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Ehrgeizige Ziele

Pratt & Whitney forscht für neue Getriebefans

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Während das Triebwerk für den Airbus A320neo weiter Fortschritte im Testprogramm am Boden und in der Luft macht, arbeiten die Ingenieure bei Pratt & Whitney bereits an den Technologien für die nächste Generation der Getriebefans. Der Treibstoffverbrauch soll um weitere zehn Prozent sinken.

Pratt & Whitney forscht für neue Getriebefans

Pure Zuversicht strahlte David Hess auf der Paris Air Show 2013 aus: "Wir werden die Vorgaben für Treibstoffverbrauch und Gewicht gleich bei der Indienststellung erreichen, und das bei allen fünf Modellen der Getriebefan-Familie!" Diese Aussage gründete der Präsident von Pratt & Whitney auf die Erkenntnisse aus den bisherigen Versuchskampagnen. Die GTF-Reihe hatte rund 5000 Stunden und 13000 Zyklen absolviert. Davon entfielen 450 Stunden auf das PW1100G-JM für den Airbus A320neo. Der erste Vertreter des Flaggschiffs der GTF-Reihe durchlief Flugtest an einer der beiden Boeing 747SP des Unternehmens. Mit den Ergebnissen war Bob Saia, Vice President Pratt & Whitney Development Programs, zufrieden. "Bei den Bodenversuchen in Meereshöhe waren wir beim Verbrauch um einige Zehntel besser als vorausberechnet. Die Ergebnisse der Flugtests belegen, dass das Triebwerk noch einmal rund ein halbes Prozent besser ist als vorhergesagt."

Das zweite Aggregat hatte eine auf 120 Stunden angelegte Versuchsreihe abgeschlossen, die sich auf den Niederdruckbereich konzentrierte. Die Ingenieure testeten die Belastungsfähigkeit bei Drehzahlen bis 105 Prozent, fünf Prozent über den erlaubten Betriebsgrenzen. Dabei zeigte sich, dass die Kühlung der Einlaufleitschaufeln der ersten Stufe der Hochdruckturbine verbessert werden musste. Das dritte PW1100G-JM diente Belastungstests des Hochdruckbereichs, während das vierte Exemplar nach Vereisungsversuchen im kanadischen Manitoba ins sonnige West Palm Beach nach Florida zurückgekehrt ist und dort Dauerläufen unter hoher Belastung ausgesetzt wird. "Das ist der letzte Versuch, bevor wir den Produktionsstandard festschreiben", erläutert Saia. "Das fünfte Triebwerk wird alle Entwurfsoptimierungen erhalten, die wir für nötig erachten." Mit den ersten vier Antrieben (als „Block 1“ bezeichnet) überprüfen die Konstrukteure den grundsätzlichen Entwurf. Die folgenden vier Aggregate dienen direkt den Zulassungstests (Block 2). Gleichzeit werden die ersten vier Einheiten auf den aktuellen Stand gebracht. Sie stoßen später zum Zertifizierungsprogramm.

Die Änderungen beziehen sich laut Saia auf kleinere Optimierungen; grundlegende Probleme gebe es keine. "Wir haben mehrere Dutzend Entwurfsänderungen ausgemacht, wie etwa die Anpassung des Drucks in einem Wellenhohlraum, um die Effektivität der Schmierung zu verbessern. Wir betrachten auch die Temperaturen in der Turbine sehr genau. So können wir sehen, an welchen Stellen wir mehr Kühlluft einsetzen müssen oder wo wir die Kühlung reduzieren können, um die Effizienz zu verbessern." Die größte Änderung ist das Weglassen der verstellbaren Gondelhinterkante. Wie beim PW1500G der Bombardier CSeries haben die Versuche ergeben, dass die sogenannte Variable Area Fan Nozzle (VAFN) wegfallen kann. "Das spart enorm Gewicht ein." Wie viel genau, wollte Saia nicht sagen. "Unser Triebwerk ist aber einige Hundert Pfund leichter als das der Konkurrenz."

