Ein großes Turbinentriebwerk wie das Rolls-Royce Trent XWB des Airbus A350 saugt während des Starts unglaubliche 1,4 Tonnen Luft pro Sekunde an. Diese Luftmenge entspricht rund dem dreifachen Volumen eines durchschnittlichen Einfamilienhauses. Allerdings: Auch Staub, Sand, Pollen, Insekten, Salz, Öl und andere Partikel finden dabei Eingang ins Triebwerksinnere, wo sie sich unter anderem auf den Verdichterschaufeln ablagern. Das wiederum verändert die Aerodynamik und verschlechtert den Wirkungsgrad. Um den gleichen Schub zu produzieren, muss das Triebwerk dann mehr Kerosin verbrennen. "Mehr Kraftstoff bedeutet höhere Temperaturen. Höhere Temperaturen bedeuten mehr Belastung fürs Material. Mehr Belastung bedeutet, dass der Motor früher vom Flügel genommen werden muss", erklärt Florian Prinz, Leiter Engine Life Cycle Services bei Lufthansa Technik.
Damit Triebwerke effizient bleiben, müssen sie regelmäßig gereinigt werden. Lufthansa Technik hat dafür die Cyclean-Triebwerkswäsche entwickelt.
Der Dreck muss weg
Um diese Kette zu durchbrechen, werden Triebwerke "on wing", also am Flügel, gewaschen. Das Ziel: die Wiederherstellung der Leistung. Ein wichtiger Indikator dafür ist die Abgastemperatur-Marge (Exhaust Gas Temperature Margin, EGTM). Sie gibt die Differenz zwischen der zugelassenen Höchsttemperatur und der Temperatur im Flugbetrieb an und ist so etwas wie eine Sicherheitsmarge. Je höher die Differenz, desto besser die Leistung, desto geringer der Kerosinverbrauch und desto länger die Lebensdauer. Teileverschleiß, aber auch Ablagerungen im Triebwerk können den EGTM-Wert reduzieren.
Doch wie reinigt man solche Millionen Euro teuren Hochleistungsmaschinen? "In der Vergangenheit gab es ganz wilde Ideen. In den 1970er und 80er Jahren hat man Kohle oder Walnussschalen in den Motor eingeschossen, um den abrasiven Effekt zu haben. Man hat aber auch mit Wasser gereinigt", sagt Prinz. Letzteres haben die Triebwerkshersteller in ihren Handbüchern vorgegeben. Die Prozesse waren allerdings meist aufwendig, langwierig und ressourcenintensiv: Das Triebwerk musste geöffnet, Sensoren mussten abmontiert, Leitungen abgetrennt werden. Und schließlich wurde das Triebwerk mit hunderten Litern Wasser geflutet.
Für jedes Triebwerksmodell hat Lufthansa Technik einen speziellen Spray-Adapter entwickelt.
Cyclean von Lufthansa Technik
Vor knapp 20 Jahren hat Lufthansa Technik deshalb ein eigenes Verfahren namens Cyclean entwickelt und rechtlich schützen lassen. Es ist mittlerweile für mehr als 50 Triebwerksmuster zugelassen, kommt mit weniger Wasser aus und erzielt dennoch eine gute Reinigungswirkung. Dafür wird ein speziell für jedes Triebwerk angepasster Spray-Adapter am Spinner befestigt. Der Spray-Adapter injiziert über zwei Sprührohre zwischen den Bläserschaufeln hindurch 70 Grad Celsius heißes, extrem fein zerstäubtes Wasser mit 65 bar direkt in den Verdichter. "Das ist der Bereich des Triebwerks, in dem sich hauptsächlich Verunreinigungen wiederfinden", sagt Prinz.
Während des Cyclean-Waschgangs läuft das Triebwerk im sogenannten "dry motoring". Dabei dreht das Triebwerk, ohne zu starten; es fließt kein Treibstoff, und es findet keine Zündung statt. Mithilfe des Luftstarters wird das Triebwerk auf etwa 30 Prozent der Nenndrehzahl beschleunigt, dabei dreht der Spray-Adapter mit. Dadurch wird der Verdichter rundherum eingesprüht. 60 bis 90 Sekunden lang dauert ein Einsprühvorgang, dann folgt eine 10 bis 15 Minuten dauernde Einwirkzeit. Dieser Prozess wird abhängig vom Triebwerksmuster unterschiedlich oft wiederholt. Für ein Narrowbody-Triebwerk werden rund 60 Liter Wasser benötigt, für das Triebwerk eines Großraumjets 80 bis 90 Liter – "nur etwa 20 bis 30 Prozent der Menge, die vergleichbare oder andere Tools nutzen", sagt Prinz. Das Schmutzwasser kann aufgefangen und aufbereitet werden. Das Cyclean-Equipment passt in einen Kastenwagen und besteht neben dem Spray-Adapter aus einem Wassertank, Pumpen, der Steuerung und einem Dieselgenerator für die Energieversorgung außerhalb eines Hangars.
