4 m großer Open Fan soll Flugzeuge über 20 % sparsamer machen
Vier Meter Durchmesser, keine Gondel: CFM testet Open-Fan-Technik, die künftige Verkehrsflugzeuge mehr als 20 % sparsamer machen soll.
Illustration des CFM-RISE-Konzepts: Der offene Fan arbeitet ohne geschlossenen Mantel und soll durch seinen großen Durchmesser den Kraftstoffverbrauch künftiger Verkehrsflugzeuge senken.
Foto: Safran Group
Mehr als 1,6 m misst eine einzelne Fanschaufel. Sie gehört zum Fan, dem großen Rotor an der Vorderseite des Triebwerks. Dieser bewegt den größten Teil der angesaugten Luft am Gasturbinenkern vorbei und liefert einen wesentlichen Teil des Schubs.
Die Fanschaufel muss Eis, Staub, Vogelschlag und enorme Fliehkräfte aushalten. Ein geschlossenes Fangehäuse schützt sie nicht. CFM International testet solche Bauteile nun in Originalgröße. Sie gehören zu einem neuartigen Antrieb, der künftige Verkehrsflugzeuge deutlich sparsamer machen soll.
Inhaltsverzeichnis
- Das steckt hinter Open Fan
- Fanschaufeln in Originalgröße auf dem Prüfstand
- Warum ein größerer Fan den Verbrauch senken kann
- Die 20 % hängen nicht allein am offenen Fan
- Lärm könnte über den Erfolg entscheiden
- Wie sicher ist ein Fan ohne geschlossenes Gehäuse?
- Neue Prüfkammer für das komplette Frontmodul
Das steckt hinter Open Fan
Das Konzept trägt den Namen Open Fan. Anders als bei einem klassischen Turbofan umschließt kein ringförmiger Mantel die großen Fanblätter. Der eigentliche Gasturbinenkern bleibt dagegen eingehaust. Durch die offene Bauweise kann der Fan einen Durchmesser von bis zu knapp vier Metern erreichen.
CFM International, ein Gemeinschaftsunternehmen von GE Aerospace und Safran Aircraft Engines, entwickelt die Technik im Programm RISE. Die Abkürzung steht für „Revolutionary Innovation for Sustainable Engines“. Das Ziel ist ehrgeizig: Künftige Flugzeugantriebe sollen mehr als 20 % weniger Kraftstoff benötigen als heutige Triebwerke.
Noch ist RISE jedoch kein serienreifes Produkt. CFM erprobt ein Bündel unterschiedlicher Technologien. Der Open Fan bildet davon nur den sichtbarsten Teil.
Fanschaufeln in Originalgröße auf dem Prüfstand
Die Ingenieurteams testen derzeit Fanschaufeln und nachgeschaltete Leitschaufeln in Originalgröße. Dabei prüfen sie nicht nur die aerodynamische Form. Im Mittelpunkt stehen vor allem Festigkeit, Lebensdauer und das Verhalten bei außergewöhnlichen Belastungen.
Zu den Versuchen gehören:
- Schlag- und Fremdkörpertests,
- Dauerfestigkeits- und Ermüdungsprüfungen,
- Untersuchungen zur Vereisung,
- Schwingungstests,
- Versuche mit Staub und anderen Partikeln.
Safran fertigt die mehr als 1,6 m langen Fanschaufeln aus kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Das senkt das Gewicht. Zugleich müssen die Bauteile über viele Tausend Betriebsstunden zuverlässig bleiben. Schon kleine Schwächen könnten sich bei den hohen Drehzahlen und Fliehkräften schwerwiegend auswirken.
Nach Angaben von Safran wurden bereits mehr als 175 Einsaug- und Dauertests mit verschiedenen Schaufelkonfigurationen durchgeführt. Inzwischen sind auch die vorläufigen Konstruktionsprüfungen für Fanblätter und Leitschaufeln abgeschlossen.
Ein vollständiger Open-Fan-Antrieb läuft allerdings noch nicht auf dem Prüfstand. CFM testet bislang vor allem einzelne Komponenten und Baugruppen. Als nächster großer Schritt soll ein komplettes Frontmodul folgen.
Warum ein größerer Fan den Verbrauch senken kann
Ein Flugzeugtriebwerk erzeugt Schub, indem es Luft nach hinten beschleunigt. Besonders effizient funktioniert das, wenn der Antrieb eine große Luftmasse nur vergleichsweise wenig beschleunigt. Genau deshalb sind die Fans moderner Verkehrsflugzeuge in den vergangenen Jahrzehnten immer größer geworden.
Bei einem Turbofan setzt die Gondel diesem Wachstum Grenzen. Ein größerer Durchmesser erhöht nicht nur das Gewicht. Er vergrößert auch die Stirnfläche und damit den Luftwiderstand. Hinzu kommen konstruktive Probleme bei der Integration unter dem Flügel.
Beim Open Fan entfällt der geschlossene Mantel um die Fanblätter. Dadurch lässt sich der Durchmesser weiter steigern, ohne eine entsprechend große Gondel bauen zu müssen. Der Fan bewegt mehr Luft und kann den benötigten Schub mit einer geringeren Geschwindigkeitsänderung erzeugen.
Hinter dem Rotor sitzen beim RISE-Konzept nicht rotierende Leitschaufeln. Sie richten die verwirbelte Luftströmung aus und gewinnen einen Teil der im Drall enthaltenen Energie zurück. Ihre Stellung lässt sich an unterschiedliche Betriebszustände anpassen.
Damit unterscheidet sich der aktuelle Entwurf von früheren Open-Rotor-Konzepten mit zwei gegenläufig rotierenden Rotoren. CFM setzt auf einen einzelnen Fan und eine nachgeschaltete Leitschaufelreihe. Das vereinfacht den mechanischen Aufbau.
