Kleine Geschichte der Garrett TPE 331 Turbine

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1 Abbildung 1: Garrett (Honeywell) TPE (Foto: Honeywell) Kleine Geschichte der Garrett TPE 331 Turbine Die Historie von PT6 und Allison Model 250 wurde bereits in früheren e-journs geschildert. Es fehlt die dritte im Bunde der erfolgreichen amerikanischen Gasturbinen, die Garrett TPE331. Sie entstand zur selben Zeit, war und ist ähnlich erfolgreich und muss daher im selben Atemzug genannt werden. Die wenigsten Piloten werden ihre Geschichte kennen. Mit diesem Beitrag wollen wir Abhilfe schaffen. Beginnen wir zunächst mit ein wenig Firmengeschichte. Die Firma wurde durch Cliff Garrett unter dem Namen Garrett Supply Company im Jahr 1936 in Los Angeles gegründet und war am Anfang nichts weiter als eine Vertriebsniederlassung an der Westküste für die an der Ostküste angesiedelten Hersteller von Flugzeugwerkzeug, Flugzeugausrüstungen und sonstigen Luftfahrthandelsgütern. Man verkaufte an Consolidated Aircraft, Douglas, Lockheed, Northrop, North American, Ryan und andere. Die Firma expandierte bald und man stellte neben dem Handel auch Produkte unter Lizenz her. Unter anderem war Garrett an der Technik des Fliegens in großer Höhe interessiert. Die Technik der Kabinenbedruckung stand erst in ihren Kinderschuhen. Er gründete 1938 die AiResearch Manufacturing Division und man entwarf und entwickelte dort zunächst einen Intercooler für die Turbosupercharger der Boeing B-17 und Druckregelsysteme für Druckkabinen. Die Produkte waren von Anfang an erfolgreich. Bedingt durch die steigende Nachfrage im Zweiten Weltkrieg konnte man die Fertigungskapazi- 1 e-journ Nr. Tt-10

2 täten schnell ausweiten. Es entstand zusätzlich eine Produktionsstätte in Phoenix, Arizona, in der unter anderem auch Ölkühler für Kampfflugzeuge produziert wurden. Auf dem Weg zum Turbinenbusiness Im Jahr 1943 entwickelte Northrop den XB- 35, ein Höhenbomber mit großer Reichweite. Man benötigte einen Kompressor für die Druckkabine und Garrett wollte in das Geschäft einsteigen, weil man sich Vorteile für den kommerziellen Markt nach dem Krieg ausmalte. Zu dieser Zeit hatte man allerdings keinerlei Erfahrung mit Strömungsmaschinen. Northrop sorgte dafür, dass Waldemar F. Mayer, ein Experte für Wasserpumpen bei der Northill Company, einer Tochter von Northrop, beim Projekt aushelfen sollte. Mayer begann mit dem Entwurf eines zweistufigen Radialverdichters für die Kabinenbedruckung, damals bekannt unter Project A. Ein Labormuster erreichte eine Druckzahl von 1,75 bei einem Luftmassendurchsatz von 0,35 kg/sec. Obwohl der Verdichter später nicht eingesetzt wurde, war es doch die Geburtsstunde für Garretts Turbinenbusiness. Es folgte 1944 die erfolgreiche Entwicklung einer Turbine für die Kühlung der Kanzel bei der Lockheed XP-80A, die vor der Kühlmaßnahme im Flug so heiß wurde, dass sich die Piloten Blasen an den Hebeln zuzogen. Im Jahr 1945 suchte Boeing für seinen Stratocruiser 337 ein Hilfsaggregat, das Gleichund Wechselstrom bereitstellen, Druckluft für Kabinendruck und Klimatisierung liefern und ferner heiße Luft für die Tragflächenenteisung abgeben sollte. Garrett stand finanziell gut da und man hatte bereits Überlegungen angestellt, wie man mittels einer Gasturbine die Probleme bei Bedruckung und Klimatisierung der Kabine lösen konnte. Die Geschäftsleitung gab grünes Licht für die Entwicklung einer kleinen Gasturbine, die als Basis für Boeings Hilfsaggregat dienen sollte. Der Zeitrahmen war seitens Boeing äußerst eng gesetzt. Die Arbeit begann Obwohl sich das Anwerben weiterer Experten für Mayer als schwierig erweisen sollte, kamen Roy Schinnerer (Entwicklung und Tests) und Wilton Parker als Chefmechaniker zum Team hinzu. Es entstand die Black Box, wie sie im Unternehmen genannt wurde, wahrscheinlich weil einige die Innereien mit einer gewissen Magie verbanden. Tatsächlich bestand die Black Box aus einem dreistufigen Radialverdichter, einer Brennkammer und einer einstufigen Axialturbine (siehe Abb. 2). Über ein Getriebe wurde ein Generator und ein Gebläse angetrieben. Ein Teil der Abgase Abbildung 2: Die Black Box (Foto: Garrett) wurde dem Enteisungssystem zugeleitet begann man mit den ersten Tests. Der 2 e-journ Nr. Tt-10

