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Der Triebwerksbau muss ran!

Wie wirtschaftlich und emmissionarm Passagierflugzeuge künftig betrieben werden können, hängt stark von den nächsten Evolutionsschritten in der Triebwerksentwicklung ab. Dort herrscht allenthalben Hochbetrieb. aerotec wirft einen Blick auf Projekte und Konzepte, die den Triebwerksbau revolutionieren könnten.Seit mehr als zwanzig Jahren arbeiten Ingenieure daran, Flugzeuge leichter, sparsamer und leiser zu machen. Der durchschnittliche Kerosinverbrauch einer Maschine sank in dieser Zeit um knapp dreißig Prozent. „Die Airlines wollten, dass ihre Flugzeuge so günstig wie möglich fliegen und sie wollten keinen Streit mit dem Gesetzgeber oder lärmgeplagten Bürgern”, sagt Odilo Mühling, der Sprecher des Münchener Triebwerkbauers MTU Aero Engines. Mit wesentlich für den Spritverbrauch sind natürlich die Triebwerke. Wird eines zum Beispiel um 250 Kilogramm leichter, spart das auf der Strecke von Frankfurt nach New York 1,2 Tonnen CO2 und 400 kg Kerosin ein. Die MTU will in den kommenden Jahren noch spritsparendere Triebwerke entwickeln und hat dafür das Programm Clean Air Engine (CLAIRE) aufgelegt.

Das verspricht wesentliche Effekte, denn die MTU ist größter Triebwerkhersteller in Deutschland und weltweit die Nr. 6 mit etwa 2,7 Mrd. Euro Umsatz pro Jahr. Wo sind also die Ansatzpunkte? Das Grundprinzip der Schuberzeugung hat als bisher erreichtes Optimum zu einem Zweikreis-Triebwerk mit einem zusätzlichen kalten Nebenstrom geführt. Dieser kalte Nebenstrom erzeugt den Großteil des Schubs. In den letzten Jahren wurde bei allen Herstellern daran gearbeitet, die Strahlgeschwindigkeit zu reduzieren und dafür den Luftmassendurchsatz im Triebwerk zu erhöhen. Das führt insgesamt zu einer Erhöhung des Vortriebwirkungsgrades. Eine Kenngröße dafür ist die Bypass Ratio (BPR). Sie beschreibt das Verhältnis von kaltem zum heißen Luftmassenstrom im Zweikreis-Triebwerk. Ein Beispiel: Fließt acht Mal mehr kühle Luft um den heißen Triebwerkskern, als ihn gleichzeitig durchströmt, liegt die Bypass Ratio bei acht. Die Faustregel lautet dann: Je höher die Bypass Ratio, desto effizienter arbeitet das Triebwerk.

Natürlich sind nicht nur die Triebwerkshersteller in Sachen Umwelt gefordert. Unter dem Namen ‚ACARE Vision 2020′ (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe) hat sich die gesamte Luftfahrtindustrie im Jahre 2001 eine Selbstverpflichtung mit sehr anspruchsvollen Zielen bis zum Jahr 2020 auferlegt: Die Halbierung des Fluglärms und die Reduzierung des NOx- um 80 und des CO2 -Ausstoßes um 50 Prozent. Ausgangspunkt für die Verbesserungsziele ist der Stand der Technik im Jahr 2000. Das CLAIRE-Programm soll dazu in drei Phasen einen wesentlichen Beitrag leisten. CLAIRE I setzt auf den Getriebe-Turbofan (GTF). Er wird in Kooperation mit P&W bis zum Jahr 2013 Einsatzreif sein. CLAIRE II bringt den Contra-Rotating Shrouded Integrated Propfan (CRISP) bis ca. 2025 zur Serienreife und danach kommt in der Roadmap CLAIRE III mit IRA, der Intercooled Recuperated Aeroengine. Das ist dann ein CRISP-Triebwerk mit Zwischenkühlung und Abgaswärmetauscher und soll im Jahr 2035 flugbereit sein. Nun ließe sich fragen: Warum dieser ganze Aufwand? Da ist ein Blick auf die Physik hilfreich. Der bisherige Ansatz bei der Triebwerksoptimierung war, die Bypass Ratio weiter zu erhöhen, also immer mehr kühle Luft um den heißen Triebwerkskern herumzuführen. Ändert man in der Konstruktion weiter nichts, werden irgendwann die Triebwerke dann im Durchmesser weiter wachsen, der Luftwiderstand solch großer Antriebe würde den Treibstoffverbrauch wieder massiv erhöhen.

