Spitzentechnologie made by MTU

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1 Spitzentechnologie made by MTU

2 Das Unternehmen Nummer eins in Deutschland Die MTU Aero Engines ist Deutschlands führender Triebwerkshersteller und eine feste Größe weltweit. Das Traditionsunternehmen, dessen Wurzeln bis zu den Anfängen der Fliegerei zurückreichen, entwickelt, fertigt, vertreibt und betreut zivile und militärische Luftfahrtantriebe sowie stationäre Industriegasturbinen. Halfen Vorgängergesellschaften zu Beginn des 20. Jahrhunderts den ersten Motorflugzeugen in die Luft, ist das Unternehmen heute in wesentlichen Triebwerksbereichen technologisch führend. Mit ihrem breiten und ausgewogenen Produktportfolio ist die MTU in allen Schubund Leistungsklassen sowie in allen wesentlichen Komponenten und Subsystemen eines Triebwerks vertreten. Als Technologieführer treibt das Unternehmen weltweit die Entwicklung innovativer Herstellund Reparaturverfahren voran und gibt in nationalen und internationalen Technologieprogrammen immer wieder wertvolle Impulse. Zur Spitzenklasse gehören Niederdruckturbinen, Hochdruckverdichter und Triebwerksregelungen made by MTU. Eine Kernkompetenz des Unternehmens ist die Instandhaltung ziviler Triebwerke; hier ist die MTU weltweit der größte unabhängige Dienstleister. Im militärischen Bereich ist sie der Systempartner für fast alle Luftfahrtantriebe der Bundeswehr. In den europäischen Triebwerksprogrammen darunter das TP400-D6 des A400M, das EJ200 des Eurofighters und das MTR390 für den Tiger-Hubschrauber ist sie der deutsche Hauptpartner. Vom Münchner Unternehmenssitz aus werden die weltweiten Tochtergesellschaften sowie der Großteil der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten gesteuert. Als renommierter Partner kooperiert die MTU mit allen großen Triebwerksherstellern. Gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft, Forschung und Lehre arbeitet die MTU seit Jahren daran, Luftfahrtantriebe noch leiser, sparsamer und schadstoffärmer zu machen. Das Antriebskonzept der Zukunft ist der Getriebefan. Er zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad und eine geringe Geräuschentwicklung aus. Realisiert wird er zusammen mit dem Partner Pratt & Whitney. 2

3 Auf der Getriebefan-Technologie aufbauend hat Deutschlands führender Triebwerkshersteller das Zukunftsprogramm Clean Air Engine, kurz: Claire, entwickelt. In drei Stufen soll der Kerosinverbrauch und damit der Kohlenstoffdioxidausstoß bis zum Jahr 2035 um 30 Prozent reduziert werden. Der Claire-Antrieb hat weitere Vorzüge: Die benötigten Schlüsseltechnologien sind bereits vorhanden bzw. ihre Machbarkeit wurde bewiesen und: Neben den CO 2 -Werten sinkt auch der Lärmpegel. Mit Claire ist es der MTU gelungen, eine Antwort auf die Herausforderungen der Zukunft zu finden: Die Flugzeughersteller kümmern sich um sparsamere, sauberere und leisere Maschinen und die MTU liefert die passenden Antriebe dafür. 3

4 Spitzentechnologie made by MTU Auch Boeings Großraumflugzeug der nächsten Generation der 787 Dreamliner hebt mit MTU-Technologie ab. Innovation Motor unseres Unternehmens und einer der fünf strategischen Pfeiler der MTU. Mit über 100 Patentanmeldungen jährlich sichert das Unternehmen seine technologische Spitzenposition in den Kernkompetenzen Niederdruckturbine, Hochdruckverdichter, Regler-Monitoring-Diagnose sowie Hightech- Fertigung und -Instandhaltung. Das Technologie-Portfolio umfasst etwa 100 Projekte, die konsequent auf die Unternehmensziele fokussiert sind und nach den strengen Regeln der Produktentwicklung bearbeitet werden. Die starke Vernetzung mit industriellen Partnern, Hochschulen und Instituten ist eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung neuer Technologien. Das Triebwerk von morgen verlangt nach innovativen Ideen. Wachsende Mobilitätsansprüche von Milliarden Menschen, limitierte Rohstoffe und die sich verschärfende Umweltproblematik fordern neue Lösungen, die über bestehende Konzepte hinausreichen. Die aktuellen Prognosen gehen von einem jährlichen Wachstum des Flugverkehrs von vier bis fünf Prozent pro Jahr aus. Das heißt: Innerhalb von 15 Jahren wird sich der Flugverkehr nahezu verdoppeln. Dementsprechend steigen die Anforderungen. Flugzeuge müssen sparsamer, sauberer und leiser werden. Im Jahr 2002 hat die Industrie im Rat für Luftund Raumfahrtforschung in Europa, ACARE (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe), ihre Strategic Research Agenda veröffentlicht: Bis zum Jahr 2020 sollen Flugzeuge 50 Prozent weniger Kraftstoff verbrauchen, 50 Prozent weniger Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und 80 Prozent weniger Stickoxid (NO x ) ausstoßen sowie den subjektiv empfundenen Lärmpegel halbieren. Die Triebwerke der nächsten Generation müssen dazu einen erheblichen Beitrag leisten (CO 2-20 Prozent, NO x -60 bis 80 Prozent, Lärm -10 ENPdB). Neben diesen Umweltzielen formulierte der Rat auch konkrete Vorstellungen zu Qualität, Kosten, Sicherheit und Systemeffizienz. Für die ambitionierten Ziele von morgen hat die MTU bereits heute Ideen parat: In der Technologie-Initiative Claire kombiniert das Unternehmen bereits bestehende bzw. als machbar nachgewiesene Schlüsseltechnologien zu einem Antrieb, der bis zum Jahr Prozent weniger Kraftstoff verbraucht, eine entsprechend niedrigere CO 2 -Emission hat und zudem den subjektiv empfundenen Lärm halbiert. Im Mittelpunkt des Konzepts steht die Technologie des Getriebefans, der weiter optimiert wird. 15, 20, 30 Prozent weniger Kohlenstoffdioxid das sind die Claire-Etappenziele. Diesen Fahrplan haben MTU-Experten zusammen mit den Zukunftsforschern des Bauhaus Luftfahrt erarbeitet. Allein der Einsatz eines Getriebefans (GTF) ermöglicht eine Reduzierung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen um bis zu 15 Prozent. Die weiteren Etappenziele werden durch die Integration eines gegenläufigen Fans und den Einsatz eines Wärmetauschers angestrebt. Mit Claire wird die MTU einmal mehr ihrem Ruf als Technologieführer gerecht: Anstatt Visionen liefert das Unternehmen konkrete Projekte, die auf Schlüsseltechnologien basieren, die schon längst auf den Weg gebracht wurden. Das Triebwerk PurePower PW1000G ist weltweit Benchmark bei Kraftstoffverbrauch, CO 2 - und Lärmreduzierung. 4

