Der Inbegriff von Coolness

May 26, 2023

Flugzeug

[Bildnachweis: Leonardo Correa Luna]

Turbolader sind der Inbegriff von Coolness. Anfang der 1960er Jahre hatte Oldsmobile das erste serienmäßige Turboauto, den F-85 Cutlass mit einem Garrett AiResearch-Turbo, der als Turbo-Rocket-Motor bezeichnet und als Jetfire vermarktet wurde.

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Der Porsche 930 Turbo von 1979, einer der ersten Serienstraßenwagen, der mit Turboaufladung experimentierte, war eine Ikone dieser Ära. Tatsächlich hatten viele meiner Freunde Poster davon. 1986 fuhr ich in meinem 20 Jahre alten Ford Fairlane (Saugmotor) durch die Straßen und dröhnte auf einem Kassettenrekorder im Armaturenbrett „Turbo Lover“ von Judas Priest.

Ehrlich gesagt sollte ich diesen Artikel hier beenden, denn was auch immer ich als nächstes schreibe, kann nicht damit verglichen werden, über den Big Star-Parkplatz zu rollen und bei Judas Priest aufzutauchen.

Die Komponenten eines Flugzeugturboladersystems sind Turbolader, Drosselklappengehäuse, Ansaugkrümmer, Abgaskrümmer, Lufteinlass, Wastegate und Auspuff. Die Turboladerbaugruppe besteht aus drei Hauptkomponenten: der Turbine, die Abgase aus dem Abgas aufnimmt, dem Kompressor, der Ansaugluft aufnimmt, sie komprimiert und in den Zylinder treibt – und einer Welle, die beide verbindet.

Die Turbine ist die treibende Kraft hinter dem Turboladersystem. Abgase aus dem Krümmer versetzen ihn in Drehung; Dies ist der Rest, der das Wastegate umgeht.

Die Verbindung zwischen Turbine und Verdichter erfolgt über die Turbinenwelle. Dieser solide Metallverbinder sorgt dafür, dass sich der Kompressor dreht, während die Turbine hochdreht. Turboladerwellen erfordern eine ordnungsgemäße Schmierung und fallen oft aus, wenn es ihnen an Öl mangelt.

Der Kompressor liefert Druckluft an die Einlassseite des Zylinderkopfes. Der Kompressor wird von der Turbine über die Welle angetrieben und dreht sich gleichzeitig, um die durch die Abgase begonnene Aufgabe zu erfüllen. Dieser Anstieg des Luftdrucks durch den Einlass wird als Krümmerdruck bezeichnet. Wie bei vielen Dingen im Leben kann man vom Guten zu viel haben. Ihr Motor kann einen zu hohen Krümmerdruck nicht immer bewältigen, was zu schweren Schäden führen kann.

Das Turboladersystem sorgt für unnötigen oder unerwünschten Druck durch das Wastegate. Dieser Vorgang kann entweder automatisch ablaufen oder vom Piloten manuell vom Cockpit aus ausgelöst werden. In beiden Fällen besteht die Aufgabe darin, die Abgase abzuleiten, bevor sie in die Turboeinheit gelangen, wodurch der Kompressor schneller rotiert und der Motor geschädigt wird.

Der Basisbetriebsparameter für Kolbenmotoren liegt auf Meereshöhe. Hier produziert Ihr Kraftwerk auch die meiste Energie. Mit zunehmender Höhe eines Flugzeugs nehmen Druck und Dichte umgekehrt ab, wodurch die Leistung abnimmt.

Turbomotoren arbeiten bei viel höheren Drücken und Temperaturen als ihre Gegenstücke mit Saugmotor. Viele Hubkolbenflugzeuge benötigen für Höhenflüge einen Turbolader. Bei unsachgemäßer Wartung kann dies zu einer zusätzlichen Belastung Ihrer Abgasanlage führen.

Einige lassen auch Luft aus den Turbosystemen ab, um Flugzeugkabinen unter Druck zu setzen.

Ich habe kürzlich einige Zeit mit Tim Gauntt verbracht, dem Leiter des Produktsupports bei Hartzell Engine Technologies, LLC (HET). Er war so freundlich, einige Kenntnisse über Turboladersysteme weiterzugeben.

Ein Thema, das wir behandelt haben: Wie und in welchem ​​Umfang sollten Piloten „Lean of Peak“ (LOP) fahren? Welche Auswirkungen hat dies auf den Turbolader und die Komponenten bestimmter Flugzeuge? Der Turbolader ist für eine bestimmte Temperatur ausgelegt, typischerweise basierend auf der Turbineneinlasstemperatur (TIT). Wenn diese Temperatur nicht überschritten wird, befindet sich der Turbo innerhalb seines normalen Betriebsbereichs.