Denn ein Triebwerk erfüllt seine Aufgabe ja als integrierter Bestandteil des Gesamtsystems. Das Gewicht und der aerodynamischen Widerstand des Flugzeugs spielen beim Energieverbrauch aber eine wesentliche Rolle. Der ausschließlichen Erhöhung des Nebenstromverhältnisses und damit der Triebwerksfrontfläche sind also Grenzen gesetzt. Deshalb setzt die MTU auf den Getriebe-Turbofan. Zur Steigerung des Vortriebwirkungsgrads von Triebwerken mit einer Bypass Ratio, die größer als zehn sein soll, ist es notwendig, den Fan von der Welle der Niederdruckturbine (NDT) über ein Untersetzungsgetriebe zu entkoppeln. Denn der Fan hat einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigen, die Niederdruckturbine jedoch erst bei sehr hohen Drehzahlen. Durch die Entkoppelung können beide Komponenten mit ihrer jeweils optimalen Drehzahl betrieben werden. Aufgrund des so erhöhten Wirkungsgrades der Niederdruckturbine, kann die Anzahl der notwendigen Turbinenstufen verringert werden.

Der Vorteil liegt in einer verkürzten Bauweise, einem geringeren Gewicht und nicht zuletzt in reduzierten Produktions- und Instandhaltungskosten des Niederdrucksystems. Ein Übersetzungsverhältnis von ungefähr drei ermöglicht eine schnell laufende Turbine, die einen großen, langsam drehenden Fan antreibt und dadurch eine Bypass Ratio deutlich über zehn ermöglicht. Ein langsam drehender Fan in Verbindung mit einem geringen Fandruckverhältnis (FPR) trägt dazu bei, den Vortriebswirkungsgrad weiter zu optimieren. Der Getriebefan besitzt das Potenzial, den Konflikt zwischen Fanlärm einerseits und der Wirkungsgradanforderung an die Niederdruckturbine andererseits zu lösen. Er verringert den Fanlärm, der sich näherungsweise aus der vierten Potenz zur Fangeschwindigkeit ergibt und den Strahllärm, der mit der Strahlgeschwindigkeit zunimmt. Aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten und dem daraus folgenden kleineren Drehmoment der Niederdruckturbine, kann der Durchmesser für die Niederdruckwelle verkleinert werden. Das erleichtert ihre Systemintegration und reduziert das Gesamtgewicht. Diese Technologie kommt seit 2007 in einem gemeinsamen Demonstrator-Projekt von P&W, MTU und Avio zum Nachweis des Betriebsverhaltens und als erfolgversprechender Ansatz für die Lärmreduktion zum Einsatz.

Ein von Avio entwickeltes GTF-Getriebe konnte seinen Bodenprüfstandslauf am 13. November 2007 absolvieren und das komplette Triebwerk wurde bereits in eine B747 und einen Airbus als fliegendem Prüfstände integriert. Der nächste Schritt auf der MTU Roadmap ist der CRISP, der ‚Contra-Rotating Shrouded Integrated Propfan’, also der ummantelte, gegenläufige Propfan. Diese Antriebe standen bereits Ende der 80er und Anfang der 90er Jahre im Fokus der Hersteller. Es bestand seinerzeit die Absicht, damit über deutliche Verbesserungen im Vortriebswirkungsgrad der Ölpreisexplosion zu begegnen. Heute rücken die Propfan-Konzepte sowohl aus Kraftstoffkosten- wie auch aus Klimaschutzgründen erneut ins Blickfeld. Damals wie heute sprechen gegen eine Markteinführung die ungelöste Lärmproblematik bei offenen Propfan-Antrieben. Die Integration am Flügel oder an der Zelle ist ebenfalls problematisch, die Reduzierung der auf die Zelle einwirkenden, niederfrequenten Schallanteile sowie die Notwendigkeit einer Kraftübertragung in Form eines Hochleistungs-Übersetzungsgetriebes für erhöhte Übersetzungsverhältnisse sind weitere, noch zu lösende Aufgaben.

