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.

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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 US 2012/0209456 A1 oder US 2013/0227950 A1 offenbart.In parallel string systems, each push unit is driven by an internal combustion engine and an electric motor. An electric energy storage system drives the electric motor. Both the internal combustion engine and the electric motor are coupled to the thrust unit by the same mechanical connection, e.g. B. by a drive shaft. In such an arrangement, the torque delivered by the drive shaft is the sum of the torque output of the engine and the torque output of the electric motor. The main power source is usually the internal combustion engine, while the electric motor can provide a power boost when needed, e.g. This design reduces the variation in engine power output during operation, thus loosing its design requirements and allowing it to operate at near-optimal efficiency during most of normal aircraft operation. Examples of parallel string systems for aircraft are in the documents US 2012/0209456 A1 or US 2013/0227950 A1 disclosed.

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 US/20130062455 A1 offenbart die Konstruktion eines Flugzeugs, das eine hohe betriebsbezogene Flexibilität durch Verwendung eines Serienstrangsystems bietet.Regardless of the drawbacks involved, the series strand can still be used when high operational flexibility is needed. The internal combustion engine and thrust unit are decoupled, allowing both to operate at rotational speeds that are independent of each other at all times, thus potentially improving the efficiency of both. Further, the series arrangement also allows a single internal combustion engine to drive multiple thrusters without the need for a complex and heavy drive shaft system. The document US / 20130062455 A1 discloses the construction of an aircraft that provides high operational flexibility through the use of a series train system.

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:

1: ein schematisches Diagramm, einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid-Elektro-Antriebssystems, 1 FIG. 2 is a schematic diagram of a first embodiment of a hybrid electric propulsion system according to the invention. FIG.

2: ein schematisches Diagramm, einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsverwaltungs- und Verteilungssystems, das mit einer Vielzahl von Elektromotoren und Generatoren gekoppelt ist, 2 FIG. 3 is a schematic diagram of an alternative embodiment of a power management and distribution system according to the invention coupled to a plurality of electric motors and generators. FIG.

3: ein schematisches Diagramm, einer Detailansicht der mechanischen Verbindung zwischen dem Hauptverbrennungsmotor und der ersten Schubeinheit sowie zwischen dem Reserveverbrennungsmotor und der zweiten Schubeinheit, 3 FIG. 2 is a schematic diagram showing a detailed view of the mechanical connection between the main engine and the first thrust unit and between the reserve engine and the second thrust unit. FIG.

4: ein schematisches Diagramm, einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid-Elektro-Antriebssystems mit mehr als zwei Schubeinheiten, und 4 a schematic diagram of a second embodiment of a hybrid electric drive system according to the invention with more than two thrust units, and

5: ein schematisches Diagramm, einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid-Elektro-Antriebssystems. 5 a schematic diagram of an alternative embodiment of a hybrid electric propulsion system according to the invention.

1 zeigt ein schematisches Diagramm einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid-Elektro-Antriebssystems. Das System umfasst zwei Schubeinheiten 50 und 55, einen einzelnen Hauptverbrennungsmotor (MCE) 10, einen Reserveverbrennungsmotor (BCE) 15, einen Brennstofftank 80, Brennstoffleitungssysteme 90 und 95, einen Generator 20, einen Elektromotor 25, eine Elektro-Energiespeichervorrichtung (EES-Vorrichtung) 40, ein Leistungsverwaltungs- und Verteilungs(PMD)-System 30 und Elektroleitungssysteme 70, 71 und 75. Jede der Schubeinheiten 50 und 55 ist jeweils mit einer mechanischen Verbindung 60 oder 65 verbunden. Die mechanischen Verbindungen 60, 65 können eine Antriebswelle sein. Die mechanische Verbindung 60 koppelt den Generator 20 mit der Schubeinheit 50; die mechanische Verbindung 65 koppelt den Elektromotor 25 mit der Schubeinheit 55. Der MCE 10 ist die Hauptleistungsquelle während des Normalbetriebs; er ist mit der Schubeinheit 50 über die mechanische Verbindung 60 parallel mit dem Generator 20 gekoppelt. Der BCE 15 ist eine Reserveleistungsvorrichtung, die eine maximale Leistungsabgabe von nur 30% der maximalen Leistungsabgabe des MCE 10 aufweist und daher für Flugsituationen, die ein hohes Schubniveau erfordern, nicht ausreichend ist; er ist mit der Schubeinheit 55 über die mechanische Verbindung 65 parallel mit dem Elektromotor 25 gekoppelt. 1 shows a schematic diagram of a first preferred embodiment of a hybrid electric propulsion system according to the invention. The system comprises two thrust units 50 and 55 , a single main combustion engine (MCE) 10 , a reserve combustion engine (BCE) 15 , a fuel tank 80 , Fuel line systems 90 and 95 , a generator 20 , an electric motor 25 , an electric energy storage device (EES device) 40 , a Performance Management and Distribution (PMD) system 30 and electro-conductor systems 70 . 71 and 75 , Each of the thrust units 50 and 55 is each with a mechanical connection 60 or 65 connected. The mechanical connections 60 . 65 can be a drive shaft. The mechanical connection 60 couples the generator 20 with the push unit 50 ; the mechanical connection 65 couples the electric motor 25 with the push unit 55 , The MCE 10 is the main power source during normal operation; he is with the push unit 50 over the mechanical connection 60 in parallel with the generator 20 coupled. The BCE 15 is a backup power device that provides a maximum power output of only 30% of the maximum power output of the MCE 10 and therefore is not sufficient for flight situations requiring a high level of he is with the push unit 55 over the mechanical connection 65 in parallel with the electric motor 25 coupled.