Die Spitzenneigung ist ein relativ neuer Betriebsbereich, da es vor der Verfügbarkeit der Motoranalysatoren keine Möglichkeit gab, dies zu bestimmen. In der Vergangenheit haben Sie sich auf eine sichere Turbo-TIT-Betriebstemperatur verlassen, wie sie vom OEM festgelegt wurde. Zur Erinnerung: Alle Motorvorgänge sollten den Empfehlungen des Herstellers entsprechen. Sie sind die Experten. Diese Praxis ist Standard für Continental, Lycoming und andere OEMs wie Rotax.

Bei all dem Gerede über den LOP-Betrieb und seine möglichen Auswirkungen auf das Turbosystem wird am häufigsten die Frage nach der Abkühlung des Turboladers gestellt. Hierbei handelt es sich um einen Betriebsparameter, der gesteuert werden kann und sich direkt auf die Langlebigkeit des Turboladersystems auswirkt.

Es gibt drei Dinge zu beachten. Betreiben Sie ein aufgeladenes Motorsystem oder ein normalisiertes System? Handelt es sich um einen AeroForce-Turbo der 400er-Serie (Garrett, AiResearch, Honeywell) oder einen AeroForce-Turbo der 600er-Serie (RAJAY)? Und welcher Pilotentyp fliegt die Ausrüstung?

Regel Nummer eins ist wiederum, dass die OEM-Empfehlungen zum Abkühlen des Turbos befolgt werden sollten. In manchen Fällen sind diese Informationen schwer zu finden. Das Cirrus SR22T Pilot Operating Handbook (POH) befasst sich nicht mit der Kühlung der Turbokomponenten des Motors. Die Continental-Motoren-Bedienungsanleitung für das verbaute TSIO-550-K-Triebwerk enthält jedoch eine spezifische Vorgehensweise.

Aufgeladene Motoren erzeugen Auftrieb und Wärme in jeder Höhe, auch auf Meereshöhe. Aus diesem Grund sind sie am anfälligsten für Schäden, die durch eine unzureichende Abkühlung entstehen. Ein normalisiertes System beginnt nicht mit dem Boosten, bis das Flugzeug an Höhe gewinnt. Logischerweise ist der Turbo beim Sinkflug nach Erreichen derselben geringeren Höhe „offline“.

Die Turboladereinheit der 400er-Serie verwendet Eisen zur Herstellung ihrer Mittelgehäuse. Da Eisen die Wärme nicht schnell ableitet, sind die Turbos der 400er-Serie anfälliger für Schäden durch Abkühlung als ein Turbo im RAJAY-Stil, der ein Aluminium-Mittelgehäuse verwendet. Das Aluminium leitet die Wärme schnell ab. Aus diesem Grund heißt es im HET-Überholungshandbuch, dass für RAJAY-Turbomotoren keine Abkühlzeit erforderlich ist.

Die Luftfahrt verfügt über eine Vielzahl von Betreibern. Manche starten die Triebwerke und rollen aus, ohne den Flug zu planen oder die Triebwerkstemperatur zu überwachen. Andere legen großen Wert auf die Ausstattung, da diese teuer sein kann. Sie haben einen vernünftigen Flugplan, überwachen die Triebwerksanzeigen, passen die Motorhaubenklappen an – auch wenn die Geschwindigkeit reduziert wird – und opfern zusätzlichen Treibstofffluss für zusätzliche Kühlung.

Nebenbei bemerkt: AeroForce, ein HET-Unternehmen, hat kürzlich einen Auftrag von Textron Aviation angenommen, der die Herstellung des Cessna-Turboladers mit der Teilenummer C295001-0203 für das Modellflugzeug Cessna 210 mit TSIO-520-CE-Triebwerken genehmigt. Dieser Turbolader war jahrelang nicht verfügbar, und als Ergebnis dieser Partnerschaft mit Textron Aviation werden irgendwann in der Zukunft wieder neue Turbolader verfügbar sein.

Turboflugzeuge sind komplexer als Saugmotoren, aber das bedeutet nicht, dass man vor ihnen Angst haben muss. Wie bei allem, was mit der Luftfahrt zu tun hat, bestimmt die Sorgfalt, die Sie der Komponente widmen, die Leistung, die Sie im Flug erzielen. Der Schlüssel liegt in der Liebe zum Detail. Selbst das kleinste Versehen kann katastrophale Folgen haben.

