Eine der zentralen Forderungen an zukünftige Triebwerke ist eine gesteigerte Effizienz. Dies kann bei einem Turbofan durch eine Anhebung des Nebenstromverhältnisses erreicht werden. Dieser Steigerung sind für einen direkt angetriebenen Turbofan Grenzen gesetzt, sodass dies in naher Zukunft nur mit Konzepten wie dem Getriebeturbofan zu erreichen ist. Obwohl der Einbau eines Reduktionsgetriebes trivial anmutet, wird sich zeigen, dass die Auswirkungen auf die restlichen Teile des Triebwerks teils enorm sind und veränderte Ansätze erfordern. Zum Verständnis der Schwierigkeiten, die das Konzept bisher bereitet hat und zur Vorstellung von Lösungen, werden die bisher realisierten bzw. gescheiterten Getriebeturbofans vorgestellt. Ausgehend von der Fragestellung, ob ein vorhandener Triebwerkskern eher in einen konventionellen Turbofan oder in einen Getriebeturbofan integriert werden sollte, wird eine stationäre Leistungsrechnung im Auslegungspunkt durchgeführt, die um zwei Missionsanalysen ergänzt wird. Zuletzt wird das Gewicht eines der Getriebe anhand von empirischen Relationen geschätzt.

Textprobe: Kapitel 2.2.6, Getriebe: Das Getriebe selbst ist integraler Bestandteil eines geared turbofan und ermöglicht erst die Entkopplung der Drehzahlen von Fan und Niederdruckturbine. Da dieses Bauteil bei konventionellen Turbofans nicht zum Einsatz kommt, erfolgt die Betrachtung erst an dieser Stelle. Im Vergleich zum konventionellen Turbofan fällt sofort das zusätzliche Gewicht eines Reduktionsgetriebes auf. Dies stellt ein erhebliches Problem dar, insbesondere da es sowohl von der übertragenen Leistung als auch dem Untersetzungsverhältnis abhängig ist. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass das Gewicht eines Getriebes dem square cube law folgt [6]. In Abschnitt 6 werden verschiedene empirische Ansätze zur Bestimmung der Masse eines Getriebes vorgestellt. Hinsichtlich des Gewichts ist es nachvollziehbar, dass der Großteil der bisher umgesetzten geared turbofans ein Planetengetriebe beinhalten (vgl. Abschnitt 3). Diese Bauart ist für koaxiale Wellen die kompakteste und wird somit auch die leichteste Variante sein [34]. Der Schlüssel zu einem leichten Getriebe ist jedoch eine hohe Effizienz des Getriebes. Zwar mag ein Verlust von 0, 8 % für hochmodern Getriebe prozentual klein erscheinen, aber bei Leistungen, die weit über 27.000 kW hinausgehen, entstehen immer noch Wärmeleistungen von mehr als 200 kW. Je geringer also der Wirkungsgrad des Getriebes ausfällt, desto größer müssen die Fluidsysteme gestaltet werden, was wiederum das Gewicht des Gesamttriebwerks negativ beeinflusst. Nun lässt sich der Wirkungsgrad in einem Getriebe steigern, indem die auftretenden Verlustmechanismen minimiert werden. Zunächst sind dies die Schleif- und Abwälzkontakte zwischen den einzelnen Zähnen im Eingriff. Hier wird durch verschiedene Reibungseffekte Wärme generiert. Dazu kommen die Verluste aus der Rollreibung der Lager [35] sowie aus den beiden Effekten, dass das Öl verschäumt wird (churning) oder es wegen der hohen Drehgeschwindigkeit der Welle zu Reibungsverlusten zwischen den rotierenden Teilen und dem Öl aufgrund der turbulenten Grenzschicht an den rotierenden Teilen kommt (windage) [22]. Eine Möglichkeit, die Kontaktverluste zu senken, ist die Verwendung von Zahnrädern mit hoher Überdeckung. Die hohe Überdeckung reduziert die statischen und dynamischen Lasten, führt zu mehr Laufruhe und