DE102013209388A1 - Hybrid propulsion for powered aircraft, powered aircraft with hybrid drive and related operating procedures - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridantrieb (1) für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug. Der Hybridantrieb (1) weist ein Strahltriebwerk mit einer drehfest mit einer Triebwerkswelle (17) gekoppelten oder koppelbaren Gasturbine (10) und eine elektrische Maschine (20) auf. Eine Läuferwelle (25) der elektrischen Maschine (20) ist durch die Triebwerkswelle (17) gebildet, wobei wahlweise ein Drehmoment der elektrischen Maschine (20) und/oder der Gasturbine (10) auf die Triebwerkswelle (17) übertragbar ist und umgekehrt. Ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug mit einem solchen Hybridantrieb (1) und ein Verfahren (2) zum Betreiben eines entsprechenden Luftfahrzeugs sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.The present invention relates to a hybrid drive (1) for a power-driven aircraft. The hybrid drive (1) has a jet engine with a gas turbine (10) that is non-rotatably coupled or can be coupled to an engine shaft (17) and an electrical machine (20). A rotor shaft (25) of the electrical machine (20) is formed by the engine shaft (17), with optionally a torque of the electrical machine (20) and / or the gas turbine (10) being transferable to the engine shaft (17) and vice versa. A power-driven aircraft with such a hybrid drive (1) and a method (2) for operating a corresponding aircraft are also the subject of the present invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug, ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug mit einem solchen Hybridantrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Luftfahrzeugs.The present invention relates to a hybrid propulsion for a powered aircraft, a powered aircraft having such a hybrid propulsion, and a method of operating a corresponding aircraft.
Stand der TechnikState of the art
Kraftgetriebene Luftfahrzeuge (Motor- bzw. Turbinenflugzeuge und Hubschrauber) verbrennen während des Start- und Landevorgangs in z.T. dicht besiedelten Gebieten beträchtliche Mengen fossiler Brennstoffe, was mit erheblichen Lärmund Schadstoffemissionen verbunden ist. Desweiteren werden die Verbrennungskraftmaschinen (typischerweise bekannte Gasturbinen), die zum Vortrieb entsprechender Luftfahrzeuge dienen und beim Start in Volllast arbeiten, nach Erreichen der Reiseflughöhe überwiegend in einem energetisch ungünstigen Teillastpunkt betrieben. Dies führt ebenfalls zu erhöhten Schadstoffemissionen und Ausstoß von Kohlendioxid.Power-driven aircraft (engine or turbine aircraft and helicopters) burn during the take-off and landing in z.T. densely populated areas considerable amounts of fossil fuels, which is associated with significant noise and pollutant emissions. Furthermore, the internal combustion engines (typically known gas turbines), which are used for propulsion of corresponding aircraft and work at start in full load, operated after reaching the cruising altitude mainly in an energetically unfavorable partial load point. This also leads to increased pollutant emissions and carbon dioxide emissions.
Aus der
Es besteht jedoch weiterhin der Bedarf nach Verbesserungen auf dem Gebiet der Hybridantriebe bei kraftgetriebenen Luftfahrzeugen.However, there is still a need for improvements in the field of hybrid powertrains in powered aircraft.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug, ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug mit einem solchen Hybridantrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Luftfahrzeugs mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a hybrid drive for a power-driven aircraft, a power-driven aircraft with such a hybrid drive and a method for operating a corresponding aircraft with the features of the independent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines hybridisierten Strahltriebwerksantriebs (nachfolgend kurz als "Hybridantrieb" bezeichnet) mit einer Verbrennungskraftmaschine in Form einer Gasturbine sowie mit einer elektrischen Maschine.An essential aspect of the present invention is the provision of a hybridized jet engine drive (hereafter referred to as "hybrid drive") with an internal combustion engine in the form of a gas turbine and with an electric machine.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist eine Betriebsstrategie für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug in Form des ebenfalls vorgeschlagenen Verfahrens, die u.a. umfasst, ein entsprechendes kraftgetriebenes Luftfahrzeug bei Start- und Landephasen vorzugsweise ausschließlich elektrisch zu betreiben.Another essential aspect is an operating strategy for a powered aircraft in the form of the likewise proposed method, which i.a. comprises operating a corresponding power-driven aircraft during take-off and landing phases, preferably exclusively electrically.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Hybridantrieb weist als Verbrennungskraftmaschine ein Strahltriebwerk, genauer ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk auf, das in an sich bekannter Weise arbeitet. Das Strahltriebwerk kann beispielsweise als sogenanntes Turbojet-, Turbofan- oder Turboproptriebwerk ausgebildet sein. Die Erfindung eignet sich insbesondere für sogenannte Mantelstromtriebwerke.The inventively proposed hybrid drive has as internal combustion engine, a jet engine, more precisely, a turbine air jet engine, which operates in a conventional manner. The jet engine can be designed for example as a so-called turbojet, turbofan or turboprop engine. The invention is particularly suitable for so-called turbofan engines.