Ich erinnere mich, dass der frühere Eigentümer während meiner Zeit als Motorenwerkstatt einen Vorfall durchgearbeitet hat, kurz bevor wir das Unternehmen übernommen haben. Sein Team kümmerte sich um einen Lycoming TIO-540-J2BD-Motor aus einer Piper Navajo. Kurz darauf befand sich das Flugzeug in der Höhe und der Pilot bemerkte Flammen, die aus der rechten Triebwerksverkleidung schlugen. Der Pilot verbrachte viele Stunden in dieser Flugzeugzelle und schaltete die Maschine sofort ab. Bei der Untersuchung entdeckte das Team einen Haarriss in einem blauen 45-Grad-Winkelstück aus Aluminium. Es gibt nichts Schöneres, als wenn Kraftstoff direkt auf heiße Motorkomponenten sprüht. Ein 20-Dollar-Teil hätte beinahe ein Viertelmillion-Dollar-Flugzeug zum Absturz gebracht.

Es ist leicht zu erkennen, wie die Gedanken rasen können, wenn man über das Innenleben von Flugzeugen spricht. Jedes Teil muss außergewöhnlich hohe Standards erfüllen. Bei der Einführung von Turboladern steigt der Einsatz. Es ist geschäftskritisch, die Warnzeichen zu erkennen, wenn die Dinge schiefgehen. Worauf sollten Sie achten, wenn Sie Bedenken haben? Ein unregelmäßiger Systembetrieb kann auf Kohlenstoffablagerungen im Wastegate-Ventil zurückgeführt werden, die auch als Koksablagerungen bezeichnet werden. Wenn dies nicht behandelt wird, kann es zu einer Überlastung des Motors kommen, da das Wastegate geschlossen bleibt. Übermäßige Koksablagerungen in der Turboladerbaugruppe führen häufig zu einer Anzeige eines niedrigen Krümmerdrucks während des Starts und zu einem Leistungsverlust.

Während beim Kreischen des Turboladers häufig Kohlenstoffablagerungen auftreten, können auch andere Faktoren eine Rolle spielen.

Als Inhaber einer Motorenwerkstatt lagere ich meine Zubehörarbeiten an mehrere Werkstätten aus. Wie ich bereits sagte, ist es besser, die Arbeit an den Komponenten den Experten zu überlassen. Bitte beziehen Sie sich ausschließlich auf nach Teil 145 zertifizierte Reparaturwerkstätten. Eine Reparaturstation, mit der ich zu tun hatte, ist Approved Turbo Components (ATC) in Vero Beach, Florida. Jeff Newbold von ATC verfügt über großartige Informationen zur Fehlerbehebung bei Turboladersystemen.

Ich fragte Newbold, welche häufigen Fehler er in der Werkstatt mit Turboladern und Turbokomponenten sah. Er antwortete, dass eines der wichtigsten Probleme der Umgang mit Hochlaufzeiteinheiten sei. Oftmals betreiben Betreiber ihre Systeme über die empfohlene Zeit zwischen Überholungen (TBO) hinaus, was zu Problemen führen kann.

Ein weiteres Problem ist Ölmangel und Ölverschmutzung. Diese Komponenten drehen sich mit hoher Drehzahl und benötigen ausreichend und sauberes Öl, um sie in Form zu halten. Öllecks aufgrund anderer Ursachen kommen ebenfalls häufig vor. Achten Sie besonders auf Rückschlagventile, Spülpumpen und verschmutzte Luftfilter. Beachten Sie auch den hohen Kurbelgehäusedruck. Auf „approvedturbo.com“ finden Sie eine Anleitung zur Fehlerbehebung bei Öllecks. Auch Schäden durch Fremdkörper (Foreign Object Damage, FOD) sind eine ständige Bedrohung.

Können Piloten im Flug irgendetwas tun, um ihr Turbosystem zu schonen? Ein fünfminütiges Abkühlen des Motors wirkt Wunder, wenn es darum geht, die Bildung von Kohlenstoffablagerungen im Lagergehäuse zu verhindern. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie das Kraftstoffgemisch magern. Eine extreme Neigung kann die Temperatur des Turboladers erhöhen und so die Lebensdauer der Komponenten verkürzen. Vermeiden Sie außerdem schnelle Gasbewegungen, um einen Thermoschock am Turbo zu vermeiden. Dadurch werden vorzeitige Gehäuserisse verhindert.

Befolgen Sie die OEM-Richtlinien als Grundlage für Ihren Wartungsplan. Eine hervorragende Ressource ist das Kelly Aerospace Service Bulletin SB 23. Nach dem Austausch eines Turboladers wenden Sie sich an SB 23, um den Betriebstest durchzuführen. Die Behebung von Turbosystemproblemen vor dem Austausch kann Zeit und Geld sparen.

Eine Erkenntnis, auf die Sie sich bei der Wartung von Turbosystemen konzentrieren können: Die erste Verteidigungslinie ist eine Sichtprüfung. Achten Sie bei der Überprüfung der Turbinen- und Verdichterschaufeln auf Schäden, ungewöhnlichen Verschleiß oder Verfärbungen. Überprüfen Sie beim Durchgehen des gesamten Systems alle Schrauben und Sicherungsplatten. Achten Sie besonders auf den Lagergehäuseabsatz im Turbinengehäuse.