Während des Normalbetriebs ist der MCE 10 in Verwendung und der BCE 15 nicht in Verwendung. In diesem Fall verbrennt der MCE 10 Treibstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Ein erster Teil der mechanischen Energie wird an die erste Schubeinheit 50 mittels der mechanischen Verbindung 60 übertragen, um die erste Schubeinheit 50 anzutreiben. Ein zweiter Teil der mechanischen Energie wird durch den Generator 20 in elektrische Energie umgewandelt, mit der der Elektromotor 25 gespeist wird. Der Elektromotor wiederum wandelt die elektrische Energie in mechanische Energie um, um die zweite Schubeinheit 55 anzutreiben. Die durch den Generator erzeugte elektrische Energie kann auch der EES-Vorrichtung 40 zum Wiederaufladen zugeführt werden. Die Verteilung elektrischer Energie wird durch das PMD-System 30 gesteuert.During normal operation, the MCE is 10 in use and the BCE 15 not in use. In this case, the MCE burns 10 Fuel to generate mechanical energy. A first part of the mechanical energy is sent to the first push unit 50 by means of the mechanical connection 60 transferred to the first push unit 50 drive. A second part of the mechanical energy is generated by the generator 20 converted into electrical energy, with which the electric motor 25 is fed. The electric motor in turn converts the electrical energy into mechanical energy to the second thrust unit 55 drive. The electrical energy generated by the generator may also be the EES device 40 to be recharged. The distribution of electrical energy is through the PMD system 30 controlled.

Im Fall eines Versagens des MCE 10 kann der BCE 15 verwendet werden. In diesem Fall verbrennt der BCE 15 Treibstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Ein erster Teil der mechanischen Energie wird an die zweite Schubeinheit 55 mittels der mechanischen Verbindung 65 übertragen, um die zweite Schubeinheit 55 anzutreiben. Ein zweiter Teil der mechanischen Energie kann durch den Elektromotor 25 (der in diesem Fall als Generator verwendet wird) in elektrische Energie umgewandelt werden, mit der der Generator 20 gespeist wird. Der Generator (der in diesem Fall im Antriebsmodus verwendet wird) wandelt die elektrische Energie in mechanische Energie um, um die erste Schubeinheit 50 anzutreiben. Es ist auch möglich, die durch den BCE 15 erzeugte mechanische Energie gänzlich zum Antreiben der zweiten Schubeinheit 55 zu verwenden. In diesem Fall ist es notwendig, den Generator 20 mit in der EES-Vorrichtung 40 gespeicherter elektrischer Energie zu speisen, um die erste Schubeinheit 50 anzutreiben. Die EES-Vorrichtung 40 kann auch den Elektromotor 25 mit elektrischer Energie speisen, um den BCE 15 zu unterstützen.In case of failure of the MCE 10 can the BCE 15 be used. In this case, the BCE burns 15 Fuel to generate mechanical energy. A first part of the mechanical energy is transferred to the second push unit 55 by means of the mechanical connection 65 transferred to the second push unit 55 drive. A second part of the mechanical energy can be through the electric motor 25 (which in this case is used as a generator) are converted into electrical energy, with which the generator 20 is fed. The generator (which in this case is used in drive mode) converts the electrical energy into mechanical energy around the first thrust unit 50 drive. It is also possible through the BCE 15 generated mechanical energy entirely for driving the second thrust unit 55 to use. In this case it is necessary to use the generator 20 with in the EES device 40 stored electrical energy to the first thrust unit 50 drive. The EES device 40 can also use the electric motor 25 feed with electrical energy to the BCE 15 to support.

Der BCE 15 kann nicht nur im Fall eines Versagens vom MCE 10 verwendet werden, sondern kann auch gleichzeitig mit dem MCE 10 Leistung bereitstellen, hauptsächlich in Flugsituationen, bei denen ein sofortiger Zugriff auf ein hohes Schubniveau benötigt wird, wenn der MCE 10 versagt, z. B. während des Startvorgans oder Durchstartens. Die gleichzeitige Verwendung von BCE 15 und MCE 10 kann auch die Startleistung des Flugzeugs erhöhen, was für STOL(Short Take-Off and Landing)- oder VTOL(Vertical Take-Off and Landing)-Anwendungen zweckmäßig sein kann. The BCE 15 not only in case of failure of MCE 10 can also be used simultaneously with the MCE 10 Provide performance, especially in flight situations where immediate access to a high thrust level is required when the MCE 10 failed, z. B. during the launch or start-up. The simultaneous use of BCE 15 and MCE 10 can also increase aircraft take-off performance, which may be useful for STOL (Short Take-Off and Landing) or VTOL (Vertical Take-Off and Landing) applications.

Der MCE 10 und der BCE 15 werden durch den Brennstoff im Brennstofftanksystem 80 angetrieben und wandeln die im Brennstoff gespeicherte Energie in mechanische Energie um. Die EES-Vorrichtung 40 kann über das PMD-System 30 sowohl dem Generator 20 als auch dem Elektromotor 25 elektrische Leistung bereitstellen, die diese dann in mechanische Leistung umwandeln, die der entsprechenden Schubeinheit 50, 55 durch die entsprechende mechanische Verbindung 60, 65 zugeführt wird.The MCE 10 and the BCE 15 be through the fuel in the fuel tank system 80 powered and convert the energy stored in the fuel into mechanical energy. The EES device 40 can through the PMD system 30 both the generator 20 as well as the electric motor 25 provide electrical power, which then convert this into mechanical power, that of the corresponding thrust unit 50 . 55 through the appropriate mechanical connection 60 . 65 is supplied.

MCE 10 und BCE 15 verwenden Brennstoff als eine Energiequelle und erzeugen mechanische Leistung als Abgabe. Beispiele für Verbrennungsmotortechnologien sind: Kolbenmotoren wie ein Ottomotor, Atkinson-Zyklus-Motor, Dieselmotor, Zweitakt- oder Sechstaktmotor; Drehmotoren, z. B. ein Wankelmotor; kontinuierlich arbeitende Verbrennungsmotoren, z. B. eine Gasturbine. Für die Erfindung ist es nicht notwendig, dass MCE 10 und BCE 15 von demselben Technologietyp sind. Allerdings ist es bevorzugt, dass MCE 10 und BCE 15 denselben Typ von Brennstoff verwenden. MCE 10 ist die Hauptleistungsquelle während des normalen Flugzeugbetriebs und ist vorzugsweise für optimale Brennstoffeffizienz ausgelegt. BCE 15 hat eine maximale Leistungsabgabe, die für Flugsituationen, die ein hohes Schubniveau erfordern, nicht ausreichend ist, und wird hauptsächlich als Reserveleistungsquelle, falls der MCE 10 während des Normalbetriebs versagt, oder als zusätzliche Leistungsquelle während Flugsituationen verwendet, die ein hohes Schubniveau erfordern; als solcher ist er vorzugsweise für minimales Gewicht und nicht für Effizienz ausgelegt.MCE 10 and BCE 15 use fuel as a source of energy and generate mechanical power as a delivery. Examples of internal combustion engine technologies include: piston engines such as a gasoline engine, Atkinson cycle engine, diesel engine, two-stroke or six-stroke engine; Rotary motors, z. B. a Wankel engine; continuously operating internal combustion engines, eg. B. a gas turbine. For the invention, it is not necessary that MCE 10 and BCE 15 of the same type of technology. However, it is preferred that MCE 10 and BCE 15 use the same type of fuel. MCE 10 is the main source of power during normal aircraft operation and is preferably designed for optimal fuel efficiency. BCE 15 has a maximum power output that is insufficient for flight situations that require a high thrust level, and is mainly used as a reserve power source if the MCE 10 fails during normal operation, or used as an additional power source during flight situations requiring a high thrust level; as such, it is preferably designed for minimum weight and not efficiency.

