DE102012015104A1 - Thruster of vehicle e.g. aircraft, has rechargeable power supply unit that is arranged to temporarily exclusive power supply of electric machine arrangement which directly-drives compressor - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugtriebwerk, ein Fahrzeug mit einem solchen Fahrzeugtriebwerk und ein Verfahren zum Betrieb dieses Fahrzeugtriebswerkes. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft als Antrieb von Luftfahrzeugen und wird im Zusammenhang mit solchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass das Fahrzeugtriebwerk auch unabhängig von der Art des Fahrzeugs Verwendung finden kann.The present invention relates to a vehicle engine, a vehicle having such a vehicle engine, and a method of operating this vehicle engine. The invention is particularly advantageous as a propulsion of aircraft and is described in connection with such. It should be noted that the vehicle engine can also be used regardless of the type of vehicle.
Aus dem Stand der Technik sind Triebwerke zum Antrieb von Fahrzeugen bekannt, welche zumindest einen Verdichter zur Verdichtung eines Arbeitsfluidstroms aufweisen. Der hohe nutzleistungsspezifische Leistungsverbrauch, einiger dieser Fahrzeugtriebwerke wird mitunter als problematisch empfunden.Engines for driving vehicles are known from the prior art, which have at least one compressor for compressing a working fluid flow. The high utility-specific power consumption of some of these vehicle engines is sometimes perceived as problematic.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeugtriebwerk mit Verdichter zur Verfügung zu stellen, welches bei geringerem nutzleistungsspezifischem Leistungsverbrauch betreibbar ist.It is an object of the invention to provide a vehicle engine with compressor which is operable with lower power consumption specific to power.
Die Aufgabe wird durch ein Fahrzeugtriebwerk gemäß Anspruch 1 gelöst. Anspruch 7 beschreibt ein Fahrzeug mit diesem Fahrzeugtriebwerk. Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Betriebsverfahren für dieses Fahrzeugtriebwerk gemäß Anspruch 8. Zu bevorzugende Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by a vehicle engine according to
Erfindungsgemäß weist das nachfolgend beschriebene Fahrzeugtriebwerk, welches insbesondere als Luftfahrzeugtriebwerk ausgebildet sein kann, zumindest einen Verdichter mit wenigstens einer Verdichterstufe auf. Dieser Verdichter ist ausgestaltet, einem Arbeitsfluidstrom, welcher diesen Verdichter zumindest zeitweise durchströmt, zumindest zeitweise Leistung zuzuführen, insbesondere diesen Arbeitsfluidstrom zumindest zeitweise zu verdichten. Das Fahrzeugtriebwerk weist eine Elektromaschinenanordnung mit wenigstens einer Elektromaschine auf. Diese Elektromaschinenanordnung ist zum, insbesondere direkten, insbesondere mechanischen, insbesondere zeitweise ausschließlichen, Antreiben dieses Verdichters ausgestaltet. Das Fahrzeugtriebwerk weist zumindest eine, insbesondere wiederaufladbare, Energieversorgungseinrichtung auf. Diese Energieversorgungseinrichtung ist zur, insbesondere zeitweise ausschließlichen, elektrischen Leistungsversorgung dieser Elektromaschinenanordnung ausgestaltet.According to the invention, the vehicle engine described below, which may be designed in particular as an aircraft engine, has at least one compressor with at least one compressor stage. This compressor is designed to at least temporarily supply power to a working fluid flow which at least temporarily flows through this compressor, at least temporarily to compress this working fluid flow, at least temporarily. The vehicle engine has an electric machine arrangement with at least one electric machine. This electric machine arrangement is designed for, in particular direct, in particular mechanical, in particular temporary exclusive, driving this compressor. The vehicle engine has at least one, in particular rechargeable, energy supply device. This power supply device is designed for, in particular temporary, exclusive electrical power supply of this electric machine arrangement.
WirkweiseMode of operation
Bei zahlreichen bekannten Fahrzeugantrieben wird Nutzleistung zum Antreiben des Fahrzeuges durch eine Wärmekraftmaschine bereitgestellt. Bei zahlreichen bekannten Wärmekraftmaschinen wird die Wandlung von zur Verfügung gestellter chemischer gebundener Leistung in mechanisch nutzbare Leistung durch einen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere einen offenen Kreisprozess beschrieben. Hierbei wird ein Verdichter mittelbar derart versorgt, dass ein einem Verbrennungsvorgang nachgeschalteter Energiewandler, beispielsweise eine Turbine, mechanische Leistung bereitstellt. Diese Wandlung von chemische gebundene in mechanisch nutzbare Leistung geht üblicherweise mit Verlusten einher und führt zu schlechteren Kernwirkungsgraden, bei Wärmekraftmaschinen auch als thermischer Wirkungsgrad bezeichnet.In many known vehicle drives useful power is provided for driving the vehicle by a heat engine. In many known heat engines, the conversion of provided chemically bound power into mechanically usable power by a thermodynamic cycle, in particular an open cycle process is described. Here, a compressor is indirectly supplied such that a combustion process downstream energy converter, such as a turbine, provides mechanical power. This conversion of chemically bound into mechanically usable power is usually associated with losses and leads to poorer nuclear efficiencies, referred to in thermal engines as thermal efficiency.
Erfindungsgemäß erfolgt der Antrieb dieses Verdichters durch diese Elektromaschinenanordnung, welche insbesondere unabhängig von einer Turbine, dem Verdichter Leistung zur Verfügung stellt. Die Bereitstellung mechanischer Leistung durch diese Elektromaschinenanordnung in Verbindung mit der elektrischen Energieversorgungseinrichtung kann mit einem höheren Kernwirkungsgrad erfolgen, als es mit einer Wärmekraftmaschine möglich wäre. Der Kernwirkungsgrad ergibt sich aus den Komponentenwirkungsgraden der Elektromaschinenanordnung und der Energieversorgungseinrichtung. Dieser Verdichter kann erfindungsgemäß effizienter mit mechanischer Leistung versorgt werden. Die benötigte mechanische Leistung zum Betrieb des Verdichters wird nicht wie üblich einer, einem Verbrennungsprozess nachgeschalteten Turbine entnommen, sondern aus einer Elektromaschinenanordnung bezogen. Die Verluste bei der Umwandlung von zur Verfügung gestellter elektrischer Leistung in mechanisch vom Verdichter nutzbare Leistung sind geringer als die mehrfache Umwandlung von üblicherweise mittels eines Kraftstoffs zur Verfügung gestellter chemischer Energie, weiter in thermische Energie des Arbeitsfluidstroms, weiter in mechanisch verfügbare Leistung einer Turbine. So ist der Gesamtwirkungsgrad, besonders der Kernwirkungsgrad, dieses Fahrzeugtriebwerks verbessert, der nutzleistungsspezifische Leistungsverbrauch gesenkt, und die zugrunde liegende Aufgabe gelöst.According to the invention, this compressor is driven by this electric machine arrangement, which provides power to the compressor, in particular independently of a turbine. The provision of mechanical power by this electric machine arrangement in conjunction with the electrical power supply device can be done with a higher nuclear efficiency than would be possible with a heat engine. The nuclear efficiency results from the component efficiencies of the electric machine assembly and the power supply device. This compressor can be supplied according to the invention more efficient with mechanical power. The required mechanical power for operating the compressor is not taken as usual from a turbine connected downstream of a combustion process, but is obtained from an electric machine arrangement. The losses in the conversion of electrical power provided to power usable mechanically by the compressor are less than the multiple conversion of common chemical energy provided by a fuel, further into thermal energy of the working fluid stream, further into mechanically available turbine power. Thus, the overall efficiency, especially the nuclear efficiency, of this vehicle engine is improved, the utility-specific power consumption is lowered, and the underlying object is achieved.
Definitionen definitions
Unter dem Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugtriebwerks im Sinne der Erfindung ist zu verstehen das Verhältnis aus zugeführter Leistung, insbesondere elektrischer Leistung oder chemisch gebundener Leistung, zu Vortriebsleistung (Vortriebsleistung = Schubkraft × Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs).Under the overall efficiency of the vehicle engine in the context of the invention is to understand the ratio of supplied power, in particular electrical power or chemically bound power to propulsion power (propulsive power = thrust × speed of movement of the vehicle).
Unter dem Vortriebswirkungsgrad im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, das Verhältnis aus der Leistung im Arbeitsfluidstrom (Strahlleistung) zu der Vortriebsleistung.Under the propulsion efficiency in the context of the invention is to be understood, the ratio of the power in the working fluid flow (blasting power) to the propulsive power.
Unter dem Kernwirkungsgrad im Sinne der Erfindung ist zu verstehen das Verhältnis aus zugeführter Leistung, insbesondere elektrische Leistung oder chemisch gebundene Leistung, zu der Leistung im Arbeitsfluidstrom.Under the nuclear efficiency in the context of the invention is to understand the ratio of power supplied, in particular electrical power or chemically combined power to the power in the working fluid stream.
Unter einem Komponentenwirkungsgrad im Sinne der Erfindung ist das Verhältnis aus zugeführter Leistung zu nutzbarer Leistung einer Komponente zu verstehen.A component efficiency in the sense of the invention means the ratio of supplied power to usable power of a component.
Unter einem Verdichter im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere
- • zur Zufuhr von Leistung an diesen Arbeitsfluidstrom ausgestaltet ist, und/oder
- • zur Verdichtung, insbesondere zur Steigerung des Totaldrucks (die Summe aus statischem und dynamischem Druck), insbesondere zur Verzögerung, dieses Arbeitsfluidstroms ausgestaltet ist.
- • Is designed to supply power to this working fluid stream, and / or
- • For the compression, in particular for increasing the total pressure (the sum of static and dynamic pressure), in particular for the delay, this working fluid flow is configured.
