Turbofan vs. Turbojet vs. Turboprop — die Unterschiede im Detail

In der Luftfahrt kommen verschiedene Typen von Gasturbinen-Triebwerken zum Einsatz, die sich in Aufbau, Wirkungsgrad und Einsatzbereich grundlegend unterscheiden. Ob ein Flugzeug mit einem Turbojet, Turbofan oder Turboprop ausgerüstet ist, hat direkte Auswirkungen auf Geschwindigkeit, Reichweite, Betriebskosten und Lärmentwicklung. Dieser Artikel erklärt die Unterschiede im Detail und hilft Ihnen, die jeweiligen Stärken und Einsatzbereiche zu verstehen.

Turbojet — der reine Strahler

Der Turbojet ist der älteste Typ eines Strahltriebwerks und geht auf die Entwicklungen von Sir Frank Whittle (Großbritannien) und Hans von Ohain (Deutschland) in den 1930er Jahren zurück. Das Prinzip ist vergleichsweise einfach: Luft wird angesaugt, in einem Axialverdichter komprimiert, in einer Brennkammer mit Kerosin verbrannt und durch eine Turbine und Düse ausgestoßen.

Beim Turbojet wird der gesamte Luftstrom durch den Kerntriebwerksstrang (Core) geleitet. Es gibt keinen Bypass — alle angesaugte Luft durchläuft Verdichter, Brennkammer und Turbine. Der erzeugte Schub stammt ausschließlich aus dem Ausstoß der heißen Gase mit hoher Geschwindigkeit.

Eigenschaften des Turbojets

• Hohe Austrittsgeschwindigkeit: Die Abgase verlassen die Düse mit 600 bis über 900 m/s, was bei hohen Fluggeschwindigkeiten effizient ist.
• Gute Überschalleigenschaften: Bei Mach 2+ ist der Turbojet dem Turbofan überlegen, da der Vortriebswirkungsgrad bei hohen Geschwindigkeiten steigt.
• Hoher Kraftstoffverbrauch: Der TSFC liegt typisch bei 0,8 bis 1,1 lb/(lbf·h) — deutlich mehr als bei modernen Turbofans.
• Laut: Die hohe Strahlgeschwindigkeit erzeugt erheblichen Lärm, der ab den 1970er Jahren zu Lärmbeschränkungen führte.

Reine Turbojets sind heute in der zivilen Luftfahrt praktisch verschwunden. Das letzte große zivile Turbojet-Flugzeug war die Concorde mit ihren Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 Triebwerken. Militärisch sind Turbojets noch in einigen Kampfflugzeugen und insbesondere in Marschflugkörpern (z.B. Williams WJ38 im Tomahawk) im Einsatz, wo ihre Einfachheit und das geringe Gewicht Vorteile bieten.

Turbofan — der moderne Standard

Der Turbofan ist die Weiterentwicklung des Turbojets und heute der dominierende Triebwerkstyp in der zivilen und großen Teilen der militärischen Luftfahrt. Der entscheidende Unterschied: Vor dem Kerntriebwerk sitzt ein großer Fan (Bläser), der einen zusätzlichen Luftstrom erzeugt, der am Kerntriebwerk vorbeigeleitet wird — der sogenannte Bypass-Strom.

Das Verhältnis zwischen Bypass-Luftstrom und Kernluftstrom wird als Bypass-Verhältnis (Bypass Ratio, BPR) bezeichnet und ist die zentrale Kennzahl eines Turbofan-Triebwerks.

Low-Bypass Turbofan (BPR 0,5:1 bis 2:1)

Low-Bypass Turbofans finden sich hauptsächlich in militärischen Kampfflugzeugen. Das relativ geringe Bypass-Verhältnis ermöglicht:

• Kompakte Bauweise mit geringem Stirnwiderstand
• Gute Überschalleigenschaften
• Kompatibilität mit Nachbrennern (Afterburner), die den Schub kurzzeitig um 50-80 Prozent steigern
• Beispiele: Pratt & Whitney F100 (F-15, F-16), General Electric F110, EuroJet EJ200 (Eurofighter)

High-Bypass Turbofan (BPR 5:1 bis 13:1)

High-Bypass Turbofans sind der Standard in der zivilen Luftfahrt. Der große Fan erzeugt einen massiven Bypass-Strom, der langsamer, aber in deutlich größerer Menge ausgestoßen wird als der heiße Kernstrom. Bei einem Bypass-Verhältnis von 10:1 strömen für jedes Kilogramm Luft durch den Kern zehn Kilogramm am Kern vorbei.

Die Vorteile sind erheblich:

• Deutlich geringerer Kraftstoffverbrauch: TSFC von 0,5 bis 0,6 lb/(lbf·h) — fast halb so viel wie ein Turbojet.
• Erheblich leiser: Die niedrigere Strahlgeschwindigkeit des Bypass-Stroms reduziert den Lärm drastisch. Zudem „ummantelt" der kühle Bypass-Strom den heißen Kernstrom und wirkt als Schalldämpfer.
• Hoher Vortriebswirkungsgrad: Bei typischen Reisegeschwindigkeiten (Mach 0,78-0,85) optimal.

