DE102013209538A1

DE102013209538A1 - Hybridantrieb für kraftgetriebenes Luftfahrzeug, kraftgetriebenes Luftfahrzeug mit Hybridantrieb und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102013209538A1
Application number: DE102013209538.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Gassmann; Christian Flach; Paul Fixel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: DE102013209538B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb (1, 2) für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug, der eine mit einer Gasturbine (10) drehfest gekoppelte oder koppelbare Primärwelle (11) und eine mit einer elektrischen Maschine (20) drehfest gekoppelte oder koppelbare Sekundärwelle (21) aufweist, und wobei mit der Sekundärwelle (21) ferner ein Turbinenrad (23) drehfest gekoppelt oder koppelbar ist, mittels dessen ein bei einem Betrieb der Gasturbine (10) erzeugter Abgasstrom zum Antreiben der Sekundärwelle (21) verwendbar ist. Der Hybridantrieb (1, 2) weist einen Propeller (40) auf, auf den ein Drehmoment der Primärwelle (11) und/oder ein Drehmoment der Sekundärwelle (21) übertragbar ist. Ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug mit einem solchen Hybridantrieb (1) und ein Verfahren (2) zum Betreiben eines entsprechenden Luftfahrzeugs sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

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.
Stand der Technik
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.
Aus der DE 10 2006 056 354 A1 ist ein Hybridantrieb für ein Flugzeug bekannt, welcher eine Gasturbine und einen Elektromotor aufweist. Die Antriebsleistung kann durch die Gasturbine und den Elektromotor gemeinsam erbracht werden. Bei geringerem Schubbedarf können hingegen die Gasturbine und der Elektromotor jeweils alleine eingesetzt werden.
Es besteht jedoch weiterhin der Bedarf nach Verbesserungen auf dem Gebiet der Hybridantriebe bei kraftgetriebenen Luftfahrzeugen.
Offenbarung der Erfindung
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.
Vorteile der Erfindung
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines hybridisierten Zweiwellenantriebs (nachfolgend kurz als "Hybridantrieb" bezeichnet) mit einer Verbrennungskraftmaschine in Form einer Gasturbine sowie mit einer elektrischen Maschine.
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.
Der Hybridantrieb weist dabei eine mit einer Gasturbine drehfest gekoppelte oder koppelbare Primärwelle und eine mit einer elektrischen Maschine drehfest gekoppelte oder koppelbare Sekundärwelle auf. Mit der Sekundärwelle ist ferner ein Turbinenrad drehfest gekoppelt oder koppelbar, mittels dessen ein bei einem Betrieb der Gasturbine erzeugter Abgasstrom zum Antreiben der Sekundärwelle verwendbar ist. Ferner ist ein Propeller vorgesehen, auf den ein Drehmoment der Primärwelle und/oder ein Drehmoment der Sekundärwelle übertragbar sind.
Die Erfindung sieht dabei vorteilhafterweise eine strömungstechnische Verbindung in einem entsprechend ausgebildeten Gasleitsystem vor, die einen Austritt einer Expansionsstufe der Gasturbine mit einem Arbeitsraum des Turbinenrads auf der Sekundärwelle verbindet. Dieses Turbinenrad erzeugt ein Drehmoment (aus der Entspannung des Abgases der Gasturbine), das die elektrische Maschine unterstützen oder, bei generatorischem Betrieb, ausschließlich antreiben kann. Eine "strömungstechnische Verbindung" kann beispielsweise als Abgaskanal ausgebildet sein.
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.
Unter einer "Gasturbine" wird im Rahmen dieser Anmeldung eine gekoppelte Einheit aus einer (Axial-)Verdichtereinheit und einer Expansionsstufe (der eigentlichen Gasturbine) mit dazwischen angeordneter Brennkammer verstanden.
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 zum Antreiben des Propellers eingesetzt wird (also nur deren Drehmoment auf den Propeller übertragen 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 auf den Propeller übertragen werden), wird hier der Begriff "zweite Betriebsart" verwendet.
