12.05.2017
Erschienen in: 05/ 2017 FLUG REVUE

LEMCOTECTriebwerksforschung: Reinemachen im Kerntriebwerk

Die europäische Triebwerksindustrie hat im Rahmen des Forschungsprogramms LEMCOTEC seit 2011 an Technologien gearbeitet, die Treibstoffverbrauch und Schadstoffausstoß um ein Drittel reduzieren. Die wichtigsten Ergebnisse im Überblick.

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Flugzeugantriebe könnten mithilfe neuer Technologien in Verdichtern, Brennkammern und Turbinen sauberer werden. Foto und Copyright: NASA  

 

Seit Ende der 1940er Jahre die ersten Jettriebwerke ihren Siegeszug in der zivilen Luftfahrt antraten, hat sich viel getan in Sachen Umweltverträglichkeit. Doch die technischen Fortschritte der vergangenen Jahrzehnte werden durch den wachsenden Luftverkehr zunehmend aufgezehrt. Neue Technologien müssen also her, um künftige Triebwerke noch sparsamer und sauberer zu machen.

Entsprechend ambitioniert sind die Ziele des europäischen Forschungsprojekts LEMCOTEC (Low Emissions Core Engine Technologies / schadstoffarme Kerntriebwerkstechnologien), das offiziell im Juni 2017 ausläuft: Im Vergleich zu Technologien des Basisjahrs 2000 sollen die entwickelten und auf Testständen erprobten Komponenten dazu beitragen, die CO2-Emissionen und den damit zusammenhängenden Treibstoffverbrauch um 20 bis 30 Prozent zu verringern, auf Werte im Bereich von zwei Litern Kerosin pro Passagier und 100 Kilometer. Gleichzeitig sollen 65 bis 70 Prozent weniger Stickoxide (NOx) ausgestoßen werden. Beteiligt sind 36 europäische Industrieunternehmen, Forschungseinrichtungen und Universitäten sowie das russische Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Um den Kerosinverbrauch zu senken, müssen Triebwerke effizienter werden. Unter LEMCOTEC fokussierten sich die Ingenieure auf den thermischen Wirkungsgrad, der durch ein höheres Gesamtdruckverhältnis und heißere Turbineneintrittstemperaturen gesteigert wird. Das Problem bei höheren Temperaturen: Ohne Gegenmaßnahmen steigt der Ausstoß an Schadstoffen, vor allem an Stickoxiden. Deswegen ging es für die Forscher nicht nur darum, wie sich das Gesamtdruckverhältnis auf einen Rekordwert von bis zu 70:1 steigern lässt (zum Vergleich: Moderne Triebwerke wie das Trent XWB von Rolls-Royce erreichen 50:1), sondern auch um verbesserte Brennkammern für die technisch anspruchsvolle Magerverbrennung. Dabei wird ein größerer Anteil Luft als bisher mit dem Treibstoff vermischt. Im Teillastbetrieb birgt das aber die Gefahr instabiler Verbrennung bis hin zum Erlöschen der Flamme.

Das von Rolls-Royce Deutschland geführte Forschungsprogramm war unterteilt in vier große Subprojekte (SP). Beim ersten, unter der Leitung von MTU Aero Engines, ging es um die Bewertung des gesamten Triebwerks. Dabei wurden unter anderem detaillierte Anforderungen und Ziele für die anderen Subprojekte entwickelt. Zudem untersuchten die Ingenieure neue Ansätze für Kerntriebwerke mit Einsatzdatum nach 2030, beispielsweise einen Hybrid aus Kolbenmotor und Turbofan oder ein rekuperatives Triebwerk mit einer Zwischenkühlung im Verdichter und einem Wärmetauscher im Abgasstrahl. SP2 wurde von Rolls-Royce UK geleitet und beschäftigte sich mit Verdichtern, die extrem hohe Druckverhältnisse erreichen. Safran Aircraft Engines war verantwortlich für das dritte SP. Im Fokus standen Brennkammertechnologien, die eine stabile Magerverbrennung ermöglichen. Die hohen Drücke und Temperaturen im Kerntriebwerk erfordern entsprechend widerstandsfähige und dennoch leichte Materialien sowie eine effiziente Kühlung. Darum kümmerte sich SP4 unter der Leitung des Luftfahrtzulieferers GKN Aerospace Sweden (früher Volvo Aero).

Im Verdichterbereich arbeiteten die Ingenieure unter anderem an Verbesserungen von Lauf- und verstellbaren Leitschaufeln. Um hohe Druckverhältnisse zu erreichen, muss der Strömungskanal innerhalb des Verdichters immer enger werden. Dadurch reduziert sich auch die Schaufellänge in den hinteren Stufen, je nach Triebwerk auf Werte zwischen 12 und 17 Millimetern, was hohe Anforderungen an die Fertigung stellt. Damit der Verdichter nicht durch zu viele Stufen an Länge und Gewicht zunimmt, vergrößerten die Forscher das Verhältnis von Schaufellänge zu Blattbreite. Zudem wurden neuartige Blattspitzenformen untersucht, um Spaltverluste zu verringern. Getestet wurde auch ein Austrittsleitrad aus Titanaluminid anstatt aus der üblicherweise verwendeten Nickelbasislegierung. Dadurch ist es um bis zu 40 Prozent leichter, was die Effizienz des Gesamttriebwerks erhöht.

Bei den Brennkammern wurden drei verschiedene Einspritztechnologien für Magerverbrennung untersucht und weiterentwickelt: das PERM-System (Par-tially Evaporated and Rapid Mixing) von GE Avio, das den Treibstoff teilweise verdampft und in der Brennkammer mit der komprimierten Luft verwirbelt; die LDI-Einspritztechnologie (Lean Direct Injection) von Rolls-Royce, die Kerosin konzentrisch und gestuft in die Brennkammer einspritzt, sowie die Multi-Stage Fuel Injection (MSFI / mehrstufige Treibstoffeinspritzung) von Safran Aircraft Engines. Dabei wird der Treibstoff sowohl ringförmig am Rand als auch in der Mitte des starken, verwirbelten Luftstroms injiziert. Um heißere Temperaturen am Brennkammeraustritt zu ermöglichen, wurden Versuche mit einer neuen Nickelbasis-Superlegierung gemacht.

Eine aerodynamische Überarbeitung erfuhr das Design der Lauf- und Leitschaufeln in den Turbinen. Damit die Hochdruckturbine höheren Temperaturen standhalten kann, wurde zudem die Kühlung so optimiert, dass sie mit weniger Kühlluft auskommt. Beispielsweise wurde die im Vorgängerprogramm NEWAC (New Aero Engine Core Concepts / neue Konzepte für Kerntriebwerke in der Luftfahrt) entwickelte Zwischenkühlung zwischen Nieder- und Hochdruckverdichter weiterverfolgt. Sie sorgt für eine höhere Effizienz des Hochdruckverdichters sowie für kältere und damit weniger benötigte Kühlluft in der Turbine.
Die Ergebnisse der einzelnen Subprojekte flossen in die Berechnung von drei Studientriebwerken ein, für die SP1 die Vorgaben entwickelte: einen Getriebefan für Regional- und Geschäftsflugzeuge (Regional Turbofan, RTF), einen Open Rotor für Mittelstreckenflugzeuge (Midsize Open Rotor, MOR) und einen großen Turbofan für Langstreckenflugzeuge (Large Turbofan, LTF).


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