12.05.2017
Erschienen in: 05/ 2017 FLUG REVUE

LEMCOTEC (Teil 2) Triebwerke nach Flugzeugtyp

fr-05-2017-Triebwerksforschung-(05)

Stickoxid-Emissionen im Vergleich. Foto und Copyright: FR  

 

Die Architektur des kleinen Turbofan-Triebwerks weist – wie der 2016 am Airbus A320neo eingeführte Getriebefan von Pratt & Whitney – ein Untersetzungsgetriebe zwischen Niederdruck-turbine und Bläser auf. Dadurch können die beiden Komponenten im jeweiligen Drehzahl-optimum laufen, was die
Effizienz erhöht.

Um das Gesamtdruckverhältnis im Vergleich zum Rolls-Royce BR715 (Boeing 717) um stattliche 42 Prozent zu steigern, wurden zwei Varianten des Hochdruckverdichters untersucht: ein Axialverdichter mit zehn Stufen (Druckverhältnis 20:1) sowie die für Flugzeugtriebwerke ungewöhnliche Kombination von fünf axialen Stufen (Druckverhältnis 20:1) mit einer Radialstufe (Druckverhältnis 3,2:1). Letzteres hat den Vorteil, dass Größe und Gewicht des Kerntriebwerks gering bleiben. Doch ein solcher Aufbau hat auch Nachteile: Das Material des Impellers ist den hohen Temperaturen nicht gewachsen und erfordert eine komplizierte Kühlluft-Kühlung. Geprüft wurden beide Verdichtervarianten mit einem PERM-Brennkammersystem. Der Axial-Radial-Verdichter wurde zudem mit LDI-Einspritztechnologie untersucht.

Insgesamt überzeugender war die Architektur mit einem reinen Axialverdichter. Was die Verringerung des CO2-Ausstoßes angeht, erreichte er mit fast minus 20 Prozent ziemlich genau den Zielwert. Der Axial-Radial-Verdichter lag etwas darunter: „Wir haben den CO2-Ausstoß dieses Studientriebwerks seit 2013 von  minus 16 auf minus 19 Prozent verringern können“, sagte Dr. Dirk Zeitz von Rolls-Royce Deutschland bei einem Workshop in Potsdam im Dezember 2016. Bei den Stickoxidemissionen lag der Axial-Radial-Verdichter in Kombination mit der LDI-Brennkammer bei  minus 77 Prozent und damit deutlich über den geforderten  minus 65 Prozent. Mit dem PERM-System würde der NOx-Ausstoß bei beiden Verdichtervarianten um 63,2 Prozent verringert.

Die Reduzierung von Kerosinverbrauch und CO2-Emissionen ist als Alleinbeitrag des Triebwerks zu verstehen, denn Aerodynamik und Strukturgewicht des entsprechenden Flugzeugs selbst wurden unter LEMCOTEC nicht optimiert. Die Verringerung der NOx-Emissionen bezieht sich auf den CAEP/2-Standard der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation ICAO, der die Zulassungsgrundlage für Triebwerke im Jahr 2000 war. Er bildet eine exemplarische Lande- und Start-Flugmission ab.

Als Grundlage dieses Studientriebwerks diente der im EU-Forschungsprojekt DREAM (Validation of Radical Engine Architecture Systems / Bewertung radikaler Triebwerksarchitekturen) von 2008 bis 2012 untersuchte Open Rotor in Pusher-Konfiguration, bei dem die gegenläufig drehenden Luftschaufeln hinten angeordnet sind.

Unter LEMCOTEC stellten die Forscher jedoch fest, dass eine Erhöhung des Gesamtdruckverhältnisses von etwa 45:1 auf den angepeilten Wert von 60:1 bei dem mittelgroßen DREAM-Open-Rotor mit Getriebe nicht sinnvoll ist. Denn der Leistungszuwachs durch ein höheres Gesamtdruckverhältnis und höhere Temperaturen wird durch deutlich stärkere Effizienzverluste im Verdichter und der Turbine sowie durch hohe Anforderungen an die Kühlung zunichte gemacht. Das Optimum liegt nach den Berechnungen bei einem Gesamtdruckverhältnis von 54,9:1. Um das zu erreichen, wurde die Triebwerksarchitektur angepasst. Der Mitteldruckverdichter wurde um zwei auf sieben Stufen vergrößert, der Hochdruckverdichter um eine auf fünf Stufen verkleinert, und die ursprünglich einstufige Mitteldruckturbine erhielt eine zweite Stufe. Dadurch steigt das Druckverhältnis im Mitteldruckverdichter, und die Größe des Hochdruckverdichters bleibt bei akzeptabler Effizienz gering. Bei der Brennkammer setzten die Ingenieure auf das MSFI-System.

