Triebwerke für Business Jets: Kleine Kraftpakete

Als der führende amerikanische Business-Jet-Hersteller Gulf­stream Aerospace 2008 die Entwicklung des Ultralangstrecken-Jets G650 ankündigte, war es eine ausgemachte Sache, dass Rolls-Royce die passenden Triebwerke zur Verfügung stellt. Schließlich flogen seit 1958 insgesamt 13 verschiedene  Gulfstream-Muster mit Rolls-Royce-Antrieben, was den Triebwerkshersteller zum unangefochtenen Marktführer machte. Seit die von zwei BR725-Turbofans angetriebene G650 vor fünf Jahren in Dienst ging, hat sich allerdings einiges verändert: Neue Wettbewerber drängen in den Markt der mittleren bis starken Antriebe für Geschäftsreiseflugzeuge.

Rolls-Royce konnte bisher zwar seine Position als Branchenprimus behaupten und hatte 2016 bei den ausgelieferten Triebwerken nach eigenen Angaben einen Anteil von 43 Prozent. Die Wahl von GE Aviation, Pratt & Whitney Canada und Safran Aircraft Engines (früher Snecma) für die Motorisierung der künftigen Ultralangstrecken-Flaggschiffe Bombardier Global 7000 und Gulfstream G500/G600 sowie den neuen französischen Langstreckenjet Dassault Falcon 5X werden das Bild aber bald ändern. Nicht zuletzt deshalb arbeitet Rolls-Royce im Rahmen des Forschungsprogramms Advance 2 seit etwa drei Jahren an den Business-Jet-Antrieben der Zukunft.

Technologien aus Airliner-Triebwerken

Das BR725 ist mit 75 Kilonewton Schub das aktuell stärkste Zweiwellentriebwerk für Business Jets im Rolls-Royce-Portfolio. Von Rolls-Royce Deutschland in Dahlewitz entwickelt, baut es auf bewährte Technologien aus der BR700-Familie sowie aus den Trent-Großtriebwerken. Beispielsweise finden sich in ihm die luftgekühlte Brennkammer des BR715 (Boeing 717) und ein weiterentwickeltes, leichtes Kohlefaser-Nebenstromgehäuse des BR710 (Bombardier Global 5000/6000, Gulfstream G550) wieder. Vom Trent 800 (Boeing 777-200, -200ER, -300) abgleitet wurde die geschwungene, aerodynamisch optimierte Form der 24 Bläserschaufeln aus Titan. Um weiter Gewicht zu sparen, haben die Ingenieure die Bläserauslass-Leitschaufeln aus Verbundwerkstoffen neu entwickelt. Im Vergleich zu den beiden anderen BR700-Modellen wurde der Fandurchmesser bei gleichbleibendem Gondeldurchmesser um fünf Zentimeter vergrößert. Fünf der insgesamt zehn Stufen des Hochdruckverdichters sind als Blisk ausgeführt, also als einteilige Scheibe mit integrierten Schaufeln, was Gewicht spart. Die Niederdruckturbine wurde um eine auf drei Stufen erweitert. Gegenüber den BR710-Varianten für die Global 5000/6000 und die G550 steigt der Schub um 14 respektive 10 Prozent, gleichzeitig sinken laut Rolls-Royce der Treibstoffverbrauch um vier Prozent und der Stickoxidausstoß um gut ein Fünftel.

Noch einmal deutlich weniger durstig und zudem sauberer sollen die Antriebe der Wettbewerber sein. Pratt & Whitney Canada verspricht bei seinem PW800 gar Treibstoffeinsparungen von zehn Prozent gegenüber früheren Triebwerken in der 70-Kilonewton-Klasse, zudem soll der Instandhaltungsaufwand um 40 Prozent geringer sein. Entwickelt wurde der Antrieb 2008 zusammen mit MTU Aero Engines ursprünglich für die Cessna Citation Columbus. Nach der Programmeinstellung ein Jahr später modifizierten die beiden Unternehmen das Triebwerk für höhere Schubklassen. 2010 setzte es sich im Wettbewerb um den Einsatz an Gulfstreams G500 und G600 durch, 2015 erhielt das PW800 die Zulassung durch Transport Canada. Der bislang größte Turbofan der Kanadier, an dem die MTU einen Programmanteil von 15 Prozent hat, nutzt dasselbe Kerntriebwerk wie der Getriebefan PW1500G der Bombardier C Series. Entgegen der ursprünglichen Ankündigung wird in den beiden Versionen PW814GA (G500) und PW815GA (G600) allerdings auf ein Untersetzungsgetriebe verzichtet. Bei den sehr hoch (bis zu 15 500 Meter) und sehr schnell (bis Mach 0.9) fliegenden Business Jets brächte ein Getriebefan mit hohem Nebenstromverhältnis keine Vorteile.

Anders als das BR725 verfügt das PW800 über einen Bliskfan, einen Bläser, bei dem die Scheibe und die 24 Schaufeln aus einem Stück bestehen. Das reduziert Kosten und Gewicht, verringert Vibrationen und Kabinengeräusche, soll die Strömungsqualität verbessern und die Instandhaltung vereinfachen. Die von Pratt & Whitney in Zusammenarbeit mit der NASA entwickelte TALON-Brennkammertechnologie, deren dritte Generation in den größeren Getriebefans verwendet wird, kommt auch im PW800 zum Einsatz und soll die Stickoxidemissionen um 50 Prozent reduzieren.