Ein Strahltriebwerk saugt Umgebungsluft an und komprimiert diese in einer (Axial-)Verdichtereinheit. In einer der Verdichtereinheit nachgeschalteten Brennkammer wird Treibstoff (beispielsweise Kerosin) eingespritzt. Das hierbei gebildete Luft-/Treibstoffgemisch wird verbrannt. Die Verbrennung erhöht die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des aus der verdichteten Luft und den Verbrennungsprodukten gebildeten Gases, wobei sich dessen statischer Druck reduziert. Die zugeführte Strömungsenergie wird anschließend in einer Expansionsstufe teilweise in eine Drehbewegung umgesetzt, wobei das Gas weiter expandiert. Die Expansionsstufe dient als Antrieb der Verdichtereinheit. Das Gas expandiert in einer der Expansionsstufe nachgeschalteten Schubdüse auf beinahe Umgebungsdruck, wobei die Strömungsgeschwindigkeit weiter gesteigert wird. In der Schubdüse wird durch das ausströmende Gas zumindest ein Teil der Vortriebskraft des Strahltriebwerks erzeugt. Zur Leistungssteigerung kann dem eigentlichen Strahltriebwerk ein Nachbrenner nachgeschaltet sein.A jet engine draws in ambient air and compresses it in an (axial) compressor unit. In one of the compressor unit downstream combustion chamber fuel (for example, kerosene) is injected. The resulting air / fuel mixture is burned. The combustion increases the temperature and the flow velocity of the gas formed from the compressed air and the combustion products, reducing its static pressure. The supplied flow energy is then partially reacted in an expansion stage in a rotary motion, wherein the gas expands further. The expansion stage serves as a drive of the compressor unit. The gas expands in an expansion stage downstream thruster to near ambient pressure, the flow rate is further increased. In the exhaust nozzle, at least part of the propulsive force of the jet engine is generated by the outflowing gas. To increase the performance of the actual jet engine, an afterburner can be connected downstream.
Ein Mantelstromtriebwerk (engl. Turbofan) ist ein Nebenstromtriebwerk (engl. Bypass Engine) und wird auch als Zweistromstrahltriebwerk oder Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (ZTL) bezeichnet. Es stellt zwei voneinander getrennte Luftströme bereit, von denen ein äußerer Luftstrom einen inneren Kernstrom "ummantelt". Der Kernstrom ist am eigentlichen thermodynamischen Kreisprozess der Gasturbine (s.o.) beteiligt. Da der Mantelstrom bei modernen Triebwerken den Großteil der Schubkraft liefert (häufig über 80%), kann die Schubwirkung des Kernstroms vernachlässigt werden. Die Gasturbine stellt im Wesentlichen einen "Motor" für den sogenannten Fan dar, der den Mantelstrom beschleunigt. Der Mantelstrom bewirkt eine Verringerung der Strahlgeschwindigkeit mit der Folge eines niedrigeren Treibstoffverbrauchs und geringerer Schallemissionen gegenüber einem Einstrom-Strahltriebwerk gleicher Schubkraft. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der für die Beschleunigung des Mantelstroms verwendete Fan über eine Triebwerkswelle entweder mit der Gasturbine oder mit der elektrischen Maschine oder mit beiden angetrieben werden. Details sind insbesondere in der unten erläuterten
Ist im Rahmen dieser Anmeldung von einer "Gasturbine", z.B. eines erläuterten Strahltriebwerks, die Rede, wird hierunter eine gekoppelte Einheit aus einer (Axial-)Verdichtereinheit und einer Expansionsstufe (der eigentlichen Gasturbine) mit dazwischen angeordneter Brennkammer verstanden.Is in the context of this application of a "gas turbine", e.g. of an illustrated jet engine, the speech, this is understood to mean a coupled unit of an (axial) compressor unit and an expansion stage (the actual gas turbine) with combustion chamber arranged therebetween.
