Rollen

Alle Tests des UltraFan-Demonstrators im speziell gebauten Testbed 80 von Rolls-Royce werden mit 100 % nachhaltigem Flugkraftstoff durchgeführt.

Rolls-Royce hat den UltraFan-Demonstrator zum ersten Mal in Betrieb genommen. Dies markiert den Beginn eines umfangreichen Testprogramms für den weltweit größten Getriebefan und – so hofft der Triebwerkshersteller – die Geburtsstunde einer neuen Generation effizienterer Antriebssysteme.

Der Demonstrator wurde am 24. April in aller Stille und ohne großes Aufsehen in der eigens dafür errichteten Testbed 80-Anlage des Unternehmens in Derby, England, in Betrieb genommen. Dabei handelte es sich um den ersten Lauf eines völlig neuen Mittellinien-Big-Fan-Triebwerks bei Rolls seit dem Trent XWB-84 im Jahr 2010. Es Dies geschah etwas mehr als neun Jahre, nachdem das Unternehmen Pläne bekannt gegeben hatte, eine angepasste Architektur für seine Produktlinie der nächsten Generation zu verfolgen.

Seitdem setzt das angeschlagene Unternehmen trotz Unsicherheiten auf dem Großraumflugzeugmarkt und zwei Jahren voller Verzögerungen, die durch die finanziellen Folgen der Pandemie und die kostspielige Erholung von den Zuverlässigkeitsproblemen des Trent 1000 verursacht wurden, weiterhin auf das UltraFan-Konzept als beste Möglichkeit zur Ankurbelung des Marktes Aussichten für seine zukünftigen Motoren. Rolls‘ Entschlossenheit, an dem Programm festzuhalten, geht auch mit einer umfassenden Umstrukturierung unter dem kürzlich ernannten CEO Tufan Erginbilgic einher.

Erginbilgic beschreibt den Demonstranten als „einen Game Changer“. „Die Technologien, die wir im Rahmen dieses Programms testen, sind in der Lage, sowohl die Motoren von heute als auch die Motoren von morgen zu verbessern“, sagt er. „Deshalb ist diese Ankündigung so wichtig. Wir sind Zeugen, wie Geschichte entsteht – a Schrittweise Veränderung bei der Verbesserung der Motoreffizienz.“

Obwohl keine unmittelbare Anwendung in Sicht ist, geht Rolls davon aus, dass das skalierbare Design, das den Schubbereich von 25.000 bis 110.000 Pfund abdeckt, es zu einem Konkurrenten mit geringem Kraftstoffverbrauch für zukünftige Ein- und Zweigangkonzepte sowie für machen wird potenzielle Neuausrichtungsmöglichkeiten. Das Unternehmen beabsichtigt außerdem, den UltraFan als Technologiequelle für die Aufrüstung seiner aktuellen Motoren zu nutzen.

Der Demonstrator wird zur Evaluierung einer Reihe fortschrittlicher Funktionen auf Motorsystemebene verwendet, die von einer Hochleistungs-Zahnradarchitektur über leichte Hochtemperaturmaterialien bis hin zu einem völlig neuen Hochdruckkern reichen. Nach Angaben des Unternehmens liegt der Schwerpunkt auf der Maximierung der Lehren aus den Tests des neuen Triebwerks, das mit seinem Leistungsgetriebe und dem Advance3-basierten Kern eine radikale Abkehr von den traditionellen Dreiwellenkonstruktionen darstellt, die das Markenzeichen des Großtriebwerks von Rolls-Royce waren Konfigurationen seit den 1960er Jahren.

Die UltraFan-Tests hatten einen guten Start, sagt Alan Newby, Direktor für Luft- und Raumfahrttechnik und zukünftige Programme bei Rolls Royce. „Es verlief ereignislos, und das ist genau das, was Sie wollen“, sagt er. „Es hat eine Weile gedauert, aber das liegt daran, dass es sich um einen neuen Motor auf einem neuen Prüfstand handelt und es viele Instrumentierungsparameter gibt. Wir haben also nur sichergestellt, dass auf dem Prüfstand und dem neuen Überwachungssystem alles miteinander kommuniziert.“ Die im Testbed 80 installierte Instrumentierung ist in der Lage, 10.000 Parameter mit einer Rate von bis zu 200.000 Proben pro Sekunde zu messen.

