DE102008062088B4 - Device for energy recovery in aircraft engines during landing approach. - Google Patents

Device for energy recovery in aircraft engines during landing approach. Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung in Flugzeugtriebwerken beim Landeanflug, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebwerks-Fan beim Landeanflug unter Vermeidung von Verlusten durch die Verdichterstufe mit einem Stromgenerator verbunden ist, wobei der Generator eine Speichereinrichtung für elektrische Energie lädt, die Kondensatoren hoher Kapazität enthält und wobei die gespeicherte Energie zum Antrieb einer Gegenschub-Anlage Verwendung findet.Apparatus for power recovery in aircraft engines landing approach, characterized in that the engine fan is connected to the landing approach while avoiding losses through the compressor stage with a power generator, the generator loads an electrical energy storage device containing high capacity capacitors and wherein the stored energy is used to drive a counter-thrust system use.

Description

Flugzeuge verbrauchen, bezogen auf die Flugzeit, einen erheblichen Teil ihres Treibstoffs zur Gewinnung der Flughöhe, die dann mit dem Faktor des Gesamtgewichts als potenzielle Energie vorliegt.Aircraft consume a significant portion of their fuel in terms of flight time to obtain altitude, which is then represented by the factor of the total weight as potential energy.

Beim Landeanflug kann ein guter Teil dieser Energie dadurch zurückgewonnen werden, dass im Sinkflug die Kraftstoffzufuhr zu den Antrieben gedrosselt wird. Jedoch ist nicht immer ein gleitender Sinkflug möglich, so z. B. bei in Talkesseln liegenden Flughäfen, oder häufig auf Grund von Verkehrsbehinderungen. Andererseitsmuss in jedem Falle bis kurz vor dem Aufsetzen der Maschine eine Mindestgeschwindigkeit beibehalten werden, um die Flugstabilität zu erhalten.When landing, a good part of this energy can be recovered by throttling the fuel supply to the drives in descent. However, a sliding descent is not always possible, such. B. in airports located in the basins, or often because of traffic delays. On the other hand, a minimum speed must always be maintained until shortly before the machine is set up in order to maintain flight stability.

Bei großen Verkehrsmaschinen ergeben sich dadurch erhebliche Energiemengen, die kurz vor der Landung durch den Luftwiderstand speziell ausgefahrener Landeklappen, und nach dem Aufsetzen durch Bremsung der Räder, sowie durch Reversierung der Triebwerks-Abstahlrichtung und erneutem Energieaufwand für Gegenschub kompensiert werden müssen.In large transport vehicles, this results in considerable amounts of energy that must be compensated shortly before landing by the drag of specially extended flaps, and after touchdown by braking the wheels, as well as by reversing the engine-stinging direction and renewed energy expenditure for counter-thrust.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher, diese Energiemengen zu verringern, beziehungsweise weitgehend zurückzugewinnen.Object of the present invention is therefore to reduce these amounts of energy, or largely recover.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Triebwerks-Fans der Triebwerke zur gezielten Bremsung und Energie-Rückgewinnung eingesetzt werden.This is inventively achieved in that the engine fans of the engines are used for targeted braking and energy recovery.

Beim Landeanflug kann dabei die Wirkung der Landeklappen verringert, gegebenenfalls könnten diese auch weggelassen werden, soweit sie nicht für Stabilisierung des Auftriebs (gegen ”Durchsacken”) benötigt werden und der Landeanflug kann zur verbesserten Energie-Rekuperation steiler angelegt werden – was auch den Anforderungen erhöhter Luftverkehrsdichte entspricht.When approaching the landing flap effect can be reduced, if necessary, these could also be omitted, unless they are needed for stabilization of the buoyancy (against "sagging") and the landing approach can be applied steeper for improved energy recuperation - which also meets the requirements Air traffic density corresponds.

