Kraftstoffsystem (Flugzeug)

Die maximale Treibstofftemperatur beträgt 49,6 °C. Während des Fluges muss die Treibstofftemperatur 3 °C über dem Gefrierpunkt des Treibstoffs liegen. Die minimale Treibstofftemperatur ist −45 °C oder der Gefrierpunkt des jeweils verwendeten Treibstoffes plus 3 °C – hier zählt der höhere Wert von beiden.

Die Treibstofftemperatur wird im linken Tank gemessen. Dies ist eine Hinterlassenschaft des Designs der B737–200. Bei dieser war der Treibstoff im linken Haupttank normalerweise kälter als im rechten Haupttank. Im linken Treibstofftank befand sich ein kleinerer Wärmetauscher für das Hydrauliksystem A, während der Wärmetauscher für das Hydrauliksystem B im rechten Tank größer ausgelegt war.

Für das Funktionieren des Messsystems wird Wechselstrom (28 Volt AC) benötigt.

Gefrierpunkte einiger Flugturbinenkraftstoffe

• Jet A-1 (JP-1A) und JP-8: −47 °C
• Jet A (JP-1): −40 °C
• Jet B, JP-4 und TS-1: −60 °C
• JP-5: −46 °C

Bei zu niedriger Treibstofftemperatur muss die Temperatur erhöht werden durch:

• Sinken auf eine niedrigere (und somit wärmere) Flughöhe.
• Kursänderung zu einer wärmeren Luftmasse oder
• Erhöhung der Fluggeschwindigkeit.

Als Faustformel gilt, dass sich der Treibstoff etwa 1 °C/10 kt IAS (Indicated Air Speed, deutsch angezeigte Fluggeschwindigkeit) durch die Luftreibung aufheizt.

Sind beide Center Tank Fuel Pumps (11 und 12) ausgeschaltet, öffnet sich das Fuel Scavenge Shutoff Valve (18), so dass der Kraftstoffstrom der Forward Fuel Pump von Tank No. 1 (16) die Center Tank Scavenge Jet Pump (40, Rückförderpumpe) betreiben kann. So wird der Resttreibstoff aus dem Center Tank in den linken Tank gepumpt. Nach 20 Minuten schließt sich die Fuel Scavenge Shutoff Valve (18) wieder automatisch.

Die Belüftung der Tanks erfolgt in je einen rechten und linken Surge Tank, der wiederum über eine Öffnung an der Flügelspitze den Druckausgleich zu Außenluft herstellt. Zu hoher oder zu niedriger Luftdruck im Treibstofftank könnte die Struktur der Tragflächen beschädigen.

Die Center Tank Scavenge Pump (deutsch Rückförderpumpe) pumpt Treibstoff vom Mitteltank in den Haupttank Nr. 1. Die Pumpmenge beträgt im Minimum 100 kg/Stunde, meist aber fast 200 kg/Stunde. Das Anspringen der Rückförderpumpe wird ausgelöst, wenn beide Kraftstoffpumpen für den Mitteltank ausgeschaltet werden. Die Rückförderpumpe läuft dann für 20 Minuten.

Bei einem Start mit weniger als 1000 kg Treibstoff im Mitteltank kann der Treibstoff im linken Haupttank gegenüber dem rechten Haupttank stark zunehmen und zu einem Ungleichgewicht führen. Da beide Treibstoffpumpen im Haupttank so angeordnet sind, dass die rechte im vorderen Bereich und die linke im hinteren Bereich pumpt, sinkt die Fördermenge der rechten Pumpe bei relativ leerem Haupttank im Steigflug auf Null. Diese rechte Pumpe liefert normalerweise Treibstoff für das rechte Triebwerk, das jetzt aber seinen Treibstoff nur noch aus dem rechten Haupttank bezieht. Gleichzeitig versorgt die linke Treibstoffpumpe das linke Triebwerk aus dem Mitteltank, so dass kein Treibstoff aus dem linken Haupttank verbraucht wird. Die rechte Tragfläche wird also im Vergleich zur linken Tragfläche immer leichter. Ist der Haupttank leer und werden die Treibstoffpumpen des Haupttanks abgeschaltet, springt die Rückförderpumpe an und pumpt den Resttreibstoff aus dem Mitteltank in den linken Haupttank. So verstärkt sich das bereits bestehende Ungleichgewicht und die linke Seite wird relativ immer schwerer.