3 Verdichter hatte einen guten Wirkungsgrad von 81 bis 82 % bei einem Druckverhältnis von 3:1. Auch die Brennkammer arbeitete zufriedenstellend, obwohl man bei Garrett vorher noch nie etwas Vergleichbares gebaut hatte. Die Turbinenstufe ließ sich nur im zusammengebauten Endprodukt testen. Man stellte schnell fest, dass die axiale Turbinenstufe nicht effizient genug arbeitete, sodass die Black Box nicht eigenständig lauffähig war, die Turbinenstufe konnte bei 70 % Wirkungsgrad nicht genügend Leistung produzieren. Aufgrund der unlösbaren Probleme und des engen Zeitplans bei Boeing wurde das Projekt eingestellt. Der Versuch war zu dieser Zeit wohl doch etwas zu ehrgeizig gewesen. Man hatte allerdings eine Menge gelernt. Für die Zukunft würde man statt der Axialturbine die Radialturbine bevorzugen, da man auch mit Radialverdichtern gute Erfahrungen gesammelt hatte. Etwa zur selben Zeit suchte man bei der US Navy ein Hilfsaggregat zum Anlassen des Allison XT40 Turboproptriebwerks mit PS, wie es im Convair Flugboot XP5Y-1 verwendet wurde. Garrett konnte einen Vertrag des Navy Bureau of Aeronautics für sich gewinnen zur Entwicklung einer Hilfsturbine mit 50 PS Nutzleistung. Das Projekt erhielt zunächst den Namen GTP50 (GTP=Gas Turbine Power), wurde aber später als reiner Drucklufterzeuger beauftragt, der den ebenfalls von Garrett stammenden Druckluftstarter ATS35 mit Druckluft zum Anlassen versorgen sollte. Die Einheit erhielt demnach den Namen GTC43/44 (GTC= Gas Turbine Compressor), wobei 43 lb Luft bei 44 PSI Druck produziert wurden, daher die Bezeichnung. Chefingenieur wurde Homer Wood. Er ließ sich durch die Erkenntnisse des Black Box Projektes beeinflussen und projektierte die GTC-Unit mit einem zweistufigen Radialverdichter und einer einstufigen Radialturbine. Die beiden deutschen Experten Dr. von der Nuell und Dr. Hans von Ohain, die per Operation Paperclip in die USA gekommen waren, wurden zum Projekt interviewt. Die US Air Force ordnete an, dass von der Nuell das Projekt unterstützen solle und er kam 1948 zum Team dazu und half dabei, das Produkt zu verbessern. Im selben Jahr noch passierte der GTC43/44 den 200-Stunden-Ausdauertest und ging danach in Produktion. Die Verwendung im Convair Flugboot XP5Y-1 begann erst im Jahr 1950, dort waren jeweils zwei GTC installiert, die Druckluft für das Anlassen der Triebwerke lieferten und ferner Wechselstromgeneratoren antrieben und somit für den Bordstrom sorgten. Es folgten weitere Anwendungen unter anderem als Bodenstarteinheit. Der erste kommerzielle Einsatz war als Startwagen zum Anlassen der Lockheed Electra. Bei der ersten Produktionsreihe entstand eine Vielzahl von Problemen und Ausfällen durch Rissbildung am Rand der Radialturbine. Die Radialturbine wurde durch von der Nuells Team überarbeitet. Weitere Probleme resultierten aus der zweigeteilten Brennkammer, die man mit verschiedenen Maßnahmen in den Griff zu bekommen versuchte. Obwohl bei seiner Einführung nicht vollkommen problemfrei, war der GTC43/44 ein wirtschaftlicher Erfolg, es wurden mehr als 500 Stück produziert. Der GTC43/44 war Garretts erstes Turbinenprodukt und legte die Grundlage für Garretts späteren Erfolg als führender APU-Hersteller. 3 e-journ Nr. Tt-10

4 Abbildung 3: Schnitt durch den Garrett GTC85 (Quelle: Hiller Aviation Museum) Im Rahmen des Projektes GH4, bei dem sechs GTC43/44 zur Vorwärmung des Convair B- 36 Flugzeuges bei arktischem Einsatz verwendet wurden, entstand die Forderung seitens des US Militärs nach mehr Leistung. Helmut Schelp, ein weiterer Wissenschaftler aus der Operation Paperclip verfasste eine Spezifikation für eine Auxiliary Power Unit mit zwei Radialverdichterstufen und einer Radialturbine. Garrett bot auf die RFP des US Militärs und erhielt den Auftrag. Dieser Auftrag war der Beginn der Entwicklung einer APU, die später in Stückzahlen von etlichen zehntausend gefertigt werden würde. Chefentwickler des GTC85 Kompressors war wieder Homer Wood. Es kam eine Radialverdichterstufe mit doppeltem Lufteintritt gefolgt von einer zweiten Radialverdichterstufe zum Einsatz, die zusammen eine Druckzahl von 3,36 erreichten. Als Brennkammer wurde eine Einzelkammer mit tangentialer Anströmung der Radialturbine fest gelegt. Der Luftmassendurchsatz betrug 1,13 kg/sec. Die GTC85 lief im Frühjahr 1952 zum ersten Mal. Durch eine Wettbewerbsituation bei der Ausstattung der Lockheed C-130 mit einer geeigneten APU, bei der man gegen die französische Turbomeca Palouste antreten musste, wurde der Luftdurchsatz des ursprünglichen Designs innerhalb kurzer Zeit auf 2,25 kg/sec verdoppelt und die neue Version GTC85-10 gewann den Wettbewerb. Hierbei wurde auch die Turbinenstufe durch einen verbesserten Entwurf von Dr. von Nuell mit einem Wirkungsgrad von 93 bis 94 % ersetzt. Neben der GTC85 entstand bald auch die Variante GTCP85, bei der zusätzlich über eine Nutzleistungswelle ein Stromgenerator angetrieben wurde erhielt Garrett einen Auftrag der Navy über 36 Mio. US$ und wurde damit zum Hauptlieferant für APUs, Druckluftanlasser und Druckregelsysteme. Die Produktion wur- 4 e-journ Nr. Tt-10

