Mittendrin: Das Turbinen­zwischen­ge­häuse für Groß­trieb­werke

Turbinenzwischengehäuse für Großtriebwerke.

11.2015 | Autor: Patrick Hoeveler

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Patrick Hoeveler ist seit rund 15 Jahren als Redakteur bei dem Luft- und Raumfahrtmagazin FLUG REVUE tätig und dort unter anderem für die Rubriken Triebwerke, Regionalluftfahrt und Historie zuständig.

Widebody-Trieb­werke von GE Aviation verfügen über eine Schlüs­sel­kom­po­nente, die aus Deutsch­land stammt: MTU Aero Engines ent­wick­elt und fertigt Tur­bi­nen­zwischen­ge­häuse für das GP7000, das GEnx und seit neuestem auch das GE9X.

Hohe Temperaturen, enorme Drücke, große Dreh­zahlen: In einem Triebwerk herrschen die heraus­for­derndsten Be­ding­ungen in einem Flug­zeug. Mittendrin befindet sich das Turbinen­zwischen­gehäuse, dem eine Schlüssel­rolle in jedem Turbo­fan zukommt. Die eng­li­sche Be­zeich­nung „Turbine Center Frame“ (TCF) klingt ähnlich wie die deutsche Über­setz­ung wenig spek­ta­ku­lär, doch allein die Position im Antrieb verrät die Be­deu­tung: Der TCF liegt zwi­schen der Hoch­druck­turbine und Nie­der­druck­turbine, und erfüllt dort zwei wichtige Funk­tionen. Er verbindet das hintere Lager der Hoch­druck­welle mit dem Gehäuse und bildet aero­dy­na­misch den Über­gangs­kanal zwischen der Hoch- und Nie­der­druck­tur­bine. „Hier herrschen sehr hohe Be­las­tung­en, weil die Lager­lasten durch die TCF-Struktur in das Außen­gehäuse geleitet werden. Bei Fehler­fällen wie einer ge­broch­enen Fan-Schau­fel muss das Tur­bi­nen­zwischen­ge­häuse die auf­tre­tenden Lasten hin­sicht­lich me­cha­nischer Inte­grität verkraften können“, er­klärt Dr. Martin Metscher, Ent­wick­lungs­leiter GE9X bei MTU Aero Engines. Außerdem muss die Kom­po­nen­te dauerhaft Tem­pe­ra­tur­en von mehr als 1.000 Grad Celsius aushalten.

Ein TCF besteht im We­sent­lich­en aus zwei Haupt­bau­gruppen. Der so­ge­nan­nte Hub-Strut-Case ist die tra­gen­de Struk­tur und stellt ein Gehäuse mit mehreren Stütz­streben dar. Diese halten wie­der­um die Nabe, in der das Lager sitzt. Die Ver­klei­dung der Stre­ben, auch Flow­path Hard­ware ge­nannt, bildet den Strö­mungs­kanal für das Heiß­gas aus der Hoch­druck­turbine. Dazu gibt es noch eine Viel­zahl von Dich­tung­en, sowie Öl­lei­tungen und Kühl­luft­lei­tung­en, durch die Luft und Öl durch den TCF zu den Tur­binen und zum Lager geführt werden.

High-Tech-Fertigung Montage eines GEnx-Turbinenzwischengehäuses.

High-Tech-Fertigung für Bestseller GEnx

Den Einstieg in diesen Bereich erhielt die MTU mit dem Triebwerk für die Airbus A380, dem Engine Alliance GP7000. Dessen TCF baut auf der im GE90 von GE Aviation ver­wen­deten Aus­füh­rung auf und wurde von den MTU-In­ge­nieu­ren an­ge­passt und op­ti­miert. Bis dato hat das Un­ter­neh­men mehr als 400 Exemplare aus­geliefert. „Die MTU wollte sich als Kom­pe­tenz­zen­trum für TCFs von GE po­si­tio­nieren“, sagt Metscher, und im Jahr 2008 gelang dann der end­gültige Durch­bruch: Die deutsche Firma über­nahm die Ver­ant­wort­ung für dieses Bau­teil auch für das GEnx, das die Boeing 747-8 und 787 antreibt. Wie­derum konnten die Spe­zia­lis­ten in München den Center Frame op­ti­mieren und inner­halb kürzester Zeit die Ferti­gung hoch­fahren. Schon Ende August 2011 nahm GE das erste Seg­ment in Empfang. Im Mai 2012 stellte Cargolux an einer Boeing 747-8 ein GEnx mit einem Tur­bi­nen­zwischen­ge­häu­se aus Deutsch­land in Dienst. Seit­dem haben mehr als 700 Ex­emplare die Fer­ti­gungs­halle am Hauptsitz der MTU verlassen. Im Schnitt entsteht pro Tag ein Turbine Center Frame.

