Moderne Antriebstechnologien in der Allgemeinen Luftfahrt - Dr. Helmut Richter - Dr. Helmut Richter Rolls-Royce Deutschland - Aviation @ TU Darmstadt
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Dr. Helmut Richter Moderne Antriebstechnologien in der Allgemeinen Luftfahrt Dr. Helmut Richter Rolls-Royce Deutschland
160
Moderne Antriebstechnologien
in der Allgemeinen Luftfahrt
14. Kolloquium Luftverkehr, TU Darmstadt, 31.01.2007
Dr. Helmut Richter
2
Inhalt
Die Rolls-Royce Gruppe
Rolls-Royce Deutschland
Rolls-Royce Antriebe für Geschäftsreiseflugzeuge
Der Markt der Geschäftsreiseflugzeuge
Rolls-Royce Produkt- und Technologiestrategie
161
3
Rolls-Royce – Vision
„Ein weltweit globaler Anbieter von Antriebs- und
Energiesystemen, der dem Anspruch seiner Kunden,
seiner Aktionäre und seiner Belegschaft
auch in den kommenden 100 Jahren gerecht wird.“
4
Rolls-Royce Gruppe
162
5
Rolls-Royce – Geschäftsfelder und Umsatz
Umsatz 9,4 Mrd. € (Zahlen aus 2005)
Sonstige Dienstleistungen 1%
Energie 8%
Schiffstechnik 17%
Militärische Luftfahrt 22%
Zivile Luftfahrt 52%
Rolls-Royce Auftragsbücher (fest u. angekündigt): 35 Mrd. €
6
Zunehmende Anwendungen für zivile Flugzeuge
Vor 25 Jahren Heute
Boeing 787 Airbus A380 Tupolev Tu-204 L-100
Boeing 747
MD-90 IPTN N-250
Boeing 777
Airbus A340-500/600
SAAB 2000
Boeing 717
Lockheed L-1011 Boeing 747-400
Airbus A330
EMB-RJ140
CRJ Legacy
Boeing 767-300ER
Airbus A321
Boeing 757 EMB-RJ145
Fokker 100
Boeing 757
Airbus A320
EMB-RJ135
Fokker 70
Fokker F28
Boeing 727RE Citation CJ1/CJ2
Airbus A319
Global Express
Gulfstream III Gulfstream 300/400 Gulfstream 500/550 Light turboprops
Raytheon
CitationJet SJ30 Premier 1 Light helicopters
163
7
Strategisch wichtige Standorte
mit kompletter Systemfähigkeit
Rolls-Royce – Derby, Großbritannien
Kompetenzzentrum für 3-Wellen-Triebwerke
Rolls-Royce North America – Indianapolis, Standort USA
Kompetenzzentrum für Turboshafts und kleine
2- Wellentriebwerke
Rolls-Royce Deutschland – Dahlewitz und Oberursel,
Deutschland
Kompetenzzentrum für 2-Wellen-Triebwerke und
Hochdruckverdichter
8
Rolls-Royce – Zivile Triebwerke
Derby
3-Wellen-Triebwerke
Trent 800 (95.000lb thrust) RB211-524 (60.000lb thrust)
Trent 900 (80.000lb thrust) Trent 500 (56.000lb thrust)
Trent 700 (72.000lb thrust) RB211-535 (43.000lb thrust)
Trent 1000 (53.000 - 70.000lb thrust)
164
9
Rolls-Royce – Zivile Triebwerke
Dahlewitz & Indianapolis
2-Wellen-Triebwerke
V2500* (25.000 - 33.000lb thrust) Spey (9.900 - 12.550lb thrust)
BR715 (18.500 - 21.000lb thrust) AE 3007 (8.600lb thrust)
BR710 (14.750 - 15.500lb thrust) AE 2100 (6.000 shp)
Tay (13.850 - 15.400lb thrust) Model 250 (420 - 715 shp)
1-Wellen-Triebwerk Dart (2.250 - 3.060 shp)
* Kooperationsprogramm
10
Rolls-Royce Deutschland
165
11
Wichtige Meilensteine
2005 Rolls-Royce verlagert V2500-Triebwerksprogramm nach Dahlewitz
2004 Erstes Tay 611-8C Triebwerk für Gulfstream G450 in Dahlewitz montiert
2003 Zuschlag für TP400-D6 als Antrieb für A400M
2002 Zuschlag für RTM322 als Antrieb für NH90
