de.wedoany.com-Bericht: Boeing hat bei der Festlegung der 777X-Konfiguration und der Vorstellung des physischen Testflugzeugs das Sägezahndesign an der Hinterkante der Triebwerksgondel gestrichen. In den 2013 veröffentlichten Konzeptbildern der 777X war die Hinterkante der GE9X-Triebwerksgondel mit einer Reihe von Sägezahnwellen versehen, ein Design, das damals bereits große Aufmerksamkeit erregte. Die Sägezähne waren ein markantes visuelles Merkmal der Boeing 787 und Boeing 747-8 und galten als wegweisende Lärmminderungstechnologie; dass die 777X darauf verzichtet, ist jedoch nicht auf Kompromisse bei Lärmvorschriften oder Umweltstandards zurückzuführen, sondern das Ergebnis der aerodynamischen Weiterentwicklung im vergangenen Jahrzehnt.
Die heißen, schnellen Abgase aus dem Kern eines Strahltriebwerks kollidieren mit der kühleren, langsameren Umgebungsluft und erzeugen turbulente aerodynamische Wirbel, die beim Start und im Steigflug niederfrequente Schallwellen abstrahlen. Anhang 16 der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) enthält entsprechende Regelungen zu Lärmproblemen. Die Sägezahnwellen an der Hinterkante der Gondel und der Hinterkante der Kerndüse ermöglichen eine verzahnte Vermischung des schnellen Abgasstroms mit der umgebenden Luft zwischen den dreieckigen Zähnen, zerlegen große turbulente Wirbel in kleine, kontrollierbare Wirbel und beschleunigen die Energiedissipation, wodurch der Mischlärm des niederfrequenten Strahls um 5 bis 6 Dezibel reduziert wird. Der Preis dafür ist, dass die induzierten Wirbel kinetische Energie des Abgasstroms verbrauchen und parasitären Widerstand erzeugen, was den Gesamtkraftstoffverbrauch voraussichtlich um etwa 0,5 % erhöht und zusätzliches Strukturgewicht, Fertigungskomplexität und Wartungspunkte mit sich bringt.
Die Abmessungen und die interne Konstruktion des GE9X-Triebwerks von General Electric sind der Schlüssel dafür, dass die Ingenieure auf die Sägezähne verzichten konnten. Der Lüfterdurchmesser des GE9X beträgt 134 Zoll (3,4 Meter), das Nebenstromverhältnis liegt bei etwa 10:1, sodass mehr Luft mit geringerer Gesamtgeschwindigkeit bewegt werden kann. Untersuchungen der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA zeigen, dass der Strahllärm exponentiell mit der Abgasgeschwindigkeit ansteigt; die Verringerung der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Abgasstrom und umgebender Atmosphäre kann die niederfrequente Schallabstrahlung an der Quelle reduzieren. Nachdem der Abgaslärm unter Kontrolle gebracht war, verlagerte sich die akustische Herausforderung auf die Lüfterblätter an der Triebwerksfront; GE Aerospace reduzierte die 22 Blätter des älteren GE90-115B auf 16 breite Sehnenblätter aus Kohlefaserverbundwerkstoff beim GE9X, um Einlass-Turbulenzen und das „Sägezahn“-Geräusch in der Kabine zu unterdrücken.
Safran hat für die 777X ein internes akustisches Behandlungssystem entworfen: Das Abgasgehäuse verwendet Titan-Düsenkomponenten, kombiniert mit einer leichten Verbundwerkstoff-Haut mit mikroperforierter Wabenstruktur als Innenverkleidung, die Schallwellen absorbiert, bevor sie die Gondel verlassen. Das interne Turbinengehäuse des GE9X verwendet hitzebeständige keramische Verbundwerkstoffe (CMCs), sodass der Kern bei höheren Temperaturen und engeren mechanischen Toleranzen arbeiten kann, wodurch interne aerodynamische Flattern und akustische Resonanzen reduziert werden. Die Kombination aus extrem hohem Nebenstromverhältnis und mikroperforierten Akustikauskleidungen ermöglicht es der 777X, strenge Lärmzertifizierungsanforderungen zu erfüllen und an lärmempfindlichen Drehkreuzflughäfen ohne Nachtflugverbote oder hohe Landegebühren zu operieren.