sorgt somit auch direkt für eine höhere Lebensdauer [36][37]. Da Schrägverzahnungen solche hohen Überdeckungen bieten, wurde diese Verzahnungsart auch verstärkt in Studien zu Getrieben hoher Leistung untersucht und erfolgreich in verschiedenen Turboprop-Getrieben eingesetzt (z.B. Rolls-Royce Tyne, Allison T56). Positiver Nebeneffekt der Schrägverzahnung ist die Reduzierung der Axiallasten auf die Lager der Welle [27]. Diese werden nun von den Lagern der Zahnräder aufgenommen und können dabei durch eine geeignete Anordnung der Zahnräder reduziert werden. Wird sogar eine Doppelschrägverzahnung verwendet, wirken keine Axiallasten auf die Lager der Zahnräder, was wiederum die Auslegungskriterien an die Lager senkt. Im Gegenzug müssen allerdings aufgrund der Randbedingungen zur Herstellung von Doppelschrägverzahnungen höhere Kosten und auch ein höheres Gewicht in Kauf genommen werden [13], wobei zumindest die Gewichtszunahme mit Hilfe von dynamischen Analysen und hochgenauer Fertigung minimiert werden kann [38]. Nicht zuletzt besteht bei einem Planetengetriebe mit Doppelschrägverzahnung speziell beim Außenring zusätzlich zu den grundsätzlichen Schwierigkeiten der Fertigung aufgrund des Durchmessers [34] auch immer ein Montageproblem, welchem jedoch mit einem geteilten Außenring begegnet werden kann [39]. Neben der Steigerung des Wirkungsgrads ist die Lebensdauer der entscheidende Faktor für den Einsatz eines Getriebes in Triebwerken. Eine Doppelschrägverzahnung trägt dazu bei, die Vibrationen im Getriebe zu dämpfen. Dies wiederum verringert die Gefahr eines Ausfalls und reduziert den Verschleiß der Zahnräder und damit die Wartungskosten erheblich [37]. Es muss zum Erreichen einer hohen Lebensdauer also sichergestellt werden, dass die Vibrationen im Getriebe minimiert werden und das dynamische Verhalten eines Getriebes möglichst genau vorhergesagt werden kann [40]. Hierbei muss auch die Lagerung der Zahnräder bedacht werden. Um die bereits genannten Vorteile einer Doppelschrägverzahnung optimal nutzen zu können, müssen die Zahnräder axiales Spiel haben. Zwar lässt sich dies auch mit Wälzlagern realisieren, diese stoßen jedoch gerade bei Betrachtung der Planetenräder an ihre Belastungsgrenzen, da hier die zentrifugale Belastung enorm ist [36][41]. Dieses Problem lässt sich zwar auch mit modifizierten Wälzlagern, die als integraler Bestandteil der Planetenräder ausgeführt sind, verringern [36], eine größere Entlastung bringt allerdings der Einsatz von Gleitlagern, insbesondere bei kleineren Durchmessern [39]. Da Gleitlager aber grundsätzlich einen Schmierfilm benötigen, muss ein hochverlässliches Ölsystem existieren [41]. Die zielgerichtete Gestaltung und Dimensionierung dieses Systems ist letztendlich Grundvoraussetzung für eine hohe Lebensdauer [30], ohne die ein Getriebe von den Luftverkehrsgesellschaften nicht akzeptiert werden würde. Genau dieser Punkt ist es auch, der lange Zeit die Entwicklung eines geared turbofan der mittleren Schubklasse unrentabel erscheinen ließ [12]. Die Erkenntnisse aus der Entwicklung solch eines Fluidsystems sind somit auch ein enormer Wettbewerbsvorteil, so dass es nicht verwundert, dass bis heute nur spärliche Informationen über die Fluidsysteme des PW1000G bekannt sind [30]. Bei der Betrachtung des Ölsystems eines Getriebes drängt sich die Frage auf, ob dieses autonom von den Fluidsystemen des restlichen Triebwerks operieren soll. Solch eine