5 de in Phoenix aufgebaut und die Auslieferungen begannen Garrett konnte bald auch Erfolge im kommerziellen Bereich verzeichnen. Garretts APU wurde bei Eastern Airlines zunächst als Ground Unit genutzt, die zum Anlassen der Lockheed Electra diente. Eastern Airlines überzeugte Boeing, dass die APU in der Boeing 727 eingebaut werden sollte. Diese Installation und später auch jene in die Douglas DC-9 war für Garrett ein wichtiger Schritt zum zukünftigen Erfolg. Zwischen 1952 und 1996 wurden in der Folge mehr als Stück der 85er Serie in diversen Flugzeugtypen verbaut. Garrett wurde damit der führende Hersteller von Hilfsturbinen für Luftfahrzeuge. Von der APU zum Turboproptriebwerk Garrett stand in der zweiten Hälfte der Fünfziger Jahre wirtschaftlich gut da und man suchte Möglichkeiten zur Expansion. Da zu dieser Zeit eine zunehmende Nachfrage nach kleineren Gasturbinentriebwerken vorhergesagt wurde, beschäftigte sich Garrett mit diesem Feld. Man hatte auch ein Auge auf das Light Observation Helicopter Program (LOH) der Army. Helmut Schelp stellte eine erste Designstudie für ein Turboproptriebwerk in der Klasse zwischen 200 und 300 PS Nutzleistung an und nannte sein Konzept Model 231. Eine Überarbeitung der Studie führte zu einer Turbine mit 330 PS und Schelp nannte es kurz Model 331. Man versprach sich von einer Neuentwicklung auch Vorteile beim spezifischen Verbrauch zukünftiger APUs. Cliff Garrett war zunächst zögerlich bei der Entscheidung, ein eigenes Triebwerk zu entwickeln, da ein solcher Schritt bedeutete, dass man sich auch als Wettbewerber zu den eigenen Kunden positionieren würde begann man mit der Arbeit an einem Triebwerk in der 400 PS Klasse, das aber Potenzial bis 700 PS haben sollte. Es durfte maximal 100 kg wiegen, einen SFC-Wert von 300 g/psh und ein TBO von h haben. Wegen der angestrebten Robustheit entschied man sich für einen zweistufigen Radialverdichter mit möglichst hoher Druckzahl, einer Reverse-Flow Ringbrennkammer und einer dreistufigen Axialturbine, bei der die Turbinenschaufeln bei ein und demselben Durchmesser direkt aus dem vollen Material als integrierte Schaufeln hergestellt werden sollten. Bei den radialen Verdichterstufen ging man aufgrund der geringeren Herstellkosten von nach hinten gebogenen Radialsegmenten zu geraden Segmenten über. Die Entscheidung für die Axialturbine zugunsten der bislang favorisierten Radialturbine fiel wegen des kostengünstigeren Herstellprozesses, ihrer kompakten Bauweise und nicht zuletzt wegen der Möglichkeit, die im ersten Ansatz gewählte Einwellenauslegung später in eine freilaufende Variante ändern zu können. Die Einwellenauslegung war bedingt durch die Anwendung der Turbine auch als APU. Tatsächlich kam der erste Auftrag von der Army und Garrett baute zwei GTP331 APUs für dieses Programm. Im Jahr 1960 wurde die Gasturbine zum ersten Mal mit dem Untersetzungsgetriebe gekoppelt und erste Dauertests begannen. Im folgenden Jahr ging Garrett auf eine Anfrage der Navy ein, die nach einem Triebwerk für ihr Assault Support Helicopter (ASH) Programm suchten. Garrett bot ein modifiziertes 331 Triebwerk an mit Namen TSE Es handelte sich dabei um die GTP331 APU mit 440 PS Nennleistung und einem modifizierten Getriebe für den Helikoptereinsatz. 5 e-journ Nr. Tt-10

6 Garrett reagierte auch auf die Anfrage der Army, die nach einem passenden Triebwerk für das LOH-Programm suchte. Beim bislang favorisierten Allison Model 250 (T63) waren Probleme aufgetreten. Garrett stellte der Piasecki Aircraft Corporation ein TSE331 zur Verfügung. Beide Helikoptertests, der eine in einem Republic Lark, der andere in einem Piasecki Airjeep waren zwar erfolgreich, es stellte sich aber heraus, dass das TSE331 wegen seiner Einwellenauslegung einen Nachteil beim Hochlaufen der beiden Rotoren hatte. Die Army wählte bekanntlich das Allison T63 Triebwerk für ihr LOH-Programm und der ASH Hubschrauber wurde von der Navy nie produziert. Damit war Garretts Versuch, mit dem Triebwerk im Helikoptermarkt Fuß zu fassen, gescheitert. Garrett orientierte sich daher, ähnlich wie damals Pratt & Whitney, in Richtung eines Turboproptriebwerks für die General Aviation. bes liegen durfte. Letzteres ergab einen besseren Schutz gegen FOD bei nichtasphaltierten Start- und Landebahnen. Die Tatsache, dass eine Seite des Lufteinlasses vom Getriebe gebildet wurde, hatte besondere Vorteile hinsichtlich der Enteisung. Man brachte die Leistung auf 575 PS, indem man das Druckverhältnis des Verdichters und die maximale TIT erhöhte. Die Entscheidung für ein Einwellentriebwerk brachte gewisse Vorteile beim Einsatz als Turboproptriebwerk in einem Flugzeug, der in wesentlich kürzerer Reaktionszeit beim Hochdrehen des Triebwerks beispielsweise bei einem Go-around oder im Fall eines Startabbruchs mit Umkehrschub bestand. Das COIN Flugzeug Es kam gelegen, dass zur selben Zeit, d.h. etwa 1962, die Navy ein Counterinsurgency (COIN) Flugzeug bauen wollte, für das man ein Triebwerk mit ca. 500 PS benötigte, wobei diese Forderung schnell auf 600 PS anstieg. Garrett musste also die Leistung des TSE331 etwas erhöhen und ein Reduktionsgetriebe entwickeln. Es entstand das TPE (militärische Bezeichnung YT76- G-2). Den Lufteinlass positionierte man als Fronteinlass ans vordere Ende, wobei das Reduktionsgetriebe so gebaut war, dass der Lufteinlass unterhalb oder oberhalb des Getrie- Abbildung 4: Erster Testlauf am 31. Juli 1963 (Foto: Garrett) 6 e-journ Nr. Tt-10

