Weniger Sprit, weniger Abgase, weniger Lärm, hohe Leistung, leichte Wartung: Triebwerkshersteller haben einen harten Job. Mit Hochdruck arbeiten sie an technologischen Lösungen, die zu der von den Airlines geforderten drastischen Verbrauchs- und Schadstoffreduktionen gegenüber heutigen Modellen führen sollen. MTU Aero Engines als Partner von Pratt & Whitney und anderen Herstellern verfolgen den Ansatz des Geared Turbofan, Rolls-Royce und deren Joint Ventures setzen derzeit auf das Open Rotor Konzept. Beide konkurrieren um die Gunst der Flugzeugbauer, nutzen ein im Kern identisches, bereits heute verfügbares, konventionelles Triebwerk.

Die Zeiten ändern sich und damit die Ziele, die man sich setzt. Für die Luftfahrtindustrie wird das vom Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (ACARE) besorgt. Dieses Gremium hat einen strategischen Ansatz ausgearbeitet. Und der gibt bis zum Jahr 2020 die Marschrichtung vor: Das gesamte System der Luftfahrt muss effizienter werden.

Konkret bedeutet das für Airlines und Flugzeugbauer eine Senkung des Treibstoffverbrauchs um 50 Prozent, eine Reduktion der CO2-Emissionen und des Umgebungslärms um 50 Prozent und die NOx-Emissionen müssen um 80 Prozent gedrückt werden. Zudem sind wesentliche Fortschritte in Hinsicht auf eine umweltfreundliche Fertigung, Wartung und Entsorgung zu erzielen. Da sind dann schon massive Investitionen in Technologien gefragt, die erheblich zur Steigerung der Umweltfreundlichkeit des Mobilitätssystems Luftfahrt beitragen. Erfolg versprechen dabei die Gewichtsminderung der Flugzeuge durch die Verwendung innovativer Werkstoffe. Ein gutes Beispiel dafür: Blisk. Die „Blade Integrated Disk” ersetzt bis zu 120 einzelne Blätter eines Turbinenschaufelrads durch eine Scheibe, bei der die Schaufeln aus einem Werkstück zerspanend herausgearbeitet werden. Das senkt die Montagekosten und führt zu einer erheblichen Gewichtsersparnis bei den bewegten Teilen, was wiederum den Energieverbrauch des Triebwerks optimiert.

Die Verbesserung der Flugleistung und Aerodynamik haben ebenfalls großes Potenzial. Ein verbessertes Air Traffic Management zur Vermeidung von Warteschleifen, für direktere, kürzere Flugrouten und optimierte Flugprofile wäre dagegen relativ schnell und ohne größeren technologischen Aufwand zu haben. Diese „operative“ Verbesserung setzt unter anderem einen in Europa einheitlichen Luftraum voraus, den die HYPERLINK Europäische Kommission mit der Initiative Single European Sky (SES) verwirklichen will. Die IATA rechnet allein durch Einführung dieser Neuordnung mit einer Treibstoffersparnis von 12 Prozent. Geht es nach den Airlines, sollen die Triebwerkhersteller mit effizienteren Triebwerken einen erheblichen Teil zur Verbrauchsminderung und Senkung der Lärmemission und damit zur Erreichung der ACARE-Ziele beitragen.

Einen guten Überblick hat dabei sicher Prof. Dr.-Ing. Klaus Broichhausen als Vorsitzender des Vorstands des Bauhaus Luftfahrt e.V. in Garching bei München. In gemeinsamer Trägerschaft von Politik und Wirtschaft sind er und seine international renommierten Kollegen „gemeinnützig, neutral und kooperativ als Ideenschmiede zur Entwicklung tragfähiger innovativer Zukunftslösungen für Flugreisen und den Lufttransport von morgen und übermorgen tätig.“ Prof. Dr. Broichhausen kann derzeit zwei neue Triebwerkskonzepte benennen, die dazu Wesentliches leisten könnten. MTU Aero Engines als Partner von Pratt & Whitney und anderen Herstellern verfolgen den Ansatz des „geared turbofan“, Rolls-Royce und deren Joint Ventures setzen derzeit auf das „Open Rotor“ Konzept. „Beide konkurrieren um die Gunst der Flugzeugbauer, nutzen ein im Kern identisches, bereits heute verfügbares, konventionelles Triebwerk und jeder Ansatz hat seine Vorteile“ so Prof. Dr. Broichhausen. Was ist also dran, wo liegen die Unterschiede? Dazu Odilo Mühling als Unternehmenssprecher der MTU: „Eines unserer interessantesten Zukunftsprogramme ist der „geared turbofan“. Dieser Antrieb hat statt einer gemeinsamen Welle ein Untersetzungsgetriebe, das zwischen Fan und Niederdruckturbine geschaltet ist und damit diese beiden Komponenten in der Drehzahl entkoppelt.“

