Rolls-Royce UltraFan
Großtriebwerke ohne Zukunft?

Seit 2014 arbeitet Rolls-Royce offiziell an einem Nachfolger seiner Trent-Familie. Noch dieses Jahr soll am Hauptsitz in Derby die Bodenerprobung des UltraFan-Demonstrators beginnen. Doch was danach kommt, ist unklar.

Großtriebwerke ohne Zukunft?
Foto: Rolls-Royce

Die Dimensionen des UltraFan sind atemberaubend: Nebenstromverhältnis von bis zu 14:1, ein Getriebe, das bei Tests 64 MW Leistung übertragen hat, und ein Bläserdurchmesser von 356 Zentimetern. Damit ist der Demonstrator mit dem Namen UF001 das größte Triebwerk der Welt, größer noch als der bisherige Rekordhalter GE9X von GE Aviation (Boeing 777X) mit seinen 340 Zentimetern Fan-Durchmesser.

Der einzige UltraFan-Demonstrator wird derzeit am Hauptsitz des britischen Triebwerksherstellers mit der Testinstrumentierung versehen und soll noch dieses Jahr auf dem größten Indoor-Prüfstand der Welt, Testbed 80, ebenfalls in Derby zum Leben erweckt werden. Für die Bodenerprobung, die zunächst mit 100 Prozent nachhaltigem Treibstoff (Sustainable Aviation Fuel, SAF) erfolgen soll, wird das Triebwerk mit 2800 Sensoren bestückt. Laut Rolls-Royce werden Daten von mehr als 10 000 Parametern aufgezeichnet, selbst kleinste Vibrationen können erfasst werden.

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Mit einem Bläserdurchmesser von 356 Zentimetern ist der Demonstrator des UltraFans, mit dem Namen UF001 das größte Triebwerk der Welt.

Sparsame Gasturbine

"Natürlich stehen wir unter Druck, bald mit den Tests zu beginnen, aber für uns ist es wichtig, es richtig zu machen", sagte Alan Newby, Director of Aerospace Technology and Future Programmes bei Rolls-Royce, bei einem Gespräch mit der FLUG REVUE auf der ILA im Juni. Der UltraFan sei ein strategisch wichtiges Triebwerk, er repräsentiere eine deutliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit. Der Koloss soll 25 Prozent weniger Treibstoff verbrauchen als das Trent 700 (Airbus A330), das erste Mitglied der Trent-Großtriebwerksfamilie. Zudem soll der UltraFan 40 Prozent weniger Stickoxide ausstoßen, 35 Prozent leiser sein, mindestens 50 Prozent weniger nichtflüchtige Feinstaubpartikel an Flughäfen und nahezu keine Feinstaubpartikel im Reiseflug mit aktuellen Kraftstoffen generieren. Im Vergleich zum Trent XWB des Airbus A350 soll der UltraFan immerhin zehn Prozent sparsamer sein.

"Menschen denken manchmal, die Gasturbine sei eine beinahe obsolete Technologie, die durch diese neuen Technologien – Wasserstoff oder Elektrifizierung – ersetzt wird", so Newby. "Wir sehen aber genau das Gegenteil." Synthetisches Kerosin und Wasserstoff seien wahrscheinlich zunächst nur in geringen Mengen verfügbar und teuer. Man brauche deshalb hocheffiziente und sparsame Gasturbinen.

Dafür änderte Rolls-Royce sogar seine traditionelle Drei-Wellen-Architektur. Der UltraFan verfügt nur noch über eine Hoch- und eine Mitteldruckwelle (Letztere wird faktisch zur Niederdruckwelle). In vorherigen Entwicklungsschritten im Rahmen des Advance3-Programms wurde die Arbeit zunächst von der Mittel- zur Hochdruckwelle umverteilt. Im UltraFan kommen nun eine im Vergleich zum Trent XWB erweiterte Hoch- und Mitteldruckturbine zum Einsatz. Neu entwickelt wurden im Zuge von Advance3 und UltraFan auch ein zehnstufiger Hochdruck- und ein vierstufiger Mitteldruckverdichter. Mit dem kleineren und leistungsfähigeren Kerntriebwerk soll ein Gesamtdruckverhältnis von rund 70:1 erreicht werden.

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Rolls-Royce setzt beim UltraFan auf hohe Effizienz und Sparsamkeit.

Viele Technologiebausteine

Schlüsselkomponente des UltraFan ist aber ein Planetengetriebe mit rund 80 Zentimetern Durchmesser. Es besteht aus einem Sonnenrad, fünf Umlaufrädern und einem festen Hohlrad und verringert die von der Mitteldruckturbine kommende Drehzahl auf einen für den Bläser optimalen Wert. In mehr als 650 Teststunden wurde das von Rolls-Royce Deutschland und Liebherr-Aerospace entwickelte Getriebe zuvor in Dahlewitz auf verschiedenen, eigens gebauten Prüfständen erprobt. Dabei hat es im August 2021 mit einer übertragenen Leistung von 87 000 PS (64 MW) nach Angaben von Rolls-Royce einen Luftfahrt-Weltrekord aufgestellt.