Die APU (auxiliary power unit) bezieht ihren Treibstoff vom linken Haupttank. Um die APU zu starten, müssen die Treibstoffpumpen des linken Haupttanks zuerst eingeschaltet werden. Auch für den weiteren Betrieb der APU müssen die linken Treibstoffpumpen eingeschaltet sein.

Der Treibstoffverbrauch der APU beträgt etwa 160 kg/Stunde (bei eingeschalteten Packs und eingeschalteter Elektrik). Mit diesem Wert wird auch der Treibstoffverbrauch berechnet, wenn das Flugzeug mit Passagieren für längere Zeit am Boden steht.

Betanken einer Cessna 206 mittels Schwerkraft auf einer Farm in Namibia

Die Betankung erfolgt maximal mit 800 kg/min. Das Volltanken der Tragflächentanks dauert 12 Minuten. Das Volltanken aller drei Tanks dauert 20 Minuten.

Die Betankung erfolgt an der Betankungsstation (engl. fueling station – 7) an der rechten Tragfläche. Hier wird auch die Entleerung der Tanks bzw. ein Umpumpen des Kraftstoffs am Boden von einem Tank in den anderen Tank vorgenommen. Wenn der Tank vollgetankt wurde, verschließt ein Ventil automatisch den weiteren Zufluss zum Tank. Sollte kein Tankwagen mit Pumpen zur Verfügung stehen, kann die Betankung auch mittel Schwerkraft (gravity fueling) durch Einfüllen an der Oberseite der Tragflächen erfolgen, wo je ein Tankeinlauf für den Tank No. 1 und Tank No. 2 liegt. In diesem Fall muss das Befüllen des Center Tank durch Umpumpen aus Tank No. 1 oder 2 mit den flugzeugeigenen Pumpen erfolgen.

Zum Ablassen des Treibstoffs muss die Manual Defueling Valve (6) geöffnet werden. Sie verbindet die Leitung für die Treibstoffzufuhr zum Triebwerk mit der Fueling Station.

Bild 3: Fuel Control Panel B737–300 – im Cockpit

Bild 4: Fuel Quantity Indicator B737–300 – im Cockpit

Am Fuel Control Panel (32) im Cockpit wird die Treibstofftemperatur im linken Tank angezeigt. Mit dem Crossfeed Selector (27) kontrolliert der Pilot manuell die Crossfeed Valve (3). Bei geöffneter Stellung sind Tank No. 1 und No 2 miteinander verbunden. So kann beispielsweise bei Ausfall eines Triebwerkes der Treibstoff von beiden Tanks genutzt werden und es ist auch eine bessere Austrimmung des Flugzeugs um die Längsachse möglich. Der maximale Gewichtsunterschied zwischen rechtem und linkem Haupttank darf bei der B737 Classic 453 kg betragen.

Die sechs Fuel Pump Switches (28 bis 31, 35, 36) Fuel Control Panel (zwei je Tank) dienen zum Ein- und Ausschalten der elektrisch betriebenen Kraftstoffpumpen (Fuel Pump – 8, 9, 11, 12, 15, 16).

Der Fuel Quantity Indicator (FQI) zeigt die nutzbare Treibstoffmenge im jeweiligen Tank an (Bild 4). Die Genauigkeit beträgt 2,5 %. Die Treibstoffmenge wird nur bei vorhandenem Standby AC-Power (Wechselstrom) angezeigt.

Die manuelle Messung der Treibstoffmenge erfolgt mit dem eingebauten Floatstick oder Dripstick (einer von beiden ist eingebaut). Je Haupttank gibt es je fünf Messstäbe.

Dripstick – zur Ablesung wird der Stab langsam aus dem Tank gezogen, bis ein stetiges Tröpfeln des Kraftstoffes aus der Öffnung im Dripstick an seiner Basis beginnt.