Unter einem Arbeitsfluidstrom im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Massenstrom oder Volumenstrom zu verstehen, welcher zumindest zeitweise, insbesondere während des Betriebs des Fahrzeugtriebwerks, das Fahrzeugtriebwerk, insbesondere den Verdichter, durchströmt. Insbesondere kann dieser Arbeitsfluidstrom Luft, insbesondere im Umgebungszustand, ein Gas, ein Gasgemisch, Sauerstoff, ein Oxidationsmittel, eine Flüssigkeit und/oder Wasser, aufweisen. Dieser Arbeitsfluidstrom ist vorgesehen, in das Fahrzeugtriebwerk bzw. in diesen Verdichter einzutreten, von diesem Verdichter verdichtet zu werden und anschließend aus diesem Verdichter auszutreten. Später tritt dieser Arbeitsfluidstrom aus dem Fahrzeugtriebwerk aus.A working fluid flow in the sense of the invention is to be understood in particular as meaning a mass flow or volume flow which flows through the vehicle engine, in particular the compressor, at least temporarily, in particular during operation of the vehicle engine. In particular, this working fluid stream may comprise air, in particular in the ambient state, a gas, a gas mixture, oxygen, an oxidizing agent, a liquid and / or water. This working fluid flow is intended to enter the vehicle engine or compressor, to be compressed by this compressor and then exit from this compressor. Later, this working fluid stream exits the vehicle engine.
Unter einer Elektromaschinenanordnung im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Anordnung mit einer oder mehreren Elektromaschinen zu verstehen. Die Elektromaschinenanordnung bzw. deren Elektromaschine sind ausgestaltet, zugeführte elektrische Leistung in mechanische Leistung zu wandeln. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Elektromaschine mit einem Läufer und einem Stator ausgebildet. Diese mechanische Leistung dient dem Antrieb dieses Verdichters, insbesondere zur Verdichtung dieses Arbeitsfluidstroms. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist diese wenigstens eine Elektromaschine als Drehstrommotor, Asynchronmotor, Synchronmotor, Wechselstrommotor, Gleichstrommotor ausgebildet.An electric machine arrangement within the meaning of the invention is to be understood in particular as meaning an arrangement having one or more electric machines. The electric machine arrangement or its electric machine are designed to convert supplied electric power into mechanical power. Preferably, the at least one electric machine is formed with a rotor and a stator. This mechanical power is used to drive this compressor, in particular for the compression of this working fluid flow. According to a preferred refinement, this at least one electric machine is designed as a three-phase motor, an asynchronous motor, a synchronous motor, an AC motor, a DC motor.
Unter einer Energieversorgungseinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere zur Bereitstellung elektrischer Energie bzw. elektrischer Leistung an diese Elektromaschinenanordnung dient.An energy supply device in the sense of the invention is to be understood as a device which serves in particular for supplying electrical energy or electrical power to this electric machine arrangement.
Unter dieser Schubkraft sind im Sinne der Erfindung auch eine Vortriebskraft oder eine Auftriebskraft zu verstehen. Diese Schubkraft dient insbesondere zur Beschleunigung eines Fahrzeugs und/oder zur Überwindung einer Widerstandskraft, welche der Bewegung des Fahrzeugs entgegenwirken kann. Unter dieser Widerstandskraft sind auch zu verstehen:
- • eine Reibkraft, insbesondere eine Reibkraft aus Gleitreibung, Rollreibung oder aus einem das Fahrzeug umströmenden Fluid,
- • einer Gravitationskraft, oder eine entsprechende Kraftkomponente, welche auf das Fahrzeug wirkt,
- • eine Widerstandskraft aus einem Druck oder Staudruck, welche entgegen der Bewegung des Fahrzeugs gerichtet ist.
- A friction force, in particular a friction force from sliding friction, rolling friction or from a fluid flowing around the vehicle,
- A gravitational force, or a corresponding force component, which acts on the vehicle,
- • A resistance force from a pressure or back pressure, which is directed against the movement of the vehicle.
Bevorzugte AusgestaltungenPreferred embodiments
Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Vorteile beschrieben.Hereinafter, preferred embodiments of the invention and their advantages will be described.
Vorzugsweise ist der Verdichter wenigstens teilweise, besonders bevorzugt zeitweise ausschließlich, durch die Elektromaschinenanordnung antreibbar. Der nutzleistungsspezifische Energieverbrauch dieser bevorzugten Ausgestaltung ist verringert. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil eines erhöhten Kernwirkungsgrades des Fahrzeugtriebwerks.Preferably, the compressor is at least partially, more preferably temporarily exclusively driven by the electric machine assembly. The utility-specific energy consumption of this preferred embodiment is reduced. This preferred embodiment offers the advantage of increased nuclear efficiency of the vehicle engine.
Vorzugsweise weist dieser Verdichter wenigstens eine oder mehrere Verdichterstufen auf. Vorzugsweise weist diese Verdichterstufe einen beschaufelten Rotor auf, insbesondere ausgebildet als eine rotierende Schaufelreihe, welcher zur Rotation um eine Längsachse dieser Verdichterstufe bzw. dieses Verdichters gelagert ist. Vorzugsweise weist diese Verdichterstufe einen, dem Rotor insbesondere nachgeschalteten, beschaufelten Stator auf, insbesondere ausgebildet als nicht rotierende Schaufelreihe. Preferably, this compressor has at least one or more compressor stages. Preferably, this compressor stage has a bladed rotor, in particular designed as a rotating blade row, which is mounted for rotation about a longitudinal axis of this compressor stage or this compressor. Preferably, this compressor stage has a bladed stator, in particular connected downstream of the rotor, in particular designed as a non-rotating blade row.
Vorzugsweise weist der Verdichter ein beschaufeltes Vorleitgitter auf, dessen Schaufeln um Achsen, insbesondere senkrecht zur Rotationsachse des Verdichters angeordnet, verdrehbar sind. Vorzugsweise ist dieses Vorleitgitter am Eintritt des Verdichters angeordnet. Vorzugsweise ist dieses Vorleitgitter dem ersten Rotor des Verdichters vorgeschaltet.Preferably, the compressor has a bladed Vorleitgitter whose blades are arranged about axes, in particular perpendicular to the axis of rotation of the compressor, rotatable. Preferably, this Vorleitgitter is arranged at the inlet of the compressor. Preferably, this Vorleitgitter is connected upstream of the first rotor of the compressor.
Vorzugsweise weist dieser Verdichter mindestens zwei oder mehrere dieser Verdichterstufen auf, welche je diesen beschaufelten Rotor aufweisen, wobei besonders bevorzugt die Rotoren dieser mindestens zwei Verdichterstufen mit entgegengesetztem Drehsinn bzw. gegenläufig rotieren können. Besonders bevorzugt weisen wenigstens einige dieser Verdichterstufen keine Statoren auf. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil einer geringeren Anzahl von Bauteilen, geringeren Gewichts, eines bezüglich der Rotationsachse des Verdichters geringen Abmessung bzw. Länge und/oder geringer Herstellkosten.Preferably, this compressor has at least two or more of these compressor stages, which each have this bladed rotor, wherein particularly preferably the rotors of these at least two compressor stages can rotate in opposite directions of rotation or in opposite directions. More preferably, at least some of these compressor stages have no stators. This preferred embodiment offers the advantage of a smaller number of components, lower weight, a small dimension or length and / or lower production costs with respect to the rotational axis of the compressor.
Vorzugsweise weist dieser Verdichter mindestens zwei oder mehrere dieser Verdichterstufen auf, welche je diesen beschaufelten Rotor aufweisen, wobei besonders bevorzugt die Rotoren dieser mindestens zwei Verdichterstufen mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten rotieren können.Preferably, this compressor has at least two or more of these compressor stages, which each have this bladed rotor, wherein particularly preferably the rotors of these at least two compressor stages can rotate at different angular velocities.
Vorzugsweise weist dieser Verdichter wenigstens 5 dieser Verdichterstufen auf, weiter bevorzugt wenigstens 10, weiter bevorzugt wenigstens 20, weiter bevorzugt wenigstens 50 Verdichterstufen auf. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass eine höhere Verdichtung des Arbeitsfluidstroms erreichbar ist.Preferably, this compressor has at least 5 of these compressor stages, more preferably at least 10, more preferably at least 20, even more preferably at least 50 compressor stages. This preferred embodiment offers the advantage that a higher compression of the working fluid flow can be achieved.
Vorzugsweise ist dieser Verdichter ausgestaltet, den Totaldruck des Arbeitsfluidstroms so zu erhöhen, dass das Totaldruckverhältnis qt
Vorzugsweise ist diese Elektromaschinenanordnung ausgebildet, insbesondere zeitweise ausschließlich aus dieser Energieversorgungseinrichtung leistungsversorgt zu werden.Preferably, this electric machine arrangement is designed to be supplied with power, at least temporarily, exclusively from this power supply device.
Vorzugsweise ist die Elektromaschinenanordnung zum zeitweise ausschließlichen Antrieb des Verdichters ausgebildet.Preferably, the electric machine arrangement is designed for temporarily exclusive drive of the compressor.
Vorzugsweise dient diese Energieversorgungseinrichtung zumindest zeitweise zur ausschließlichen elektrischen Leistungsversorgung dieser Elektromaschinenanordnung.This power supply device preferably serves at least temporarily for the exclusive electrical power supply of this electric machine arrangement.
Vorzugsweise ist diese Energieversorgungseinrichtung mit einer Batterie, einem Kondensator, einem Doppelschichtkondensator, einer Brennstoffzelle und/oder einer Spule ausgebildet.Preferably, this power supply device is formed with a battery, a capacitor, a double-layer capacitor, a fuel cell and / or a coil.
Vorzugsweise weist die Energieversorgungseinrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche ausgestaltet ist, die Bereitstellung von Energie durch diese Energieversorgungseinrichtung zu steuern.The energy supply device preferably has a control device which is designed to control the provision of energy by this energy supply device.
Vorzugsweise weist die Energieversorgungseinrichtung eine Anschlusseinrichtung auf, wobei die Anschlusseinrichtung der elektrischen Verbindung mit der Elektromaschinenanordnung dient.The energy supply device preferably has a connection device, wherein the connection device serves for the electrical connection to the electric machine arrangement.