Bei weiter vergrößerten Nebenstromverhältnis kann damit die Bremswirkung der Landeklappen – und teilweise der mechanischen Bremsen und der Schubumkehr – durch die Bremswirkung des Elektro-Generators am Triebwerks-Fan kompensiert werden. Dabei ist es möglich, automatische Steuerungssysteme, die z. B. den Gierwinkel des Flugzeugs minimieren, dazu einzusetzen, den Widerstand der Generatoren und damit die Drehzahlabsenkung der Triebwerks-Fans zugunsten einer sicheren Fluglage nachzuregeln.With further increased bypass ratio so that the braking effect of landing flaps - and partly the mechanical brakes and the thrust reverser - can be compensated by the braking effect of the electric generator on the engine fan. It is possible, automatic control systems z. B. minimizing the yaw angle of the aircraft, to use to adjust the resistance of the generators and thus the speed reduction of the engine fans in favor of a safe attitude.

Dem kommt entgegen, dass moderne Jet-Antriebe ein zunehmend großes Luft-Nebenstromverhältnis und damit Triebwerks-Fans großen Durchmessers aufweisen, weiter dass die Entwicklung der Antriebe zu Geared Jetengines geht, bei denen Triebwerks-Fan- und Verdichter/Turbinenstufe durch ein Untersetzungsgetriebe für den Triebwerks-Fan getrennt sind.This is countered by the fact that modern jet engines have an increasingly large air bypass ratio and thus large diameter engine fans, further that the development of the drives is geared to Jetengines, where engine fan and compressor / turbine stage by a reduction gear for the Engine fan are disconnected.

Dieses Untersetzungsgetriebe ist in der Regel als Planetengetriebe ausgeführt und zwischen der Nabe des Triebwerks-Fans und der Verdichterstufe angeordnet.This reduction gear is usually designed as a planetary gear and arranged between the hub of the engine fan and the compressor stage.

Die Erfindungsgemäße Lösung bezieht sich deshalb darauf, die Abnahme für den Stromgenerator am entkoppelten Triebwerks-Fan vorzunehmen – wie dies bei Getriebeturbinen ohnehin der Fall sein wird, notfalls diesen zur Abnahme zu entkoppeln, oder die Verdichterstufe entweder auszukoppeln, oder durch einen Luft-Nebenschluss in ihrer Bremswirkung zu beschränken.The solution according to the invention therefore refers to undertaking the decrease for the power generator on the decoupled engine fan - as will anyway be the case with transmission turbines, if necessary decoupling this for acceptance, or decoupling the compressor stage either, or by an air shunt in to restrict their braking effect.

Zwar sind schon Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die dieses teilweise bewirken können, jedoch keine vollständige Lösung darstellen:
So offenbart US 2007/0101 721 A1 zwar den Antrieb von Flugzeugen auf dem Taxiway mit elektrischer Energie. Das verringert den Lärm und mag gegenüber einem Betrieb der Haupt-Antriebsaggregate energiesparend sein. Jedoch muss hier im Flugzeug gespeicherte oder durch ein Hilfsaggregat bereit gestellte Energie eingesetzt werden. Davon, dass so auch der Gegenschub zum Halt der Maschine bewirkt und auch davon, dass die dafür erforderliche Energie im Landeanflug rekuperiert werden soll, ist keine Rede und erscheint auch der Anlage nach kaum möglich.Although devices and methods are already known which can partially effect this, but do not represent a complete solution:
So revealed US 2007/0101 721 A1 Although the drive of aircraft on the taxiway with electrical energy. This reduces noise and may be energy efficient over operation of the main propulsion units. However, energy stored here in the aircraft or provided by an auxiliary unit must be used. From the fact that so also the counter-thrust to the halt of the machine causes and also from the fact that the energy required for it in the approach is to be recuperated, is out of the question and appears to the plant after hardly possible.

US 2008/0 200 299 A1 betrifft einen Hilfsturbinenantrieb (sog. APU) mit einem Doppelkupplungssystem und zwei Getriebestufen zur Leistungsanpassung. Zwar weist die Anordnung, insbesondere in der Schnittzeichnung, gewisse Ähnlichkeiten mit vorliegender Patentanmeldung auf – insbesondere weil es auch ein durch ein Getriebe unterteiltes Aggregat mit Generator ist. Aber es gibt hier keine Rekuperation und keine Energiespeicherung. US 2008/0 200 299 A1 relates to an auxiliary turbine drive (so-called APU) with a dual-clutch system and two gear stages for power adjustment. Although the arrangement, in particular in the sectional drawing, certain similarities with the present patent application - especially because it is also a subdivided by a gear unit with generator. But there is no recuperation and no energy storage here.

