Artikel vom 17.11.2010 0

CRISP II - Auf der Suche nach künftigen Triebwerken «Counter Rotating Integrated Shrouded Propfan»

Mit CRISP II forschen Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) am Triebwerk der Zukunft. Hierbei müssen sie die Balance zwischen Effizienz und Emission finden. Erfolgsversprechend erscheinen gegenläufige Fans mit hohem Nebenstromverhältniss. Da gegenläufige Rotoren jedoch lauter als heutige Antriebe wären, müssen sie ummantelt werden. Darunter leidet jedoch der Wirkungsgrad.

© DLR

Messaufbau zur Lärmminderung bei CRISP I

Triebwerke effizienter, umweltfreundlicher und leiser zu machen, ist das Ziel des Projekts CRISP II (Counter Rotating Integrated Shrouded Propfan) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die Wissenschaftler setzen hier bei einem Mantelstromtriebwerk an. Der Effektivitätssteigerung liegt ein einfaches physikalisches Prinzip zugrunde: Die Effektivität der Schuberzeugung steigt, wenn die Geschwindigkeit des Luftstrahls am Triebwerksaustritt reduziert wird. Gleichzeitig sinkt der Strahllärm, da die chaotische Wirbelbildung am Strahlrand – eine Hauptquelle der Geräuscherzeugung am Triebwerk – abnimmt. Dieser Luftstrahl wird durch den Fan vorne am Triebwerk erzeugt. Im Projekt CRISP II wird der Fan durch zwei gegenläufige ummantelte Rotoren gebildet. Dieses technisch nie realisierte Konzept bietet die Chance, sowohl das Gewicht als auch vor allem den Außendurchmesser zu verringern.

Erfolgversprechend: Gegenläufige Fans mit hohem Nebenstromverhältnis

Die Herausforderungen beim modernen Triebwerkbau liegen vor allem in den schwer zu vereinbarenden Anforderungen, Triebwerke einerseits umweltfreundlicher (weniger Treibstoffverbrauch bedeutet auch weniger CO2-Emissionen), aber andererseits auch leiser zu bekommen – beides ist nur mit einem Kompromiss zu erreichen. "Studien zeigen, dass neuartige Triebwerke mit gegenläufigen Rotoren ohne Ummantelung am wenigsten Treibstoff verbrauchen würden. Durch die nicht vorhandene Ummantelung fehlt allerdings auch eine Lärmdämmung - das Triebwerk wäre deutlich lauter“, sagt CRISP II-Projektleiter Dr. Eberhard Nicke vom DLR-Institut für Antriebstechnik. Ziel der Forschung sei es, ein effizientes und leises Triebwerk zu entwerfen.

CRISP II baut auf den Ergebnissen von CRISP I, einem Gemeinschaftsprojekt des DLR und des deutschen Triebwerksherstellers MTU auf. Von 1985 bis 2000 arbeiteten die Partner bereits an einem Triebwerk mit gegenläufigen Fans. Seit der Entwicklung und Konzipierung von CRISP I Ende der 1980er Jahre wurden große technologische Fortschritte insbesondere bei der detaillierten Strömungs- und Festigkeitsberechnung, der Lärmprognose, dem Leichtbau und in vielen anderen für den Triebwerkbau notwendigen Bereichen gemacht.

Multidisziplinäres Projekt von drei DLR-Instituten

Im Projekt CRISP II arbeiten das DLR-Institut für Antriebstechnik in Köln, das Institut für Aeroelastik in Göttingen und das Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung in Stuttgart eng zusammen. In der dreijährigen Laufzeit wollen die DLR-Institute unter anderem eine neue CFK-Bauweise (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) für die Fertigung der einzelnen Schaufeln der Rotoren verwenden. Die Wissenschaftler haben dadurch Gestaltungsraum für die Schaufeln, um ein effizienteres und leiseres Triebwerk zu entwerfen. Hier ist die Anwendung der modernsten Methoden der automatisierten Optimierung notwendig.

Die Forscher wollen Schaufelformen suchen, die diese maximale Effizienz bei geringster Lärmentwicklung liefern. Sie setzen dabei auf CFK, da es im Vergleich zu Titan sehr leicht und stärker belastbar ist. Durch die beiden gegenläufigen Fanrotoren habe man einen Gewichtsvorteil, da die Anzahl der Schaufeln gegenüber der jetzt üblichen Rotor-Stator-Kombination deutlich geringer sein wird. Dies mache das Triebwerk aber auch komplexer, erklärt Nicke. Sobald die Fanstufe fertig gestellt ist, werden die Wissenschaftler ihn auf dem Axialverdichterprüfstand des DLR in Köln testen.

Hintergrundinformationen CRISP II

Bei einem Strahltriebwerk ist die Schuberzeugung umso effektiver, je geringer der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den aus der Düse austretenden heißen Gasen und der am Triebwerk vorbeiströmenden Luft ist. Gleichzeitig findet eine Lärmreduzierung statt, da es zu weniger Verwirbelungen beim Aufeinandertreffen von heißen Abgasen und der Außenluft kommt. Diese Turbulenzen sind eine der Hauptquellen für Lärmemissionen bei Flugzeugtriebwerken.

Bei Mantelstromtriebwerken wurde in den letzten Jahrzehnten sukzessive das Nebenstromverhältnis erhöht. Das heißt, die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Luft, die durch Verdichter, Brennkammer und Turbine geht, und der Luft, die durch den Fan, allerdings am Triebwerkskern vorbeigeführt wurde verändert. Dies lässt sich jedoch nicht ewig weiterentwickeln, da mit dem erhöhten Nebenstromverhältnis auch der Fandurchmesser größer wird – womit die Triebwerke ab einem gewissen Entwicklungsstand zu schwer werden. Damit ist die Suche nach neuen technischen Lösungen erforderlich.

Durch den möglichen Einsatz von zwei gegenläufigen Fanrotoren kann die weitere Erhöhung des Nebenstromverhältnisses ohne Erhöhung des Triebwerksdurchmessers einher gehen.

Stand: 17.11.2010 - 3:14 PM Uhr

Quelle: DLR