Technologische Herausforderungen der Triebwerksentwicklung

1. Einleitung
Umwelt- und Klimaaspekte bestimmen seit einiger Zeit und mit wachsender Intensität die öffentliche Debatte um den zivilen Luftverkehr. Stellvertretend für
die unterschiedlichen Themen sind in der Abbildung 1 einige Schlagzeilen aus
kürzlich publizierten Pressemitteilungen zusammengestellt worden, in denen es
um Flugzeugemissionen, neue Triebwerksgenerationen, administrative Maßnahmen oder auch herausfordernde Zielvorstellungen in der Luftfahrt geht.
Umwelt- und Klimaaspekte der Luftfahrt sind in der öffentlichen Debatte
Abbildung 1: öffentliche Debatte zu Umwelt- und Klimaaspekten in der Luftfahrt
Zur Sicherstellung eines nachhaltigen Wachstums im Luftverkehr muß die
Branche sich heute auf die Herausforderungen konzentrieren, die sich aus den
Zielsetzungen der Ressourcenschonung sowie eines leisen und emissionsarmen
Luftverkehrs ergeben. Der vorliegende Kolloquiumsreport beschreibt die Beiträge der Triebwerksbranche zur Sicherstellung dieser langfristigen Zielsetzungen aus Sicht der MTU Aero Engines.
2. Informationen zur MTU Aero Engines
Die MTU Aero Engines ist größter Triebwerkshersteller in Deutschland und die
Nr.6 in der Welt mit ca. 2.5 Mrd € Umsatz pro Jahr und ca. 7000 Mitarbeitern
weltweit. MTU Aero Engines hat drei starke Geschäftsfelder: das zivile Triebwerksgeschäft, das militärische Triebwerksgeschäft und die zivile Instandhal-
tung. Einen Querschnitt derzeitiger bedeutender MTU-Aktivitäten zeigt die Abbildung 2.
Drei starke Geschäftsbereiche
Ziviles
Triebwerksgeschäft
Kernkompetenz
• Niederdruckturbinen
• Hochdruckverdichter
Militärisches
Triebwerksgeschäft
Kernkompetenz
• Hochdruckverdichter
• Niederdruckverdichter
• Triebwerksregelung
Zivile
Instandhaltung
Kernkompetenz
• Instandhaltungstätigkeiten
Abbildung 2: Querschnitt derzeitiger MTU Aktivitäten in den drei Geschäftsbereichen
Dabei engagiert sich MTU Aero Engines intensiv in der technologischen Vorbereitung und Entwicklung von verbrauchs- und emissionsarmen sowie leisen Antrieben, welche die Zielsetzungen für die nähere und fernere Zukunft erfüllen
sollen.
3. Triebwerks-Grundbauform
Vor der Behandlung von zukünftigen technologischen Herausforderungen im
Triebwerksbau soll ein kurzer Status-Überblick gegeben werden. Das Grundprinzip der Schuberzeugung mit der Gasturbine und seine Optimierung hat bei
Verkehrsflugzeugen zur heutigen Bauweise des Zweikreis-Triebwerks mit einem zusätzlichen kalten Nebenstrom geführt. Dieser kalte Nebenstrom erzeugt
den Großteil des Schubs. Der Gesamtwirkungsgrad eines Schubtriebwerks lässt
sich als Produkt aus dem thermischen und dem Vortriebswirkungsgrad darstellen. Der Gesamtwirkungsgrad wiederum verhält sich umgekehrt proportional
zum spezifischen Brennstoffverbrauch des Triebwerks, den es durch geeignete
Maßnahmen zu minimieren gilt. Im thermischen Wirkungsgrad, auch ’innerer’
Wirkungsgrad genannt, sind die Qualitäten des thermodynamischen Kreispro-
zesses (Gesamtdruckverhältnis, Temperaturniveau, Wirkungsgrade der Module,
Verlustbeiträge etc.) zusammengefasst. Im Vortriebswirkungsgrad, auch ’äußerer Wirkungsgrad genannt’, sind die Strahlverlustleistungen, die durch Strahlverwirbelung mit der Umgebung entstehen, berücksichtigt. Eine wesentliche
Möglichkeit zur Verringerung der Strahlverlustleistung besteht in der Absenkung der Strahlgeschwindigkeit des kalten Nebenstroms bei gleichzeitiger Erhöhung des Luftmassendurchsatzes. Die Umsetzung dieser Maßnahme zur Erhöhung des Vortriebswirkungsgrades zielt somit auf eine Erhöhung des Parameters
Nebenstromverhältnis (’Bypass Ratio’), der das Verhältnis von kaltem zu heißen
Luftmassenstrom eines Zweikreis-Triebwerks beschreibt. Da sich die Verlustleistungen aus der Strahlverwirbelung obendrein in Schallleistung des Strahllärms umwandeln, sind Maßnahmen zur Steigerung des Vortriebswirkungsgrades ebenfalls geeignet, den Strahllärm maßgeblich zu reduzieren. Der Parameter
Bypass Ratio ist demzufolge eine entscheidende technologische Stellschraube
zur Verbesserung des Umweltverhaltens von Flugtriebwerken in Hinsicht auf
Brennstoffverbrauch und CO2-Emissionen sowie Lärmemissionen.
