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Catalyst vor dem Erstflug

GE Aviation Catalyst Neue Propellerturbine vor dem Erstflug

GE Aviation entwirft mit dem Catalyst einen Konkurrenten zum PT6 von Pratt & Whitney Canada. Nach Verzögerungen steht das Turboprop-Triebwerk nun vor dem Beginn der Flugerprobung. Europa spielt in der Entwicklung die Schlüsselrolle, auch deutsche Standorte sind beteiligt.

Rund sechs Jahre nach Entwicklungsbeginn ist es soweit: Das Catalyst von GE Aviation soll bald erstmals abheben – und zwar von Berlin-Schönefeld aus. Testträger ist eine modifizierte Beechcraft King Air 350, die unter dem linken Flügel die neue GE-Propellerturbine trägt, unter dem rechten ein PT6. Die Zweimot hat bereits Rolltests mit niedriger Geschwindigkeit absolviert und verschiedene Triebwerksläufe am Boden mit maximaler Leistung. Demnächst stehen noch Hochgeschwindigkeitsrollversuche auf dem Programm, so GE Aviation.

Seit dem Erstlauf des damals noch Advanced Turboprop (ATP) genannten Aggregats im Dezember 2017 haben die ingesamt elf Demonstratoren ein umfangreiches Testprogramm am Boden durchlaufen: Mehr als 2400 Stunden wurden auf vier neu gebauten Prüfständen der Tschechischen Technischen Universität Prag und zwei aufbereiteten Prüfstanden von GE Aviation Czech (früher Walter Aircraft Engines, von GE 2008 übernommen) abgespult.

Erstes Familienmitglied

Erste Anwendung ist die einmotorige Beechcraft Denali, die Textron Aviation bisher unter der Marke Cessna entwickelte. Aus dem Catalyst soll aber eine ganze Turbopropfamilie entstehen. Nach Angaben von GE kann das Triebwerk mithilfe verschiedener Getriebeversionen zwischen 862 und 1673 Wellen-PS (634 bis 1230 kW) liefern. Das US-amerikanische Start-up XTI Aircraft hat 2019 das Catalyst als Kernelement des hybrid-elektrischen Antriebssystems seines Senkrechtstarters TriFan 600 ausgewählt.

Die neue Propellerturbine ist aber auch interessant für Militärtrainer oder Drohnen. Derzeit bewirbt sich die italienische GE-Aviation-Tochter Avio Aero mit einer militärischen Variante des Catalyst als Antrieb für die Eurodrohne, die Airbus Defence and Space als Hauptauftragnehmer verantwortet. Der Konkurrent um den Auftrag ist das Ardiden 3TP von Safran Helicopter Engines und ZF Luftfahrttechnik. In einem Statement wehrt sich Avio Aero gegen die Behauptung, das Catalyst sei nicht ITAR-frei (International Traffic in Arms Regulation) und falle unter die Kontrolle der US-Regierung. "Die militärische Variante des Catalyst wird, anders als in der Presse behauptet, nur der italienischen Exportregelung unterliegen", so Avio Aero.

Eurodrohne.
Airbus
Auch die Eurodrohne könnte mit einer militärischen Catalyst-Version fliegen.

Deutsche Beteiligung

"Das Catalyst ist ein rein europäisch entwickeltes Triebwerk", bestätigt auch Günter Wilfert im Gespräch mit der Flug Revue. Er ist Director Operations and Technology Management der GE Aviation Advanced Technology in München. Sein knapp 50-köpfiges Team ist neben Avio Aero (Turin), GE Aviation Czech (Letňany bei Prag) und dem Engineering Design Center (Warschau) wesentlich am Catalyst beteiligt.

GE Aviation
Günter Wilfert, Director Operations and Technology Management der GE Aviation Advanced Technology in München

Eines der Spezialgebiete der Münchner ist "Inclement Weather", was so viel wie "Schlechtwetter" heißt. Dazu gehört der Betrieb des Turboprops beispielsweise bei Regen und Hagel. "Der große Fokus liegt aber auf Vereisung", so Wilfert. Denn Eisbildung am Propeller oder im Triebwerk selbst beeinträchtigt nicht nur die Leistung. Wenn sich große Eisteile plötzlich ablösen, kann der Verdichter beschädigt werden, ein Triebwerksausfall droht.