7 Das TPE (YT76) wurde am 31. Juli 1963 auf einem externen Propellerteststand zum ersten Mal getestet (siehe Abb. 4). Die Navy entschied sich im COIN-Programm für die North American OV-10A Bronco und bestimmte wenig später im Oktober 1964, dass der Prototyp mit dem Garrett Triebwerk ausgestattet werden sollte. Aufgrund einiger Probleme mit der ersten Version des Triebwerks wurde ein paar Änderungen eingebracht und der Prototyp wurde mit der Version YT76-G-6 ausgestattet, die 665 PS leistete. Abbildung 5: North American OV10A Bronco (Foto: Wikipedia) Bei den Testflügen stellte sich heraus, dass die Entscheidung für die vereinfachten geraden Radialsegmente des Verdichters dazu geführt hatten, dass die Turbine im Betrieb keinen ausreichenden Abstand zur Pumpgrenze hatte. Das Triebwerk wurde erneut überarbeitet und erhielt nach hinten gebogene Radialsegmente des sogenannten B2- Compressor, den man auch mit neuen Leitsegmenten (13 statt früher 8) zwischen den beiden Radialstufen ausstattete. Auch die Turbine wurde neu entworfen. Man ging weg von der kostengünstigen Verwendung desselben Schaufelprofils für alle drei Stufen und verwendete ab sofort auf die jeweilige Turbinenstufe angepasste Profile und änderte ferner auch die Anzahl der Schaufelblätter je Stufe. Der Wirkungsgrad konnte signifikant verbessert werden und das Triebwerk leistete nun 715 Wellen-PS. Die Version erhielt 1966 die militärische Bezeichnung T76-G-10 und war nun der Releasekandidat. Das Triebwerk wurde den üblichen Zulassungstests unterzogen. Teil der Tests waren unter anderem Versuche, bei denen neben Staub, Steinen, Eis und Hagelkörnern und allerlei Teile wie Schrauben, Scheibenwischblätter und Ähnliches in den Einlass geschleudert wurden. Das Triebwerk war äußerst robust und nahm nur geringen Schaden. Mit dem T76 konnte der Preliminary Flight Rating Test (PFRT) und im Jahr 1967 auch der Model Qualification Test (MQT) erfolgreich absolviert werden. Wenig später begann die Serienlieferung. Die erste OV-10A aus der Serienproduktion flog am 6. August, 1967 zum ersten Mal. Bis zum Produktionsende im Jahr 1992 wurden insgesamt TPE331 in OV-10A verbaut und man darf sagen, dass die Entscheidung der Navy Garrett die Tür geöffnet hatte, zum Triebwerkhersteller zu avancieren. Erfolg mit Executive Turboprops Parallel zur Entwicklung des militärischen T76 Triebwerks begann Garrett auch mit der Arbeit an einer kommerziellen Variante, die unter der Bezeichnung Series I bekannt wurden (TPE331-25). Sie war identisch zum YT76-G-2. Bereits vor der offiziellen Zulassung hatte Garrett Kunden für das Triebwerk. Als Erstes wurde es 1963 an Volpar geliefert, einem Spezialisten für Konversionen in Van Nuys. Es wurde in eine Beech C-45 eingebaut und das Flugzeug machte seinen Erstflug im April 7 e-journ Nr. Tt-10

8 Abbildung 6: Schnitt durch das TPE331 (Foto: en.wikipedia.org) 1964 noch vor den ersten militärischen Testflügen. Der erste Flugzeughersteller für das TPE331 wurde dann Mitsubishi, der sich nach nicht zufriedenstellenden Testergebnissen mit dem französischen Turbomeca Astazou (562 PS) für dieses Triebwerk als Antrieb seiner MU-2 entschied. Garrett vereinbarte mit Mitsubishi, die ersten drei Flugzeuge in Los Angeles mit dem TPE331 auszustatten begann man mit den Installationen. Damit hatte Mitsubishi Vorführflugzeuge und Garrett hatte sein Triebwerk im damals schnellsten Turboprop für den Executive-Transport untergebracht. Das TPE331-25A der MU-2B erhielt im November 1965 seine FAA Zulassung. Ein weiterer Flugzeughersteller mit Interesse für das TPE331 war Aero Commander. Aero Commander vermarktete zur dieser Zeit erfolgreich den kolbenmotorgetriebenen Grand Commander, ein zweimotoriges High- Performance Flugzeug mit Druckkabine und zweimal 380 PS Kolbenpower. Ein Deal wurde geschlossen und der Prototyp des Turbo Commander mit dem TPE331 machte am 31.Dezember 1964 seinen Erstflug. Die Verwendung der 575 PS starken TPE (-43 linkslaufend, -25 rechtslaufend) verbesserte die Reisegeschwindigkeit um 12 % und die Steigrate um 55 %. Die Auslieferung des Turbo Commander 680T von Aero Commander (die Firma wurde später durch Rockwell übernommen) startete im Juni Auch das militärischen YT76-G-6 und T76- G-10 Triebwerke erhielten eine FAA- Zulassung. Sie wurden als TPE331-1 (665 PS) und TPE331-2 (715 PS) zugelassen und laufen allgemein unter Century Series. 8 e-journ Nr. Tt-10