Die Optimierung des Grundprinzips führt zur heutigen Bauweise des
Zweikreis-Triebwerks mit zusätzlichem (kalten) Nebenstrom
.
.
Für das Nebenstromverhältnis (bypass-ratio) gilt: BPR = mBP / mc
Der Nebenstrom erzeugt den Großteil des Schubes bei großen Luftdurchsätzen und kleinen
Strahlgeschwindigkeiten
Î Steigerung des Vortriebswirkungsgrades erfordert deshalb die Erhöhung des BPR
.
VDüse, kalt
mBP
.
mc
VDüse, heiß
HDT / HPT
NDT / LPT
Fan
NDV /
HDV / HPC
Brennkammer / Combustor
LPC
Abbildung 3: 3-D Schnitt eines modernen Zweikreis-Triebwerks mit kaltem Nebenstrom
In Abbildung 3 können diese Zusammenhänge am Beispiel eines 3-D Schnittes
eines modernen Zweikreis-Triebwerks mit kaltem Nebenstrom nachvollzogen
werden. Während diese Triebwerksbauform heute im zivilen Luftverkehr die
größte Verbreitung gefunden hat, existieren natürlich weitere Bauformen, die für
unterschiedliche Anwendungsfälle und Flugmachzahlen zum Einsatz kommen.
In Abbildung 4 werden die bekanntesten Bauformen zur Vervollständigung des
Status-Überblicks zu den Flugtriebwerken in einem Diagramm gegenübergestellt, das den Vortriebswirkungsgrad über der Nominal-Flugmachzahl zeigt.
Der Vortriebswirkungsgrad ist stark abhängig von der Bauform der
Triebwerke und der Fluggeschwindigkeit
Vortriebs-Wirkungsgrad
Propeller
Engine2c.WMF
Propfan
Getriebefan
(10 < BPR < 14)
Engine4a.WMF
0,5
0,7
0,85 1,0
Fluggeschwindigkeit Î Flugmachzahl
Turbojet
( Machzahl: vielfaches der Schallgeschwindigkeit)
(BPR = 0)
E ngin e22a.WMF
GasT ur b
Abbildung 4: Gegenüberstellung bekannter Triebwerksbauformen im Diagramm
’Vortriebswirkungsgrad über Flugmachzahl’
Man erkennt in diesem Diagramm die unterschiedlichen Einsatzdomänen:
- Turboprop Antrieb mit Propeller: erreicht höchste Vortriebswirkungsgrade bei Flugmachzahlen von ungefähr Ma = 0,6; durch neue Auslegungsmethoden, Werkstoffe und Bauweisen für den Propeller erschließt sich
der Turboprop Antrieb zunehmend auch Bereiche jenseits Ma = 0,6.
- Propfan Antrieb mit offenem oder ummanteltem Propfan: erreicht sehr
hohe Vortriebswirkungsgrade bei gegenüber heutigen Verkehrsflugzeugen geringfügig abgesenkten Flugmachzahlen von < 0.8; die Lücke im
Geschwindigkeitsbereich gegenüber dem konventionellen Turbofan Antrieb wird ebenfalls durch neue Auslegungsmethoden, Werkstoffe und
Bauweisen für den Propfan verringert.
- Turbofan Antrieb mit ummanteltem Fan: heutige Standard-Bauform für
hohe Vortriebswirkungsgrade und vorteilhafte Flugmachzahlen im Be-
reich 0,8 < Ma < 0.85. Der Turbofan Antrieb kombiniert seinen hohen
Vortriebswirkungsgrad mit dem Vorteil der bauartbedingt geringsten
Lärmemission. Im Bild ist die Sonderbauform des weiter unten vorgestellten Getriebefan-Konzeptes gezeigt, mit dem das Nebenstromverhältnis
gegenüber der Standardbauform Turbofan weiter gesteigert werden kann.
- Turbojet Antrieb: Bauform ohne kalten Nebenstrom für militärische Anwendung mit geringem Vortriebswirkungsgrad, jedoch geeignet für den
Transschall und Überschallflug.
Zum Schluss dieses Überblickes muss natürlich noch der Hinweis erfolgen, dass
eine Optimierung des Triebwerks auf niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch
alleine nicht ausreicht. Weil das Triebwerk seine Aufgabe nur als integrierter
Systembestandteil des gesamten Flugzeugs erfüllen kann, muss die Optimierung
z.B. des Kraftstoffverbrauchs immer in Hinsicht auf die Flugmission des zugehörigen Flugzeugs erfüllt sein. Aus der Auflistung der Hauptabhängigkeiten des
Missions Kraftstoffverbrauchs des Gesamtsystems Flugzeug:
- Gewicht des Flugzeugs
- aerodynamischen Widerstand des Flugzeugs
- spezifischen Verbrauch des Triebwerks
- Gewicht des Triebwerks
- Widerstand des Triebwerks
- verlustbehaftete Interaktionen des installierten Triebwerks mit dem Flügel
bzw. der Zelle
ergibt sich sogleich, dass wesentliche Auslegungsbeschränkungen für das
Triebwerk in Gewicht und Dimensionen bestehen. Daraus folgt auch sofort die
Erkenntnis, dass eine beliebige Erhöhung des Nebenstromverhältnisses und damit der Triebwerksfrontfläche nicht automatisch Ziel führend sein muss.