Internationale Großraumflugzeuge werden in der Regel 12 bis 16 Stunden pro Tag betrieben; multipliziert man den Schubverlust von 0,5 % mit den Tausenden von Langstreckenflügen, die die weltweite Flotte zweistrahliger Großraumflugzeuge jährlich absolviert, ergibt sich ein beträchtlicher Treibstoffaufwand, der sich über die jahrzehntelange Lebensdauer der Flugzeugzelle kontinuierlich ansammelt.
Der Verzicht auf die Sägezähne bringt zudem langfristige Einsparungen bei Wartung, Reparatur und Überholung (MRO). Die Zahnspitzen befinden sich im heißen, stark vibrierenden Abgasstrom und neigen nach Tausenden von Flugstunden zu Mikrorissen, Delamination des Verbundwerkstoffs und Kantenerosion; eine glatte, durchgehende Hinterkante vereinfacht die tägliche Vorflug-Linienkontrolle und reduziert den Reparaturaufwand für Verbundwerkstoffe über die dreißigjährige Einsatzzeit. Terry Beezhold, Chefingenieur des 777X-Programms, erklärte, das alternative Design biete „den gleichen Grad an Lärmkontrolle für Kabine und Umgebung, aber mit geringerem Gewicht und geringerem Luftwiderstand“.
Bei Triebwerken mit Sägezähnen besteht zudem ein Risiko hinsichtlich der Bodenfreiheit. Der äußere Gondeldurchmesser des GE9X beträgt 184 Zoll (4,7 Meter) und ist damit breiter als die Kabine einer Boeing 737; bei steilen Landungen, Rollmanövern mit einem Triebwerk und Seitenwindlandungen müssen die Ingenieure die physische Bodenmarge präzise steuern.
Herkömmliche Sägezähne nutzen einen Einzugswinkel von etwa 3 bis 5 Grad, um den Kernabgasstrom mit dem Nebenstromluftstrom zu vermischen, was die turbulente Abgasnachlaufhülle an der Gondelhinterkante vergrößert und den erforderlichen Abstand hinter dem Triebwerk verringert. Das glatte, bündige Düsenprofil am Heck hält den Abgasnachlauf kompakt; zusammen mit dem leicht abgeflachten unteren Gondelprofil kann Boeing die sichere Bodenfreiheit des Triebwerks aufrechterhalten, ohne das Hauptfahrwerk zu verlängern.
Das Verschwinden der Sägezähne an den Triebwerken der 777X markiert das Ende dieses visuellen Designs an Großraumflugzeugtriebwerken. Die Sägezähne dienten als Übergangstechnologie, die Hochbypass-Triebwerken half, die Lärmgrenzwerte städtischer Flughäfen einzuhalten, bevor Computational Fluid Dynamics (CFD) und interne Akustikmaterialien ausgereift waren.
Heute verwenden Boeing und Airbus bei allen Großraumflugzeugen glatte Gondeln: Die Airbus A350, A330-900 und die Boeing 777X ersetzen die sichtbaren Sägezähne durch interne mikroperforierte Schallabsorptionsstrukturen. CFD-Modellierung ermöglicht es Antriebsaerodynamikern, die akustischen Eigenschaften der internen Kanäle präzise zu kartieren und die Schallenergie im Triebwerkskanalgehäuse zu bündeln. Für künftige Antriebskonzepte – einschließlich Open-Rotor-Strukturen und Getriebefan-Triebwerken mit extrem hohem Nebenstromverhältnis – setzt sich der Ansatz fort, aerodynamische Probleme an der Strömungsquelle zu lösen, anstatt auf widerstandsbehaftete externe Reparaturmaßnahmen zurückzugreifen.
