Eerste Airbustoestel met zuiniger straalmotor

De nieuwe turbofan-straalmotor van Pratt & Whitney heeft een mechanische overbrenging waardoor de fan, die lucht door en langs te motor blaast, trager kan draaien. Dat maakt de motor bijna een vijfde efficiënter met brandstof en maakt hem stiller. Vliegtuigbouwer Airbus heeft zijn eerste vliegtuig dat met die motor is uitgerust, de Airbus320neo, geleverd aan Lufthansa.

De mechanische ingreep oogt simpel: door de fans van de straalmotor minder snel te laten draaien kunnen ze groter zijn en meer lucht verplaatsen. Toch was er dertig jaar voor nodig om het mogelijk te maken dat Airbus er een vliegtuig mee kon verkopen ('First A320neo delivery opens new era in commercial aviation')

Straalmotoren hebben vóór de verbrandingskamer een compressor die lucht in de verbrandingskamer perst. Achter de verbrandingskamer is een turbine die door de hete verbrandingsgassen wordt aangedreven en star gekoppeld is aan de compressor. Zo houden de uitstromende verbrandingsgassen zelf de aanvoer van samengeperste lucht in stand.

Naar achter blazen

'Turbofan' motoren hebben op dezelfde as bovendien een grote fan (noem het een ventilator of eventueel een propeller), die meehelpt lucht aanvoeren maar bovendien een luchtstroom langs de motor stuwt. Een deel van de werking is dus gebaseerd op het naar achteren blazen van onveranderde lucht, ten koste van de extreme snelheid van de hete verbrandingsproducten.

'Je kunt een bepaalde stuwkracht maken door een kleine massa lucht een grote versnelling te geven, of je kunt een grote massa lucht wat minder versnellen,' zegt Joris Melkert, docent luchtvaarttechniek aan de TU Delft. 'Het laatste is efficiënter.'

De fans zijn bovendien efficiënter naarmate ze groter zijn. Maar daar is een grens aan doordat de snelheid van de uiteinden van de fans dan ook toeneemt. 'Je komt in de problemen als je harder wilt gaan vliegen, de uiteinden van de fan komen dan in de buurt van de geluidssnelheid. Dat geeft verliezen en extreem lawaai,' aldus Melkert. 'Je moet proberen de snelheid van de uiteinden onder 80% van de geluidsnelheid te houden om binnen aanvaardbare grenzen te blijven.'

Vertraging

Om dit probleem het hoofd te bieden heeft Pratt & Whitney zijn nieuwste motoren, van het type PW1000G, van een overbrenging voorzien. Dat gebeurt met planeetwielen.

De fan is nu niet langer star verbonden met compressor en turbine maar draait drie keer zo langzaam. In vergelijking met concurrerende motoren kan de fan nu 20 tot 25% groter zijn zonder tegen problemen aan te lopen. Een belangrijke variable is de bypass ratio, de verhouding tussen hoeveelheid lucht die buiten de straalmotor om door de fan wordt versneld en de hoeveelheid die naar binnen wordt geblazen. Die verhouding is voor de PW1000G 12:1 tegen ongeveer 5:1 voor de concurrentie. Pratt & Whitney geeft dus ruim twee keer zoveel lucht die gunstige matige versnelling.

Volgens de fabrikant ('PurePower PW1000G Engine') leidt dit tot 17% brandstofbesparing. 'Luchtvaartmaatschappijen kunnen anderhalf miljoen dollar per toestel per jaar aan brandstof besparen,' stelt ingenieur Michael McCune van P&W in een video van Bloomberg. Daarnaast produceert de motor 20 dB minder herrie, wat bespaart op milieuheffingen en ruimere vliegmogelijkheden oplevert.

Extreem belast

McCune begon de ontwikkeling van deze techniek op 28-jarige leeftijd. Hij is nu 55. De lange ontwikkeltijd is onder andere nodig geweest om te voldoen aan de extreme eisen die in de luchtvaart gelden. Het is een radicale ingreep om een ingewikkeld mechanisch systeem als een planeetwielstelsel aan een straalmotor toe te voegen, een systeem dat bovendien extreem wordt belast. 'Er gaan gigantische vermogens doorheen,' zegt Joris Melkert. 'En dat zit dan voor het eerst in een turbofan.'

In 2008 is bij een test nog een compleet prototype van de motor opgeofferd door van de werkende motor een blad van de fan te laten afvliegen, om te zien of de overbrenging dat aankon. Dat bleek glansrijk het geval te zijn.

In de ontwikkeling is ongeveer tien miljard dollar geïnvesteerd. (Herbert Blankesteijn)