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TU Wien

Stufenloses und sicheres Getriebe für Hubschrauber

Ein neuartiges Getriebekonzept für Helikopter, das flexible Rotordrehzahlen bei konstanter Motordrehzahl ermöglicht, präsentiert die TU Wien auf der internationalen Pariser Air Show SIAE 2019.

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Einzelteile des neuartigen Hubschraubergetriebes.
Einzelteile des neuartigen Hubschraubergetriebes.
(Bild: TU Wien)

Auf einen Blick

  • Bisher sind Motor und Rotor in einem Helikopter fest miteinander verbunden.
  • Eine große Drehzahlbandbreite erhöht die Flexibilität, erweitert die Flugbereichsgrenzen und verbessert die Energieeffizienz.
  • Gleichzeitig muss sich auch die Konstruktion der Rotorblätter ändern, wenn flexible Drehzahlen ermöglicht werden sollen.

Die Welt steht kopf, zumindest wenn das neue Getriebe für Helikopter, das die TU Wien vorstellt, in einigen Jahren einbaufertig sein wird. Denn bei heutigen Hubschraubern bleibt die Rotordrehzahl konstant, was sich laut TU Wien negativ auf den Spritverbrauch auswirkt. Deshalb hat man dort ein Getriebekonzept entwickelt, das nun den Flugverkehr revolutionieren soll. Zwei gekoppelte Planetengetriebe ermöglichen ein stufenloses Anpassen der Drehzahl, ganz ohne Kupplung. Vielleicht lassen sich damit Loopings leichter ausführen und für die Insassen steht die Welt dann wirklich kopf. Die Entwicklung wird nun nach jahrelanger Arbeit auf der Pariser Air Show SIAE, die vom 17. bis 23. Juni stattfindet erstmals der internationalen Luftfahrtbranche öffentlich präsentiert.

Doppelkupplungsgetriebe der Automobilindustrie sind nicht geeignet

„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.“

Deshalb 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 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 Energieeffizienz“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Michael Weigand vom ebenfalls vom Institut für Konstruktionswissenschaften & Produktentwicklung der TU Wien. „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.“

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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 berücksichtigt 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, wie es heißt, 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 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 Drehflügler in die Luft erhebt, ist allerdings mit einer Umsetzungsphase von 7 bis 12 Jahren zu rechnen, heißt es weiter. Ein wesentlicher erster Schritt sei jedenfalls durch die Aktivitäten des Forschungsbereichs Maschinenelemente und Luftfahrtgetriebe der TU Wien gesetzt.

* Weitere Informationen: Dr. Hanns Amri, Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung an der Technische Universität Wien in 1040 Wien

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Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Redakteur, MM MaschinenMarkt