Die riesigen, türkisfarbenen Bläser-Schaufeln bestehen aus Faserverbundwerkstoffen, die Rolls-Royce CTi (Kohlefaser mit Titanvorderkante) nennt. Ähnlich wie beim LEAP von CFM International wird dafür Harz in eine 3-D-gewebte Kohlefaserstruktur injiziert. Auch das Fan-Gehäuse ist aus Composite-Material. Nach Angaben von Rolls-Royce könnten allein diese Kohlefaser-Komponenten bei einem Zweistrahler 700 Kilogramm Gewicht einsparen.

Ebenfalls neu ist die ALECSys- Magerbrennkammer (Advanced Low Emissions Combustion System). Ihre Einspritzdüsen sollen für eine bessere Vermischung von Luft und Treibstoff vor der Zündung sorgen, was wiederum eine vollständigere Verbrennung des Kerosins fördert. Das verringert die Stickoxid- und Feinstaubemissionen.

Neue Fertigungsverfahren und Materialien kommen im UltraFan ebenfalls zum Einsatz. Die Leitschaufeln der Hochdruckturbine bestehen jeweils aus mehreren Gussteilen, die miteinander verbunden wurden. Das soll auch die Kühlung verbessern. Erstmals findet sich in einem zivilen Rolls-Royce-Triebwerk zudem ein Dichtungssegment aus keramischen Verbundwerkstoffen (Ceramic Matrix Composite, CMC), es ist über den deckbandlosen Schaufeln der Hochdruckturbine verbaut.

Das Leistungsgetriebe, das in UF001 zum Einsatz kommt, wurde bereits in Deutschland getestet. Andere Module, zum Beispiel jene im primären Gaspfad, wurden erst in Derby zusammengebaut. Für sie wird der Triebwerkserstlauf auch der erste Funktionstest sein. UF001 soll gegen Ende des Testprogramms unter anderem Starts auf Meereshöhe simulieren. Dann wollen die Ingenieure bis zu 445 Kilonewton aus dem Turbofan herauskitzeln.

Doch an einem Flugzeug abheben wird UF001 nie. Nach Abschluss der Bodentests im kommenden Jahr wird das Programm vorerst auf Eis gelegt, wie Warren East, Noch-CEO von Rolls-Royce, bereits Anfang 2021 ankündigte. "Ich kann Flugzeughersteller nicht dazu zwingen, neue Flugzeuge zu erfinden, und wenn es keine Nachfrage nach ihnen gibt, dann gibt es auch keine Nachfrage nach Triebwerken", so East damals in einem Interview mit der Financial Times. Man werde längerfristige Investitionen aussetzen, bis sich realistische Marktchancen abzeichnen. Ursprünglich waren vier Bodendemonstratoren und auch Flugtests geplant. Komponenten für ein zweites Testtriebwerk wurden zwar gefertigt, ob es gebaut wird, ist aber noch unklar.

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Auch wenn der UltraFan viele neue Technologiebausteine birgt, wird der Demonstartor UF001 wohl nie an einem Flugzeug abheben. Nach den Bodentests wird das Programm vorerst auf Eis gelegt.

UltraFan für Single Aisle?

Vergebens sind die Anstrengungen des UltraFan-Programms aber nicht. In näherer Zukunft gebe es Optionen, UltraFan-Technologien in Trent 1000 und XWB (Boeing 787, Airbus A350) zu überführen, so Rolls-Royce. Dazu gehören beispielsweise neue Materialien und Fertigungsverfahren für die Hochdruckturbine, aber auch Dichtungen und Lager für die Hot Section (Brennkammer, Turbine, Abgasdüse). Dieses Jahr soll es zudem weitere Demonstratoren geben, dazu gehören ein Trent-Triebwerk mit ALECSys-Brennkammer, das im Flug erprobt werden soll, sowie weitere Bodenläufe mit einem Advance3-Kerntriebwerk. Newby sieht perspektivisch noch in einem anderen Bereich Chancen: "Es handelt sich um eine skalierbare Architektur, bis hinunter auf 25 000, 30 000 Pfund Schub [111 bis 133 kN; d. Red.]." Damit wäre der UltraFan auch für Standardrumpfflugzeuge wie einen Nachfolger des Airbus A320 interessant. "Wir sind immer im Gespräch mit den Flugzeugherstellern", so Newby.

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