High-Bypass-Triebwerke der Zukunft

High-Bypass-Triebwerke der Zukunft sind sauberer, leiser und sparsamer. Im EU-Technologieprogramm ENOVAL entwickelt die MTU Aero Engines dafür innovative Niederdruckturbinentechnik.

02.2018 | Autor: Denis Dilba

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Denis Dilba studierte Mechatronik, besuchte die Deutsche Jour­na­listen­schule und gründete das digitale Wissen­schafts­magazin Sub­stanz. Er schreibt über ver­schieden­ste Themen aus Technik und Wissen­schaft.

Die Kurve, die das Wachstum des weltweiten Luft­verkehrs beschreibt, kennt seit Jahr­zehnten nur eine Richtung: aufwärts. Und er wächst stetig weiter, Experten gehen von vier bis sechs Pro­zent Steigerungs­rate pro Jahr aus. Einen ähnlichen Trend weist eine andere Kurve auf – sie zeigt die Entwicklung der Neben­strom­ver­hältnisse (englisch: Bypass-Ratio, kurz BPR) von Flug­trieb­werken. Der Wert gibt an, wie viel Luft im Inneren der Gondel an der Brenn­kammer vorbei und wie viel durch sie hindurch strömt. Dabei gilt: Je höher der Wert, desto effizienter das Trieb­werk. Und das senkt wiederum Kraftstoff­verbrauch und Emissionen.

Höhere BPR sind damit eins der wirksamsten Werk­zeuge der Ingenieure, um das Wachs­tum des Luft­verkehrs umwelt­freundlicher zu gestalten. Die BPR-Kurve dokumentiert eindrucks­voll die Erfolge der Branche. Seit den 1960er Jahren sind die Werte von anfangs 2:1 über 6:1 für den Triebwerks­klassiker V2500 aus den 1980ern bis zum bisherigen Rekord­wert von 12:1 für den aktuellen Getriebe­fan (GTF) gestiegen. Dr. Edgar Merkl von MTU Aero Engines in München sorgt nun dafür, dass die BPR-Kurve für die Trieb­werke von morgen auch weiterhin steigt: Er leitet das vor vier Jahren gestartete EU-Projekt ENOVAL.

Mehr Wirkungsgrad, weniger Lärm

In „ENgine mOdule VALidators“ entwickeln 35 Partner, darunter Luft­fahrt­unter­nehmen, Forschungs­institute und Hoch­schulen aus zehn Ländern, Trie­bwerks­technik für Neben­strom­ver­hältnisse jenseits von 12:1. Experten sprechen von einer Ultra High Bypass Ratio (UHBR). „In ENOVAL bewegen wir uns in dem Bereich zwischen 14:1 und 16:1“, sagt Merkl. Durch die höhere BPR werde nicht nur der Vortriebs­wirkungs­grad gesteigert, wodurch Verbrauch und Emissionen sinken, erklärt der ENOVAL-Koor­di­nator, „die kommenden Trieb­werke werden auch nochmal leiser als der Getriebe­fan ohnehin schon ist.“

Dafür sorgen langsamere Strömungs­geschwindig­keiten im Austritts­strahl und die verminderte Dreh­zahl des Fans. So kommen seine Schaufel­spitzen nicht mehr in den Überschall­bereich – was eine der Haupt­lärm­quellen für Trieb­werke ist, die nicht wie der GTF und die Trieb­werke mit ENOVAL-Tech­no­logien auf ein Getriebe setzen, um Fan und Turbine getrennt in ihrem jeweils optimalen Dreh­zahl­bereich rotieren zu lassen. Insgesamt 1,3 Dezibel leiser werden die neuen UHBR-Trieb­werke, dazu stoßen sie bis zu fünf Pro­zent weniger CO2 aus. Für Mittel­strecken-Jets wie die Air­bus A320 ist das eine Ersparnis von 1.200 Tonnen CO2 pro Jahr – die gleiche Menge fällt für den Jahres­strom­verbrauch von 325 Durch­schnitts­haus­halten an.