Floatstick – die flexible Floatstick-Sakala wird so weit aus dem Tank gezogen, bis sie „kleben“ oder „hängen“ bleibt. Die Ablesung erfolgt an der Stelle der Skala, die sich in Höhe der Flügelunterseite befindet. Der abgelesenen Wert muss je nach Neigung des Flugzeuges noch mittels Umrechnungstabelle/Korrekturtabelle korrigiert werden.

Die manuelle Ablesung erlaubt eine Kontrolle der Anzeige im Cockpit (FQI).

Betankungsreihenfolge: Wenn der Center Tank mehr als 453 kg Treibstoff enthält, müssen der rechte und linke Haupttank voll sein.

Die Belüftungsöffnung der beiden Haupttanks (engl. fuel tank vents) befinden sich bei der B737 Classic jeweils in der Nähe der Tragflächenspitze, an deren Hinterkante. Durch ihre Form erzeugen sie einen leichten positiven Druck in den Treibstofftanks. Dieser positive Druck verhindert die Entstehung eines Unterdrucks in den Treibstofftanks. So wird die Verdunstung des Treibstoffs in den Tanks reduziert. Außerdem unterstützt der positive Druck in den Tanks die Arbeit der Treibstoffpumpen. Bei einer Überfüllung der Treibstofftanks fließt der überschüssige Treibstoff aus diesen Belüftungsöffnungen ab.

Die Treibstofffilterumgehung (engl. fuel filter bypass) wird bei einem Druckunterschied von mehr als 11,5 PSI am Treibstofffilter aktiviert. Die Umgehung des Treibstofffilters wird nie durch Vereisung ausgelöst, da der Treibstoff vor dem Eintritt in den Filter erwärmt wird.

Bei einem Ausfall der Treibstoffpumpen für einen Haupttank (engl. main fuel tank boost pump inoperative) ist darauf zu achten, dass kein Ungleichgewicht zwischen dem rechten und linken Haupttank auftritt. Deshalb muss das Crossfeedventil geöffnet werden, wenn die Treibstoffmenge unter 2600 kg fällt. Sollten jedoch in einem Haupttank gleichzeitig beide Treibstoffpumpen ausfallen, dann ist das Crossfeedventil geschlossen zu halten. Bei Flughöhen über 30.000 Fuß kann es zu einem Leistungsabfall kommen. Das Sinken auf eine niedrigere Flughöhe ist jedoch nur erforderlich, wenn die Verschlechterung der Flugleistung oder ein Flame-out unmittelbar nach dem Ausfall der Treibstoffpumpen aufgetreten ist.

Beim Betrieb am Boden müssen die Treibstoffpumpen des Mitteltanks ausgeschaltet sein, wenn der Tankinhalt unter 453 kg liegt. Eine Ausnahme dafür gibt es nur für das Ablassen oder Umpumpen des Treibstoffs.

Wenn am Fuel Panel beide Lichter für die „Low Pressure“-Anzeige aufleuchten, also der Treibstoff im Mitteltank zur Neige geht, müssen die Treibstoffpumpen für den Mitteltank ausgeschaltet werden. Aus dem gleichen Grund dürfen die Treibstoffpumpen für den Mitteltank nur angeschaltet sein, wenn sich mindestens ein Pilot im Cockpit aufhält, der die „Low Pressure“-Anzeige überwachen kann.

Da die Treibstoffpumpen des Mitteltanks mit Treibstoff gekühlt werden, dürfen sie nicht trocken laufen. Herausgesprungene Sicherungen für Treibstoffpumpen dürfen während des Fluges nicht wieder aktiviert werden.

Leuchtet im Cockpit das „Low Pressure“-Licht der Treibstoffpumpen, dann müssen diese ausgeschaltet werden. Zum einen wegen des Heißlaufens der trockenen Pumpe und der damit verbundenen Explosionsgefahr, zum andern aber auch wegen des drohenden Abreißens der Flüssigkeitssäule in der Pumpe und der dann bei einer erneuten Inbetriebnahme (bei nunmehr vollem Tank) wegen der enthaltenen Luft keine Pumpleistung mehr erbracht wird. Läuft die Pumpe für etwa zehn Minuten trocken weiter, erbringt sie später keine Pumpleistung mehr und muss manuell mit Treibstoff aufgefüllt werden (engl. prime).