4. Herausforderungen im zivilen Luftverkehr
Abbildung 5 fasst die wesentlichen Herausforderungen zusammen. Aus dem in
der Vergangenheit zu beobachtenden ständigen Verkehrswachstum und dem
auch zukünftig prognostizierten Wachstum von ca. 4% pro Jahr ergibt sich die
Herausforderung, dieses Wachstum möglichst umweltfreundlich, nach Möglichkeit sogar umweltneutral zu gestalten. Zielsetzung ist demzufolge eine Entkop-
pelung von Verkehrswachstum und Umweltbelastung. Die Triebwerke und die
Triebwerkstechnologie können hier maßgeblich zur Umweltakzeptanz des Luftverkehrs beitragen. In Abbildung 6 sind dazu alle umweltrelevanten Triebwerkseigenschaften adressiert.
Die Umweltrelevanz im zivilen Luftverkehr steigt in Verbindung von
Verkehrswachstum und Klimabeeinflussung
Passagierkilometer
Durchschnittliches Verkehrswachstum:
4.5% pro Jahr.
1975
1985
1995
2005
Herausforderungen
2015
Einfluß auf Triebwerksentwicklung
Sicherheit …………........................................................... keine Kompromisse
Wirtschaftlichkeit ............................................................. sehr hoch
Umwelt
• Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissonen......................... sehr hoch
• Emissionen NOx................................................................ hoch
• Lärm ............................................................................... hoch
Tendenz
steigend
Î Ziel ist eine Entkoppelung von Verkehrswachstum und Umweltbelastung
Abbildung 5: Herausforderungen im zivilen Luftverkehr: steigende Tendenz bei den Umweltaspekten
Triebwerkstechnologie trägt entscheidend zur Umweltakzeptanz der
Luftfahrt bei
Verbrennung
Verbrennung &
&
Emissionen
Emissionen
Schubbedarf
Schubbedarf
KraftstoffKraftstoffverbrauch
verbrauch
LärmLärmeigenschaften
eigenschaften
Triebwerksgewicht
Triebwerksgewicht
Abbildung 6: Triebwerkseigenschaften mit Umweltrelevanz
Zur Absicherung der mit dem erwarteten Wachstum einhergehenden Rahmenbedingungen hat sich die Europäische Luftfahrtindustrie unter dem Namen
’ACARE Vision 2020’ (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe
– mit Unterzeichnung durch 20 führende Personen aus der Aero-Industrie) im
Jahre 2001 eine Selbstverpflichtung mit sehr anspruchsvollen Zielen auferlegt.
In Abbildung 7 sind diese neuen und herausfordernden Standards, die technologisch vorbereitet und erschlossen werden sollen, zusammengestellt.
Etablierung neuer Standards in der zivilen Luftfahrt durch “ACARE 2020“
Selbstverpflichtung der europäischen Luftfahrtindustrie in 2001 mit visionären Zielen:
Umwelt
Halbierung des Lärmempfindens
ATM Beitrag
Reduktion von NOx um 80% rel CAEP\2
Reduktion von CO2 um 50%
Zellen Beitrag
Triebwerk Beitrag
Flugsicherheit
Unfallrate -80%
Vollständige Abwehr v. Hijack
Wirtschaftlichkeit
Halbierung Time-to- Market
Reduktion Lärm um 10 dB per Operation
Reduzierung der Gebühren
Reduktion NOx um 70 bis 80%
Flug- Managament
Reduktion CO2 um 15 bis 20%
On time An-/Abflug zu 99% innerhalb 15 Minuten
Verdreifachung der Flugbewegungen
ACARE - Advisory Council for Aeronautical Research in Europe
Referenz: Jahr-2000 Twk. im Service, z.B. CFM56-5B, TRENT700
Abbildung 7: ACARE Vision 2020 Ziele der europäischen Luftfahrtbranche
Im Brennpunkt sind dabei die auf die Triebwerke heruntergebrochenen Ziele:
- Reduktion im Triebwerkslärm um 10 dB je Betriebspunkt (gemäß den
ICAO-Zertifizierungsregeln)
- Reduktion der NOx-Emissionen um 70 bis 80% (gemäß ICAO LTOZyklus Emissionszertifizierung)
- Reduktion der CO2-Emissionen um 15 bis 20%
Referenz für die relativen Aussagen sollen dabei ’State of the Art’ Triebwerke
sein, die sich im Jahre 2000 bereits im Betriebseinsatz befinden (z.B. cfm565B).
Der Vollständigkeit halber soll auch erwähnt werden, dass die ACARE 2020
Ziele auch maßgebliche Verbesserungen bei den Themen:
- Flugsicherheit und Unfallraten
- Flug-Management und Pünktlichkeit
- Wirtschaftlichkeit, Zeit der Produkte bis zum Markteintritt
enthalten. Man kann also hervorheben, dass hier ein paralleler Ansatz gewählt
wurde und nicht einzelne Ziele auf Kosten anderer Ziele hervorgehoben wurden:
eine der Grundlagen für die allgemeine Akzeptanz der ACARE 2020 Vision in
der gesamten europäischen Aero-Forschungslandschaft.
