DE102014224637A1 - Hybrid electric propulsion system for an aircraft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Elektro-Antriebssystem für ein Flugzeug. Das System umfasst einen einzelnen Hauptverbrennungsmotor (10), eine erste Schubeinheit (50) und eine zweite Schubeinheit (55). Der einzelne Hauptverbrennungsmotor (10) ist dazu ausgebildet, die erste Schubeinheit (50) mittels einer mechanischen Verbindung (60) anzutreiben. Das System umfasst ferner einen Elektromotor (25), der dazu ausgebildet ist, die zweite Schubeinheit (55) anzutreiben. Es ist die erfinderische Idee, ferner einen Generator (20) bereitzustellen, der dazu ausgebildet ist, durch den einzelnen Hauptverbrennungsmotor (10) erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, wobei der Generator dazu ausgebildet ist, den Elektromotor (25) mit elektrischer Energie zu speisen. Gemäß der Erfindung können beide Schubeinheiten durch den einzelnen Hauptverbrennungsmotor (10) angetrieben werden, was die Verwendung eines größeren, effizienteren Hauptverbrennungsmotors (10) während des normalen Flugbetriebs ermöglicht.The invention relates to a hybrid electric propulsion system for an aircraft. The system comprises a single main engine (10), a first thruster (50) and a second thruster (55). The single main combustion engine (10) is configured to drive the first thrust unit (50) by means of a mechanical connection (60). The system further includes an electric motor (25) adapted to drive the second thrust unit (55). It is the inventive idea to further provide a generator (20) adapted to convert mechanical energy generated by the single main combustion engine (10) into electrical energy, the generator being configured to supply the electric motor (25) with electrical energy Food. According to the invention, both thrust units can be driven by the single main engine (10), which allows the use of a larger, more efficient main engine (10) during normal flight operations.
Description
Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Elektro-Antriebssystem für ein Flugzeug. Das System umfasst einen Hauptverbrennungsmotor, eine erste Schubeinheit und eine zweite Schubeinheit. Der Hauptverbrennungsmotor ist dazu ausgebildet, die erste Schubeinheit mittels einer mechanischen Verbindung anzutreiben. Das System umfasst ferner einen Elektromotor, der dazu ausgebildet ist, die zweite Schubeinheit anzutreiben.The invention relates to a hybrid electric propulsion system for an aircraft. The system comprises a main engine, a first thrust unit and a second thrust unit. The main combustion engine is configured to drive the first thrust unit by means of a mechanical connection. The system further includes an electric motor configured to drive the second thrust unit.
Bei steigenden Preisen fossiler Brennstoffe und zunehmender Nachfrage nach der Reduzierung schädlicher Emissionen hat die Forschung zu „grüner Energie” und Antriebstechnologien, die eine Alternative zur Verbrennung fossiler Brennstoffe darstellen, weltweit seit etwa dem Beginn des 21. Jahrhunderts zunehmend an Bedeutung gewonnen. Elektroantrieb wird derzeit, hauptsächlich aufgrund des hervorragenden Wirkungsgrads von Elektromotoren, als eine vielversprechende Alternative angesehen. Während Flugzeug-Verbrennungsmotoren üblicherweise mechanische Leistung erzeugen, indem sie nur etwa 30–60% der gesamten in Verbrennungstreibstoff gespeicherten Energie nutzen, wandeln Elektromotoren elektrische Leistung bei Wirkungsgraden, die über 95% erreichen, in mechanische Leistung um. Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet, dass nur ein geringer Teil der an Bord gespeicherten elektrischen Energie verschwendet wird. Dies ist eine gute Voraussetzung für „grüneren” Antrieb, denn auch wenn die elektrische Energie in mit fossilen Brennstoffen betriebenen elektrischen Kraftwerken erzeugt wird, weisen die schweren am Boden befindlichen Kraftwerke tendenziell einen signifikant höheren Wirkungsgrad und niedrigere Emissionen als Verbrennungsmotoren auf, die zum Antrieb in Fahrzeugen verwendet werden. Ferner kann elektrische Energie unter Verwendung erneuerbarer Quellen mit null Emissionen erzeugt werden.With rising fossil fuel prices and increasing demand for reducing harmful emissions, research into "green energy" and propulsion technologies that are an alternative to burning fossil fuels has become increasingly important around the world since about the beginning of the 21st century. Electric propulsion is currently considered a promising alternative, mainly due to the excellent efficiency of electric motors. While aircraft internal combustion engines typically generate mechanical power using only about 30-60% of the total energy stored in combustion fuel, electric motors convert electrical power into efficiencies at efficiencies that exceed 95%. High efficiency means that only a small part of the electrical energy stored on board is wasted. This is a good prerequisite for greener propulsion, because even if electric power is generated in fossil-fuel electric power plants, the heavy-duty power plants tend to have significantly higher efficiency and lower emissions than internal combustion engines Vehicles are used. Furthermore, electrical energy can be generated using zero emissions renewable sources.
