Umwelt- und Klimaaspekte der Luftfahrt sind in der öffentlichen Debatte

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1 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 Mitarbeitern weltweit. MTU Aero Engines hat drei starke Geschäftsfelder: das zivile Triebwerksgeschäft, das militärische Triebwerksgeschäft und die zivile Instandhal-

2 tung. Einen Querschnitt derzeitiger bedeutender MTU-Aktivitäten zeigt die Abbildung 2. Drei starke Geschäftsbereiche Ziviles Triebwerksgeschäft Militärisches Triebwerksgeschäft Zivile Instandhaltung Kernkompetenz Niederdruckturbinen Hochdruckverdichter Kernkompetenz Hochdruckverdichter Niederdruckverdichter Triebwerksregelung 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-

3 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 = m BP / m c Der Nebenstrom erzeugt den Großteil des Schubes bei großen Luftdurchsätzen und kleinen Strahlgeschwindigkeiten Steigerung des Vortriebswirkungsgrades erfordert deshalb die Erhöhung des BPR.. m BP m c V Düse, kalt V Düse, heiß HDT / HPT NDT / LPT Fan NDV / LPC HDV / HPC Brennkammer / Combustor 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

4 E ngin e22a.wmf GasTurb 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 Engine2c.WMF Propeller Propfan Getriebefan (10 < BPR < 14) 0,5 0,7 0,85 1,0 Fluggeschwindigkeit Flugmachzahl ( Machzahl: vielfaches der Schallgeschwindigkeit) Engine4a.WMF Turbojet (BPR = 0) 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-

5 reich 0,8 < Ma < 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-

6 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 Herausforderungen Einfluß auf Triebwerksentwicklung Sicherheit... keine Kompromisse Wirtschaftlichkeit... sehr hoch Umwelt Kraftstoffverbrauch und CO 2 -Emissonen... sehr hoch Emissionen NO x... hoch Lärm... hoch Tendenz steigend 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 Schubbedarf Verbrennung & Emissionen Kraftstoffverbrauch Lärmeigenschaften Triebwerksgewicht Abbildung 6: Triebwerkseigenschaften mit Umweltrelevanz

7 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 Reduktion von NO x um 80% rel CAEP\2 Reduktion von CO 2 um 50% Flugsicherheit Unfallrate -80% Vollständige Abwehr v. Hijack ATM Beitrag Zellen Beitrag Triebwerk Beitrag Wirtschaftlichkeit Halbierung Time-to- Market Reduzierung der Gebühren Flug- Managament On time An-/Abflug zu 99% innerhalb 15 Minuten Verdreifachung der Flugbewegungen Reduktion Lärm um 10 db per Operation Reduktion NO x um 70 bis 80% Reduktion CO 2 um 15 bis 20% 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 LTO- Zyklus 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. cfm56-5b).

8 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 Einkreis- Triebwerk, 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.

9 Bereits beachtliche technologische Fortschritte in 40 Jahren erreicht Turbojet JT3D (B707) 40% Reduktion im Kraftstoffverbrauch in 40 Jahren Reduktion im Triebwerkslärm um 20dB im gleichen Zeitraum Die Erhöhung des BPR ist maßgeblicher Parameter für Verbesserungen bei CO 2 und Lärm Verbesserung der Zuverlässigkeit um Faktor >20 in 40 Jahren Beste Triebwerke in Entwicklung (GP7000) Neue Konzepte ermöglichen Step Change Maßnahmen: bessere Kreisprozesse - höhere Temperaturen - höhere Drücke bessere Modulwirkungsgrade - geringere Strömungsverluste - weniger Kühlluftbedarf Steigerung des BPR - verbesserte Bauweisen - bessere Werkstoffe indirekt: Gewichtsreduktion lärmarme Modulauslegungen verbesserte Fertigungsverfahren und -prozesse 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.

10 MTU Roadmap zum umweltfreundlichen Triebwerk Weiterentwicklung konventioneller Turbofan Triebwerke Konzepte zur Erfüllung langfristiger Ziele: 'IRA' Inter-cooled Recuperative Aeroengine CO2, Lärm A-TF Step-Change GTF z.b. CRISP IRA Neue Triebwerk-Konzepte zur Erfüllung mittelfristiger Ziele Ummantelte Propfan- Antriebe (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 Chevron- Düse 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.

11 Weiterentwicklung fortschrittlicher Turbofan-Triebwerke Erhöhung des Nebenstromverhältnisses (Fandurchmesser) SFC, Lärm verbesserter Kreisprozess steigende OPR & TET Neue Düsenkonzepte Chevron Nozzle Neues Fan-Konzept Swept Fan (erhöhter Durchsatz bei niedriger Drehzahl) Fortschr. Komponenten erhöhte Wirkungsgrade lärmoptimierte Bauweise neue Brennkammertechnologien Low - NO X BK, z.b. gestuft+, RQL NO X steigende Komponenten- Belastungen; red. Stufenzahl erhöhte Lebensdaueranforderung Kosten 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 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 Module- Wirkungsgrade optimieren. Und schließlich leisten beim GTF die schnelldrehenden Module Niederdruckverdichter und Niederdruckturbine über ihre deutlich reduzierte Stufenzahlen auch einen Beitrag zur Kostenreduktion.