Konfiguration bietet unter anderem den Vorteil, dass ein Öl verwendet werden kann, dessen Eigenschaften und Wärmekapazität für das Getriebe optimiert wurden. Allerdings erfordert diese Lösung gleichzeitig die Strategie, dass das System zwischen zwei regulären Wartungsterminen versiegelt und dabei komplett funktionstüchtig bleibt [41]. In diesem System würden der Öltank als auch der benötigte Luft-Öl-Wärmetauscher (air cooled oil cooler (ACOC)) direkt an der Getriebeumhausung sitzen, so dass Zu- und Ableitungen so weit wie möglich vermieden werden würden. Dies spart zum einen Gewicht, zum anderen verringert sich mit der geringeren Teilezahl auch die Möglichkeit eines Fehlers [42]. Zusätzlich zum Luft-Öl-Wärmetauscher bietet sich gerade bei Getrieben hoher Leistung auch die Nutzung eines Brennstoff-Öl-Wärmetauschers an. Dieser kann zwar aufgrund des bei hocheffizienten Triebwerken geringen Treibstoffmassenstroms nur unterstützend wirken [22], bietet aber eine weitere Effizienzsteigerung des Getriebes. Eine weitere Möglichkeit der Effiziensteigerung ist die Reduzierung von Verwirbelungsverlusten des Öls. Dazu muss zunächst betrachtet werden, dass ein Getriebe auf die maximal auftretende Leistung ausgelegt ist diese wird aber nicht an jeder Stelle einer Mission abgerufen. Wie in Abschnitt 5 gezeigt wird, verringert sich die auf das Getriebe übertragene Leistung im Reiseflug erheblich. Somit sinkt auch der Bedarf des Getriebes an Kühlung. Bliebe nun während der gesamten Mission der Ölmassenstrom konstant, käme es aufgrund des viel zu hohen Ölmassenstroms zu enormen Verlusten durch windage und churning [36]. Eine bereits erprobte Lösung für dieses Problem ist ein Ölmassenstrom, der je nach Flugkondition angepasst wird. Zusätzlich wird auch die Entsorgungsrate angepasst, so dass stets eine optimale Kühlung bei minimaler Verwirbelung und Verschäumung gewährt ist. Insbesondere im Reiseflug hebt diese Technik die Effizienz des Getriebes deutlich an [43]. Zusätzlich können die Verluste durch Verschäumung reduziert werden, indem eine axiale Komponente in die Öldüsen für den Eingriff zwischen Sonnen- und Planetenrädern integriert wird [36]. Die Minimierung der beiden Verlustmechanismen windage und churning kann sogar so weit führen, dass das Öl für das Getriebe wesentlich schneller zirkuliert als gewöhnlich und somit auch (spezifisch betrachtet) weniger Wärme aufnimmt [44]. Unter dieser Voraussetzung ist es sogar möglich, das Ölsystem des Getriebes nicht mehr autonom auszuführen, sondern in das bereits vorhandene Triebwerksölsystem zu integrieren [45]. Als weiterer kritischer Aspekt seien hier die periodisch auftretenden Fehlausrichtungen innerhalb des Getriebes genannt. Grundsätzlich sind diese zu minimieren, da sie ein Haupteinflussfaktor für Probleme mit der Lebensdauer des Getriebes sind [43]. Allerdings treten Fehlausrichtungen selbst dann noch auf, wenn das Sonnenrad axial beweglich und die Aufhängung des gesamten Getriebes flexibel gestaltet ist, um die Lasten optimal aufzuteilen [39]. Die auftretenden Fehlausrichtungen können sowohl rein radial als auch schräg sein und stellen damit insbesondere an die Dichtungen des Fluidsystems enorme Anforderungen [46]. Dies muss zusätzlich zu den bereits hohen Anforderungen an die Dichtungen durch den großen Durchmesser [47] und die hohe Drehzahl der Niederdruckwelle [46] berücksichtigt werden.

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