24.10.2016
Erschienen in: 10/ 2016 FLUG REVUE

Großtriebwerke mit GetriebeRolls-Royce Advance und UltraFan

Nach Pratt & Whitney setzt auch Rolls-Royce auf den Getriebefan. Für die nächste Generation ziviler Großtriebwerke, Advance und UltraFan, verfolgen die Briten ein ambitioniertes Forschungsprogramm, in dem auch Deutschland eine wichtige Rolle spielt.

Die Zukunft hat bei Rolls-Royce vor zwei Jahren begonnen. 2014 kündigte der britische Triebwerkshersteller seine neue Strategie für die Antriebe der nächsten Generation an. Die Ingenieure arbeiten dafür an Technologien, die Triebwerke sparsamer, leichter und ökologischer machen sollen. Und sie haben bereits einiges erreicht. „Wir haben uns von der Entwurfsphase in die konkrete Umsetzung bewegt. Wir bauen Hardware, Prüfstände und Testtriebwerke“, sagt Phil Curnock, Chefingenieur für Zukunftsprogramme bei Rolls-Royce, und man hört den Stolz in seiner Stimme. Denn die Nachfolge der erfolgreichen Trent-Familie bedeutet eine radikale Veränderung der bisherigen Drei-Wellen-Architektur. Am Ende der etwa zehn Jahre dauernden Entwicklung steht mit UltraFan ein Getriebefan mit nur noch zwei Wellen in der Schubklasse von rund 445 Kilonewton. Ein Planetengetriebe sorgt dafür, dass sich die Mitteldruckturbine, die faktisch zur Niederdruckturbine wird, schneller und der große Bläser langsamer drehen können, was das Triebwerk effizienter macht. „Ein Blick in die Industrie zeigt, dass Getriebe in dieser Klasse riesig sind“, sagt Alan Newby, Direktor für Luftfahrt-Technologien und Zukunftsprogramme.

Arbeitsteilung der Wellen ändert sich grundlegend

„Die Herausforderung ist, das Getriebe auf eine Größe zu reduzieren, die in einem Flugzeugmotor funktioniert“, so Newby. Für die Getriebeentwicklung und -produktion hat Rolls-Royce mit Liebherr-Aerospace das Gemeinschaftsunternehmen Aerospace Transmission Technologies gegründet. Derzeit wird das erste Getriebe mit einem Durchmesser von etwa 80 Zentimetern für Testzwecke bei Rolls-Royce Deutschland zusammengebaut. Der Erstlauf fand kürzlich im neuen Prüfzentrum für Reduktionshauptgetriebe in Dahlewitz statt. Dort soll es sowohl bei voller Last als auch in verschiedenen Lagen untersucht werden, um Erkenntnisse über die Ölverteilung zu gewinnen.

Das Getriebe ist zwar die wesentlichste Neuerung, aber nicht die einzige. Als Zwischenschritt auf dem Weg zum Rolls-Royce-Getriebefan dient deshalb das von der EU, Großbritannien und Deutschland geförderte Advance-Programm. Bis etwa 2021 sollen Technologien entwickelt und erprobt werden, die direkt in den UltraFan fließen. Zwar bleiben die für Rolls-Royce typischen drei Wellen – Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruckwelle – bei Advance zunächst erhalten, doch schon hier wird die Triebwerksarchitektur maßgeblich verändert: Die Arbeit wird von der Mittel- zur Hochdruckwelle umverteilt. Die Hochdruckturbine bekommt eine zweite Stufe, die Mitteldruckturbine wird um eine Stufe reduziert, also genau umgekehrt wie im aktuellen Trent XWB für den Airbus A350 XWB. Der neue zehnstufige Hochdruck- und der vierstufige Mitteldruckverdichter wurden bereits in Dahlewitz getestet. Dieser überarbeitete Kern ist der Schlüssel für ein hohes Gesamtdruckverhältnis von 60:1. 

