Außenbereich ( Nebenstrom ) diese Luft. Der Nebenstrom wird am restlichen Triebwerk vorbeigeleitet und hinten ausgestoßen ? seine beim Austritt erhohte Geschwindigkeit liefert einen Großteil der Schubkraft. Im Innenbereich ( Kernstrom ) des ersten großen Schaufelblatt-Rades wird die Luft eher verdichtet und dabei (relativ zum Triebwerk) leicht abgebremst. Der Kern-Luftstrom wird in das ?eigentliche Triebwerk“, eine Gasturbine , geleitet, wo der thermodynamische Kreisprozess die Antriebsenergie erzeugt. Hierzu folgt auf den Fan zunachst ein (Axial-) Verdichter , der den Kernstrom weiter komprimiert. Nach dem Verdichter folgt die Brennkammer . Hier wird Treibstoff in die verdichtete Luft eingespritzt und verbrannt, was die Energie fur den Antrieb liefert: Die Temperatur wird stark erhoht, die theoretischen Vergroßerungen von Volumen und Druck fuhren zu einer starken Beschleunigung des Kernstroms (so stark, dass der Druck uber die Brennkammer sogar leicht abnimmt; die Brennkammer wird zum Austritt hin nicht wesentlich großer, das Volumen direkt erhoht sich allenfalls unwesentlich). Der Kernstrom wird nach der Brennkammer durch die Turbine gefuhrt. Diese wandelt einen Teil der in der Brennkammer zugefuhrten Energie in mechanische Leistung um, damit werden Verdichter und Fan angetrieben (mittels einer nach vorne fuhrenden Welle ). Die verbleibende Energie (Druck, Stromungsgeschwindigkeit) im Kernstrom wird uber die am Triebwerksende befindliche Schubduse in Schubkraft umgesetzt. In heutigen zivilen Mantelstromtriebwerken ist der Schub aus dem Kerntriebwerk gering im Vergleich zum Schub aus dem Mantelstrom, den der Fan erzeugt.

Da aus Sicht des Fans das Kerntriebwerk vor allem dazu dient, fur seine Turbinenstufen heißes Hochdruck-(Ab-)Gas zu erzeugen, wird das Kerntriebwerk mitunter auch als ?(Heiß-)Gas-Erzeuger“ bezeichnet.

Der Fan wird auf Deutsch manchmal auch Geblase oder Blaser , selten Lufter (siehe auch: Mantelpropeller ) genannt. Meistens ist er vor dem Verdichter angeordnet, in seltenen Fallen, etwa bei dem General Electric CJ805-23 und dem General Electric CF700 , befindet sich der Fan hinter dem Kerntriebwerk . Diese Anordnung wird Aft-Fan genannt (Funktionsweise siehe unten). Der Fan eines normalen Mantelstromtriebwerks hat die Aufgabe, große Luftmassen anzusaugen und zu beschleunigen; liegt er vor dem Verdichter, kann der Bereich, der in das Kerntriebwerk fuhrt, bereits mehr auf Verdichten statt auf Beschleunigen ausgelegt sein.

Bei den meisten Triebwerken wird der Fan als Teil des (Niederdruck-) Verdichters betrachtet (dessen ?erste Stufe“), insbesondere, wenn er fur den ?eigentlichen“ Verdichter bereits eine nennenswerte Kompression bewirkt. Nach dem Fan teilt sich der Luftstrom auf in einen

• inneren Luftstrom (Kernstrom, Primarstrom), der in das Kerntriebwerk (eine Gasturbine ) gelangt (mit ?eigentlichem“ Verdichter, Brennkammer und Turbine), und einen
• außeren Luftstrom (Nebenstrom, Sekundarstrom), der außen am Kerntriebwerk vorbeigefuhrt wird.

Der Fan wirkt ahnlich einem ummantelten Propeller und erzeugt in modernen kommerziellen Triebwerken etwa 80 % des Vortriebs. Generell wird beim Mantelstromtriebwerk dem Primarstrom durch die Turbine mehr Energie entzogen als bei einem Einstrom-Strahltriebwerk gleich groß wie das Kerntriebwerk, da mit dieser Energie der Fan angetrieben werden muss.

Charakteristisch fur ein Mantelstromtriebwerk ist das Nebenstromverhaltnis . Es ist das Verhaltnis der Luftmenge des Nebenstroms zur Luftmenge, die durch die Gasturbine stromt. Moderne Mantelstromtriebwerke in Zivilflugzeugen haben ein Nebenstromverhaltnis (engl. bypass ratio ) von 4 (80 % Bypass, 20 % Kernstrom) bis 12 (92 % Nebenstrom, 8 % Kernstrom) beim PW1000G . Sekundar- und Primarstrom zusammen bewirken den Gesamtschub. Eine extreme Auslegung zeigt das Kusnezow NK-93 , bei dem eine Propellerturbine auf zwei gegenlaufige, gekapselte Propeller wirkt. Hier wird ein Bypassverhaltnis von 16,6 erreicht.

