Ganz gleich ob Open Rotor oder Geared Fan: Um die neuen Triebwerkskonzepte realisieren zu können, werden hoch leistungsfähige Simulationsprogramme gebraucht. “Die heutigen Rechenverfahren sind in ihrer Vorhersagekraft bereits extrem fortgeschritten, können aber Sekundäreffekte, wie Wirbelbildung an Ecken, das Ausblasen zwischen Stator und Rotor oder Kühlungsströme in Turbinenschaufeln nur ansatzweise wiedergeben”, so Dr. Christian Willert vom DLR-Institut für Antriebstechnik. Hier werden Messdaten aus Validierexperimenten gebraucht.

Gegenwärtig läuft das Optimieren der Triebwerke über die Reduzierung von Sekundärströmungsverlusten mittels CFD (Computational Fluid Dynamics oder Numerische Strömungssimulation). “Der Trend geht zu immer hochwertigeren Simulationsverfahren, die mit immer weniger Versuchen zur Validierung auskommen”, bringt es Dr. Gerhard Kahl, Leiter Kompressortechnologie bei MTU Aero Engines, auf den Punkt. “Und die Vorhersagen der Simulationen liegen sehr nahe am realen Ergebnis.” Die Resultate solcher Bemühungen bringen jeweils Verbesserungen um einige Zehntel Wirkungsgradpunkte. Vielfach sind die Ingenieure schon an den Grenzen des physikalisch Machbaren angelangt und jagen nur mit immer größerem Aufwand immer kleineren Effekten hinterher.

Um die Triebwerke noch effizienter zu machen, muss das Nebenstromverhältnis erhöht werden. Das geschieht durch Vergrößern des Fans, dem Einsatz eines gegenläufigen, zweiten Fans und mit einem Getriebe, das dafür sorgt, dass Fan und Niederdruckturbine in dem für sie jeweilig optimalen Drehzahlbereich arbeiten (Geared Fan).

Pratt&Whitney, Lockheed Martin, Allison Gas Turbine, General Electric (GE), Gulfstream, Rohr Industries, NASA und Boeing entwickelten als Antwort auf den Ölpreispeak von 1973 den Open Rotor. Ein solcher Open Rotor, der einen Schub lieferte, wie ihn der A320 braucht, hätte das gigantische Nebenstromverhältnis von 35:1, würde etwa ein Viertel weniger Sprit durchlassen, wäre laut und hätte einen Durchmesser in der Größenordnung von vier Metern.

Aber die beiden Richtungen Getriebefan und Open Rotor spalten nicht die Gemeinde. Beide Konzepte bieten Potential, aber niemand kann eine fundierte Prognose liefern, zu viele Probleme sind bei beiden noch zu lösen. So haben die großen Triebwerkshersteller zwar ein Lieblingskonzept, lassen aber auch das andere nicht aus dem Auge. CFM International, ein Joint-Venture zwischen GE und Snecma, beschäftigt sich mit dem Open Rotor und dem gegenläufigem Getriebefan. GE und die NASA arbeiten zusammen an einem gegenläufigen Open Rotor und auch Rolls-Royce befasst sich im EU-Projekt DREAM ausführlich mit diesem Konzept.

MTU und Pratt & Whitney arbeiten schwerpunktmüßig am Getriebefan-Triebwerk, mittlerweile einem fast verdoppelten Nebenstromverhältnis bis zu 12:1. Die Kooperationspartner entwickeln nun einen Demonstrator auf der Basis des PW6000-Kerntriebwerks, wie es am Airbus A318 eingesetzt wird. In der zweiten Jahreshälfte sollen Flugversuche mit einer Boeing 747 folgen, später mit einem A340. Auch Mitsubishi hat sich mit dem 70- bis 90-sitzigen Regionaljet und Bombardier mit der 110- bis 130-sitzigen C-Serie für den Getriebefan entschieden.

Die beiden Konzepte zeigen außer geringerem Spritverbrauch noch weitere Vorteile. Die CFM-Lösung verspricht um 15 bis 25 Prozent, der PW8000 10 Prozent geringere Betriebskosten.

Zu Anfang waren die Schaufeln schmal, lang und gerade. “Der Trend geht zu komplexeren Schaufelgeometrien”, so Christian Seydel, Fanexperte bei Rolls-Royce. Heute sind die Schaufeln eines Turbofans breiter und stark räumlich geformt mit einem leichten S-Schlag. “Und das wird so bleiben”, ist sich Prof. Konrad Vogeler vom Institut für Strömungstechnik der TU Dresden sicher. “Auch die Open Rotors werden einen leichten S-Schlag bekommen.” Bei der Rotation des Fans sorgt die Fliehkraft dafür, dass sich ein Druckgefälle von innen nach außen ausbildet, was zusätzlichen Lärm verursacht und der S-Schlag des Swept-Blade mindert diesen Effekt.