Zumindest die Turbinenräder der Verdichtereinheit und die Turbinenräder der Expansionsstufe sind in Strahltriebwerken auf einer gemeinsamen Welle (nachfolgend als Triebwerkswelle bezeichnet) angeordnet. Dies gilt auch für einen Fan eines Mantelstromtriebwerks. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, ein entsprechendes Strahltriebwerk so auszubilden, dass die Triebwerkswelle gleichzeitig eine Läuferwelle wenigstens einer elektrischen Maschine bildet. Mit der Triebwerkswelle sind also sowohl die Turbinenräder der Verdichtereinheit und die Turbinenräder der Expansionsstufe als auch die rotierenden Elemente der elektrischen Maschine drehfest gekoppelt oder zumindest koppelbar. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung eines entsprechenden Hybridantriebs und insbesondere eine problemlose Nachrüstung bestehender Systeme mit einem entsprechenden Antrieb ohne aufwendige Anpassungen.At least the turbine wheels of the compressor unit and the turbine wheels of the expansion stage are arranged in jet engines on a common shaft (hereinafter referred to as engine shaft). This also applies to a fan of a turbofan engine. According to the invention, it is now provided to design a corresponding jet engine such that the engine shaft simultaneously forms a rotor shaft of at least one electric machine. With the engine shaft so both the turbine wheels of the compressor unit and the turbine wheels of the expansion stage and the rotating elements of the electric machine are rotatably coupled or at least coupled. This allows a particularly compact design of a corresponding hybrid drive and in particular a simple retrofitting of existing systems with a corresponding drive without costly adjustments.
Unter "drehfest gekoppelt oder koppelbar" wird hier eine Kopplung verstanden, die entweder dauerhaft, beispielsweise durch Verschweißen, Verschrauben, Vernieten oder Verkleben usw. ausgeführt ist oder mittels entsprechender Eingriffsmittel, z.B. Kupplungen oder Getrieben, vorgenommen wird.By "non-rotatably coupled or couplable" is meant here a coupling which is either permanent, for example by welding, screwing, riveting or gluing, etc., or by means of corresponding engagement means, e.g. Clutches or gears, is made.
Die elektrische Maschine kann als kompakte Einheit in Form eines Maschinenpakets realisiert werden, das koaxial innenliegend der Brennkammer angeordnet ist. Ein Statorpaket des Maschinenpakets ist dabei koaxial außenliegend angeordnet, das zugehörige Läuferpaket ist auf der Triebwerkswelle befestigt und dreht sich mit dieser mit. Je nach Bedarf können auch mehrere Maschinenpakete verwendet werden, die jeweils über einen außenliegenden Stator und einen innenliegenden Läufer verfügen. Dies erlaubt eine vereinfachte Konstruktion und Wartung durch den Einsatz von modularisierten Komponenten. Der erfindungsgemäße Hybridantrieb umfasst damit, anders ausgedrückt, zumindest eine elektrische Maschine mit einem Innenläufer, dessen Läuferwelle der Triebwerkswelle eines Strahltriebwerks entspricht. The electric machine can be realized as a compact unit in the form of a machine package, which is arranged coaxially inside the combustion chamber. A stator of the machine package is arranged coaxially outboard, the associated rotor package is mounted on the engine shaft and rotates with this. Depending on requirements, several machine packages can be used, which each have an external stator and an internal rotor. This allows for simplified design and maintenance through the use of modularized components. The hybrid drive according to the invention thus comprises, in other words, at least one electric machine having an inner rotor whose rotor shaft corresponds to the engine shaft of a jet engine.
Ein durch den erfindungsgemäßen Hybridantrieb erzielbarer Vorteil ist der Wegfall von Kupplungen und damit eine Erhöhung der Ausfallsicherheit und ein deutlich verminderter Wartungsbedarf.A recoverable by the hybrid drive according to the invention advantage is the elimination of clutches and thus an increase in reliability and a significantly reduced maintenance requirements.
Ist im Rahmen dieser Anmeldung davon die Rede, dass eine Läuferwelle von der Triebwerkswelle "gebildet wird", sei darunter verstanden, dass die Läuferwelle einen Abschnitt der Triebwerkswelle darstellt. Insbesondere bildet die Läuferwelle den Abschnitt der Triebwerkswelle zwischen der Welle der Verdichtereinheit und der Welle der Expansionsstufe, die ebenfalls Abschnitte der Triebwerkswelle darstellen. Die Triebwerkswelle insgesamt, und damit die einzelnen Wellenabschnitte, müssen dabei nicht einstückig ausgebildet sein, wenngleich eine einstückige Ausbildung Festigkeitsvorteile bieten und/oder eine Fertigung vereinfachen kann. Die Triebwerkswelle insgesamt, und damit die einzelnen Wellenabschnitte, verlaufen entlang einer gemeinsamen Achse und sind im Betrieb permanent, also nicht über Kupplungen und dergleichen, miteinander verbunden.Is in the context of this application of the speech that a rotor shaft of the engine shaft "is formed", it is understood that the rotor shaft is a portion of the engine shaft. In particular, the rotor shaft forms the portion of the engine shaft between the shaft of the compressor unit and the shaft of the expansion stage, which also represent sections of the engine shaft. The engine shaft as a whole, and thus the individual shaft sections, need not be integrally formed, although a one-piece design can offer strength advantages and / or simplify manufacturing. The engine shaft as a whole, and thus the individual shaft sections, run along a common axis and are permanently connected to one another during operation, ie not via couplings and the like.