Vorzugsweise weist das Fahrzeugtriebwerk eine Austrittsdüse auf, welcher bezüglich des Arbeitsfluidstroms nach dem Verdichter angeordnet sein kann. Die Austrittsdüse weist eine Austrittsöffnung für den Arbeitsfluidstrom auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Größe der Querschnittfläche der Austrittsöffnung veränderbar. Die Austrittsdüse dient insbesondere dazu, Druck im Arbeitsfluidstrom in kinetische Energie zu wandeln.Preferably, the vehicle engine has an outlet nozzle, which may be arranged downstream of the compressor with respect to the working fluid flow. The outlet nozzle has an outlet opening for the working fluid flow. According to a preferred embodiment, the size of the cross-sectional area of the outlet opening is variable. The outlet nozzle is used in particular to convert pressure in the working fluid stream into kinetic energy.
Vorzugsweise weist das Fahrzeugtriebwerk eine Verbrennungseinrichtung auf. Diese Verbrennungseinrichtung ist bezüglich des Arbeitsfluidstroms, insbesondere unmittelbar, nach diesem Verdichter angeordnet. Die Verbrennungseinrichtung ist zumindest von einem Teil des Arbeitsfluidstroms durchströmbar. Die Verbrennungseinrichtung ist zur Aufnahme und Verbrennung eines insbesondere zeitabhängigen Kraftstoffstroms ausgestaltet. Weiter ist die Verbrennungseinrichtung zur Zufuhr von insbesondere thermischer Energie bzw. Leistung zu diesem Arbeitsfluidstrom ausgestaltet, wobei die dem zugeführten Kraftstoffstrom chemisch gebundene Energie in thermische Energie gewandelt wird. Die Verbrennungseinrichtung ist ausgestaltet, dem Arbeitsfluidstrom nach dessen Austritt aus dem Verdichter weitere Energie bzw. Leistung zuzuführen, wodurch die Temperatur des Arbeitsfluidstroms erhöht werden kann. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die vom Fahrzeugtriebwerk bereitstellbare Schubkraft, unabhängig von der dem Verdichter zugeführten elektrischen Leistung, mittels des zugeführten Kraftstoffstroms steuerbar ist. The vehicle engine preferably has a combustion device. This combustion device is arranged with respect to the working fluid flow, in particular immediately after this compressor. The combustion device can be flowed through by at least part of the working fluid flow. The combustion device is configured for receiving and burning a fuel flow which is in particular time-dependent. Furthermore, the combustion device is configured to supply, in particular, thermal energy or power to this working fluid flow, the energy chemically bound to the supplied fuel flow being converted into thermal energy. The combustion device is configured to supply further energy or power to the working fluid stream after it leaves the compressor, as a result of which the temperature of the working fluid flow can be increased. This preferred embodiment has the advantage that the thrust provided by the vehicle engine, regardless of the electrical power supplied to the compressor, is controllable by means of the supplied fuel flow.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Verbrennungseinrichtung ausgestaltet, nur zeitweise mit einem Kraftstoffstrom versorgt zu werden, insbesondere nur bei Bedarf, insbesondere wenn die mittels des Verdichters erreichbare Schubkraft für die Bewegung eines Fahrzeugs mit diesem Fahrzeugtriebwerk nicht ausreicht. Insbesondere wird der Betrag des Kraftstoffstroms abhängig vom Betrag wenigstens einer, mehrerer oder der Summe aller dieser Widerstandskräfte, welche auf das Fahrzeug einwirken, gesteuert.According to a preferred embodiment, the combustion device is designed to be supplied only temporarily with a fuel flow, especially only when needed, especially if the achievable by means of the compressor thrust force for the movement of a vehicle with this vehicle engine is not sufficient. In particular, the amount of fuel flow is controlled depending on the amount of at least one, several or the sum of all of these drag forces acting on the vehicle.
Vorzugsweise ist dieser Verdichter bezüglich des Arbeitsfluidstroms unmittelbar vor einer Verbrennungseinrichtung angeordnet, sodass der Arbeitsfluidstrom nach Verlassen dieses Verdichters insbesondere direkt in diese Verbrennungseinrichtung eintritt. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der Druck des Arbeitsfluidstroms am Austritt aus diesem Verdichter im Wesentlichen dem Druck des Arbeitsfluidstroms am Eintritt in diese Verbrennungseinrichtung entspricht.Preferably, this compressor is arranged with respect to the working fluid flow immediately before a combustion device, so that the working fluid stream enters after leaving this compressor in particular directly into this combustion device. This preferred embodiment offers the advantage that the pressure of the working fluid stream at the outlet from this compressor substantially corresponds to the pressure of the working fluid stream at the inlet to this combustion device.
Die Energieversorgungseinrichtung wirkt als unabhängige Energiequelle zur Versorgung des Fahrzeugtriebwerks, neben dem Kraftstoff. Indem die Energieversorgungseinrichtung mittelbar den Verdichter versorgt, welcher dem Arbeitsfluidstrom Leistung zuführen kann, kann der Anteil der durch die Verbrennungseinrichtung verringert werden. Damit kann die Emission von Abgasen durch das Fahrzeugtriebwerk vorteilhaft verringert werden.The power supply device acts as an independent energy source for supplying the vehicle engine, in addition to the fuel. By the power supply means indirectly supplying the compressor which can supply power to the working fluid flow, the proportion of the combustion means can be reduced. Thus, the emission of exhaust gases by the vehicle engine can be advantageously reduced.
Vorzugsweise weist das Fahrzeugtriebwerk eine, insbesondere schnellaufende, Turbine auf, insbesondere als Arbeitsturbine bezeichnet, wenn von dieser Turbine Nutzleistung entnommen wird. Die Turbine bzw. Arbeitsturbine dient insbesondere zur Entnahme von Leistung aus diesem Arbeitsfluidstrom.The vehicle engine preferably has a turbine, in particular a high-speed turbine, in particular designated as a power turbine, when useful power is taken from this turbine. The turbine or power turbine is used in particular for the removal of power from this working fluid flow.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Arbeitsturbine mechanisch vom, insbesondere elektrisch betriebenen, Verdichter, insbesondere ausgebildet als Mitteldruckverdichter oder Hochdruckverdichter, entkoppelt. Vorzugsweise ist die Arbeitsturbine ausgestaltet, mechanische Leistung im Wesentlichen ausschließlich als Nutzleistung zur Verfügung zu stellen, und insbesondere einem Vortriebs- und/oder Auftriebserzeuger zuzuführen. So braucht die Arbeitsturbine nicht Leistung für den Verdichter bereitzustellen. Üblicherweise würde eine Arbeitsturbine den Turbinen, welche die Leistung für die Mitteldruck- und Hochdruckverdichter mechanisch gekoppelt bereitstellen, nachgeschaltet sein und dadurch im weniger energiereichen Arbeitsfluidstrom bei bereits entspanntem Druck arbeiten. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann die Arbeitsturbine bei hohem Druck arbeiten, so dass in vorteilhafter Weise bei gleicher Nutzleistung die Turbineneintrittstemperatur reduziert werden kann und somit der nutzleistungsspezifische Leistungsverbrauch des Fahrzeugtriebwerkes reduziert ist.In a preferred embodiment, the power turbine is mechanically decoupled from, in particular electrically operated, compressor, in particular designed as a medium-pressure compressor or high-pressure compressor. Preferably, the power turbine is configured to provide mechanical power essentially exclusively as useful power, and in particular to supply it to a propulsion and / or buoyancy generator. Thus, the power turbine does not need to provide power for the compressor. Usually, a power turbine would be downstream of the turbines, which provide the power for the medium-pressure and high-pressure compressor mechanically coupled, and thus work in less energetic working fluid flow at already relaxed pressure. In this preferred embodiment, the power turbine can operate at high pressure, so that advantageously the turbine inlet temperature can be reduced with the same net power and thus the benefit-specific power consumption of the vehicle engine is reduced.
In einer alternativen, bevorzugten Ausgestaltung ist die Arbeitsturbine ausgestaltet, den Verdichter, insbesondere ausgebildet als Mitteldruckverdichter oder Hochdruckverdichter, nur teilweise mit mechanischer Leistung zu versorgen. So braucht die Arbeitsturbine die mechanische Leistung für den Verdichter nicht vollständig bereitzustellen.In an alternative, preferred embodiment, the power turbine is designed to provide the compressor, in particular as a medium-pressure compressor or high-pressure compressor, only partially with mechanical power. Thus, the power turbine does not need to fully provide the mechanical power for the compressor.