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6 Zivile Antriebe der Zukunft Leitkonzepte beschreiben die Triebwerke zukünftiger Generationen. In einem Leitkonzept wird eine mögliche Triebwerksarchitektur für einen Antrieb einer bestimmten Anwendungsklasse skizziert, der die zukünftigen Herausforderungen des Marktes erfüllen soll. Leitkonzepte geben die grundsätzliche Marschrichtung für die Technologieentwicklung vor. Die MTU entwickelt Leitkonzepte für alle Anwendungen, die zum strategischen Produktportfolio gehören. Im zivilen Markt sind dies Triebwerkskonzepte für Business-Jets, Regional-, Kurz- und Mittelstrecken-Jets sowie Langstreckenflugzeuge. Advanced Turbofan Der Turbofan ist heute in praktisch allen Flugzeugen mit Strahlantrieb zu finden. Die ehrgeizigen Emissionsziele wie zum Beispiel von ACARE 2020 können mit diesem Konzept aber nur begrenzt realisiert werden. Deutlich weniger Verbrauch und Lärm wird am effektivsten durch ein hohes Nebenstromverhältnis erreicht. Weiterentwicklungen des Turbofans zielen auf höhere Nebenstromverhältnisse von etwas über zehn und optimierte Komponenten mit besserem Wirkungsgrad und geringerem Gewicht. Getriebefan Der Antrieb der Zukunft heißt Getriebefan. Die MTU arbeitet gemeinsam mit Pratt & Whitney an Demonstrator- und Entwicklungsprogrammen für diese neue Generation von Triebwerken. Im Gegensatz zum konventionellen Turbofan, bei dem der Fan und die Niederdruckturbine auf einer Welle mit gleicher Drehzahl laufen, sind beim Getriebefan beide Komponenten über ein Getriebe voneinander entkoppelt. Damit können der große Fan langsamer und die Niederdruckturbine schneller betrieben werden, was den Komponentenwirkungsgrad verbessert, den Geräuschpegel senkt und bis zu 50 Prozent weniger Stufen in der Turbine ermöglicht. Nebenstromverhältnisse von 12 und höher sind erreichbar mit beträchtlichen Vorteilen beim Kraftstoffverbrauch. Der Weg für die Markteinführung ist frei: Nachdem bereits Mitsubishi, Bombardier und Irkut den Getriebefan als Antrieb für ihre geplanten Regional- beziehungsweise Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge gewählt haben, hat sich Ende 2010 auch Airbus mit der A320neo für den GTF als eine von zwei Antriebsoptionen entschieden. 6

7 Zukünftige Entwicklungen Eine weitere Steigerung des Vortriebswirkungsgrades verlangt ein noch größeres Nebenstromverhältnis. Die nächsten Schritte auf dem Weg dahin sind vorrangig die Weiterentwicklung des GTF zum GTF der zweiten Generation. Daneben werden auch Alternativen untersucht, wie beispielsweise ein gegenläufiger, ummantelter Propfan, auch Crisp (Counter rotating integrated shrouded propfan) genannt. Bei dieser Weiterentwicklung des Getriebefans sind zwei Fan-Rotoren hintereinander angeordnet, die in entgegengesetzter Richtung rotieren, wobei die Ummantelung die Lärmausbreitung verhindern soll. Bereits Mitte der 1980er-Jahre wurden die technischen Grundlagen für dieses Konzept gelegt und die prinzipielle Machbarkeit nachgewiesen. Aufgrund der damals niedrigen Kraftstoffpreise wurde es allerdings nicht zur Serienreife gebracht. Wärmetauscher-Triebwerk Beim Streben nach höheren Wirkungsgraden werden auch fortschrittliche Kreisprozesse untersucht. Der Wärmetauscher-Propfan ist neben anderen ein vielversprechendes Konzept, mit dem der thermische Wirkungsgrad des Triebwerks weiter optimiert werden kann. Mit ihm sollen die Kohlenstoffdioxid-Emissio- Um den Wirkungsgrad eines Triebwerks optimal zu gestalten, sind Wärmetauscher ein probates Mittel. nen um 30 Prozent sinken. Auch dieses Konzept basiert auf dem Getriebefan mit einer schnelllaufenden Niederdruckwelle. Zusätzlich ist das Wärmetauscher-Triebwerk mit einer Zwischenkühlung zwischen den Verdichtern und einem Wärmetauscher im Abgasstrahl ausgestattet. Durch die Zwischenkühlung und die Ausnutzung der Energie des Abgasstrahls wird der thermische Wirkungsgrad des Triebwerks deutlich verbessert. Da Zwischenkühler und Abgaswärmetauscher zusätzliches Gewicht und Kosten bedeuten, stellt die Integration dieser Komponenten eine neue technologische Herausforderung dar. Das Reduktionsgetriebe des Getriebefans sorgt für eine Entkoppelung der Drehzahlen zwischen Niederdruckturbine und Fan. Der gegenläufige Fan ist eine mögliche Weiterentwicklung des Getriebfans. 7