In der bevorzugten Ausführungsform ist sowohl der MCE 10 als auch der BCE 15 eine Gasturbine. In alternativen Ausführungsformen kann sowohl der MCE 10 als auch der BCE 15 jede Verbrennungsmotortechnologie verwenden.In the preferred embodiment, both the MCE 10 as well as the BCE 15 a gas turbine. In alternative embodiments, both the MCE 10 as well as the BCE 15 use any combustion engine technology.

Der von MCE 10 und BCE 15 verwendete Brennstoff ist im Brennstofftanksystem 80 gespeichert. Das Brennstofftanksystem 80 kann einen einzelnen Tank oder mehrere Tanks zur Brennstoffspeicherung umfassen. Der im Brennstofftanksystem 80 gespeicherte Brennstoff kann MCE 10 und BCE 15 jeweils über das Brennstoffleitungssystem 90 und 95 zugeführt werden.The one from MCE 10 and BCE 15 used fuel is in the fuel tank system 80 saved. The fuel tank system 80 may include a single tank or multiple fuel storage tanks. The fuel tank system 80 stored fuel can MCE 10 and BCE 15 each via the fuel line system 90 and 95 be supplied.

Im Normalbetrieb verwendet der Generator 20 eine mechanische Leistungsaufnahme, um eine elektrische Leistungsabgabe bereitzustellen, während der Elektromotor 25 eine elektrische Leistungsaufnahme verwendet, um eine mechanische Leistungsabgabe zu erzeugen. Allerdings ist es normalweise möglich, dass ein Elektromotor und ein Generator zwischen einem Antriebsmodus und einem Erzeugungsmodus umschalten, sodass der Generator 20 mechanische Leistung erzeugen könnte, indem er elektrische Energie verbraucht, und der Elektromotor 25 elektrische Energie erzeugen könnte, indem ihm mechanische Leistung zugeführt wird. Die bevorzugte Ausführungsform nutzt diese Funktionalität, um die betriebsbezogene Flexibilität des Hybridstrangs zu erhöhen. Der Generator 20 und der Elektromotor 25 können beim Leistungsniveau oder Konstruktionsprinzip gleich sein, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.In normal operation, the generator uses 20 a mechanical power consumption to provide an electric power output while the electric motor 25 used an electrical power consumption to produce a mechanical power output. However, it is normally possible for an electric motor and a generator to switch between a drive mode and a generation mode, so that the generator 20 could generate mechanical power by consuming electrical energy, and the electric motor 25 electrical energy could be generated by mechanical power is supplied to it. The preferred embodiment utilizes this functionality to increase the operational flexibility of the hybrid string. The generator 20 and the electric motor 25 may be the same in performance level or design principle, but this is not mandatory.

Der Generator 20 und der Elektromotor 25 sind mit dem PMD-System 30 durch die Elektroleitungssysteme 70 und 75 verbunden. In der bevorzugten Ausführungsform sind der Generator 20 und der Elektromotor 25 in Größe und Konstruktionsprinzip identisch.The generator 20 and the electric motor 25 are with the PMD system 30 through the electric wire systems 70 and 75 connected. In the preferred embodiment, the generator 20 and the electric motor 25 identical in size and construction principle.

In einer alternativen Ausführungsform kann ein System von mehreren Generatoren und Elektromotoren bereitgestellt sein. Wie in 2 gezeigt, kann das System aus einer Vielzahl von Generatoren 20-1, 20-2, ... 20-m und aus einer Vielzahl von Elektromotoren 25-1, 25-2, ... 25-n bestehen, wobei m und n positive ganze Zahlen sind. Jeder Generator und Elektromotor ist mit dem PMD-System 30 über eine Elektroleitung gekoppelt. Zum Beispiel ist der Generator 20-1 mit dem PMD-System über die Elektroleitung 70-1 gekoppelt, der Generator 20-2 über die Elektroleitung 70-2 und so weiter.In an alternative embodiment, a system may be provided by a plurality of generators and electric motors. As in 2 As shown, the system can be made up of a variety of generators 20-1 . 20-2 , ... 20 m and from a variety of electric motors 25-1 . 25-2 , ... 25-n where m and n are positive integers. Every generator and electric motor is compatible with the PMD system 30 coupled via an electric cable. For example, the generator 20-1 with the PMD system via the electric wire 70-1 coupled, the generator 20-2 over the electric wire 70-2 and so on.

Die EES-Vorrichtung 40 kann elektrische Energie speichern und den Generatoren und Elektromotoren oder jedem elektrisch angetriebenen Flugzeugsystem bei Bedarf elektrische Energie zuführen. Die EES-Vorrichtung 40 kann jede EES-Technologie umfassen, z. B. Primär- oder Sekundärbatterien, Brennstoffzellen, Kondensatoren etc. Es könnten auch zusätzliche Quellen für die Elektrizitätserzeugung in der Konstruktion der EES-Vorrichtung 40 enthalten sein, z. B. Solarpaneele, Windturbinen etc. Diese könnten entweder für das Auffüllen elektrischer Energie während des Betriebs oder für das direkte Speisen von E-Motoren verwendet werden.The EES device 40 can store electrical energy and provide electrical power to the generators and electric motors or to any electrically powered aircraft system when needed. The EES device 40 can include any EES technology, e.g. Primary or secondary batteries, fuel cells, capacitors, etc. There may also be additional sources of electricity generation in the design of the EES device 40 be included, for. As solar panels, wind turbines, etc. These could be used either for the filling of electrical energy during operation or for the direct feeding of electric motors.