Allerdings weisen Elektrofahrzeuge des Standes der Technik, die ausschließlich mit Batterien angetrieben werden, einen entscheidenden Nachteil auf: eine niedrige Ausdauer, die aus der signifikant niedrigeren Energiedichte von Batterien im Vergleich zu Verbrennungstreibstoff auf Kohlenstoffbasis resultiert. Daher sind batteriebetriebene Elektrofahrzeuge nur für einen engen Anwendungsbereich geeignet, bei dem eine hohe Ausdauer nicht erforderlich ist, z. B. Gabelstapler, Golfwagen, Roller etc. Andererseits erfordern die meisten Transportfahrzeuge im Allgemeinen eine hohe Ausdauer, was die Energiespeicherung nur mittels Batterie in den meisten Anwendungen zu einer ungeeigneten Option macht. Hybrid-Elektroantrieb stellt eine Lösung für dieses Problem dar – er bietet einen Kompromiss zwischen dem Wirkungsgrad des Elektro-Antriebs und der hohen Energiedichte von Brennstoff auf Kohlenstoffbasis.However, prior art electric vehicles powered exclusively by batteries have one major drawback: low endurance resulting from the significantly lower energy density of batteries compared to carbon-based combustion fuel. Therefore, battery-powered electric vehicles are only suitable for a narrow range of application, in which a high endurance is not required, for. On the other hand, most transport vehicles generally require high endurance, making battery-only energy storage an inappropriate option in most applications. Hybrid electric drive is one solution to this problem - it offers a compromise between the efficiency of the electric drive and the high energy density of carbon-based fuel.
Für Luftfahrzeuge sind zwei grundlegende Hybrid-Elektro-Antriebskonstruktionen bekannt. Die erste Konstruktion wird als Hybrid-Elektro-Parallelstrang (kurz: Parallelstrang) bezeichnet, das zweite als Hybrid-Elektro-Serienstrang (kurz: Serienstrang).For aircraft, two basic hybrid electric propulsion designs are known. The first construction is referred to as hybrid electric parallel string (short: parallel strand), the second as hybrid electric train series (short: series train).
Beide Konstruktionen verbessern den herkömmlichen, nicht-hybriden Antriebsstrang für Luftfahrzeuge, der üblicherweise eine oder mehrere Schubeinheiten umfasst, z. B. einen Propeller oder eine Luftschraube, wobei jede durch einen Verbrennungsmotor mechanisch angetrieben ist.Both designs enhance the conventional non-hybrid drivetrain for aircraft, which typically includes one or more thrust units, e.g. As a propeller or propeller, each mechanically driven by an internal combustion engine.
Bei Parallelstrangsystemen wird jede Schubeinheit durch einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor angetrieben. Ein Elektro-Energiespeichersystem treibt den Elektromotor an. Sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor sind mit der Schubeinheit durch dieselbe mechanische Verbindung gekoppelt, z. B. durch eine Antriebswelle. In einer solchen Anordnung ist das durch die Antriebswelle gelieferte Drehmoment die Summe der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors und der Drehmomentabgabe des Elektromotors. Die Hauptleistungsquelle ist üblicherweise der Verbrennungsmotor, während der Elektromotor bei Bedarf einen Leistungsschub bereitstellen kann, z. B. für den Start, Steigflug, Durchstarten etc. Dieser Aufbau reduziert die Schwankung der Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors während des Betriebs und lockert so seine Konstruktionserfordernisse und ermöglicht ihm, während des Großteils des Flugzeugnormalbetriebs bei nahezu optimalem Wirkungsgrad zu arbeiten. Beispiele für Parallelstrangsysteme für Luftfahrzeuge sind in den Dokumenten
In Serienstrangsystemen sind die Verbrennungsmotoren nicht mechanisch mit den Schubeinheiten gekoppelt, sondern es geben nur die Elektromotoren Drehmoment an die Schubeinheiten ab. Die elektrische Leistung, die die Elektromotoren speist, wird durch zumindest einen Verbrennungsmotor geliefert, der einen Generator antreibt, elektrische Leistung zu erzeugen. Zusätzlich dazu kann ein Elektro-Energiespeichersystem bereitgestellt sein, um zusätzliche elektrische Energie an die Elektromotoren abzugeben. Der Serienstrang benötigt daher einen Generator, um die durch den Verbrennungsmotor bereitgestellte mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln, die an den Elektromotor abgegeben wird, der wiederum mechanische Leistung erzeugt, die über eine mechanische Verbindung an die Schubeinheit abgegeben wird. Diese zusätzlichen Komponenten führen üblicherweise zu einem signifikanten Gewichtsnachteil. Außerdem verursachen ein Generator und ein Elektromotor einen gewissen Leistungsverlust: Wenn z. B. beide einen Wirkungsgrad von 97% aufweisen, belaufen sich die kombinierten Verluste der Hybrid-Serien-Leistungsübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Schubeinheit auf mehr als 6%. Daher muss der Verbrennungsmotor diese Verluste ausgleichen, indem er entsprechend mehr Leistung erzeugt.In mass train systems, the internal combustion engines are not mechanically coupled to the thrust units, but only the electric motors deliver torque to the thrust units. The electrical power that powers the electric motors is provided by at least one internal combustion engine that drives a generator to generate electrical power. In addition, an electric energy storage system may be provided to deliver additional electrical energy to the electric motors. The series train therefore requires a generator to convert the mechanical power provided by the engine into electrical power delivered to the electric motor, which in turn generates mechanical power that is delivered to the pusher unit via a mechanical connection. These additional components usually result in a significant weight penalty. In addition, cause a generator and an electric motor a certain loss of power: z. B. both have an efficiency of 97%, amount to combined losses of hybrid series power transmission between the engine and the thrust unit to more than 6%. Therefore, the internal combustion engine must compensate for these losses by generating correspondingly more power.
