Composite-Bauteile in der Luftfahrt Das Triebwerk der Zukunft

In den letzten zehn Jahren haben die weltweiten Flugbewegungen gemessen an der Anzahl Passagierkilometer um mehr als 50 Prozent zugenommen. Trotzdem ist die Nachfrage nach Flugbenzin in derselben Zeit nur um etwa drei Prozent angestiegen. Dieser scheinbare Widerspruch lässt sich durch den Einsatz von neuen, hocheffizienten Triebwerken erklären, welche – glücklicherweise – die gesteigerte Reisetätigkeit kompensieren können.

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HSR Hochschule für Technik IWK, Inst.f. Werkstofftechnik und Kunststoffvearbeitung

Während 2011 weltweit ungefähr 84 000 Flüge pro Tag durchgeführt wurden, rechnet man damit, dass es im Jahr 2030 etwa 170 000 sein werden. Somit müssen also zusätzliche Effizienzsteigerungen bei den Triebwerken stattfinden, um dem steigenden Treibstoffbedarf entgegenzuwirken.

Effizientere Triebwerke bedeuten auch grössere Triebwerke – während Ende der 60er-Jahre die typischen Triebwerksdurchmesser bei Grossraumflugzeugen bei zwei Meter lagen, kommen heute solche mit drei Meter zum Einsatz. Seit 1970 konnte man die Effizienz bei den Strahltriebwerken um mehr als 70 Prozent steigern. Grössere Triebwerke sind aber auch schwerer, weshalb die Flügelstruktur verstärkt gebaut werden muss und weniger Platz für Treibstoff zur Verfügung steht. Schliesslich resultiert eine geringere Reichweite.

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Um diese Spirale zu durchbrechen, sind neue, leichtere Materialien notwendig. Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen im Triebwerksbereich kann sich in mehrfacher Weise auszahlen: zur erwähnten Senkung des Treibstoffverbrauchs, aber auch zur Erhöhung der Sicherheit und für eine bessere Kosteneffizienz bei der Herstellung der Bauteile. Composite-Materialien weisen sehr gute spezifische (gewichtsbezogene) Eigenschaften auf, erfordern aber auch ein Umdenken bei Design und Herstellung. Das britische Unternehmen Rolls-Royce – einer der grössten Triebwerkshersteller der Welt – baute im Rahmen des europäischen Forschungsprogramms «Clean Sky» (Framework Programme 7) ein komplettes Triebwerk als Demonstrator auf, das solche innovativen Materialien einsetzt und weitere neue Technologien verwendet.

Neben den Turbinenschaufeln, den «Fan Blades», sind die sogenannten «Annulus Filler», Luftleitbleche, die zwischen den Schaufeln montiert werden, ein wichtiges Bauteil des Triebwerks. Das IWK Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung der HSR Hochschule für Technik Rapperswil entwickelte zusammen mit Rolls-Royce und der österreichischen Firma FACC ein solches Bauteil in Composite-Bauweise in einem dreijährigen Forschungsprojekt. Das preisgekrönte und teilweise patentierte Design spart Gewicht und lässt sich kosteneffizient in hoher Stückzahl herstellen.

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