DE 10 2006 039 608 A1 wirkt ebenfalls ähnlich in der Anordnung mit Zwischengetriebe und Generator/Motor. Hier bezieht sich die Getriebe-Teilung aber nicht auf die Entkopplung des Fans vom Antrieb, um bei der Drehung des Fans im Luftstrom Energie zurück zu gewinnen und einspeichern zu können. Vielmehr ist hier eine Sicherheitsfunktion für ein mögliches Aussetzen des Triebwerks vorgesehen, um dann die Bewegung der Niederdruckwelle auf das Zubehörgetriebe zu übertragen, um notwendige Zusatzgeräte weiter betreiben zu können. Von Energiespeicherung und Rekuperation ist keine Rede. DE 10 2006 039 608 A1 also works similarly in the arrangement with intermediate gear and generator / motor. Here, the transmission pitch but does not refer to the decoupling of the fan from the drive to win back energy during the rotation of the fan in the air flow and store. Rather, a safety function for a possible suspension of the engine is provided here, in order then to transmit the movement of the low pressure shaft to the accessory gear to continue to operate necessary accessories can. There is no question of energy storage and recuperation.

US 2006/0 137 355 A1 benutzt zwar den ”windmilling”-Effekt des Fans, verbindet ihn aber über eine Kupplung auf der Turbinenachse mit einem Generator, der als Notstromaggregat fungiert. Da hier der Turbinenwiderstand erhalten bleibt, mag das System dafür ausreichen, notwendige Bordfunktionen aufrecht zu erhalten, eignet sich aber sicher nicht für die Wiedergewinnung von Energie im Landeanflug. Auch ist eine Energiespeicherung nicht vorgesehen. Zweifelhaft erscheint auch die Anordnung eines elektrischen Generators im heissen Abgasstrom des Triebwerks US 2006/0 137 355 A1 Although it uses the "windmilling" effect of the fan, but it connects via a clutch on the turbine axle with a generator that acts as an emergency generator. Since the turbine resistance is maintained here, the system may be sufficient to maintain necessary on-board functions, but is certainly not suitable for the recovery of energy in landing approach. Also, energy storage is not provided. The arrangement of an electric generator in the hot exhaust gas stream of the engine also seems doubtful

Das US-Patent 6.148.605 A befasst sich mit der Anwendung eines Teilergetriebes, um den Schubwiderstand bei einem Mantelstrom-Triebwerk mit hohem Bypassverhältnis bei der Schub– umkehr durch die geänderte Übersetzung für einen verstärkten Gegenschub zu konditionieren.The U.S. Patent 6,148,605 A deals with the use of a divider gear to condition the thrust drag in a high bypass ratio turbofan engine during reverse thrust through the changed gear ratio for increased counter thrust.

Auch hier – wie beim vorgenannten Stand der Technik – ist kein Ansatz für eine Energie-Rückgewinnung oder -Speicherung gegeben.Again, as in the aforementioned prior art, no approach for energy recovery or storage is given.

In einer bevorzugten Ausführung vorliegender Erfindung wird dagegen dem Planetengetriebe ein weiterer Planetensatz vorgesetzt und dessen Abtrieb zur Stromerzeugung verwendet, sowie der Abtrieb des Haupt-Planetensatzes zu Verdichterstufe freigeschaltet. Es ist aber auch möglich, den Generator direkt oder über eine Übersetzung – etwa durch Riemen- oder Kettenantrieb – mit der Achse des Triebwerks-Fans zu verbinden.In a preferred embodiment of the present invention, however, the planetary gear set a further planetary gear set and its output used to generate electricity, and unlocked the output of the main planetary gear set to compressor stage. But it is also possible to connect the generator directly or via a translation - such as belt or chain drive - with the axis of the engine fans.