In der bevorzugten Ausführungsform besteht das EES-System 40 aus einem einzelnen Batterieteil umfassend Sekundärbatteriezellen, das die E-Motoren und Elektrosysteme des Flugzeugs mit elektrischer Leistung versorgt, zum Beispiel in der Flugphasen: Rollen, Sinkflug, Steigflug und Durchstarten.In the preferred embodiment, the EES system exists 40 from a single battery part comprising secondary battery cells, which Motors and electrical systems of the aircraft supplied with electrical power, for example in the flight phases: taxiing, descent, climb and take-off.

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 40 kann aus zwei Komponenten bestehen, wobei die erste Komponente ein Batterieteil bestehend aus Sekundärbatteriezellen von hoher spezifischer Energie ist, das die Flugzeugleistung während des Startvorgangs und Steigflugs und erforderlichenfalls beim Durchstarten erhöht und die Elektrosysteme des Flugzeugs speist, während die zweite Komponente ein Batterieteil bestehend aus Sekundärbatteriezellen von hoher spezifischer Leistung ist, das den Generator oder Elektromotor mit zusätzlicher Leistung gleichzeitig mit der ersten Komponente verstärkt, jedoch nur während des Startvorgangs und wenn Durchstarten erforderlich ist. Alle Komponenten der EES-Vorrichtung 40 sind vorzugsweise mit dem PMD-System durch eine Elektroleitung 71 gekoppelt.An example of the EES device in an alternative embodiment: the EES device 40 can consist of two components, wherein the first component is a battery part consisting of secondary cells of high specific energy, which increases the aircraft performance during take-off and climb and, if necessary, on take-off and the electrical systems of the aircraft feeds, while the second component, a battery part consisting of secondary battery cells is of high specific power that boosts the generator or electric motor with additional power simultaneously with the first component, but only during the startup process and when takeoff is required. All components of the EES device 40 are preferably with the PMD system through an electrical line 71 coupled.

Das PMD-System 30 verwaltet den Austausch von elektrischer Leistung zwischen den Elementen 20, 25 und 40, wie es für eine Flugzeugsteuerungseingabe erforderlich ist (die in den Figuren nicht gezeigt ist). Die Flugzeugsteuerungseingabe kann manuell oder ein Teil eines automatisierten Steuerungssystems sein. Das PMD-System 30 kann ausgelegt sein, um eine elektrische Leistungsabgabe spezifischer Spannung und spezifischen Typs in eine andere Spannung oder einen anderen Typ umzuwandeln, die durch die Eingabe der anderen Komponente gefordert sind. Zum Beispiel kann es ausgelegt sein, um eine elektrische Leistungsabgabe des Typs DC einer EES-Vorrichtung mit einer Spannung von 5.000 Volt in einen AC-Typ mit einer Spannung von 1.500 Volt, der vom Generator oder Elektromotor gefordert wird, oder in jede andere Elektrostromeingabe, die erforderlich sein kann, umzuwandeln.The PMD system 30 manages the exchange of electrical power between the elements 20 . 25 and 40 as required for an aircraft control input (not shown in the figures). The aircraft control input may be manual or part of an automated control system. The PMD system 30 may be configured to convert an electrical power output of specific voltage and specific type into another voltage or other type required by the input of the other component. For example, it may be designed to provide a DC electric power output of an EES device at a voltage of 5,000 volts to an AC type at a voltage of 1,500 volts required by the generator or electric motor or any other electric current input. which may be required to transform.

Die Schubeinheiten 50, 55 verwenden die mechanische Leistungsabgabe der Leistung erzeugenden Einheiten MCE 10, BCE 15, Generator 20 und Elektromotor 25, die durch die mechanischen Verbindungen 60 und 65 zugeführt wird, um Schub zu erzeugen. In der Flugmechanik steht Schub im Allgemeinen für eine Kraft in der Bewegungsrichtung des Flugzeugs relativ zur Umgebungsluft. Beispiele für anwendbare Schub erzeugende Vorrichtungen sind Propeller und Mantelpropeller. Die Konstruktion der Schubeinheiten 50, 55 ist jedoch nicht ausschließlich auf die besagten Beispiele zu beschränken.The thrust units 50 . 55 use the mechanical power output of the power generating units MCE 10 , BCE 15 , Generator 20 and electric motor 25 caused by the mechanical connections 60 and 65 is supplied to generate thrust. In flight mechanics, thrust is generally a force in the direction of travel of the aircraft relative to the ambient air. Examples of applicable thrust producing devices are propellers and jacketed propellers. The construction of the thrust units 50 . 55 However, it should not be limited to the examples given.

In der bevorzugten Ausführungsform sind die Schubeinheiten 50 und 55 Verstellpropeller identischer Größe und Konstruktion, die an den Seiten eines starren Flügels eines Flugzeugs befestigt sind. In alternativen Ausführungsformen sind die Schubeinheiten 50 und 55 jedoch nicht notwendigerweise von identischer Größe, Schubabgabekapazität oder auch Konstruktionsprinzip.In the preferred embodiment, the thrusters are 50 and 55 Variable pitch propellers of identical size and construction attached to the sides of a rigid wing of an aircraft. In alternative embodiments, the thrust units are 50 and 55 but not necessarily of identical size, thrust capacity or design principle.