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
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.
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.
Die Rotationsbewegung der Primärwelle in der zweiten Betriebsart wird durch die Gasturbine direkt erzeugt. Die Rotationsbewegung der Sekundärwelle in der zweiten Betriebsart wird mittels der elektrischen Maschine oder durch ein Zusammenwirken der elektrischen Maschine und der Gasturbine erzeugt. Ist die Gasturbine in Betrieb, kann diese auch ihrerseits, also ohne Übertragung einer Rotation auf den Propeller, einen Schub leisten. Hierzu kann beispielsweise eine Schubdüse vorgesehen sein. In der zweiten Betriebsart kann auch durch Abgas der Gasturbine das Turbinenrad auf der Sekundärwelle angetrieben werden, so dass mit der Gasturbine indirekt auch die Sekundärwelle antreibbar ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung, die auch nachfolgend in 1 veranschaulicht ist, können Primär- und Sekundärwelle parallel angeordnet sein und über eine Getriebeeinrichtung mit zugeordneter Kupplungseinrichtung ihre jeweiligen Drehmomente auf eine separate Propellerwelle, auf der der Propeller angebracht ist, übertragen. Die Getriebeeinrichtung weist vorteilhafterweise einen grundsätzlich bekannten Planetenradsatz auf. Das Sonnenrad des Planetenradsatzes ist mit der Propellerwelle drehfest gekoppelt, die Planetenräder sind drehbar an einem Planetenträger angebracht, der insgesamt mit der Sekundärwelle drehfest gekoppelt ist. Der Planetenträger kann damit durch die Sekundärwelle positioniert, also gedreht oder, bei Arretierung der Sekundärwelle, arretiert werden. Ein Hohlrad des Planetenradsatzes kann ebenfalls gedreht oder arretiert werden. Beispielsweise kann das Hohlrad beidseitig verzahnt ausgebildet sein und mittels eines entsprechenden Antriebsrads mittels der Primärwelle angetrieben werden. Die Primärwelle kann das Hohlrad jedoch auch auf andere Weise antreiben, beispielsweise mittels eines Antriebsriemens und dergleichen. Die Primärwelle ist über die Kupplungseinrichtung mit dem Antriebsrad bzw. dem Hohlrad kuppelbar, kann jedoch auch hiervon abgekuppelt werden, so dass sich die Primärwelle unabhängig von dem Antriebsrad und damit dem Hohlrad bzw. der Getriebeeinrichtung und der Propellerwelle, drehen kann.
Die Sekundärwelle und/oder der damit verbundene Planetenträger kann arretiert werden, so dass die Planetenräder dann nur noch um ihre jeweiligen Drehachsen rotieren, jedoch nicht mehr auf der Planetenbahn umlaufen können. In diesem Fall kann durch eine Drehung des Hohlrads eine Rotationsbewegung der Primärwelle auf das Sonnenrad und damit die Propellerwelle übertragen werden. Es liegt also die oben erwähnte zweite Betriebsart vor.
Alternativ dazu kann jedoch auch das Hohlrad arretiert werden. In diesem Fall wird die Kupplungseinrichtung geöffnet, so dass sich die Primärwelle frei drehen kann. Die Sekundärwelle treibt nun den Planetenträger an, so dass ihre Rotationsbewegung auf das Sonnenrad und damit die Propellerwelle übertragen wird. Es liegt also die oben erwähnte erste Betriebsart vor.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung umfasst, eine strömungsvermittelte Drehmomentübertragung, auch als "Air Clutch" bezeichnet, zwischen der Primärwelle und der Sekundärwelle vorzusehen, die mittels des Turbinenrads realisiert wird. Eine "strömungsvermittelte Drehmomentübertragung" nutzt dabei ein auf der Sekundärwelle angeordnetes Turbinenrad und umfasst, dieses Turbinenrad mit einem Abgasstrom, der durch die Gasturbine auf der Primärwelle erzeugt wird, zu beaufschlagen. Hierdurch ergibt sich eine (weitere) Möglichkeit zur Drehmomentübertragung zwischen Primär- und Sekundärwelle. Diese kann auch die einzige Möglichkeit zur Drehmomentübertragung darstellen, wenn die zuvor erläuterte Getriebeeinrichtung nicht vorgesehen ist, beispielsweise in der Ausführungsform der Erfindung, die nachfolgend in 2 veranschaulicht ist.
