Antriebstechnik 16.05.2008, 19:35 Uhr

Der nächste Sprung?  

Die Triebwerkshersteller arbeiten auf Hochtouren an neuen Konzepten, um künftige Antriebe noch umweltfreundlicher zu machen.

Die Themen Klimawandel und Senkung von Emissionen sind mehr denn je in aller Munde. Davon bleibt auch die Luftfahrt nicht ausgenommen, obwohl ihr Anteil an den vom Menschen erzeugten Kohlenstoffdioxid-Emissionen laut Weltklimarat nur rund 2 % beträgt.

Dabei war insbesondere die Triebwerksindustrie in der Vergangenheit nicht untätig. So haben die Ingenieure seit den 60er Jahren den Treibstoffverbrauch um knapp die Hälfte, den Lärm um 75 % sowie den Ausstoß von Rauchgasen und Kohlenwasserstoffen um über 90 % reduziert.

Diesen großen Sprung ermöglichte vor allem die Einführung von Turbotriebwerken mit einem hohen Nebenstromverhältnis, bei denen ein Großteil der angesaugten Luft am Kerntriebwerk vorbeifließt. Je höher das Verhältnis ist, desto leistungsfähiger und gleichzeitig sparsamer wird das Triebwerk.

Daher spielt diese „Bypass-Ratio“ eine zentrale Rolle in den aktuellen Bemühungen. Allerdings kann sie nicht beliebig gesteigert werden. Irgendwann erweist sich die Fangeschwindigkeit einfach als zu hoch, weil die Blattspitzen bereits Überschallgeschwindigkeit erreichen und so für unerwünschten Lärm sorgen. Reduziert man die Bläserdrehzahl entsprechend, dreht die auf der selben Welle angeordnete Niederdruckturbine zu langsam. Um dies zu kompensieren wären viele Stufen und größere Durchmesser nötig.

Dies macht die Arbeit der Designer nicht einfacher. Schließlich strebt die europäische Forschungsvereinigung ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe) bis zum Jahr 2020 für zukünftige Antriebe eine weitere Reduzierung des CO2-Ausstoßes um 20 % sowie der Stickoxidemissionen um 80 % an. Aufgrund des hohen Ölpreises fordern natürlich auch die Kunden einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch.

Leicht wird das Erreichen der ehrgeizigen Ziele nicht. „Wenn man sich gewissen Grenzen nähert, wird es schwierig, auch nur ein weiteres Prozent herauszuquetschen“, so Ric Parker, Direktor für Forschung und Technologie bei Rolls-Royce.

Die Spezialisten sind dabei ständig auf der Suche nach einem optimalen Mittelweg. So lässt sich laut Parker zwar der Kreisprozess im Triebwerk durch ein höheres Druckverhältnis verbessern. „Dies hat aber zur Folge, dass der Stickoxidausstoß steigt. Die Konstrukteure müssen ständig kämpfen, das Kohlenstoffdioxid zu minimieren, ohne das Stickoxid zu stark ansteigen zu lassen. Die Optimierung der Effizienz der einzelnen Komponenten ist ebenfalls schwierig, da wir schon bei rund 90 % angelangt sind.“

Daran hat sich bis heute nichts geändert, und so scheint ein weiterer Sprung nur mithilfe neuer Triebwerksauslegungen möglich.

Das US-Unternehmen Pratt & Whitney setzt beispielsweise auf den so genannten Getriebefan-Triebwerke. Das Besondere an diesem „Geared Turbofan“ (GTF) stellt ein Untersetzungsgetriebe dar, das Bläser und Niederdruckturbine trennt und so deren Wellendrehzahlen entkoppelt. Beide Komponenten arbeiten so in ihren optimalen Bereichen. Das Getriebe besitzt ein Untersetzungsverhältnis von 3:1, das heißt der Bläser dreht mit 2500 min-1 bis 3000 min-1 dreimal so langsam wie die Turbine (9000 min-1) und kann daher einen größeren Durchmesser aufweisen, ohne in den kritischen Geschwindigkeitsbereich vorzustoßen.