Ungeachtet der involvierten Nachteile kann der Serienstrang dennoch verwendet werden, wenn hohe betriebsbezogene Flexibilität benötigt wird. Der Verbrennungsmotor und die Schubeinheit sind entkoppelt, was beiden ermöglicht, zu jeder Zeit bei Umdrehungsgeschwindigkeiten zu arbeiten, die unabhängig voneinander sind, und so potenziell den Wirkungsgrad beider verbessert. Ferner ermöglicht die Serienanordnung auch einem einzelnen Verbrennungsmotor, mehrere Schubeinheiten anzutreiben, ohne dass ein komplexes und schweres Antriebswellensystem benötigt würde. Das Dokument
In Anbetracht des oben beschriebenen Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Vorteile von sowohl Parallelstrang- als auch Serienstrang-Hybrid-Elektro-Antriebssystemen zu kombinieren und die Nachteile der Systeme des Standes der Technik zumindest teilweise zu vermeiden. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.In view of the above-described prior art, it is the object of the present invention to combine the advantages of both parallel-string and series-train hybrid electric drive systems and at least partially avoid the disadvantages of the prior art systems. The object is solved by the features of the independent claims. Preferred embodiments are described in the dependent claims.
Erfindungsgemäß umfasst das Hybrid-Elektro-Antriebssystem einen einzelnen Hauptverbrennungsmotor, der dazu ausgebildet ist, eine erste Schubeinheit anzutreiben, und einen Generator, der dazu ausgebildet ist, durch den einzelnen Hauptverbrennungsmotor erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und den Elektromotor mit elektrischer Energie zu speisen.According to the invention, the hybrid electric drive system comprises a single main combustion engine configured to drive a first thrust unit and a generator configured to convert mechanical energy generated by the single main combustion engine into electrical energy and to power the electric motor with electrical energy ,
Zunächst werden einige im Zusammenhang der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.First, some terms used in the context of the invention will be explained.
Der Begriff „Schubeinheit” umfasst jede Schub oder Auftrieb erzeugende Vorrichtung, wie etwa einen Propeller, eine Luftschraube, einen Auftriebsrotor, eine Auftriebsschraube etc.The term "thrust unit" includes any thrust or lift generating device such as a propeller, propeller, buoyancy rotor, buoyancy screw, etc.
Ferner deckt der Begriff „Verbrennungsmotor” jede Art von Vorrichtung ab, die durch die Verbrennung von Treibstoff mechanische Energie erzeugt, wie etwa ein Ottomotor, Atkinson-Zyklus-Motor, Dieselmotor, Zweitakt- oder Sechstakt-Motor, Drehmotor (z. B. ein Wankelmotor), kontinuierlich arbeitender Verbrennungsmotor (z. B. eine Gasturbine) etc.Further, the term "internal combustion engine" covers any type of device that generates mechanical energy from the combustion of fuel, such as a gasoline engine, Atkinson cycle engine, diesel engine, two-stroke or six-stroke engine, spin engine (eg Wankel engine), continuous internal combustion engine (eg a gas turbine) etc.
Der Begriff „Hauptverbrennungsmotor” betrifft einen Verbrennungsmotor, der genügend Leistung bereitstellt, um die erste Schubeinheit über die mechanische Verbindung anzutreiben und um den Generator anzutreiben, sodass gleichzeitig genügend Leistung an die zweite Schubeinheit weitergegeben werden kann. Wenn der Hauptverbrennungsmotor dazu ausgebildet ist, die Schubeinheit anzutreiben, bedeutet dies, dass vom Verbrennungsmotor erzeugte mechanische Energie zumindest teilweise verwendet wird, um die Schubeinheit mittels der mechanischen Verbindung anzutreiben.The term "main engine" refers to an internal combustion engine that provides enough power to drive the first thruster unit through the mechanical link and to drive the generator so that, at the same time, enough power can be passed to the second thruster unit. When the main engine is configured to drive the pusher unit, it means that mechanical energy generated by the engine is at least partially used to drive the pusher unit by means of the mechanical connection.
Der Schubeinheit „genügend Leistung bereitzustellen” bedeutet, dass im Normalbetrieb die zugeführte Leistung ausreichend ist für alle normalen Flugsituationen, für Flugzeugnotfallbetriebe, wie für die Zertifizierung erforderlich, und/oder für eine Flugsituation, die ein hohes Schubniveau erfordert. Eine „Flugsituation, die ein hohes Schubniveau erfordert” ist zum Beispiel beim Startvorgang, Durchstarten oder jede andere Situation, in der ein vergleichbares Schubniveau erforderlich ist. Wenn ein Hauptverbrennungsmotor, Generator oder Motor zum Beispiel eine Leistungsabgabe liefern soll, die ausreichend für Flugsituationen, die ein hohes Schubniveau erfordern, ist, bedeutet dies, dass die Hauptverbrennungsmotor-, Generator- oder Motorleistungsabgabe eine Stärke hat, die es dem Piloten ermöglicht, mit den Flugsituationen adäquat umzugehen.To provide enough power to the push unit means that in normal operation the power supplied is sufficient for all normal flight situations, for aircraft emergency operations as required for certification, and / or for a flight situation requiring a high level of thrust. A "flight situation that requires a high level of thrust" is, for example, during take-off, take-off or any other situation where a comparable thrust level is required. For example, if a main engine, generator or engine is to provide a power output sufficient for flight situations requiring a high thrust level, this means that the main engine, generator or engine power output has a power that allows the pilot to communicate with to handle the flight situations adequately.