In einer bevorzugten Ausführung des Generators sind magnetische Elemente auf einer Scheibe integriert, die, mit dem sekundären Planetenabtrieb verbunden, vor dem Planetengetriebe auf der Triebwerks-Fanachse frei rotiert. Ihr gegenüber sind Spulen auf eine fixierte Statorscheibe oder dem Getriebegehäuse montiert – ähnliche Anordnungen finden sich z. B. als integrierte Anlasser-Generatoren für Kraftfahrzeuge mit Start-Stop-Einrichtungen.In a preferred embodiment of the generator, magnetic elements are integrated on a disc which, connected to the secondary planetary output, freely rotates in front of the planetary gear on the fan fan axis. Their opposite coils are mounted on a fixed stator or the gear housing - similar arrangements can be found for. As integrated starter generators for motor vehicles with start-stop facilities.

Es sind aber auch Ausführungen mit anderen Anordnungen von Rotor und Stator möglich. Eine Anordnung im Mantelstrom, möglichst unmittelbar hinter dem Triebwerks-Fan und entfernt von den Brennkammern des Triebwerks, ist dabei jedoch hinsichtlich der gegen hohe Umgebungstemperaturen empfindlichen Permanentmagnete vorzuziehen.But there are also possible designs with other arrangements of rotor and stator. An arrangement in the sheath current, preferably immediately behind the engine fan and away from the combustion chambers of the engine, however, is preferable in terms of sensitive to high ambient temperature permanent magnets.

Der Generatorteil ist vorzugsweise elektrisch umsteuerbar, um auch als Anlasser nutzbar zu sein – was den Aufwand für diesen Teil der Einrichtung weit gehend kompensiert.The generator part is preferably reversible electrically to be used as a starter - which largely compensates for the expense of this part of the device.

Erfindungsgemäß wird die vor dem Touch-Down rekuperierte Bremsenergie zwischengespeichert, so dass sie nach dem Touch-Down zur Erzeugung von Gegendruck mit dem Triebwerks-Fan eingesetzt wird. Es kann so – je nach Auslegeng – eine ausreichende Schubumkehr erfolgen, ohne dazu die Turbinen erneut hochzufahren. Auf die aufwendigen Einrichtungen für die Schubumkehr könnte dann verzichtet werden. Die Energie dazu wird aus Gewichtsgründen, weil sie nur kurzfristig gespeichert werden muss und kurzzeitig eine hohe Energie-Auskopplung erforderlich ist, erfindungsgemäß in Kondensatoren hoher Kapazität (sog. ”Supercpas”) gespeichert.According to the invention, the recuperated before the touch-down braking energy is cached so that it is used after the touch-down to generate back pressure with the engine fan. Depending on the layout, sufficient thrust reversal can be achieved without restarting the turbines. The elaborate mechanisms for the thrust reverser could then be dispensed with. For reasons of weight, because of the fact that it only needs to be stored for a short time and that a high energy output is required for a short time, the energy for this purpose is stored according to the invention in capacitors of high capacity (so-called "supercpas").

Ferner ist es möglich, die zurückgewonnene Energie anderweitig nutzbringend zu speichern – z. B. in Lithium-Ionen-Batterien um den Betrieb von APUs während der Standzeit des Flugzeugs mit ihrem ungünstigem Wirkungsgrad und Energieverbrauch, sowie ihre Umweltbelastung durch Lärm und Abgase zu vermeiden.Furthermore, it is possible to otherwise profitably store the recovered energy - e.g. As in lithium-ion batteries to the operation of APUs during the life of the aircraft with its unfavorable efficiency and energy consumption, and to avoid their environmental impact of noise and emissions.

Eine nahe liegende Ausführung der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung 1 und näher erläutert:An obvious embodiment of the invention will be described below with reference to the drawing 1 and explained in more detail:

1 stellt dem Querschnitt durch ein Mantelstrom-Triebwerk 1 mit Planetengetriebe 2 zwischen Triebwerks-Fan 3 und Verdichterstufe 4, sowie Brennkammer 5 und Turbinenstufe 6 dar. 1 represents the cross section of a turbofan engine 1 with planetary gear 2 between engine fan 3 and compressor stage 4 , as well as combustion chamber 5 and turbine stage 6 represents.