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 50 in einer Ausführungsform ein Verstellpropeller sein, der für einen maximalen statischen Schub von 50 kN ausgelegt ist und an der Nase des Flugzeugs angebracht ist, während die Schubeinheit 55 ein Mantelpropeller ist, der für einen maximalen statischen Schub von 55 kN ausgelegt ist und am Heck des Flugzeugs angebracht ist. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Schubeinheit 50 ein Verstellpropeller, der für einen maximalen statischen Schub von 55 kN ausgelegt ist, während die Schubeinheit 55 ein Verstellpropeller ist, der für einen maximalen statischen Schub von 50 kN ausgelegt ist. Die Schubeinheit 50 kann auf der linken Seite des Flugzeugflügels angebracht sein, während die Schubeinheit (TU) 55 auf der rechten Seite des Flugzeugflügels angebracht sein kann. Die Schubeinheit 50 kann innenlastiger als die Schubeinheit 55 angebracht sein, sodass das Gesamtgiermoment bei maximalem Schub null ist.The thrusters may be mounted at any location on the airframe of an aircraft (not shown in the figures). For example, the thrust unit 50 in one embodiment, be a variable pitch propeller designed for maximum static thrust of 50 kN and attached to the nose of the aircraft while the propulsion unit 55 is a ducted propeller designed for a maximum static thrust of 55 kN and attached to the rear of the aircraft. In a further alternative embodiment, the pushing unit 50 a variable pitch propeller designed for a maximum static thrust of 55 kN while the thrust unit 55 is a variable pitch propeller designed for a maximum static thrust of 50 kN. The push unit 50 can be mounted on the left side of the aircraft wing, while the thrust unit (TU) 55 can be mounted on the right side of the aircraft wing. The push unit 50 can be more internal than the push unit 55 be attached so that the total yaw moment at maximum thrust is zero.

Die mechanische Verbindung 60 überträgt mechanische Leistung zwischen MCE 10, Generator 20 und Schubeinheit 50. Die mechanische Verbindung 65 überträgt mechanische Leistung zwischen BCE 15, Elektromotor 25 und Schubeinheit 55. Normalerweise kann jede der Komponenten 10, 15, 20, 25, 50 und 55 eine Leistungsversorgerin als auch eine Leistungsverbraucherin sein. Die Schubeinheiten 50 und 55 verbrauchen üblicherweise mechanische Leistung, um Schub zu erzeugen, können aber auch mechanische Leistung durch Antrieb durch Fahrtwind erzeugen. Der Generator 20 und Elektromotor 25 können verwendet werden, um sowohl mechanische Leistung als Motor bereitzustellen als auch um mechanische Leistung als Generator zu verbrauchen. MCE 10 und BCE 15 stellen üblicherweise Leistung bereit, können jedoch, wenn sie abgeschaltet sind, eine Leistungseingabe benötigen, um gestartet zu werden. Die Konstruktion der mechanischen Verbindungen 60 und 65 kann direkte mechanische Verbindungen umfassen, wie etwa mechanische Wellen oder Antriebsriemen, Antriebsgeschwindigkeits- und Wellendrehmoment-verändernde mechanische Vorrichtungen, wie etwa Getriebe, und Vorrichtungen zum Koppeln und Entkoppeln mechanischer Verbindungen, wie etwa Kupplungen oder Einweglager oder Positionsänderungsvorrichtungen, wie etwa Linearmotoren.The mechanical connection 60 transfers mechanical power between MCE 10 , Generator 20 and push unit 50 , The mechanical connection 65 transfers mechanical power between BCE 15 , Electric motor 25 and push unit 55 , Normally, each of the components 10 . 15 . 20 . 25 . 50 and 55 be a service provider as well as a consumer. The thrust units 50 and 55 usually consume mechanical power to generate thrust, but can also generate mechanical power by propulsion through wind. The generator 20 and electric motor 25 can be used to provide both mechanical power as a motor and to consume mechanical power as a generator. MCE 10 and BCE 15 usually provide power, but when turned off, they can need a power input to get started. The construction of mechanical connections 60 and 65 may include direct mechanical connections, such as mechanical shafts or drive belts, drive speed and shaft torque varying mechanical devices, such as transmissions, and devices for coupling and decoupling mechanical connections, such as clutches or one-way bearings or position changing devices, such as linear motors.

3 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine Detailansicht bevorzugter mechanischer Verbindungen zwischen dem MCE 10 und der ersten Schubeinheit 50 sowie zwischen dem Reserveverbrennungsmotor 15 und der zweiten Schubeinheit 55 veranschaulicht. In der in 3 gezeigten Ausführungsform umfasst die mechanische Verbindung 60 ein Getriebe 60-1, eine Kupplung 60-2 und mechanische Wellen 60-3, 60-4 und 60-5. Die mechanische Welle 60-5 verbindet die Schubeinheit 50 mit dem Getriebe 60-1. Die mechanische Welle 60-3 verbindet MCE 10 mit der Kupplung 60-2, während die mechanische Welle 60-4 die Kupplung 60-2, den Generator 20 und das Getriebe 60-1 koppelt. Das Getriebe 60-1 kann mechanische Leistung zwischen der mechanischen Welle 60-4 und der mechanischen Welle 60-5 übertragen, während es verschiedene Drehgeschwindigkeiten auf jeder der zwei Wellen zulässt. Mit diesem Aufbau sind die mechanische Welle 60-3 und die mechanische Welle 60-4 für die Drehgeschwindigkeiten von MCE 10 und Generator 20 ausgelegt, während die mechanische Welle 60-5 für die Drehgeschwindigkeiten der Schubeinheit 50 ausgelegt ist. Die Kupplung 60-2 kann die mechanische Welle 60-3 mit der mechanischen Welle 60-4 koppeln oder sie, falls erforderlich, entkoppeln. Wenn die Kupplung 60-2 die mechanische Welle 60-3 mit der mechanischen Welle 60-4 koppelt, kann mechanische Leistung zwischen MCE 10, Generator 20 und Schubeinheit 50 übertragen werden. Wenn die Kupplung 60-2 die mechanische Welle 60-3 von der mechanischen Welle 60-4 entkoppelt, kann mechanische Leistung nur zwischen Generator 20 und Schubeinheit 50 übertragen werden, was den Betrieb der Schubeinheit 50 nur durch den Generator 20 zulässt. 3 shows a schematic diagram showing a detailed view of preferred mechanical connections between the MCE 10 and the first push unit 50 as well as between the reserve combustion engine 15 and the second push unit 55 illustrated. In the in 3 embodiment shown includes the mechanical connection 60 a gearbox 60-1 , a clutch 60-2 and mechanical waves 60-3 . 60-4 and 60-5 , The mechanical wave 60-5 connects the push unit 50 with the gearbox 60-1 , The mechanical wave 60-3 connects MCE 10 with the clutch 60-2 while the mechanical shaft 60-4 the coupling 60-2 , the generator 20 and the gearbox 60-1 coupled. The gear 60-1 can mechanical power between the mechanical shaft 60-4 and the mechanical shaft 60-5 while allowing for different rotational speeds on each of the two shafts. With this construction are the mechanical shaft 60-3 and the mechanical shaft 60-4 for the rotational speeds of MCE 10 and generator 20 designed while the mechanical shaft 60-5 for the rotational speeds of the thrust unit 50 is designed. The coupling 60-2 can the mechanical shaft 60-3 with the mechanical shaft 60-4 couple or, if necessary, decouple them. When the clutch 60-2 the mechanical shaft 60-3 with the mechanical shaft 60-4 coupled, mechanical performance can be between MCE 10 , Generator 20 and push unit 50 be transmitted. When the clutch 60-2 the mechanical shaft 60-3 from the mechanical shaft 60-4 decoupled, mechanical power can only be between generator 20 and push unit 50 be transmitted, which is the operation of the thrust unit 50 only by the generator 20 allows.