Die erfindungsgemäßen Merkmale bieten die Möglichkeit, einen ersten Teil der durch den einzelnen Hauptverbrennungsmotor erzeugten mechanischen Energie zum Antreiben der ersten Schubeinheit zu verwenden. Ein zweiter Teil der durch den Hauptverbrennungsmotor erzeugten mechanischen Energie wird vom Generator verwendet, um elektrische Energie zu erzeugen. Der Generator ist dazu ausgebildet, den Elektromotor mit elektrischer Energie zu speisen, der wiederum dazu ausgebildet ist, die zweite Schubeinheit anzutreiben. Dementsprechend werden zwei Schubeinheiten durch den einzelnen Hauptverbrennungsmotor angetrieben, ohne dass ein komplexes und schweres Antriebswellensystem erforderlich ist.The features of the present invention provide the ability to use a first portion of the mechanical energy generated by the single main engine to drive the first thruster. A second portion of the mechanical energy generated by the main engine is used by the generator to generate electrical energy. The generator is adapted to feed the electric motor with electrical energy, which in turn is adapted to drive the second thrust unit. Accordingly, two thrust units are driven by the single main engine without the need for a complex and heavy drive shaft system.
Verglichen mit den Systemen des Standes der Technik bietet die erfindungsgemäße Konfiguration mehrere Vorteile. Erstens ermöglicht es die vorliegende Erfindung im Gegensatz zum Parallelstrangsystem, nur einen einzelnen Hauptverbrennungsmotor zum Antreiben sowohl der ersten als auch der zweiten Schubeinheit zu verwenden, wie oben beschrieben. Dementsprechend ermöglicht die vorliegende Erfindung, anstatt zwei Verbrennungsmotoren zu verwenden, die jeweils eine einzelne Schubeinheit antreiben (wie es bei einem Parallelstrangsystem der Fall ist), einen einzelnen Hauptverbrennungsmotor größerer Größe zu verwenden. Die Verwendung eines einzelnen Hauptverbrennungsmotors größerer Größe ist vorteilhafter als die Verwendung von zwei gleichwertigen Verbrennungsmotoren kleinerer Größe, da Verbrennungsmotoren tendenziell effizienter sind, wenn sie für höhere Leistungsniveaus konzipiert sind. Dies liegt daran, dass Reibungskräfte (Flüssigkeitsreibung, mechanische Reibung rotierender Teile, Innenluftdruckverluste etc.) tendenziell für kleinere Motoren stärker sind, wenn sie in Relation zur Abgabe des Motors gesetzt werden.Compared with the prior art systems, the configuration of the invention offers several advantages. First, unlike the parallel string system, the present invention allows only a single main engine to be used to drive both the first and second thrust units as described above. Accordingly, instead of using two internal combustion engines each driving a single thrust unit (as is the case with a parallel rail system), the present invention allows a single larger size main engine to be used. The usage of a single main combustion engine of larger size is more advantageous than the use of two equivalent smaller size combustion engines because internal combustion engines tend to be more efficient when designed for higher power levels. This is because frictional forces (fluid friction, mechanical friction of rotating parts, internal air pressure losses, etc.) tend to be stronger for smaller engines when placed in relation to the output of the engine.
Dementsprechend ermöglicht die vorliegende Erfindung einen effizienteren und daher brennstoffsparenden Betrieb eines Flugzeugs.Accordingly, the present invention enables more efficient and therefore fuel-efficient operation of an aircraft.
Verglichen mit einem Serienstrangsystem bietet die vorliegende Erfindung weitere Vorteile. In einem Serienstrangsystem erzeugt zumindest ein Verbrennungsmotor mechanische Energie, die durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Energie wird Elektromotoren zugeführt, die jeweils eine Schubeinheit antreiben. Dementsprechend werden in einem Serienstrangsystem mit zwei Schubeinheiten zumindest ein Verbrennungsmotor, ein Generator und zwei Elektromotoren zum Antreiben der Schubeinheiten benötigt. Im Gegensatz dazu schlägt die vorliegende Erfindung vor, die erste Schubeinheit mechanisch anzutreiben und die zweite Schubeinheit elektrisch anzutreiben. Dementsprechend werden nur ein Verbrennungsmotor, ein Generator und ein Elektromotor benötigt, was zu einem Gewichtsvorteil im Vergleich zum Serienstrangsystem führt. Da die erste Schubeinheit mechanisch angetrieben wird, werden ferner elektrische Verluste reduziert.Compared with a series train system, the present invention offers further advantages. In a series train system, at least one internal combustion engine generates mechanical energy that is converted into electrical energy by a generator. The electrical energy is supplied to electric motors, each driving a thrust unit. Accordingly, in a series train system with two thrust units, at least one internal combustion engine, one generator, and two electric motors are needed to drive the thrusters. In contrast, the present invention proposes to mechanically drive the first thrust unit and electrically drive the second thrust unit. Accordingly, only one internal combustion engine, one generator and one electric motor are required, resulting in a weight advantage compared to the series train system. Since the first thrust unit is mechanically driven, electrical losses are further reduced.