5. Neue Triebwerkskonzepte
Bei der Beschreibung der ACARE 2020 Ziele im vorangegangenen Kapitel
wurde erwähnt, dass die Referenz für die relativen Verbesserungsziele sich auf
den Status 2000 bezieht. In diesem Zusammenhang ist es auch eindrucksvoll,
sich die bis zu diesem Zeitpunkt bereits erreichten Fortschritte zu vergegenwärtigen. Von der ersten Generation der Turbotriebwerke, die noch als EinkreisTriebwerk, also ohne den kalten Nebenstrom (BPR = 0), gebaut waren, bis zu
den heute überwiegend im Einsatz befindlichen modernen Zweikreistriebwerken
konnten über ca. 40 Jahre hinweg die folgenden technologisch begründeten Verbesserungen erarbeitet werden:
- ca. 40% Reduktion im Kraftstoffverbrauch
- ca. 20dB Lärmreduktion, das entspricht etwa einer Viertelung im Lärmempfinden
- Verbesserung in der Zuverlässigkeit um ca. Faktor 20
Über den hier dargestellten Zeitraum von ca. 40 Jahren konnte der in Abschnitt
3 behandelte Design-Parameter ’Nebenstromverhältnis’ von anfangs BPR = 0
bis auf BPR = 10 gesteigert werden. Weitere technologisch begründete Maßnahmen, die zur Verbesserung der Triebwerksqualitäten beitragen, sind in Abbildung 8 mit aufgelistet. Deutlich ist allerdings in dieser Abbildung das asymptotische Verhalten der Verbesserungen erkennbar: ohne einen Wechsel der
Grundbauform der Triebwerke fallen weitere Verbesserungen zunehmend
schwerer. Ein weiteres hohes Potenzial an umweltrelevanten Verbesserungen
kann nur mit neuen Triebwerkskonzepten erschlossen werden, die im Folgenden
erläutert werden.
Bereits beachtliche technologische Fortschritte in 40 Jahren erreicht ……
Turbojet
JT3D (B707)
Maßnahmen:
Î bessere Kreisprozesse
- höhere Temperaturen
- höhere Drücke
40% Reduktion im Kraftstoffverbrauch in 40 Jahren
Beste Triebwerke in
Entwicklung (GP7000)
Reduktion im Triebwerkslärm
um 20dB im gleichen Zeitraum
Î bessere Modulwirkungsgrade
- geringere Strömungsverluste
- weniger Kühlluftbedarf
Î Steigerung des BPR
- verbesserte Bauweisen
- bessere Werkstoffe
Verbesserung der Zuverlässigkeit um Faktor >20 in 40 Jahren
Î indirekt: Gewichtsreduktion
Î lärmarme Modulauslegungen
Neue Konzepte
ermöglichen
Step Change
Die Erhöhung des BPR ist maßgeblicher Parameter für Verbesserungen bei CO2 und Lärm
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Î verbesserte Fertigungsverfahren und -prozesse
2030
Über die bereits erreichten erheblichen umweltrelevanten Fortschritte hinaus existiert ein weiteres
hohes Potenzial, das aber nur mit neuen Triebwerkskonzepten erschlossen werden kann!
Abbildung 8: Zusammenfassung der bisher im Triebwerksbau erreichten Fortschritte
Abbildung 9 gibt die MTU Roadmap zum umweltfreundlichen Triebwerk wieder. Die Roadmap orientiert sich an den Vorgaben der ACARE Vision 2020
Ziele. Diese Roadmap enthält nicht nur ein abschließendes Triebwerkskonzept
mit Eignung zur Erfüllung der vollständigen ACARE-Ziele sondern auch als
Zwischenschritte einige Konzepte, deren Realisierung bereits vor 2020 erfolgen
kann. Ein einheitliches Bestandteil in allen Triebwerksbauformen der MTU
Roadmap ist die durchgängige Verwendung eines Übersetzungsgetriebes, das
zwischen dem (langsamen) Fan und der (schnellen) Niederdruckturbine eingebaut wird. Weitere Informationen dazu werden in der Sektion ’Getriebefan’ gegeben.
MTU Roadmap zum umweltfreundlichen Triebwerk
Weiterentwicklung konventioneller
Turbofan Triebwerke
CO2, Lärm
Konzepte zur Erfüllung langfristiger Ziele:
'IRA' Inter-cooled Recuperative Aeroengine
A-TF
Step-Change
GTF
z.B. CRISP
IRA
Neue Triebwerk-Konzepte zur
Erfüllung mittelfristiger Ziele
Ummantelte PropfanAntriebe (gegenläufig)
Abbildung 9: MTU Roadmap zum umweltfreundlichen Triebwerk
Im Einzelnen enthält die Roadmap folgende Konzepte:
- konventionelle Turbofan Bauform: hier die evolutionäre Weiterentwicklung mit Verbesserungen im Kreisprozeß (weiter gesteigertes Druckniveau, höheres Temperaturlevel), bei der Gestaltung fortschrittlicher Module (z.B. Swept-Fan, low-emission Brennkammer, lärmarme ChevronDüse etc.), Design nach steigenden Komponenten-Belastungen mit resultierend niedrigeren Stufenzahlen (Gewichts- und Kosten-Vorteile). Abbildung 10 gibt einen Überblick über verschiedene evolutionäre Verbesserungsmaßnahmen. Ein gutes Beispiel für die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verbesserung der konventionellen Turbofan Bauform ist
das Triebwerk GP7000 (Antrieb für Airbus A380) der ’Engine Alliance’.
