Unducted Fan, Propfan, Open Rotor: Namen gibt es viele für die Triebwerksarchitektur mit nichtummanteltem Bläser. Und kürzlich fügte CFM International der Liste noch eine weitere Bezeichnung hinzu: Open Fan. Das Gemeinschaftsunternehmen von GE Aviation und Safran Aircraft Engines will den Antrieb im Rahmen des Technologieprogramms RISE (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines) weiterentwickeln und ausreifen lassen.
Das Ziel von RISE
Der Open Fan könnte an der nächsten Narrowbody-Generation ab Mitte der 2030er Jahre zum Einsatz kommen und soll im Schubsegment zwischen 90 und etwa 155 Kilonewton liegen. Der Antrieb soll sowohl kompatibel mit reinem nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) als auch mit flüssigem Wasserstoff sein. Das Ziel von RISE: den Treibstoffverbrauch und die CO2-Emissionen um mehr als 20 Prozent senken – und das im Vergleich zum erst vor fünf Jahren in Dienst gestellten CFM LEAP, das seinerseits bereits 15 Prozent sparsamer ist als der in den 1970ern entwickelte Vorgänger CFM56.
Offene Bauweise
Während Pratt & Whitney und Rolls-Royce auf Architekturen mit ummantelten Bläsern und Getriebe setzen, sieht CFM International nun die Zeit für die offene Bauweise gekommen, die schon seit den 1970ern erforscht wird, bisher aber nicht über das Stadium von Flugtests hinausgekommen ist. Warum? "Der Unducted Fan aus den 1980er Jahren war zu disruptiv für diese Zeit, selbst noch in den frühen 2000ern. Aber jetzt wird der gesamte Markt von Dekarbonisierung und geringerem Treibstoffverbrauch angetrieben", sagt Delphine Dijoud, Systemingenieurin und Executive Manager des RISE-Programms bei Safran Aircraft Engines. "Wir haben in der Zwischenzeit zudem einige technische Probleme gelöst, beispielsweise bei den Themen Lärm und Gewicht. Materialien wie Faserverbundwerkstoffe geben uns neue Möglichkeiten."
Mehr Effizienz
20 Prozent sparsamer als die modernsten Triebwerke, das ist eine große Herausforderung für Ingenieure "Wir untersuchen auch verschiedene andere Architekturen, aber der Open Fan ist der Meister in Sachen Vortriebseffienz", sagt Dijoud. Ein Antrieb mit nichtummanteltem Bläser versucht die Vorteile von Turbofan und Turboprop zu vereinen. Der Bläser kann größer sein als bei einem vergleichbaren Turbofan, ohne dass ein größeres Gehäuse das Gesamtgewicht und den Luftwiderstand erhöht. Das wiederum verbessert das Nebenstromverhältnis, eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung des Vortriebswirkungsgrades. Es bezeichnet das Verhältnis der Luftmasse, die außen am Gasgenerator vorbeigeführt wird, zur Luftmasse, die das Kerntriebwerk passiert. Der Nebenstrom trägt bei Turbofans rund 80 Prozent zum Schub bei.
Das LEAP-1A von CFM (Airbus A320neo) hat bei einem Bläserdurchmesser von knapp zwei Metern ein Nebenstromverhältnis von 11:1. Welchen Wert man mit dem Open Fan anstrebt, gab CFM bisher nicht bekannt. Beim Open Rotor (SAGE 2, FR 02/2018), den Safran Aircraft Engines vor vier Jahren in Istres auf einem neuen Außenprüfstand testete, lag er nach eigenen Angaben bei 30:1, bei einem Bläserdurchmesser von vier Metern.
Das kommt schon eher an die bei Propellerturbinen möglichen Nebenstromverhältnisse von 40:1 und mehr heran. Turboprop-Triebwerke sind sparsamer als Turbofans, haben aber den Nachteil, dass die Propellereffizienz bei höheren Fluggeschwindigkeiten stark abfällt. Deshalb fliegen Turboprop-Flugzeuge langsamer als Jets.
Schlüsseltechnologien
Für den Open Fan entwickelt CFM International zahlreiche Schlüsseltechnologien neu oder weiter. Dazu gehört der zweistufige Bläser aus Faserverbundwerkstoffen. "Der Hauptunterschied zu SAGE 2 und anderen bisherigen Entwürfen mit gegenläufigen Rotoren: Nur die erste von zwei Bläserstufen dreht sich. Dadurch vereinfachen wir die Architektur, verringern Gewicht und Kosten und erhöhen die Zuverlässigkeit", sagt Dijoud. Die Blätter der Statorstufe sind, wie auch die der Rotorstufe, verstellbar. Sie fungieren als Leitschaufeln zur Strömungsrückgewinnung, das heißt, sie kanalisieren die Luftmasse entlang der Triebwerkslängsachse. Angetrieben wird der Bläser von einer schnelllaufenden Niederdruckturbine, dazwischen sitzt ein Reduktionsgetriebe. Unter anderem beim Triebwerkskontrollsystem profitiere man vom SAGE-2-Demonstrator, der von 2008 bis 2017 im Rahmen des EU-Forschungsprogramms Clean Sky entwickelt und getestet wurde, so Dijoud.