Neue Materialien für kleine Turbofans

Die schubstärkste Konkurrenz erfährt Rolls-Royce durch den amerikanischen Triebwerkshersteller GE Aviation. Das  Passport, das die Global 7000/8000 (siehe FR 04/17) antreibt, liefert in bislang drei Varianten zwischen 79 und 84 Kilonewton Schub und soll dabei einen um acht Prozent geringeren spezifischen Treibstoffverbrauch aufweisen als das BR725. Wie Pratt & Whitney Canada setzt auch GE auf ein bereits erprobtes Kerntriebwerk aus dem Narrowbody-Segment. In diesem Fall kommt eine verkleinerte Version des LEAP-Kerns zum Einsatz, das CFM International (Gemeinschaftsunternehmen von GE und Safran) für den Airbus A320neo, die Boeing 737 MAX und die chinesische Comac C919 entwickelt hat. Dadurch erreicht das Passport ein hohes Gesamtdruckverhältnis von 45:1. Im Hochdruckverdichter wurden Schaufeln und Blisks mit einer speziellen Beschichtung versehen, die für eine bessere Aerodynamik sorgen soll.

GE setzt auch im Business-Jet-Segment auf neue Materialien wie beispielsweise leichte und hitzebeständige keramische Verbundwerkstoffe, die unter anderem im Abgasmischer verwendet werden. Zudem nutzt GE weitere Technologien aus zivilen Großtriebwerksprogrammen: Das Bläsergehäuse aus Verbundwerkstoffen wurde aus dem GE90 (Boeing 777) und dem GEnx (Boeing 787, Boeing 747-8) abgeleitet, die emissionsarme Brennkammer aus dem A380-Antrieb GP7000.

Wie beim PW800 wird beim Passport ein Bliskfan aus Titan verwendet. Auch hier konnte GE auf Erfahrungen aus anderen Triebwerkssparten zurückgreifen: Integrierte Bläser finden sich auch an militärischen Triebwerken wie dem F118 (Northrop B-2) oder F110 (Lockheed Martin F-16). Dass die Global 7000 mittlerweile  zwei Jahre Verspätung hat – mit der Indienststellung wird 2018 gerechnet –, liegt unterdessen nicht an den Triebwerken. GE erhielt im April 2016 für das Passport die Zulassung der amerikanischen Luftfahrtbehörde FAA.

Silvercrest bereitet Safran noch Sorgen

In Verzug ist auch die Dassault Falcon 5X, allerdings wegen Problemen mit den Silvercrest-Triebwerken von Safran Aircraft Engines. Ursprünglich hatte Dassault die Zulassung des zweistrahligen Langstreckenjets für Anfang 2015 geplant, mittlerweile geht man von Ende 2019 aus. Der Grund dafür sind technische Schwierigkeiten mit dem Öl-Treibstoff-Wärmetauscher sowie mit der Verwindungsstabilität des Triebwerks, was sich negativ auf Leistung, Treibstoffverbrauch und Lebensdauer auswirkt. Laut Safran sollen die Probleme nun gelöst sein, das Triebwerk wurde überarbeitet und ein neues Testprogramm aufgesetzt. Die Triebwerkszulassung wird für Anfang 2018 angepeilt.

Eher bekannt aus Helikoptertriebwerken und ungewöhnlich für einen Turbofan dieser Größenordnung ist die Kombination von vier axialen und einer Radialstufe im Hochdruckverdichter. Dadurch erreicht das Silvercrest bei relativ kleiner Kerntriebwerksgröße ein hohes Druckverhältnis, bei frühen Versionen war die Rede von fast 40:1. Allerdings erfordern die hohen Temperaturen eine komplizierte Kühlung.

Die Entscheidung für einen Radialverdichter wirkte sich zunächst auch negativ auf den Strömungsfluss durch das gesamte Triebwerk aus. Safran hat da-raufhin wie bereits im Hochdruckverdichter auch im Niederdruckverdichter eine Softwarelösung zur aktiven Spaltkontrolle umgesetzt, um den Luftfluss möglichst störungsfrei zu führen. Mit etwa 50 Kilonewton ist die Schubstärke des Silvercrest geringer als die von BR725, PW800 und Passport und zielt damit auf Geschäftsreiseflugzeuge mit Reichweiten zwischen 4500 und 5200 nautischen Meilen (8334 bis  9630 km). Safran will im Vergleich zu den Wettbewerbern in dieser Klasse Treibstoffeinsparungen von 15 Prozent bieten und Stickoxid- und Lärmemissionen halbieren.
Obwohl Safrans Einstieg in die Business Aviation mit dem Silvercrest bislang alles andere als optimal lief, können die Franzosen bereits einen weiteren Kunden verbuchen: Im Oktober 2016 hat sich Textron Aviation bei der Cessna Citation Hemisphere ebenfalls für den Antrieb entschieden.

FLUG REVUE Ausgabe 06/2017