Die mechanische Verbindung 65 besteht aus einem Getriebe 65-1, einer Kupplung 65-2 und mechanischen Wellen 65-3, 65-4 und 65-5. Die Funktionalität dieser Elemente ist analog den Elementen der mechanischen Verbindung 60.The mechanical connection 65 consists of a gearbox 65-1 , a clutch 65-2 and mechanical waves 65-3 . 65-4 and 65-5 , The functionality of these elements is analogous to the elements of the mechanical connection 60 ,

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 60 gekoppelt werden, was es ihr ermöglichen würde, mechanische Leistung vom MCE 10 und Generator 20 zu verwenden; sie kann mechanisch mit der mechanischen Verbindung 65 gekoppelt werden, was es ihr erlauben würde, mechanische Leistung von BCE 15 und Elektromotor 25 zu verwenden; sie kann mit einem oder mehreren zusätzlichen durch das PMD-System 30 gesteuerten Elektromotoren mechanisch gekoppelt werden; oder eine Kombination der genannten Optionen.Alternative embodiments of the invention may use more than two thrust units. When adding thrust units to the drive train of the invention, there are several options for each additional thrust unit to be supplied with mechanical power: it can mechanically with the mechanical connection 60 be coupled, which would allow it, mechanical performance of the MCE 10 and generator 20 to use; It can be mechanical with the mechanical connection 65 coupled, which would allow it mechanical performance of BCE 15 and electric motor 25 to use; It can come with one or more additional through the PMD system 30 controlled electric motors are mechanically coupled; or a combination of the options mentioned.

Ein Beispiel für das Antriebssystem der Erfindung in einer alternativen Ausführungsform mit mehr als zwei Schubeinheiten ist in 4 dargestellt. Während der grundlegende Antriebsstrangaufbau von 1 beibehalten wird, gibt es zwei zusätzliche Schubeinheiten 51 und 56 und einen zusätzlichen Elektromotor 21. Die Schubeinheit 51 ist mit dem Elektromotor 21 über eine mechanische Verbindung 61 gekoppelt. Der Elektromotor 21 wird durch ein PMD-System 30 gesteuert, mit dem er über ein Elektroleitungssystem 72 verbunden ist. Die Schubeinheit 56 ist mit der mechanischen Verbindung 65 durch eine weitere mechanische Verbindung 66 gekoppelt. Daher kann mechanische Leistung zwischen BCE 15, Elektromotor 25, Schubeinheit 55 und Schubeinheit 56 übertragen werden. Im Normalbetrieb führt der MCE 10 der Schubeinheit 50 und dem Generator 20 über eine mechanische Verbindung 60 mechanische Leistung zu. Die Schubeinheit 50 verwendet einen Teil der durch den MCE 10 zugeführten mechanischen Leistung, indem sie Schub erzeugt. Der Generator 20 verwendet auch einen Teil der durch den MCE 10 zugeführten mechanischen Leistung und erzeugt damit elektrische Leistung. Das PMD-System 30 verteilt die durch Generator 20 erzeugte elektrische Leistung an Elektromotor 21 und Elektromotor 25. Elektromotor 21 wandelt einen Teil der durch Generator 20 erzeugten elektrischen Leistung in mechanische Leistung um, die dann über die mechanische Verbindung 61 an die Schubeinheit 51 übertragen wird und durch die Schubeinheit 51 in Schub umgewandelt wird. Elektromotor 25 wandelt einen Teil der durch Generator 20 erzeugten elektrischen Leistung in mechanische Leistung um, die dann über die mechanische Verbindung 65 und die mechanische Verbindung 66 an die Schubeinheit 55 und Schubeinheit 56 übertragen wird und durch die Schubeinheit 55 und Schubeinheit 56 in Schub umgewandelt wird. Daher kann der MCE 10 in diesem Beispiel allen vier Schubeinheiten Leistung zuführen. In ähnlicher Weise können BCE 15 und EES-Vorrichtung 40 auch allen vier Schubeinheiten Leistung zuführen.An example of the drive system of the invention in an alternative embodiment having more than two thrust units is shown in FIG 4 shown. While the basic powertrain construction of 1 is maintained, there are two additional thrust units 51 and 56 and an additional electric motor 21 , The push unit 51 is with the electric motor 21 via a mechanical connection 61 coupled. The electric motor 21 is through a PMD system 30 controlled, with which he over an electric wire system 72 connected is. The push unit 56 is with the mechanical connection 65 through another mechanical connection 66 coupled. Therefore, mechanical power can be between BCE 15 , Electric motor 25 , Push unit 55 and push unit 56 be transmitted. In normal operation, the MCE performs 10 the push unit 50 and the generator 20 via a mechanical connection 60 mechanical power too. The push unit 50 uses part of it through the MCE 10 supplied mechanical power by generating thrust. The generator 20 also uses part of the MCE 10 supplied mechanical power, thereby generating electrical power. The PMD system 30 distributed by generator 20 generated electric power to electric motor 21 and electric motor 25 , electric motor 21 converts a part of the generator 20 generated electrical power into mechanical power, then through the mechanical connection 61 to the push unit 51 is transmitted and by the thrust unit 51 is converted into thrust. electric motor 25 converts a part of the generator 20 generated electrical power into mechanical power, then through the mechanical connection 65 and the mechanical connection 66 to the push unit 55 and push unit 56 is transmitted and by the thrust unit 55 and push unit 56 is converted into thrust. Therefore, the MCE 10 In this example, supply power to all four thrust units. Similarly, BCE 15 and EES device 40 also supply power to all four thrust units.