Vorzugsweise weist diese Arbeitsturbine wenigstens eine oder mehrere Turbinenstufen auf. Vorzugsweise weist diese Turbinenstufe zumindest einen beschaufelten Rotor auf, insbesondere ausgebildet als eine rotierende Schaufelreihe, wobei der Rotor zur Rotation um eine Längsachse dieser Turbinenstufe bzw. diese Arbeitsturbine gelagert ist. Vorzugsweise weist diese Turbinenstufe eine dem Rotor vorgeschalteten beschaufelten Stator, insbesondere als nicht rotierende Schaufelreihe ausgebildet, auf.Preferably, this power turbine has at least one or more turbine stages. Preferably, this turbine stage has at least one bladed rotor, in particular designed as a rotating blade row, wherein the rotor is mounted for rotation about a longitudinal axis of this turbine stage or this power turbine. Preferably, this turbine stage has a bladed stator upstream of the rotor, in particular designed as a non-rotating blade row.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist für die Arbeitsturbine eine oder mehrere dieser Turbinenstufen auf, welche gemeinsam zur Entspannung des Arbeitsfluidstroms dienen. Vorzugsweise weist die Arbeitsturbine eine dieser Turbinenstufen auf, weiter bevorzugt wenigstens 2, weiter bevorzugt wenigstens 5, weiter bevorzugt wenigstens 10, weiter bevorzugt wenigstens 15, weiter bevorzugt wenigstens 50 Turbinenstufen. Die Arbeitsturbine ist ausgestaltet, den Arbeitsfluidstrom zu entspannen.According to a preferred embodiment, one or more of these turbine stages, which together serve to relax the working fluid flow, are provided for the power turbine. Preferably, the power turbine has one of these turbine stages, more preferably at least 2, more preferably at least 5, more preferably at least 10, more preferably at least 15, more preferably at least 50 turbine stages. The power turbine is configured to relax the working fluid stream.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Arbeitsturbine ungekühlt ausgeführt, wodurch insbesondere der apparative Aufbau des Fahrzeugtriebwerks verringert ist. Der Kühluftstrom muss von einem Verdichter bereitgestellt werden. Eine Verringerung der Kühlluft steigert den Verdichterwirkungsgrad. Eine Verringerung des Kühlluftmassenstroms steigert den Turbinenwirkungsgrad. Eine Verringerung des Kühlluftmassenstroms verringert den Bedarf an Turbinenleistung und senkt damit den Kraftstoffverbrauch/Leistungsverbrauch des Verdichters und senkt den leistungsspezifischen Leistungsverbrauch.According to a preferred embodiment, the power turbine is designed uncooled, whereby in particular the apparatus construction of the vehicle engine is reduced. The cooling air flow must be provided by a compressor. A reduction of the cooling air increases the compressor efficiency. A reduction of the cooling air mass flow increases the turbine efficiency. A reduction in the mass flow of cooling air reduces the need for turbine power and thus reduces the fuel consumption / power consumption of the compressor and lowers the power-specific power consumption.
Alternativ ist die Arbeitsturbine, insbesondere wenigstens eine ihrer Turbinenstufen, wenigstens bereichsweise kühlbar ausgestaltet, insbesondere abhängig von der Turbineneintrittstemperatur, insbesondere oberhalb einer Turbineneintrittstemperatur von 1300 K, wodurch insbesondere die Dauerhaltbarkeit der Arbeitsturbine verbessert ist.Alternatively, the power turbine, in particular at least one of its turbine stages, at least partially designed coolable, in particular depending on the turbine inlet temperature, in particular above a turbine inlet temperature of 1300 K, which in particular the durability of the power turbine is improved.
Vorzugsweise weist das Fahrzeugtriebwerk einen Vortriebserzeuger und/oder einen Auftriebserzeuger auf. Der Vortriebserzeuger und/oder der Auftriebserzeuger sind ausgestaltet, zumindest zeitweise eine Schubkraft Fs bereitzustellen.The vehicle engine preferably has a propulsion generator and / or a lift generator. The propulsion generator and / or the lift generator are configured to provide a thrust force F s at least at times.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist dieser Vortriebserzeuger bzw. dieser Auftriebserzeuger als offener oder ummantelter, einstufiger oder mehrstufiger, insbesondere gegenläufig Propeller oder Niederdruckverdichter, auch „Fan” oder „Gebläse” genannt, ausgebildet. Dieser Propeller fördert einen Fluidstrom, insbesondere Luft, zumindest zeitweise entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs bzw. entgegen einer Gravitationskraft oder einer entsprechenden Kraftkomponente.According to a preferred embodiment of this propulsion generator or this lift generators as open or jacketed, single-stage or multi-stage, in particular counter-rotating propeller or low-pressure compressor, also called "fan" or "fan" is formed. This propeller promotes a fluid flow, in particular air, at least temporarily contrary to the direction of travel of the vehicle or against a gravitational force or a corresponding force component.
Unter einem Fan im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein beschaufelter Rotor zu verstehen, welcher ein Fluid, insbesondere Luft, zumindest zeitweise entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs bzw. entgegen einer Gravitationskraft oder einer entsprechenden Kraftkomponente fördern kann. Der Fanfluidstrom, das ist der Fluidstrom durch den Fan, erfährt lediglich eine geringere Druckerhöhung, geringer im Vergleich zu der Druckerhöhung, welche der Arbeitsfluidstrom mittels des Verdichters erfährt. Der Fanfluidstrom ist vorzugsweise deutlich größer als der Arbeitsfluidstrom (Kernfluidstrom). Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der Vortriebswirkungsgrad erhöht ist.A fan in the sense of the invention is to be understood in particular as meaning a bladed rotor which can convey a fluid, in particular air, at least temporarily against the direction of travel of the vehicle or against a gravitational force or a corresponding force component. The fan fluid flow, that is the fluid flow through the fan, experiences only a lower pressure increase, less in comparison to the pressure increase experienced by the working fluid flow by means of the compressor. The fan fluid stream is preferably significantly larger than the working fluid stream (core fluid stream). This preferred embodiment has the advantage that the propulsion efficiency is increased.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Fan und/oder Propeller bzgl. des Arbeitsfluidstroms vor dem Verdichter angeordnet. Insbesondere teilt sich der Fanfluidstrom nach dem Fan in den Arbeitsfluidstrom durch den Verdichter, insbesondere Kernfluidstrom genannt, und einen Mantelstrom auf. Insbesondere trifft der Mantelstrom später wieder auf den Arbeitsfluidstrom. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass eine größer Mantelstrom kann den Vortriebswirkungsgrad steigern. Vorteilhaft ist diese bevorzugte Ausgestaltung mit der zweiten bevorzugten Ausgestaltung kombinierbar.According to a preferred embodiment, the fan and / or propeller is arranged in front of the compressor with respect to the working fluid flow. In particular, the fan fluid stream after the fan divides into the working fluid stream through the compressor, in particular called the core fluid stream, and a jacket stream. In particular, the sheath flow later meets the working fluid flow again. This preferred embodiment has the advantage that a larger sheath flow can increase the propulsion efficiency. Advantageously, this preferred embodiment can be combined with the second preferred embodiment.
Vorzugsweise weist der Vortriebserzeuger und/oder Auftriebserzeuger eine Getriebeeinrichtung auf. Die Getriebeeinrichtung ist vorzugsweise als Planetengetriebe ausgestaltet. Die Abtriebswelle der Getriebeeinrichtung ist mit dem Vortriebserzeuger und/oder Auftriebserzeuger mechanisch verbunden. Die Eingangswelle der Getriebeeinrichtung ist mechanisch mit der Elektromaschinenanordnung und/oder der Arbeitsturbine verbindbar. Die Getriebeeinrichtung ermöglicht es, bei niedriger Drehzahl des Vortriebserzeuger und/oder Auftriebserzeuger, die mechanisch gekoppelte Arbeitsturbine schneller rotierend betreiben zu können. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil einer geringeren Stufenzahl und eine reduzierten Baulänge.
Vorzugsweise weist die wenigstens eine dieser Elektromaschinen der Elektromaschinenanordnung einen Läufer und einen Stator auf. Der Stator ist gehäusefest angeordnet. Der Läufer ist bezüglich des Stators drehbar gelagert und zur Übertragung von mechanischer Leistung bzw. eines Drehmoments an den Verdichter ausgestaltet.Preferably, the at least one of these electric machines of the electric machine arrangement has a rotor and a stator. The stator is fixed to the housing. The rotor is rotatably mounted with respect to the stator and designed for transmitting mechanical power or a torque to the compressor.
Vorzugsweise ist der Läufer, insbesondere stoffschlüssig oder kraftschlüssig, mit einem dieser beschaufelten Rotoren einer dieser Verdichterstufen verbunden, insbesondere einstückig mit einem dieser beschaufelten Rotoren ausgebildet.Preferably, the rotor, in particular cohesively or non-positively, connected to one of these bladed rotors one of these compressor stages, in particular integrally formed with one of these bladed rotors.