Aus Sicherheitsgründen müssen Flugzeugantriebssysteme üblicherweise bestimmte Redundanzen im Falle eines Motorversagens bereitstellen. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Hybrid-Elektro-Antriebssystem daher eine Elektro-Energiespeichervorrichtung. Die Elektro-Energiespeichervorrichtung kann jede Vorrichtung sein, die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie während des Flugzeugbetriebs zu liefern, und sie kann insbesondere Batterien, Kondensatoren oder Brennstoffzellen umfassen. Es wird ferner bevorzugt, dass der Generator einen Antriebsmodus umfasst, in dem er dazu ausgebildet ist, die erste Schubeinheit anzutreiben. Das bedeutet, dass der Generator dazu ausgebildet ist, sowohl als Generator als auch als Motor (im Antriebsmodus) zum Antreiben der ersten Schubeinheit verwendet zu werden. Die Bereitstellung einer Elektro-Energiespeichervorrichtung in Kombination mit einem Generator umfassend einen Antriebsmodus bringt mehrere Vorteile mit sich.For safety reasons, aircraft propulsion systems typically must provide certain redundancies in the event of engine failure. In an advantageous embodiment, therefore, the hybrid electric drive system comprises an electric energy storage device. The electric energy storage device may be any device configured to supply electrical energy during aircraft operation and, in particular, may include batteries, condensers or fuel cells. It is further preferred that the generator comprises a drive mode in which it is designed to drive the first thrust unit. This means that the generator is designed to be used both as a generator and as a motor (in drive mode) for driving the first thrust unit. The provision of an electric energy storage device in combination with a generator comprising a drive mode has several advantages.
Manche Arten von Hauptverbrennungsmotoren erfordern die Zufuhr von Energie zum Starten des Motors, zum Beispiel, um Belastungen durch Trägheit und/oder Reibung innerhalb des Motors zu bewältigen. Der Generator kann daher auch dazu ausgebildet sein, den Hauptverbrennungsmotor zu starten. In diesem Fall besteht kein Bedarf an einem eigenen Startermotor für den Hauptverbrennungsmotor.Some types of main engines require the supply of power to start the engine, for example, to handle inertia and / or friction within the engine. The generator can therefore also be designed to start the main combustion engine. In this case, there is no need for a separate starter motor for the main engine.
Erstens kann die Elektro-Energiespeichervorrichtung im Fall eines Versagens des einzelnen Hauptverbrennungsmotors dem Generator und dem Elektromotor elektrische Energie bereitstellen. Der Generator wird in diesem Fall verwendet, um die erste Schubeinheit anzutreiben. Daher können beide Schubeinheiten unter Verwendung elektrischer Energie angetrieben werden, die durch die Elektro-Energiespeichervorrichtung bereitgestellt wird. Es kann in diesem Fall notwendig sein, die erste Schubeinheit vom Hauptverbrennungsmotor zu entkoppeln. Vorzugsweise umfasst das Hybrid-Elektro-Antriebssystem daher eine Entkopplungsvorrichtung zum Koppeln/Entkoppeln des Hauptverbrennungsmotors von der ersten Schubeinheit.First, in the case of failure of the single main engine, the electric power storage device can provide electric power to the generator and the electric motor. The generator is used in this case to drive the first thrust unit. Therefore, both thrust units can be driven using electric power provided by the electric power storage device. It may be necessary in this case to decouple the first thrust unit from the main engine. Preferably, therefore, the hybrid electric drive system includes a decoupling device for coupling / decoupling the main combustion engine from the first thrust unit.
Zweitens ermöglichen die oben genannten Merkmale das Nutzen weiterer Vorteile des Hybridantriebssystems. Zum Beispiel ist es möglich, den Hauptverbrennungsmotor während Phasen, in denen nur wenig Leistung benötigt wird, abzuschalten, zum Beispiel während Rollphasen (in denen sich das Flugzeug am Boden bewegt) oder während Sinkflugphasen. Ferner ist es möglich, während Flugphasen, in denen viel Leistung benötigt wird (zum Beispiel während den Flugphasen: Steigflug, Start oder Durchstarten), die Elektro-Energiespeichervorrichtung zu verwenden, um dem Elektromotor zum Antreiben der zweiten Schubeinheit zusätzliche Energie bereitzustellen. Der Generator kann auch dazu ausgebildet sein, der Elektro-Energiespeichervorrichtung elektrische Energie zuzuführen. Daher kann der Generator dazu verwendet werden, die Elektro-Energiespeichervorrichtung wiederaufzuladen.Second, the above features allow for the benefits of the hybrid drive system. For example, it is possible to shut off the main engine during periods of low power consumption, for example, during coasting (when the aircraft is moving on the ground) or during descent phases. Further, during flight phases where much power is needed (eg, during the flight phases: climb, takeoff, or takeoff), it is possible to use the electric power storage device to provide additional power to the electric motor for driving the second push unit. The generator may also be configured to supply electrical energy to the electric energy storage device. Therefore, the generator can be used to recharge the electric energy storage device.