Zur Temperaturregelung ist vorteilhafterweise eine Kühleinrichtung, beispielsweise eine Wasserkühlung, koaxial zwischen der Brennkammer und dem Stator der elektrischen Maschine, beispielsweise einem entsprechenden Statorpaket, angebracht. Der Wasserkreislauf der Wasserkühlung kann beispielsweise durch eine elektrische Pumpe gespeist werden, die es ermöglicht, die Temperatur der elektrischen Maschine auf einen konstanten Wert zu regeln. Alternativ kann eine entsprechende Pumpe auch direkt von der sich drehenden Triebwerkswelle angetrieben werden. Statt Wasser können auch andere Kühlmittel verwendet werden. Da die Kühleinrichtung insbesondere dann erforderlich ist, wenn die Brennkammer des Strahltriebwerks befeuert wird, kann vorgesehen sein, die Kühleinrichtung nur dann zu betreiben, wenn dies der Fall ist.For temperature control is advantageously a cooling device, such as a water cooling, coaxially between the combustion chamber and the stator of the electric machine, for example, a corresponding stator, attached. The water circuit of the water cooling can be fed, for example by an electric pump, which makes it possible to control the temperature of the electric machine to a constant value. Alternatively, a corresponding pump can also be driven directly by the rotating engine shaft. Instead of water, other coolants can be used. Since the cooling device is required in particular when the combustion chamber of the jet engine is fired, it can be provided to operate the cooling device only if this is the case.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann in der Kühleinrichtung verwendetes Kühlwasser auch zu einem Teil in die Brennkammer der Gasturbine eingespritzt werden. Eine entsprechend vorgesehene Wassereinspeiseeinrichtung ist für einen derartigen Betrieb eingerichtet. Die Wassereinspritzung kann beispielsweise zur Schuberhöhung in bestimmten Flugphasen verwendet werden und wird beim Betrieb herkömmlicher Flugzeuge im Rahmen eines sogenannten "Nassstarts" verwendet. In diesem Zusammenhang kann dem in der Kühleinrichtung verwendeten (destillierten) Wasser beispielsweise vor der Einspritzung in die Brennkammer auch Methanol beigemischt werden.In a particularly advantageous embodiment of the invention, cooling water used in the cooling device can also be injected into a part of the combustion chamber of the gas turbine. A correspondingly provided water feed device is set up for such operation. The water injection can be used, for example, for thrust increase in certain phases of flight and is used in the operation of conventional aircraft as part of a so-called "wet start". In this connection, methanol may also be added to the (distilled) water used in the cooling device, for example, prior to injection into the combustion chamber.
Diese Schuberhöhung durch Wassereinspritzung ergibt sich bekanntermaßen aus der Verdampfung des Wassers, die ein zusätzliches Volumen und damit zusätzlichen Schub liefert (Umsetzung von Wärmeenergie in Volumenarbeit). Ferner wird die Gasturbine durch die Verdampfungsenthalpie des Wassers gekühlt, so dass dort mehr Treibstoff eingespritzt werden kann, ohne die zulässige Betriebstemperatur der Gasturbine zu überschreiten. Bei gleicher Treibstoffmenge kann die Betriebstemperatur der Gasturbine hingegen abgesenkt werden, so dass beispielsweise weniger schädliche Stickoxide bilden und die Gasturbine in geringerem Umfang thermisch belastet wird. Hierdurch kann wiederum die Kühleinrichtung kleiner dimensioniert werden.This increase in pressure by water injection is known to result from the evaporation of the water, which provides an additional volume and thus additional thrust (implementation of heat energy in volume work). Furthermore, will the gas turbine is cooled by the evaporation enthalpy of the water, so that more fuel can be injected there without exceeding the permissible operating temperature of the gas turbine. For the same amount of fuel, however, the operating temperature of the gas turbine can be lowered, so that, for example, form less harmful nitrogen oxides and the gas turbine is thermally stressed to a lesser extent. In this way, in turn, the cooling device can be made smaller.
Es ist vorgesehen, wahlweise die Gasturbine oder die elektrische Maschine oder beide momentenleistend zu betreiben. Hierdurch können unterschiedliche Betriebsarten umgesetzt werden, die für eine emissions- und lärmarme Betriebsstrategie eines entsprechenden Luftfahrzeugs einsetzbar sind. Wenn nur die elektrische Maschine momentenleistend betrieben wird (also nur deren Drehmoment für den Vortrieb verwendet wird), wird hier der Begriff "erste Betriebsart" verwendet. Wenn die elektrische Maschine zusammen mit der Gasturbine oder die Gasturbine alleine eingesetzt wird (und damit Drehmomente der elektrischen Maschine und der Gasturbine oder nur der Gasturbine für den Vortrieb verwendet werden), wird hier der Begriff "zweite Betriebsart" verwendet.It is envisaged to operate either the gas turbine or the electric machine or both torque-generating. As a result, different operating modes can be implemented, which can be used for a low-emission and low-noise operating strategy of a corresponding aircraft. If only the electric machine is operated torque-producing (ie only the torque is used for the propulsion), the term "first mode" is used here. When the electric machine is used alone with the gas turbine or the gas turbine alone (and thus torques of the electric machine and the gas turbine or only the gas turbine are used for propulsion), the term "second mode" is used here.