Dabei sind Mittel vorgesehen, die es ermöglichen, Abgas der mit der Primärwelle gekoppelten Gasturbine zu der mit der Sekundärwelle gekoppelten Expansionsturbine zu leiten. Diese umfassen stets die erwähnte strömungstechnische Verbindung, die den Austritt einer Expansionsstufe der Gasturbine mit einem Arbeitsraum des Turbinenrads verbindet. Ferner kann, insbesondere in der erläuterten Anordnung mit Getriebe, eine geeignete Abgasklappe vorgesehen sein, so dass das Abgas nicht obligatorisch auf das Turbinenrad geleitet werden muss, sondern auch wahlweise abgeblasen werden kann. Das expandierende Abgas wird über das Turbinenrad weiter entspannt und treibt die Expansionsturbine und damit die Sekundärwelle an. Hierdurch wird der zuvor erwähnte Kombinationsbetrieb möglich (auch als Boostbetrieb bezeichnet). Bei überschüssiger Leistung kann, wie erwähnt, mittels der Sekundärwelle auch die elektrische Maschine angetrieben werden. Diese wird dann generatorisch betrieben und kann elektrische Leistung bereitstellen. Das Moment der elektrischen Maschine kann also sowohl positiv als auch negativ sein.
Durch die verstellbare Abgasklappe kann dann, wenn ein entsprechender Antrieb der Sekundärwelle nicht erfolgen soll, der Wirkungsgrad der Expansionsstufe der Gasturbine maximiert werden, indem der Zugang zum Turbinenrad auf der Sekundärwelle verschlossen wird. Das Abgas kann in diesem Fall vorteilhafterweise frei zu einem Abgasauslass abströmen.
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 für quasiserielle Anwendungen an.
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.
Größere Vorteile ergeben sich bei einem quasiseriellen System. Mit diesem wird ein Luftfahrzeug während des Starts beispielsweise rein elektrisch angetrieben. Nach Erreichen der Reiseflughöhe wird dann die Verbrennungskraftmaschine gestartet, die 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
2 zeigt einen Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
3 zeigt ein Verfahren zum Betrieb eines kraftgetriebenen Luftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ablaufplans.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Der Hybridantrieb ist insgesamt mit 1 bezeichnet, eine zum Betrieb des Hybridantriebs 1 eingerichtete Steuereinheit, beispielsweise eine einem FMS nachgeordnete Steuereinheit, ist schematisch dargestellt und mit 60 bezeichnet.
Der Hybridantrieb 1 ist als Zweiwellenantrieb mit einer Gasturbine 10 und einer elektrischen Maschine 20 ausgebildet. Mit der Gasturbine 10 ist dabei eine Primärwelle 11, mit der elektrischen Maschine 20 eine Sekundärwelle 21 drehfest gekoppelt oder zumindest drehfest koppelbar.
Die Gasturbine 10 umfasst eine Verdichterstufe 12 und eine Expansionsstufe 13 mit entsprechenden Turbinenrädern, die auch jeweils mehrfach vorhanden sein können. Zwischen der Verdichterstufe 12 und der Expansionsstufe 13 ist eine Brennkammer 14 angeordnet.
Die elektrische Maschine 20 ist zumindest motorisch betreibbar. Durch einen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 20 kann, falls vorgesehen, elektrischer Strom produziert werden. Dieser kann in einem elektrischen Speichersystem 70, beispielsweise einer Batterieanordnung, gespeichert werden. Das elektrische Speichersystem 70 kann auch zum Speisen der elektrischen Maschine 20 bei motorischem Betrieb verwendet werden.