Das Triebwerk GP7000, das noch 2008 bei den ersten Kunden in Betrieb
gesetzt wird, erreicht ein Nebenstromverhältnis von BPR > 9 bei einem
Gesamtdruckverhältnis von etwa OPR= 47. MTU besitz am GP7000 einen Programmanteil von ca.22% und ist für den ’Turbine Center Frame’
und die Niederdruckturbine verantwortlich.
Weiterentwicklung fortschrittlicher Turbofan-Triebwerke
SFC, Lärm
Erhöhung des Nebenstromverhältnisses (Fandurchmesser)
verbesserter Kreisprozess
steigende OPR & TET
Neue Düsenkonzepte
Chevron Nozzle
Fortschr. Komponenten
Neues Fan-Konzept
Swept Fan (erhöhter Durchsatz bei niedriger Drehzahl)
neue Brennkammertechnologien
Low - NOX BK, z.B. gestuft+, RQL
NOX
• erhöhte Wirkungsgrade
• lärmoptimierte Bauweise
• steigende KomponentenBelastungen; red. Stufenzahl
Kosten
• erhöhte Lebensdaueranforderung
Abbildung 10: Weiterentwicklungsmöglichkeiten beim fortschrittlichen Turbofan
Eine tabellarische Übersicht über die Leistungsdaten zukünftiger fortschrittlicher Turbofans folgt in Abbildung 18 im folgenden Abschnitt.
- Getriebe-Turbofan ’GTF’: geeignet zur Erfüllung mittelfristiger Anforderungen mit einer Realisierungsmöglichkeit ab etwa 2015. Abbildung 11
gibt einen Überblick über die Funktion des GTF und beschreibt die Konzeptvorteile. Mit dem zwischen Fan und Niederdruckturbine angeordneten
Übersetzungsgetriebe können die Drehzahlen der beiden Wellenstränge
des Niederdrucksystems jeweils optimiert werden. Beim Fan lässt sich eine geringe Drehzahlabsenkung ohne nennenswerte Wirkungsgradverluste
in Hinblick auf eine deutliche Reduktion des Fan-Lärms realisieren. Der
Zusammenhang zwischen Fan-Spitzengeschwindigkeit und eingebrachter
Schallenergie verhält sich in diesem Fall mit der 5. Potenz außerordentlich mächtig. Über die Drehzahlanpassung in den beiden Strängen des
Niederdrucksystems lassen sich außerdem die betreffenden ModuleWirkungsgrade optimieren. Und schließlich leisten beim GTF die schnelldrehenden Module Niederdruckverdichter und Niederdruckturbine über
ihre deutlich reduzierte Stufenzahlen auch einen Beitrag zur Kostenreduktion.
Neue Trwk-Konzepte zur Erfüllung mittelfristiger Anforderungen: GTF
GTF
GTF ermöglicht
ermöglicht kompaktes
kompaktes
Kerntriebwerk
Kerntriebwerk wg.
wg. kleiner
kleiner
ND-Wellen
ND-Wellen Dimensionen
Dimensionen
Getriebe
Getriebe
Lärm dB
Lärm ~u5Tip
→
→ optimale
optimale Drehzahl
Drehzahl für
für
Fan
Fan und
und ND-System
ND-System
Δ dB
mit Getriebe
ohne Getriebe
schnelllaufende
schnelllaufende NDT
NDT &
& NDV
NDV
Expansionsverhältnis, ER
langsam
langsam laufender
laufender Fan
Fan
10
schnelllaufende
NDT
9
mit Getriebe
ohne Getriebe
8
7
6
5
4
3
konventionelle NDT
2
1
1
Fan-Drehzahl
red.
red. Lärm
Lärm
2
3
4
5
6
7
8
Stufenzahl
Wirkungsgradanstieg
Wirkungsgradanstieg // SFC
SFC
red.
red. Kosten
Kosten
Abbildung 11: Funktion des GTF mit Verbesserungen beim Lärm, beim spez. Kraftstoffverbrauch und
bei den Kosten
MTU und die industriellen Partner P&W und AVIO verfolgen bereits seit
nahezu 20 Jahren die Einführung des GTF-Konzeptes: zur technologischen Validierung und marktseitigen Etablierung des GTF’s wurden inzwischen verschiedene Demonstratoren aufgebaut, neben dem ADP (’Advanced Ducted Propfan’) aus den 90er Jahren der ATFI (’Advanced Turbofan Integrator’) aus den frühen 2000ern und nun aktuell der GTFDemo, der Ende 2007 Erstlauf hatte und in den nächsten Wochen als
Flugerprobungsträger vor seinem Erstflug stehen wird. Ganz aktuell soll
noch erwähnt werden, dass im April 2008 der japanische Flugzeughersteller MHI den GTF exklusiv als Antrieb für sein neues Regionalflugzeug
’MRJ’ ausgewählt hat. Einige Informationen und Daten zu den Demos
sind in Abbildung 12 enthalten.
Eine tabellarische Übersicht über die Leistungsdaten zukünftiger Getriebefans folgt ebenfalls in Abbildung 18 im folgenden Abschnitt.