Gegenläufige Fans werden nicht nur beim Getriebefan, sondern auch beim Open Rotor eingesetzt und da die nachlaufende Schaufel dabei mal im Windschatten der vorderen mal im volle Staudruck ist, entstehen Druckpulse, was den Lärm verstärkt und für Vibrationen sorgt. “Die Form der Schaufeln ist also nicht alleine das Problem, sondern auch die Druckpulse”, so Konrad Vogeler. Diese Druckpulse müssen automatisch gedämpft werden, etwa durch einen Aktor, der entsprechend entgegengesetzte Druckpulse erzeugt und durch ein geeignetes Design der Rotoren. “Man weiß was man machen muss, aber noch nicht genau wie”, bringt es Konrad Vogeler auf den Punkt.

Um die Probleme mit den Triebwerkskonzepten zu lösen, braucht man die entsprechenden Simulatonsprogramme. “Die heutigen Rechenverfahren sind in ihrer Vorhersagekraft bereits extrem fortgeschritten, können aber Sekundäreffekte, wie Wirbelbildung an Ecken, das Ausblasen zwischen Stator und Rotor oder Kühlungsströme in Turbinenschaufeln nur ansatzweise wiedergeben”, so Dr. Christian Willert vom DLR-Institut für Antriebstechnik. Hier braucht man die Messdaten aus den Validierexperimenten.

In der Strömungsmesstechnik wachsen zunehmend die Anforderungen an eine zeitlich und räumlich hochauflösende Geschwindigkeitsmessung, im Besonderen in instationären, heißen und auch reagierenden Strömungen. Particle Image Velocimetry (PIV) erlaubt es, die Strömungsgeschwindigkeit an vielen Punkten innerhalb einer Messfläche zeitgleich zu erfassen. Durch zwei sehr kurz aufeinander folgende Lichtpulse liefert das Verfahren quasi Schnappschüsse der Strömung und kann so nicht stationäre Wirbelstrukturen sichtbar machen.

Christian Willert weiß: “Bildgebende Verfahren arbeiten immer schneller. Die momentane Kameratechnologie ermöglicht Bildfolgeraten von 10 kHz und mehr, bei reduzierter Auflösung. So liegen die Kameras zwar im Frequenzbereich der Schaufelfrequenzen, aber die Frequenzen der Wechselwirkungen in den Maschinen liegen deutlich über den Bildfolgefrequenzen der derzeitig verfügbaren Kameras.” Aber man braucht auch geeignete, gepulste Lichtquellen. Gepulste Laser arbeiten mit Frequenzen um die 50 Hz, teilweise bis zu 1 kHz, aber man braucht 10 kHz und mehr.

Weitere Möglichkeiten bieten Oberflächenmessverfahren mit temperatur- oder drucksensitiver Farbe. Dazu müssen die Farben schnell reagieren. Damit kann kontinuierlich der Druck- und Temperaturverlauf auf Schaufeln gemessen werden. Aber zum Erfassen nichtstationärer Effekte ist das Verfahren momentan noch zu langsam.

Das BSSM-System (Berührungsloses Schaufelschwingungs und Spalt-Messsystem) mit einem wandbündigen Sensor misst den Radialspalt und die Schaufelschwingungen. “Weiter werden Spaltsonden für präzise Rotorspaltmessung eingesetzt”, berichtet Gerhard Heider Leiter Technologieprogramme und Kernfunktionen bei MTU. “Langfristig sollten diese auch in fliegenden Maschinen einsetzbar sein zur kontinuierlichen Überwachung.” Die Spaltsonde funktioniert im Prinzip wie ein Kondensator: die Schaufel entspricht der einen Kondensatorplatte, die Sonde der anderen. Je nach Abstand der beiden ‘Platten’ stellt sich eine unterschiedlich hohe Kapazität ein. Und wenn Elektronik und Software dahinter schlau genug sind, funktioniert die Überwachung sogar online bei drehendem Rotor und jeder Schaufel.

Gerhard Heider: “MTU hat für die Hochdruckverdichter-Messung Standard-Sonden entwickelt, die bei nur sechs Millimeter Durchmesser haben und bis zu 700°C aushalten, also für alle Hochdruckanwendungen wo wenig Platz ist, geeignet sind.” In der Niederdruckturbine können die Ingenieure mittlerweile mit ungekühlten Sonden bis 1100°C zu messen.

Weiter setzt MTU FRAP-Sonden (fast response aerodynamic probe) der ETH Zürich ein, um hinter dem ersten Rotor instationäre Winkel- und Druckänderungen, so genannte Nachlaufdellen, zu vermessen. Zudem stehen verbesserte Traversiersonden zur Verfügung, zur Durchführung von Druck- und Temperaturmessungen bei laufendem Rig. Die Messstelle ist dabei über mechanisches System auf der Fläche beliebig bewegbar.

Barbara Stumpp