Das Abwasser kann aufgefangen und aufbereitet werden.
Deutlich verkürzte Bodenzeit
Weil bei der Verdichterwäsche Wasser in Sensorleitungen und das Ölsystem eindringen kann, schreiben die Triebwerkshersteller einen Standlauf nach der Wäsche vor, um Feuchtigkeit auszublasen bzw. das Wasser aus dem Öl auszukochen. Zudem müssen bestimmte Leitungen vor dem Waschgang getrennt werden. Lufthansa Technik konnte für rund 75 Prozent der betreuten Muster, darunter CFM56, LEAP, PW1100G-JM, CF6, PW4000, nachweisen, dass das mit Cyclean nicht nötig ist. Beim Getriebefan des Airbus A320neo beispielsweise dauert die Wäsche nach dem Herstellerprozess laut Prinz mehr als sechs Stunden. "Mit Cyclean sind wir bei 45 Minuten." Das ist während einer längeren Bodenzeit oder über Nacht machbar. Wenn das Flugzeug spätestens 48 Stunden nach der Wäsche wieder in den Betrieb geht, ersetzt der erste Start den Standlauf.
Doch wird ein Triebwerk allein durch Wasser sauber? "Wir haben analysiert, dass der zusätzliche Effekt durch Reinigungsmittel gering ist – vorausgesetzt, man wäscht einen Motor regelmäßig", sagt Prinz und bezieht sich dabei auf die Wäsche zur Wiederherstellung der Leistung. Nach besonderen Ereignissen, beispielsweise Vogelschlag oder wenn eine Druckleitung geplatzt ist und sich Öl oder Hydraulikflüssigkeit im Triebwerk verteilt haben, ist es durchaus üblich, zugelassene Reinigungsmittel zu verwenden. Nach einer solchen Wäsche muss das Triebwerk aber mit viel Wasser gespült und laufen gelassen werden. Ein Run-up ist auch nötig, wenn dem Wasser Glykol zugefügt wird, um bei niedrigen Außentemperaturen (bis -10 Grad Celsius) Triebwerkswäschen durchführen zu können. Ansonsten besteht die Gefahr, dass sich beim nächsten Flug Gerüche in der Kabine verbreiten. Die sind laut Prinz zwar harmlos, aber gerade im Passagierumfeld nicht erwünscht.
Auch die Turbofans von Militärflugzeugen werden mit Cyclean gewaschen, hier die F117-PW100 der Boeing C-17.
Vom optionalen Service zum festen Wartungsbaustein
Mittlerweile hat sich die Triebwerkswäsche von einem "Nice-to- have" zu einem "Must-have" entwickelt und ist nicht selten mit der Garantie der Triebwerkshersteller verknüpft. Als Daumenregel gilt bei älteren Triebwerken: zwei Wäschen jährlich – eine nach dem Winter und eine nach dem Sommer. Bei modernen Mustern wie Getriebefan, LEAP oder Trent XWB empfiehlt Lufthansa Technik sogar vier Wäschen pro Jahr. "Diese Motoren sind von ihrem Design her von den Herstellern so auf maximale Effizienz getrimmt, dass eine kleine Verunreinigung einen wesentlich stärkeren negativen Effekt auf das Gesamtsystem hat als bei einem alten Motor", erklärt Prinz. Es kommt aber auch darauf an, wo das Flugzeug eingesetzt wird. Ein Betreiber im indischen Inlandsverkehr sollte seine Triebwerke häufiger waschen als beispielsweise einer in Kanada.
Auch Turboprops lassen sich mit Cyclean reinigen. Zwar nicht mithilfe eines Spray-Adapters, dafür über einen Sprühanschluss, den die Triebwerkshersteller integriert haben und an den die Cyclean-Anlage angeschlossen werden kann. Bei Propellerturbinen ist laut Prinz aber der negative Effekt von Verunreinigungen nicht so groß wie bei Turbofans. Dennoch hat Lufthansa Technik auch mögliche Zukunftstriebwerke im Blick, die eine gewisse Ähnlichkeit mit Turboprops aufweisen – Stichwort Open Rotor: "Wir schauen, wie sich das entwickelt und wie wir das System anpassen können", sagt Prinz.
Das Cyclean-Equipment findet in einem Kastenwagen oder Anhänger Platz.