Aktuell wird in Bristol aus dem Bläsersystem eines Trent XWB-84 (A350-900), der Niederdruckturbine eines Trent 1000 (Boeing 787) mit hinteren Stufen aus leichtem Titanaluminid sowie den neuen Mittel- und Hochdruckkomponenten ein Demonstrator zusammengebaut. Er soll noch dieses Jahr in Derby getestet werden. In der Hochdruckturbine kommen Leitschaufeln zum Einsatz, die in einem neuen Verfahren hergestellt werden. Sie bestehen aus mehreren gegossenen Komponenten, die miteinander verbunden werden. Dadurch kann nach Angaben von Rolls-Royce die Kühlung im Inneren und damit die Effizienz verbessert werden. Eine weitere Neuerung ist ein Dichtungssegment aus keramischen Verbundwerkstoffen (CMC), das über den deckbandlosen Schaufeln der Hochdruckturbine verbaut wird. Dadurch hält das Triebwerk höheren Temperaturen stand. Mit einem eigenen Hochtemperatur-Demonstrator auf der Basis eines Trent XWB-97 für die A350-1000 will Rolls-Royce ab 2017 weitere Technologien in diesem Bereich untersuchen, die auch in die Serienproduktion einfließen sollen.

Zudem arbeitet der Triebwerkshersteller an einer Magerbrennkammer mit großen Einspritzdüsen, die Luft und Treibstoff früher mischen und so den Stickoxidausstoß reduzieren sollen. Höhentests am Institut für Luftfahrtantriebe in Stuttgart wurden Ende 2015 erfolgreich abgeschlossen. „Momentan bauen wir zwei Triebwerke für Bodentests, um das Verhalten unter kalten Bedingungen und Vereisung zu untersuchen“, sagt Curnock. Nach weiteren Akustiktests am Boden soll 2017 die Flugerprobung beginnen. 

Bereits 2014 an einem Trent 1000 geflogen sind neue Bläserschaufeln aus Verbundwerkstoffen mit einer Titanvorderkante. In der Zwischenzeit hat Rolls-Royce in Derby ausgiebig untersucht, wie sich das Material bei Vogelschlag verhält. „Wir haben bislang etwa 50 Tests an einzelnen Schaufeln durchgeführt“, sagt Curnock. In Dahlewitz wurde eines der Bläsersysteme mit einem Durchmesser von mehr als drei Metern im neuen Teststand für Großtriebwerke mit dem herkömmlichen Titanbläser verglichen. „Schaufeln aus Verbundwerkstoffen sind ein Schlüssel von Advance und dem größeren, langsam drehenden Bläser des UltraFan, um Treibstoffeinsparungen zu erreichen, ohne deutlich an Gewicht zuzulegen“, erläutert Curnock. Anders als 2014 angekündigt, ist man beim Bläser des UltraFan vorerst von verstellbaren Schaufeln abgerückt, die als Ersatz für das Schubumkehrsystem dienen sollten. „Aber wir halten uns längerfristig die Option dafür offen“, so Curnock.

Schon im nächsten Jahr sollen die konkreten Designarbeiten für einen UltraFan-Demonstrator beginnen. „Die Flugerprobung ist für 2021 geplant. Das soll sicherstellen, dass wir bis 2025 ein Produkt ausliefern können“, sagt Curnock. Passende Flugzeuge gibt es für den UltraFan zwar noch nicht, doch wenn es so weit ist und Boeing beispielsweise einen 757-Nachfolger auf den Markt bringt oder Airbus sich doch für eine neo-Variante der A380 entscheidet, will der britische Hersteller die entsprechenden Lösungen parat haben. „Wir bereiten Technologien und Architekturen vor. Wenn sich die Möglichkeiten bieten, können wir sie zügig in die Produkte unserer Kunden integrieren.“ 


FLUG REVUE Ausgabe 10/2016

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