PW/MTU sind Treiber für das GTF-Konzept mit mehreren Demo-Programmen
!neu!: MHI-MRJ mit P&W-GTF
Programm-Launch: 04.2008
in Service: 2013/14
ADP
ADP Demonstrator
Demonstrator
1993
1993 -- 50klb
50klb
Geared
Geared Fan
Fan Demo
Demo
Advanced Ducted Propfan
gemeinsames Projekt von:
P&W, MTU und Avio
MTU: schnelllaufende NDV, NDT
Triebwerktests bei P&W Florida
Höhentests bei NASA Ames
GTF-Demo
GTF-Demo
2001
2001 -- 13klb
13klb
28
28 klb
klb
Erstlauf
Erstlauf Ende
Ende 2007
2007
Advanced Technology Fan
Integrator
gemeinsames Projekt von:
PWC, PW-A, MTU und Avio
MTU: schnelllaufende NDT
Erstlauf: 17.03.2001
Realisierung mit Förderung durch
nationales LuFo II&III des BMWi
Flug-Demo 2008
gemeinsames Projekt von: PW-A, MTU & Avio
MTU: Teil des HDV, schnelllaufende NDT
Nachweis Betriebsverhalten und Lärmreduktion
Realisierung mit Förderung durch nationales
LuFo IV des BMWi
Dr.Donnerhack, TETA; 'Effizienzpotenziale bei Verkehrsflugzeugen' BMU-WS an der TU-Berlin, 10.04.2008
12
Abbildung 12: Bereits lang andauerndes Engagement mit u.a. mehreren Demoprogrammen durch
MTU und seine Partner zur Markteinführung des GTF-Konzepts
- Ein weiterer Zwischenschritt auf der MTU Konzepte-Roadmap ist der
CRISP, der ’Contra-Rotating Shrouded Integrated Propfan’, also der ummantelte gegenläufige Propfan.
- Die sogenannten Propfan-Antriebe standen bereits Ende der 80er und Anfang der 90er Jahre einmal im Fokus der Hersteller. Es bestand seinerzeit
die Absicht, mit Triebwerken aus der Propfan-Domäne über deutliche
Verbesserungen im Vortriebswirkungsgrad der damals erwarteten Ölpreisexplosion begegnen zu können. Abbildung 13 zeigt als Diskussionsbeitrag eine Zusammenstellung von früheren und aktuellen offenen und
ummantelten Propfan-Triebwerken. Heute rücken die Propfan-Konzepte
sowohl aus Kraftstoffkosten- wie auch aus Klimaschutzgründen erneut in
den Fokus. Damals wie heute hinderlich für eine Markteinführung sind
u.a. die ungelöste Lärmproblematik besonders bei den offenen Antriebskonzepten, die deutlich erschwerte Integration am Flügel bzw. an der Zelle, die auf die Zelle einwirkenden niederfrequenten Schallanteile sowie
die Notwendigkeit einer Kraftübertragung, z.B. in Form eines Hochleistungs-Übersetzungsgetriebes für erhöhte Übersetzungsverhältnisse.
MTU verfolgt damals wie heute das CRISP-Konzept, das verschiedene
technologische Elemente aus der konventionellen Turbofan-Bauform mit
neuen Propfan-Elementen kombiniert. Ein wesentlicher Vorteil vor allem
beim Lärm ergibt sich für den CRISP aus der Verwendung einer konventionellen Ummantelung/Nacelle. Für MTU ist auch entscheidend, dass die
beiden Konzepte GTF und CRISP ähnliche technologische Grundanforderungen an die zugehörigen Kerntriebwerke aufweisen.
Offene und ummantelte Rotor - Konzepte
Offene Rotor-Konzepte
Turboprop
einfacher Propeller
TP400
Turboprop
gegenläufiger Propeller
D27
Antonov
Propfan
gegenläufiger Propeller
ohne Getriebe
GE/SN
Propfan
gegenläufiger Propeller
mit Getriebe
PW/RR
Ummantelte Fan Rotor-Konzepte
Engine4a.WMF
Turbo Fan
Getriebefan
Gegenläufiger Turbofan
SN
Ummantelter Propfan
gegenläufiger Propeller
MTU/DLR
Abbildung 13: Diskussionsbeitrag zu offenen und ummantelten Rotor-Konzepten
Eine tabellarische Übersicht über die Leistungsdaten eines zukünftigen
CRISP-Antriebs folgt ebenfalls in Abbildung 18 im folgenden Abschnitt.
Der Zeithorizont für eine Markteinführung kann aus heutiger Sicht etwa
um das Jahr 2025 erfolgen.
- Abschließender Schritt der MTU Roadmap ist IRA, Intercooled Recuperated Aeroengine, also ein Triebwerk mit Zwischenkühlung und Abgaswärmetauscher. Abbildung 14 zeigt eine Prinzipskizze der IRA. IRA
kombiniert einen thermodynamisch hocheffizienten Kreisprozeß, der
Restwärme aus dem Abgasstrahl zu der verdichteten Luft vor der Brennkammer zurückführt, mit einem GTF-Vortriebsapparat. IRA erschließt
den Bereich in Nebenstromverhältnis BPR = 20. Da ein vorteilhafter rekuperativer Kreisprozeß ein deutlich kleineres Gesamtdruckverhältnis benötigt, bietet IRA zusätzliche Vorteile hinsichtlich weiterer Verringerung
der NOx-Emissionen. In Summe aller Eigenschaften hat IRA das Potenzi-
al zur Erreichung der ACARE-Umweltziele. IRA wird von MTU ebenfalls seit vielen Jahren technologisch vorbereitet, u.a. in den Europäischen
Großprogrammen CLEAN und NEWAC. Die darin gewählte Konfiguration zeichnet sich durch die konventionelle Gondel-Installation aus; es
konnte also eine Lösung für die Unterbringung der Module Zwischenkühler und Rekuperator gefunden werden. Nachteilig erweist sich die hohe
Komplexität und das Mehrgewicht der IRA (siehe dazu Informationen in
Abbildung 15). Der Zeithorizont für IRA-Einführung wird nach 2020 liegen.