2000 BMW Rolls-Royce GmbH wird eine 100%ige Tochter der Rolls-Royce
Gruppe; Umbenennung in Rolls-Royce Deutschland
1998 Erstflug und Internationale Zulassung des BR715 Triebwerks
für die Boeing 717-200
1996 Internationale Zulassung des BR710-Triebwerks für die Gulfstream GV
1993 Eröffnung des Entwicklungs- und Montagezentrums Dahlewitz
1992 Liefervertrag mit Gulfstream Aerospace Corporation
1990 Gründung der BMW Rolls-Royce GmbH
12
Rolls-Royce Deutschland
Deutschlands einziger behördlich genehmigter
Triebwerkhersteller mit Entwicklungs-, Herstellungs-
und Instandhaltungsbetriebszulassung für moderne
zivile und militärische Turbinentriebwerke
Größtes Luftfahrt-Industrieunternehmen
im Osten Deutschlands
Entwicklungs- und Montagezentrum Mehr als 2.500 hochqualifizierte Arbeitsplätze in
in Dahlewitz Deutschland; mehr als 1.500 hochwertige, langfristig
gesicherte Arbeitsplätze in Brandenburg neu
geschaffen
Kompetenzzentrum für Zweiwellentriebwerke und
Hochdruckverdichter
Investitionen ~ 1,5 Mrd. €
Auftragsvolumen > 3,5 Mrd. €
Fertigungszentrum in Oberursel
Umsatz in 2005 899 Mio. €
166
13
Verantwortlichkeiten
BR710 BR715 V2500 Tay611-8C Spey Dart TP400-D6
RR-Anteil
Entwicklung *
Modul-Montage
Endmontage
Test
Auslieferung
nachhaltige
Produktbetreuung
Wartung und
Überholung
Partnerschaften
* V2500SelectSM Hochdruckverdichter-Entwicklung
14
Triebwerksauslieferungen
600
RTM322
500 V2500 40
Tay 38
BR715
400
BR710 200
30
180
300 106
80
20 84
118 68 2
200 12 56
40 8 4
77
25 24
20
100 12 204
22 172 175
125 150 126 137
109
78
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
* 2003: Tay=1
* 2007, 2008: Schätzungen
167
15
Triebwerke für Geschäftsreiseflugzeuge
16
Corporate Triebwerksanwendungen Entry Business Jets / FJ44
Bombardier Global Express / BR710
Gulfstream G550 / BR710
Gulfstream G450 / Tay
Embraer 145 RJ family
Embraer Legacy / AE3007A
Cessna Citation X / AE3007C
168
17
BR710 Triebwerk
Indienststellung: 1997 Auslieferungen: > 1000
Erstes in Deutschland entwickeltes und zugelassenes ziviles
Serienstrahltriebwerk
Markt für Geschäftsreiseflugzeuge mit sehr großer Reichweite
Hält zahlreiche Weltrekorde in Bezug auf Reichweite, Flughöhe und
Fluggeschwindigkeit
Triebwerk ist äußerst geräuscharm und weist sehr niedrige Emissionswerte auf
mehr als 1,6 Millionen Flugstunden absolviert mit 99,99 %
Abfertigungszuverlässigkeit
Schub 15,385lb
Fan Durchmesser 121,92cm
Nebenstromverhältnis 4,2
Gewicht 1.633kg
18
BR710 Triebwerk für...
Große Geschäftsreiseflugzeuge
Gulfstream G500 Gulfstream G550
Bombardier Global 5000 Bombardier Global Express169
BR710 – die leise Rekordmaschine 19
20
Tay Triebwerk
Indienststellung: 1988 Auslieferungen: > 1.660
Neueste Version des Tay 611-8C zugelassen in 2002 mit elektronischer
Triebwerksregelung (FADEC)
Übererfüllung aller modernen Umweltvorschriften, da sehr leise
und emissionsarm
Antrieb für Regionalflugzeuge und Geschäftsreiseflugzeuge
Endmontage des Tay 611-8C am Standort Dahlewitz seit 2002
Schub 13.850lb
Fan-Durchmesser 111,76cm
Nebenstromverhältnis 3,04
Gewicht 1.445kg170
21
Tay Triebwerk für...