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9 Militärische Antriebe der Zukunft Im Produktportfolio der MTU gibt es im militärischen Bereich unterschiedliche Anwendungen, die das Spektrum der Leitkonzepte bestimmen. Sie reichen von klassischen Turbofans mit niedrigem Nebenstromverhältnis für Kampfflugzeuge, die aktuell auf die Besonderheiten von unbemannten Anwendungen zugeschnitten werden, bis zu fortschrittlichen Wellenleistungstriebwerken für Turboprop-Flugzeuge und Helikopter. Antriebe für UAV Antriebe für unbemannte Flugsysteme (Unmanned Aerial Vehicle, kurz: UAV) bestimmen innerhalb der EU derzeit die militärische Technologie-Entwicklung. Die Triebwerke müssen im Hinblick auf große Reichweiten mit wenig Brennstoff im Reiseflug auskommen; gleichzeitig ist hoher Schub in Bodennähe gefordert. Für eine kompakte Bauweise sind innovative Lösungen notwendig, denn zur Unterdrückung der Radar- und Infrarot-Signatur muss das Triebwerk vollständig in die Flugzeugzelle integriert werden. Außerdem werden bei unbemannten Flugzeugen besonders hohe Ansprüche an die Triebwerksregelung und Betriebssicherheit gestellt. Variable Cycle Engine Das System eines Kampfflugzeugs ist auf maximale Leistung in Extremsituationen ausgelegt. Im Reiseflug wäre ein kleineres Triebwerk völlig ausreichend. Das Konzept der Variable Cycle Engine versucht mit Hilfe aktiver Systeme das Triebwerk individuell auf verschiedene Betriebszustände einzustellen. Zu den notwendigen Entwicklungen zählen variable Komponenten (Nebenstromkanal, Fan oder Düse) oder verstellbare Bauteile (Leitschaufeln). Die techno- logische Herausforderung besteht darin, diese Systeme mechanisch und elektronisch zuverlässig in ein Triebwerk zu integrieren. Antriebe für Helikopter Für Helikopter-Antriebe gelten die gleichen Spielregeln wie für Turbofans gefordert werden mehr Leistung, weniger Gewicht sowie geringerer Kraftstoffverbrauch. Ähnlich dem Getriebefan verfügen die Wellentriebwerke über eine schnelllaufende Niederdruckturbine. Die Übertragung von Technologien großer ziviler und militärischer Triebwerke geschieht unter besonderen Rahmenbedingungen. Helikopter-Antriebe müssen äußerst kompakt gebaut sein, was sehr hohe Drehzahlen bedingt und zu enormen mechanischen Belastungen führt. Antriebe für Hochleistungspropeller Hochleistungspropeller-Triebwerke werden typischerweise für große Transportflugzeuge wie zum Beispiel den Airbus A400M verwendet. Ein Propeller-Triebwerk zeichnet sich gegenüber dem Turbofan durch einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch aus und bietet Vorteile bei extremen Flugmanövern, wie sie bei militärischen Anwendungen üblich sind. Die Triebwerksarchitektur ist grundsätzlich mit einem Helikopter-Antrieb vergleichbar, die Leistungsanforderung ist jedoch deutlich höher. Der Propeller wird in der Regel durch eine separate Power-Turbine angetrieben, die dafür erforderliche Leistung kommt von einem Gasgenerator. Das GE38 des schweren Transporthubschraubers CH53-K wäre auch bestens für einen europäischen Hubschrauber geeignet. 9

10 Technologiefelder Der Name MTU Aero Engines steht für feinste militärische und zivile Triebwerkstechnologie und Qualität auf höchstem Niveau. In der Branche hat sich das Unternehmen in wesentlichen Bereichen als Technologieführer etabliert und das soll auch so bleiben. Erklärtes Ziel ist es, die Technologieführerschaft zu behalten und weiter auszubauen. Hochdruckverdichter und Niederdruckturbinen made by MTU gehören zu den fortschrittlichsten ihrer Klasse. Darüber hinaus umfasst das Produktspektrum das Gesamtsystem Regelung und Überwachung. Hier verfügt die MTU über langjährige Erfahrung im militärischen Umfeld. Diese drei Technologiefelder für die Produktentwicklung werden von denen für die Fertigung und Instandhaltung komplettiert. Ziel ist es, die technische, operative und logistische Wettbewerbsfähigkeit der Fertigungsund Instandhaltungsbereiche zu erhalten. Das Technologie-Portfolio der MTU umfasst etwa 100 Projekte. Verdichter Die Produktstrategie ist klar: Mit erstklassigen technologischen Fähigkeiten will die MTU bevorzugter Partner für Hochdruckverdichter in zivilen Anwendungen sein. Ihre Spitzenstellung bei militärischen Anwendungen mit fortschrittlichen Niederdruck- und innovativen Hochdruckverdichtern ist dafür eine gute Ausgangsbasis. Der aktuell gemeinsam mit Pratt & Whitney entwickelte Hochdruckverdichter bildet das Herzstück einer neuen Familie von GTF-Triebwerken, die in Regional- und Business-Jets sowie in Flugzeugen für Kurz- und Mittelstrecken eingesetzt werden. Die Entwicklungsschwerpunkte sind: Verbesserung des Wirkungsgrads und Reduzierung des Gewichts. Beide Faktoren haben direkten Einfluss auf den Kerosinverbrauch und damit auf den Ausstoß von CO 2 und NO x. Auch die Kosten sollen weiter gesenkt werden. Die neueste Generation von MTU-Hochdruckverdichtern lässt sich aktiv beeinflussen. 10