Vorzugsweise weist der Verdichter mehrere dieser Verdichterstufen auf.Preferably, the compressor has a plurality of these compressor stages.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung sind die beschaufelten Rotoren von wenigstens einer, zwei oder mehreren dieser Verdichterstufen miteinander derart verbindbar, dass diese Rotoren durch dieselbe Elektromaschine angetrieben werden können. Vorzugsweise sind die Rotoren dieser wenigstens einer, zwei oder mehreren Verdichterstufen miteinander, insbesondere kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, verbindbar. Vorzugsweise sind die Rotoren dieser wenigstens einer, zwei oder mehreren Verdichterstufen mit dem Läufer derselben Elektromaschine verbindbar. Vorzugsweise ist der Läufer wenigstens einer dieser Elektromaschinen mit einem dieser beschaufelten Rotoren, insbesondere kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, verbindbar. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass durch die, insbesondere turbinenunabhängige, frei wählbare Drehgeschwindigkeit des Läufers der Elektromaschine insbesondere die dem Verdichter zugeführte Leistung reguliert werden kann. Des Weiteren kann durch die frei wählbare Drehgeschwindigkeit der Verdichter in vorteilhafter Weise auf den aerodynamischen und thermischen Zustand des Arbeitsfluidstroms, welcher in den Verdichter eintritt, angepasst werden. Dies bietet den Vorteil eines erhöhten Komponentenwirkungsgrads des Verdichters im Auslegungspunkt und im operationellen Betrieb.According to a first preferred embodiment, the bladed rotors of at least one, two or more of these compressor stages are connectable to one another such that these rotors can be driven by the same electric machine. Preferably, the rotors of these at least one, two or more compressor stages with each other, in particular non-positively and / or cohesively, connectable. Preferably, the rotors of these at least one, two or more compressor stages are connectable to the rotor of the same electric machine. Preferably, the rotor of at least one of these electric machines with one of these bladed rotors, in particular non-positively and / or cohesively, connectable. This preferred embodiment has the advantage that, in particular, the power supplied to the compressor can be regulated by the, in particular turbine-independent, freely selectable rotational speed of the rotor of the electric machine. Furthermore, the freely selectable rotational speed of the compressor can advantageously be adapted to the aerodynamic and thermal state of the working fluid flow entering the compressor. This offers the advantage of increased component efficiency of the compressor at the design point and in operational operation.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung sind die Verdichterstufen, mit je einem beschaufelten Rotor aber ohne Statoren ausgebildet und wenigstens zwei, insbesondere gegenläufigen, Gruppen von Verdichterstufen zugeordnet. Die beschaufelten Rotoren einer ersten Gruppe von Verdichterstufen sind miteinander derart verbindbar, dass diese Rotoren durch eine erste dieser Elektromaschinen angetrieben werden können. Vorzugsweise sind die Rotoren der ersten Gruppe miteinander, insbesondere kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, verbindbar, insbesondere verschraubt. Die beschaufelten Rotoren einer zweiten Gruppe von Verdichterstufen sind miteinander derart verbindbar, dass diese Rotoren durch eine zweite dieser Elektromaschinen angetrieben werden können. Vorzugsweise sind die Rotoren der zweiten Gruppen miteinander, insbesondere kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, verbindbar. Vorzugsweise ist wenigstens eine Verdichterstufe der ersten Gruppe benachbart zu einer Verdichterstufe der zweiten Gruppe angeordnet. Vorzugsweise können die Rotoren der ersten Gruppe gegenläufig zu den Rotoren der zweiten Gruppe rotieren. Vorzugsweise ist der Läufer wenigstens einer dieser Elektromaschinen mit einem dieser beschaufelten Rotoren, insbesondere kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, verbindbar. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass durch die, insbesondere turbinenunabhängige, frei wählbaren Drehgeschwindigkeiten der wenigsten zwei, insbesondere gegenläufigen, Läufers der wenigsten zwei Elektromaschinen die dem Verdichter zugeführte Leistung reguliert werden kann. Des Weiteren kann durch die frei wählbaren Drehgeschwindigkeiten der insbesondere gegenläufigen Gruppen in vorteilhafter Weise auf den aerodynamischen und thermischen Zustand des Arbeitsfluidstroms, welcher in den Verdichter eintritt, angepasst werden. Dies bietet den Vorteil eines erhöhten Komponentenwirkungsgrads des Verdichters im Auslegungspunkt und im operationellen Betrieb. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet weiterhin den Vorteil, dass zum Erreichen des gleichen Verdichterdruckverhältnisses wie ein üblicher, nicht-gegenläufig ausgeführter Verdichter, weniger Verdichterstufen notwendig sind, so dass in vorteilhafter Weise die Abmessung bzw. Länge des Verdichters bezüglich seiner Längsachse bzw. Rotationsachse verringert ist.According to a second preferred embodiment, the compressor stages, each with a bladed rotor but without stators and at least two, in particular opposite, assigned groups of compressor stages. The bladed rotors of a first group of compressor stages are connectable to each other such that these rotors can be driven by a first of these electric machines. Preferably, the rotors of the first group are connected to one another, in particular non-positively and / or materially, connectable, in particular screwed. The bladed rotors of a second group of compressor stages are connectable to each other such that these rotors can be driven by a second of these electric machines. Preferably, the rotors of the second groups are connectable to one another, in particular non-positively and / or materially. Preferably, at least one compressor stage of the first group is arranged adjacent to a compressor stage of the second group. Preferably, the rotors of the first group can rotate in opposite directions to the rotors of the second group. Preferably the runner of at least one of these electric machines with one of these bladed rotors, in particular non-positively and / or cohesively, connectable. This preferred embodiment has the advantage that can be regulated by the, in particular turbine-independent, freely selectable rotational speeds of the least two, in particular counter-rotating rotor of the least two electric machines, the power supplied to the compressor. Furthermore, can be adjusted by the freely selectable rotational speeds of the particular counter-rotating groups in an advantageous manner to the aerodynamic and thermal state of the working fluid stream, which enters the compressor. This offers the advantage of increased component efficiency of the compressor at the design point and in operational operation. This preferred embodiment also has the advantage that fewer compressor stages are necessary to achieve the same compressor pressure ratio as a conventional, non-counter-rotating compressor, so that advantageously the dimension or length of the compressor with respect to its longitudinal axis or axis of rotation is reduced.
Gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung können die beschaufelten Rotoren von wenigstens einer, zwei oder mehreren dieser Verdichterstufen, aufweisend je einen beschaufelten Rotor und je einen beschaufelten Stator, durch eine, zwei oder mehrere unabhängige dieser Elektromaschinen, insbesondere mit unterschiedlichen Drehzahlen, angetrieben werden. Vorzugsweise können die Rotoren dieser wenigstens zwei Verdichterstufen unabhängig voneinander um die Rotationsachse des Verdichters rotieren. Vorzugsweise ist der Läufer wenigstens einer dieser Elektromaschinen mit je einem dieser beschaufelten Rotoren, insbesondere kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, verbindbar. Vorzugsweise sind die Rotoren von wenigstens zwei benachbarten dieser Verdichterstufen durch einen Stator beabstandet Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass durch die, insbesondere turbinenunabhängige, frei wählbaren Drehgeschwindigkeiten der Läufer der Elektromaschinen die dem Verdichter, insbesondere die der Verdichterstufe, zugeführte Leistung reguliert werden kann. Des Weiteren kann durch die frei wählbaren Drehgeschwindigkeiten der beschaufelten Rotoren in vorteilhafter Weise auf den aerodynamischen und thermischen Zustand des Arbeitsfluidstroms, welcher in den Verdichter, insbesondere in die Verdichterstufe, eintritt, angepasst werden. Dies bietet den Vorteil eines erhöhten Komponentenwirkungsgrads des Verdichters im Auslegungspunkt und im operationellen Betrieb. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet weiterhin den Vorteil, dass zum Erreichen des gleichen Verdichterdruckverhältnisses wie ein üblicher, einheitlich rotierender Verdichter, weniger Verdichterstufen notwendig sind, so dass in vorteilhafter Weise die Abmessung bzw. Länge des Verdichters bezüglich seiner Längsachse bzw. Rotationsachse verringert ist. Weiterhin bietet diese bevorzugte Ausgestaltung den Vorteil, dass die aerodynamische und mechanische Belastung der individuell rotierenden Rotoren verringert werden kann. Weiteren ermöglicht die bevorzugte Ausgestaltung den Vorteil, dass bei Ausfall wenigstens eine der Elektromaschinen, die funktionierenden Rotoren der Verdichterstufen über die Regulierung der Drehgeschwindigkeit an den neuen Betriebszustand angepasst werden können.According to a third preferred embodiment, the bladed rotors of at least one, two or more of these compressor stages, each comprising a bladed rotor and a respective bladed stator, can be driven by one, two or more independent ones of these electric machines, in particular at different speeds. Preferably, the rotors of these at least two compressor stages can rotate independently about the axis of rotation of the compressor. Preferably, the rotor of at least one of these electric machines with one of these bladed rotors, in particular non-positively and / or cohesively, connectable. Preferably, the rotors of at least two adjacent of these compressor stages are spaced by a stator. This preferred embodiment offers the advantage that the power supplied to the compressor, in particular that of the compressor stage, can be regulated by the, in particular turbine-independent, freely selectable rotational speeds of the rotor of the electric machines. Furthermore, the freely selectable rotational speeds of the bladed rotors can advantageously be adapted to the aerodynamic and thermal state of the working fluid stream entering the compressor, in particular into the compressor stage. This offers the advantage of increased component efficiency of the compressor at the design point and in operational operation. This preferred embodiment also has the advantage that, to achieve the same compressor pressure ratio as a conventional, uniformly rotating compressor, fewer compressor stages are necessary, so that advantageously the dimension or length of the compressor is reduced with respect to its longitudinal axis or axis of rotation. Furthermore, this preferred embodiment has the advantage that the aerodynamic and mechanical load of the individually rotating rotors can be reduced. Furthermore, the preferred embodiment allows the advantage that in case of failure at least one of the electric machines, the functioning rotors of the compressor stages on the regulation of the rotational speed can be adapted to the new operating condition.
Gemäß einer vierten bevorzugten Ausgestaltung können die beschaufelten Rotoren von wenigstens zwei oder mehreren dieser Verdichterstufen, aufweisend je einen beschaufelten Rotor aber keinen Stator, welche zueinander benachbart sind, durch je eine unabhängige dieser Elektromaschinen, insbesondere zueinander gegenläufig, angetrieben werden. Vorzugsweise ist der Läufer wenigstens einer dieser Elektromaschinen mit einem dieser beschaufelten Rotoren, insbesondere kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, verbindbar. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass durch die, insbesondere turbinenunabhängige, frei wählbaren Drehgeschwindigkeiten der Läufer der Elektromaschinen die dem Verdichter, insbesondere die der Verdichterstufe, zugeführte Leistung reguliert werden kann. Des Weiteren kann durch die frei wählbaren Drehgeschwindigkeiten der, insbesondere gegenläufigen, beschaufelten Rotoren in vorteilhafter Weise auf den aerodynamischen und thermischen Zustand des Arbeitsfluidstroms, welcher in den Verdichter, insbesondere in die Verdichterstufe, eintritt, angepasst werden.According to a fourth preferred embodiment, the bladed rotors of at least two or more of these compressor stages, each having a bladed rotor but no stator, which are adjacent to each other, each by an independent of these electric machines, in particular to each other in opposite directions, are driven. Preferably, the rotor of at least one of these electric machines with one of these bladed rotors, in particular non-positively and / or cohesively, connectable. This preferred embodiment offers the advantage that the power of the rotor of the electric machines, in particular the turbine-independent, freely selectable rotational speeds, can be used to regulate the power supplied to the compressor, in particular the compressor stage. Furthermore, by the freely selectable rotational speeds of the, in particular counter-rotating, bladed rotors in an advantageous manner to the aerodynamic and thermal state of the working fluid stream, which enters the compressor, in particular in the compressor stage, adapted.