Die Sekundärwelle 21 ist ferner in entsprechenden Lagern 22 gelagert (ebenfalls vorhandene Lager der Primärwelle 11 sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt). Mit der Sekundärwelle 21 ist ferner ein Turbinenrad 23 drehfest gekoppelt oder zumindest drehfest koppelbar.
Ein Gasleitsystem ist stark schematisiert dargestellt und insgesamt mit 30 bezeichnet. Über einen Gaseinlass 31 des Gasleitsystems 30 kann die Verdichterstufe 12 der Gasturbine 10 Umgebungsluft ansaugen und diese verdichten. In die Brennkammer 14 der Gasturbine 10 wird beim Betrieb der Gasturbine 10 Treibstoff, beispielsweise Kerosin, eingespritzt (nicht dargestellt). Das in der Brennkammer 14 der Gasturbine 10 gebildete Luft-Treibstoff-Gemisch 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 der Expansionsstufe 13 der Gasturbine 10 teilweise in eine Drehbewegung umgesetzt, wobei das Gas weiter expandiert. Die Expansionsstufe 13 der Gasturbine 10 dient zum Antreiben der Verdichterstufe 12 der Gasturbine 10 und ist mit dieser auf der Primärwelle 11 angeordnet.
Mittels einer verstellbaren Abgasklappe 32 kann das Abgas der Gasturbine 10 wahlweise zu einem Auslass 33, dem weitere Einrichtungen nachgeschaltet sein können, oder in einen Verbindungskanal 34 geleitet werden. Hierzu kann die Abgasklappe 32 in die Stellungen a und b gebracht werden.
Am Ende des Verbindungskanals 34 befindet sich das auf der Sekundärwelle 21 angeordnete Turbinenrad 23. Wenn das Abgas der Gasturbine 10 auf das Turbinenrad 23 geleitet wird, kann damit auch die Sekundärwelle 21 indirekt mittels der Gasturbine 10 bzw. mittels des Abgases der Gasturbine 10 angetrieben werden. Der Verbindungskanal 34 stellt damit die mehrfach erwähnte strömungstechnische Verbindung dar. Die hierdurch bewirkte Kupplung zwischen der Primärwelle 11 und der Sekundärwelle 21 wird hier als Air Clutch bezeichnet. Das Abgas verlässt anschließend das Gasleitsystem 30 über einen Auslass 35.
Das Gas kann in einer der Gasturbine 10 bzw. dem Auslass 33 und/oder 35 nachgeschalteten Schubdüse (nicht dargestellt) auf beinahe Umgebungsdruck expandiert werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeit weiter gesteigert wird. In der Schubdüse kann durch das ausströmende Gas ein Teil der Vortriebskraft des Hybridantriebs 1 erzeugt werden.
Der Hybridantrieb 1 weist ferner einen Propeller 40 auf, der mit einer Propellerwelle 41 drehfest gekoppelt oder zumindest drehfest koppelbar ist. Über eine nachfolgend erläuterte Getriebeeinrichtung 50 mit einer (Freilauf-)Kupplungseinrichtung 55 kann wahlweise entweder ein Drehmoment der Primärwelle 11 oder der Sekundärwelle 21 auf die Propellerwelle 31 übertragen werden.
Die Getriebeeinrichtung 50 weist hierzu einen Planetenradsatz auf. Ein Sonnenrad 51 des Planetenradsatzes ist mit der Propellerwelle 41 drehfest gekoppelt, die Planetenräder 53 sind drehbar an einem Planetenträger 52 angebracht, der insgesamt mit der Sekundärwelle 21 drehfest gekoppelt ist oder zumindest drehfest koppelbar ist. Der Planetenträger 52 kann durch die Sekundärwelle 21 positioniert (gedreht oder arretiert) werden. Die Sekundärwelle 21 oder auch der Planetenträger 52 kann mittels einer Arretiereinrichtung 57 arretiert werden.