In dieser Konfiguration wurde eine im Vergleich zum DREAM-Projekt weitere Verringerung des spezifischen Treibstoffverbrauchs um 2,5 Prozent erreicht. Damit würde der LEMCOTEC-Open-Rotor trotz der Architekturbeschränkungen in Sachen Gesamtdruckverhältnis fast ein Drittel (28,5 Prozent) weniger Kerosin verbrauchen und CO2 ausstoßen als ein CFM56 aus dem Jahr 2000. Mit 71,4 Prozent weniger NOx wurden die Vorgaben von minus 70 Prozent mehr als erfüllt.

Für zweistrahlige Flugzeuge in der Größenordnung des Airbus A350 XWB beschäftigten sich die Ingenieure damit, wie ein konventionelles Mantelstromtriebwerk mit drei Wellen ohne Getriebe effizienter gestaltet werden kann. Der Schlüssel für ein extrem hohes Gesamtdruckverhältnis von 70:1 ist eine Umverteilung der Arbeit von der Mittel- zur Hochdruckwelle. Dafür wird die Anzahl der Stufen von Mitteldruckverdichter und -turbine verkleinert, während Hochdruckverdichter und -turbine mehr Stufen erhalten. Durch die niedrigere Last und dementsprechend niedrigere Temperaturen der Mitteldruckwelle sind die Anforderungen an Strukturen und Lager weniger hoch. Allerdings sind für die
höheren Temperaturen im Hochdruckverdichter und in der Hochdruckturbine innovative Kühllösungen nötig. Die Last-Umverteilung zwischen den Wellen verfolgt Rolls-Royce auch im eigenen Forschungsprogramm Advance 3 seit 2014 weiter (siehe FR 10/2016). „Advance 3 wird vom Aufbau her sehr ähnlich wie der große Turbofan unter LEMCOTEC“, sagte John Whurr von Rolls-Royce. Auch der für den LEMCOTEC-Mitteldruckverdichter verwendete Prüfstand beim Testdienstleister AneCom-AeroTest in Wildau wurde an Advance 3 angepasst. Das Studientriebwerk wurde mit einem Bläser aus Verbundwerkstoffen berechnet; ein ähnlicher Bläser soll auch bei Advance 3 zum Einsatz kommen. In der Brennkammer wurde die LDI-Technologie verwendet.

Beim spezifischen Treibstoffverbrauch und dem CO2-Ausstoß lag der große Turbofan mit minus 23,4 Prozent leicht unter dem Zielwert von minus 24 Prozent im Vergleich zum Trent 700 des Airbus A330. Dafür könnten die NOx-Emissionen mithilfe des LDI-Systems um fast zwei Drittel (minus 66,1 Prozent) reduziert werden, angepeilt waren minus 65 Prozent. Bei LEMCOTEC geht es um Technologie-Reifegrade von 4 bis 5 (auf einer Skala bis 9). Mithilfe weiterer Forschung, unter anderem im europäischen Clean-Sky-Programm, könnten die meisten der untersuchten Kerntriebwerkskomponenten und -Subsysteme ab Mitte der 2020er Jahre einsatzbereit sein. Durch parallele Optimierungen in Triebwerksentwicklung, Flugzeugbau, Luftverkehrsmanagement und Betrieb der Fluggesellschaften sieht der LEMCOTEC-Projektkoordinator und Chef-Projektingenieur Dr. Ralf von der Bank weiteres Einsparpotenzial: „Langfristig sollte sich der Verbrauch auf einen Liter Kerosin pro Passagier und 100 Kilometer verringern lassen.“


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