Einen Gang hochschalten auf dem Weg zu effizienteren und nachhaltigeren Triebwerksarchitekturen
Das Triebwerk mit ultrahoher Antriebseffizienz (Ultra-High Propulsive Efficiency, UHPE), eines der Flaggschiffe des Programms zur Demonstration integrierter Triebwerkstechnologien im Rahmen von Clean Sky 2, zielt darauf ab, die Treibstoff- und Energieeffizienz weiter zu steigern und die Schadstoffemissionen im Vergleich zu den derzeit effizientesten Mantelstromtriebwerken zu verringern. Diese Ziele sollen erreicht werden, indem die Antriebs- und Wärmewirkungsgrade des Triebwerks über den derzeitigen Stand der Technik hinaus angehoben werden. Ein Ansatz zur Verbesserung der Antriebs- und Wärmeleistung des Triebwerks besteht darin, das Nebenstromverhältnis zu erhöhen und das Gebläse-Druckverhältnis zu verringern. Genauer gesagt ist ein Nebenstromverhältnis von mehr als 15:1 zur Erreichung anspruchsvoller Umweltziele erforderlich, doch dies bringt technische Herausforderungen mit sich, die vor allem mit den im Antriebssystemmodul des UHPE-Triebwerks verwendeten Materialien zusammenhängen.
Die Herausforderung bei Triebwerken mit sehr hohem Nebenstromverhältnis
Das Nebenstromverhältnis des Mantelstromtriebwerks bezieht sich auf das Verhältnis zwischen dem Primärstrom (dem Massenstrom, der in den Triebwerkskern eintritt) und dem Sekundärstrom (dem Massenstrom, der an der Brennkammer vorbeifließt). Je größer die vorbeiströmende Luftmenge ist, desto leiser und effizienter wird das Triebwerk. Die Konstruktion des Getriebefans ist daher vorteilhaft für Triebwerke mit sehr hohen Nebenstromverhältnissen. „Die Technologie mit ultrahohem Nebenstromverhältnis wird mit dem Getriebefan-Konzept realisiert, bei dem die Drehzahlen von Gebläse und Turbine durch ein integriertes Antriebssystem entkoppelt werden – eine innovative Architektur, die eine erhebliche Verringerung des Treibstoffverbrauchs, des Lärms und der Emissionen ermöglicht“, erklärt Ida Bartilotta, Forschungsingenieurin beim italienischen Unternehmen AM Testing und Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts HILOGEAR. „Klassische Luftfahrtwerkstoffe für Lager und Getriebe weisen nicht alle erforderlichen technischen Eigenschaften auf, um die Festigkeitsanforderungen für den Einsatz im UHPE-Getriebe zu erfüllen. Zu diesem Zweck bedarf es der Untersuchung neuer Materialien und Wärmebehandlungen“, fügt Bartilotta hinzu.
Prüfung der Materialleistung unter realistischen Bedingungen
Mit Unterstützung von HILOGEAR führte AM Testing Versuche durch, um die statische Belastbarkeit und die Ermüdungsfestigkeit von Getrieben und Lagern im Hinblick auf klassische Schadensmechanismen wie Biegung und „Fressen“ zu ermitteln. Ziel der Experimente war es, die Leistungsfähigkeit der Lager- und Getriebewerkstoffe unter Betriebsbedingungen zu bewerten, die denen neuer Triebwerke ähneln (hohe Belastungen und hohe Temperaturen). Der Prüfstand für Biege- und Fressversuche gestattet es, 1 MW Umwälzleistung bei einer Höchstgeschwindigkeit von 140 m/s an der Wirklinie zu erreichen. Die Höchsttemperatur des Schmiermittels beträgt 180 °C, und es können auch Tests unter extremen Bedingungen durchgeführt werden. Das Forschungsteam untersuchte und testete vielversprechende Oberflächenbehandlungen von Stahlwerkstoffen, die für Getriebe und Lager geeignet sind. Bei den Lagern führten die Forschenden 46 Tests (mit mehr als 34 000 Teststunden) unter Verwendung zweier Kombinationen von Materialien und Wärmebehandlungsmethoden durch. Darüber hinaus führten sie 228 Tests (mit mehr als 3 700 Teststunden) zur Beständigkeit von Getriebewerkstoffen durch, wobei fünf Kombinationen von Materialien und Wärmebehandlungsmethoden angewendet wurden.
Eine neue Ära von Hochleistungstriebwerken beginnt
Die Ergebnisse von HILOGEAR fließen in die Bemühungen um den Reifefortschritt der Kerntriebwerkstechnologie des UHPE-Demonstrators ein. Darüber hinaus werden die Projektergebnisse in zukünftige Studien und Forschungsprojekte einfließen. „Durch HILOGEAR hatte das kleine mittelständische Unternehmen AM Testing die Möglichkeit, mit einem großen Unternehmen, Schaeffler Aerospace Germany, bei der Entwicklung von hochpräzisen Lagersystemen und Getrieben für Flugzeugtriebwerke zusammenzuarbeiten. Zudem haben wir die Beziehungen zu dem italienischen Geschäftsluftfahrtunternehmen Avio Aero verstärkt und damit den Weg für eine künftige Zusammenarbeit geebnet“, schließt Bartilotta.
Schlüsselbegriffe
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