Regionalflugzeuge
Fokker 100 Fokker 70 Boeing 727
Geschäftsreiseflugzeuge
Gulfstream G300 Gulfstream G350 Gulfstream G400 Gulfstream G450
22
Der Markt der Geschäftsreiseflugzeuge171
Airline & Corporate Geschäftmodelle im Vergleich23
Attraktivität des Triebwerksmarktes für Business Jets durch schnelleren Return on
Investment und geringere Abhängigkeit vom Betreuungsgeschäft
100%
• Front end loaded cash and profit
• Sole engine supplier
• No sales financing
Share of Total Present Value Return -
75% • More stable production
50%
%
25%
Corporate
Typical
0% Airline
0 to 5 6 to 10 11 to 15 16 - 20
Years after EIS
24
Auslieferungen auf historischem Höchststand
Quartalsweise Business Jet Auslieferungen 1996-2006
300
250 Four-Qtr 239
moving 226
average 212
200
196
200 187 190190
185 185
189
Number of Aircraft
176 176 176
167 168
164 163
155 152 153
145 147
150 132
140
133
140
124 125
121
114 116 116 115
109
98 100 101
100
79
71 73
60
50
0
1Q96
2Q96
3Q96
4Q96
1Q97
2Q97
3Q97
4Q97
1Q98
2Q98
3Q98
4Q98
1Q99
2Q99
3Q99
4Q99
1Q00
2Q00
3Q00
4Q00
1Q01
2Q01
3Q01
4Q01
1Q02
2Q02
3Q02
4Q02
1Q03
2Q03
3Q03
4Q03
1Q04
2Q04
3Q04
4Q04
1Q05
2Q05
3Q05
4Q05
1Q06
2Q06172
25
Zustand des Marktes für Business Jets
Auslieferungen in 2005 24,5% höher als 2004
Weiterer Produktionsanstieg erwartet:
>800 in 2006
Potential für >1000 in 2007
Zunehmende Globalisierung des Marktes
Auftragsbestände steigen, der Lieferhorizont beträgt
derzeit 18-24 Monate
Die mittelfristigen Aussichten sind positiv
Gute makro-ökonomische Rahmenbedingungen
Gebrauchte Flugzeuge kaum verfügbar
Die Hersteller sind profitabel
Wachsender Markt für “Fractional Ownership”
Business jet Segmentierung 26
nach maximalem Startgewicht
Aircraft class Indicative MTOW In production or launched
Microjet (5,000-10,000 lb) Citation Mustang, Eclipse 500, Adam 700,
Phenom 100/300
Entry (10,000-13,000lb) CJ1+, CJ2+, Premier 1, SJ30-2
Light (13,000-20,000lb) CJ3, Citation, Encore, Hawker400XP, Learjet 40
Light medium (20,000-33,000lb) Gulfstream 100, Gulfstream 150,
Citation XLS, Citation Sovereign, Hawker 850XP,
Learjet 45/XR, Learjet 60
Medium (33,000-50,000lb) Citation X, Legacy, Legacy Shuttle, Challenger 300,
Falcon 50EX, Falcon 2000, Gulfstream 200,
Hawker 850XP
Long range (50,000-80,000lb) Global 5000, Gulfstream 350/450, Challenger 605
Challenger 850 ELR, Falcon 2000EX, Falcon 900EX/DX
Very long range (80,000-100,000lb) Falcon 7X, Gulfstream 500, Gulfstream 550
Global Express-XRS
Bizliner (Over 100,000lb) A318CJ, A319CJ, BBJ1, BBJ2173
Entwicklung des Business Jet Markts 27
Historische Entwicklung und Prognose 1961-2025
1200
Actual (1961-2005) Forecast (2006-2025)
1000
BizJet market affected by
traditional business cycle
800
Number of Aircraft
Birth of fractionals, a/c
model development,
600 robust economy Assumed
business cycle
Speculative No new a/c development, downturns
400 Buying luxury tax capped
investment Strong future growth fueled by:
• Macro economy
Start of market • New bizjet models
200 transformation • Continuation of fractionals
‘Dead Zone’
• Retirements
Early market - immature • R.o.W. development
0
1987
1989
1991
1993
1995
1981
1983
1985
1997
1999
2001
2003
1977
1979
2005
2007
2009
1961
1963
1965
1967
1969
1971
1973
1975