In manchen Situationen kann eine Elektro-Energiespeichervorrichtung jedoch nicht in der Lage sein, eine ausreichende Menge an Leistung für eine ausreichende Dauer abzugeben. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das Antriebssystem in Flugzeugen verwendet wird, die in der Lage sein müssen, nach einem Versagen des Hauptverbrennungsmotors eine Umleitungsmanöver Ausweichmission zu fliegen. Die Herausforderung besteht darin, dass ein Ausweichen üblicherweise eine große Menge an gespeicherter Energie benötigt, und wie bereits ausgeführt, machen die niedrigen Energiedichten bekannter Elektro-Energiespeichertechnologien diese unzweckmäßig für solche Anwendungen. Wenn der Hauptverbrennungsmotor in einem großen Flugzeug versagt, kann zusätzlich zu der Elektro-Energiespeichervorrichtung eine weitere Reserveenergiequelle benötigt werdenHowever, in some situations, an electrical energy storage device may not be able to deliver a sufficient amount of power for a sufficient amount of time. This may be the case, in particular, when the propulsion system is used in aircraft which must be able to fly an evasive maneuver evasion mission after a failure of the main engine. The challenge is that dodge typically requires a large amount of stored energy, and as stated earlier, the low energy densities of known electric energy storage technologies make them unsuitable for such applications. If the main engine fails in a large aircraft, an additional reserve power source may be needed in addition to the electric power storage device
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Hybrid-Elektro-Antriebssystem daher einen Reserveverbrennungsmotor. Vorzugsweise ist der Reserveverbrennungsmotor dazu ausgebildet, die zweite Schubeinheit mittels einer mechanischen Verbindung anzutreiben. Es ist ferner bevorzugt, dass eine Entkopplungsvorrichtung zum Koppeln/Entkoppeln des Reserveverbrennungsmotors von der zweiten Schubeinheit bereitgestellt ist. In diesem Fall kann der Reserveverbrennungsmotor mit der zweiten Schubeinheit gekoppelt sein, falls er benötigt wird, und er kann von der zweiten Schubeinheit entkoppelt sein, falls die zweite Schubeinheit nur vom Elektromotor angetrieben wird. In a preferred embodiment, therefore, the hybrid electric drive system includes a backup engine. Preferably, the reserve combustion engine is configured to drive the second thrust unit by means of a mechanical connection. It is further preferred that a decoupling device for coupling / decoupling the reserve combustion engine from the second thrust unit is provided. In this case, the backup engine may be coupled to the second thrust unit, if needed, and may be decoupled from the second thrust unit if the second thrust unit is driven only by the electric motor.
In einer alternativen Ausführungsform könnte der Reserveverbrennungsmotor mit einem Hilfsgenerator mechanisch verbunden sein, um dem Elektromotor und/oder dem Generator zum Antreiben der ersten und/oder zweiten Schubeinheit elektrische Leistung zu liefern. Der Reserveverbrennungsmotor kann auch verwendet werden, um die Elektro-Energiespeichervorrichtung wiederaufzuladen.In an alternative embodiment, the backup engine could be mechanically connected to an auxiliary generator to provide electrical power to the electric motor and / or the generator for driving the first and / or second thruster units. The backup engine may also be used to recharge the electric energy storage device.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Elektromotor einen Erzeugungsmodus, in dem er dazu ausgebildet ist, durch den Reserveverbrennungsmotor erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und den Generator mit der elektrischen Energie zu speisen. Gemäß diesem Merkmal kann der Elektromotor als Generator verwendet werden, um Elektrizität zum Antreiben der ersten Schubeinheit zu erzeugen. Zusätzlich dazu kann der Elektromotor auch dazu ausgebildet sein, die Elektro-Energiespeichervorrichtung mit elektrischer Energie zu speisen.In an advantageous embodiment, the electric motor comprises a generation mode in which it is designed to convert mechanical energy generated by the reserve combustion engine into electrical energy and to supply the generator with the electrical energy. According to this feature, the electric motor can be used as a generator to generate electricity for driving the first thrust unit. In addition, the electric motor may also be configured to feed the electric energy storage device with electrical energy.
