Getriebe in Flugzeugen sollen umweltfreundlicher werden

Eine zentrale Herausforderung der Antriebstechnik ist die Reduzierung von Treibhausgas-Emissionen. Der Europäische Green Deal und das Pariser Abkommen, das von 196 Nationen unterzeichnet wurde, unterstreichen die Bedeutung dieses Themas. In der Luftfahrt besteht eines der Ziele darin, die CO₂-Emissionen des Antriebssystems durch den Einsatz innovativer und hocheffizienter Triebwerke wie dem Geared Turbofan mit ultrahohem Nebenstromverhältnis (UHBP) zu verringern. Um den höchsten Wirkungsgrad zu erreichen, muss sich die Turbine schnell, der Fan aber vergleichsweise langsam drehen. Dieser Optimierungskonflikt wird durch eine Getriebestufe zwischen Turbine und Fan gelöst.

Ein Getriebe braucht kontinuierliche Versorgung mit Schmierstoff

Damit das Getriebe seine Funktion erfüllen kann, muss eine kontinuierliche Versorgung mit Schmierstoff zur Kühlung und Schmierung gewährleistet sein. Dies wird normalerweise durch das Primärschmiersystem gewährleistet. Bei bestimmten Flugmanövern kann der Schmierstoff jedoch nicht zum Getriebe gelangen, sodass keine ausreichende Ölversorgung möglich ist. Diese Ereignisse werden als Schmierungsverlust-Ereignisse (engl. Loss of Lubrication = LOL) bezeichnet. Dies führt zu einer Beschädigung der Zahnräder des Getriebes aufgrund von Haftverschleiß bei hohen Temperaturen.

Die derzeitige Lösung zur Vermeidung von LOL-Ereignissen ist ein Hilfsölkreislauf. Dieses System erhöht jedoch die Masse und senkt somit den Gesamtwirkungsgrad des Turbofan-Triebwerks. Höhere Kosten und ein höherer Kraftstoffverbrauch und damit ein größerer CO₂-Fußabdruck sind die Folge. Ein anderer Ansatz zum temporären Überleben von Maschinenelementen bei LOL-Ereignissen ist die Anpassung der Kontaktflächen, um Hilfsschmiersysteme überflüssig zu machen: Dieser Ansatz wird durch den Einsatz der Oberflächentechnik erreicht. Das Forschungsprojekt Lubgear zielt darauf ab, innovative Lösungen für ein tieferes Verständnis der Reibungsphänomene zwischen Zahnrädern mit passiven Schmiersystemen bei reduzierter Schmierstoffzufuhr oder sogar Schmiermittelverlust anzubieten.

Namhafte Unternehmen und Forschungsinstitute arbeiten an Lösungen

Das Projekt wird vom Clean Sky 2 (JU) finanziert, das vom Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union und von den Mitgliedern des Clean Sky 2 JU außerhalb der Union unterstützt wird. Das Projekt wird von Cidetec Surface Engineering koordiniert und besteht aus dem Austrian Excellence Center for Tribology (AC2T), dem Forschungszentrum Getriebe (FZG) der Technischen Universität München, dem Luftfahrtgetriebehersteller Zoerkler und dem Antriebsstrang-Experten Advance Drivetrain Technologies (ADT) als Partner sowie Avio Aero als Topic-Manager, ein Unternehmen des Triebwerkherstellers GE.

Während der Projektlaufzeit hat Lubgear mögliche Oberflächentechnologien identifiziert, um die Lebensdauer von hochbelasteten Getrieben bei Schmierstoffverlusten zu erhöhen:

• Werkstoffe und Härteverfahren: Nitrier- und „high-hot-hardness“-Stähle können bei höchsten Temperaturen unter Beibehaltung der Härteeigenschaften eingesetzt werden.

• Oberflächengestaltung: Gleitschleifen der Zahnradflanken zur Verringerung von Rauheit und Reibung

• Beschichtungen: Extrem harte keramikartige Beschichtungen können das Risiko des Fressens verringern und die Verschleißfestigkeit erhöhen.

Die Mechanismen von Schmierverlustschäden und Lösungen für die Oberflächengestaltung werden derzeit in Lubgears Zweischeiben- und Zahnradtests unter schweren Belastungsbedingungen untersucht. Es ist geplant, auf der International Conference on Gears 2023 vom 13. bis 15. September 2023 in München weitere Details zu den Ergebnissen des Projekts vorzustellen.

Dieses Projekt wurde vom Gemeinsamen Unternehmen Clean Sky 2 (JU) im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 101007713 finanziert. Das JU erhält Unterstützung aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union und von den Mitgliedern des Clean Sky 2 JU, die nicht der Union angehören.

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