11 Turbine Die Niederdruckturbine ist eine Paradedisziplin der MTU. Die technologische Bandbreite ist enorm: Sie reicht von konventionellen Niederdruckturbinen für Antriebe von Business-Jets über Leistungsturbinen für schwere Transporthubschrauber, große konventionelle Niederdruckturbinen mit hohen Wirkungsgraden bis hin zu schnelllaufenden Niederdruckturbinen für den leistungsstarken Getriebefan. Mit der technologischen Vorbereitung auf die Nachfolgegeneration heutiger Triebwerke soll auf lange Sicht die Technologieführerschaft gefestigt werden. Die Zielsetzung ist für alle Konzepte gleich: eine ausgewogene Auslegung hinsichtlich Wirkungsgrad, Gewicht, Lärm, Kosten und Lebensdauer. Gesamtsystem Optimale Triebwerksregelung und -überwachung sowie zuverlässige Anbaugeräte sind unerlässlich für die Sicherheit von Luftfahrzeugen. Die MTU hat auf diesem Gebiet große Erfahrung. Das Produktspektrum umfasst das Gesamtsystem Regelung und Überwachung ebenso wie die Integration von Subsystemen und Geräten einschließlich der zugehörigen Software. Ihre Kompetenzen reichen von der Geräte-, Software- und Systementwicklung bis hin zur Systemvalidierung, Serienbetreuung und Instandhaltung. Fertigung und Instandhaltung Triebwerke sind Hightech-Produkte, die innovative Fertigungsverfahren erfordern. Herstellbar ist fast alles, für den Markterfolg muss es aber auch bezahlbar sein. Neben der technologischen Vorbereitung auf ein neues Bauteil oder einen neuen Werkstoff muss die Fertigung am Standort München mit ihrer gesamten Prozesskette im internationalen Kostenwettbewerb bestehen. Die MTU beschäftigt sich daher im Bereich der Fertigungstechnologien mit der gesamten Bandbreite von der Verfahrensentwicklung über neue Prüf- und Messmethoden bis hin zur Automatisierung und Fabrikplanung. Bei Niederdruckturbinen gibt die MTU Aero Engines technologisch weltweit den Ton an. Auch Schwergewichte wie das GP7000 für den Mega- Airbus A380 kann die MTU auf ihren Prüfständen testen. Patching ist ein Blisk-Reparaturverfahren, für das weltweit nur die MTU eine Zulassung hat. 11

12 Ausgezeichnete Verdichter Rotoren in Blisk-Bauweise (Scheibe und Schaufeln aus einem Stück) werden heute in der Regel aus dem Vollen gefräst. In Anbetracht steigender Rohmaterialpreise sind Lösungen gefragt, die den Rohmaterialeinsatz verringern. Eine Idee ist, die Scheibe konturnah vorzuschmieden, was je nach Blisk-Stufe Material von bis zu 30 Prozent einsparen würde. Willkommener Nebeneffekt: Das Zerspanvolumen und damit die Bearbeitungszeit verringern sich. Die Bliskbauweise setzt sich auch bei Hochdruckverdichtern mehr und mehr durch. Der Wirkungsgrad des Verdichters soll in den nächsten Jahren weiter verbessert und dadurch der spezifische Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. Weil etwa ein Drittel der Strömungsverluste durch Leckagen verursacht werden, müssen die Übergänge zwischen Rotor- und Statorstufen besonders sorgfältig ausgelegt werden. Bürstendichtungen erlauben hier technische Lösungen, die mit den bisher üblichen Labyrinthdichtungen nicht möglich sind. Daneben kann mit innovativen Technologien zur Strömungsbeeinflussung wie dem Casing Treatment mit speziellen, in das Rotorgehäuse eingelassenen Strukturen die aerodynamische Belastung des Verdichters erhöht werden. Zukünftig spielen aktive Systeme eine besondere Rolle: Das sind Baugruppen, die auf die verschiedenen Betriebszustände reagieren und zum Beispiel die Spaltabstände minimieren oder zur besseren Stabilität gezielt Luft einblasen. Integrale Bauweisen und neue Werkstoffe sind der Schlüssel zu signifikanten Gewichtseinsparungen. Dazu werden in fortschrittlichen Verdichtern heute Rotoren in Blisk-Bauweise eingesetzt, bei denen Scheibe und Schaufeln aus einem Stück bestehen. Das ist auch für Beschichtungen sind ein probates Mittel, Hochdruckverdichterschaufeln vor allzu schnellem Verschleiß zu schützen. ganze, aufeinanderfolgende Stufen denkbar. Eine solche Tandemkonfiguration verringert die Baulänge und damit das Gewicht. Ein vergleichbares Potenzial zur Gewichtseinsparung besitzen neue Werkstoffe aus Titan und Nickelbasis-Legierungen für Scheiben und Blisks. Der Vorteil gegenüber bisher eingesetzten Werkstoffen liegt in ihrer höheren spezifischen Festigkeit, was die Auslegung schlankerer Bauteile ermöglicht. Die MTU hat für Hochwertbauteile wie Blisk- Verdichterstufen eine neue Multilayerschicht zum Schutz vor Erosion durch Sand und Schmutzpartikel entwickelt: ERCoat nt verbindet die Härte von keramischen Schichten mit der hohen Zähigkeit metallischer Schichten und kann auch nachträglich auf Bauteile aufgetragen werden, ohne die aerodynamischen oder strukturmechanischen Eigenschaften zu verändern. Ein Schwerpunkt der technologischen Entwicklung der MTU sind Hochdruckverdichter. 12