2011
2013
2025
2015
2017
2019
2021
2023
28
Marktprognose für Business Jets
Prognose schreibt positive historische Entwicklung fort
Markttreiber sind makro-ökonomische Bedingungen, Einführung neuer
Flugzeug-Produkte, Entwicklung von Fraktional Ownership Modellen,
Entwicklung des persönlichen Wohlstands und die Globalisierung des
Marktes
Für alle Marktsegmente wird Wachstum vorhergesagt
Der Ersatz ausgemusterter Flugzeuge erhält größere Bedeutung
Marktwert und Stückzahlen:
2006-2015 2016-2025
Marktwert $156 Bn $188 Bn
Auslieferungen 11,500 12,500
16500 traditionelle Business Jets
7500 very light jets (Eclipse 500, Mustang, Phenom, others)174
Große Business Jets dominieren den Marktwert 29
Auslieferungen und Martwert (2006-2025)
Note: size of ball
$100,000
indicates total
Ultra Long delivered engine value
Range
$80,000
Long
Aircraft Delivery Value (millions)
Range
Medium
$60,000
Light
Medium
$40,000
Light
$20,000 VLJ
Bizliners
Entry
$-
0 2000 4000 6000 8000 10000
(2006 list prices) Number of Aircraft Deliveries
30
Produkt- und Technologiestrategie175
31
Rolls-Royce Technologie - ‘Vision’
Vision 5
Anwendung erprobter Technologien
Ableitungen und Verbesserungen
BR7XX Indienststellung ab 2007
Trent 1000
Vision 10
Neueste, validierte Technologien
Erprobung unter triebwerksnahen
ANTLE Bedingungen in Vorbereitung
Engine 3 E Demonstrator
Demonstrator Indienststellung ab 2010
Die ACARE Ziele
Vision 20
Beinhaltet neuartige, unerprobte
Halbierung des empfundenen Lärms
Technologien
CO2 -Reduktion pro Passagier- Nutzung von wissenschaftlichen
kilometer auf 50% und industriellen Netzwerken
NOX-Reduktion um 80% Indienststellung ab 2020
32
2-Wellen Triebwerksstrategie
Heute Vision 5 Vision 10 Vision20
V2500 - V2500 -
33000lb 33000lb Zukünftige
RB282 Series
EIS nach 2012 Produktfamilie
Triebwerksfamilien mit
BR715 - BR7XX - gemeinsamer Technologie-
22000lb >16500lb basis
Tay - BR710 -
14000l 15000lb
b
Technologieprogramme
AE3007 Brandenburg LuFo I-IV EU-FW 4-7
- 7000lb
UEET VAATE
verbesserte Technologien176
33
Wettbewerbsparameter des Triebwerksmarkts
Entwicklungskosten Voraussetzung Realisierbarkeit
Entwicklungszeit für ein Angebot des Projekts
Lärm, Emissionen
Qualifikation für die
Missionsfähigkeit, Marktzugang
Flugzeuganwendung
Zuverlässigkeit
Verkaufspreis Differenzierung gegen-
Betriebskosten Marktanteil
über Wettbewerbern
Herstellkosten Akzeptable Marge auf
Gewinn
Betreuungsgeschäft den Triebwerksumsatz
Der Markt für große Business Jets wird von hohen Missions- und
Zuverlässigkeitsanforderungen dominiert
Wettbewerb mehrerer Triebwerksmodelle an einer Plattform findet nicht statt,
Betriebskosten spielen eine untergeordnete Rolle
Herstellkosten und Verkaufspreis dominieren das Geschäftsmodell des
Triebwerksherstellers
34
Anforderungen treiben spezifische Triebwerkslösungen
Triebwerke für Regionalflugzeuge:
Anfangs-Reiseflughöhe 40kft, Reiseflugmachzahl >0,8
Betrieb mit niedriger Zyklenzahl/Jahr und langer Missionsdauer
Wirtschaftlichkeit getrieben von Missionsfähigkeit und Verfügbarkeit
Triebwerke mit mittlerem Nebenstromverhältnis (177
35
Zukünftige Rolls-Royce Zwei-Wellen Triebwerksfamilie
Die heutigen 2-Wellen Triebwerksfamilien (e.g. BR700, Tay, AE-series)