9 Das TPE331-2 war genau das Triebwerk, das Ed Swearingen von Swearingen Aircraft für seinen achtsitzigen Merlin II suchte. Das Flugzeug war bereits mit dem 550 PS PT6A als Merlin IIA zugelassen. Swearingen war wie immer auf der Suche nach mehr Speed und das Garrett Triebwerk konnte ihn wegen der Konstruktion mit vorderem Einlass und hinterem Auslass und daher geringerem aerodynamischen Widerstand mehr überzeugen. Er setzte es in sein kleines Geschäftsflugzeug und konstruierte so den Merlin IIB. Am Ende (1968) hatte er, was er wollte, nämlich einen echten 300 mph Renner. Das TPE331 war somit zum direkten PT6- Konkurrenten geworden und das Pro und Kontra wurde zu dieser Zeit immer wieder diskutiert. Auf der Pro Seite standen beim TPE331 die bessere Performance, der bessere SFC-Wert und der Vorteil der straight-in Auslegung mit vorderem Einlass und hinterem Auslass und somit guter Restschubverwertung. Hinzu kam die Robustheit durch den Radialverdichter und die schnelle Reaktion beim Schubwechsel. Für das PT6- Triebwerk sprach im wesentlichen die Auslegung als freilaufendes Zweiwellentriebwerk, was es drehzahlseitig flexibler machte. Ein Nachteil für Garrett gegenüber Pratt & Whitney war, dass man mit dem TPE331 später herauskam und Pratt & Whitney bereits einen soliden Kundenstamm, guten Service und somit einen guten Ruf aufgebaut hatte. Ein zweiter Nachteil lag in Garretts Image, man betrachtete die Firma vielfach eher als Lieferant von APUs statt als Triebwerkhersteller. Ein Grund lag möglicherweise auch in der sehr erfolgreichen Paarung Beech KingAir und Pratt & Whitney begründet. Es wurde zwar 1976 die KingAir B100 auch mit Garrett Turbinen eingeführt, das Gros der Kunden ent- Abbildung 7: von oben nach unten: Aero Commander Turbo Commander 680T, Mitsubishi MU- 2B, Swearingen Merlin, Beech KingAir B100 (Collage: KLSP, verschiedene Quellen im Internet) 9 e-journ Nr. Tt-10

10 schied sich aber für die PT6A angetriebenen Varianten. Das Commutergeschäft 1968 begann Ed Swearingen mit dem Entwurf eines 19/20-sitzigen Regionalflugzeugs, dem Modell SA-226TC (später Metro I und II). Hierfür benötigte er ein Triebwerk mit mehr Leistung und Garrett entwickelte daraufhin die 840er Serie (840 PS), die unter der Bezeichnung TPE331-3, -5, -6 eingeführt wurden mit 840, 776 und 715 PS. Hierzu wollte man zunächst die TIT erhöhen, doch Bob Bullock, ein Mitarbeiter, der vom NACA Lewis Research Center kam, schlug vor, den Luftmassenstrom zu vergrößern, indem man ein neues high-flow-verfahren anwandte. Das Verfahren erhöhte sowohl den Luftmassendurchsatz als auch die Druckzahl. Das 3 wurde im März 1969 zugelassen und leistete 840 PS. Das Triebwerk hatte genau die passende Charakteristik und Ed Swearingen nutzte es im Metroliner. Damit wurde Garretts TPE331 zum ersten Mal bei einem Regionalflugzeug eingesetzt. Das 3 wurde auch im kleineren Merlin III und IIIa eingesetzt und auch im Century Aviation Jetstream (Handley Page C10A), ähnlich wie der Metroliner ein Regionalflugzeug für maximal 12 Passagiere. Für den Jetstream war ursprünglich das Turbomecas Astazou XIV vorgesehen. Dieses Triebwerk verursachte allerdings Probleme, die sich auch finanziell auswirken und das Unternehmen ging 1970 in Konkurs. Das Flugzeug war allerdings so interessant, dass die Rechte von Scottish Aviation aufgekauft wurden. Scottish Aviation wurde 1978 durch British Aerospace übernommen und das Flugzeug wurde erst danach in höheren Stückzahlen produziert, als Jetstream 31, einem 19/20-sitzigen Commuter, als Jetstream 32 für 14 Passagiere mit mehr Raum fürs Gepäck und als Jetstream 41 mit maximal 29 Passagierplätzen. Alle Jetstream- Flugzeuge verwendeten als Antrieb verschiedene Varianten des TPE331. Die Varianten 5 (776 PS) wurde außerdem im Rockwell Turbo Commander 690, CASA C , Mitsubishi 2N und in der Dornier Do 228 verwendet, die noch leistungsschwächere Variante 6 (715 PS) wurde bei Mitsubishi MU-2S/K/L/M und in der Beech KingAir B100 verbaut. Mit der 840er Serie gab es allerdings Probleme. Das Triebwerk war bis an seine Grenzen ausgelastet und es stellten sich bald Verschleißprobleme ein, d.h. die Leistungswerte nahmen beim Betrieb im Laufe der Zeit merklich ab. Dies führte 1980 sogar zu einer Untersuchung durch die FAA bei den Metro Flugzeugen. Garrett bot an, Upgrades zur Verfügung zu stellen. Man hatte zwischenzeitlich auf Anforderung des Militärs das T76 auf PS gepuscht. Es erhielt die militärische Bezeichnung T76- G-420 und wurde im verbesserten COIN- Flugzeug OV-10D installiert. Die 45 %-ige Leistungssteigerung hatte man durch Steigerung der Turbineneinlasstemperatur erreicht. Die erste Turbinenstufe war Abbildung 8: Cessna 441 Conquest II mit TPE331-8 Triebwerken (Foto:Wikipedia) 10 e-journ Nr. Tt-10