13 Effiziente Turbinen Die Niederdruckturbine trägt signifikant zu den Triebwerkskosten bei, je nach Größe und Konzept des Triebwerks mit 15 bis 20 Prozent. Zur Senkung der Herstellkosten forscht die MTU nach neuen Bauweisen mit reduzierter Komplexität sowie kostengünstigeren Werkstoffen für hohe Temperaturen. Mit dem Projekt High Lift Blading wird beispielsweise ein innovatives Beschaufelungskonzept entwickelt, um die Schaufelzahlen in der Niederdruckturbine zu reduzieren, ohne dabei deren Wirkungsgrad nennenswert zu senken. Positiver Nebeneffekt: ein geringeres Modulgewicht. Durch neue, leichte Werkstoffe können bis zu zehn Prozent des Turbinengewichts eingespart werden. Rotorschaufeln aus Titan-Aluminium sind bei gleicher Festigkeit nur halb so schwer wie die aus herkömmlicher Nickelbasislegierung. Das bedeutet ein gewaltiges Gewichtspotenzial für Niederdruckturbinenschaufeln bei Einsatztemperaturen bis 800 Grad Celsius. Bevor die Werkstoffe ausgetauscht werden können, müssen allerdings zahlreiche Fragen wie zum Beispiel nach der Lebensdauer unter realen Einsatzbedingungen oder dem optimalen Herstellverfahren geklärt werden. Um bis zu 15 Prozent verringerte Strömungsverluste sollen in den nächsten Jahren den Wirkungsgrad steigern. Eine große Herausforderung angesichts der bereits hohen Wirkungsgrade. Für das Flugzeug bringt das einen bis zu 1,1 Prozent geringeren Kraftstoffverbrauch. Auf einem Langstreckenflug von Frankfurt nach New York bedeutet das für eine A380 bei über 600 Einsätzen pro Jahr etwa Liter weniger Kerosin. Mehr Rechenleistung und neue Auslegungsprogramme ermöglichen künftig die dreidimensionale Gestaltung des Schaufelkanals unter Einbeziehung der Seitenwände und der Ausrundungsradien. Zur aerodynamischen Aufwändige Rechenverfahren hier bei einer schnelllaufenden Niederdruckturbine verkürzen deutlich die Entwicklungszeiten. Auslegung werden dabei numerische Optimierungsverfahren eingesetzt. Für den Einsatz in großen Flughöhen wie bei Langstreckenflugzeugen und Business-Jets werden sowohl eine verbesserte Gestaltung der Schaufelprofile als auch Maßnahmen zur gezielten Grenzschichtbeeinflussung untersucht. Fluglärm ist ein begrenzender Faktor des Luftverkehrs. Zwar sind die einzelnen Flugbewegungen in den letzten Jahren immer leiser geworden, allerdings hat deren Anzahl zugenommen. Hauptquellen des Lärms sind Triebwerke, Fahrwerk und die das Flugzeug umströmende Luft. Gemäß den ACARE-Zielen müssen die Triebwerke der nächsten Generation zehn ENPdB leiser werden. Ein beachtlicher Wert, da bei zehn Dezibel weniger nur noch die halbe Lautstärke wahrgenommen wird. Um den Anteil der Niederdruckturbine am Triebwerkslärm bei bestimmten Betriebszuständen, wie etwa dem Anflug, gering zu halten, werden eine Reihe von Maßnahmen zur Lärmminderung in einer eigens dafür aufgebauten Versuchsturbine untersucht wie zum Beispiel die 3D-Profilierung von Turbinenschaufeln. Die schnelllaufende Niederdruckturbine des Getriebefans PW1000G hier eine der drei Stufen ist weltweit einmalig. 13

