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Pratt & Whitney PW1000G: Einen Gang hochgeschaltet

Pratt & Whitney PW1000G Einen Gang hochgeschaltet

Seit fünf Jahren ist der Getriebefan von Pratt & Whitney im Dienst. Nach anfänglichen Kinderkrankheiten hat sich der Antrieb zu einem zuverlässigen Arbeitspferd entwickelt. Und er hat noch Potenzial.

Vom Problemtriebwerk zum Liebling der Betreiber: Airlines mit Airbus A320neo, A220 und Embraer E2-Jets in der Flotte schätzen die Getriebefans (GTF). "Betreiber berichten von Treibstoffeinsparungen von bis zu 20 Prozent verglichen mit Flugzeugen der vorherigen Genera-tion", sagt Tom Pelland, Senior Vice President, Commercial Engine Programs bei Pratt & Whitney, gegenüber der FLUG REVUE. Tatsächlich übertrifft das den vom Hersteller ursprünglich garantierten Wert von 16 Prozent.

Größere Nachbesserungen

Auch der Erstkunde Lufthansa stimmt versöhnliche Töne an, nachdem man sich nach der Indienststellung im Januar 2016 noch über so manche Einschränkungen im Betrieb ärgern musste. "Die anfänglichen größeren Nachbesserungen sind inzwischen weitestgehend behoben und die Performance, zum Beispiel beim Verbrauch, ist gut", so Anja Lindenstein, Pressesprecherin der Lufthansa Group. Bei Lufthansa fliegen aktuell 29 A320neo und sechs A321neo mit PW1100G-JM. Sie hätten sich in der Pandemie zum Rückgrat der Lufthansa-Flotte in Frankfurt entwickelt.

Größte Kostenposition

Doch die deutsche Airline sieht noch Verbesserungsbedarf, zum Beispiel bei der Zeitspanne zwischen zwei Triebwerksüberholungen. Seit der Einführung des Flugzeugtyps seien große Fortschritte gemacht worden, aber man habe noch nicht das Niveau der vorherigen Triebwerksgenerationen (CFM56-5B von CFM International und V2500 von IAE) erreicht. "Triebwerksüberholungen sind für den wirtschaftlichen Betrieb der Flugzeuge die größte Kostenposition im Bereich der Wartungskosten;an dieser Stelle sind wir mit Pratt & Whitney im Dialog", sagt Anja Lindenstein.

Airbus
Das jüngste Mitglied der A320neo-Familie, die A319neo, absolvierte am 25. April 2019 ihren Erstflug, angetrieben von Getriebefans.

Verschlissene Brennkammerverkleidungen

Um die "Time on Wing", die Betriebszeit am Flügel, zu erhöhen, arbeitet der Triebwerkshersteller derzeit noch immer ein Nachrüstungsprogramm für die älteren PW1100G-JM ab. Hier hatte es zuletzt Probleme mit den Schaufeln der dritten Stufe der Niederdruckturbine (ein Teil, für das der deutsche Triebwerkshersteller MTU Aero Engines die Verantwortung trägt), mit Vibrationen des Hilfsgetriebes sowie vorzeitig verschlissenen Brennkammerverkleidungen gegeben. "Unsere jüngste Triebwerkskonfiguration liegt in Sachen Abflugzuverlässigkeit auf einem ausgereiften Niveau, und die Upgrades haben bisher im Dienst einwandfreie Leistungen gezeigt", so Pelland. Die Zuverlässigkeit liege flottenweit mittlerweile bei 99,98 Prozent. Da der GTF mit 40 Prozent mehr Sensoren als Vorgänger-Triebwerke ausgestattet sei, könne man durch die Datenauswertung zudem schneller auf Probleme reagieren.

Forschungsprogramm Clean Sky

Doch nicht nur das Retrofit-Programm soll die Triebwerke besser machen. In die aktuellen Serientriebwerke für die A320neo-Familie sind bereits weitere Spritspar-Technologien eingeführt worden. Einige stammen von MTU Aero Engines, wo sie in den vergangenen Jahren entwickelt und erprobt wurden, unter anderem im SAGE-4-Demonstrator (Sustainable and Green Engines, nachhaltige und grüne Triebwerke) im Rahmen des europäischen Forschungsprogramms Clean Sky. Dazu gehören ein Fuß-Schutzblech der Laufschaufeln in der dritten Stufe der Niederdruckturbine sowie eine Gehäusekonfiguration der Niederdruckturbine mit neuartiger Leitschaufel-Aufhängung.