Leuchtet beim Anschalten der Treibstoffpumpe und ausreichend gefülltem Tank sofort das „Low Pressure“-Licht auf und verlischt es nach über 20 Sekunden nicht, handelt es sich wahrscheinlich um solch eine trockengelaufene Treibstoffpumpe, die keine Förderleistung mehr bringt und geprimt werden muss.

Die „Überkreuzzuleitung“ des Treibstoffes von der jeweils anderen Seite wird im Flug geöffnet, wenn die Treibstoffmenge unter 2600 kg fällt.

Am 11. Mai 1990 explodierte vor dem Start in Manila bei einer Boeing 737-300 der Philippine Airlines der mittlere Tank. Die Maschine wurde am Boden zerstört. Die Ursache war das Weiterlaufen der Treibstoffpumpen des leeren Mitteltanks. Da die Treibstoffpumpen mit dem gepumpten Treibstoff gekühlt werden, liefen sie ohne Schmierung heiß. Bei einer anderen, ähnlichen Explosion am Boden war der Mitteltank nur fast leer. Hinzu kamen hohe Außentemperaturen. Auch in einem leeren Treibstofftank befinden sich noch geringe Treibstoffmengen, die bei Hitze verdampfen und zusammen mit Sauerstoff ein explosives Gemisch bilden.

Wegen 15 ähnlicher Explosionen von leeren Treibstofftanks seit 1959 verlangte die FAA im Juni 2001 eine Verbesserung der Konstruktion und der Instandhaltung der Treibstofftanks (SFAR88), um die Wahrscheinlichkeit solcher Explosionen künftig zu reduzieren. Die Verbesserungen betrafen die Konstruktion der Treibstoffpumpen, die Anzeige der Treibstoffmenge, die elektrischen Installationen im Tank sowie die in der Nähe der Tanks verlaufenden pneumatischen Systeme und Heißluftleitungen der Klimaanlage für die Druckkabine. Seit Mai 2004 werden die B737 mit Treibstoffpumpen ausgeliefert, die sich automatisch abschalten, wenn die Sensoren einen niedrigen Auslassdruck an den Pumpen anzeigen.

Noch in der Erforschung ist bei Boeing die Begasung des Mitteltanks mit Inertgas – einem reaktionsträgen Gas, das keinen Sauerstoff enthält und deshalb die Entzündung der verdunsteten Treibstoffgase unmöglich macht. Als Inertgas soll Stickstoff verwendet werden, das 78 % der Luft ausmacht und im Flug aus der Luft gewonnen werden soll. So soll die Entflammbarkeit des Treibstoffes im Mitteltank auf oder unter das Niveau in den Haupttanks gesenkt werden. Zur Stickstoffgewinnung wird ein „Stickstoffgenerator“ (Nitrogen Generating System – NGS) benutzt. Die eigentliche Trennung von Luftsauerstoff und Stickstoff erfolgt im Air Separation Module (ASM). Nach der Trennung wird die stickstoffangereicherte Luft (nitrogen enriched air – NEA) in den Mitteltank gepumpt und so die sauerstoffreiche Luft (oxygen enriched air – OEA) über die Belüftungsdüsen aus dem Tank verdrängt. Es wird keine reine Stickstoffatmosphäre im Tank geschaffen. Der Sauerstoffgehalt in der Luft wird lediglich von 21 % auf 12 % gesenkt, wodurch die Entflammbarkeit schon sehr stark reduziert wird. Das lässt sich bei der B737 mit einem „Stickstoffgenerator“ erreichen, während für eine B747 sechs Stickstoffgeneratoren benötigt werden.

Als Alternative ist die Stickstofferzeugung und Zuführung am Boden in der Erforschung. Wegen der abgeschlossenen Tanks bleibt auch bei dieser Technik das zugeführte Stickstoffgas während des Fluges im Tank und reduziert so die Explosionsgefahr.