In alternativen Ausführungsformen kann eine mechanische Kopplung zwischen den mechanischen Verbindungen 60, 65 vorgesehen sein. In manchen Fällen könnte dieses Merkmal vorteilhaft sein, da es eine direkte Übertragung mechanischer Leistung von MCE 10 an beide Schubeinheiten 50 und 55 ermöglichen würde. Damit ein solcher Aufbau zweckmäßig ist, sollte die mechanische Kopplung zwischen der mechanischen Verbindung 60 und der mechanischen Verbindung 65 jedoch mit einer Kopplungs-/Entkopplungsvorrichtung ausgestattet sein, um betriebsbezogene Flexibilität zu ermöglichen. Solche Ausführungsformen können insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Schubeinheiten 50 und 55 nahe beieinander angeordnet sind, z. B. am Heck des Flugzeugs, sodass die mechanische Kopplung zwischen der mechanischen Verbindung 60 und der mechanischen Verbindung 65 nicht zu lang und schwer ist.In alternative embodiments, a mechanical coupling between the mechanical connections 60 . 65 be provided. In some cases, this feature could be advantageous as there is a direct transfer of mechanical performance from MCE 10 to both thrust units 50 and 55 would allow. For such a structure is appropriate, the mechanical coupling between the mechanical connection 60 and the mechanical connection 65 however, be equipped with a coupling / decoupling device to allow for operational flexibility. Such embodiments may be particularly advantageous when the thrust units 50 and 55 are arranged close to each other, z. B. at the rear of the aircraft, so that the mechanical coupling between the mechanical connection 60 and the mechanical connection 65 not too long and heavy.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der BCE 15 der Schubeinheit 55 direkt mechanische Leistung zuführen und kann auch die Schubeinheit 55 antreiben, indem er den Hybridserienansatz unter Verwendung des Elektromotors 25 in einem Erzeugungsmodus verwendet, um dem Generator 20 elektrische Leistung zuzuführen.In the preferred embodiment of the invention, the BCE 15 the push unit 55 directly perform mechanical power and can also be the thrust unit 55 drive by using the hybrid series approach using the electric motor 25 used in a generation mode to the generator 20 to supply electrical power.

5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid-Elektro-Antriebssystems. Mit dieser Ausführungsform wird noch eine weitere Verbesserung der Flexibilität der Komponentenintegration in die Flugzeugzelle erreicht. Dazu ist der BCE 15 mit der mechanischen Verbindung 65 nicht mechanisch verbunden, stattdessen ist der BCE 15 über eine mechanische Verbindung mit einem Elektrogenerator 27 gekoppelt. Der Elektrogenerator 27 wiederum ist mit dem PMD-System 30 über eine Elektroleitung 77 gekoppelt. Mit einem solchen Aufbau ist der BCE 15 dazu fähig, alle Schubeinheiten mit Leistung zu versorgen, indem er den Hybridserienansatz verwendet. Wie bereits erwähnt, erhöht der Hybridserienansatz die Flexibilität auf Kosten erhöhten Gewichts und verringerter Effizienz. Da der BCE 15 hauptsächlich eine Reserveleistungsquelle ist, ist der Gesamtleistungsnachteil für die Ausführungsformen, die letzteren Aufbau verwenden, möglicherweise jedoch nicht so signifikant wie der Gewinn an Flexibilität. 5 shows an alternative embodiment of a hybrid electric drive system according to the invention. With this embodiment, a further improvement of the flexibility of the component integration in the airframe is achieved. This is the BCE 15 with the mechanical connection 65 not mechanically connected, instead is the BCE 15 via a mechanical connection with an electric generator 27 coupled. The electric generator 27 turn is with the PMD system 30 via an electric cable 77 coupled. With such a construction is the BCE 15 capable of powering all thrusters using the Hybrid Series approach. As already mentioned, the hybrid series approach increases flexibility at the expense of increased weight and reduced efficiency. Since the BCE 15 is primarily a backup power source, the overall performance penalty for the embodiments employing the latter design may not be as significant as the gain in flexibility.

In der bevorzugten Ausführungsform dient der BCE 15 hauptsächlich als Reserveleistungsquelle. Er ermöglicht einen sicheren Flugzeugbetrieb, falls der MCE 10 ausfällt. In manchen Anwendungen kann Reserveleistung kein notwendiges Merkmal für eine zweckmäßige Anwendung sein. Alternative Ausführungsformen der Erfindung, die für solche Anwendungen ausgelegt sind, können den BCE 15 als eine Komponente des Antriebsstrangs weglassen. In solchen Ausführungsformen kann die EES-Vorrichtung 40 verwendet werden, um die Sicherheit des Flugzeugs zu erhöhen, falls der MCE 10 ausfällt.In the preferred embodiment, the BCE serves 15 mainly as a reserve power source. It enables safe aircraft operation if the MCE 10 fails. In some applications, reserve power may not be a necessary feature for a convenient application. Alternative embodiments of the invention designed for such applications may include the BCE 15 as a component of the powertrain. In such embodiments, the EES device may 40 used to increase the safety of the aircraft, if the MCE 10 fails.