12 Neue Trwk-Konzepte zur Erfüllung mittelfristiger Anforderungen: GTF GTF ermöglicht kompaktes Kerntriebwerk wg. kleiner ND-Wellen Dimensionen langsam laufender Fan Getriebe schnelllaufende NDT & NDV Lärm db Lärm ~u 5 Tip Δ db Fan-Drehzahl red. Lärm mit Getriebe ohne Getriebe optimale Drehzahl für Fan und ND-System Wirkungsgradanstieg / SFC Expansionsverhältnis, ER schnelllaufende NDT konventionelle NDT red. Kosten mit Getriebe ohne Getriebe Stufenzahl 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 GTF- Demo, 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.

13 PW/MTU sind Treiber für das GTF-Konzept mit mehreren Demo-Programmen!neu!: MHI-MRJ mit P&W-GTF Programm-Launch: in Service: 2013/14 ADP Demonstrator klb Advanced Ducted Propfan gemeinsames Projekt von: P&W, MTU und Avio MTU: schnelllaufende NDV, NDT Triebwerktests bei P&W Florida Höhentests bei NASA Ames Geared Fan Demo klb Advanced Technology Fan Integrator gemeinsames Projekt von: PWC, PW-A, MTU und Avio MTU: schnelllaufende NDT Erstlauf: Realisierung mit Förderung durch nationales LuFo II&III des BMWi GTF-Demo 28 klb Erstlauf Ende 2007 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, 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

14 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-

15 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 HDV HDT MDT NDT Getriebe MDV 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.

16 Mit IRA-Konzept kann der Kraftstoffverbrauch weiter abgesenkt werden MTU-Entwurf für Langstreckenanwendung, zur Realisierung Gondel Rohrleitungen Zwischenkühler (IC) Pylon Wärmetauscher (HEX) Hauptmerkmale der IRA BPR > 20 hoher Vortriebswirkungsgrad vorteilhafte Lärmeigenschaften OPR < 30 low NOx Fähigkeiten IC hoher Kreisprozeß Wirkungsgrad kleines Kerntriebwerk (Gewicht und Kosten) Var.LPT hohe Lebensdauer Heißteile niedrige TMC HEX hoher Kreisprozeß Wirkungsgrad hier: Turbofan mit Zwischenkühler und Wärmetauscher, auch als Propfan denkbar 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 CLAIRE II: CRISP (siehe Abschnitt 5), Einsatzreife bis ca. 2025; kritische Te - CLAIRE III: CRISP mit rekuperativen Modulen, Einsaztreife bis ca 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

17 Vision 2020 nicht vollständig erreichen, zeigen allerdings ganz wesentlich besseres Verhalten als Open-Rotor Konzepte. CLAIRE Das CLean AIR Engine Technologieprogramm der MTU MTU entwickelt konsequent Technologien zur Reduktion der CO2-Emissionen um bis zu 30% MTU hat dazu die längerfristige Initiative 'CLAIRE' aufgesetzt, die über 2020 hinausgeht. MTU orientiert sich aktuell an den ACARE 2020-Zielen: gleichgewichtige Reduktion von Stickoxiden und Lärm 100 Basis CLAIRE 1 CLAIRE 2 CLAIRE 3?CO 2 % 90 bis 15% bis 20% bis 30% Phase 1: wird zusammen mit P&W verfolgt V2500 Getriebefan CRISP* WT-Propfan** ab 2025 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 CLAIRE der ummantelte Propfan schlägt den Open-Rotor beim Lärm Lärmverbesserung ACARE- ZIEL ACARE- ZIEL * 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

18 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 Verbrauch / CO2 NOx Lärm 4) rel. zu ACARE Ref. rel. zu ICAO CAEP II rel. zu ICAO Stage 3 [%] [%] [EPNdB, kum.] 1) 1985 Mid 80s, z.b. PW2000 (für B757) ACARE Referenz 2) Triebwerk 2000 ICAO CAEP II Triebwerk 2000 z.b. CFM56-5B (für A320) ACARE Ziel für Triebwerk -20 3) ) Beispiele: 1995 V2500-A GP GTF CLAIRE I IRA CRISP CLAIRE II CLAIRE III (CRISP m. Recuperator) ) -30EPNdB kumuliert entsprechen 50% im wahrgenommenen Lärm 2) ACARE Referenz für CO 2 und Lärm ist abgeleitet von TRENT700 und CFM56-5B 3) ACARE Gesamtziel (Flugzeug + Triebwerk + ATM): CO 2 = -50% 4) 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.

19 zusätzliche Informationen u.a.: Technology Roadmap for Innovative Engine Concepts Year 2000 in service engine SILENCER VITAL Open Rotor EEFAE ANTLE TRENT700 Other Innovative Concepts 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. EU- Rahmenprogramm 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.