Ein typischer Flug eines Reiseverkehrsflugzeugs, aber auch anderer Luftfahrzeuge, umfasst nach dem Aufenthalt auf dem Boden (hier als "Phase 0" bezeichnet) bekanntermaßen zunächst die eigentliche Startphase mit dem anschließenden Anfangssteigflug kurz nach dem Abheben (engl. Takeoff, Initial Climb; "Phase 1"). Auf Phase 1 folgt der Steigflug (engl. Climb; "Phase 2"). Der Phase 2 schließt sich der Reiseflug an, während dessen üblicherweise keine größeren Steig- und Sinkflugphasen (außer beispielsweise zur Umgehung von Schlechtwetterzonen, zum Ausweichen und zur Nutzung günstiger Strömungen) mehr erfolgen (engl. Cruise; "Phase 3"). Vor der Landung geht das Luftfahrzeug in den Sinkflug (engl. Descend; "Phase 4") über. Der Phase 4 folgt der Landeanflug (engl. Approach), der sich in Anfangsanflug (engl. Initial Approach, "Phase 5"), Zwischenanflug (engl. Intermediate Approach; "Phase 6"), Endanflug (engl. Final Approach, "Phase 7") und schließlich die eigentliche Landung (engl. Landing; "Phase 8") unterteilt.A typical flight of a tourist airliner, but also of other aircraft, after being on the ground (referred to herein as "Phase 0") is known to first include the actual take-off phase followed by the initial climb shortly after liftoff ("Phase Phase 1"). Phase 1 is followed by climbing ("Climb", "Phase 2"). Phase 2 is followed by cruising, during which usually no major climb and descent phases (except, for example, to avoid bad weather zones, to avoid and use favorable flows) occur more (English Cruise, "Phase 3"). Before landing, the aircraft goes into descent (Descend, "Phase 4"). Phase 4 is followed by an approach approaching Initial Approach ("Phase 5"), Intermediate Approach ("Phase 6"), Final Approach ("Final Approach", "Phase 5") 7 ") and finally the actual landing (" Landing "," Phase 8 ").
Die Erfindung ermöglicht es, möglichst große Teile der Flugphasen 1, 2 sowie 4 bis 8 mit elektrischem Vorschub darzustellen. Dabei kann beispielsweise von einem Flight Management System (FMS) auf Grundlage der aktuellen Konfiguration die benötigte Antriebsleistung unter Berücksichtigung der Flugleistungsgrenzen (Flight Envelope Protections) errechnet werden. Die höchste Antriebsenergie wird dabei üblicherweise während der Phase 1, zwischen Rollen und dem Erreichen des Steigfluges, benötigt. Abhängig von der installierten elektrischen Leistung kann dieser maximal benötigte Vorschub rein durch die elektrische Maschine oder durch eine Kombination der Drehmomente der elektrischen Maschine und der Gasturbine erzeugt werden. Ein hierzu verwendbares Steuergerät, das dem FMS unterlagert sein kann, errechnet auf Basis der Anforderung des FMS, dem Flugplan, dem Systemzustand, der verfügbaren elektrischen Leistung und des Ladezustands der elektrischen Energiespeicher, beispielsweise Batterien und/oder Brennstoffzellen, den Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine, dem oder den elektrischen Energiespeichern und der Gasturbine mit dem Ziel, die bodennahen Phasen 1 bis 2 und 4 bis 8 möglichst ohne Einsatz der Gasturbine darzustellen und die Gasturbine möglichst im günstigen Nennpunkt zu betreiben. Die Koordination der Quellen für die benötigte Vortriebsleistung wird dabei vorteilhafterweise ohne Zutun der Piloten vorgenommen, im Notfall kann jedoch die maximal verfügbare Vortriebsleistung angefordert und das Steuergerät außer Kraft gesetzt werden.The invention makes it possible to represent the largest possible parts of the flight phases 1, 2 and 4 to 8 with electric feed. In this case, the required drive power can be calculated, for example, by a Flight Management System (FMS) based on the current configuration, taking account of the flight envelope limits (Flight Envelope Protections). The highest drive energy is usually required during the phase 1, between roles and the achievement of the climb. Depending on the installed electrical power, this maximum required feed can be generated purely by the electric machine or by a combination of the torques of the electric machine and the gas turbine. A suitable for this purpose control unit, which may be underlying the FMS calculated on the basis of the request of the FMS, the flight plan, the system state, the available electrical power and the state of charge of the electrical energy storage, such as batteries and / or fuel cells, the energy flow between the electric machine , the one or more electrical energy storage devices and the gas turbine with the aim to represent the ground-level phases 1 to 2 and 4 to 8 as possible without the use of the gas turbine and operate the gas turbine as possible in the favorable nominal point. The coordination of the sources for the required propulsion power is advantageously carried out without the intervention of the pilot, but in an emergency, the maximum available propulsion power can be requested and the control unit overridden.