Dieser Aufbau verdoppelt nahezu das Nebenstromverhältnis im Vergleich zu heutigen Treiberwerken wie dem CFM56 oder IAE V2500 auf bis zu 12:1.

Für den Treibstoffverbrauch und die Kohlendioxid-Emissionen bedeutet dies eine mögliche Reduzierung jeweils um 12 %. Zudem soll sich der subjektiv empfundene Lärm halbieren, da der langsamere Fan weniger Geräusche verursacht.

Trotz seiner Vorteile konnte sich das Getriebefankonzept jedoch – bis auf eine kleine Familie für Geschäftsreise- und Regionalflugzeuge – bislang nicht durchsetzen. Schon seit den 80er Jahren forscht Pratt & Whitney an diesem Triebwerkskonzept, nun wollen es die Amerikaner wissen.

Auf einem Prüfstand in Florida läuft bereits seit Ende letzten Jahres ein Demonstrator auf der Basis eines PW6000-Triebwerks wie es am Airbus A318 eingesetzt wird. In diesem Sommer stehen dann Flugversuche an einer Boeing 747 an. Anschließend will auch Airbus das Versuchstriebwerk an einer eigenen A340 erproben, um sich einen Überblick über die neue Technologie zu verschaffen.

Außerdem entschieden sich gleich zwei Flugzeughersteller für den GTF als Antrieb für ihre neuen Produkte. Den Anfang macht Mitsubishi mit dem 70- bis 90-sitzigen Regionaljet MRJ, gefolgt von Bombardier mit der 110- bis 130-sitzigen C-Serie. Beide Maschinen sollen im Jahr 2013 in Dienst gehen.

An diesen Triebwerksprogrammen ist auch die MTU Aero Engines mit jeweils rund 15 % beteiligt. Die deutsche Firma aus München liefert unter anderem die schnell laufende Niederdruckturbine und Teile des Hochdruckverdichters. „Der Getriebefan bietet einen weiteren Quantensprung“, meint Dr. Anton Binder, Leiter zivile Programme MTU Aero Engines. „Er stellt das Optimum an Geräusch, Verbrauch, Installation und Fluggeschwindigkeit dar.“

Ob der Geared Fan allerdings bei einem Nachfolgemodell des Airbus A320 und der Boeing 737 zum Einsatz kommen wird, ist noch offen.

Noch exotischer könnte die Zukunft aussehen, falls der Kohlendioxidausstoß zum absolut dominierenden Kriterium wird. Für diesen Fall untersuchen die Strategen auf beiden Seiten des Atlantiks das Konzept eines nicht ummantelten Propfans, wie es GE schon Ende der 80er Jahre anlässlich der damaligen Ölpreiskrise im Rahmen des Unducted Fan (UDF)-Programms an einer McDonnell Douglas MD-80 getestet hatte.

Die aktuellen Studien laufen unter dem Namen „Open Rotor“. Ein solches Aggregat im Schubbereich des heutigen CFM56-Triebwerks, das an der Airbus-A320-Familie fliegt, besäße ein Nebenstromverhältnis von 35:1 und könnte im Vergleich zu heutigen Antrieben den Treibstoffverbrauch um bis zu 25 % senken.

Die Herausforderung liegt vor allem beim Lärm, denn, um das Drehmoment auszugleichen, sind zwei gegenläufige Reihen von Luftschrauben nötig. Deren Interaktion erhöht den Geräuschpegel. Aber auch der Durchmesser von 4,27 m wirft bei der Installation an einem Flugzeug neue Fragen auf. Außerdem muss der Verstellmechanismus der Blätter äußerst zuverlässig sein. Eine eventuelle Einsatzreife peilt man daher für frühestens Ende des nächsten Jahrzehnts an.

PATRICK HOEVELER

Von Patrick Hoeveler

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