Ein Hohlrad 54 des Planetenradsatzes kann ebenfalls entweder mittels der Arretiereinrichtung 57 arretiert oder mittels eines Antriebsrads 56 mittels der über die Kupplung 55 eingekuppelten Primärwelle 11 gedreht werden. Wie erwähnt, kann das Hohlrad 54 beispielsweise beidseitig verzahnt ausgebildet sein. Die Primärwelle ist also über die Kupplungseinrichtung 55 mit dem Antriebsrad 56 bzw. dem Hohlrad 54 kuppelbar, kann jedoch auch hiervon abgekuppelt werden, so dass sich die Primärwelle 11 unabhängig von dem Antriebsrad 56 und damit dem Hohlrad 54 bzw. der Propellerwelle 41 drehen kann.
Wahlweise die Gasturbine 10 oder die elektrische Maschine 20 kann mit der Propellerwelle 41 über die Getriebeeinrichtung 50 gekoppelt werden. Dies wird nachfolgend als "Turbinenbetrieb" und als "elektrischer Betrieb" bezeichnet, wobei im elektrischen Betrieb auch die Gasturbine 20 aktiv sein und mittels des Turbinenrads 23 die elektrische Maschine 20 unterstützen kann.
Beim Turbinenbetrieb wird der Planetenträger 52 mittels der Arretiereinrichtung 57 arretiert. Die Planetenräder 53 können damit um ihre eigene Achse rotieren, jedoch nicht mehr auf der durch den Planetenträger 52 definierten Planetenbahn umlaufen. Gleichzeitig ist die Primärwelle 11 mittels der Kupplungseinrichtung 55 eingekuppelt. Eine durch die Gasturbine 10 erzeugte Rotation der Primärwelle 11 wird über das Antriebsrad 56 an das nicht arretierte Hohlrad 54 und von diesem weiter über die (auf ihrer Umlaufbahn) arretierten Planetenräder 53 an das Sonnenrad 51 und damit die Propellerwelle 41 übertragen. Die elektrische Maschine 20 ist nicht in Betrieb, die Sekundärwelle 21 steht still.
Im elektrischen Betrieb ist der Planetenträger 52 nicht arretiert und daher mittels der Sekundärwelle 21 drehbar. Das Hohlrad 54 ist mit der Arretiereinrichtung 57 arretiert. Die elektrische Maschine 20 und/oder die Gasturbine 10 sind in Betrieb. Die Sekundärwelle 21 wird über die elektrische Maschine 20 und/oder das Turbinenrad 23 auf der Sekundärwelle 21 angetrieben. Die Planetenräder 53 werden durch den Planetenträger 52 auf ihrer Planetenbahn bewegt. Auf diese Weise wird die Rotationsbewegung der Sekundärwelle 21 über die Planetenräder 53 an das Sonnenrad 51 und die Propellerwelle 41 übertragen. Gleichzeitig ist die Primärwelle 11 mittels der Kupplungseinrichtung 55 ausgekuppelt und dementsprechend frei gegenüber der Getriebeeinrichtung 50 drehbar.
Im elektrischen Betrieb ist es also möglich, mittels der erläuterten Air Clutch mit dem Turbinenrad 23 auch die Sekundärwelle 21 zumindest teilweise mit der Gasturbine 10 anzutreiben. Das expandierende Abgas wird über das Turbinenrad 23 weiter entspannt und treibt dieses und damit die Sekundärwelle 21 an. Hierdurch wird der zuvor erwähnte Kombinationsbetrieb möglich (sogenanntes Boosten). Bei überschüssiger Leistung kann mittels der Sekundärwelle 21 auch die elektrische Maschine 20 angetrieben werden. Das Moment der elektrischen Maschine 20 kann also sowohl positiv als auch negativ sein.