Mehr Power für den Airbus A321XLR

Der deutsche Triebwerkshersteller ist je nach Variante mit 15 bis 18 Prozent am GTF beteiligt, ein Drittel der PW1100G-JM werden in München endmontiert. "Entsprechend unseres Programmanteils in den GTF-Programmen beschäftigen wir uns kontinuierlich mit Verbesserungen unser GTF-Komponenten Hochdruckverdichter und Niederdruckturbine", so Martina Vollmuth, Pressesprecherin Technologie bei MTU Aero Engines. Als die Testläufe mit SAGE 4 von Oktober bis Dezember 2015 liefen, war die Indienststellungskonfiguration des PW1100G-JM bereits abgeschlossen. Deshalb verfolge man Technologien, die damals erprobt wurden, für neue Triebwerksgenerationen weiter, beispielsweise Erosionsschutzschichten im Hochdruckverdichter für eine längere Lebensdauer.

Nächste Evolution des GTF

Solche und weitere Technologien könnten in einer GTF-Version mit mehr Schub und noch besserer Kraftstoffeffizienz am neuen Airbus-Flaggschiff, dem Single-Aisle-Langstreckenjet A321XLR, zum Einsatz kommen. Ab 2023 sollen die ersten Flugzeuge ausgeliefert werden, so zumindest der Plan vor Corona. "Wir arbeiten eng mit Airbus zusammen, um die nächste Evolution des GTF zu entwickeln", sagt Pelland. Der Fokus liege nun darauf, den thermischen Wirkungsgrad im Kerntriebwerk – Hochdruckverdichter, Brennkammer, Hochdruckturbine – weiter zu steigern. Welche Werte bei Treibstoffeinsparung bzw. Schuberhöhung angepeilt werden, darüber schweigen sich Pratt & Whitney und Airbus aus. In Medienberichten ist die Rede von zwei bis vier Prozent weniger Kerosinverbrauch.

Airbus
Für die A321XLR überarbeitet Pratt & Whitney den Getriebefan.

Höheres Nebenstromverhältnis

"Eines Tages könnten wir künftige Generationen des GTF mit kleinerem Kerntriebwerk, höheren Betriebstemperaturen und größeren Bläsern sehen", so Pelland. Ein größerer Fan, der mehr Luft mit einem geringeren Druckanstieg und mit geringerer Geschwindigkeit am Kerntriebwerk vorbeischaufelt, würde das Nebenstromverhältnis und damit die Schubkraft erhöhen. Dem Bläserdurchmesser sind allerdings Grenzen gesetzt durch die Flugzeugkonstruktion und die nötige Bodenfreiheit. Für ein höheres Nebenstromverhältnis sorgt alternativ auch ein kleineres Kerntriebwerk bei gleichbleibendem oder nur geringfügig größerem Fandurchmesser.

Höhere Drücke und Temperaturen

Das Nebenstromverhältnis könne in den kommenden Jahren schrittweise gesteigert werden, von aktuell 12:1 auf bis zu 20:1 ab 2035, so MTU Aero Engines. Um höhere Drücke und Temperaturen und damit eine Verkleinerung des Kerntriebwerks zu ermöglichen, sind unter anderem moderne Materialien nötig, zum Beispiel hitzeresistente und leichte keramische Verbundwerkstoffe (CMC, Ceramic Matrix Composite). "Diese Technologie spielt sowohl in unseren kommerziellen als auch militärischen Programmen eine wichtige Rolle", sagt Geoff Hunt, Senior Vice President, Engineering and Technology bei Pratt & Whitney.