Für das Betanken mit Passagieren an Bord sind besondere Sicherheitsmaßnahmen einzuhalten. Im ICAO-Dokument „Airport Service Manual“, Part 1, „Rescue and Firefighting“, ist festgelegt, wie bei einer Betankung mit Passagieren an Bord die Fluchtmöglichkeiten im Brandfall sichergestellt werden. Alle bordeigenen Treppen müssen dabei einsatzbereit und hindernisfrei zur Verfügung stehen. Insgesamt sind diese Vorschriften jedoch sehr allgemein gehalten: Bei Betankungsvorgängen mit Passagieren an Bord „hat der Fluggerätebetreiber für geeigneten Feuerschutz zu sorgen oder den Feuerschutz der Flughafenfeuerwehr anzufordern“. Vorgeschrieben sind „Sicherheitsmaßnahmen in der Kabine, Sicherstellung der Rettungswege, Freihaltung der Evakuierungsflächen“.

Die entsprechende EU-Verordnung 965/2012[2] besagt:

Kein Luftfahrzeug darf mit Avgas (Flugbenzin) oder einem Kraftstoff mit breitem Siedepunktbereich (Wide Cut Fuel) oder einem Gemisch dieser Kraftstoffarten betankt/enttankt werden, wenn Fluggäste einsteigen, sich an Bord befinden oder aussteigen.

Bei allen anderen Kraftstoffarten sind die notwendigen Vorsichtsmaßnahmen zu ergreifen, und das Luftfahrzeug ist ordnungsgemäß mit geschultem Personal zu besetzen, das bereitsteht, um eine Räumung des Luftfahrzeugs zweckmäßig und zügig mit den zur Verfügung stehenden Mitteln einzuleiten und zu lenken.

Verbindlich sind außerdem die Vorschriften des jeweiligen Flugplatzbetreibers, die sich in ihrer Strenge unterscheiden können. In diesen Vorschriften ist zu ersehen, welche Regelungen bezüglich der Feuerwehr getroffen wurden. Darüber hinaus kann die jeweilige Fluggesellschaft eigene Regeln erlassen. Nur wenige Fluggesellschaften verfügen über interne Dienstvorschriften, die die Feuerwehr löschbereit am Betankungsort vorsehen.

Bei unkontrolliertem Austreten von Kerosin, beispielsweise durch Übertanken oder wegen eines geplatzten Tankschlauches, ist der Tankvorgang sofort abzubrechen, die Passagiere sind aus dem Flugzeug zu evakuieren und die Flughafenfeuerwehr ist zu alarmieren.

Beispiel (Flughafen Stuttgart): Das Betanken mit Passagieren an Bord ist nur bei Verwendung von Kerosin mit einem Flammpunkt über 38 °C zulässig. Dabei muss ein Löschfahrzeug der Flughafenfeuerwehr mit zwei Mann Besatzung anwesend sein. Ausnahmen können in einem Regelausnahmeverfahren nach JAR OPS-1 genehmigt werden. Dazu ist unter anderem festgelegt, dass beim Tanken mit Passagieren an Bord eine geschulte Aufsichtsperson (meist ein Flugbegleiter) an einem festgelegten Platz (meist im Türbereich) an Bord sein muss, um gegebenenfalls die Notverfahren des Brandschutzes und der Brandbekämpfung durchzuführen, um die Evakuierung einzuleiten und zu lenken. Die Aufsichtsperson muss die Einhaltung des unbedingten Rauchverbots sicherstellen. Abfertigungsfahrzeuge (Catering, Baggagecarts usw.) dürfen weder den Zugangsweg der Feuerwehr noch die Evakuierungswege der Passagiere behindern. Es muss eine Sprechfunkverbindung zwischen Aufsichtsperson und Cockpit bestehen. Das Enttanken mit Passagieren an Bord ist nicht zulässig, da technisch bedingt ein erhöhtes Unfallrisiko besteht (Bildung von Treibstoff-Luft-Gemisch).