haben unabhängige Entwicklungshistorien und folgen daher keiner
konsistenten Technologiestrategie
Die zukünftige Rolls-Royce‘s 2-Wellen Triebwerksstrategie adressiert
einen Ersatz dieser Produkte durch ein neues Familienkonzept
Basis des Konzepts ist der Einsatz gemeinsamer, skalierbarer
Technologien nach dem Muster der erfolgreichen Trent-Familie
Ein globales Programm zur Technologieakquisition wird die
erforderlichen Technologien bis zum Ende des Jahrzehnts am Markt
verfügbar machen
Die neue Familie wird einen neuen Maßstab für geringe
Lebenszykluskosten setzen
Geringerer Missionsverbrauch durch besseren spezifischen Verbrauch und
attraktives Gewicht
Geringere Herstellungs- und Wartungskosten durch vereinfachte Architektur
Weiter reduzierte Lärm- und Schadstoffemissionen
Triebwerke unterhalb 6000lb Schub sind nicht Bestandteil des Portfolios
36
Die optimale Triebwerksarchitektur ist abhängig von Schub,
Gesamtdruckverhältnis und Nebenstromverhältnis
50
45 3 shaft engine
40
35
30
OPR
25 2 shaft engine - all axial HPC
20
2 shaft engine - axi-
axi-centrifugal HPC
15
10 2 shaft engine - centrifugal HPC
5
0
0 20 40 60 80 100 120
Thrust klbf178
Triebwerks-Basisarchitektur mit einstufiger 37
Hochdruckturbine ohne Niederdruckverdichter
niedrigste Kosten mit
beschränkter Leistungsfähigkeit
Axial-radiale Verdichterkonfigurationen sind attraktiv
für Triebwerke unterhalb etwa 10000lb Schub
38
Höhere Leistung und Effizienz durch
Niederdruckverdichter-Stufen
Kosten-und Gewichts- Schub-Flexibilität durch
erhöhung im Niederdruck- Anpassung der Zahl der
System NDV-Stufen179
Alternative: Kerntriebwerk mit 2-stufiger 39
Hochdruckturbine
Effizienzvorteile bei höheren Leistungsvermögen und
Kosten des Kerntriebwerks Kosten in ausgewogenem
Verhältnis
40
Schlüsseltechnologien
für die neue Triebwerksgeneration
Hochdruckverdichter (RRD und RRC)
Neue , skalierbare Verdichterfamilie auf der Basis einer
9-stufigen Konfiguration mit Druckverhältnis 22
Hochdruckturbine (RRD)
2-stufige Hochdruckturbine zum Antrieb des 9-stufigen
Hochdruckverdichters
1-stufige, transsonische Hochdruckturbine zum Antrieb
eines um 2 Stufen verkürzten Hochdruckverdichters mit
Druckverhältnis 15
Technologie für schadstoffarme Brennkammern (RRD und
RRC)
Neue Fantechnologien (RRplc und RRC)180
41
Rolls-Royce Technologiemanagement
Rolls-Royce
Strategic
Intent New Full Product Service
Product Concept Production Disposal
Realisation Support
Planning Definition
•Facilities
R&T Strategy •People/skills
Planning •Supply Chain New Capability Realisation
•Infrastructure
Technology Validation
Strategic Applied
RESEARCH
Research Research •Generic
AND
•Project Specific TECHNOLOGY
UNIVERSITY PROGRAMME
TECHNOLOGY
CENTRES
Global Academic
Network
Kerntriebwerksarchitektur der neuen Triebwerksgeneration
42
Skalierbares Kerntriebwerk
Nutzung der globalen Technologiebasis des
Architektur des 2-Wellen- Rolls-Royce Konzerns
Triebwerks der nächsten 9 stufiger Hochdruckverdichter, entwickelt in
Generation
Kooperation zwischen RRD und Rolls-Royce
Corporation
Schadstoffarme Brennkammer
2-stufige Hochdruckturbine
Für Turbofan-, Turboshaft- und Turboprop-
Anwendungen
Demonstration der Kerntriebwerkstechnologien
in LuFo III
Hochdruckverdichter181