14 Gesamtsystem Der EJ200-Regler ist nicht nur für die Steuerung des Eurofighter-Antriebs zuständig, sondern auch für die Überwachung. More Electric Engine Experten erwarten in Flugzeugen der nächsten Generation einen Anstieg des Strombedarfs um das Fünffache, weil zum Beispiel die Klimaanlage nicht mehr mittels Triebwerksluft, sondern elektrisch betrieben werden soll. Auch im Triebwerk ist es vorteilhaft, mechanische und hydraulische Komponenten durch elektrische zu ersetzen, da sie effizient, flexibel positionierbar und intelligenter sind. Durch Einsatz einer elektrischen Kraftstoffpumpe kann beispielsweise der Kraftstoffverbrauch reduziert werden, da dem Triebwerk nur die tatsächlich benötigte Kraftstoffmenge zugeführt wird ohne die bisher notwendige Rückführung überschüssigen Kraftstoffs in den Tank. Das More Electric Engine der Zukunft mit seiner Vielzahl von Sensoren, Motoren und Steuerelementen stellt das Powermanagement, die Regelungstechnik sowie die Überwachung der Triebwerke vor neue Herausforderungen. Regler Das enge Zusammenspiel der Triebwerksregelung mit dem Flight Control System und den Versorgungssystemen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die heutigen Regler sind zentrale Baueinheiten, die zu jeder Komponente im Triebwerk eine direkte, analoge Verbindung haben. Jeder weitere Baustein erfordert eine eigene physikalische Verbindung mit Leitung und Stecker. Ohne Konzeptänderung wäre eine Regler-Box in Zukunft durch eine Vielzahl von Anschlüssen bestimmt, obwohl das Innenleben nur einen Bruchteil des Platzes benötigen würde. Die MTU verfolgt die Idee des verteilten Regelsystems, in dem jede elektrische Komponente mit einer eigenen Regelungslogik ausgestattet ist und via Datenbus durch die Zentraleinheit angesteuert wird. Monitoring und Diagnose Die MTU hat für das Eurofighter-Triebwerk EJ200 eine neue Reglergeneration entwickelt, die das Triebwerk regelt und auch überwacht. Aufgabe Nummer eins ist der sofortige Alarm bei Defekten, Aufgabe Nummer zwei, Defekte durch möglichst frühzeitiges Erkennen von Abweichungen zu vermeiden. Diese technologischen Fähigkeiten werden Stück für Stück auf andere Triebwerke übertragen. So wurde das Engine Trend Monitoring System für die MTU Maintenance entwickelt, bei dem die wichtigsten Betriebsdaten wie Druck, Temperatur oder Vibrationen durch den Flugzeugcomputer aufgezeichnet, per Funk oder in ein Netzwerk am Boden gespeist und permanent mit den idealen Triebwerksdaten verglichen werden. Wird eine Abweichung festgestellt, können entsprechende Reparaturen rechtzeitig eingeleitet werden. Größere Folgeschäden und kostspielige Reparaturen bleiben aus. Powermanagement Fünfmal mehr Strom für das Flugzeug diese Energiemenge muss erst einmal im mitfliegenden Kraftwerk, dem Triebwerk erzeugt werden. Das bisherige Konzept, die elektrische Leistung über einen Generator an der Hochdruckwelle zu entnehmen, ist in dieser Größenordnung nicht mehr möglich. Eine viel versprechende Lösung ist ein zusätzlicher Generator, der mit der Niederdruckwelle verbunden ist. Der Nachteil, dass ein weiteres Anbaugerät zusätzlichen Platz benötigt, könnte durch die Integration des Generators in die Niederdruckturbine kompensiert werden. Dieses Konzept verspricht einen Gewichtsvorteil von bis zu 30 Prozent gegenüber einem konventionell angebauten Generator. Modernste Technologie zeichnet auch die MTU-Prüfstände aus hier die Testzelle der MTU Maintenance Hannover. 14

15 Fertigung und Instandhaltung Das Reparieren von Blisk-Schaufeln durch Patching macht serienmäßig weltweit nur die MTU. Fertigungsverfahren Das herausragende Beispiel für die Leistungsfähigkeit der MTU im Fertigungsbereich ist die Herstellung von Verdichtern in Blisk-Bauweise. Schaufel und Scheibe werden hier integral gefertigt. Ein Verfahren, das zum Einsatz kommt, ist das Lineare Reibschweißen. Es erlaubt die Produktion dieser Hightech-Bauteile ohne großen Materialverbrauch bei gleichzeitig hoher Festigkeit der zusammengefügten Komponenten an der Schweißnaht. Das Lineare Reibschweißen ist ein MTU-Verfahren zur Verbindung präzisionsgeschmiedeter Schaufeln mit der Scheibenkontur, das in München entwickelt und patentiert wurde. Bei der Blisk-Herstellung kommen Hochgeschwindigkeitsfräsen oder elektrochemische Verfahren zum Einsatz, die ebenfalls von der MTU entwickelt bzw. weiterentwickelt wurden. Für den Zusammenbau der einzelnen Blisk-Stufen setzt das Unternehmen auch das Rotationsreibschweißen ein. In der Münchner Unternehmenszentrale steht die mit 20 Metern Länge präziseste Anlage der Welt. Bei Stauchkräften von bis zu Tonnen liegt die Abweichung im Zehntel-Millimeter-Bereich. Prüf- und Messtechnik Fehlerfreiheit ist in der Luftfahrt oberstes Gebot. Die MTU verbessert permanent entlang der gesamten Liefer- und Herstellprozesskette ihre Prüfmethoden. Mit Hilfe moderner Computertomografie und Ultraschallmesstechnik können heute um bis zu 30 Prozent kleinere Fehler in Gusswerkstoffen nachgewiesen werden. Um Fehler zu vermeiden, nutzt das Unternehmen die Online-Prozesskontrolle: Bei kritischen Bauteilen werden die qualitätsbestimmenden Daten der Herstellverfahren digital erfasst, um sofort und zuverlässig Abweichungen feststellen zu können. Für die Produktion von Turbinenzwischengehäusen wurde in München eine eigene Halle eingerichtet. Instandhaltung Alle Kunden, ob Airlines oder Leasingunternehmen, verfolgen das gleiche Ziel: So wenig Geld wie möglich für die Triebwerksinstandhaltung auszugeben, ohne dabei die geforderten Sicherheitsstandards zu vernachlässigen. Der größte Einzelposten bei der Instandhaltung sind die Materialkosten. Sie machen bis zu 70 Prozent eines Shopvisits aus. Die Strategie der MTU: Reparieren statt Ersetzen. Bei der Entwicklung neuer Reparaturverfahren kann sie auf eine einzigartige Kompetenz aus der Entwicklung und Fertigung zahlreicher Triebwerksprogramme zurückgreifen. Mit der Patch -Reparatur für Bliskschaufeln oder der Schaufelreparatur durch Laserpulver- Auftragschweißen erreicht die MTU weltweit einmalige Reparaturtiefen. Die MTU verfügt über die weltweit präziseste Rotationsreibschweißanlage der Branche. 15

