Luftfahrt: Rekordgetriebe auf dem Prüfstand

Triebwerk UltraFan

2025 soll das weltweit leistungsstärkste Luftfahrt-Getriebe einsatzbereit sein. Es soll eine Leistung von 100.000 PS übertragen, aber vergleichsweise wenig Sprit verbrauchen. Wissenschaftler erforschen gegenwärtig, wie sich die Eigenschaften des Getriebes mit seiner Größe verändern und wie sie optimiert werden können.

Die Flugzeugantriebe der Zukunft sollen weniger Sprit verbrauchen und emissionsärmer werden. Der britische Hersteller Rolls-Royce setzt dazu auf sein UltraFan-Konzept. „Das UltraFan-Triebwerk ist hinsichtlich des Spritverbrauchs um 25 Prozent effizienter im Vergleich zu den ersten Trent-Triebwerken von Rolls-Royce, aber auch leichter und leiser“, erklärt Christian Seydel von Rolls-Royce, der sich mit der Entwicklung des passenden Leistungsgetriebes beschäftigt.

Dieses Zahnradgetriebe hat eine entscheidende Funktion. Dreht sich der Fan, der von außen sichtbare Teil des Triebwerks, möglichst langsam und die Turbine im Inneren dagegen möglichst schnell, wird weniger Sprit verbraucht. Das Getriebe kann die Leistung von der Turbine effizient auf den Fan übertragen – beim UltraFan-Triebwerk bis zu 100.000 PS. Damit ist es das leistungsstärkste Getriebe, das je für die zivile Luftfahrt gebaut wurde.

Originalgetriebe durchmisst einen Meter

Zur Optimierung des Zahnradgetriebes arbeitet Rolls-Royce mit der Technischen Universität München (TUM) zusammen. Es gibt dabei viele Herausforderungen. „Das Getriebe in Originalgröße hat einen Durchmesser von einem Meter“ erklärt Karsten Stahl, Professor für Maschinenelemente an der TUM. „Wenn Sie Getriebe so groß und so kompakt bauen, wie es für den UltraFan erforderlich ist, dann ergeben sich spezielle Herausforderungen, zum Beispiel bei der Kühlung.“ Im Getriebe entstehen Wärmeleistungen von mehreren Hundert Kilowatt, das entspricht der Heizung eines Hochhauses.

Die Wirkzusammenhänge für die besonderen Eigenschaften des Getriebes untersuchen die Forscher mit speziellen Berechnungsmethoden und Simulationsmodellen. Sie verifizieren die berechneten Ergebnisse anschließend mithilfe eines Prüfstands, dessen Konzeption und Entwicklung ein eigenes Forschungsprojekt war. Zunächst mussten die Wissenschaftler das Getriebe so verkleinern, dass es in den Prüfräumen der TUM untersucht werden konnte. Denn beim Hersteller füllen dessen Tests im Maßstab 1:1 ein eigenes Gebäude.

Verspannungsprinzip wird eingesetzt

Die nächste Herausforderung war die Energiezufuhr. Trotz der Verkleinerung müssen immer noch mehrere Megawatt auf das Getriebe übertragen werden. Dazu realisierten die Wissenschaftler den Prüfstand mit dem sogenannten back-to-back- bzw. Verspannungsprinzip. Sie verbanden zwei baugleiche Getriebe spiegelverkehrt miteinander, so dass die Energie des Abtriebes eines Getriebes auf den Antrieb des anderen geleitet wird.

Sensoren zeichnen fortlaufend Daten über die Performance des Testgetriebes auf, unter anderem Beschleunigung, Drehzahlen, Drehmoment, Öltemperaturen am Ein- und Auslass, Temperaturen an den Lagerungen und Dichtungen sowie den Öldruck. 100 Messkanäle liefern enorm viele Daten zur Auswertung.

Die optimierten Getriebe werden im 1:1 Maßstab auf dem Prüfstand von Rolls-Royce in Dahlewitz bei Berlin geprüft. „Später folgen dann natürlich auch Tests im Triebwerk, zunächst am Boden, später im ‚Flying Testbed‘ eines umgerüsteten Flugzeuges“, erklärt Christian Seydel. 2025 soll das UltraFan-Triebwerk im regulären Betrieb einsatzbereit sein.

Bild: Das Planetengetriebe für das UltraFan-Triebwerk soll eine Leistung von 100.000 PS übertragen / © Rolls-Royce