Es ist ferner bevorzugt, dass der Reserveverbrennungsmotor kleiner und/oder leichter als der Hauptverbrennungsmotor konstruiert ist. Zum Beispiel kann die maximale Leistungsabgabe des Reserveverbrennungsmotors ein Ausmaß aufweisen, das für Flugsituationen, die ein hohes Schubniveau erfordern, nicht ausreicht. Vorzugsweise kann die maximale Leistungsabgabe des Reserveverbrennungsmotors weniger als 60%, vorzugsweise weniger als 45%, weiter vorzugsweise weniger als 30% der maximalen Leistungsabgabe des einzelnen Hauptverbrennungsmotors betragen. Der Reserveverbrennungsmotor kann daher kleiner und/oder leichter als der Hauptverbrennungsmotor konstruiert sein, sodass im Fall eines Versagens des Hauptverbrennungsmotors ein Ausweichflug bei geringeren Höhen und niedrigeren Geschwindigkeiten als bei normalem Reiseflug durchgeführt werden kann, wodurch nur ein Bruchteil des während des Reiseflugs erforderlichen Schubniveaus benötigt wird. Andererseits erfordern manche Situationen viel höhere Schubniveaus, z. B. Start- oder Durchstartsituationen. Allerdings sind das Durchstarten und der Startvorgang von relativ kurzer Dauer und benötigen daher nicht viel gespeicherte Energie, was bedeutet, dass die Elektro-Energiespeichervorrichtung für diese Situationen ohne signifikanten Gewichtsnachteil eine geeignete Menge Reserveenergie speichern kann. Diese gespeicherte Reserve elektrischer Energie kann dem Generator und dem Elektromotor zugeführt werden und so den Reserveverbrennungsmotor im Fall von Flugsituationen, die ein hohes Schubniveau erfordern, unterstützen. Die bevorzugte Ausführungsform wendet daher tatsächlich zwei Verbrennungsmotoren an, wobei einer davon jedoch leichter und/oder kleiner konstruiert ist und hauptsächlich als Reservevorrichtung verwendet wird. Es ist daher nicht erforderlich, zwei Motoren vergleichbarer Größe bereitzustellen, was eine Kosten- und Gewichtsersparnis ermöglicht; gleichzeitig wird die Wirkungsgrad reduzierende Leistungsteilung während des Normalbetriebs vermieden.It is further preferred that the backup engine be smaller and / or lighter in design than the main engine. For example, the maximum power output of the reserve combustion engine may be at a level that is insufficient for flight situations requiring a high thrust level. Preferably, the maximum power output of the reserve combustion engine may be less than 60%, preferably less than 45%, more preferably less than 30% of the maximum power output of the single main engine. The backup engine may therefore be designed to be smaller and / or lighter than the main engine, so that in the event of a main engine failure, an alternate flight may be made at lower altitudes and lower speeds than normal cruise, thereby requiring only a fraction of the thrust level required during cruising , On the other hand, some situations require much higher thrust levels, e.g. B. Start or launch situations. However, take-off and start-up are relatively short-lived and therefore do not require much stored energy, which means that the electric energy storage device can store a suitable amount of reserve energy for these situations without significant weight penalty. This stored reserve of electrical energy can be supplied to the generator and the electric motor, thus assisting the reserve engine in the event of flight situations requiring a high thrust level. Therefore, the preferred embodiment actually employs two internal combustion engines, but one of them is lighter and / or smaller in design and is mainly used as a backup device. It is therefore not necessary to provide two engines of comparable size, which allows a cost and weight savings; At the same time the efficiency reducing power division is avoided during normal operation.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Übertragung elektrischer Energie zwischen der Elektro-Energiespeichervorrichtung, dem Generator und dem Elektromotor durch ein Leistungsverwaltungs- und Verteilungssystem gesteuert. Wenn der Generator oder der Elektromotor zu irgendeinem Zeitpunkt während des Betriebs elektrische Energie erzeugt, kann ein solches Leistungsverwaltungs- und Verteilungssystem die erzeugte Abgabe elektrischer Leistung handhaben, indem es sie entweder der Elektro-Energiespeichervorrichtung zum Wiederaufladen oder jeweils dem verbleibenden Generator oder Elektromotor zuweist, oder indem es einen Teil der Leistung der Elektro-Energiespeichervorrichtung und den Rest der Leistung jeweils dem verbleibenden Generator oder Elektromotor zuführt. Wenn sowohl Generator als auch Elektromotor mittels Umwandlung mechanischer Energie von jeweils Hauptverbrennungsmotor und Reserveverbrennungsmotor elektrische Energie erzeugen, kann das Leistungsverwaltungs- und Verteilungssystem die entsprechende Abgabe elektrischer Leistung handhaben und sie der Elektro-Energiespeichervorrichtung zum Wiederaufladen zuführen.In a preferred embodiment, the transfer of electrical energy between the electric energy storage device, the generator and the electric motor is controlled by a power management and distribution system. If the generator or electric motor generates electrical energy at any time during operation, such a power management and distribution system may handle the generated electrical power output by either allocating it to the electric energy storage device for recharging or to the remainder of the generator or electric motor, or by supplying a portion of the power of the electric energy storage device and the remainder of the power to the remainder of the generator or electric motor. When both the generator and the electric motor generate electric power by converting mechanical energy of each of the main engine and the spare internal combustion engine, the power management and distribution system can handle the corresponding output of electric power and supply it to the electric power storage apparatus for recharging.