Die wichtigsten modernen High-Bypass-Triebwerke für den DACH-Markt relevante Flugzeugmuster:

CFM LEAP — die neue Referenz

Das CFM LEAP-Triebwerk (Leading Edge Aviation Propulsion) ist der Nachfolger des legendären CFM56 und setzt neue Maßstäbe in Effizienz und Umweltverträglichkeit. Es verbraucht 15 Prozent weniger Kraftstoff als sein Vorgänger und stößt 50 Prozent weniger NOx aus als die ICAO-Grenzwerte CAEP/6 vorschreiben. Schlüsseltechnologien sind CFK-Fan-Blades aus 3D-gewebtem Kohlefaserverbund und Komponenten aus keramischen Matrixverbundwerkstoffen (CMC) in der Hochdruckturbine.

PW GTF — die Getriebe-Revolution

Pratt & Whitneys Geared Turbofan (PW1000G-Familie) nutzt ein Untersetzungsgetriebe (Epicyclic Gear System) zwischen Fan und Niederdruckturbine. Dieses Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 3:1 entkoppelt die Drehzahlen: Der Fan dreht langsam (optimaler aerodynamischer Wirkungsgrad), die Niederdruckturbine dreht schnell (optimaler mechanischer Wirkungsgrad). Das Ergebnis ist ein um 16 Prozent geringerer Kraftstoffverbrauch gegenüber dem V2500-Vorgänger und eine 75 Prozent kleinere Lärmfläche um den Flughafen.

Turboprop — Propellerpower mit Gasturbine

Das Turboprop-Triebwerk nutzt eine Gasturbine, um über ein Untersetzungsgetriebe einen Propeller anzutreiben. Die Turbine entzieht dem Gasstrom nahezu die gesamte Energie und wandelt sie in Wellenleistung um. Nur ein sehr geringer Restschub (etwa 5-10 Prozent) kommt aus dem Abgasstrahl.

Turboprops sind für Geschwindigkeiten unter 350 Knoten (650 km/h) optimiert und besonders auf kurzen Strecken von 200 bis 800 Nautischen Meilen extrem effizient. Ihr Kraftstoffverbrauch liegt deutlich unter dem von Turbofan-Triebwerken, was sie ideal für Regionalflugzeuge und Utility-Flugzeuge macht.

Pratt & Whitney PT6A — die Legende

Das Pratt & Whitney Canada PT6A ist das meistproduzierte Turboprop-Triebwerk der Luftfahrtgeschichte mit über 60.000 gebauten Einheiten. Es ist ein Freiturbinentyp mit einem Radialverdichter und einer über eine separate Welle angetriebenen Leistungsturbine. Das PT6A ist berühmt für seine außergewöhnliche Zuverlässigkeit (In-Flight Shutdown Rate unter 0,5 pro 100.000 Flugstunden) und seine Vielseitigkeit: Es findet sich in über 200 verschiedenen Flugzeugtypen, von der Pilatus PC-12 über die Beechcraft King Air bis zur de Havilland DHC-6 Twin Otter.

Eine Besonderheit des PT6A ist seine Einbaulage: Es wird „umgekehrt" eingebaut, mit dem Lufteinlass am Heck und dem Abtrieb vorn. Die Luft wird nach hinten angesaugt, durch das Triebwerk geleitet und die Leistung über eine Welle nach vorn zum Propeller übertragen.

Propellersteuerung bei Turboprops

Der Propeller eines Turboprop-Flugzeugs ist ein Constant-Speed-Propeller mit Verstellmechanismus. Die Blattwinkelsteuerung (Propeller Governing) übernimmt die Anpassung an verschiedene Betriebszustände:

• Flight Range: Normaler Verstellbereich von feiner bis grober Steigung für Start, Steigflug, Reiseflug und Sinkflug.
• Beta Range: Blattwinkelbereich für Bodenbetrieb, einschließlich Ground Fine (minimaler Blattwinkel für Rollen am Boden) und Reverse (negative Blattanstellung für Bremswirkung nach der Landung).
• Feathering: Maximale Blattanstellung von etwa 85 Grad, bei der der Propeller in Strömungsrichtung steht und minimalen Widerstand erzeugt. Wird bei Triebwerksausfall automatisch oder manuell aktiviert.

Moderne Turboprop-Systeme verwenden eine elektronische Propellersteuerung (EPCS — Electronic Propeller Control System), die in Verbindung mit dem Triebwerks-FADEC für eine automatische Optimierung von Drehzahl und Blattwinkel sorgt.

Wichtige Turboprop-Flugzeuge im DACH-Raum

Turboshaft — der Hubschrauber-Antrieb

Der Turboshaft ist eine Sonderform der Gasturbine, die ausschließlich Wellenleistung abgibt — es gibt keinen Restschub aus der Düse. Die gesamte Energie des Gasstroms wird von der Turbine absorbiert und über ein Getriebe an den Hauptrotor und den Heckrotor des Hubschraubers übertragen.