Auf Reiseflughöhe (also in Phase 3) spielen bodennah nachteilige Lärmemissionen eine geringere Rolle, so dass hier auf die Gasturbine zurückgegriffen werden kann. In dieser Phase kann ein mittels der Gasturbine erzeugtes "überschüssiges" Moment in der elektrischen Maschine, die hierzu generatorisch betreibbar ausgebildet ist, umgesetzt werden. Die erzeugte elektrische Energie kann in die vorgesehenen Energiespeicher, beispielsweise Batterien, eingespeist werden. Daher braucht die Gasturbine nicht im energetisch ungünstigen Teillastbetrieb betrieben zu werden sondern kann stets volle Leistung bringen.At cruising altitude (ie in phase 3) harmful noise emissions close to the ground play a lesser role, so that the gas turbine can be used here. In this phase, a generated by means of the gas turbine "excess" torque in the electric machine, which is designed to be operated as a generator, implemented. The generated electrical energy can be fed into the envisaged energy storage, for example batteries. Therefore, the gas turbine does not need to be operated in the energetically unfavorable partial load operation but can always bring full power.
Die Rotationsbewegung der Turbinenwelle in der zweiten Betriebsart wird, mit anderen Worten, durch ein Zusammenwirken der elektrischen Maschine und der Gasturbine oder nur durch die Gasturbine erzeugt. Die Rotationsbewegung der Turbinenwelle in der ersten Betriebsart wird ausschließlich mittels der elektrischen Maschine erzeugt. Ist die Gasturbine in Betrieb, kann diese auch ihrerseits, also ohne Übertragung einer Rotation, einen Schub leisten. Hierzu kann beispielsweise eine Schubdüse vorgesehen sein. In other words, the rotational movement of the turbine shaft in the second mode of operation is generated by an interaction of the electric machine and the gas turbine or only by the gas turbine. The rotational movement of the turbine shaft in the first mode is generated exclusively by means of the electric machine. If the gas turbine is in operation, this in turn, so without transmission of rotation, a push. For this purpose, for example, be provided a thrust nozzle.
Ähnlich wie bei Land- oder Wasserfahrzeugen können Hybridantriebe für Luftfahrzeuge grundsätzlich als parallele, quasiserielle oder serielle Systeme ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Hybridantrieb bietet sich insbesondere als kompaktes Generator-/Antriebspaket für quasiserielle Anwendungen an.Similar to land or water vehicles, hybrid propulsion systems for aircraft can basically be designed as parallel, quasi-serial or serial systems. The hybrid drive according to the invention is particularly suitable as a compact generator / drive package for quasi-serial applications.
Bei parallelen Systemen wirken entweder ein Elektromotor oder eine Verbrennungskraftmaschine oder beide auf eine Welle. Eine Leistungsverzweigung für ein derartiges System kann grundsätzlich wie bei den bekannten Konzepten für Land- oder Wasserfahrzeuge erfolgen. Als Vorteil ergibt sich die Möglichkeit, bei genügend hoher installierter elektrischer Leistung während des Starts ganz oder teilweise auf die Verbrennungskraftmaschine zu verzichten, nachdem elektrische Energie, beispielsweise während des Aufenthaltes am Flughafen, in einer geeigneten Batterie gespeichert wurde. Durch die zusätzlich verfügbare elektrische Leistung kann die Verbrennungskraftmaschine kleiner ausgeführt werden. Die Maximalleistung, die i.A. während des Starts und während der Landung abgerufen wird, wird durch den gemeinsamen Einsatz von Verbrennungskraftmaschine und Elektromotor zur Verfügung gestellt. Durch die Verkleinerung der Verbrennungskraftmaschine wird diese während des Flugs auf Reiseflughöhe näher am Nennpunkt betrieben, was sich günstig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Nachteilig bei derartigen rein parallelen Systemen ist das Gewicht der während langer Phasen lediglich "mitgeschleppten" Komponenten wie dem Elektromotor, dem erforderlichen Inverter und entsprechender Batterien. Insbesondere in Luftfahrzeugen ist dies naturgemäß nachteilig.In parallel systems, either an electric motor or an internal combustion engine or both act on a shaft. A Power distribution for such a system can basically be done as in the known concepts for land or water vehicles. As an advantage, there is the possibility, with sufficiently high installed electrical power during the start completely or partially to dispense with the internal combustion engine, after electrical energy, for example, during the stay at the airport, was stored in a suitable battery. Due to the additionally available electric power, the internal combustion engine can be made smaller. The maximum power, which iA is retrieved during takeoff and during landing, is provided by the combined use of internal combustion engine and electric motor. By reducing the size of the internal combustion engine it is operated closer to the nominal point during flight to cruising altitude, which has a favorable effect on fuel consumption. The disadvantage of such purely parallel systems is the weight of only "dragged along" during long periods components such as the electric motor, the required inverter and corresponding batteries. This is of course disadvantageous especially in aircraft.