Der Verdichter wird oft auch Kompressor genannt.

Aufgrund des meist großen Fandurchmessers (beispielsweise 2,95 m beim Rolls-Royce Trent 900 ) kann der Fan nicht mehr uber eine einzige Welle mit dem Kompressor und der Turbine gekoppelt werden: Kompressor und Turbine arbeiten meist bei hohen Drehzahlen, bei denen die Schaufelspitzen des Fans eine zu hohe Geschwindigkeit erreichen wurden. Daher werden entweder ein Ubersetzungsgetriebe ( Getriebefan siehe unten) oder zwei bis drei Wellen benutzt, um Kerntriebwerk und Fan mit unterschiedlichen Drehzahlen betreiben zu konnen. Bei einem mehrwelligen Triebwerk ohne Getriebe besteht keine mechanische Kopplung zwischen den Wellen; jede Welle wird nur von ?ihren“ Turbinenstufen angetrieben.

Realisiert wird ein Mehrwellensystem durch eine koaxiale Wellenanordnung: Eine außere hohle Primarwelle (Hochdruck-Welle), durch welche die dunnere, aber langere Sekundar-(Niederdruck-)Welle innen hindurchlauft.

Neben einer unterschiedlichen Drehzahl ist auch eine entgegengesetzte Drehrichtung (der koaxialen Wellen oder des Getriebefans) moglich. Bei mehreren Wellen werden die unterschiedlichen Drehrichtungen durch gegensinnige Anstellwinkel der Beschaufelung der jeweils auf einer Welle angebrachten Kompressor- und Turbinenstufen erreicht, beim Getriebefan werden die unterschiedlichen Drehrichtungen durch das Getriebe erreicht.

In manchen Turbofantriebwerken arbeitet ein Drei-Wellen-System, beispielsweise in der Rolls-Royce-Trent -Serie. Dies ermoglicht eine weitere Unterteilung von Verdichter- und Turbinenstufen mit dem Vorteil, die jeweiligen Komponenten mit an ihren optimalen Arbeitspunkt besser angepassten Drehzahlen betreiben zu konnen; ferner verbessert sich das Beschleunigungsverhalten durch die geringeren Massen der einzelnen Wellensysteme.

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Siehe Diskussion:Mantelstromtriebwerk#Rotationsbeschleunigung und Diskussion:Mantelstromtriebwerk#Wirkungen, Vor- und Nachteile

Mit Zweistromtriebwerken kann bei Geschwindigkeiten zwischen 600 und 850 km/h ein hoher Luftdurchsatz bei geringerem Kraftstoffverbrauch erzielt werden, was die Kosten senkt. Die Luft des Sekundarstroms bildet eine Pufferschicht zwischen den heißen Abgasen und der Umgebungsluft, was die Larmemission des Abgasstrahls verringert. ^[3]

Heute werden fast ausschließlich Zweistromtriebwerke genutzt, da sie einen hoheren Wirkungsgrad und hohere Sicherheit bieten als Einstromtriebwerke. Je nach Verwendungszweck ist das Nebenstromverhaltnis unterschiedlich. Fur hohe Geschwindigkeiten bis in den Uberschallbereich , wie beispielsweise beim EJ200 fur den Eurofighter Typhoon , steht die Schubkraft im Vordergrund, weswegen das Nebenstromverhaltnis gering ist. Bei zivilen und militarischen Passagier- und Transportmaschinen stehen niedrige Verbrauchs-, Verschleiß- und Larmwerte im Vordergrund, weswegen hier das Nebenstromverhaltnis sehr hoch ist.

Als Getriebefan (engl. Geared Turbofan ) werden Turbofantriebwerke bezeichnet, die ein Untersetzungsgetriebe (etwa 3:1 bis 4:1) zwischen Niederdruckwelle und Fan(welle) aufweisen. Da hiermit die Drehzahl des Fans gesenkt und die von Niederdruckturbine/-verdichter erhoht werden kann, konnen beide Komponenten in ihrem jeweiligen optimalen Drehzahlbereich arbeiten. Verbrauchswerte und Gerauschpegel werden dadurch deutlich reduziert. Bisherige Getriebefan-Triebwerke sind Zwei- oder Dreiweller.