16 Technologieprogramme In einem Triebwerksentwicklungsprogramm, das unter Zeit- und Kostendruck steht, ist kein Platz für Experimente. Innovationen müssen vorab entwickelt, erprobt und serienreif gemacht werden. Dafür gibt es Technologieprogramme, in denen teilweise Demonstrator- Triebwerke aufgebaut werden, um die Einsatztauglichkeit neuer Technologien nachzuweisen. Die finanziellen Mittel werden in der Regel über Kooperationen und Förderprogramme aufgebracht. Die MTU ist in den wichtigsten EU-Forschungsprogrammen für die Luftfahrt vertreten und hat mit Claire (Clean Air Engine) eine eigene langfristige Technologie-Initiative aufgelegt. Claire Die MTU-Experten haben zusammen mit den Zukunftsforschern des Bauhaus Luftfahrt im Technologievorhaben Claire die langfristigen Ziele der Technologieentwicklung für Antriebe von Verkehrsflugzeugen definiert. 15, 20 und 30 Prozent weniger Kohlenstoffdioxid-Emissionen sind die Etappenziele, die sich das Unternehmen bis zum Jahr 2035 gesteckt hat. Das Kernstück von Claire ist das neue Triebwerkskonzept der Getriebefan. Er allein ermöglicht bereits eine Reduzierung der Kohlenstoffdioxid- Emissionen um gut 15 Prozent. Gleichzeitig sollen Stickoxide und Lärm verringert werden. JTDP Die MTU verbindet mit ihrem strategischen Partner Pratt & Whitney eine jahrzehntelange, erfolgreiche Zusammenarbeit. Grundlage der Kooperation ist das Joint Technology Demonstrator Program, kurz: JTDP, das die gemeinsame Nutzung von Demonstratoren für die Erprobung neuer Technologien festlegt. Die Zusammenarbeit erreichte einen Höhepunkt mit dem Getriebefan-Demonstrator, der in einer Boeing 747 und einem Airbus A340 erfolgreich Testflüge absolviert hat. Für diesen Versuchsträger hat die MTU mit dem PW6000- Triebwerk den Hochdruckverdichter und die schnelllaufende Niederdruckturbine aus dem Technologieprogramm Clean beigesteuert. Kernstück der Zusammenarbeit heute ist der Hochdruckverdichter einer neuen Triebwerksgeneration, den die Partner gemeinsam entwickeln. Newac/Vital Nach mehrjährigen Forschungsarbeiten sind die von der EU im 6. Forschungsrahmenprogramm geförderten Technologieprogramme Newac (New Aero Engine Core Conepts) und Vital (Environmentally friendly Aero Engine) Ende 2010/Anfang 2011 erfolgreich abgeschlossen worden. Newac und Vital ergänzen sich in idealer Weise, indem mit Technologieentwicklungen zum Kerntriebwerk beziehungsweise zum Niederdrucksystem das gesamte Triebwerk abgedeckt wird. Unter der Leitung der MTU wurden im Rahmen von Newac Verbesserungen des Kerntriebwerks angestrebt. Neben der MTU arbeiteten 40 Partner zu den größten gehören Rolls- Royce, Snecma und Avio an der Weiterentwicklung intelligenter Verdichter, einer Optimierung der Brennkammer und der Integration von Wärmetauschern für neue, hoch effiziente Kerntriebwerkskonzepte. Die MTU-Arbeiten konzentrierten sich darauf, durch aktive Steuerung des Hochdruckverdichters Treibstoff zu sparen. Auf dem Freiprüfstand von Pratt & Whitney wird das PW1000G intensiv getestet. 16