Sie können das radiale und axiale Spiel prüfen, indem Sie beide Enden gleichmäßig anheben und nach unten drücken. Nur die Prüfung von einer Seite ergibt ein viel größeres Ergebnis. Es ist unbedingt erforderlich, dass Sie Ersatzteile vorab ölen.

Gary Main, Präsident von Main Turbo Systems, Inc. in Visalia, Kalifornien, veröffentlicht technische Kurzberichte, um die Fluggemeinschaft über spezifische Themen zu Turboladersystemen in Flugzeugen zu informieren. Ein solcher Artikel, „Wartungstipp Nr. 15“, befasst sich mit Öllecks, einem der häufigsten Probleme bei Turboladersystemen. Es gibt ein Missverständnis, dass Turbolagergehäuse so konstruiert sind, dass sie zur Schmierung mit Öl gefüllt werden. Das ist falsch. Wenn das Öl in das Lagergehäuse gelangt, gelangt es automatisch in eine Ölrinne und wird nach unten in das Lagergehäuse geleitet. Das Öl wird dann direkt in die Hauptlager geleitet. Der Artikel beschreibt insbesondere Tipps und Wissen, die in vielen Handbüchern nicht zu finden sind.

„Wartungstipp Nr. 15“ bezieht sich auf Motorvoröler und Turbolader. In dem hier beschriebenen Szenario gelangte überschüssiges Voröl in den Turbolader, was dazu führte, dass dieser ein Leck vortäuschte. Sobald der Motor startete, schaltete sich die motorbetriebene Spülpumpe ein und entfernte das Öl.

Main Turbo hat auch eine spezielle Mitteilung zum Spiel zwischen Lagergehäuse und Turbinengehäuse – „Wartungstipp Nr. 11“. Eine Beschwerde: Luft entweicht. Diese Situation gibt einen falschen Hinweis auf eine durchgebrannte Dichtung oder Dichtung. In Wirklichkeit gibt es in diesem Bereich keine Dichtung. Die Dichtung wird hergestellt, wenn das Lagergehäuse und der Hitzeschild im Turbinengehäuse sitzen und mit dem richtigen Drehmoment angezogen werden.

Nicht jedes Flugzeug mit Turbolader, dem Sie im Einsatz begegnen, wurde auf diese Weise ab Werk geliefert. Aftermarket-Unternehmen produzieren Turbolösungen für ältere Plattformen und den Aftermarket. Flugzeuge können über den STC-Weg (Supplemental Type Certificate) so umgerüstet werden, dass sie einen Aftermarket-Turbolader akzeptieren.

Ein solches Unternehmen, das STCs anbietet, ist RAJAY Turbo Products, das es unter anderem für Beechcraft-, Cessna- und Piper-Flugzeuge verfügbar macht. Eine vollständige Liste ihrer STCs finden Sie unter rajay.aero. Laut ihrer Website kann ein A&P ein RAYJAY-Kit in etwa 70 Stunden pro Motor installieren.

Tim Roehl, Präsident von Tornado Alley Turbo, Inc., hatte einige Punkte zur Turbonormalisierung hinzuzufügen, bei der Flugzeugmotoren von Saugmotoren auf Turbomotoren umgestellt werden.

Das Upgrade bietet den gleichen Krümmerdruck von 29 oder 30 Zoll, der auf Meereshöhe verfügbar ist. Die Turbonormalisierung nutzt das höhere Verdichtungsverhältnis, den besseren thermodynamischen Wirkungsgrad und den höheren Wirkungsgrad des Ladeluftkühlers. Das Ergebnis ist eine niedrigere Zylinderkopftemperatur, Abgastemperatur und TIT. Zu den weiteren Vorteilen gehören ein geringerer Treibstoffverbrauch und zusätzliche Leistung – da keine Leistung durch Wärmeverluste verloren geht –, wodurch das Flugzeug effizienter arbeiten kann.

Die Wartung Ihres Turboladersystems ist für die Pflege und Instandhaltung Ihres Flugzeugs von größter Bedeutung. Geschieht dies nicht, wäre dies eine Katastrophe für das Flugzeugtriebwerk und könnte zu einem Zwischenfall in der Höhe führen. Befolgen Sie die OEM-Richtlinien.

Wenden Sie sich an Ihren Wartungsanbieter. Verwenden Sie nur zertifizierte Ressourcen, konsultieren Sie technische Veröffentlichungen und widersetzen Sie sich Kosteneinsparungsmaßnahmen, die Abstriche machen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Ausgabe 936 von FLYING vom April 2023 veröffentlicht.