Weiteres Einsparpotenzial für die nächste Generation

Hilfreich sind auch die im Betrieb generierten Triebwerksdaten. "Mehr als vier Millionen Datenpunkte werden bei jedem Flug gesammelt. Indem wir mit unseren Kunden an diesen gemeinsam genutzten Informationen arbeiten, erreichen wir auch in Zukunft Leistungssteigerungen", so Hunt. Künftige GTF-Versionen würden zudem daraufhin optimiert, dass sie mit höheren Anteilen an nachhaltigen Flugkraftstoffen, sogenannten Sustainable Aviation Fuels (SAF), betrieben werden könnten.

Ambitionen für Weiterentwicklungen

Die Ambitionen für Weiterentwicklungen der GTF-Familie sind bei Pratt & Whitney und den Partnern MTU, Japanese Aero Engines Corporation (JAEC) und GKN Aerospace hoch. Die nächste Generation des Antriebs, deren Markteinführung um 2030 angepeilt wird, soll noch einmal rund zehn Prozent Treibstoffeinsparungen bringen. Sie könnte an den Nachfolgemodellen von A320neo und Boeing 737 MAX zum Einsatz kommen. Denn trotz des momentanen Hypes um alternative Luftfahrtantriebe, beispielsweise hybrid-elektrische Konfigurationen oder mit Wasserstoff betriebene Turbofans, sagt Hunt: "Die große Mehrheit der Flugzeuge wird 2050 noch von konventionellen Gasturbinen-Triebwerken angetrieben werden." Sie weiterzuentwickeln und den Einsatz nachhaltiger Treibstoffe voranzutreiben sei deshalb unabdingbar. Pelland fügt hinzu: "Wir sind erst am Anfang des Potenzials dieser revolutionären Triebwerksarchitektur mit Getriebe."

Airbus
Der Getriebefan-Demonstrator an einer A340-600 im Oktober 2008.

Getriebefan-Entwicklung

Die Ursprünge des Getriebefans gehen bis in die Mitte der 1980er Jahre zurück. Damals arbeiteten Pratt & Whitney und Allison am Propfan 578-DX. Schon bei diesem Experimentaltriebwerk saß ein Reduktionsgetriebe zwischen Niederdruckturbine und den nicht ummantelten, gegenläufig rotierenden Propellern. Damit konnten die Niederdruckturbine schneller und die Propeller langsamer als bei einer einheitlichen Drehzahl ohne Getriebe laufen. Das erhöht den Wirkungsgrad und senkt den Treibstoffverbrauch.

Advanced Ducted Prop

Aufgrund technischer Schwierigkeiten und mangelnden Interesses von Airline-Kunden wurde aus dem Propfan nichts. Aber einige seiner Technologien wurden weiterentwickelt. In den 1990ern schloss sich Pratt & Whitney mit der damaligen Fiat Avio und MTU Aero Engines für das Projekt Advanced Ducted Prop (ADP) zusammen. Aber auch dieser Getriebefan-Demonstrator, ebenso wie das im Februar 1998 von Pratt & Whitney angekündigte PW8000, wurde wegen schlechter wirtschaftlicher Perspektiven nicht weiterverfolgt.

Advanced Technology Fan Integrator

Steigende Kerosinpreise und der Wunsch der Airlines nach sparsameren und leiseren Triebwerken führten schließlich zu einer Neubewertung. Die ADP-Partner und neu auch Pratt & Whitney Canada setzten die Arbeit an der Getriebefan-Technologie Anfang der 2000er Jahre mit dem Advanced Technology Fan Integrator (ATFI) fort. Der Demonstrator basierte auf einem PW6000-Kerntriebwerk, das mit einem Untersetzungsgetriebe zwischen Niederdruckturbine und Bläser ausgestattet wurde. MTU Aero Engines entwickelte parallel dazu im Rahmen des "Engine 3E"-Programms einen neuen Hochdruckverdichter.

Demonstratortriebwerk

Die Entwicklung des heutigen GTF begann schließlich 2005. Damals beschlossen die Partner, ein Demonstratortriebwerk zu bauen und zu testen. Erste Bodenläufe fanden im November 2007 statt. 2008 startete das GTF-Programm offiziell, im selben Jahr begann die Flugerprobung. Als erster Antrieb der Familie erhielt das PW1500G im Februar 2013 die Zulassung der kanadischen Luftfahrtbehörde Transport Canada.