Weiterentwicklung des Verfahrens
Ein weiteres Thema ist die Reinigung von Brennkammer und Turbine. Denn auch dort bilden sich Ablagerungen, vor allem hartnäckige Verbrennungsrückstände. "Für die Turbine stellt es sich technisch wesentlich komplizierter dar, ein Reinigungsverfahren zu entwickeln. Es gibt Ideen, die Turbine über die Boroskopöffnungen zu reinigen. Aber dafür ist noch langjährige Forschung und Entwicklungsarbeit nötig", so Prinz. Man konzentriere sich vor allem auf die Weiterentwicklung des bestehenden Verfahrens, sagt der Experte. "Wir arbeiten daran, die Reinigungswirkung zu verbessern über Hardware-Modifikationen, was den Spray-Adapter betrifft." Zudem überlegen die Ingenieure, die Cyclean-Anlage, die über externen Strom oder den bordeigenen Generator versorgt wird, auf Wasserstoffbetrieb umzustellen. Ein weiteres wichtiges Thema: Wie lässt sich der optimale Waschzeitpunkt bestimmen? Aktuell wird die Wäsche meistens nach einer bestimmten Zahl von Flugstunden oder Zyklen durchgeführt. "Wir wollen aber noch besser werden darin, den Kunden individuell für eine ganz bestimmte Motorseriennummer zu sagen: Wenn du jetzt wäschst, hast du das optimale Ergebnis rausgeholt", erklärt Prinz.
GE Aerospace setzt für seine Schaumwäsche ein eigens entwickeltes Reinigungsmittel ein.
Andere Anbieter und Verfahren
Neben Cyclean von Lufthansa Technik gibt es weitere Anbieter und Waschmethoden. Ähnlich wie Cyclean arbeitet die EcoPower-Wäsche von EcoServices, ein Joint Venture von Pratt & Whitney und SR Engineering North America, mit Wasser. Auch hier wird heißes Wasser mit hohem Druck in den Verdichter eingebracht, allerdings mit einem stationären, nicht drehenden Einspritzsystem. Eine andere Methode ist die Schaumwäsche, beispielsweise 360 Foam Wash von GE Aerospace oder die Triebwerkswäsche von AeroCore Technologies. Schaumwäschen sind seit einigen Jahren beliebt für Triebwerke, die unter heißen und rauen Bedingungen betrieben werden, zum Beispiel in Regionen wie dem Mittleren Osten mit hohen Umgebungstemperaturen und viel Wüstensand. Sehr feine Sandpartikel backen im Innern von Triebwerken fest.Es entstehen feste Ablagerungen, die sich nicht mit Wasser entfernen lassen. GE Aerospace benutzt nach eigenen Angaben ein selbst entwickeltes Reinigungsmittel, das die Bindemittel in der verhärteten Staubschicht aufbrechen kann. Wie genau das funktioniert, verrät der Triebwerkshersteller nicht. Durch die Schaumform soll das Reinigungsmittel jedoch mit allen neuralgischen Stellen im Triebwerk in Kontakt kommen. AeroCore spricht von einem nukleirten Schaum mit Nano-Peeling. Unter Nukleierung versteht man das Freisetzen von winzigen Gasbläschen, meist Luft oder Stickstoff.
Lufthansa Technik hat in der Vergangenheit auch die Triebwerksreinigung mit Trockeneispellets erprobt.
Trockeneiswäsche ohne klaren Vorteil
Lufthansa Technik hat auch schon andere Arten der Triebwerkswäsche untersucht, zum Beispiel mit Trockeneis. Dabei werden wenige Millimeter große CO2-Trockeneispellets per Druckluft in das Triebwerk eingeschossen. Beim Aufprall auf die Bauteile setzen sie Bewegungsenergie frei. Das sowie der Kontakt mit den minus 78,5 Grad Celsius kalten Pellets soll Verunreinigungen lösen. Vorteilhaft ist, dass dabei kein Abwasser entsteht. Zudem ist das Verfahren auch bei sehr kalten Außentemperaturen, zum Beispiel in Permafrostregionen, anwendbar. Auch die gegenüber konventionellen Triebwerkswäschen kürzeren Prozess- und Bodenzeiten von etwa 30 Minuten sprechen für das Verfahren. Aber nach jahrelanger Forschungs- und Entwicklungsarbeit müsse man sagen, dass die Ergebnisse nicht signifikant besser seien gegenüber jenen mit Wasserwäsche. "Man hat zwar kein Abwasser, aber die Verschmutzung ist in der Luft gebunden, was wieder gesundheitliche Themen verursachen kann", sagt Florian Prinz, Leiter Engine Life Cycle Services bei Lufthansa Technik. Auch die Zulassung sei schwierig. "Der Nachweisprozess, dass das Triebwerk in keiner Weise Schaden nimmt, ist ein sehr langer." Die Idee schaue man sich aber weiter an, wenngleich sie derzeit keine Priorität habe.