Ein besonderer Vorteil eines Planetengetriebes ist die nahezu verlustfreie Übertragung der Drehmomente von der Primär- oder der Sekundärwelle. Durch das Planetengetriebe können Reibungsverluste und die Massenträgheit der elektrischen Maschine beim Antrieb durch die Verbrennungskraftmaschine ausgeschaltet werden, indem die Sekundärwelle arretiert wird.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Betriebsstrategie wird die erste Betriebsphase (rein elektrischer Betrieb) nur mittels der elektrischen Maschine 20 im zuvor erläuterten elektrischen Betrieb, die zweite Betriebsart im Turbinenbetrieb (wahlweise mit gleichzeitigem motorischen oder generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 20) durchgeführt.
2 zeigt einen Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Der Hybridantrieb ist insgesamt mit 2 bezeichnet.
Funktional dem Hybridantrieb 1 gemäß 1 entsprechende Elemente des Hybridantriebs 2 gemäß 2 sind mit identischen Bezugszeichen angegeben. Der Hybridantrieb 2 weist dabei nur einen Teil der Komponenten des Hybridantriebs 1 auf. Zusätzlich ist ein Gehäuse 80 schraffiert dargestellt.
Der Hybridantrieb 2 unterscheidet sich von dem Hybridantrieb 1 im dargestellten Beispiel durch eine koaxiale Anordnung der Primärwelle 11 und der Sekundärwelle 21. Die Primärwelle 11 und die Sekundärwelle 21 können jedoch auch nicht koaxial angeordnet sein. Ferner ist der Propeller 40 bei dem Hybridantrieb 2 direkt mit der Sekundärwelle 21 drehfest gekoppelt oder zumindest drehfest koppelbar, eine Getriebeeinrichtung 50 ist nicht vorhanden.
Mit der Gasturbine 10 ist auch bei dem Hybridantrieb 2 die Primärwelle 11, mit der elektrischen Maschine 20 die Sekundärwelle 21 drehfest gekoppelt oder zumindest drehfest koppelbar. Das Gasleitsystem 30 verfügt ebenfalls über den Gaseinlass 31, über den die Verdichterstufe 12 der Gasturbine 10 Umgebungsluft ansaugen und diese verdichten kann. Der Betrieb der Gasturbine 10 erfolgt wie bereits zuvor erläutert.
Das Gasleitsystem 30 weist hier jedoch keine Abgasklappe 32 auf, das Abgas wird stets in den Verbindungskanal 34 geleitet, an dessen Ende sich das auf der Sekundärwelle 21 angeordnete Turbinenrad 23 befindet. Wenn das Abgas der Gasturbine 10 auf das Turbinenrad 23 geleitet wird, kann auch hier die Sekundärwelle 21 indirekt mittels der Gasturbine 10 bzw. mittels des Abgases der Gasturbine 10 angetrieben werden. Auch hier ist damit eine strömungstechnische Verbindung bzw. Air Clutch ausgebildet. Eine Kupplungseinrichtung 59 kann vorgesehen sein, die eine zusätzliche Kraftübertragung von der Primärwelle 11 auf die Sekundärwelle 21 alternativ oder zusätzlich zu der Air Clutch ermöglichen kann. Insbesondere kann hier aber auf eine Kupplungseinrichtung 59 verzichtet werden, was einen entsprechenden Hybridantrieb 2 sehr wartungsarm macht. Wird der Propeller 40 ausschließlich mittels der elektrischen Maschine 20 angetrieben, müssen dennoch keine zusätzlichen Massen der Gasturbine 10 mitgeschleppt werden.
Das Gas kann auch hier in einer der Gasturbine 10 bzw. dem Auslass 35 und/oder 35 nachgeschalteten Schubdüse (nicht dargestellt) auf beinahe Umgebungsdruck expandiert werden.
Die in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen können auch einen Propeller 40 in Form eines sogenannten Verstellpropellers aufweisen. Ein durch den Propeller 40 erzeugter Schub ist dabei mittels Verstellen der Anstellwinkel der Blätter des Propellers 40 einstellbar.