Module des ENOVAL-Niederdrucksystems

Module des ENOVAL-Niederdrucksystems

Fokus auf Niederdrucksystem Im Projekt ENOVAL werden vor allem Möglich­keiten untersucht, um Lärm, Kraft­stoff­verbrauch und Emissionen mit Techno­logien im Nieder­druck­system zu reduzieren – im Unter­schied zu den Vorgänger­projekten LEMCOTEC und E-BREAK, die sich mit dem Gesamt­druck­verhältnis und Materialien für künftige Drücke beschäftigten. Zum Nieder­druck­system gehören Fan, Getriebe, Nieder­druck­verdichter und Nieder­druck­turbine. Zum MTU-Part im Projekt gehört insbesondere die Nieder­druck­turbine.

Fokus auf Niederdrucksystem

„Nimmt man die Technologien aus Vorgänger­pro­jekten wie LEMCOTEC und E-BREAK dazu, sind wir im Vergleich zu einem Jahr-2000-Trieb­werk sogar neun Dezibel leiser – und ver­rin­gern den CO2-Aus­stoß um rund 28 Pro­zent“, sagt ENOVAL-Chief Engineer Dr. Jörg Sieber. Damit erfülle man in Summe schon locker die ACARE-Ziele für 2020. Während in LEMCOTEC und E-BREAK Tech­no­logien entwickelt wurden, die zum einen das Gesamt­druck­verhältnis und damit den thermischen Wirkungs­grad erhöhen und zum anderen Materialien und Sub­systeme an die künftig steigenden Drücke und Tem­pe­ra­turen anpassen, fokussiert ENOVAL auf die Ent­wicklung des Nieder­druck­systems für UHBR-Trieb­werke.

Der MTU-Anteil in dem Projekt liegt dabei ins­be­son­dere bei der schnell­laufen­den Nieder­druck­turbine – den Systemen Fan, Getriebe und Nieder­druck­verdichter widmen sich andere ENOVAL-Part­ner. Die Schwierig­keit dabei ist, die Verbes­serung des Gesamt­systems im Auge zu behalten. „Denn einfach jede Kompo­nente im Trieb­werk einzeln opti­mieren und dann zusammen­bauen ergibt noch kein optimales UHBR-Trieb­werk“, sagt Sieber.

Eine andere Herausforderung ist, dass UHBR-Trieb­werke zunächst größer und schwerer werden. „Um mehr Luft­masse bewegen zu können, muss der Fan größer werden“, sagt Sieber. Damit wachse auch der Luft­widerstand. Die negativen Einflüsse müssten durch leichtere und effizientere Nieder­druck­module kompensiert werden, so der MTU-Ingenieur. Mehr Platz unter dem Flügel brauchen die neuen UHBR-Trieb­werke aber in jedem Fall: Sie werden zwischen 20 und 35 Pro­zent größer aus­fallen als ein 2000er-Trieb­werk – je nachdem ob sie für Kurz- oder Lang­strecken­flugzeuge optimiert werden.

ENOVAL-TRIEBWERKSPLATTFORMEN / 3 PLATTFORMEN FÜR VERSCHIEDENSTE ANWENDUNGEN

Kleiner bis mittlerer Turbofan Großer Turbofan Sehr großer Turbofan
Startschub 85,8 kN / 19,3 klbf 252 kN / 56,7 klbf 340 kN / 76,5 klbf
Konfiguration 1-Gear-3-8-2-3 1-Gear-4-11-2-4 1-Gear-3-9-2-4
Fandurchmesser 2,03 m / 79,8 in 3,17 m / 124,6 in 3,84 m / 151,1 in
Fandruckverhältnis (Steigendpunkt) 1,36 1,51 1,41
Nebenstromverhältnis (Reiseflug) 16,2 16,2 16,0
Gesamtdruckverhältnis (Steigendpunkt) 54,7 73 59
Spezifischer Kraftstoffverbr. (Reiseflug) 13,98g/kN/s / 0,494 lb/h/lbf 13,73 g/kN/s / 0,485 lb/h/lbf 13,47 g/kN/s / 0,476 lb/h/lbf
Triebwerksgewicht 4.000 kg 10.136 kg 11.625 kg