Für die Zulassung müssen Triebwerkshersteller deshalb nachweisen, dass neue Flugzeugmotoren auch zuverlässig unter Vereisungsbedingungen laufen. Beim Catalyst lag die Organisation und Durchführung der entsprechenden Tests in den Händen der Experten aus München. Die Erprobung fand in den Wintern 2019 und 2020 in den Gas Turbine Research Facilities des National Research Council (NRC) im Ottawa statt. Die Testsektion ist über einen etwa zehn Meter langen Windkanal mit der eisigen kanadischen Winterluft verbunden. Diese wird angesaugt und vermischt mit unterkühlten Wassertröpfchen. So entstehen atmosphärische Bedingungen und Temperaturen von -20 bis -40 Grad Celsius, die denen eines Fluges bis auf neun Kilometer Höhe unter Vereisungsbedingungen entsprechen.

Sicher in extremem Wetter

Mehrere hundert Stunden wurde das Triebwerk in dieser unwirtlichen Umgebung erprobt. "Die Ergebnisse waren exzellent", so Paolo Vanacore, Senior Engineer für Inclement Weather bei GE Aviation in München, in einem Blogbeitrag des Triebwerksherstellers. "Wir haben sogar einen Neustart nach langer Inaktivität bei polaren Temperaturen simuliert. Das Verhalten des Triebwerks hat die Erwartungen übertroffen". Selbst bei extremen Wetterbedingungen, unter denen ein Flugzeug nur selten betrieben wird, habe das Anti-Vereisungssystem zuverlässig funktioniert.

Das Team aus München ist zudem für die Verdichter-Aerodynamik zuständig. In der bayerischen Landeshauptstadt fanden die Tests des kompakten Catalyst-Kompressors mit vier axialen und einer Radialstufe statt. Er erreicht ein beeindruckendes Gesamtdruckverhältnis von 16:1. "Bei so einem Verdichter ist es schwierig, Performance und Operability genau aufeinander abzustimmen. Ich glaube, wir sind die ersten, die es auf Anhieb geschafft haben, dass wir keine Änderungen mehr im Triebwerk brauchten. Darauf sind wir stolz", sagt Wilfert.

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Das Münchner GE-Aviation-Team zeichnet unter anderem für die Verdichter-Aerodynamik des Catalyst verantwortlich.

Neben dem leistungsfähigen Verdichter verfügt das Catalyst über zahlreiche Neuerungen, die dabei helfen, den spezifischen Treibstoffverbrauch um 20 Prozent gegenüber Konkurrenzantrieben derselben Leistungsklasse zu verringern. Einige Technologien wurden aus den zivilen Großtriebwerken von GE Aviation abgeleitet, beispielsweise die kombinierte volldigitale Triebwerks- und Propellerregelung (FADEPC), die dem Piloten eine einfache Bedienung über einen einzelnen Schubhebel ermöglicht. Hinzu kommen gekühlte Hochdruckturbinenschaufeln und zwei Stufen variabler Leitschaufeln im Verdichter.

Teile aus dem Drucker

Neu ist auch der mit rund 30 Prozent hohe Anteil an 3-D-gedruckten Metallbauteilen. Einige hundert konventionell gefertigte Teile wurden auf rund ein Dutzend additiv hergestellte reduziert, darunter Ölwannen, Lagergehäuse und Brennkammer-Auskleidung. So wird das Gewicht des Aggregats um fünf Prozent gesenkt. "Das Triebwerk ist durch die additiven Bauteile deutlich kürzer", ergänzt Wilfert. Die Zulassung von 3-D-gedruckten Bauteilen sei herausfordernder und aufwändiger als bei konventioneller Fertigung. "Sie müssen natürlich gewisse zusätzliche Tests vorweisen können. Aber diesen Erfahrungsschatz hat GE, weil wir intensiv seit circa zehn Jahren an dem Thema Zertifizierung dran sind."

Das neue Fertigungsverfahren ist offenbar nicht der Grund, dass das Catalyst-Programm der ursprünglichen Planung hinterherhinkt. In der Pressemitteilung vom Erstlauf des Triebwerks am 22. Dezember 2017 war davon die Rede, dass die Denali Ende 2018 erstmals abheben würde. GE Aviation habe bei der Planung zu Beginn das eine oder andere unterschätzt. "Man wollte ein Triebwerk entwickeln, das vom ursprünglichen Zeitplan her schon deutlich schneller gewesen wäre als jedes andere Triebwerk, das wir bisher entwickelt haben", sagt Wilfert. Hinzu gekommen seien nun noch die Corona-Pandemie und der damit zusammenhängende Stellenabbau bei GE weltweit. Jetzt sei man eher wieder im normalen Plan.

Das Catalyst ist nach Angaben von GE das erste komplett neu entwickelte Turboprop-Aggegrat für Flugzeuge der Allgemeinen und der Geschäftsreiseluftfahrt seit 50 Jahren. Auf ein bisschen Verspätung kommt es da auch nicht an.