In bestimmten Einsatzszenarien ergeben sich größere Vorteile bei einem quasiseriellen System, wie es erfindungsgemäß realisiert ist. Mit dem erfindungsgemäßen Hybridantrieb wird ein Luftfahrzeug während des Starts beispielsweise rein elektrisch angetrieben, indem ein Drehmoment von der elektrischen Maschine auf die Turbinenräder des Strahltriebwerks und/oder auf einen Propeller (falls vorgesehen) übertragen wird. Nach Erreichen der Reiseflughöhe wird dann die Verbrennungskraftmaschine in Form des Strahltriebwerks gestartet, das im Nennpunkt betrieben wird und sowohl das Luftfahrzeug als auch die elektrische Maschine antreibt. Dabei kann die gewünschte Reisegeschwindigkeit über die Regelung der Leistungsverzweigung eingestellt und korrigiert werden. Die Landung kann dann wiederum mit Hilfe der elektrischen Maschine erfolgen. Durch die Auslegung des Systems kann sichergestellt werden, dass selbst bei Ausfall des elektrischen Antriebs das Luftfahrzeug mit Hilfe der Turbine im Nennpunkt sicher bewegt werden kann. In diesem Notbetrieb wird die gesamte Turbinenleistung für den Vortrieb benutzt.In certain application scenarios, there are greater advantages in a quasi-serial system, as it is realized according to the invention. With the hybrid drive according to the invention, an aircraft is driven purely electrically during the start, for example, by transmitting torque from the electric machine to the turbine wheels of the jet engine and / or to a propeller (if provided). After reaching the cruising altitude, the internal combustion engine is then started in the form of the jet engine, which is operated at the nominal point and drives both the aircraft and the electric machine. In this case, the desired cruising speed can be adjusted and corrected via the regulation of the power split. The landing can then be done with the help of the electric machine. By designing the system, it is possible to ensure that, even in the event of a failure of the electric drive, the aircraft can be safely moved at the nominal point with the help of the turbine. In this emergency operation, the entire turbine power is used for propulsion.
In einem seriellen Hybridsystem werden die vortriebsleistenden, rotierenden Komponenten des Antriebs rein elektrisch betrieben, stehen also nicht in mechanischer Verbindung zur Verbrennungskraftmaschine. Die für den Betrieb der rotierenden Komponenten erforderliche elektrische Energie wird durch eine Verbrennungskraftmaschine (z.B. eine Turbine oder einen Hub- bzw. Kreiskolbenmotor) und eine mit dieser gekoppelten Generatoreinheit erzeugt. Die Verbrennungskraftmaschine wird damit im Unterschied zu den quasiseriellen Systemen ausschließlich zur Energiewandlung eingesetzt, der Vortrieb des Luftfahrzeugs erfolgt in allen Betriebszuständen durch die elektrische Maschine.In a serial hybrid system, the propulsive, rotating components of the drive are operated purely electrically, so are not in mechanical communication with the internal combustion engine. The electrical energy required to operate the rotating components is generated by an internal combustion engine (e.g., a turbine or a rotary engine) and a generator unit coupled thereto. The internal combustion engine is thus used in contrast to the quasi-serial systems exclusively for energy conversion, the propulsion of the aircraft takes place in all operating conditions by the electric machine.
Die Erfindung ermöglicht durch die quasiserielle Ausbildung einen besonders effizienten Betrieb eines kraftgetriebenen Luftfahrzeugs, beispielsweise eines Motor- bzw. Turbinenflugzeugs oder eines Hubschraubers. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen Start und Landung ohne den Einsatz einer Verbrennungskraftmaschine oder die Bereitstellung der hierbei erforderlichen maximalen Antriebsleistung durch ein Zusammenwirken der Verbrennungskraftmaschine und einer elektrischen Maschine. Mit anderen Worten kann das Luftfahrzeug während Start und Landung durch eine elektrische Maschine angetrieben oder die Verbrennungskraftmaschine durch eine elektrische Maschine unterstützt werden. Durch die Hybridisierung kann die Verbrennungskraftmaschine verkleinert und in Teillastpunkten aufgelastet werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Ein nachteiliger Teillastbetrieb entfällt hierdurch nahezu vollständig.Due to the quasi-serial design, the invention enables a particularly efficient operation of a power-driven aircraft, for example an engine or turbine aircraft or a helicopter. The measures according to the invention enable take-off and landing without the use of an internal combustion engine or the provision of the maximum drive power required in this case by interaction of the internal combustion engine and an electric machine. In other words, the aircraft can be driven during takeoff and landing by an electric machine or the internal combustion engine can be assisted by an electric machine. By hybridizing, the internal combustion engine can be downsized and loaded at partial load points to generate electrical energy. A disadvantageous partial load operation is thereby almost completely eliminated.