Die MTU verfolgt damals wie heute das CRISP-Konzept, das verschiedene technologische Elemente aus der konventionellen Turbofan-Bauform mit neuen Propfan-Elementen kombiniert. Ein wesentlicher Vorteil vor allem beim Lärm ergibt sich für den CRISP aus der Verwendung einer konventionellen Ummantelung. Für die MTU ist auch entscheidend, dass die beiden Konzepte GTF und CRISP ähnliche technologische Grundanforderungen an die zugehörigen Kerntriebwerke aufweisen. Zwei gegenläufig drehende Fans besitzen im Gegensatz zu nur einem großen Fan das Potenzial, bei geringen Fandrehzahlen einen großen Massenstrom mit hoher Geschwindigkeit durch das Triebwerk zu bewegen. Da das Fandruckverhältnis durch zwei Fanstufen erhöht wird, sind weniger Rotorblätter (Blades) in jeder Stufe notwendig. Damit wird das Flächenverhältnis im Fan verbessert und bei hohen Axialgeschwindigkeiten der Strömung die aerodynamischen Stoßeffekte verringert. Der Antrieb läuft ruhiger und braucht weniger Instandsetzung. Abschließender Schritt der MTU Roadmap ist IRA, Intercooled Recuperated Aeroengine, also ein Triebwerk mit Zwischenkühlung und Abgaswärmetauscher. IRA kombiniert einen thermodynamisch hocheffizienten Kreisprozess, der die Restwärme aus dem Abgasstrahl zu der verdichteten Luft vor der Brennkammer zurückführt mit einem GTF-Triebwerk.

IRA erschließt den Bereich einer Bypass Ratio bei 20. Der dabei zum Einsatz kommende Wärmetauscher besteht im Grundaufbau aus einer Vielzahl gekoppelter Rohre, durch die die Verdichterluft strömt. Entlang dieser Rohre bewegen sich die wesentlich heißeren Abgase. Dadurch ist es möglich, Energie vom heißeren zum kälteren Luftstrom zu übertragen. Bei den IRAs werden solche Wärmetauscher eingesetzt, um die im Abgasstrahl vorhandene Restenergie der verdichteten Luft vor der Brennkammer wieder zuzuführen. Das ergibt einen deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades. Diese Methode wird bei Gasturbinen – zum Beispiel in Kraftwerken – bereits intensiv genutzt. Basiselemente des kompletten rekuperativen Triebwerkkonzepts wird dieser Kreisprozess mit
Zwischenkühlung zwischen Nieder- und Hochdruckverdichter
sowie Energierückgewinnung über einen Lanzetten-Wärmetauscher im Abgasstrahl sein, der den hohen Thermospannungen standhält, die im Flugbetrieb auftreten.
Die Kompaktheit ergibt sich durch die Bauweise: Die Lanzetten haben einen elliptischen Querschnitt und sind sehr eng gepackt. Mit einer Gesamtoberfläche von etwa 200 Quadratmetern nehmen acht Wärmetauscher
das heiße Abgas auf und erwärmen damit die Verdichterluft.
IRA ist das von der MTU favorisierte Triebwerkskonzept, um den Kraftstoffverbrauch vor allem auf Langstreckenflügen zu reduzieren. Denn es spart bis zu 10 Prozent Kraftstoff. Komplett ohne neue Technologie kommt ein Ansatz der Lufthansa aus. Denn man kann eine Senkung des Treibstoffverbrauchs pro Passagier und geflogenem Kilometer auch durch eine bessere Auslastung der Flugzeuge erreichen. Man müsste nur die für das jeweilige Passagieraufkommen passende Maschine einsetzen – also nicht mit zu großen, halb leeren Flugzeugen unterwegs sein.

Ein Ziel, an dem die Airlines allerdings schon lange und oft vergeblich arbeiten. Fasst man alle Einsparungsmöglichkeiten zusammen, erscheint eine Treibstoffverbrauchssenkung um 50 Prozent bis 2020 nicht ausgeschlossen – zumindest in der Theorie. Um das auch praktisch zu erreichen, haben sich die größten Industrieunternehmen Airbus, Dassault, Saab und Rolls Royce gemeinsam mit der EU eine Partnerschaft namens ‚Clean Sky’ ausgedacht. Insgesamt werden 1,6 Mrd. Euro – die Hälfte steuert die EU bei – in die Entwicklung neuer Technologien fließen. Zu den großen Zielen gehören auch hier die Verringerung der CO2-Emissionen sowie der Stickoxide um je 40 Prozent. Die Flugzeuge sollen um 20 Dezibel leiser werden. Und das bei einem von heute vier auf dann rund zwei Liter gedrückten Kerosinverbrauch pro 100 Passagierkilometer. Wir werden ja sehen, was sich mit diesen großen Investitionen bis zum Jahr 2020 für das Klima machen lässt. Notwendig sind solche Anstrengungen alle Mal.
Robert Wouters

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