17 Der Forschungsschwerpunkt der MTU im Rahmen des Technologieprojekts Vital lag auf der Niederdruckturbine: Erhöhung der Stufenbelastung, Reduktion des Turbinenrotorgewichts und Verminderung des Turbinenlärms standen auf der Agenda. Speziell für die Lärmmessungen hat die TU Graz einen eigenen Versuchsträger, ein Turbinen-Rig, aufgebaut, das über das Projekt hinaus die ideale Infrastruktur zur Validierung weiterführender Maßnahmen zur Lärmminderung bietet. Die erhöhte Stufenbelastung wurde mit Hilfe eines zweistufigen Niederdruckturbinen-Rigs an der Technischen Universität Stuttgart untersucht. In Newac und Vital konnten erfolgversprechende Technologien identifiziert und in Rigversuchen validiert werden, mit denen sich zusammen genommen die angestrebten ACARE-Ziele bezüglich einer 20-prozentigen Reduktion der CO 2 -Emissionen und einer Verminderung der NO x -Emissionen um 80% nahezu erreichen lassen. Dream Mit Dream (Validation of Radical Engine Architecture Systems) wurde im Frühjahr 2008 ein weiteres, von der EU gefördertes Technologieprogramm auf den Weg gebracht, um neue Triebwerkskonzepte zu entwickeln und die ACARE 2020-Ziele zu realisieren. Im Rahmen dieser Initiative untersuchen Rolls-Royce und Snecma den offenen Propfan. Die MTU arbeitet mit zwölf Partnern an Innovativen Systemen zur Weiterentwicklung des Getriebefans. Clean Sky Clean Sky ist das jüngste EU-Technologieprogramm, mit dessen Hilfe die europäische Luftfahrtindustrie die ehrgeizigen ACARE-Vorgaben erreichen will. Clean Sky ist Bestandteil der Joint Technology Initiative des 7. Forschungsrahmenprogramms der EU. Es umfasst sechs so genannte Integrated Technology Demonstrators (ITDs) und einen Technology Evaluator. Mit einer bereits zum Start breiten industriellen und wissenschaftlichen Beteiligung aus ganz Europa und der Möglichkeit, weitere Partner über Ausschreibungen zu gewinnen, ist Clean Sky das bislang größte EU-Luftfahrt- Technologieprogramm mit einem Gesamtvolumen von 1,6 Milliarden Euro bei einem Fördervolumen von 800 Millionen Euro. Im Rahmen des ITD SAGE werden bis 2015 fünf Triebwerks-Demonstratoren in unterschiedlichen Leistungsklassen und für verschiedene Marktsegmente aufgebaut und getestet. Einen gestaltet und verantwortet die MTU (SAGE-4). Ziel ist es, im Jahr 2014 eine weiterentwickelte Getriebefan-Technologie insbesondere im Niederdruck-Bereich zusammen mit anderen europäischen Partnern zu testen und zu validieren. Sie soll in zukünftigen Regional-, Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen zum Einsatz kommen. Das Projekt wurde offiziell 2008 gestartet und hat eine Laufzeit bis km km Lärmteppich (db) Start-/Landebahn Flugbahn Die Lärmschleppe eines Flugzeugs mit Getriebefan reduziert sich um bis zu 70 Prozent im Vergleich zu einem heutigen Flugzeug. Wyle Wyle Der Verdichterprüfstand der MTU erlaubt die Validierung der modernsten Hochdruckverdichter. 17

18 Technologie-Netzwerk Die MTU pflegt seit vielen Jahren eine enge Zusammenarbeit mit Instituten und Hochschulen. Gemeinsam werden langfristige und systemübergreifende Fragestellungen in der Triebwerksentwicklung bearbeitet. Die eher grundlagenorientierte Arbeit der Forschungseinrichtungen bekommt Praxisbezug und die MTU kann für langfristige Themen auf die exzellente Expertise der Wissenschaftler zurückgreifen. Die Netzwerkstrategie der MTU stützt sich auf drei Pfeiler: Trendforschung und Entwicklung visionärer Triebwerkskonzepte im Bauhaus Luftfahrt, Konzentration der Grundlagenforschung bei wenigen Spitzeninstituten und -hochschulen sowie regelmäßiger Erfahrungsaustausch mit Experten innerhalb und außerhalb der Luftfahrtbranche. Bauhaus Luftfahrt Als international ausgerichtete Ideenschmiede entwickelt das Bauhaus Luftfahrt innovative Lösungsansätze für ein Lufttransportsystem der Zukunft. Ziel der Forschungsarbeit ist es, das komplexe System der Luftfahrt aus vielerlei Blickwinkeln zu betrachten: An erster Stelle steht die Entwicklung visionärer Flugzeugkonzepte, daneben werden ökologische Perspektiven der Luftfahrt wie alternative Kraftstoffe, revolutionäre Zukunftstechnologien und die gesellschaftspolitischen Treiber der Luftfahrt untersucht. Ausschlaggebende Erfolgsfaktoren des Bauhaus Luftfahrt sind das Zusammenspiel der hauseigenen Disziplinen sowie das Arbeiten in einem globalen Netzwerk aus Industrie und Forschung. Gegründet wurde das Systemhaus 2005 von vier Partnern den Unternehmen EADS, Liebherr-Aerospace und MTU Aero Engines sowie dem Freistaat Bayern. Kompetenzzentren Die Zusammenarbeit mit Hochschulen und Instituten ist ein fester Bestandteil der Forschung und Entwicklung. Strategische Allianzen mit exzellenten Forschungspartnern sollen die Innovationsfähigkeit der MTU langfristig sichern und die Verzahnung zwischen Hochschule und Industrie weiter fördern. Durch frühzeitige Praxisnähe will die MTU kontinuierlich Nachwuchs qualifizieren. Mit führenden deutschen Hochschulen und Forschungseinrichtungen hat die MTU sechs Kompetenzzentren für spezielle Forschungsaufgaben gegründet. Bei der Auswahl der Partner wurde auf eine herausragende fachliche Qualifikation und langjährige Erfahrung geachtet. Expertenkreise In regelmäßigen Abständen kommen so genannte Expertenkreise zusammen: Zwei- bis dreimal pro Jahr treffen sich Spezialisten eines Fachgebietes zum Erfahrungsaustausch über neue Trends und Entwicklungen. Diskutiert werden konkrete, fachliche Problemstellungen, für die Lösungsansätze gesucht und idealerweise auch gefunden werden. Der Vorteil der Expertenkreise liegt in der breiten, auch branchenübergreifenden Vernetzung von Experten aus Wissenschaft und Industrie. Leibniz Universität Hannover DLR Köln RWTH Aachen Universität Stuttgart TU München UniBw München Bauhaus Luftfahrt 18

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20 MTU Aero Engines GmbH Dachauer Straße München Deutschland Tel Fax GER 05/11/MUC/01500/DE/EB/D