Das Hybrid-Elektro-Antriebssystem kann zumindest eine weitere Schubeinheit umfassen, die durch zumindest einen weiteren Elektromotor angetrieben wird, wobei der Generator und/oder Elektromotor dazu ausgebildet ist, den zumindest einen weiteren Elektromotor mit elektrischer Energie zu speisen. Mittels dieser Konfiguration kann das erfindungsgemäße System, falls erforderlich, auf jede Anzahl von Schubeinheiten erweitert werden.The hybrid electric drive system may comprise at least one further thrust unit, which is driven by at least one further electric motor, wherein the generator and / or electric motor is adapted to feed the at least one further electric motor with electrical energy. By means of this configuration, the system according to the invention can, if necessary, be extended to any number of thrust units.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug umfassend eine Flugzeugzelle und ein Hybrid-Elektro-Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung.The present invention further relates to an aircraft comprising an airframe and a hybrid electric propulsion system according to the present invention.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeugs unter Verwendung eines Hybrid-Elektro-Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung bereit. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Antreiben einer ersten Schubeinheit mittels eines einzelnen Hauptverbrennungsmotors, Antreiben eines Generators mittels des Hauptverbrennungsmotors, Speisen eines Elektromotors mit durch den Generator erzeugter elektrischer Energie und Antreiben einer zweiten Schubeinheit mittels des Elektromotors. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner erweitert werden, indem eines oder mehrere der oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hybrid-Elektro-Antriebssystem beschriebenen Merkmale verwendet werden. The invention further provides a method of operating an aircraft using a hybrid electric propulsion system in accordance with the present invention. The method according to the invention is characterized in that it comprises the steps of driving a first propulsion unit by means of a single main combustion engine, driving a generator by means of the main combustion engine, feeding an electric motor with electrical energy generated by the generator and driving a second thrust unit by means of the electric motor. The method according to the invention can be further extended by using one or more of the features described above in connection with the hybrid electric drive system according to the invention.
Die Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung werden noch verständlicher durch die folgende beispielhafte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die Folgendes zeigen:The features, objects, and advantages of the invention will become more apparent from the following exemplary description of preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
Während des Normalbetriebs ist der MCE
Im Fall eines Versagens des MCE
Der BCE
Der MCE
MCE
In der bevorzugten Ausführungsform ist sowohl der MCE
Der von MCE
Im Normalbetrieb verwendet der Generator
Der Generator
In einer alternativen Ausführungsform kann ein System von mehreren Generatoren und Elektromotoren bereitgestellt sein. Wie in
Die EES-Vorrichtung
In der bevorzugten Ausführungsform besteht das EES-System
In alternativen Ausführungsformen besteht jedoch keine Einschränkung der Anzahl besagter EES-Vorrichtungen oder des Typs von EES-Technologie. Die EES-Vorrichtung kann verschiedene Komponenten umfassen. Jede dieser Komponenten könnte einen anderen EES-Technologietyp umfassen.In alternative embodiments, however, there is no limitation on the number of said EES devices or the type of EES technology. The EES device may include various components. Each of these components could comprise a different EES technology type.
Ein Beispiel für die EES-Vorrichtung in einer alternativen Ausführungsform: Die EES-Vorrichtung
Das PMD-System
Die Schubeinheiten
In der bevorzugten Ausführungsform sind die Schubeinheiten
In alternativen Ausführungsformen können die Schubeinheiten auch verwendet werden, um während des Fluges, für Kurzstart und -landung oder Senkrechtstart und -landung Auftrieb zu erzeugen. Beispiele für solche Ausführungsformen können Drehflügler-, Schwenkrotor- oder Kippflügelkonzepte mit zumindest zwei Schubeinheiten sein.In alternative embodiments, the thrusters may also be used to provide lift during flight, for quick take-off and landing, or vertical take-off and landing. Examples of such embodiments may be rotary-wing, swivel-rotor or tilt-wing concepts with at least two thrust units.
Die Schubeinheiten können an jeder Stelle auf der Flugzeugzelle eines Flugzeugs (in den Figuren nicht gezeigt) angebracht sein. Zum Beispiel kann die Schubeinheit
Die mechanische Verbindung
Die mechanische Verbindung
Die mechanischen Verbindungen in alternativen Ausführungsformen können jede Kombination von direkten mechanischen Verbindungen verwenden, wie etwa mechanische Wellen oder Antriebsriemen, die Antriebsgeschwindigkeit verändernde mechanische Vorrichtungen, wie etwa Getriebe, und Vorrichtungen zum Koppeln und Entkoppeln mechanischer Verbindungen, wie etwa Kupplungen oder Einweglager. Symmetrie zwischen den zwei mechanischen Verbindungen ist keine Voraussetzung.The mechanical connections in alternative embodiments may utilize any combination of direct mechanical connections, such as mechanical shafts or drive belts, drive speed modifying mechanical devices such as transmissions, and devices for coupling and decoupling mechanical connections such as clutches or one-way bearings. Symmetry between the two mechanical connections is not a requirement.
Alternative Ausführungsformen der Erfindung können mehr als zwei Schubeinheiten verwenden. Beim Zufügen von Schubeinheiten zum Antriebsstrang der Erfindung bestehen mehrere Optionen für jede zusätzliche Schubeinheit, die mit mechanischer Leistung versorgt werden soll: Sie kann mechanisch mit der mechanischen Verbindung
Ein Beispiel für das Antriebssystem der Erfindung in einer alternativen Ausführungsform mit mehr als zwei Schubeinheiten ist in
In alternativen Ausführungsformen kann eine mechanische Kopplung zwischen den mechanischen Verbindungen
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der BCE
In der bevorzugten Ausführungsform dient der BCE
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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