Dieser Ansatz verspricht ein attraktives Triebswerkskonzept für die nächste Generation von Verkehrsflugzeugen, weil sich nun der im Durchmesser größer dimensionierte Fan nur noch einmal dreht, wenn der kleinere Rotor drei Umdrehungen macht. Beide laufen damit in einem optimalen Geschwindigkeitsbereich und Betriebszustand und das macht sie erheblich effizienter. Natürlich bringt die zusätzliche Komponente Getriebe zusätzliches Gewicht und weitere bewegliche Teile. Kompensiert wird das, weil der Niederdruckverdichter nun um eine oder sogar zwei Stufen verkürzt und im Durchmesser verkleinert werden kann. Der Hochdruckverdichter und die Brennkammer arbeiten unmodifiziert, das Gesamtsystem nutzt den Sprit um 15 Prozent besser und das Triebwerk ist nur noch halb so laut. Es gibt bereits einen Demonstrator. Der basiert auf dem Zweistromtriebwerk PW 6000 und arbeitet im Schubbereich von 98-106 kN.

Seit November vergangenen Jahres durchlief er 130 Stunden in Boden- und Belastungstests. Airbus will nun das Demonstrationstriebwerk an einem A 340 installieren und eine eigene Testserie mit dem „geared turbofan“ fahren. Prof. Dr. Broichhausen bewertet dies als positives Signal. Vor allem, weil dieses Triebwerk bei Serienreife nicht nur die Energie- und Umweltbilanz neuer Flugzeuge verbessern würde, sondern auch bereits fliegende Muster damit nachrüstbar sind. Denn anders als beim konkurrierenden Ansatz des „Open Rotors“ muss man dafür keine neuen Muster bauen. Airbus beispielsweise könnte damit den A 320 zukunftssicher machen und sich damit die Neuentwicklung dieser Baureihe sparen. Prof. Dr. Broichhausen sagt außerdem: „Ein großer Vorteil des „geared turbofan“ ist, dass er leiser ist als ein heutiges Triebwerk und die in der Natur des offenen Rotors liegenden Lärmprobleme noch nicht gelöst sind.“ Konventionell konstruierte Flugzeuge in der Klasse der Regionalflugzeuge wie die der jetzt vielleicht doch noch von Bombardier aufgelegten C-Serie für 100-130 Passagiere bieten sich für den Einsatz des neuen Triebwerks ebenfalls an.