Quelle: Enoval

Größere Triebwerksdurchmesser beeinflussen die Bauweise der Flugzeuge

Mindestens genauso groß wird auch der Ultra­fan von Rolls-­Royce. Bei dem Trieb­werk, das ein BPR von über 15:1 haben soll und zur Indienst­stellung ab 2025 angekündigt ist, setzt das britische Unter­nehmen erstmals auch auf ein Getriebe zwischen Fan und Turbine. „Wegen der Vorteile einer Getriebe­konfi­guration für den Gesamt­wirkungs­grad geht der Trend bei allen Wett­bewerbern eindeutig zu dieser Bauart“, sagt Merkl. Rolls-Royce visiert mit dem Ultra­fan vor allem die Nach­folger der großen Passa­gier­jets Boeing 747 oder Air­bus A380 an. Auch die Trieb­werke mit ENOVAL-Tech­no­logie passen noch unter die Flügel von klassisch konfi­gurierten Flug­zeugen.

Bei noch größeren Triebwerksdurchmessern komme man dann schnell an den Punkt, an dem man über andere Flugzeug­konfi­gurationen nach­denken muss, sagt Dr. Jochen Kaiser, Leiter Visionäre Flug­zeug­konzepte am Forschungs­institut Bauhaus Luftfahrt in München. „Dazu könnte man die Flügel höher am Rumpf ansetzen als heute oder größere Schulter­decker bauen“, sagt Kaiser. Damit werden Flug­zeuge wie die Airbus A400M bezeichnet, deren Tragflächen bündig zur Ober­kante des Rumpfes angeordnet sind.

Fakten zu ENOVAL (Engine Modules Validators)

ENOVAL ist eine Initiative der Engine Industrial Management Group (EIMG). Sie rundet die Roadmap der Level-2-Triebwerks­pro­gramme (Komponentenvalidierung) im 7. EU-Forschungs­rahmen­programm (FP7) ab und ergänzt die Level-2-Projekte LEMCOTEC und E-BREAK.

Budget: 45,1 Mio. € (Förderung durch EK: 26,5 Mio. €)
Laufzeit: 58 Monate (Okt. 2013–Juli 2018)
Partner: 35 Partner aus 10 Ländern
Koordinator: MTU Aero Engines AG, München

Vielleicht verhilft so eine Konfiguration auch dem Open-Rotor-­Kon­zept zum Einsatz. Die Flug­motoren, bei denen ein oder zwei Rotoren von einem Kern­trieb­werk auf Touren gebracht werden, haben BPRs jenseits von 30 – aber wegen ihrer offenen Bau­weise ohne Gehäuse ein Lärm­problem. „Für Groß­flug­zeuge kommen sie unserer Ein­schätzung nach nicht in Frage“, sagt Merkl. „Für kleinere Flug­zeuge könnte der Open Rotor aber irgend­wann einmal ­attraktiv werden.“ Möglicher­weise könnten solche Trieb­werke dann auf den Trag­flächen platziert werden, was den Lärm abschirmen ­würde. Dazu wären aber neue Flug­zeug-Bau­formen nötig.

„Für die klassische Flugzeugkonfiguration wird man die BPR noch bis 20:1 steigern können – dann ist das Optimum erreicht.“ Aber dafür werden neue Mate­rialien und verbesserte Dichtungs­systeme gebraucht, die eine weitere Erhöhung des Druck­ver­hält­nisses im Kern­trieb­werk zulassen, so Merkl. Vor 2035 sei da nichts zu erwarten. Die UHBR-Trieb­werke der ENOVAL-Gene­ration stehen lange vorher bereit: „Wir gehen von einer Indienst­stellung ab 2025 aus“, sagt der ENOVAL-Koordi­nator.

Dann steht sehr wahrscheinlich schon die übernächste ­UHBR-Trieb­werks­gene­ration in den Startlöchern. „Wir wollen schließlich unseren Vorsprung halten“, sagt Merkl.

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