Fortschrittliches Konzept zur Erfüllung der langfristigen ACARE-Ziele:
Turbofan mit Zwischenkühlung und Abgaswärmetauscher IRA
(Intercooled Recuperative Aero-engine)
Zwischenkühler
Abgaswärmetauscher
Fan
MDT
HDT
HDV
NDT
MDV
Getriebe
3-Wellen Architektur mit Getriebe
3-Wellen Architektur mit Getriebe
Prinzip Skizze
Abbildung 14: Prinzip Skizze des IRA-Triebwerks zur Erfüllung der ACARE2020-Ziele
Eine tabellarische Übersicht über die Leistungsdaten eines zukünftigen
IRA Triebwerks folgt ebenfalls in Abbildung 18 im folgenden Abschnitt.
Mit IRA-Konzept kann der Kraftstoffverbrauch weiter abgesenkt werden
MTU-Entwurf für Langstreckenanwendung, zur Realisierung 2020+
Rohrleitungen Wärmetauscher (HEX)
Zwischenkühler (IC)
Pylon
Hauptmerkmale der IRA
BPR > 20
hoher Vortriebswirkungsgrad
OPR < 30
low NOx Fähigkeiten
Gondel
vorteilhafte Lärmeigenschaften
IC
hoher Kreisprozeß Wirkungsgrad
kleines Kerntriebwerk (Gewicht
und Kosten)
hier:
Turbofan mit Zwischenkühler
und Wärmetauscher, auch als
Propfan denkbar
Var.LPT
hohe Lebensdauer Heißteile
niedrige TMC
HEX
hoher Kreisprozeß Wirkungsgrad
Nachteile der IRA
Komplexität (IC, HEX, Rohrleitungssystem,
2.Bypass, Var.LPT), Gewicht
Abbildung 15: IRA-Triebwerk in konventioneller Gondel-Installation
6. MTU Technologieprogramm ’CLAIRE’
Unter dem Namen ’CLAIRE’ (Clean Air Engine Technology Programme) hat
MTU eine Initiative gestartet, um die Technologien für die Triebwerkskonzepte
der MTU Roadmap zu entwickeln und bereitzustellen. Im CLAIRE-Programm
gehen die Zielsetzungen für die CO2-Reduktion um bis zu 30% sogar deutlich
über die Zielsetzung der ACARE Vision 2020 hinaus. Die Technologieinitiative
CLAIRE orientiert sich dabei aktuell auch an den ACARE-Zielen. CLAIRE
gliedert sich in:
- CLAIRE I: GTF (siehe Abschnitt 5) zusammen mit P&W , Einsatzreife
bis zum Jahr 2015
- CLAIRE II: CRISP (siehe Abschnitt 5), Einsatzreife bis ca. 2025; kritische Te
- CLAIRE III: CRISP mit rekuperativen Modulen, Einsaztreife bis ca. 2035
Abbildung 16 fasst die CLAIRE-Ziele für die CO2-Emissionen zusammen, die
wie bereits erwähnt deutlich über die ACARE-Ziele hinausgehen, während Abbildung 17 die Zielsetzungen für den Lärm der CLAIRE-Konzepte beschreibt:
CLAIRE II und CLAIRE III können die anspruchsvollen Lärmziele der ACARE
Vision 2020 nicht vollständig erreichen, zeigen allerdings ganz wesentlich besseres Verhalten als Open-Rotor Konzepte.
CLAIRE – Das CLean AIR Engine Technologieprogramm der MTU
Î MTU entwickelt konsequent Technologien zur Reduktion der CO2-Emissionen um bis zu 30%
Î MTU hat dazu die längerfristige Initiative 'CLAIRE' aufgesetzt, die über 2020 hinausgeht.
Î MTU orientiert sich aktuell an den ACARE 2020-Zielen: gleichgewichtige Reduktion von Stickoxiden und Lärm
Basis
CLAIRE 1
CLAIRE 2
CLAIRE 3
100
?CO2
%
bis
15%
90
bis
20%
bis
30%
ACARE-
80
ZIEL
Phase 1: wird
zusammen mit
P&W verfolgt
70
V2500
2005
Getriebefan
2010
2015
CRISP*
2020
ab 2025
WT-Propfan**
ab 2030
ab 2035
* Counter-Rotating Integrated Shrouded Propfan
** WT = Wärmetauscher
Abbildung 16: MTU Technologie Initiative ’CLAIRE’ mit anspruchsvolleren Zielen als ACARE Vision
2020 für die Reduktion der CO2-Emissionen
Lärmverbesserung
CLAIRE – der ummantelte Propfan “schlägt“ den Open-Rotor beim Lärm
ACAREZIEL
* Counter-Rotating Integrated Shrouded Propfan
** WT = Wärmetauscher
Abbildung 17: MTU Technologie Initiative ’CLAIRE’ mit zugehörigen Lärmzielen: CLAIRE II (CRISP)
erreicht die ACARE-Ziele nicht vollständig, ’schlägt’ jedoch Open-Rotor Konzepte deutlich
In der zusammenfassenden Abbildung 18 sind die umweltrelevanten Triebwerkskennzahlen für Brennstoffverbrauch/CO2-Emissionen, NOx-Emissionen
und Lärm für alle im Abschnitt 6 behandelten Triebwerkskonzepte angegeben.