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Claims (14)

Hybrid-Elektro-Antriebssystem für ein Flugzeug, umfassend: einen einzelnen Hauptverbrennungsmotor (10); eine erste Schubeinheit (50) und eine zweite Schubeinheit (55), wobei der Hauptverbrennungsmotor (10) dazu ausgebildet ist, die erste Schubeinheit (50) mittels einer mechanischen Verbindung (60) anzutreiben; ein Elektromotor (25), der dazu ausgebildet ist, die zweite Schubeinheit (55) anzutreiben; dadurch gekennzeichnet, dass das Hybrid-Elektro-Antriebssystem ferner einen Generator (20) umfasst, der dazu ausgebildet ist, durch den Hauptverbrennungsmotor (10) erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und den Elektromotor (25) mit elektrischer Energie zu speisen.A hybrid electric propulsion system for an aircraft, comprising: a single main engine ( 10 ); a first push unit ( 50 ) and a second thrust unit ( 55 ), the main combustion engine ( 10 ) is adapted to the first thrust unit ( 50 ) by means of a mechanical connection ( 60 ) to drive; an electric motor ( 25 ), which is adapted to the second thrust unit ( 55 ) to drive; characterized in that the hybrid electric propulsion system further comprises a generator ( 20 ), which is adapted to be driven by the main engine ( 10 ) converted mechanical energy into electrical energy and the electric motor ( 25 ) to feed with electrical energy. Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybrid-Elektro-Antriebssystem ferner eine Elektro-Energiespeichervorrichtung (40) umfasst.Hybrid electric drive system according to claim 1, characterized in that the hybrid electric drive system further comprises an electric energy storage device ( 40 ). Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator ferner dazu ausgebildet ist, die Elektro-Energiespeichervorrichtung (40) mit elektrischer Energie zu speisen.Hybrid electric drive system according to claim 2, characterized in that the generator is further adapted to the electric energy storage device ( 40 ) to feed with electrical energy. Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (20) ferner einen Antriebsmodus umfasst, in dem der Generator (20) dazu ausgebildet ist, die erste Schubeinheit (50) anzutreiben.Hybrid electric drive system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the generator ( 20 ) further comprises a drive mode in which the generator ( 20 ) is adapted to the first thrust unit ( 50 ) to drive. Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner eine Entkopplungsvorrichtung (60-2) zum Koppeln/Entkoppeln des Hauptverbrennungsmotors (10) von der ersten Schubeinheit (50) umfasst.Hybrid electric drive system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the system further comprises a decoupling device ( 60-2 ) for coupling / decoupling the main combustion engine ( 10 ) from the first push unit ( 50 ). Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybrid-Elektro-Antriebssystem ferner einen Reserveverbrennungsmotor (15) umfasst, wobei der Reserveverbrennungsmotor vorzugsweise eine maximale Leistungsabgabe von weniger als 60%, vorzugsweise weniger als 45%, weiter vorzugsweise weniger als 30% der maximalen Leistungsabgabe des Hauptverbrennungsmotors aufweist.Hybrid electric propulsion system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the hybrid electric propulsion system further comprises a reserve combustion engine ( 15 ), wherein the reserve combustion engine preferably has a maximum power output of less than 60%, preferably less than 45%, more preferably less than 30% of the maximum power output of the main engine. Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reserveverbrennungsmotor (15) dazu ausgebildet ist, die zweite Schubeinheit (55) mittels einer mechanischen Verbindung (65) anzutreiben.Hybrid electric drive system according to claim 6, characterized in that the reserve combustion engine ( 15 ) is adapted to the second thrust unit ( 55 ) by means of a mechanical connection ( 65 ) to drive. Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Entkopplungsvorrichtung (65-2) zum Koppeln/Entkoppeln des Reserveverbrennungsmotors (15) von der zweiten Schubeinheit (55) umfasst.Hybrid electric drive system according to claim 7, characterized in that the system comprises a decoupling device ( 65-2 ) for coupling / decoupling the reserve combustion engine ( 15 ) from the second push unit ( 55 ). Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (25) einen Erzeugungsmodus umfasst, in dem er dazu ausgebildet ist, vom Reserveverbrennungsmotor (15) erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und den Generator (20) mit der elektrischen Energie zu speisen.Hybrid electric drive system according to one of claims 6 to 8, characterized in that the electric motor ( 25 ) comprises a generation mode in which it is adapted to be operated by the reserve internal combustion engine ( 15 ) converted mechanical energy into electrical energy and the generator ( 20 ) to feed with the electrical energy. Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach Anspruch 9, wobei der Elektromotor (25) dazu ausgebildet ist, die Elektro-Energiespeichervorrichtung (40) mit elektrischer Energie zu speisen.Hybrid electric drive system according to claim 9, wherein the electric motor ( 25 ) is adapted to the electrical energy storage device ( 40 ) to feed with electrical energy. Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Elektro-Energiespeichervorrichtung (40), dem Generator (20) und dem Elektromotor (25) durch ein Leistungsverwaltungs- und Verteilungssystem (30) gesteuert ist.Hybrid electric drive system according to one of claims 2 to 10, characterized in that the transmission of electrical energy between the electric energy storage device ( 40 ), the generator ( 20 ) and the electric motor ( 25 ) through a service management and distribution system ( 30 ) is controlled. Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das System zumindest eine weitere Schubeinheit (51) umfasst, die durch zumindest einen weiteren Elektromotor (21) angetrieben wird, wobei der Generator (20) und/oder der Elektromotor (25) dazu ausgebildet ist, den zumindest einen weiteren Elektromotor (21) mit elektrischer Energie zu speisen.Hybrid electric drive system according to one of claims 1 to 11, characterized in that the system at least one further thrust unit ( 51 ) by at least one further electric motor ( 21 ), the generator ( 20 ) and / or the electric motor ( 25 ) is adapted to the at least one further electric motor ( 21 ) to feed with electrical energy. Flugzeug, umfassend eine Flugzeugzelle und ein Hybrid-Elektro-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12.An aircraft comprising an airframe and a hybrid electric propulsion system according to any one of claims 1 to 12. Verfahren zum Betreiben eines Flugzeugs unter Verwendung eines Hybrid-Elektro-Antriebssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: a. Antreiben einer ersten Schubeinheit (50) mittels eines einzelnen Hauptverbrennungsmotors (10), b. Antreiben eines Generators (20) mittels des Hauptverbrennungsmotors (10), c. Speisen eines Elektromotors (25) mit durch den Generator (20) erzeugter elektrischer Energie, d. Antreiben einer zweiten Schubeinheit (55) mittels des Elektromotors (25).A method of operating an aircraft using a hybrid electric propulsion system according to any one of claims 1 to 12, characterized in that it comprises the following steps: a. Driving a first push unit ( 50 ) by means of a single main combustion engine ( 10 b. Driving a generator ( 20 ) by means of the main combustion engine ( 10 c. Food of an electric motor ( 25 ) with the generator ( 20 ) generated electrical energy, d. Driving a second thrust unit ( 55 ) by means of the electric motor ( 25 ).
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