11 Abbildung 9: Regionalflugzeuge mit Garrett TPE331 (Collage: KLSP, verschiedene Quellen im Internet) nun bei Statoren und Schaufeln mit Luftkühlung ausgeführt und die Brennkammer war verkürzt worden. Ansonsten blieb das Triebwerk insbesondere in der Größe nahezu unverändert. Die militärische Variante führte zur Zulassung der kommerziellen Varianten 8/-9 und 10/-11. Die ersten beiden wurden 1976 zugelassen. Das 8 leistete 865 PS (flat-rated) und wurde Cessnas Antrieb in der Conquest 441, einem weiteren Executive Flugzeug. Die reduzierte Leistung gegenüber dem 10 rührte von der geringeren maximalen TIT her. Das 8 arbeitete äußerst verbrauchseffizient und reduzierte den Treibstoffverbrauch beispielsweise in FL300 bei 300 KTAS um 12,5 Prozent. Das TPE war die direkte Übersetzung der militärischen T76-G-420 Variante für den kommerziellen Markt. Es wurde 1978 zugelassen und leistete dort maximal PS. Die 1979 ergänzte Version 11 hatte ein erhöhtes Leistungslimit beim Getriebe und konnte am Propeller maximal PS abgeben. Etwas später wurde die Version -12 entwickelt, bei dem man die im Maßstab verkleinerte Turbine des 14 verwendete. Diese 11 e-journ Nr. Tt-10

12 letzte Version der kleinen TPE331 leistete maximal PS und wurde 1985 im Shorts Tucano Trainer der Royal Air Force, und in Abbildung 10: Shorts Tucano mit TPE331-12B (1.070 PS) (Foto: Wikipedia) Untervarianten in der CASA C-212, im Super Jetstream 31 und im Fairchild Metro eingesetzt waren insgesamt mehr als dreißig verschiedene Unterversionen des 10/-11/-12 bei einer Vielfalt von Flugzeugen im Einsatz darunter Gulfstream Commander 980 und 1000, CASA C , Bae Jetstream (Super) 31, Mitsubishi Solitaire und Marquise, Fairchild Merlin IIIB und IIIC und Metro II, III und IV die Entwicklung der großen 14/-15 Versionen bei der man eine vollkommene Überarbeitung vornahm inklusive Änderung des Getriebes, denn auch hier waren die Grenzen erreicht. Die Zielvorgabe lag bei PS thermodynamischer Power. Um dies zu erreichen, wurde das Triebwerk um 20 % vergrößert. Nebenbei änderte man auch die Struktur in eine wirklich modulare Aufteilung zur Erleichterung der Wartungsarbeiten für die Regionalbetreiber. Das 14 Triebwerk lief 1981 zum ersten Mal, wurde ausgiebig getestet und 1984 mit einer Leistung von Wellen-PS zertifiziert. Das Triebwerk verlor leider gegen das GE C7 im Wettbewerb um die Ausstattung der Saab 340A, einem 35-sitzigen Commuter, da es zu schwach war. Man suchte bei Garrett eine alternative Anwendung. Piper nahm ein günstiges Angebot an und man nutzte es dort für den achtsitzigen Executive Renner Piper Cheyenne 400 LS. Die Triebwerke erhielten dabei ein Flat-Rating auf PS, die riesige Rotol-Vierblattpropeller von Dowty antrieben. Die große TPE331 Bis zur Version 12 hatte man alle Leistungssteigerungen des TPE331 bei unveränderten Außenmaßen (66 cm im Durchmesser und 117 cm in der Länge) und nur geringfügig verändertem Gewicht zwischen 160 bis 180 kg durchgeführt. Die Leistung des Triebwerks wurde dabei von anfänglich 575 PS auf PS nahezu verdoppelt. Die kommenden Anforderungen der regionalen Fluggesellschaften nach noch mehr Leistung waren mit der kleinen TPE331 nicht mehr zu erreichen und so beschloss man Abbildung 11: Piper Cheyenne 400 LS mit TPE (Foto: Controller.com) Das Flugzeug erreichte damit eine erstaunliche Maximalgeschwindigkeit von knapp 360 KTAS und positionierte sich auch mit der maximalen Flughöhe von FL410 in der Jet- 12 e-journ Nr. Tt-10