Die 20 % hängen nicht allein am offenen Fan
CFM stellt eine Verbrauchssenkung von mehr als 20 % in Aussicht. Dieser Wert wurde jedoch noch nicht an einem vollständigen Triebwerk nachgewiesen. Er beschreibt das Entwicklungsziel für das gesamte RISE-Programm.
Neben dem Open Fan arbeitet CFM an einem kleineren und effizienteren Triebwerkskern. Weitere Bausteine sind neue Verdichter, Brennkammern, Werkstoffe und Kühlsysteme. Hinzu kommt eine schnell laufende Niederdruckturbine, die den großen Fan antreiben soll.
Ein Versuchsträger dieser Turbine hat nach Unternehmensangaben bereits mehr als 1000 Betriebsstunden absolviert. Insgesamt nennt CFM rund 500 Testkampagnen und mehr als 3000 Erprobungs- und Dauerfestigkeitszyklen innerhalb des Programms.
Auch hybride elektrische Systeme gehören zum Konzept. Elektrische Maschinen könnten als Motor-Generatoren arbeiten. Je nach Flugphase würden sie der Welle Leistung zuführen oder mechanische Energie entnehmen und in Strom umwandeln. Ob und in welchem Umfang diese Technik später in einem Serienantrieb eingesetzt wird, ist noch offen.
Lärm könnte über den Erfolg entscheiden
Open-Fan-Antriebe sind keine neue Idee. Bereits in den 1980er Jahren testete GE mit dem GE36 einen offenen Rotor. Das Konzept versprach deutliche Verbrauchsvorteile, blieb jedoch akustisch und konstruktiv anspruchsvoll. Sinkende Ölpreise verringerten zusätzlich den wirtschaftlichen Druck, die Technik weiterzuentwickeln.
Heute stehen leichtere Verbundwerkstoffe und deutlich leistungsfähigere Simulationsverfahren zur Verfügung. Ingenieurinnen und Ingenieure können die Form der Schaufeln präziser auf Wirkungsgrad und Geräuschentwicklung abstimmen.
Das Grundproblem bleibt dennoch bestehen. Da der Fan nicht von einem Mantel umgeben ist, breitet sich der Schall ungehinderter aus. Besonders kritisch sind die Blattspitzen und die Wechselwirkungen zwischen Rotor, Leitschaufeln, Flügel und Rumpf.
CFM erklärt, bisherige aeroakustische Versuche hätten die eigenen Entwicklungsziele übertroffen. Unabhängige Messwerte liegen bislang jedoch nicht vor.
Airbus und CFM haben bereits mehr als 500 Stunden mit verkleinerten Modellen in Windkanälen absolviert. Die Tests fanden unter anderem bei der französischen Forschungseinrichtung Onera und im Deutsch-Niederländischen Windkanal statt. Untersucht wurden sowohl hohe Fluggeschwindigkeiten als auch Start- und Landekonfigurationen.
Wie sicher ist ein Fan ohne geschlossenes Gehäuse?
Auch bei der Sicherheit unterscheidet sich der Open Fan grundlegend von einem Turbofan. Bei konventionellen Triebwerken bildet das Fangehäuse einen wichtigen Teil des sogenannten Containment-Konzepts. Es soll die Folgen einer abgelösten Fanschaufel innerhalb definierter Zulassungsszenarien begrenzen.
Ein geschlossener Fanmantel fehlt beim RISE-Konzept. Deshalb müssen CFM und die Flugzeughersteller andere Nachweise erbringen. Dazu gehören besonders widerstandsfähige Schaufeln, zuverlässige Befestigungen und eine geeignete Position des Triebwerks am Flugzeug.
Auch mögliche Bruchbahnen spielen eine Rolle. Die Entwickler müssen ausschließen, dass Teile einer beschädigten Schaufel kritische Bereiche wie Rumpf, Tragflächen, Treibstofftanks oder Leitwerk gefährden.
Die laufenden Schlag-, Schwingungs- und Dauerfestigkeitsprüfungen liefern dafür wichtige Daten. Sie ersetzen aber noch nicht die späteren Tests des vollständigen Systems.
Neue Prüfkammer für das komplette Frontmodul
Safran baut am Standort Villaroche bei Paris eine Prüfkammer mit 8 m Durchmesser. Dort soll das komplette Open-Fan-Frontmodul untersucht werden. Dazu gehören der Rotor, die nachgeschalteten Leitschaufeln und die Mechanik zur Verstellung der Schaufelwinkel.
Danach soll die Technik in die Luft. Airbus bereitet dafür einen A380 als fliegenden Versuchsträger vor. Das Großraumflugzeug bietet genügend Platz für Messsysteme und einen zusätzlichen experimentellen Antrieb.
Die Flugtests sind für das Ende des Jahrzehnts vorgesehen. Sie sollen zeigen, wie stark Open Fan und Flugzeug einander beeinflussen. Dabei geht es unter anderem um Schub, Widerstand, Lärm, Vibrationen und das Verhalten in verschiedenen Flugphasen.
Quellen und weiterführende Informationen:
GE Aerospace: Open Fan Advances Toward Flight Test Demonstration
Safran: Open Fan Advances Toward Flight Test Demonstration This Decade
Safran: Fortschritte bei Verbundwerkstoff-Fanschaufeln
Airbus: Testing the Open Fan’s Promise
Airbus und CFM: Flugdemonstrator für die Open-Fan-Architektur
GE Aerospace: Hintergrund zum RISE-Technologieprogramm
FAA: Turbine Engine Rotor Blade Containment/Durability (PDF)
NASA: Contributions to Aircraft Engine Noise Reduction (PDF)
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