Sparsamer müssen sie sein, die Triebwerke der Zukunft. Dabei geht es nicht nur um Betriebskosten, sondern auch um den ökologischen Fußabdruck der Luftfahrtindustrie. Um Triebwerke effizienter zu machen, muss sich, vereinfacht gesagt, die Turbine schneller und der Bläser langsamer drehen. Mit der bisherigen Bauweise, bei der die Niederdruckturbine den Fan direkt antreibt, ist das allerdings nicht zu erreichen. „Ein Getriebe ist die Grundlagentechnologie, die diese beiden Anforderungen miteinander verbindet“, sagt Mike Whitehead, Chefingenieur und Programmleiter Ultra-Fan-Technologien bei Rolls-Royce. Der UltraFan soll unter anderem durch das Getriebe rund 25 Prozent weniger Treibstoff verbrauchen als das Trent 700 des Airbus A330.
Neu ist die Idee nicht, Getriebefans des US-Herstellers Pratt & Whitney sind seit Anfang 2016 an Schmalrumpfflugzeugen wie dem Airbus A320neo und der Bombardier CSeries im Dienst. Rolls-Royce plant jedoch eine Nummer größer: Nichts weniger als das „leistungsfähigste Luftfahrtgetriebe der Welt“ will der britische Triebwerksbauer entwickeln. Eine Übertragung von bis zu 100 000 PS soll damit möglich sein. Gemeint ist damit die Leistung der Niederdruckwelle, nicht des Triebwerks.
„Das ist die Herausforderung: einen Weg zu finden, eine solche Leistung auf kompakte, leichte und zuverlässige Weise zu übertragen“, so Whitehead. Denn niemand habe bisher ein Getriebe dieser Größe und Leistungsdichte gebaut. Das bisherige Design sieht einen Durchmesser von rund 80 Zentimetern und ein Gewicht von unter einer Tonne vor. Bei einem Technologiebriefing Ende März in Dahlewitz zeigte Rolls-Royce erste, verkleinerte Modelle des Planetengetriebes mit einem Sonnenrad, fünf Umlaufrädern und einem festen Hohlrad. Auf jedes Umlaufrad wirkt im späteren Betrieb die Kraft eines Trent XWB-84 bei vollem Schub (der Antrieb der A350-900 hat einen Startschub von 375 Kilonewton).
Eine Option nicht nur für Großraumflugzeuge
Als Rolls-Royce die Pläne für seine beiden Zukunftsantriebe Advance (noch ohne Getriebe) und UltraFan Anfang 2014 erstmals öffentlich präsentierte, schienen die Briten die nächste Generation an Großraumflugzeugen ins Visier zu nehmen. In Dahlewitz betonte Rolls-Royce jedoch, dass die Technologien skalierbar für Schubklassen zwischen rund 155 und 480 Kilonewton seien. Damit wären die Triebwerke nicht nur Kandidaten für eine potenzielle A380neo (wenn Airbus das Programm nicht vorher einstellt), sondern auch für neue Narrowbodies sowie Boeings New Midsize Airplane (NMA).
Entwickelt und getestet wird das Leistungsgetriebe bei Rolls-Royce Deutschland in Dahlewitz. Neben dem sogenannten Power Gearbox Office, das mehr als 100 eigene Mitarbeiter und externe Getriebeexperten beherbergt, wurde dafür in den vergangenen Jahren für 84 Millionen Euro ein neues Testzentrum aufgebaut. Auf einem Lage- und einem Leistungsprüfstand können die Prototypen des Getriebekolosses auch unter Extrembedingungen untersucht werden.
Advance-Kerntriebwerk vor dem Erstlauf
Die Tests begannen im September 2016 auf dem Lageprüfstand. Damit können die Ingenieure Effekte simulieren, wie sie im Steig-, Sink- und Schrägflug sowie in Höhen von mehr als zwölf Kilometern auftreten. Das Getriebe kann auf dem Lageprüfstand bei voller Geschwindigkeit, aber ohne Last betrieben werden. „Wir untersuchen dabei, was mit dem Öl im Getriebe passiert“, erklärt Whitehead. Im vergangenen Mai starteten auch die Testläufe auf dem Leistungsprüfstand, wo die Betriebsgrenzen des Getriebes ausgelotet werden. Ein dynamisches Drehmoment von rund 100 Megawatt ist auf dem Prüfstand möglich. Er sei so designt, dass er bis zu 50 Prozent mehr Drehmoment aufbringen kann als bei maximaler Triebwerksleistung, so Whitehead. Als Energieinput gibt Rolls-Royce 15 Megawatt an. Wie werden aus diesem Input 100 Megawatt Output? Der Schlüssel dazu ist ein mechanisch geschlossener Kreislauf.