Die zusatzliche Masse des Getriebes wird durch eine geringere Masse der schnelllaufenden Niederdruckturbine wettgemacht, so dass ein Getriebefan nicht schwerer sein muss. Ein derartiges Triebwerk gibt es in der Schubklasse fur Geschaftsreiseflugzeuge seit 1972 mit dem Honeywell TFE731 . Ein weiteres Triebwerk mit Getriebe ist das Lycoming ALF 502 , ^[4] das seit 1981 die vierstrahlige BAe 146 antreibt.

Der erste Versuch, diese Technologie bei großeren Triebwerken einzusetzen, wurde 1986 von International Aero Engines (IAE) unter dem Namen SuperFan unternommen ? ein Triebwerk fur die A340, das aber aufgrund technischer Risiken nicht zu Ende entwickelt wurde. Pratt & Whitney , ein Partner von IAE, verfolgten das Konzept jedoch weiter und stellten 1992 und 2001 Demonstrationstriebwerke (der Advanced Ducted Prop bzw. Advanced Technology Fan Integrator ) mit 236 kN bzw. 56 kN Schub vor.

Da diese Technik wegen der damit einfacher zu erzielenden Erhohung des Nebenstromverhaltnisses eine Treibstoffverbrauchssenkung von deutlich uber 10 % gegenuber den jetzigen Triebwerken ermoglicht, entwickelten Pratt & Whitney und die MTU Aero Engines ein weiteres Demonstrationstriebwerk auf Basis des Pratt & Whitney PW6000 , das im Jahre 2008 von P&W an einer firmeneigenen Boeing 747SP und zusammen mit Airbus an einer A340-600 im Flug getestet wurde. Der Erfolg dieses Demonstrationstriebwerks fuhrte zur Entwicklung des Pratt & Whitney PW1000G , das unter dem Beinamen PurePower vermarktet wird. ^[5] Dieses ist fur die drei neu entwickelten Flugzeuge Airbus A220 (Erstflug 16. September 2013), Mitsubishi SpaceJet (Erstflug 11. November 2015) und Irkut MS-21 (Erstflug 28. Mai 2017) ausgewahlt worden. ^[6] Das Nebenstromverhaltnis betragt bei diesen Triebwerken 12:1, sowohl Rolls-Royce als auch Pratt & Whitney wollen mit Getriebefans ein Verhaltnis von 15:1 erreichen. ^[7]

Ein Aft-Fan-Triebwerk unterscheidet sich von normalen Mantelstromtriebwerken dadurch, dass der Fan nicht vor dem restlichen Triebwerk, sondern hinter diesem sitzt. Bisher wurde diese Konfiguration ? soweit bekannt ? nur von General Electric bei den Triebwerkstypen General Electric CJ805-23B und C sowie dem General Electric CF700 verwendet, um aus einwelligen Turbojet-Triebwerken Turbofans abzuleiten. Dabei schaltete GE hinter das jeweilige Triebwerk eine Freilaufturbine . Jedoch wird nur der innere Teil der Schaufeln als Turbine von den Abgasen des Triebwerks umstromt und in Drehung versetzt. Der außere Teil der Schaufeln dreht sich dagegen im Mantel als Fan und beschleunigt dort den Mantelstrom. ^[8]

Ist der Fan nicht ummantelt, so spricht man von einer ?Open-Rotor“-Bauweise. Sie stellt eine Zwischenform zwischen Turbofan- und Turboprop -Bauweise dar. Es werden sowohl ?Pusher“-Konfigurationen (ahnlich der Aft-Fan-Bauweise) als auch ?Puller“ untersucht, bei denen der offene Fan vor dem Kerntriebwerk positioniert ist.

• Unterhalb der Tragflachen montierte Turbofantriebwerke
• 
  Pratt & Whitney JT9D ( Boeing 747 )
• 
  Zwei General Electric TF-39 ( Lockheed C-5 )

Das erste funktionsfahige Zweistromtriebwerk war das Daimler-Benz DB 670 (auch 109-007), dessen erster Prufstandlauf am 1. April 1943 stattfand. Bei Escher-Wyss in der Schweiz war bis zum Abbruch der Entwicklung im Jahr 1947 ein Einwellen-Triebwerk mit Nebenstrom in Entwicklung, ^[9] wahrend bei Sulzer die Ingenieure schon 1946 ein Zweiwellen-Zweistromtriebwerk fur das Flugzeug N-20 vorgeschlagen hatten, das allerdings ebenfalls nicht ausgefuhrt wurde. ^[10]

Das Rolls-Royce Conway (Erstflug 1954 und ursprunglich fur die Handley Page Victor konstruiert) stand ebenso wie das Pratt & Whitney JT3D (eigentlich fur die Boeing B-52 H) im Jahr 1959 bereit. Beide waren Abwandlungen von Turbojettriebwerken und wiesen ein niedriges Nebenstromverhaltnis auf. Sie waren ursprunglich militarische Entwicklungen. Die zivile Zulassung des JT3D erfolgte einige Monate spater als beim Conway.