13 klasse. (Interessante weitere Details hierzu liest man z.b. auf Mullers Website: Das 15 Triebwerk wurde 1988 zugelassen Abbildung 12: Grumman S2T Turbo Tracker mit TPE331-15AW (Foto: Wikipedia) leistete PS und diente zum Antrieb des Northrop Grumman S-2T Turbo Tracker, der beispielsweise bei der argentinischen Navy eingesetzt wurde. Das 14 wurde weiter überarbeitet und als 14GR/HR mit einer Maximalleistung von Wellen-PS bei thermodynamischen PS und einem Power Reserve Rating von PS im Jahr 1989 zertifiziert. Erreicht wurde die höhere Leistung durch eine höhere Drehzahl und höhere maximale TIT bei verbesserten Materialien in der Turbinensektion. Das Triebwerk stellte sich als sehr erfolgreich heraus. Es diente als Antrieb des BAe Jetstream 41 (Zulassung 1992), einer vergrößerten Version des Jetstream 31 für 29 Passagiere. Auch die russische Antonov An- 38 (Zulassung 1994), ein regionales Commuter- und Transport-Flugzeug für maximal 27 Passagiere, nutzte eine GR Variante dieses Triebwerks mit maximal PS. Die Helicopter-Pirouette Dass man bei Garrett anfänglich ein paar Anläufe in puncto Nutzung des TPE331 als Turboshafttriebwerk im Helikopter gemacht hatte, wurde schon erzählt. Aber es gibt hier noch mehr zu berichten. Man hatte nämlich 1968 ein leichtes Helikoptertriebwerk zum Antrieb des Enstrom T-28 entwickelt, das auf der kleinen GTCP36-4 APU basierte, das TSE36-1. Es leistete 240 PS und wog gerade einmal 80 kg und wurde 1970 FAA-zugelassen. Der Enstrom T-28, eine Turbinenversion des Enstrom F-28 wurde nie gebaut, da Enstrom 1970 sein Business beenden musste. Das TSE36-1 verschwand in der Schublade. Ein weitere Helikopteraktivität ist noch interessanter, da sie direkt mit dem TPE331 zusammen hängt. Gates Learjet Corporation plante nämlich zur selben Zeit, einen Executive Helikopter mit Namen Lear Twinjet auf Abbildung 13: Lear Twinjet Helikopter 1970 (mockup) (Quelle: Flightglobal Magazine 1970) den Markt zu bringen, für den man ein starkes Triebwerk suchte, weil das Allison Model 250 als Option zu dieser Zeit zu schwach war. Garrett kam mit dem Management von Gates überein, hierfür ein modifiziertes 331- Triebwerk zu entwickeln. Das Resultat war ein neuer Turbinenentwurf bei Garrett, das TSE Das Triebwerk wich von allen bisherigen Entwürfen ab, denn es war ein Zweiwellentriebwerk mit freilaufender Nutzturbine. Man verwendete den zweistufigen Radialverdichter des TPE331 und eine einstufige Axialturbine im Gasgeneratorteil. Als Nutzturbine kam eine freilaufende, einstufige Axialturbine zum Einsatz, die ihre Leistung von 474 PS an einer Turbos- 13 e-journ Nr. Tt-10

14 haft-abtriebswelle abgab. Das Triebwerk war in seinen Maßen und der Anordnung der Abtriebswelle so ausgelegt, dass man es direkt im Austausch gegen die Allisonturbine montieren konnte. Ein viel versprechender Testflug in einem Bell JetRanger erfolgte im Dezember Lear geriet leider wenig später in finanzielle Probleme und musste sich auf den Learjet 35 konzentrieren, der Lear Twinjet Helikopter wurde deshalb gestrichen. Garrett fuhr eine Zeit lang mit der Entwicklung des TSE231-1 fort und versuchte es, der Bell Helicopter Company und auch der US Army zu verkaufen, beides ohne Erfolg. Es sollte bis 1988 dauern, bis Garrett zusammen mit Allison im LHTEC Joint Venture einen Auftrag für ein Helikoptertriebwerk erhalten sollte. TPE331 in Zahlen Bis Ende 1996 wurden insgesamt TPE331 ausgeliefert. Die Triebwerke wurden zu 69 % in Executive Flugzeuge, zu 20 % in Regionalverkehrsflugzeuge und zu 9 % in militärische Flugzeuge eingebaut. Dabei handelte es sich um etwa 70 verschiedene Flugzeugtypen, viele davon Varianten der Grundtypen. Geht man nach 1996 wegen des Umschwungs auf Turbofantechnik von stark rückläufigen Verkaufszahlen aus, lassen sich aktuell etwa verkaufte TPE331- Triebwerke abschätzen. Damit ist das TPE331 nicht ganz so erfolgreich wie die PT6A Triebwerksreihe, man muss es aber zweifelsohne in der selben Liga einordnen. Warum das TPE331 nicht ganz so erfolgreich wie das PT6A war, hatte sicherlich mehrere Gründe, einer davon liegt möglicherweise in der etwas geringeren Zuverlässigkeit begründet. Problemzonen des TPE331 Wie alle Triebwerke, so hatte auch das TPE331 seine Problemzonen. Garrett hatte aufgrund von schlechten Erfahrungen bei seinen APUs den Drehzahlschalter für den Start innerhalb der Getriebebox eingebaut. Bei Problemen mit dem Schalter mussten die Mechaniker die Getriebebox öffnen. Später wurde der Schalter als elektronisches Steuergerät außerhalb montiert. Ein frühes Problem in der Entwicklung war das Verlöschen der Flamme in der Brennkammer bei magerem Gemisch. Es lag an den eingesetzten axialen Simplexdüsen. Es wurden fünf Radialdüsen ergänzt, womit das Problem gelöst war. Als weiteres Problem stellte sich das Kugellager zwischen erster Radialstufe und der Getriebebox heraus, dass bei den hohen Drehzahlen von etwa U/min keine ausreichende Dauerfestigkeit aufwies. Auch beim Drehmomentsensor waren Zuverlässigkeitsprobleme zu verzeichnen. Zur Abhilfe wurden höhere Toleranzwerte der Einbauteile vorgeschrieben. Aufgrund der Auslegung als Einwellentriebwerk mussten Treibstoffzufuhr, Gasgenerator-Governor (Drehzahl) und Propellerregler (Pitch) sehr präzise synchronisiert werden, um Verdichterpumpen zu verhindern. Dies stellte anfänglich eine große Herausforderung für den Lieferanten Woodward dar. Nur durch den Einsatz einer sehr komplexen hydromechanischen Regelung mittels 2D- und 3D- Wellenführungen waren die auftretenden Probleme in den Griff zu bekommen. Beim TPE331 wurde im Laufe der Zeit von der FAA eine relativ hohe Anzahl an Airworthiness Directives (AD) erlassen. Sie wurden unter anderem auch durch Garrett selbst initiiert, um die erkannten Probleme zu beseitigen, 14 e-journ Nr. Tt-10