Durch den Einsatz von beispielsweise aus dem Automobilbereich bekannten Hybridkomponenten in ggf. größerer Skalierung kann die Belastung der Bevölkerung in Flughafennähe hinsichtlich Lärm und Emissionen stark gemindert werden. Beispielsweise kann ein rein elektrischer Start ohne Verbrennungskraftmaschinen den problematischen Fluglärm um die Motorengeräusche reduzieren. Schadstoffemissionen entfallen vollständig. Elektrische Maschinen entfalten bekanntermaßen drehzahlunabhängig ihr maximales Drehmoment, so dass dieses sofort beim Starten der Maschine zur Verfügung steht.The use of hybrid components known, for example, from the automotive sector, possibly in a larger scale, can greatly reduce the burden on the population near the airport in terms of noise and emissions. For example, a purely electric start without internal combustion engines can reduce the problematic aircraft noise around the engine noise. Pollutant emissions are completely eliminated. As is known, electrical machines develop their maximum torque independently of rotation, so that this is available immediately when starting the machine.
Während des Fluges auf Reiseflughöhe kann ein entsprechender elektrischer Antrieb generatorisch betrieben werden, so dass während des Fluges elektrische Energie erzeugt und gespeichert werden kann. Dies kann auch während der Landung erfolgen. Zusätzlich können durch elektrische Betriebsphasen, den kombinierten Betrieb von Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine und durch höhere Wirkungsgrade bei der Wandlung von chemischer in mechanische Energie fossile Kraftstoffe eingespart werden.During the flight to cruising altitude, a corresponding electric drive can be operated as a generator so that electrical energy can be generated and stored during the flight. This can also be done during the landing. In addition, fossil fuels can be saved by electrical operating phases, the combined operation of the internal combustion engine and electric machine, and higher efficiencies in the conversion of chemical to mechanical energy.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines kraftbetriebenen Luftfahrzeugs ist dazu ausgebildet, entsprechend einer Betriebsphase (Start, Landung, Flug auf Reiseflughöhe oder Notbetrieb) eine Antriebsleistung mittels einer Leistungsverzweigung des Hybridantriebs einzustellen, also mittels der Verbrennungskraftmaschine, der elektrischen Maschine oder beider bereitzustellen. Dies erfolgt vorzugsweise vollständig automatisch, so dass der Pilot keine entsprechende manuelle Umschaltung vornehmen muss.A method according to the invention for operating a power-operated aircraft is designed to set a drive power by means of a power split of the hybrid drive, ie by means of the internal combustion engine, the electric machine or both according to an operating phase (takeoff, landing, flight to cruising altitude or emergency operation). This is preferably done completely automatically, so that the pilot does not have to make a corresponding manual changeover.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei insbesondere, die Antriebsleistung während einer Startphase ausschließlich mittels der elektrischen Maschine und während eines Flugs auf Reiseflughöhe ausschließlich mittels der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen. Während des Flugs auf Reiseflughöhe wird die elektrische Maschine generatorisch betrieben.In particular, the method according to the invention comprises providing the drive power during a starting phase exclusively by means of the electric machine and during a flight to cruising altitude exclusively by means of the internal combustion engine. During flight to cruising altitude, the electric machine is operated as a generator.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines kraftgetriebenen Luftfahrzeugs ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Das Steuergerät ermöglicht beispielsweise die automatische Bereitstellung zusätzlicher Antriebsleistung durch Zuschalten eines zusätzlichen Antriebs bei Bedarf.An arithmetic unit according to the invention, e.g. a control unit of a power-driven aircraft is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention. The control unit allows, for example, the automatic provision of additional drive power by connecting an additional drive if required.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.The implementation of the method in the form of software is also advantageous, since this causes particularly low costs, in particular if an executing control device is still used for further tasks and therefore exists anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs and the like. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In
An einem Einlass
Hierzu folgt auf den Fan zunächst eine (Axial-)Verdichtereinheit
Das Gas expandiert in einer der Expansionsstufe
Die elektrische Maschine
Die elektrische Maschine
Der Stator
Die elektrische Maschine
Durch den Kühlmittelkanal
Die elektrische Maschine
In der
Während eines Schritts
Nachdem das Luftfahrzeug die entsprechende Reiseflughöhe erreicht hat (Phase 3, P3), wird die elektrische Maschine
In einem Schritt
Mit
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