Das sowjetische Solowjow D-20 folgte 1960 und war von vornherein fur die zivile Luftfahrt ausgelegt. In der Tupolew Tu-124 erfolgte damit der erste Kurzstreckenverkehr mit Strahltriebwerken.

Die Entwicklung der heute genutzten Turbofantriebwerke mit hohem Nebenstromverhaltnis geht auf eine Ausschreibung der USAF fur ein Turbofantriebwerk fur den Militartransporter Lockheed C-5 Galaxy zuruck, da fur dieses uber 350 t schwere Langstrecken-Transportflugzeug Turbojet- oder Turbofantriebwerke mit niedrigem Nebenstromverhaltnis zu viel Treibstoff verbraucht hatten und zu schwach waren. Den Wettbewerb gewann General Electric mit dem General Electric TF39 . Das Pratt & Whitney JT9D basiert auf einem Konkurrenzentwurf fur diesen Wettbewerb und wurde in den ersten Versionen der Boeing 747 eingesetzt.

Westliche Hersteller von Zweistromstrahltriebwerken sind

• Rolls-Royce
• Pratt & Whitney
• General Electric
• Snecma/ Safran Aircraft Engines
• MTU Aero Engines

und Kooperationen derselben zu

• CFM International
• International Aero Engines
• Engine Alliance

In Russland stellt Awiadwigatel Bypassmotoren her.

• Beim Blade Off Test werden die Auswirkungen eines verlorenen Turbinenblattes bei hochster Drehzahl ermittelt.
• Die Abkurzung CROR steht fur englisch counter rotating open rotor , ein Turbo-Strahltriebwerk mit gegenlaufigem , offenem Fan.

• Andreas Linke-Diesinger: Systeme von Turbofan-Triebwerken. Funktionen der Triebwerkssysteme von Verkehrsflugzeugen. Springer Vieweg, Berlin/Heidelberg 2014, ISBN 978-3-662-44569-3 .

Commons : Mantelstromtriebwerke  ? Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Wie funktioniert ein Flugzeugtriebwerk? auf YouTube ? aus der Sendung mit der Maus
• How jet engines work (turbofan animation) auf YouTube ? Video zur Erklarung der Funktionsweise eines Turbofans (englisch, abgerufen am 30. Dezember 2014)
• State-of-the-Art Subsonic Engine SFC , (PDF, 82 kB), Diagramm der NASA uber spezifische Kraftstoffverbrauche (SFC) von verschiedenen Strahltriebwerkbauweisen im Unterschallbereich, englische Sprache

1. ↑ Klaus Hunecke: Jet Engines. S. 9, Fig. 1?7 , Motorbooks International, Osceola WI (USA) 1997, ISBN 0-7603-0459-9 .
2. ↑ Klaus Hunecke: Flugtriebwerke. Ihre Technik und Funktion. Motorbuchverlag, Stuttgart 1987/1998, ISBN 3-87943-407-7 .
3. ↑ Ulf Michel: Abschlussbericht zum Projekt "Leiser Flugverkehr". DLR Institut fur Antriebstechnik, Berlin, abgerufen am 25. September 2023 .  
4. ↑ HS.146 Progress Report (1974). (PDF) In: flightglobal.com. Flightglobal, April 1974, abgerufen am 28. Juli 2010 (englisch, Archivierter Scan einer Seite der gedruckten Ausgabe von 1974).  
5. ↑ FliegerRevue Oktober 2008, S. 32?33, Dreh mit Getriebe ? Triebwerke der Zukunft
6. ↑ Ghim-Lay Yeo: Sources: Airbus prepares to release A320neo details. In: flightglobal.com. Flightglobal, 14. Januar 2011, abgerufen am 11. Juni 2016 (englisch).
7. ↑ High gear , aerospaceamerica, Oktober 2018
8. ↑ Siehe Rontgenriss des General Electric CF 700. ( Memento des Originals vom 3. Marz 2016 im Internet Archive )   Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht gepruft. Bitte prufe Original- und Archivlink gemaß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. @1 @2 Vorlage:Webachiv/IABot/www.aircraftenginedesign.com In: aircraftenginedesign.com. Abgerufen am 11. Juni 2016.
9. ↑ Georges Bridel: Schweizerische Strahlflugzeuge und Strahltriebwerke. In: Schweizerische Bauzeitung. 95. Jahrgang, Heft 32, 11. August 1977, S. 542.
10. ↑ Georges Bridel: Schweizerische Strahlflugzeuge und Strahltriebwerke. In: Schweizerische Bauzeitung. 95. Jahrgang, Heft 10, 10. Marz 1977, S. 140.