Whitehead erklärt: „Wenn man ein Getriebe mit einem Untersetzungsverhältnis von 4:1 testet, hat man eine Eingangs- und eine Ausgangswelle mit dem Verhältnis 4:1. Wir bilden einen Kreislauf mit einem weiteren Getriebe mit exakt gleichem Verhältnis. Wenn ich nun eine der Wellen auseinanderbreche, verdrehe und wieder zusammensetze, habe ich ein Drehmoment in diesem Kreislauf gefangen. Durch diese Anordnung kann ich das System mit relativ bescheidenem Energieinput bei voller Leistung, also voller Geschwindigkeit und voller Last, betreiben.“ Die zerbrochene, verdrehte und wieder zusammengesetzte Welle ist nur bildlich zu verstehen. In der Realität sorgen zwei Motoren und ein Differentialgetriebe vor dem Testgetriebe für das Drehmoment und die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Untersetzungsverhältnissen. Laut Rolls-Royce soll die Leistung bei den Getriebetests nun sukzessive bis zum Maximum hochgefahren werden. Wie viele Prototypen bisher im Testprogramm eingesetzt werden, wollte der Triebwerkshersteller auf Anfrage der FLUG REVUE nicht exakt beziffern, es seien aber eine ganze Reihe an Getrieben für Prüfläufe in den kommenden Wochen und Monaten vorgesehen. Einige davon sollen nach den Tests zerlegt, untersucht und für weitere Läufe wieder zusammengebaut werden.
Während Getriebeentwicklung und -tests in Dahlewitz voranschreiten, wird an anderen Standorten an weiteren neuen Technologien für den UltraFan gearbeitet, beispielsweise an Composite-Bläserschaufeln, einer Magerverbrennungs-Brennkammer sowie leichten und hitzeresistenten Materialien für die Turbine. Noch in diesem Jahr soll das Konzeptdesign für einen UltraFan-Demon-strator festgelegt werden. Ein wichtiger Zwischenschritt auf dem Weg zum Rolls-Royce-Getriebefan ist Advance – ein Triebwerk ohne Getriebe und noch mit den für Rolls-Royce typischen drei Wellen, aber einer veränderten Architektur: Die Arbeit wird von der Mittel- zur Hochdruckturbine umverteilt. Derzeit wird der Advance-Kerntriebwerks-Demonstrator am Hauptsitz in Derby auf seinen Erstlauf vorbereitet.
Von der Trent-Familie zum UltraFan
2014 kündigte Rolls-Royce seine Entwicklungsstrategie für die Antriebe der nächsten Generation an. Bis 2020 soll mit Advance ein Triebwerk mit einem hohen Gesamtdruckverhältnis entstehen, dafür wird das Kerntriebwerk im Vergleich zu den Trent-Triebwerken deutlich überarbeitet. Bis 2025 will der britische Hersteller viele unter Advance erprobte Technologien mit einem Leistungsgetriebe zum UltraFan kombinieren.
Trent XWB-97
Schub: 432 kN
Nebenstromverhältnis: 9,6:1
Gesamtdruckverhältnis: 50:1
Aufbau: Bläser, Mitteldruckverdichter (8 Stufen), Hochdruckverdichter (6), Brennkammer, Hochdruckturbine (1), Mitteldruckturbine (2), Niederdruckturbine (6)
Erstlauf: 11. Juli 2014
Indienststellung: geplant für 2017
Advance
Schub: k. A.
Nebenstromverhältnis: > 11:1
Gesamtdruckverhältnis: 60:1
Aufbau: Bläser, Mitteldruckverdichter (4), Hochdruckverdichter (10), Brennkammer, Hochdruckturbine (2), Mitteldruckturbine (1), Niederdruckturbine (6)
Treibstoffeinsparung: 20 % (vgl. zu Trent 700)
Einsatzreife: 2020+
UltraFan
Schub: ab rund 155 kN
Nebenstromverhältnis: > 15:1
Gesamtdruckverhältnis: 70:1
Aufbau (voraussichtlich): Bläser, Reduktionsgetriebe, Niederdruckverdichter (3), Hochdruckverdichter (10), Brennkammer, Hochdruckturbine (2), Niederdruckturbine (4)
Treibstoffeinsparung: 25 % (vgl. zu Trent 700)
Einsatzreife: 2025+
FLUG REVUE Ausgabe 10/2017