Die Kanadier sind sehr interessiert und wollen damit fliegen. Und auch Mitsubishi Heavy Industries hat für den neuen Regionaljet MRJ mit 72-92 Sitzen eine Marktstudie laufen und akquiriert Kunden für einen Markteintritt in 2013 mit dem „geared turbofan“, der dann serienreif wäre und damit die Nase vorn hätte. Denn das von General Electric Aircraft Engines und Rolls-Royce Ende der Achtziger Jahre im Prototyp GE 36 vorgestellte Open Rotor Konzept weist zwar einen höheren Wirkungsgrad und im Vergleich zum Getriebefan bessere Verbrauchswerte auf, erzeugt aber auch erheblich mehr Lärm. Zudem könnten die nicht ummantelten „Open Rotor“ Triebwerke wegen ihres großen Durchmessers ausschließlich am Heck eines Verkehrsflugzeugs angebaut werden, was die Entwicklungskosten für neue Muster nach oben treibt. Diese nächste Flugzeuggeneration bräuchte ein Doppelleitwerk. Trotzdem: Die Turbine mit zwei gegenläufigen, vielblättrigen Schaufelrädern, ein „Unducted Fan“ (UDF) also, hat das Potential für eine Reduktion des Treibstoffverbrauchs von bis zu 30 Prozent. Denn statt wie bei einem Jettriebwerk wenig Luft sehr schnell zu beschleunigen, bewegen die Propeller sehr viel Luft langsamer und sorgen so für einen wirtschaftlicheren Vortrieb. Der wird nicht – wie bei früheren Turbojet-Triebwerken – durch den Rückstoß des heißen Verbrennungsgases produziert. Die Propfans werden zwar auch von einer Strahlturbine angetrieben, bewegen aber 60mal mehr kalte Luft als Schubstrahl nach hinten als Luft durch eine Antriebsturbine strömen könnte. Das macht auch den herkömmlichen Turboprob-Antrieb so attraktiv. Zwar fliegt man mit Propeller langsamer, der Turboprop zeichnet sich aber durch einen niedrigen Kraftstoffverbrauch aus. Aus Zertifizierungsgründen ist die Flughöhe auf maximal 8.000 Meter beschränkt. Außerdem ist der Luftdruck in noch höheren Luftschichten niedriger, die Effizienz von Turboprop-Triebwerken nimmt damit ebenfalls ab.

Der Geschwindigkeitsnachteil gegenüber dem Jet wirkt sich auf der Kurz- und Mittelstrecke nicht so stark aus. Und Prof. Dr. Broichhausen sieht deshalb auch die Chancen des Propellers steigen, wenn es ein neues Air Traffic Management mit unterschiedlichen hohen Flugkorridoren für langsamere und schnellere Flieger gibt und die Flugbewegungen für Kurz- und Mittelstrecke von den Langstrecken getrennt erfolgen. Dann ist mehr Platz am Himmel und die Slots können ohne Einschränkungen bei der Flugsicherheit „zeitrationaler“ ausgelegt werden. Außerde
m sind Turboprops heute auch für mehr als 800 Kilometer pro Stunde gut.

Die optimierten Antriebe haben statt einfachen Propellern neuartige „ HYPERLINK “http://de.wikipedia.org/wiki/Luftschraube” \o “Luftschraube” Luftschrauben“. Deren Schaufelblätter überlappen sich, sind sichelförmig und breit. Sie verfügen über ein dünnes Profil und arbeiten als gegenläufiges Paar. Der Vorteil: Ein hoher Luftdurchsatz kann mit im Vergleich zu herkömmlichen Propellern durch kürzere Schaufeln und bei niedrigerer Drehzahl erreicht werden. Das reduziert auch die Geschwindigkeit an den Blattspitzen, das Flugzeug wird leiser und die Stromgeschwindigkeiten bleibt hier dann unter der Schallgeschwindigkeit, was die Reibungskräfte minimiert. Nicht nur im Airbus A 400 M sorgt die Luftschraubenvariante als Dreiwellen-Triebwerk TP 400-D6 für einen mächtigen Schub von 8.000 kW mit niedrigen Lebenswegkosten.

Gearbeitet wird an einem „Ducted Fan“, bei dem sich zwei Rotoren gegenläufig unter einer Verkleidung drehen. Das ist eine Kombination aus dem herkömmlichen Propeller und dem heutigen Turbofan. Der Contra-Rotating Integrated Shrouded Propfan der MTU profitiert ebenfalls von dem guten Nebenstromverhältnis, das bei einem Propfan bei etwa 16 liegt und bei einem konventionellen Jet nur bei sechs bis neun. Crisp kommt allerdings erst in Phase zwei des CLean AIR Engine Technologieprogramms der MTU (CLAIRE), also im Zeitraum ab dem Jahr 2020 bis 2030. Bis dahin soll hauptsächlich der „geared turbofan“ zu einer weiteren Senkung des Treibstoffverbrauchs beitragen.