Hierbei ist es insbesondere auch jeweils möglich, durch geeignete Ansteuerung der Getriebeeinrichtung 50 und der Kupplungseinrichtung 55 (Ausführungsform des Hybridantriebs 1 gemäß 1) bzw. mittels der Kupplungseinrichtung 59, falls vorhanden (Ausführungsform des Hybridantriebs 2 gemäß 2), die Gasturbine 10 mittels der elektrischen Maschine 20 zu starten, während der Propeller 40 weiter angetrieben werden kann. Hierbei kann insbesondere, falls vorgesehen, ein Verstellen der Anstellwinkel der Blätter des Propellers 40 erfolgen.
In der 3 ist ein Verfahren 100 zum Betrieb eines kraftgetriebenen Luftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ablaufplans mit den darunter gezeigten und zuvor erläuterten typischen Flugphasen 0 bis 8 (mit P0 bis P8 bezeichnet) eines Luftfahrzeugs dargestellt.
Während eines Schritts 101 des Verfahrens 100 (in den Phasen 0 bis 2, P0–P2) kann ein Hybridantrieb, beispielsweise der Hybridantrieb 1 oder 2 aus 1 oder 2, ausschließlich von einer elektrischen Maschine, beispielsweise der elektrischen Maschine 20, angetrieben werden. Alternativ dazu können während des Schritts 101 die kombinierten Drehmomente der elektrischen Maschine 20 und der Gasturbine 10 eingesetzt werden. Die elektrische Maschine 20 wird also motorisch betrieben und treibt – vorzugsweise alleine – den Propeller 40 an.
Nachdem das Luftfahrzeug die entsprechende Reiseflughöhe erreicht hat (Phase 3, P3), wird die elektrische Maschine 20 abgeschaltet, d.h. nicht mehr motorisch betrieben. Ein Teillastbetrieb der Gasturbine 10 würde in dieser Phase 3 für einen Betrieb des Luftfahrzeugs ausreichen. Dies ist allerdings, wie eingangs erwähnt, energetisch und aus Emissionsaspekten nicht wünschenswert. Daher wird die Gasturbine 10 in Schritt 102 bei Volllast oder nahe Volllast betrieben ("aufgelastet"). Die überschüssige Leistung wird in die elektrische Maschine 20 eingespeist, die ein entsprechendes negatives Moment bereitstellt. Die hierdurch erzeugte elektrische Leistung kann in entsprechenden Energiespeichern zwischengespeichert werden.
In einem Schritt 103 entspricht der Betrieb im Wesentlichen dem Schritt 101, d.h. der Hybridantrieb 1 oder 2 kann ausschließlich von der elektrischen Maschine 20 angetrieben werden oder es werden die kombinierten Drehmomente der elektrischen Maschine 20 und der Gasturbine 10 eingesetzt.
Mit 104 ist ein Notbetrieb bezeichnet. Der Notbetrieb 104 kann aus allen Flugphasen bzw. aus jedem der Schritte 101 bis 103 erreicht werden. Ausgehend von Schritt 101 oder 103 erfolgt dabei ein Umschalten auf die Gasturbine 10 bei Defekt der elektrischen Maschine 20. Ausgehend von Schritt 102 wird der Notbetrieb 104 dadurch eingeleitet, dass bei Ausfall der Gasturbine 10 der Vortrieb durch ein Drehmoment der elektrischen Maschine 20 dargestellt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006056354 A1 [0003]

Claims

Hybridantrieb (1, 2) für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug, der eine mit einer Gasturbine (10) drehfest gekoppelte oder koppelbare Primärwelle (11) und eine mit einer elektrischen Maschine (20) drehfest gekoppelte oder koppelbare Sekundärwelle (21) aufweist, wobei mit der Sekundärwelle (21) ferner ein Turbinenrad (23) drehfest gekoppelt oder koppelbar ist, mittels dessen ein bei einem Betrieb der Gasturbine (10) erzeugter Abgasstrom zum Antreiben der Sekundärwelle (21) verwendbar ist und der Hybridantrieb (1, 2) einen Propeller (40) aufweist, auf den ein Drehmoment der Primärwelle (11) und/oder ein Drehmoment der Sekundärwelle (21) übertragbar ist.
