Produktetrend Mehr Power – Antriebe der Superlative

Zwei besondere Exemplare der Spezies Antrieb haben wir diese Woche herausgesucht. Sie erfahren, wie das größte Radioteleskop der Welt angetrieben wird und welchen Herausforderungen die Forscher für das Sprit-ärmste Flugzeug begegnen.

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• Der DSH-Antrieb für das Square Kilometre Array wurde von Inkoma Maschinenbau entwickelt und gebaut. Er ist 6500 mm lang und wiegt rund 3 t.

• An der TU München stehen Forscher vor dem Problem, ein riesiges Getriebe in ihren Prüfstand zu quetschen. Es soll einmal 100.000 PS übertragen können.

Das Square Kilometre Array (SKA) wird nach seiner Fertigstellung im Jahr 2024 das leistungsstärkste und empfindlichste Radioteleskop mit einer Antennenfläche von insgesamt 1.000.000 m² sein. Dabei handelt es sich nicht um ein Einzelteleskop, sondern um eine Vernetzung von Tausenden Einzelantennen. Hauptstandorte sind die südafrikanische Karoo-Wüste und die westaustralische Region Murchis. Das SKA soll das Universum erforschen und helfen, Fragen zu beantworten nach der Entstehung der ersten Sterne und Galaxien nach dem Urknall, zu unserer Vorstellung von Raum und Zeit und vielleicht auch nach außerirdischem Leben. Unternehmen und Forschungseinrichtungen in mehr als 20 Ländern beteiligen sich an der Umsetzung dieses Projektes. So auch Inkoma Maschinenbau, das im Auftrag von MT Mechatronics einen Antrieb beisteuert.

Mit mehr Power das Universum erforschen

Anhand der technischen Anforderungen an dieses Beobachtungssystem entwickelte Inkoma das Herzstück des Systems, einen servoelektrischen Direkt-­Spindelhubantrieb (DSH) für die Elevationsbewegung des Parabolspiegels. Das sei ein Quantensprung in Sachen Präzision. Trotz einer Gesamtlänge von etwa 6500 mm und einem Gewicht von circa 3 t sei der DSH-Antrieb ein kompaktes Antriebssystem mit hoher Leistungsdichte. Kernstück des getriebelosen Antriebes ist ein integrierter Gewindetrieb, der direkt und spielfrei von einem Torquemotor angetrieben wird, was unter anderem geringste mechanische Verluste gewährleistet.

Die Hubgeschwindigkeit des DSH-Antriebes ist stufenlos regelbar in einem Bereich von 0 bis 62 mm/s. Der maximale Spindelhubweg beträgt etwas über 3600 mm. Auf die Spindel wirken Zug- und Druckkräfte von mehr als 130 kN im Fahrbetrieb und bis zu 300 kN im Stillstand, die aus den Eigen- und Windlasten des Parabolspiegels entstehen. Die Kräfte werden durch entsprechend abgestimmte Axiallagerungen aufgenommen und über die kardanische Antriebslagerung in die Befestigungskonsole abgeleitet. Ein integriertes Messsystem ermöglicht dabei hochpräzise Gleichlauf- und Positioniergenauigkeiten, womit sich am Parabolspiegel Schwenk­winkel bis auf ein Tausendstelgrad genau realisieren lassen. Der DSH-Antrieb ist mit zusätzlichen Schutz­einrichtungen ausgestattet wie einer Not- und Haltebremse, integrierten Hardstops oder Spindelschutz bis zu Sicherheitsendschaltern.

Mit mehr Power durch die Luft

Die Flugzeugantriebe sollen künftig weniger Sprit verbrauchen und emissionsärmer werden. Der Beitrag von Rolls-Royce dazu ist das Ultra-Fan-Konzept, in dem das Zahnradgetriebe eine zentrale Funktion einnimmt. Der Fan ist bei einem Flugzeug-Triebwerk die erst Stufe des Kompressors, der von außen sichtbare Teil des Triebwerks. Beim Ultra-Fan-Konzept wird weniger Sprit verbraucht, wenn sich der Fan möglichst langsam dreht, die Turbine im Inneren dagegen möglichst schnell. Denn ein Getriebe kann die Leistung von der schnell laufenden Turbine effizient auf den langsam laufenden Fan übertragen, erklärt Rolls-Royce. Das Getriebe des Ultra-Fan wird dafür ausgelegt, bis 100.000 PS zu übertragen, das ist vergleichbar mit der Leistung von 500 Mittelklassewagen. Damit ist es das bisher leistungsstärkste Getriebe, das je für die zivile Luftfahrt gebaut wurde. Für seine Entwicklung entschied sich Rolls-Royce zur Zusammenarbeit mit der TU München (TUM).

Eine große Herausforderung bei einem solchen Antrieb ist die Kühlung. Denn im Getriebe entstehen Wärmeleistungen von mehreren Hundert Kilowatt. Die entsprechenden Wirkzusammenhänge für die besonderen Eigenschaften des Getriebes untersuchen die Forscher mit speziellen Berechnungsmethoden und Simulationsmodellen. Verifiziert werden die berechneten Ergebnisse anschließend mithilfe eines Prüfstands, dessen Konzeption und Entwicklung für die Wissenschaftler ein eigenes Forschungsprojekt darstellte. Denn ein Modell des Getriebes musste her, dessen Dimension in die Prüfräume der TUM passte – ohne die zu untersuchenden Eigenschaften zu verlieren. Die nächste Herausforderung war die Energiezufuhr. Trotz der Verkleinerung müssen immer noch mehrere Megawatt auf das Getriebe übertragen werden. Um die installierten Leistungen und damit den Bauraum sowie die Kosten zu reduzieren, realisierten die Wissenschaftler den Prüfstand mit einem Back-to-Back- oder Verspannungsprinzip. Dabei werden zwei baugleiche Getriebe spiegelverkehrt miteinander verbunden, sodass die Energie des Abtriebes eines Getriebes auf den Antrieb des anderen geleitet wird. So können sie mit einer Antriebsleistung von 200 kW mehrere Megawatt Leistung in dem Kreislauf bewegen. Die optimierten Getriebe werden im 1:1-Maßstab auf dem Prüfstand von Rolls-Royce in Dahlewitz bei Berlin geprüft. Später folgen noch Tests im Triebwerk.

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