Der ist bei der Lufthansa seit 1970 pro Passagier um 70 Prozent gesunken. Auf 100 Kilometer verbrauchte die Airline im Jahr 2007 für jeden Fluggast 4,4 Liter. Mit dem neuen Airbus A 380 und der Boeing 747-8 soll die Dreilitermarke erreichbar sein. Das bestätigt auch Prof. Dr. Broichhausen. „Die Luftfahrtindustrie als Gesamtsystem hat seit dem Jahr 2000 bis heute insgesamt eine Effizienzsteigerung von zehn Prozent erreicht.“ Trotzdem müssen die Turbinen noch sparsamer werden. Dazu untersucht MTU auch den Einsatz eines Wärmetauschers, der dem Abgasstrahl die Wärme entzieht, damit die anströmende kalte Luft aufheizt und mit dieser die Brennkammer füllt. Das könnte zusätzlich bis zu 20 Prozent Kraftstoff sparen. Leider waren diese Systeme bisher so groß, dass sie sich nicht integrieren ließen.

MTU entwickelte deshalb eine neue Form für das Rohrsystem. Durch eine Reduzierung der Querschnitte – die Rohre sehen aus wie eine Lanzette – kann man sie im jetzt als Rekuperator bezeichneten Wärmetauscher so dicht packen, dass die Fläche für einen wirtschaftlichen Wärmetausch ausreicht. Der dazu notwendige Zwischenkühler wird in einem Gemeinschaftsprojekt von Rolls-Royce entwickelt. Überhaupt MTU. Sie ist heute an fast jedem modernen “Strahltriebwerk” in der zivilen und militärischen Luftfahrt als Partner beteiligt und kooperiert mittlerweile mit allen großen Herstellern wie Pratt & Whitney, General Electric, Rolls-Royce, Volvo Aero, Avio oder Snecma. Mit dem New Aero Engine Core Concepts (NEWAC) soll auch noch eine weitere Anforderung an das Triebwerk von Morgen realisiert werden.

Die Entwickler hätten gern ein ‚aktives‘ Kerntriebwerk. „Ein solcher Antrieb verfügt unter anderem über einen intelligenten Verdichter, der sich dem jeweiligen Flugzustand anpasst“, sagt NEWAC-Programmleiter Dr. Günter Wilfert von MTU. Dazu benötigt man beispielsweise eine aktive Spaltkontrolle. Denn je kleiner der Abstand zwischen den Blattspitzen der Schaufel und der Innenwand des Verdichtergehäuses ist, desto höher ist die Verdichterleistung. Eine Sensorik erfasst die Zustände im Verdichter und die Steuerelemente verändern dann das Spaltmaß so, dass der Verdichter immer mit optimaler Leistung arbeitet. Neben diesen Optimierungen im und am Triebwerk selbst, gibt es einen weiteren systemverändernden Ansatz.

Das „more“ oder in der Steigerung dann das „all electric engine“ Konzept. Heute muss ein Triebwerk auch die gesamte an Bord benötigte elektrische Energie erzeugen. Dafür ist es aber nur bedingt geeignet. Es gibt viel effizientere Systeme zur Stromerzeugung für die Steuer-, Komfort und Regelfunktionen an Bord. Wenn Hilfsaggregate diese Aufgaben übernehmen, bleibt für das Triebwerk „nur“ der Antrieb und die Turbine muss nicht mehr, wie zum Beispiel bei der Landung, in ungünstigen Lastzuständen arbeiten, nur weil die Klimaanlage jede Menge Energie braucht. Heute fließen rund zehn Prozent von der Brutto-Antriebsleistung eines Passagierflugzeugs in die Bordsysteme. Bei einem durchschnittlichen Langstreckenflug
verbraucht ein Airbus A 330 rund 5.000 Liter Kerosin, um Strom, Druckluft und hydraulische Energie zu erzeugen.

Der neue Airbus A 380 bräuchte eigentlich ein kleines Kraftwerk an Bord für den Strombedarf mit einem halben Megawatt Leistung. Aber daran wird ja jetzt gearbeitet. In Verbindung mit allen anderen Maßnahmen erscheinen die ACARE-Ziele dann doch erreichbar. Zumindest die Triebwerkhersteller nehmen sie ernst und sind dabei, ihre Hausaufgaben zu machen.

Robert Wouters

A 400 M: Triebwerk TP 400-D6 mit Propeller auf einem Prüfstand bei Snecma.