Hybridantrieb (1, 2), der ferner einen Verbindungskanal (34) aufweist, der einen Austritt einer Expansionsstufe (13) der Gasturbine (10) mit einem Arbeitsraum des Turbinenrads (23) verbindet.
Hybridantrieb (1, 2) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest zeitweise wahlweise die Gasturbine (10) oder die elektrische Maschine (20) oder beide momentenleistend betreibbar sind und/oder bei dem die elektrische Maschine (20) zumindest zeitweise generatorisch betreibbar ist.
Hybridantrieb (1, 2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine mechanische Kupplungseinrichtung (55, 59) zwischen der Primärwelle (11) und der Sekundärwelle (21) vorgesehen ist.
Hybridantrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Propellerwelle (41) aufweist, mit der der Propeller (40) drehfest gekoppelt oder koppelbar ist, wobei eine Getriebeeinrichtung (50) vorgesehen ist, mittels derer wahlweise ein Drehmoment der Primärwelle (11) oder ein Drehmoment der Sekundärwelle (21) auf die Propellerwelle (41) übertragbar ist.
Hybridantrieb (1) nach Anspruch 5, bei dem die Getriebeeinrichtung (50) ein Planetengetriebe aufweist, wobei die Propellerwelle (41) drehfest mit einem Sonnenrad (51) und die Sekundärwelle (21) drehfest mit einem Planetenträger (52) des Planetengetriebes gekoppelt ist und das Hohlrad (54) mittels der Primärwelle (11) über die Kupplungseinrichtung (55) antreibbar ist.
Hybridantrieb (1) nach Anspruch 6, bei dem Arretierungsmittel (57) zum wahlweisen Arretieren des Planetenträgers (52) oder des Hohlrads (54) des Planetengetriebes vorgesehen sind.
Hybridantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Abgasklappe (32) vorgesehen ist, die dafür eingerichtet ist, den beim Betrieb der Gasturbine (10) erzeugten Abgasstrom wahlweise dem Turbinenrad (23) und/oder einem Auslass (33) zuzuführen.
Kraftgetriebenes Luftfahrzeug, das zumindest einen Hybridantrieb (1, 2) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren (100) zum Betreiben eines Hybridantriebs (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines kraftgetriebenen Luftfahrzeugs nach Anspruch 9, bei dem in einer ersten Betriebsart ein Drehmoment, das nur mittels der elektrischen Maschine (20) erzeugt wird und in einer zweiten Betriebsart ein Drehmoment, das mittels der elektrischen Maschine (20) und der Gasturbine (10) oder nur mittels der Gasturbine (10) erzeugt wird, auf den Propeller (40) übertragen wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 10, bei dem in der zweiten Betriebsart das mittels der Gasturbine (20) erzeugte Drehmoment mittels einer Kupplungseinrichtung (55, 59) und/oder mittels einer Getriebeeinrichtung (50) auf den Propeller (40) übertragen wird.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem in der zweiten Betriebsart ein bei dem Betrieb der Gasturbine (10) erzeugter Abgasstrom zum Antreiben der Sekundärwelle (21) verwendet wird.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die erste Betriebsart während einer Steig- und/oder Sinkflugphase durchgeführt wird.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem in der zweiten Betriebsart die Gasturbine (10) nahe ihrem Volllastpunkt betrieben wird und die elektrische Maschine (20) generatorisch betrieben wird, wobei ein durch die Gasturbine (10) erzeugtes Drehmoment teilweise auf die elektrische Maschine (20) und teilweise auf den Propeller (40) übertragen wird
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Gasturbine (10) mittels der elektrischen Maschine (20) gestartet wird, wobei weiterhin ein Drehmoment auf den Propeller (40) übertragen wird und insbesondere ein Anstellwinkel von Blättern des Propellers (40) verstellt wird.