Dies bietet den Vorteil eines erhöhten Komponentenwirkungsgrads des Verdichters im Auslegungspunkt und im operationellen Betrieb. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet weiterhin den Vorteil, dass zum Erreichen des gleichen Verdichterdruckverhältnisses wie ein üblicher, einheitlich rotierender Verdichter, weniger Verdichterstufen notwendig sind, so dass in vorteilhafter Weise die Abmessung bzw. Länge des Verdichters bezüglich seiner Längsachse bzw. Rotationsachse verringert ist. Weiterhin bietet diese bevorzugte Ausgestaltung den Vorteil, dass die aerodynamische und mechanische Belastung der individuell rotierenden Rotoren verringert werden kann. Im Weiteren ermöglicht die bevorzugte Ausgestaltung den Vorteil, dass bei Ausfall wenigsten eine der Elektromaschinen, die funktionierenden Rotoren der Verdichterstufen über die Regulierung der Drehgeschwindigkeit an den neuen Betriebszustand angepasst werden können.This offers the advantage of increased component efficiency of the compressor at the design point and in operational operation. This preferred embodiment also has the advantage that, to achieve the same compressor pressure ratio as a conventional, uniformly rotating compressor, fewer compressor stages are necessary, so that advantageously the dimension or length of the compressor is reduced with respect to its longitudinal axis or axis of rotation. Furthermore, this preferred embodiment has the advantage that the aerodynamic and mechanical load of the individually rotating rotors can be reduced. Furthermore, the preferred embodiment allows the advantage that in case of failure at least one of the electric machines, the functioning rotors of the compressor stages can be adapted via the regulation of the rotational speed to the new operating state.
Vorzugsweise ist die Energieversorgungseinrichtung als wiederaufladbare Batterie ausgebildet. Insbesondere ist die Energieversorgungseinrichtung ausgestaltet, zumindest zeitweise eine vorbestimmte erste elektrische Leistung L1 [kW] bereitzustellen, besonders bevorzugt während zumindest einer Stunde. Insbesondere beträgt die Ladekapazität der Energieversorgungseinrichtung wenigstens 5000 kWh.Preferably, the power supply device is designed as a rechargeable battery. In particular, the energy supply device is designed to provide, at least temporarily, a predetermined first electrical power L 1 [kW], particularly preferably for at least one hour. In particular, the charging capacity of the power supply device is at least 5000 kWh.
Die Energieversorgungseinrichtung wirkt als unabhängige Energiequelle zur Versorgung des Fahrzeugtriebwerks, neben dem Kraftstoff. Indem die Energieversorgungseinrichtung mittelbar den Verdichter versorgt, welcher dem Arbeitsfluidstrom Leistung zuführen kann, kann der Anteil der durch die Verbrennungseinrichtung verringert werden. Damit kann die Emission von Abgasen durch das Fahrzeugtriebwerk vorteilhaft verringert werden.The power supply device acts as an independent energy source for supplying the vehicle engine, in addition to the fuel. By the power supply means indirectly supplying the compressor which can supply power to the working fluid flow, the proportion of the combustion means can be reduced. Thus, the emission of exhaust gases by the vehicle engine can be advantageously reduced.
Vorzugsweise ist das Fahrzeugtriebwerk ausgestaltet, aus einem ersten Betriebszustand umkehrbar in einen zweiten Betriebszustand überführt zu werden.Preferably, the vehicle engine is configured to be reversibly converted from a first operating state to a second operating state.
Im ersten Betriebszustand können der Verbrennungseinrichtung im Wesentlichen kein Kraftstoffstrom bzw. ein Kraftstoffstrom mit einem Betrag von im Wesentlichen 0 kg/s und zeitgleich der Elektromaschinenanordnung eine vorbestimmte elektrische Leistung zugeführt werden. In diesem ersten Betriebszustand arbeitet das Fahrzeugtriebwerk, ohne Abgase, insbesondere ohne Emissionen von CO2, NOx oder Verbrennungsprodukte abzugeben. In diesem ersten Betriebszustand arbeitet das Fahrzeugtriebwerk bei geringerer Emission von Lärm.In the first operating state of the combustion device substantially no fuel flow or a fuel flow with an amount of substantially 0 kg / s and at the same time the electric machine assembly, a predetermined electric power can be supplied. In this first operating state, the vehicle engine operates without emitting exhaust gases, in particular without emissions of CO 2 , NOx or combustion products. In this first operating state, the vehicle engine operates with less emission of noise.
Im zweiten Betriebszustand können der Verbrennungseinrichtung ein vorbestimmter dieser Kraftstoffströme und zeitgleich der Elektromaschinenanordnung eine vorbestimmte elektrische Leistung zugeführt werden. Die Größe des Kraftstoffstroms ist dabei bedarfsabhängig steuerbar, insbesondere abhängig von der von dem Fahrzeugtriebwerk geforderten Schubkraft. In diesem Zustand ist das Fahrzeugtriebwerk zur Bereitstellung einer größeren Nutzleistung, insbesondere einer größeren Schubkraft, in der Lage, als im ersten Betriebszustand. In the second operating state of the combustion device, a predetermined of these fuel streams and at the same time the electric machine assembly, a predetermined electric power can be supplied. The size of the fuel flow is demand-dependent controllable, in particular depending on the required by the vehicle engine thrust. In this condition, the vehicle engine is capable of providing greater horsepower, particularly greater thrust, than in the first mode of operation.
Vorzugsweise weist ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, wenigstens eines, zwei, drei, vier oder mehrere dieser erfindungsgemäßen Fahrzeugtriebwerke auf oder wenigstens eine oder mehrere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugtriebwerks. So ausgestattet bietet das Fahrzeug den Vorteil, dass es mit einem geringeren nutzleistungsspezifischen Leistungsverbrauch betrieben werden kann. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass das Fahrzeug mit ausreichender Schubkraft versorgt werden kann.Preferably, a vehicle, in particular an aircraft, at least one, two, three, four or more of these vehicle engines according to the invention, or at least one or more preferred embodiments of the vehicle engine according to the invention. Thus equipped, the vehicle offers the advantage that it can be operated with a lower specific power consumption. This preferred embodiment has the advantage that the vehicle can be supplied with sufficient thrust.
Insbesondere ist das wenigstens eine Fahrzeugtriebwerk umkehrbar aus dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand überführbar, insbesondere zur Bereitstellung einer vorbestimmten Schubkraft.In particular, the at least one vehicle engine can be converted reversibly from the first operating state into the second operating state, in particular to provide a predetermined thrust force.
Insbesondere ist das wenigstens eine Fahrzeugtriebwerk umkehrbar aus dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand überführbar, insbesondere zur Bereitstellung einer vorbestimmten Schubkraft und/oder insbesondere zur Verringerung von Abgasen oder Emissionen.In particular, the at least one vehicle engine can be reversibly converted from the second operating state into the first operating state, in particular for providing a predetermined thrust force and / or in particular for reducing exhaust gases or emissions.
Insbesondere ist der Kraftstoffstrom sowie die dem wenigstens einen elektrisch betriebenen Verdichter zur Verfügung gestellte Leistung an die veränderliche Widerstandskraft anpassbar. Insbesondere kann der Kraftstoffstrom sowie die dem wenigsten einen elektrisch betriebenen Verdichter zur Verfügung gestellte Leistung mit steigender Widerstandskraft, welcher das Fahrzeug zumindest zeitweise ausgesetzt sein kann, erhöht werden für größere Nutzleistung, insbesondere Schubkraft. Insbesondere ist der Kraftstoffstrom sowie die dem wenigstens einen elektrisch betriebenen Verdichter zur Verfügung gestellte Leistung mit sinkender Widerstandskraft verringerbar für kleinere Nutzleistung, insbesondere kleinere Schubkraft.In particular, the fuel flow and the power provided to the at least one electrically operated compressor can be adapted to the variable resistance force. In particular, the fuel flow as well as the power provided to the least one electrically operated compressor can be increased with increasing resistance force, which the vehicle can be exposed to, at least temporarily, for greater useful power, in particular thrust. In particular, the fuel flow and the power provided to the at least one electrically operated compressor can be reduced with decreasing resistance force for smaller net power, in particular smaller thrust.
Wenn ein Luftfahrzeug mit wenigstens einem dieser Fahrzeugtriebwerke ausgestattet ist, können die je von Verbrennungseinrichtung und Elektromaschinenanordnung bereitgestellten Leistungen an verschiedene Betriebszustände des Luftfahrzeugs angepasst werden. Insbesondere im Boden und/oder im Landeanflug bietet der Betrieb des wenigstens einen Fahrzeugtriebwerks im ersten Betriebszustand den Vorteil geringerer Emissionen von Abgasen und/oder Lärm.When an aircraft is equipped with at least one of these vehicle engines, the power provided by each of the combustor and the electric machine assembly may be adjusted to different operating conditions of the aircraft. In particular, in the ground and / or in the approach, the operation of the at least one vehicle engine in the first operating state offers the advantage of lower emissions of exhaust gases and / or noise.