15 darunter Probleme im Turbinenbereich, durch Vibrationen, bei Lagern und im Getriebe durch Verschleiß oder nicht ausreichende Schmierung. Wir wollen hier nicht auf Einzelheiten eingehen. Ein weiteres Problem betraf Garretts Wartungspolitik, bei der man anfänglich die Wartungsarbeiten durch externe Wartungsarbeiten nicht zulassen wollte. Dies stieß auf den Unmut der regionalen Betreibergesellschaften, die eine schnelle Abwicklung vor Ort forderten. Etwa ab 1980 begann Garrett zusätzlich Service Center aufzubauen und zu qualifizieren. Im Rahmen der kontinuierlichen Produktpflege ließen sich die Probleme lösen und das Triebwerk gewann an Zuverlässigkeit und Wartbarkeit. Interessanterweise ist das TPE331 das Triebwerk mit der höchsten TBO- Werten im Vergleich zu PT6 und Allison 250. Sie reichen von h z.b. beim 5 bis zu h beim 14GR/HR, sofern man einen entsprechenden Wartungsvertrag abschließt. Im Vergleich zum PT6A hat das TPE331 jedoch eine schlechtere Statistik, was die In- Flight Shut Down (IFSD) Rate angeht. Sie lag 1996 bei einem Shutdown pro Stunden bei einer akkumulierten Gesamtflugzeit von 66 Millionen Betriebsstunden. Fazit Bei Turbproptriebwerken in der Klasse zwischen 500 und PS Wellenleistung hat sich neben der marktführenden PT6A Serie von Pratt & Whitney die TPE331 Serie von Garrett am Markt durchgesetzt. Interessant ist, dass beide Serien, diktiert durch die Anforderungen des Marktes, sowohl eine kleine wie auch eine große Variante umgesetzt haben. Ansonsten könnten die Triebwerke unterschiedlicher nicht sein. Auf der einen Seite ein Zweiwellentriebwerk mit zweimaliger 180 Grad Umlenkung der Luftströmung, nahezu vollständig axialer Auslegung, Particle Separator und vorderem Hirschgeweih als Auslass, auf der anderen Seite ein straight-in Triebwerk in Einwellenauslegung mit rustikalem Radialverdichter, Axialturbine und klassischem Auslass am hinteren Ende des Triebwerks. Besonders interessant beim TPE331 scheint mir sein besserer Wirkungsgrad, herrührend von der besseren Druckzahl von 11,2 und einem SFC von 235 g/psh. Hierbei ist das PT6A mit einem SFC-Bestwert von 245 g/psh um 4,2 % schlechter, d.h. mit dem TPE331 kann man theoretisch bei gleicher Treibstoffmenge ein Stück weiter fliegen. Auf der anderen Seite hat das PT6A-Triebwerk den besseren Ruf und die bessere Statistik. Unstrittig ist, dass beide Triebwerke, eingebaut in die aufkommenden Turboprops der General Aviation, ab den Sechziger Jahren im Vergleich zu den damaligen Kolbenflugzeugen zu ganz neuer Performance verholfen haben, war man damit doch auf einmal mit ganz anderen Airspeeds und in anderen Flight Level unterwegs, teilweise sogar bis hin zu Jetdimensionen. Interessant ist das Garrett TPE331 auch wegen seines Bezugs zu diesem Magazin, denn Heiko Teegen hatte seinerzeit eine MU-2B als Redaktionsflugzeug erworben und dort waren zwei dieser Garrett-Ungetüme (genauer 2 Garrett TPE331-5 mit je 776 PS) eingebaut. Vielleicht machen Sie es wie ich und lesen in dem Zusammenhang noch einmal die alten Berichte von Heiko Teegen aus dem Jahr Klaus.Schulte@klspublishing.de (Juni 2009) 15 e-journ Nr. Tt-10

16 Abbildung 14: Daten des Honeywell TPE (Quelle: Honeywell) 16 e-journ Nr. Tt-10

17 Garrett TPE 331 Turbine Abbildung 15: TPE331 und PT6A Serien im Zahlenvergleich (Quelle: KLSP) 17 e-journ Nr. Tt-10

18 Quellen: 1. Leyes, Fleming, The History of North American Small Gas Turbine Engines, AIAA, ISBN Treager, Aircraft Gas Turbine Engine Technology, Glencoe McGraw-Hill, ISBN Honeywell (Garrett) in Phoenix, USA 4. Diverse Foto- und Daten-Quellen im Internet. 18 e-journ Nr. Tt-10

19 K.L.S. Publishing Was ist ein e-journ? Ein e-journ ist ähnlich wie ein e-book eine elektronische Publikation, nur dass es sich dabei wegen der geringeren Größe (minimal 2, maximal 30 Seiten) nicht um vollständige Bücher handelt, sondern um einzelne Bausteine ähnlich einem Kapitel in einem Buch oder einem journalistischen Beitrag in einer Zeitschrift. K.L.S. Publishing e-journs sind allesamt als Fachartikel für Luftfahrtmagazine oder als abgeschlossene Kapitel für Luftfahrtbücher entstanden. K.L.S. Publishing bietet e-journs als Einzelwerke zum Kauf an. So hat jeder Leser die Möglichkeit, einzelne Bausteine oder einzelne Artikel jeweils frei nach Interesse selbst zusammenzustellen. Hiermit kann der Leser flexibel eine eigene Wissensbibliothek aufbauen. Die Preise der E-Journs werden auf der Basis eines geringen Seitenpreises errechnet und sind damit kostengünstig im Vergleich zu Büchern. K.L.S. Publishing, Köln 1