Optimierung der Bläserschaufeln
Im Vergleich zu einem ähnlich leistungsstarken Turboprop soll der Open Fan mit einem kleineren Bläserdurchmesser von 3,6 bis vier Meter auskommen. Das ermöglicht höhere Drehzahlen, ohne dass die Blattspitzen in den Überschallbereich kommen und dadurch an Effizienz verlieren. "Durch ein fortschrittliches Design können wir eine maximale Reisegeschwindigkeit von rund Mach 0.8 erreichen, ähnlich wie beim LEAP", so Dijoud. Die aerodynamische Optimierung der Bläserschaufeln trägt nicht nur zur Erreichung höherer Fluggeschwindigkeiten bei, sondern auch zur Verringerung des Lärms. Schon beim SAGE-2-Demonstrator hatte Safran nach eigenen Angaben das Lärm- niveau des LEAP erreicht. Das sei auch der Mindestmaßstab des Open Fan, und zwar beim Geräuschpegel innerhalb wie außerhalb der Kabine.
Pusher und Puller
CFM studiert vorerst eine Puller-Konfiguration, in der Bläser und Stator vorne sitzen. "Letztlich hängt es von der Flugzeugkonfiguration und der Entscheidung des Flugzeugherstellers ab. Die Technologiebauteile sind aber für Pusher und Puller dieselben", sagt Dijoud. Die Frage, wo der Fan sitzt, beeinflusse nicht die Gültigkeit des Konzepts. Vorteilhaft könnte die Puller-Konfiguration für die Flugerprobung sein. Denn dadurch sollte die Installation eines Open-Fan-Demonstrators an bestehenden Testflugzeugen ohne größere Modifikationen machbar sein.
Neben einer höheren Vortriebseffizienz tüftelt CFM auch am thermischen Wirkungsgrad. Der Open Fan soll mit einem kompakten Kerntriebwerk ausgestattet werden, das sehr hohe Temperaturen und damit ein sehr hohes Druckverhältnis ermöglicht. Dafür bedarf es fortschrittlicher hitzebeständiger Materialien, beispielsweise keramischer Verbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composite, CMC). Hier hat CFM International bereits Erfahrungen gesammelt, beispielsweise mit CMC-Deckbändern in der Hochdruckturbine des LEAP-Triebwerks.
Hybrid-Elektrifizierung
Neu ist in dieser Schubklasse auch der Ansatz der Hybrid-Elektrifizierung. Ein ins Triebwerk integrierter Motorgenerator soll zusätzlichen elektrischen Schub generieren, aber auch Strom erzeugen, der für Flugzeugsysteme genutzt werden kann. "Der Mehrwert auf Triebwerksebene ist die Leistungsübertragung von einer Welle zur anderen, um die Flugmission zu optimieren", sagt Dijoud. In einem zweiten Schritt könnte es aber auch um die Bereitstellung von Leistung für verteilte Antriebe gehen.
Schon 2019 begannen nach Angaben von CFM die Arbeiten für das RISE-Programm. Und auch die Ergebnisse diverser Vorgängerprojekte machen sich die Ingenieure dafür zunutze. Beispielsweise wurden bereits im EU-Projekt ENOVAL (Engine Module Validators) zwischen 2013 und 2018 schnelllaufende Komponenten für Niederdruckturbine und -verdichter erprobt. Das Niederdrucksystem inklusive Bläser liegt beim CFM-Gemeinschaftsunternehmens traditionell in den Händen der Franzosen. Hochdruckverdichter, Brennkammer und Hochdruckturbine verantwortet GE Aviation. Auch wenn die Arbeitsteilung im RISE-Programm noch nicht offiziell ist, dürfte sie sich daran orientieren.
"Clean Aviation"
Nächster Schritt sind Tests mit Modulen. Insgesamt sollen in den kommenden Jahren mehr als 300 einzelne Komponenten, Module und ganze Demonstratoren gebaut werden. Bis Mitte des Jahrzehnts will das Gemeinschaftsunternehmen einen Bodentest mit einem kompletten Triebwerk auf Prüfständen von GE und Safran durchführen. Finanzielle Förderung könnte RISE von der EU-Kommission im Rahmen des Clean-Sky-Nachfolgeprogramms Clean Aviation erhalten, das noch Ende 2021 starten soll. Ab Mitte des Jahrzehnts will CFM einen Open-Fan-Demonstrator auch im Flug erproben, an GEs Boeing 747-400, die von Victorville, Kalifornien, aus fliegt.
Noch hat sich kein Flugzeughersteller für den Open Fan entschieden. Grundsätzliches Interesse sei bei Airbus und Boeing aber vorhanden, so CFM. Die Integration des Antriebs würde allerdings eine noch engere Kooperation als bisher erfordern, ein neues Flugzeug müsste sozusagen um die Open Fans herum designt werden. Safran-Chef Olivier Andriès sieht dann sogar ein mögliches Treibstoffsparpotenzial von bis zu 30 Prozent. Das klingt verlockend, allerdings muss CFM gerade in Sachen Integration noch zahlreiche Hürden überwinden, um potenzielle Kunden zu überzeugen. Dazu gehören, je nach Flugzeugkonfiguration, negative Auswirkungen der turbulenten Rotorströmung auf Laminarflügel, aber auch der Schutz der Flugzeugstruktur gegen eine herausfallende Bläserschaufel.
Wiedergeburt des Konzepts
"RISE ist das Nirwana für Ingenieure", so Mohamed Ali, Vice President und General Manager Engineering bei GE Aviation. Im Buddhismus bezeichnet Nirwana das Paradies, den Ausbruch aus dem Kreislauf der Reinkarnation. Ob der Open Fan die letzte Wiedergeburt des Konzepts sein wird?