Bevorzugte Ausführungsformen des FahrzeugtriebwerksPreferred embodiments of the vehicle engine
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Fahrzeugtriebwerks weist auf: einen dieser elektrisch betriebenen Verdichter, eine dieser Elektromaschinenanordnungen, eine dieser Energieversorgungseinrichtungen und eine dieser Verbrennungseinrichtungen. Wenn die von der Elektromaschinenanordnung bereitstellbare Leistung für eine vom Fahrzeugtriebwerk abverlangte Nutzleistung bzw. Schubkraft nicht ausreichen sollte, dann kann dem Arbeitsfluid weitere Leistung über die Verbrennungseinrichtung zugeführt und somit die Nutzleistung bzw. Schubkraft des Fahrzeugtriebwerks erhöht werden.A first preferred embodiment of the vehicle engine comprises: one of these electrically operated compressors, one of these electric machine arrangements, one of these power supply devices and one of these combustion devices. If the power that can be supplied by the electric machine arrangement should not be sufficient for a useful power or thrust force demanded by the vehicle engine, then additional power can be supplied to the working fluid via the combustion device and thus the useful power or thrust force of the vehicle engine can be increased.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Fahrzeugtriebwerks weist auf: einen dieser elektrisch betriebenen Verdichter, eine dieser Elektromaschinenanordnungen, eine dieser Energieversorgungseinrichtungen, eine dieser Verbrennungseinrichtungen und eine dieser Arbeitsturbinen. Durch den Wegfall einer Turbine, insbesondere ausgebildet als Mitteldruck- oder Hochdruckturbine, welche den Verdichter, insbesondere ausgebildet als Mitteldruck- oder Hochdruckverdichter, antreibt und der Arbeitsturbine vorgeschaltet wäre, kann diese Arbeitsturbine den energiereichen Arbeitsfluidstrom bei höherem Turbineneingangsdruck entspannen. Bei gleicher Nutzleistung des Fahrzeugtriebwerks kann die Arbeitsturbine somit kleiner bemessen und/oder mit geringerer Turbineneintrittstemperatur betrieben werden. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil einer verringerten nutzleistungsspezifischen Kraftstoffverbrauchs. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die dem Verdichter zugeführte Leistung unabhängig von dem zugeführten Kraftstoffstrom steuerbar wird. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Elektromaschinenanordnung kleiner bzw. leichter im Vergleich zu einer ausschließlich elektrischen Versorgung gemäß Anspruch 1 ausgebildet werden kann, kann mittels des Kraftstoffstroms die Leistung der Arbeitsturbine erhöht werden. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bei verringerter, insbesondere ohne, Kraftstoffzufuhr das Fahrzeugtriebwerk mit verringerten bzw. ohne Emissionen, insbesondere verringertem Ausstoß von CO2 und/oder NOx betrieben werden kann.A second preferred embodiment of the vehicle engine comprises: one of these electrically operated compressors, one of these electric machine arrangements, one of these power supply devices, one of these combustion devices and one of these power turbines. By eliminating a turbine, in particular designed as a medium-pressure or high-pressure turbine, which drives the compressor, in particular designed as a medium-pressure or high-pressure compressor and the power turbine would be upstream, this power turbine can relax the high-energy working fluid flow at higher turbine inlet pressure. With the same net power of the vehicle engine, the power turbine can thus be sized smaller and / or operated at a lower turbine inlet temperature. This preferred embodiment offers the advantage of reduced utility-specific fuel consumption. This preferred embodiment offers the advantage that the power supplied to the compressor is controllable independently of the supplied fuel flow. This preferred embodiment has the advantage that the electric machine arrangement can be made smaller or lighter compared to an exclusively electrical supply according to
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform des Fahrzeugtriebwerks entspricht im Wesentlichen der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Zusätzlich weist das Fahrzeugtriebwerk einen turbinengetriebenen Verdichter auf, welcher durch eine Turbine, insbesondere die Arbeitsturbine oder eine der Arbeitsturbine vorgeschaltete unabhängige Turbine, angetriebenen ist. Dieser turbinengetriebene Verdichter ist dem elektrisch betriebenen Verdichter vor- oder/oder nachgeschaltet. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil eines reduzierten Energiebedarfs zum Betrieb der Elektromaschinenanordnung. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Energieversorgungseinrichtung weniger Leistung zur Verfügung zu stellen braucht. A third preferred embodiment of the vehicle engine substantially corresponds to the second preferred embodiment. In addition, the vehicle engine has a turbine-driven compressor, which is driven by a turbine, in particular the power turbine or an independent turbine upstream of the power turbine. This turbine-driven compressor is upstream or downstream of the electrically operated compressor. This preferred embodiment provides the advantage of a reduced power requirement for operating the electric machine assembly. This preferred embodiment has the advantage that the power supply device needs to provide less power.
Eine vierte bevorzugte Ausführungsform des Fahrzeugtriebwerks des Fahrzeugtriebwerks weist auf: einen dieser elektrisch betriebenen Verdichter, eine dieser Elektromaschinenanordnungen, eine dieser Energieversorgungseinrichtungen, eine dieser Verbrennungseinrichtungen, einen dieser Vortriebserzeuger und eine dieser Arbeitsturbinen. Der Verdichter ist ausschließlich durch die Elektromaschinenanordnung angetrieben. Weiter weist diese bevorzugte Ausführungsform des Fahrzeugtriebwerks einen unabhängigen Verdichter auf, welcher mechanisch mit der Arbeitsturbine gekoppelt ist. Die Arbeitsturbine treibt den unabhängigen Verdichter sowie diesen Vortriebserzeuger. Der unabhängige Verdichter, die Verbrennungseinrichtung und die Arbeitsturbine sind von demselben ersten Arbeitsfluidstrom durchströmt. Ein zweiter Arbeitsfluidstrom dient bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Kühlung der Arbeitsturbine und/oder der Verbrennungseinrichtung. Der Verdichter dient der Zufuhr des zweiten Arbeitsfluidstroms zu dieser Arbeitsturbine und/oder zu dieser Verbrennungseinrichtung. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Arbeitsturbine und/oder die Verbrennungseinrichtung bedarfsgerecht gekühlt werden können.A fourth preferred embodiment of the vehicle engine of the vehicle engine comprises: one of these electrically driven compressors, one of these electric machine arrangements, one of these power supply devices, one of these combustion devices, one of these propulsion generators and one of these power turbines. The compressor is driven exclusively by the electric machine assembly. Further, this preferred embodiment of the vehicle engine on an independent compressor, which is mechanically coupled to the power turbine. The power turbine drives the independent compressor as well as this propulsion generator. The independent compressor, the combustion device and the power turbine are flowed through by the same first working fluid flow. A second working fluid flow is used in this preferred embodiment, the cooling of the power turbine and / or the combustion device. The compressor is used to supply the second working fluid flow to this power turbine and / or to this combustion device. This preferred embodiment has the advantage that the power turbine and / or the combustion device can be cooled as needed.
Betriebsverfahrenoperating procedures
Für das nachfolgend beschriebene Betriebsverfahren weist das Fahrzeugtriebwerk wenigstens einen dieser elektrisch betriebenen Verdichter, diese Elektromaschinenanordnung und diese Energieversorgungseinrichtung auf. Weiter weist das Fahrzeugtriebwerk diese Verbrennungseinrichtung auf. Vorzugsweise weist das Fahrzeugtriebwerk einen Vortriebserzeuger und/oder Auftriebserzeuger auf. Vorzugsweise weist das Fahrzeugtriebwerk eine dieser Arbeitsturbinen auf.For the operating method described below, the vehicle engine has at least one of these electrically operated compressors, this electric machine arrangement and this power supply device. Furthermore, the vehicle engine has this combustion device. Preferably, the vehicle engine has a propulsion generator and / or lift generator. The vehicle engine preferably has one of these power turbines.
Das wenigstens eine Fahrzeugtriebwerk wird umkehrbar aus dem ersten Betriebszustand (S1) in den zweiten Betriebszustand (S2) überführt, insbesondere zur Bereitstellung einer geforderten Nutzleistung bzw. Schubkraft, welche insbesondere nicht ausschließlich von der Elektromaschinenanordnung und/oder von der Energiespeichereinrichtung bewirkt werden soll. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass vom Fahrzeugtriebwerk ausreichend Schubkraft bereitgestellt werden kann.The at least one vehicle engine is reversibly transferred from the first operating state (S1) in the second operating state (S2), in particular for providing a required net power or thrust, which is not to be effected exclusively by the electric machine assembly and / or the energy storage device. This preferred embodiment has the advantage that sufficient thrust can be provided by the vehicle engine.
Im zweiten Betriebszustand kann der Kraftstoffstrom an den veränderlichen Bedarf an Schubkraft angepasst werden. Insbesondere wird der Kraftstoffstrom mit steigender, vom Fahrzeugtriebwerk abverlangter, Schubkraft erhöht für größere Schubkraft. Insbesondere wird der Kraftstoffstrom mit sinkender, vom Fahrzeugtriebwerk abverlangter, Schubkraft verringert für kleinere Schubkraft. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass ausreichend Schubkraft bereitgestellt werden kann.In the second mode of operation, the fuel flow may be adjusted to the varying demand for thrust. In particular, the fuel flow is increased with increasing, demanded by the vehicle engine, thrust for greater thrust. In particular, the fuel flow is reduced with decreasing, sheared by the vehicle engine, thrust for smaller thrust. This preferred embodiment offers the advantage that sufficient thrust can be provided.
Das wenigstens eine Fahrzeugtriebwerk wird umkehrbar aus dem zweiten Betriebszustand (S2) in den ersten Betriebszustand (S1) überführt, insbesondere zur Bereitstellung einer vorbestimmten Schubkraft, insbesondere wenn die Emission insbesondere von Abgasen und/oder Lärm verringert werden soll. Diese bevorzugte Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass das Fahrzeug mit einem geringen nutzleistungsspezifischen Kraftstoffverbrauch sowie einem geringeren Ausstoß von Emissionen betrieben werden kann.The at least one vehicle engine is converted reversibly from the second operating state (S2) into the first operating state (S1), in particular for the purpose of providing a predetermined thrust, in particular if the emission, in particular of exhaust gases and / or noise, is to be reduced. This preferred embodiment has the advantage that the vehicle can be operated with a low specific fuel consumption and a lower emission of emissions.