Dem Planetengetriebe 2 ist ein erweiterter Planetensatz 7 zugeordnet, an den der Rotor 8 des Generators 9 angeflanscht ist, der über das Lager 10 frei auf der Triebwerks-Fanachse 11 dreht. Vor dem Rotor 8 des Generators 9 ist sein Stator 12 auf einem eigenen Träger angeordnet oder in den Getriebemantel 13 integriert. Vorzugsweise ist der Rotor 8 mit Permanentmagneten 14, 15 und der Stator 12 mit Generatorspulen 16 und 17 ausgeführt.The planetary gear 2 is an extended planetary gear set 7 assigned to the rotor 8th of the generator 9 flanged over the camp 10 free on the fan fan axis 11 rotates. In front of the rotor 8th of the generator 9 is his stator 12 arranged on a separate carrier or in the transmission casing 13 integrated. Preferably, the rotor 8th with permanent magnets 14 . 15 and the stator 12 with generator coils 16 and 17 executed.

Claims (13)

Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung in Flugzeugtriebwerken beim Landeanflug, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebwerks-Fan beim Landeanflug unter Vermeidung von Verlusten durch die Verdichterstufe mit einem Stromgenerator verbunden ist, wobei der Generator eine Speichereinrichtung für elektrische Energie lädt, die Kondensatoren hoher Kapazität enthält und wobei die gespeicherte Energie zum Antrieb einer Gegenschub-Anlage Verwendung findet.Apparatus for power recovery in aircraft engines landing approach, characterized in that the engine fan is connected to the landing approach while avoiding losses through the compressor stage with a power generator, the generator loads an electrical energy storage device containing high capacity capacitors and wherein the stored energy is used to drive a counter-thrust system use. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe durch einen schaltbaren Bypass in den geeigneten Phasen des Landeanfluges umgangen wird.Energy recovery device according to claim 1, characterized in that the compressor stage is bypassed by a switchable bypass in the appropriate phases of the landing approach. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verdichter- und Turbinenstufe vom Triebwerks-Fan entkoppelt sind. Apparatus for energy recovery according to claim 1, characterized in that the compressor and turbine stage are decoupled from the engine fan. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplung durch die Freilauf-Schaltung eines Zwischengetriebes erfolgt.Apparatus for energy recovery according to claim 3, characterized in that the decoupling is effected by the freewheeling circuit of an intermediate gear. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischengetriebe ein Planetengetriebe ist.Apparatus for energy recovery according to claim 4, characterized in that the intermediate gear is a planetary gear. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsabgriff durch einen zusätzlichen Planetensatz im Planetengetriebe erfolgt.Apparatus for energy recovery according to claim 1 and 5, characterized in that the power tap is effected by an additional planetary gear set in the planetary gear. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator, von der Brennkammer entfernt, im Mantel-Luftstrom angeordnet ist.A device for energy recovery according to claim 1, characterized in that the generator, away from the combustion chamber, is arranged in the jacket air flow. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 1 und 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator zwischen Triebwerks-Fan und Getriebe angeordnet ist.Apparatus for energy recovery according to claim 1 and 5 to 6, characterized in that the generator between the engine fan and transmission is arranged. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Steuerung der Generatoren entsprechend ausgestatteter Flugzeuge eine Richtungssteuerung im Landeanflug bewirkt wird.A device for energy recovery according to claim 1, characterized in that by controlling the generators of appropriately equipped aircraft directional control is effected in the landing approach. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung Lithium-Ionen-Batterien enthält.A device for energy recovery according to claim 1, characterized in that the storage device contains lithium-ion batteries. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenschub durch elektrischen Antrieb der Triebwerks-Fans bewirkt wird.Apparatus for energy recovery according to claim 1, characterized in that the counter-thrust is effected by electric drive of the engine fans. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Fans durch Umschaltung des jeweiligen Generators zur Funktion eines Antriebsmotors erfolgt.Apparatus for energy recovery according to claim 11, characterized in that the drive of the fans is effected by switching the respective generator to the function of a drive motor. Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator zur alternativen Verwendung als Antriebsmotor ausgelegt ist und dass der auf motorische Funktion umschaltbare Generator als Startermotor Verwendung findet.Apparatus for energy recovery according to claim 1, characterized in that the generator is designed for alternative use as a drive motor and that the switchable to motor function generator is used as a starter motor.
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