Außerdem enthält diese Tabelle Hinweise zu den ACARE-Referenzen sowie
Angaben zu den Referenztriebwerken.
Vergleich umweltbezogener Triebwerkskennzahlen
Jahr
Triebwerk
1985
Mid 80s, z.B. PW2000 (für B757)
2000
ACARE Referenz 2)
2020
Verbrauch / CO2
NOx
Lärm 4)
rel. zu ACARE Ref.
rel. zu ICAO CAEP II
rel. zu ICAO Stage 3
[%]
[%]
[EPNdB, kum.]1)
15
20
20
Triebwerk 2000
ICAO CAEP II
Triebwerk 2000
z.B. CFM56-5B (für A320)
0
-25
-10
ACARE Ziel für Triebwerk
-20 3)
-80
-40 4)
Beispiele:
1995
V2500-A5
-2
-25
-13
2008
GP7000
-10
-30
-26
2015
GTF 2015 - CLAIRE I
-15
-60
-34
-37…-40
2020+
IRA
-20
-80
2025
CRISP 2025 - CLAIRE II
-20
-70
-28
2035
CLAIRE III (CRISP m. Recuperator)
-30
-80
-30
1)
2)
3)
4)
‘-30EPNdB kumuliert‘ entsprechen 50% im wahrgenommenen Lärm
ACARE Referenz für CO2 und Lärm ist abgeleitet von TRENT700 und CFM56-5B
ACARE Gesamtziel (Flugzeug + Triebwerk + ATM): CO2 = -50%
Angaben ohne extensive Nutzung von SILENCER-/Resound-Technologien; zusätzlich erschließbares Potenzial:
- mit SILENCER Kategorie I: -6dB kumulativ (Technologiereife bis 2008)
- mit SILENCER Kategorie II: -10dB kumulativ (Technologiereife bis 2015)
Abbildung 18: Vergleich umweltbezogener Triebwerkskennzahlen
Die Abbildung 19 soll einen Überblick über eine Auswahl größerer Europäischer Triebwerks-Technologieprogramme der letzten ca. 10 Jahre geben, deren
Zielsetzungen jeweils von den globalen ACARE-Zielen abgeleitet worden. In
Abbildung 19 finden sich auch Linkverweise auf die Homepages der beiden aktuellen Groß-Technologieprogramme ’VITAL’ und ’NEWAC’, die unter Leitung von SNECMA (VITAL) bzw. MTU (NEWAC) wesentliche technologische
Fortschritte in Richtung auf ACARE-Zielerreichung erarbeiten.
zusätzliche Informationen u.a.: www.project-vital.org
www.newac.eu
Technology Roadmap for Innovative Engine Concepts
Year 2000
in
service engine
VITAL
SILENCER
Open Rotor
EEFAE – ANTLE
Other
Innovative
Concepts
TRENT700
EEFAE – CLEAN
NEWAC
1
CFM 56-5B
ACARE
Reference
Validation at
Engine Level
Component Validation
for Low spool / Core
Engine / Component
Level Validation
DREAM-valiDat.of Radical Engine Arch.systeMs
Abbildung 19: Technologie Roadmap der großen EU-Programme aus dem 5., 6. und 7. EURahmenprogramm
7. Zusammenfassung
Die europäische Luftfahrtindustrie hat sich zur Absicherung der Wachstumserwartungen mit ACARE Vision 2020 sehr anspruchsvolle Ziele zur Reduktion
der Umweltauswirkungen des Flugverkehrs gesetzt. Zukünftige Triebwerke
müssen demnach im Kraftstoffverbrauch und damit in der CO2-Emission um bis
zu 20% verbessert sowie in der Lärmemission halbiert werden. Diese Ziele kann
der Turbofan heutiger Konzeption nicht vollständig erreichen.
In einem ersten Schritt wird der Getriebefan von MTU und PW zur Erfüllung
von mittelfristigen Zielen bis 2015 entwickelt und bereitgestellt.
Open Rotor Konzepte werden nicht alle Ziele gleich gut erfüllen können, der
Lärm ist deutlich zu hoch.
Der Weg der MTU Roadmap CLAIRE führt über den Getriebe Turbofan zum
ummantelten, gegenläufigen Propfan, der in einem anschließenden Schritt durch
Zwischenkühler und Wärmetauscher noch verbessert werden kann. Mit diesen
Triebwerkskonzepten können die ACARE-Ziele für CO2 sogar übererfüllt werden. Für die Realisierung der MTU-Roadmap besteht ein hoher Bedarf an neuen
Technologien, die gemeinsam mit Partnern derzeit und in Zukunft erarbeitet
werden müssen.