Senkung des Treibstoffverbrauchs

Auch die zweite GTF-Generation wird an der Boeing 747SP getestet werden. Foto: © Pratt & Whitney

Gleichzeitig arbeitet Pratt & Whitney an der zweiten Generation der Getriebefans. Der Verbrauch gegenüber heutigen Triebwerken soll in den kommenden zehn Jahren von 15 auf 25 Prozent gesteigert werden. "Das entspricht vom jetzigen Zeitpunkt an einem Wert von einem Prozent pro Jahr. Wir stehen erst am Anfang und nicht am Ende der GTF-Auslegung. Wir versuchen nicht, das letzte Quäntchen aus einer traditionellen Triebwerksauslegung zu pressen", meinte David Hess in Paris. Dieses ehrgeizige Ziel will Pratt & Whitney auf zwei Wegen erreichen: Erstens soll das Nebenstromverhältnis auf bisher unerreichte Werte bis zu 18:1 wachsen. Eine wichtige Rolle spielt hier das Untersetzungsverhältnis des Getriebes, es beträgt derzeit 3:1. "Wir untersuchen aktuell, wie wir es auf 4- bis 4,5:1 steigern können. Dann ließe sich das Triebwerk vom Bläser her größer und vom Kern her keiner gestalten", erklärt Saia. "Die Kombination macht den Antrieb sparsamer." Aufgrund der nötigen Bodenfreiheit zielt diese Vorgabe eher auf größere Flugzeuge. "Wir haben unser Getriebesystem bis zu einem Schub von 178 Kilonewton getestet. Jetzt wollen wir den Bereich bis 444 Kilonewton ausdehnen, um die Größe, die Schmierung, die Haltbarkeit und die strukturelle Auslegung eines solch großen Getriebes zu erforschen."

Zweitens muss das Kerntriebwerk effizienter werden; das Gesamtdruckverhältnis steigt auf Werte von über 60:1. Die damit verbundenen höheren Temperaturen hofft Saia so gut wie möglich vermeiden zu können, da sie zu Lasten der Wartungskosten gehen. "In der zweiten Generation wollen wir die Fähigkeiten der Materialien verbessern und den Kühlluftbedarf reduzieren." Hier setzt man auch auf Ergebnisse des Forschungsprogramms AETD (Adaptive Engine Technology Development) der US Air Force. Tests mit einem Kerntriebwerk mit variablem Kreisprozess sollen 2016 beginnen.

Wie die Konkurrenz von GE Aviation und Co. konzentriert sich auch Pratt & Whitney auf keramische Verbundstoffe. "Wir arbeiten an mehreren Verwendungsmöglichkeiten, von Deckbändern bis hin zu Schaufeln. Die Anwendung hängt aber von den Kosten und der Reparaturfähigkeit ab. Heute lassen sich Keramik-Verbund-Komponenten noch nicht instandsetzen." Das Unternehmen hatte schon entsprechende Teile beim F135-Antrieb der Lockheed Martin F-35 getestet, aber aus Kostengründen die Serienanwendung verworfen. "Die erste Generation unserer Getriebefans benötigt keine keramischen Teile, aber für die zweite Generation brauchen wir sie mit Sicherheit." Einige der neuen Technologien beziehen sich auf Antriebe größerer Flugzeuge, andere sollen in die bestehende GTF-Muster integriert werden. "Ein Getriebe mit höherem Untersetzungsverhältnis lässt sich kaum einbauen. Andere Elemente, wie ein neues Turbinenmaterial oder eine Schaufel, die weniger Kühlung benötigt, lassen sich leicht nachrüsten", meint Saia. Sein Ziel: Die Hälfte der Neuerungen soll sich für die Verbesserung der ersten Modelle eignen.

FLUG REVUE Ausgabe 10/2013

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