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Prima Klima im Dreamliner

Motoren für Luftfahrtanwendungen unterscheiden sich deutlich von Standard-Antrieben
Prima Klima im Dreamliner

Elf Kilometer über der Erdoberfläche ist die Luft sehr dünn. In der neuen Boeing 787 kommt eine spezielle Klimaanlage zum Einsatz, die lange Flugreisen für Passagiere noch erträglicher macht. Fürs gute Klima sorgen bürstenlose DC-Motoren, Stirnradgetriebe und Resolver-Kombinationen von Maxon Motor.

Klimasysteme in Flugzeugen umfassen die drei Systemkomponenten Luftaustausch, Druck- sowie Temperaturregelung. Um den Passagieren bei Flughöhen bis über 11 000 m die notwendige Atmosphäre in der Kabine mit genügend Luftdruck, einer ausreichenden Sauerstoffversorgung und einer angemessenen Umgebungstemperatur zu bieten, braucht es in jedem Verkehrsflugzeug ein Klimaregelsystem. Klimaanlagen in Flugzeugen unterscheiden sich deshalb grundlegend von den gewöhnlichen Klimaanlagen durch eine andere Konstruktion und eine Energiequelle mit wesentlich größerem Leistungsbedarf und höheren Sicherheitsanforderungen.

Sogenannte Druckkabinen in Verkehrsflugzeugen sorgen bei Passagieren für einen erträglichen Luftdruck. Der Umfang des Flugzeuges erweitert sich durch den Druckausgleich, was eine starke Belastung der Flugzeugzelle darstellt. Der Druck in der Kabine wird während des Fluges mit zunehmender Höhe kontinuierlich leicht abgesenkt. So erlebt der Passagier während des Fluges einen Höhenanstieg bis auf etwa 2400 m. Die Regelung der Klimaanlage hängt jedoch auch davon ab, wie viel Sauerstoff ein Mensch zum Leben braucht und wie viel Sitzplätze ein Flugzeug hat. Der Sauerstoff allein macht aber noch keine angenehme Atmosphäre aus. Die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit spielen eine bedeutende Rolle. Moderne Anlagen regeln die Temperatur computergesteuert bis auf 1 °C genau.
Der Flugzeughersteller Boeing mit Stammsitz in Chicago/Illinois hat im vergangenen Jahr ein neues Langstreckenflugzeug in Verkehr gesetzt: die Boeing 787, auch Dreamliner genannt. Der Rumpf des zweistrahligen Langstreckenflugzeugs besteht – wie kein anderes bisher – zu einem Großteil aus Kohlefasern. In diesem Flugzeug herrscht eine bessere Kabinenatmosphäre und andere Druckverhältnisse. Für den Menschen werden so Langstreckenflüge erträglicher.
Der neuartige Kunststoffkorpus des Flugzeugs ist laut Boeing stabiler als eine dünnwandige Aluminiumhülle und es herrscht ein Kabinendruck, der einer Höhe von 1800 m entsprechen soll. Das gilt als passagierfreundlicher als die üblichen 2400 m. Zudem lässt die korrosionsfeste Hülle im Innenraum statt der üblichen 4 % jetzt 15 % Luftfeuchtigkeit zu. Dementsprechend funktioniert auch das Klimasystem ein wenig anders. Bei der Boeing 787 wird die Luft nicht von den Triebwerken unter Druck bezogen, sondern direkt von außen in das Flugzeug geleitet. An Bord wird die Kabinenluft dann durch Elektromotoren betriebene Kompressoren für ein komfortables Flugerlebnis bereitgestellt. Die Klimaanlage wird also rein elektrisch betrieben.
Die Triebwerke haben zur Versorgung mit genügend Strom sehr starke Generatoren. Das Klimasystem für den Dreamliner wird von dem amerikanischen Klimaanlagen-Hersteller Hamilton Sundstrand hergestellt. Ein solches System liefert allein die Leistung, um 25 Privathaushalte zu kühlen beziehungsweise aufzuwärmen.
Motoren für Luft- und Raumfahrtanwendungen unterscheiden sich deutlich von Standardmotoren. Denn diese müssen große Temperaturschwankungen aushalten, Vibrationen widerstehen, über eine lange Lebensdauer verfügen und außerdem sehr zuverlässig sein. Insgesamt arbeiten 48 Maxon-Motoren in dem Klimakontrollsystem jeder Boeing 787. Spezifische Motorenmodifikationen waren für die hochkomplexe Klimaanlage notwendig. Dazu gehören Antriebe für die Kabinenbelüftung, für die Kühlung der Elektronik sowie für das Öffnen und Schließen des Lufteinlasses an der Flugzeugaussenseite.
Die Motoren müssen über das jahrzehntelange Betriebsleben des Flugzeugs Temperaturen von -55 °C bis +85 °C aushalten und auch den Vibrationen bei Start und Landung widerstehen können. Eine lange Lebensdauer ist daher absolut notwendig. Das Kabinenbelüftungssystem besteht aus 36 Absperrventilen, die von Maxon-EC-45-Flachmotoren angetrieben werden. Diese leichten Motoren wurden so konstruiert, dass sie aufgrund ihrer geringen Abmaße selbst in den kleinsten Raum passen. Die EC-Flachmotoren erreichen Drehzahlen von bis zu 20 000 min-1 und haben dank ihrer offenen Bauweise bei hohen Drehmomenten eine sehr gute Wärmedissipation. Im Fall des Klimaregelsystems von Hamilton Sandstrand erreichen die Motoren Drehzahlen von 9000 min-1. Speziell bei den in der Klimaanlage verbauten Flachmotoren wurde der Stator angepasst, die Leiterplatte wurde mit Tieftemperatur-Hallsensoren modifiziert und außerdem erhielt der Motor eine spezielle Schutzlackierung. Die Linearantriebe für die Lufteinlässe nutzen angepasste EC32-Motoren, die auch mit Tieftemperatur-Hallsensoren ausgestattet wurden. Außerdem gibt es eine Flammensperre bei der Abgangswelle des Motors, spezielle vibrationsresistente Befestigungsgewinde und Rastmomentmodule.
Anja Schütz Redakteurin der Maxon Motor AG, Sacheln/Schweiz
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1.2022
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