Technologiesprung für effizientere Triebwerke

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FAG Aerospace knackt die Vier-Millionen-Drehzahlgrenze bei Triebwerkskugellagern

FAG Aerospace, ein Unternehmen der Schaeffler Gruppe, hat mit einem neuartigen Triebwerkskugellager die bisherigen Leistungsgrenzen für schnelldrehende Triebwerkshauptwellen-Lagerungen neu definiert. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) ist es FAG Aerospace im Verbundvorhaben „Effektives Ölsystem“ gelungen, ein neuartiges Triebwerkskugellager zu konstruieren, das erstmals den Drehzahlkennwert von vier Millionen Millimeter pro Minute überschreitet. Dabei kommt das Lager mit geringsten Kühlölmengen aus. Das neue Lager stellt einen bedeutenden Technologiesprung zur Entwicklung effizienterer Triebwerke dar und könnte den Verbrauch der weltweiten Passagier-Flugzeugflotte jährlich um bis zu 200.000 Tonnen Treibstoff verringern.

Das von FAG Aerospace entwickelte Kugellager wurde auf dem Schaeffler-Prüfstand validiert. Dabei wurden die Anforderungen an das Prüfprogramm, d.h. der simulierte Flugzyklus, in enger Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner MTU Aero Engines abgestimmt. Unter Zuführung der gleichen Ölmengen wie für konventionelle Lager, ermöglicht die neue Kühlkonstruktion ein gezieltes Einstellen der maximal zulässigen Ringtemperaturen. Das bedeutet einerseits, dass um nahezu 70 Prozent höhere Drehzahlkennwerte bei gleicher Lagertemperatur und Ölmenge erzielt werden und so der Einsatz vorhandener Werkstoffe und Kühlöle trotz höherer Umfangsgeschwindigkeiten möglich ist. Andererseits werden bei gleichen Drehzahlkennwerten und reduzierten Kühlölmengen um bis zu 25 Grad Celsius niedrigere Lagertemperaturen und um bis zu 25 Prozent niedrigere Lagerverlustleistungen erreicht. Damit steigen Effizienz und Zuverlässigkeit der Lagerung.

Das neuartige Triebwerkskugellager zeichnet sich außerdem durch eine integrierte Öldämpfung von Vibrationslasten aus. Darüber hinaus erhöhen die leistungsgesteigerten „Duplex-gehärteten“ Laufbahnen die Robustheit, Beanspruchbarkeit und Verschleißfestigkeit und vermindern gleichzeitig die Wälzkontaktbeanspruchung. Die gesteigerte Effizienz und Zuverlässigkeit des neuen Kugellagers ist neben der direkten Außenringkühlung auch den Keramikkugeln zu verdanken, mit denen sich Reibung und Gewicht verringern lassen.

Wälzlager in Luftfahrtanwendungen müssen selbst bei kritischsten Betriebsbedingungen mit höchster Zuverlässigkeit arbeiten. In der Startphase, dem sogenannten „Take-Off“, werden bei dem untersuchten Triebwerkslager heute Drehzahlkennwerte bis 2,4 Millionen Millimeter pro Minute erreicht. Um jedoch auch in Zukunft den Anforderungen der Fluggesellschaften sowie den durch die Politik gesteckten Zielen des Umwelt- und Klimaschutzes gerecht zu werden, ist in den kommenden 20 Jahren eine weitere Steigerung des mechanischen und thermischen Wirkungsgrades von Flugtriebwerken notwendig. Immer größere Drehzahlkennwerte und höhere thermische Belastungen sind die Konsequenz für die Lager. Und das verlangt nach neuartigen Werkstoffen, Kühlkonstruktionen, Fertigungs- und Wärmebehandlungsverfahren sowie Berechnungs- und Simulationsmethoden.

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