Obwohl das große Getriebesystem ein Novum darstellt, starteten die Rolls-Royce-Ingenieure den UltraFan vorsichtig und nach einem altbewährten Verfahren zum ersten Mal. „Zuerst kurbelt man trocken, um sicherzugehen, dass sich alles dreht, und dann kurbelt man nass, wo man den Kraftstoff einfüllt“, sagt Newby. „Irgendwann, während des nassen Anlassens, schaltest du die Zündung ein und zündest sie an. Wir haben das gemacht und es fing an. Es ist ein großartiger Moment für uns.“

Allerdings betritt das Unternehmen Neuland. Nach einem Hochlauf auf Leerlauf wurde der Motor schnell wieder abgestellt. „Das liegt vor allem daran, dass die Dinge, die man für selbstverständlich hält – wie die Art und Weise, wie man den Treibstoff einsetzt, die Kontrollgesetze, all diese Dinge – alle zu Beginn des Programms bewertet werden müssen“, sagt Newby. „Es fühlt sich langsam an, aber wir haben es bewusst nicht überstürzt, weil es das erste Mal ist und ein äußerst wichtiger Vorteil. Deshalb wollen wir einfach sicherstellen, dass wir es richtig machen, und haben dem Druck widerstanden, es bis zu einem bestimmten Datum fertigzustellen.“ "

„Wir durchlaufen einen schrittweisen Inbetriebnahmeprozess der verschiedenen Komponenten und verstehen sie Subsystem für Subsystem, um zu sehen, wie sie sich verhalten und ob sie unseren Erwartungen entsprechen“, sagt Pete Young, Chefingenieur von Ultra-Fan. „Mit dem UltraFan ist es eine ganz andere Welt. Wenn wir einen Trent als neuen Motor in Betrieb nehmen würden, würden wir ein paar Tage damit verbringen, dies zu tun, während es für uns seit Dezember, als wir es getan haben, ein Prozess von Woche zu Woche war installierte es. Wir haben Inbetriebnahmetests des Motors mit der Anlage durchgeführt. Wie funktioniert das? Welche Interaktionen haben wir? Funktioniert es so, wie wir es gerne hätten?“

Der Testaufbau umfasste „One-Shot-Checks“, sagt Young. „Dabei werden Signale von der Triebwerksposition nach oben durch den Pylon und nach unten durch den Prüfstand und in den Kontrollraum abgefeuert. Wir haben das bei jedem einzelnen der 2.800 Parameter, die wir messen, akribisch durchgeführt und überprüft, ob sie alle funktionieren.“

Um sicherzustellen, dass die Tests stetig und sorgfältig durchgeführt werden, hat Rolls einen dreistufigen „Defense-in-Depth“-Ansatz zur Bewertung des UltraFan entwickelt, fügt er hinzu. „Wir haben einen Kontrollraum, in dem die Person sitzt, die den Motor betreibt, und dann haben wir die kurzfristige Motorsicherheit, was den ersten Schritt zur Tiefenverteidigung darstellt. Dann sind da noch die Dynamikteams, die das tun.“ Überwachung des Hochfrequenz-Instrumentierungs- und Messsystems. Dann haben wir einen Überwachungsraum, der durch eine Glastrennwand vom Rest getrennt ist. Darin befindet sich ein Raumleiter mit Mikrofon, der direkt mit dem Kontrollraum spricht und Anweisungen gibt.

„Wir wollen vorne dabei sein“, fährt Young fort. „Als Teil dieser Überwachungsanordnung verfügen wir über ein automatisiertes Modell oder ‚Fahrgassen‘ darüber, was wir von der Engine erwarten. Wenn die Daten von der Engine kommen, vergleichen wir sie mit dem Modell und.“ Sehen Sie, ob es innerhalb der Fahrgassen liegt, die unserer Meinung nach für unsere Toleranz- oder Fehlerbereiche definiert wurden. Liegt es außerhalb dieser Grenzen, führen wir den Test durch und bewerten. Deshalb machen wir den NASA-Kontrollraum, in den wir uns buchstäblich begeben Wir haben also das Luftsystem, die Motorleistung, das Ölsystem, die Motortemperaturen, das Öl, den Kraftstoff und die Leistungsgetriebeteams, die alle überwachen und Feedback geben.“

