Getriebe für den Hubschrauber: TU Wien stellt Konzept vor

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Die TU Wien möchte auf der Pariser Air Show SIAE ein neuartiges Getriebekonzept für Helikopter vorstellen, an dem die Uni seit einigen Jahren im Stillen tüftelt. Das kupplungslose System ist in der Lage, die Rotordrehzahl stufenlos zu bestimmen – das soll Sprit sparen – doch die Umsetzung ist gar nicht so einfach...

csm_hubschrauber_02_getriebe_c-tu_wien_dfabf95593Quelle: TU Wien

Die TU Wien möchte auf der Pariser Air Show SIAE ein neuartiges Getriebekonzept für Helikopter vorstellen, an dem die Uni seit einigen Jahren im Stillen tüftelt. Das kupplungslose System ist in der Lage, die Rotordrehzahl stufenlos zu bestimmen – das soll Sprit sparen – doch die Umsetzung ist gar nicht so einfach…

Beim Auto ist es ganz selbstverständlich – ein Getriebe erlaubt uns, von einem Gang zum anderen zu schalten, damit der Motor im vorgesehenen Drehzahlbereich bleibt und möglichst wenig Sprit verbraucht. Beim Fliegen ist die Sache viel komplizierter. Bei heutigen Hubschraubern bleibt die Rotordrehzahl konstant, das wirkt sich negativ auf den Spritverbrauch aus.

An der TU Wien hat man in jahrelanger Arbeit ein Getriebekonzept entwickelt, das nun den Flugverkehr revolutionieren soll. Zwei gekoppelte Planetengetriebe ermöglichen ein stufenloses Anpassen der Drehzahl, ganz ohne Kupplung. Bei der Pariser Air Show SIAE, von 17. bis 23. Juni wird das Konzept nun erstmals der internationalen Luftfahrtbranche öffentlich präsentiert.

Neuartiges Getriebe: Stufenlos und sicher

„Würde man mit Hilfe einer Kupplung den Rotor plötzlich vom Antrieb trennen, würde das Fluggerät sofort gefährlich absacken, daher muss der Leistungsfluss auch bei einer Drehzahländerung aufrecht bleiben“, erklärt Dr. Hanns Amri vom Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung der TU Wien. „Bei Doppelkupplungsgetrieben, die man aus der Automobilindustrie kennt, hätten wir es mit einem Drehzahlunterschied bei sehr hohen Drehmomenten zwischen Antriebsseite und Rotorseite zu tun – der Verschleiß am Kupplungselement wäre extrem hoch.“

Daher startete man im Forschungsbereich Luftfahrtgetriebe an der TU Wien das Projekt „Vari-Speed“, in Kooperation mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie. Das Ziel war, eine ganz neue Lösung für künftige Hubschraubergenerationen zu entwickeln.

Bisher waren Motor und Rotor in einem Helikopter fest miteinander verbunden. Man legt die Drehzahl eines Helikopters für ganz bestimmte Aufgaben aus – für die sogenannte Design Mission. Damit sind dann die Flugeigenschaften des Hubschraubers fixiert. „Schafft man es stattdessen aber, eine große Bandbreite an Drehzahlen zu ermöglichen, erhöht das die Flexibilität, erweitert die Grenzen des Flugbereichs und verbessert die Energieeffzienz“, erklärt Prof. Michael Weigand. „Die Hubschrauber können dadurch höhere Geschwindigkeiten erreichen, der Lärmpegel wird reduziert und die Leistungsgrenze wird erhöht, sodass die Hubschrauber für ein breiteres Spektrum an Missionen einsetzbar sind.“

Das neue Getriebekonzept der TU Wien. Bild: TU Wien

Möglich wird das mit einem ausgeklügelten neuartigen Getriebe, das aus zwei gekoppelten Planetengetrieben besteht. Es benötigt keine Kupplung und erlaubt, das Übersetzungsverhältnis von Antrieb und Rotor stufenlos zu variieren.

Allerdings genügt es nicht, sich nur auf die Entwicklung von Getrieben zu konzentrieren. Gleichzeitig muss sich auch die Konstruktion der Rotorblätter ändern, wenn flexible Drehzahlen ermöglicht werden sollen. Die Eigenfrequenzen der Komponenten müssen berücksichtig werden, um eine Resonanzkatastrophe bei bestimmten Drehzahlen zu vermeiden. Das Gesamtsystem Hubschrauber muss neu überdacht werden.

Spezialisten für Gestaltung und Auslegung von Rotorblättern von der TU München waren ebenso Partner im Projekt wie der Getriebespezialist Zoerkler aus Österreich, der seine Erfahrung mit Fertigung und Betrieb von Getrieben einbrachte. Die TU Wien war nicht nur für das Getriebekonzept verantwortlich, sondern bringt auch ihre Expertise in Tribologie und Optimierung von Getriebeschmierung ein.

TU Wien: Expertise auch bei Zertifizierung und Marktstrategien

Für den Bau eines neuen Hubschraubertyps oder – allgemeiner gesprochen – eines neuen Drehflüglers, ist eine ganze Reihe von Schritten nötig, bei denen das Team der TU Wien Kooperationspartner kompetent begleiten kann: Beginnend bei der Massenabschätzung des Antriebsstranges im Vorentwurf, über die Konzeption und Entwicklung des Antriebsstranges bis hin zu Qualifizierungs- und Zulassungsfragen.

„Die Sicherheitsstandards sind bei Fluggeräten extrem hoch, daher spielt die Zertifizierung eine wichtige Rolle im Konstruktionsprozess“, erklärt Michael Weigand. „Uns stehen an der TU Wien wichtige Prüfmaschinen und Messgeräte zur Verfügung, um unsere Firmenpartner auch bei der Zulassung des Geräts optimal unterstützen zu können.“ Und was nicht direkt an der TU Wien geprüft werden kann, wird in Kooperation mit der TVFA getestet, der Technischen Versuchs- und Forschungsanstalt, die gemeinsam vom TÜV AUSTRIA und der TU Wien betrieben wird.

Die Marktchancen für das neue Hubschraubergetriebe mit variabler Drehzahl schätzen Weigand und Amri als sehr gut ein. Bis sich ein marktreifer und zertifizierter neuer Drehflügler in die Luft erhebt ist allerdings mit einer Umsetzungsphase von 7 bis 12 Jahren zu rechnen. Ein wesentlicher erster Schritt wurde durch die Aktivitäten des Forschungsbereichs Maschinenelemente und Luftfahrtgetriebe der TU Wien gesetzt.

Helikopter können auch heute schon viel. Künftig sollen sie laut TU Wien noch leistungsfähiger werden.Bild: Balazs Gardi/Red Bull

Öffentlich einem breiten Fachpublikum präsentiert werden die Ergebnisse nun erstmals auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung SIAE Le Bourget, in Paris von 17. bis 23. Juni 2019, in Halle 4 an Stand G17.

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