Um die Effizienz, die Umweltwirkung sowie die Wirtschaftlichkeit von Flugzeugtriebwerken zu verbessern, werden in der Abteilung Triebwerk neue Triebwerkskonzepte entwickelt, analysiert und verglichen.
Ein Schwerpunkt ist die Erhöhung des Vortriebswirkungsgrades von Triebwerken durch die Einführung von hocheffizienten neuen Schuberzeugern.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von Triebwerk mit einem variablen Kreisprozess, die durch mehrere verstellbare Komponenten aktiv den thermodynamischen Kreisprozess im Off-Design beeinflussen und damit gezielt die Triebwerksperformance steigern.
Die Idee eines Triebwerks mit gegenläufigem Fan begründet sich im Wesentlichen durch die beiden prinzipiellen Vorteile dieses Konzeptes. Zunächst bietet ein zweistufiger gegenläufiger Fan ohne Stator die Möglichkeit, den Triebwerkswirkungsgrad zu verbessern, da die niedrigen Stufendruckverhältnisse und insbesondere auch der Wegfall des Stators den Fanwirkungsgrad erhöhen. Weiterhin ermöglicht das niedrige Stufendruckverhältnis eine Reduzierung der Schaufelzahl pro Stufe, so dass die Versperrung abnimmt und höhere axiale Machzahlen als bei einem einstufigen Fan erreichbar sind. Diese können entweder dazu genutzt werden, den Fandurchmesser bei gleichem Bypass-Verhältnis zu senken, oder aber das Bypass-Verhältnis - und damit den Vortriebswirkungsgrad - bei gleichem Durchmesser zu erhöhen.
In der Abteilung Triebwerk wird der Einfluss dieses Konzeptes auf das Gesamtsystem Triebwerk analysiert und das Potential hinsichtlich des möglichen Effizienzgewinnes quantifiziert.
Neben der Steigerung der thermischen Effizienz des Gasgenerators ist vor allem die Verbesserung des Vortriebswirkungsgrads ein entscheidender Faktor für die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs moderner Flugtriebwerke. Dem Entwicklungspotential von Turbofantriebwerken sind jedoch im Hinblick auf weitere Steigerungen des Vortriebswirkungsgrads Grenzen gesetzt. Abnehmende spezifische Schübe gehen mit vergrößerten Fandurchmessern einher. Die damit verbundenen Nachteile hinsichtlich der Triebwerksinstallation - insbesondere Gewicht und Widerstand der Gondel - kompensieren schnell die gewonnen Effizienzverbesserungen. Einen Ausweg bieten hier Triebwerkskonzepte mit offenen Rotoren. Besonders das Konzept der gegenläufig rotierenden offenen Rotoren (Counter Rotating Open Rotor, CROR) steht im Fokus des Interesses, da es den hohen Vortriebswirkungsgrad des Propellerantriebs mit den Reisefluggeschwindigkeiten der heutigen zivilen Luftfahrt zu verbinden vermag. Die folgende Abbildung zeigt den schematischen Aufbau eines CROR-Synthesemodells.
Heutige Flugtriebwerke weisen ein hohes Maß an Optimierungsgrad für einen spezifischen Betriebspunkt oder eine Missionsphase auf. So werden Antriebskonzepte für zivile Passagierflugzeuge so konstruiert, dass der Auslegungspunkt - und damit der größte Wirkungsgrad - im Reiseflug liegt, in dem die Maschine am längsten betrieben wird, während ein militärisches Antriebssystem in der Regel auf maximale Leistung in Extremsituationen ausgelegt wird. Die Konsequenz dabei ist, dass das Triebwerk in allen anderen Betriebszuständen suboptimal arbeitet. Dies wirkt sich besonders auf die Gesamtperformance des Flugzeugs bei sich stark ändernden Missionsphasen aus, wie sie beispielsweise für zukünftige Einsatzszenarios von UCAVs (Unmanned Combat Aerial Vehicle) zu erwarten sind.
Ein vielversprechendes Antriebskonzept für solche Problemstellungen ist ein Triebwerk mit einem variablen Kreisprozess. Hierbei werden mehrere verstellbare Komponenten dazu benutzt, den thermodynamischen Kreisprozess im Off-Design zu beeinflussen und damit gezielt die Triebwerksperformance zu steigern. Zu den untersuchten Variabilitäten zählen flächenvariable Mischer und Schubdüsen sowie kapazitätsvariable Verdichter und Turbinen (Abbildung 2). Im Rahmen verschiedener Studien wurden Verfahren zur thermodynamischen Simulation und Auslegung von VCE-Konzepten entwickelt, um das Potential dieser Technologien abzuschätzen. Es hat sich gezeigt das großes Potenzial vorhanden ist, um sowohl den spezifischen Brennstoffverbrauch als auch die kritischen Temperaturen (Turbineneintrittstemperatur und Düsenaustrittstemperatur) in den relevanten Flugphasen abzusenken.
Abbildung 2:Skizze eines VCE-Antriebskonzepts mit vielversprechenden und technisch möglichen Variabilitäten für ein UCAV