Ein Vorteil davon, nicht an einen Zeitplan für die Flugzeugentwicklung gebunden zu sein, besteht darin, dass Rolls sich auf die Maximierung der Technologiedemonstrationsaspekte des Programms konzentrieren kann. „Wir arbeiten weiterhin mit allen Flugzeugherstellern zusammen, um zu verstehen, was die erste Anwendung sein wird und ob es sich um einen Widebody oder einen Narrowbody handelt“, sagt Newby. „Wie wir schon oft betont haben, handelt es sich um eine skalierbare Architektur. Wir haben uns für die große Größe entschieden, weil wir glauben, dass sie anspruchsvoller ist, aber wer weiß, wo sie zuerst angewendet wird.“

Konfiguriert mit einem 140-Zoll-Durchmesser. Der Lüfter ist etwa 15 cm breiter als der Lüfter des GE9X von General Electric, dem größten derzeit fliegenden Turbofan. Das 50-Megawatt-Leistungsgetriebe des Triebwerks wird nach seinen ersten Tests und der Entwicklung im Rolls-Royce-Werk in Dahlewitz, Deutschland, im Mittelpunkt einer genauen Überwachung stehen . Das Planetengetriebe ist das größte, das jemals für eine Luft- und Raumfahrtanwendung entwickelt wurde. Das Getriebesystem hat einen Durchmesser von ca. 80 cm und besteht aus einem Hohlrad außen und fünf Planetenrädern innen, die sich um ein zentrales Sonnenrad drehen. Der Lüfter wird von einem zentral montierten Planetenträger angetrieben.

„Ein Teil der Tests, die wir in Dahlewitz auf dem Power-Getriebe-Rig durchgeführt haben, besteht darin, sicherzustellen, dass wir alle Temperaturen, die wir hier bei Bodentests erleben würden, überstanden haben, und auch alle anderen Haltbarkeitsprobleme.“ Newby-Notizen. „Es war ein großartiges Programm, und das Wissen, das wir im Hinblick auf die thermomechanische Modellierung gewonnen haben, ist weltweit führend. Es war ein entscheidender Faktor, um an diesen Punkt zu gelangen.“

Aufgrund der breiten Palette neuer Fertigungs- und Materialtechnologien im UltraFan werden die Tests ebenfalls mit Vorsicht durchgeführt, sagt Newby. „Wir konzentrieren uns auf die Integration des gesamten Motors, aber es gibt noch viele Dinge, die wir im Laufe der Jahre entwickelt haben“, fügt er hinzu und verweist auf neue Funktionen wie das Verbundlüftersystem, Hybrid-Keramiklager und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC). ), Wellen mit hoher Drehmomentdichte, fortschrittliche Turbinenschaufeln mit Gussbindung und Nickelscheiben-Superlegierungen der zweiten Generation.

Die CMC-Komponenten, die hauptsächlich für Turbinendichtungssegmente verwendet werden, sind leichter und toleranter gegenüber hohen Temperaturen. Die CMCs und andere Hochtemperaturmerkmale bestehen aus einer kontinuierlichen Siliziumkarbidfaserverstärkung mit einer Faser-Matrix-Schnittstellenbeschichtung, die von einer Keramikmatrix hauptsächlich aus Siliziumkarbid umgeben ist, und wurden im HT3-Demonstrator (Hochtemperaturturbinentechnologie) auf Basis eines Trent bewertet XWB-97.