Die hohe Pro­duk­ti­ons­rate ist nicht nur angesichts der jeweils fast 3.000 Einzel­teile kein Kinder­spiel, wie Metscher weiß: „Die Fer­ti­gung des TCF ist kom­pli­ziert. Wir arbeiten mit sehr großen Teilen, die auf­grund der hohen An­for­derung­en an Tem­pe­ratur­ni­veau und Festig­keits­werte aus schwer zu zer­spa­nenden Ma­te­ri­alien bestehen.“ Die Mon­tage erfolgt wei­test­gehend mit klas­sischen Me­tho­den, die dennoch aufgrund der sehr hohen Ge­nau­ig­keits­an­for­de­rungen so manche Heraus­for­de­rung bietet. Schließ­lich definiert das Gehäuse die Position des Lagers, die wichtig für die Spalt­halt­ung der Kom­po­nenten im gesamten Hoch­druck­bereich ist. Ein op­ti­males Spalt­maß bleibt wiederum un­er­läss­lich für eine hohe Ef­fi­zienz des gesamten Trieb­werks und stellt damit einen niedrigen Kraft­stoff­verbrauch sicher. Ob­wohl die Bau­teile einen Durch­messer von teil­weise rund 1,50 Metern besitzen, wäre eine Ab­weich­ung von nur einem Mil­li­meter schon viel zu viel. Die zwei Fer­ti­gungs­linien zeichnen sich durch einen hohen Grad an Auto­mati­sie­rung aus. „Hier defi­nieren wir mit neuen Fer­ti­gungs­ma­schi­nen den Stand der Tech­nik. Die Anlagen verbohren die Bau­teile mit­einander und ver­schrau­ben sie an­schließend. Wir erproben teil­weise eine auto­mati­sierte Fer­ti­gung, und arbeiten nahezu rund um die Uhr. Unsere Stärke liegt darin, dass Fer­ti­gung, Mon­tage und Engineering stark an einem Standort verzahnt sind“, meint Metscher. Dies sieht auch der Partner aus den USA so: „MTU bringt eine enorme Er­fah­rung und Tech­no­lo­gie sowohl auf der Her­stel­ler­seite als auch bei der In­stand­setzung mit. Wir sind sehr froh, MTU als Partner bei diesem und künf­tigen Trieb­werken zu haben“, sagt Tom Levin, General Manager GEnx bei GE Aviation.

Video: Die TCF Fertigung für den GEnx-Antrieb Artikel mit Video

Die TCF Fertigung für den GEnx-Antrieb

Am Standort in München entwickelt und fertigt die MTU die Turbinenzwischengehäuse, die beispielsweise im GEnx für den Boeing 787 Dreamliner verbaut werden. Zum Video ...

Neue Fertigungsverfahren

Weitere Fort­schrit­te verspricht der neueste Tur­bine Center Frame, den die MTU nun für das GE9X-Trieb­werk der Boeing 777X ent­wickelt. „Ins­be­son­dere bei den Stre­ben der Hub-Strut-Cases über­legen wir, ob wir diese in Zukunft mit Hilfe des ad­ditiven Ver­fahrens her­stel­len könnten.“ Dabei schmilzt ein Laser Schicht für Schicht Bau­teile aus einem Metall­pulver­bett auf. Im Vergleich zu Guss­teilen sinken auf diese Weise die Her­stel­lungs­kosten deutlich. Auch der Entwurf weist laut Metscher Ver­bes­se­rung­en auf: „Das TCF des GE9X musste noch einmal leichter werden als die Aus­füh­rung im GEnx. Dank unserer Er­fah­rung und ver­bes­serten Aus­le­gungs­ver­fah­ren konnten wir die Kom­po­nente im Rahmen einer klas­sischen Evo­lution noch besser optimieren.“ Ende des Jahres beginnt in München die Montage des ersten Ge­häu­ses, das dann 2016 im ersten Trieb­werk bei GE Aviation getestet wird. In Dienst soll das GE9X im Jahr 2020 gehen; mehr als 800 Antriebe sind bereits verkauft.

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