43
Hochdruckverdichtertechnologie
Technologieverdichter Rig 639
3D-Schaufelprofilierung
(TP400, E3E)
Blisk-Trommel für E3E Kerntriebwerk
44
Brennkammertechnologie
Intern gestufte Magervormisch-
Brennkammer mit effusionsgekühlten
Schindeln (E3E)182
45
Hochdruckturbinentechnologie
Deckbandlose
Turbinenschaufel
mit 3D-Profil und
Endwandkonturierung
(E3E)
Temperature Temperature
(Steady) (Unsteady – Time Mean)
Einstufige transsonische
Instationäre Aerodynamik Hochdruckturbine (LuFo III)
46
Rolls-Royce Forschungsnetzwerk
Für seine anspruchsvollen Forschungsaufgaben benötigt
Rolls-Royce ein weltweites Netzwerk von Partnern in
Hochschulen und Forschungszentren
Seit 1987 hat Rolls-Royce sukzessive ein Netzwerk von
‘University Technology Centers’ (UTC) aufgebaut, in dem der
überwiegende Teil der angewandten wissenschaftlichen
Forschung stattfindet.
Auswahl auf der Basis wissenschaftlicher Exzellenz
Kritische Masse von erfahrenem Personal
Verläßliche Planung der Investitionsmittel
Gegenseitiges Verständnis des geschäftlichen/akademischen Umfeldes
Anspruchsvolle Ingenieursaufgaben für die wissenschaftliche Forschung
Training des Ingenieurnachwuchs
Dieses Netzwerk wird zunehmend globalisiert
Vorteile für Rolls-Royce und die Forschungspartner!183
Global Research network 47
Performance in a Seaway
Trondheim Hydrodynamics Lightweight Structures
Chalmers, Gothenberg and Materials Dresden
Multidisciplinary Process Heat Transfer and
High-Mach Propulsion Turbines Integration Cottbus Compressors, Noise, Aerodynamics
Purdue, USA Madrid Combustion Xi’an China
DLR - Germany
Combustor/Turbine
Interaction Darmstadt
Fuel Cell Systems Heat Exchangers Aerospace Materials
Genoa Korea Japan
Advanced Technology
Systems & Software Engineering Centre Singapore
York
Computational Fluid Dynamics Gas Turbine Transmission Control & Systems Engineering
Oxford Systems Nottingham Sheffield
Materials Partnership Manufacturing Technology
Solid Mechanics
Cambridge, Birmingham & Swansea Nottingham
Oxford
Vibration Materials Damping Technology University Gas Turbine Partnership (UGTP)
Imperial College Sheffield Cambridge UTCs
Electrical Power Systems Performance Advanced Manufacturing Research Centre
Strathclyde Sheffield AMRC
Research
Cranfield
centres
Advanced Electrical Machines and Drives Combustion Aerodynamics
Sheffield Loughborough
Electrical Systems for Extreme Environments Heat Transfer and Aerodynamics
Manchester Oxford (Osney lab)
Design Partnership Thermo-Fluid Systems Aero-Thermal Systems
Cambridge, Sheffield & Southampton Surrey Sussex
Noise
Southampton
48
Rolls-Royce Forschungsnetzwerk in Deutschland
RWTH Aachen BTU Cottbus
• Produktionstechnologie • UTC für multidisziplinäre
• Laser-Reparaturverfahren Prozessintegration
Dahlewitz
TU Darmstadt
• UTC für Combustor and TU Dresden
Aerothermal Turbine Oberursel • UTC für Leichtbaustrukturen
Interaction und Robustes Design
TU Karlsruhe
• Luft- und Ölsystem
• Kühlung
DLR (Köln, Stuttgart, Göttingen, Braunschweig, Berlin)
• Verbrennung
• Lärm
• Methoden zu Aerodynamik und Wärmeübergang
• Verdichter und Fan
• Messtechnologie und Tests (Verdichter/Brennkammer)184
49
Rolls-Royce Deutschland 2007
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