Turboshaft-Triebwerke verwenden typischerweise eine Freiturbine (Free Turbine), die mechanisch nicht mit dem Gasgenerator (Verdichter + Brennkammer + Gasgeneratorturbine) verbunden ist. Dies ermöglicht eine Entkopplung der Rotordrehzahl von der Gasgeneratordrehzahl und erleichtert die Autorotation im Notfall.

Wichtige Turboshaft-Triebwerke:

• Safran Arriel 2: H135, H145, AS365 — weit verbreitet bei ADAC Luftrettung und Polizei in Deutschland
• Pratt & Whitney PT6T (Twin Pac): Bell 212, Bell 412 — zwei PT6-Kerne in einem Gehäuse
• General Electric T700: Sikorsky S-70 Black Hawk, AgustaWestland AW149
• Safran Makila 2: Airbus H225 Super Puma — Offshore-Einsätze in der Nordsee

Der große Vergleich: Alle Triebwerkstypen im Überblick

Zukunftstechnologien: Open Rotor und Hybrid-Elektrisch

Die Zukunft der Flugzeugantriebe wird von zwei revolutionären Konzepten geprägt:

Open Rotor / Propfan

Das Open-Rotor-Konzept — auch als Propfan oder Unducted Fan bezeichnet — kombiniert die Effizienz eines Propellers mit der Geschwindigkeit eines Turbofans. Anstatt den Fan in einer Gondel einzuhausen, rotieren große, sichelförmige Schaufeln frei in der Luftströmung. CFM International treibt mit dem RISE-Programm (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines) die Entwicklung eines Open-Fan-Triebwerks voran, das bis 2035 serienreif sein soll. Das Ziel: 20 Prozent weniger Kraftstoffverbrauch als das aktuelle LEAP-Triebwerk bei Reisegeschwindigkeiten von Mach 0,78 bis 0,80.

Die größten Herausforderungen sind die Lärmreduzierung (die frei rotierenden Schaufeln erzeugen mehr Lärm als eingehauste Fans) und die Integration in bestehende Flugzeugzellen (die großen Rotordurchmesser erfordern neue Flugzeugkonfigurationen, möglicherweise mit Heckantrieb).

Hybrid-elektrische Antriebe

Rein elektrische Antriebe sind für große Flugzeuge auf absehbare Zeit nicht realisierbar, da die Energiedichte von Batterien weit unter der von Kerosin liegt (etwa Faktor 50). Hybrid-elektrische Systeme sind jedoch vielversprechend: Eine Gasturbine erzeugt elektrischen Strom, der Elektromotoren antreibt, die wiederum Propeller oder Fans drehen.

Vorteile dieses Ansatzes:

• Verteilte Antriebe: Mehrere kleine Elektromotoren statt weniger großer Triebwerke ermöglichen neue aerodynamische Konzepte (z.B. Boundary Layer Ingestion).
• Optimaler Betriebspunkt: Die Gasturbine kann in ihrem effizientesten Betriebspunkt laufen, unabhängig von der aktuellen Schubanforderung.
• Elektrisches Rollen: Am Boden können die Triebwerke ausgeschaltet bleiben, während elektrisch gerollt wird.

Airbus, Rolls-Royce und Pratt & Whitney arbeiten aktiv an hybrid-elektrischen Demonstratoren. Das Airbus E-Fan X (inzwischen eingestellt, aber Technologien fließen in andere Programme) und das Pratt & Whitney Canada Hybridprogramm für Regionalturboprops zeigen die Richtung an.

Welches Triebwerk für welchen Zweck?

Die Wahl des Triebwerkstyps folgt klaren operationellen und wirtschaftlichen Kriterien:

• Kurzstrecke unter 500 NM, Geschwindigkeit unter 300 KTAS: Turboprop — maximale Effizienz, kurze Startstrecken, niedrige Betriebskosten. Ideal für Regionalstrecken und Zubringerdienste.
• Kurz- bis Mittelstrecke, 400-2.500 NM: High-Bypass Turbofan in Light bis Mid-Size Jets — schneller als Turboprop, gute Effizienz auf der Strecke.
• Langstrecke über 2.000 NM: High-Bypass Turbofan in Large Cabin Jets oder Airlinern — alternativlos für transatlantische und transkontinentale Flüge.
• Militärisch/Überschall: Low-Bypass Turbofan oder Turbojet — Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit gehen vor Effizienz.

Fazit

Die verschiedenen Triebwerkstypen sind keine Konkurrenten, sondern Spezialisten für unterschiedliche Einsatzprofile. Der Turboprop beherrscht die kurze Strecke mit maximaler Effizienz, der High-Bypass Turbofan die Mittel- und Langstrecke mit dem besten Kompromiss aus Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit, und der Low-Bypass Turbofan ermöglicht militärische Hochleistungsflüge. Die Zukunft gehört wahrscheinlich Hybridkonzepten, die die Stärken verschiedener Ansätze kombinieren — aber das klassische Kerosin-Gasturbinen-Triebwerk wird die Luftfahrt noch mindestens zwei Jahrzehnte lang dominieren.