Wenn ein Luftfahrzeug mit wenigstens einem dieser Fahrzeugtriebwerke ausgestattet ist können die Anteile der von Verbrennungseinrichtung und Elektromaschinenanordnung bereitgestellten Leistungen an verschiedene Betriebszustände des Luftfahrzeugs angepasst werden. Insbesondere im Boden und/oder im Landeanflug bietet der Betrieb des wenigstens einen Fahrzeugtriebwerks in dessen ersten Betriebszustand den Vorteil geringerer Emissionen von Abgasen und/oder Lärm.If an aircraft is equipped with at least one of these vehicle engines, the proportions of the power provided by the combustor and the electric machine assembly may be adjusted to different operating conditions of the aircraft. Particularly in the ground and / or in the approach, the operation of the at least one vehicle engine in its first operating state offers the advantage of lower emissions of exhaust gases and / or noise.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:Further advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the figures. It shows:
Der Arbeitsfluidstrom
Abweichend von der bevorzugten Ausgestaltung gemäß
Abweichend von der bevorzugten Ausgestaltung gemäß
Bei dem Fahrzeugtriebwerk gemäß dem Stand der Technik, links dargestellt, wird der Arbeitsfluidstrom verlustbehaftet mittels eines Verdichters verdichtet von Punkt 1 nach Punkt 2, wobei die Temperatur des Arbeitsfluidstroms ansteigt. Anschließend, von Punkt 2 zu Punkt 3, wird dem Arbeitsfluidstrom durch Verbrennung von Kraftstoff Energie zugeführt. Die verlustbehaftete Entspannung des Arbeitsfluidstroms erfolgt zweistufig, zunächst mittels einer Hochdruckturbine von Punkt 3 zu Punkt 4. Die mittels der Hochdruckturbine entnommene Leistung Pt wird dem mechanisch an die Hochdruckturbine gekoppelten Verdichter zugeführt. Anschließend wird der Arbeitsfluidstrom von Punkt 4 zu Punkt 5 weiter entspannt, beispielsweise in einer Niederdruckturbine. Die dem Arbeitsfluidstrom mittels dieser Niederdruckturbine entnommene Nutzleistung PPower dient zum Antrieb des Fahrzeugs.In the prior art vehicle engine, shown on the left, the working fluid flow is lossy compressed by means of a compressor from
Nachfolgend werden nur die Unterschiede zwischen der bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugtriebwerks und dem Fahrzeugtriebwerk gemäß dem Stand der Technik dargelegt. In the following, only the differences between the preferred embodiment of the vehicle engine according to the invention and the vehicle engine according to the prior art will be explained.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung des Fahrzeugtriebwerks wird der Arbeitsfluidstrom ebenfalls mittels eines Verdichters verdichtet von Punkt 1' nach Punkt 2'. Die zum Betrieb dieses insbesondere ausschließlich elektrisch betriebenen Verdichters
Abweichend von der bevorzugten Ausgestaltung gemäß
Die Elektromaschine
Die Arbeitsturbine
Das linke Diagramm zeigt die Arbeitsweise einer bevorzugten Ausgestaltung, insbesondere gemäß
Bei jedem der drei verschiedenen Betriebszustände ist das Verdichtungsverhältnis der elektrisch betriebenen Verdichters
Die Arbeitsturbine arbeitet je nach Betriebszustand zwischen den Temperaturniveaus 4'' und 5'', bzw. 4 und 5', bzw. 2 und 5. Auf Grund der gleichbleibenden Verdichtung ist der Turbineneintrittsdruck annähernd konstant.The power turbine operates depending on the operating state between the temperature levels 4 '' and 5 '', or 4 and 5 ', or 2 and 5. Due to the constant compression of the turbine inlet pressure is approximately constant.
Im Betriebszustand 1 (umrandete Ziffer 1) wird über die Verbrennungseinrichtung Kraftstoff zugeführt und verbrannt. Dadurch steigt die Turbineneintrittstemperatur auf den höchsten dargestellten Wert im Punkt 4''. Dies entspricht einem Verhältnis zwischen Verdichteraustrittstemperatur zu Turbineneintrittstemperatur von ca. 1,7, wie es im rechten Diagramm dargestellt ist. In diesem Betriebszustand entspricht das Verhältnis aus der Arbeitsturbinennutzleistung zu elektrischer Verdichterleistung ca. 1.6. Das heißt, dass über die Zufuhr von chemisch gebundener Energie das 1.6 fache der zugeführten elektrischen Energie in Form von Nutzleistung der Arbeitsturbine entnommen werden kann. Dieser Betriebszustand sollte insbesondere bei hohem Nutzleistungsbedarf eingenommen werden.In operating state 1 (bordered numeral 1), fuel is supplied and burned via the combustion device. As a result, the turbine inlet temperature rises to the highest value shown in point 4 ''. This corresponds to a ratio of compressor outlet temperature to turbine inlet temperature of about 1.7, as shown in the right diagram. In this operating state, the ratio of the power turbine efficiency to electrical compressor power is approximately 1.6. This means that the supply of chemically bound energy 1.6 times the supplied electrical energy can be removed in the form of useful power of the power turbine. This operating state should be taken especially at high power consumption.
Betriebszustand 2 (umrandete Ziffer 2) entspricht im Wesentlichen dem Betriebszustand 1, jedoch mit einer Reduktion an zugefügtem Kraftstoff. Dadurch wird eine nur geringere Turbineneintrittstemperatur im Punkt 4 erzielt. Das Verhältnis aus Verdichteraustrittstemperatur zu Turbineneintrittstemperatur beträgt nun nur noch ca. 1.2, wie im rechten Diagramm dargestellt. Hierbei wird nur noch ca. das 1.1-fache der elektrisch zugeführten Leistung in Form von Nutzleistung in der Arbeitsturbine frei. Dieser Betriebszustand sollte insbesondere bei niedriger Kraftstoffverbrauchsforderung eingenommen werden.Operating state 2 (outlined digit 2) corresponds essentially to operating
Der Betriebszustand 3 (umrandete Ziffer 3) ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass keine chemische Energie dem Fahrzeugtriebwerk zugeführt wird. Dadurch entspricht die Verdichteraustrittstemperatur ungefähr der Turbineneintrittstemperatur mit einem Verhältnis von ca. 1, wie im rechten Diagramm dargestellt. Auf Grund der nicht idealen Komponentenwirkungsgrade und der damit einhergehenden Verluste entspricht das Verhältnis aus der Arbeitsturbinennutzleistung zu elektrischer Verdichterleistung nun nur noch weniger als 1, wie im rechten Diagramm dargestellt. Dieser Zustand sollte vorzugsweise eingenommen werden, wenn die Forderung nach keinem Kraftstoffverbrauch bzw. Gasemission besteht.The operating state 3 (bordered digit 3) is characterized in particular by the fact that no chemical energy is supplied to the vehicle engine. As a result, the compressor discharge temperature approximately corresponds to the turbine inlet temperature with a ratio of about 1, as shown in the right diagram. Due to the non-ideal component efficiencies and the concomitant losses, the ratio of the power turbine efficiency to electrical compressor power now only less than 1, as shown in the right diagram. This condition should preferably be taken if there is no requirement for fuel consumption or gas emission.
Diese Ausgestaltung nach dem in
Bei dieser Ausgestaltung können die beschaufelten Rotoren
Bei dieser Ausgestaltung können die beschaufelten Rotoren
Bei dieser Ausgestaltung können die beschaufelten Rotoren
Insbesondere über ein Getriebe und eine Welle kann die dem Arbeitsfluidstrom
Bei dieser Ausgestaltung können die beschaufelten Rotoren
Über mehrere Getriebe
Der durch die Elektromaschinenanordnung
Bei dieser Ausgestaltung können die beschaufelten Rotoren
Über ein Getriebe
Diese bevorzugte Ausgestaltung entspricht im Wesentlichen der dritten bevorzugten Ausführungsform des Fahrzeugtriebwerks
Bei dieser Ausgestaltung können die beschaufelten Rotoren
Über ein Getriebe
Der durch die Elektromaschinenanordnung
Diese bevorzugte Ausgestaltung entspricht im Wesentlichen der dritten bevorzugten Ausführungsform des Fahrzeugtriebwerks
Diese bevorzugte Ausgestaltung entspricht im Wesentlichen der dritten bevorzugten Ausführungsform des Fahrzeugtriebwerks
Ein erster Arbeitsfluidstrom
Ein zweiter Arbeitsfluidstrom
Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung kann die Bereitstellung einen Kühlungsstroms, das ist der zweite Arbeitsfluidstrom
Bei dieser Ausgestaltung können die beschaufelten Rotoren
Die dem Arbeitsfluidstrom
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- FahrzeugtriebwerkVehicle engine
- 22
- Verdichtercompressor
- 3, 3a, 3b3, 3a, 3b
- Rotor einer VerdichterstufeRotor of a compressor stage
- 44
- ArbeitsfluidstromWorking fluid stream
- 55
- ElektromaschinenanordnungElectric machine arrangement
- 66
- Elektromaschine der ElektromaschinenanordnungElectric machine of the electric machine assembly
- 77
- EnergieversorgungseinrichtungPower supply means
- 88th
- Vortriebserzeuger bzw. AuftriebserzeugerPropulsion generator or buoyancy generator
- 99
- Arbeitsturbinepower turbine
- 10, 10a, 10b10, 10a, 10b
- Verdichterstufecompressor stage
- 1111
- Stator einer VerdichterstufeStator of a compressor stage
- 1212
- Verbrennungseinrichtungincinerator
- 1313
- Steuereinrichtung der EnergieversorgungseinrichtungControl device of the power supply device
- 1414
- Austrittsdüseexhaust nozzle
- 1616
- Läufer einer Elektromaschine der ElektromaschinenanordnungRotor of an electric machine of the electric machine assembly
- 1717
- Stator einer Elektromaschine der ElektromaschinenanordnungStator of an electric machine of the electric machine assembly
- 1919
- unabhängiger, turbinengetriebener Verdichterindependent, turbine-driven compressor
- 2020
- unabhängige Turbineindependent turbine
- 2121
- Wellewave
- 2222
- Getriebeeinrichtungtransmission device
Claims (10)
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DE201210015104 DE102012015104A1 (en) | 2012-07-30 | 2012-07-30 | Thruster of vehicle e.g. aircraft, has rechargeable power supply unit that is arranged to temporarily exclusive power supply of electric machine arrangement which directly-drives compressor |
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Cited By (4)
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-
2012
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Legal Events
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE Effective date: 20150205 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: BAUHAUS LUFTFAHRT E.V., DE Free format text: FORMER OWNER: BAUHAUS LUFTFAHRT E.V., 85521 OTTOBRUNN, DE |
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