„Also ja, der UltraFan ist eine neue Architektur, aber er vereint viele der Technologieprogramme, die wir schon seit einiger Zeit machen – von denen einige möglicherweise auch auf andere Motoren angewendet werden können“, sagt Newby. „Zum Beispiel haben wir eine neue Methode zur schnellen Entwicklung von Software entwickelt, die wir auf dem Pearl 10X [Business-Jet-Triebwerk] verwenden werden. Einige der Hochtemperaturmaterialien könnten auch in der Trent-Flotte Anwendung finden.“

Neben dem Getriebe ist eine der wichtigsten Änderungen gegenüber der herkömmlichen Trent-Architektur beim UltraFan der neue Kern, der die Arbeitslast zwischen der Zwischen- und der Hochdruckwelle neu verteilt. Getestet im Advance3-Kern führte die erhöhte Kompressionsarbeit an der Hochdruckspule zu einem Gesamtdruckverhältnis (OPR) von mehr als 60:1. Laut Rolls-Royce wird der UltraFan den Advance3-Kern-OPR für eine typische Großmotorenanwendung auf mehr als 70:1 steigern. Darüber hinaus hat der Motorenbauer das neue Triebwerk mit einem mehrstufigen Mitteldruckturbinensystem ausgestattet. Der Advance3-Kern wurde auch zur Bewertung der Alecsys-Brennkammer (Advanced Low-Emission Combustion System) mit niedrigem Stickoxidgehalt verwendet.

Obwohl Rolls ursprünglich vorhatte, im ersten Testprogramm vier Motoren einzusetzen, wurde dieser aufgrund von Verzögerungen und Kostendruck auf nur einen Motor reduziert, mit Ersatzteilen für den Einbau eines zweiten, falls erforderlich. „Wir werden es vorsichtig angehen“, sagt Newby. „Es ist ein Vermögenswert, den wir bewahren wollen, um es so auszudrücken, deshalb werden wir ihn mit Respekt behandeln. Wir werden etwas laufen, die Daten analysieren und dann den ganzen Sommer über weiter testen.“

„Das Schöne daran ist, dass sich die meisten einzelnen Systeme auch bei anderen Anlagen bewährt haben“, fährt er fort. „Das ist der Schlüssel.“ Bei den Tests werde beurteilt, wie gut „sie gut zusammenarbeiten und nicht isoliert“, stellt er fest. „Wir werden uns mit dem befassen, was wir auftauchendes Verhalten nennen. Wir wissen, dass das Getriebe und die Niederdruckturbine funktionieren, aber wie funktioniert das alles zusammen? Das ist es, was wir hier herausfinden wollen.“

Über die aktuellen Testbemühungen hinaus steht die UltraFan-Architektur auch im Mittelpunkt weiterführender Studien im Rahmen des europäischen Luftfahrtforschungsprogramms Clean Aviation. Unter der Leitung von Rolls-Royce ist Heaven (Hydrogen Engine Architecture Virtually Engineered Novelly) ein 35,6 Millionen Euro (38,6 Millionen US-Dollar) teures Projekt, das darauf abzielt, den UltraFan weiterzuentwickeln, indem der Motor auf den Kurz-/Mittelstreckenmarkt verkleinert und sowohl hybrid-elektrisch als auch hybrid-elektrisch integriert wird Technologie und direkte Wasserstoffverbrennung.

Das Heaven-Team besteht aus akademischen, Forschungs- und Industriepartnern in Frankreich, Deutschland, den Niederlanden, Spanien und dem Vereinigten Königreich und wird eine UltraFan H2-Version mit dem Ziel untersuchen, eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um 20 % gegenüber aktuellen Motoren zu erreichen. „Es wird auch eine Plattform für die Wasserstofftechnologie und die Hybrid-Elektro-Technologie bieten, die angemessen in unser ziviles Luft- und Raumfahrtportfolio integriert werden können“, sagt Rolls-Royce. „Es ist kein vollständiger Motoraufbau oder -test erforderlich.“

Heaven wird von Cavendish unterstützt, einem weiteren Clean Aviation-Programm unter der Leitung von Rolls-Royce. Im Rahmen des 29,2-Millionen-Euro-Projekts plant ein Designteam, ab Ende 2024 eine Wasserstoffverbrennung mit Magerverbrennung in einen Pearl-15-Spendermotor zu integrieren, um ab Ende 2024 Bodentests mit flüssigem Wasserstoff durchzuführen. „Dies wird die Wasserstofftechnologie durch die Integration eines Flüssigwasserstoffsystems unter Beweis stellen.“ in ein Bodentesttriebwerk umzuwandeln und Anforderungen für die Flugdemonstration zu definieren“, sagt Newby.

Guy ist leitender Redakteur für Aviation Week und befasst sich mit Technologie und Antrieb. Er lebt in Colorado Springs.