DE102022124925A1 - Device for generating electrical energy for an aircraft, method for operating such a device and aircraft - Google Patents

Device for generating electrical energy for an aircraft, method for operating such a device and aircraft Download PDF

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (2) und mit einer Gasturbineneinrichtung (3) mit einer Verdichtereinheit (5), mit einer Turbineneinheit (6) mit wenigstens einer Hochdruckturbine (9) und mit einer Niederdruckturbine (8) und mit einer Brennkammereinheit (4) beschrieben. Die Verdichtereinheit (5) ist über eine Hochdruckwelle (9) mit der Hochdruckturbine (7) und die Niederdruckturbine (8) ist über eine Niederdruckwelle (10) direkt mit einer Ausgangswelle (11) der elektrischen Maschine (2) verbunden. Die Hochdruckwelle (9) und die Niederdruckwelle (10) rotieren im Betrieb der Gasturbineneinrichtung (3) mit unterschiedlicher Drehrichtung. Die elektrische Maschine (2) ist zum Erzeugen von elektrischer Energie generatorisch und zum Starten der Gasturbineneinrichtung (3) motorisch betreibbar. Die Ausgangswelle (11) steht über einen hydrodynamischen Drehmomentwandler (12) mit der Hochdruckwelle (9) in Verbindung. Der Drehmomentwandler (12) weist stromab eines Pumpenrades (13) und stromauf eines Turbinenrades (14) eine Leiteinrichtung (15) auf, mittels der die für den Antrieb der Hochdruckwelle (9) erforderliche Drehrichtungsumkehr zwischen dem Pumpenrad (13) und dem Turbinenrad (14) erzeugt wird.There is a device (1) for generating electrical energy for an aircraft with an electric machine (2) and with a gas turbine device (3) with a compressor unit (5), with a turbine unit (6) with at least one high-pressure turbine (9) and described with a low-pressure turbine (8) and with a combustion chamber unit (4). The compressor unit (5) is connected to the high-pressure turbine (7) via a high-pressure shaft (9) and the low-pressure turbine (8) is directly connected to an output shaft (11) of the electrical machine (2) via a low-pressure shaft (10). The high-pressure shaft (9) and the low-pressure shaft (10) rotate in different directions during operation of the gas turbine device (3). The electrical machine (2) can be operated as a generator to generate electrical energy and as a motor to start the gas turbine device (3). The output shaft (11) is connected to the high-pressure shaft (9) via a hydrodynamic torque converter (12). The torque converter (12) has a guide device (15) downstream of a pump wheel (13) and upstream of a turbine wheel (14), by means of which the direction of rotation required to drive the high-pressure shaft (9) is reversed between the pump wheel (13) and the turbine wheel (14 ) is produced.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Luftfahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung sowie ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.The present disclosure relates to a device for generating electrical energy for an aircraft, a method for operating such a device and an aircraft with such a device.

In der jüngeren Vergangenheit wurde versucht, bisherige bekannte Transportsysteme, deren Antriebe im Betrieb fossile Brennstoffe in mechanische Energie wandeln, zunehmend durch umweltfreundlichere Systeme zu ersetzen. Dies gilt sowohl für Landfahrzeuge als auch für Luftfahrzeuge, für die ebenfalls geeignete umweltverträgliche Antriebstechnologien entwickelt werden.In the recent past, attempts have been made to increasingly replace previously known transport systems, whose drives convert fossil fuels into mechanical energy, with more environmentally friendly systems. This applies to both land vehicles and aircraft, for which suitable environmentally friendly drive technologies are also being developed.

Neben den rein elektrischen Antrieben stellen auch hybride Antriebssysteme effiziente Flugantriebssysteme dar, die gegenüber aktuellen Antriebssystemen deutlich weniger Schadstoffe emittieren und Brennstoffressourcen schonen. Aufgrund des derzeit ungünstigen Verhältnisses zwischen Gewicht und Energieinhalt bei Traktionsbatterien ist jedoch die rein elektrische Flugweise nur für einen sehr kleinen Anwendungsbereich interessant. Elektroluftfahrzeuge werden daher derzeit mit zusätzlichen Energiewandlern und Speichern ausgestattet, um akzeptable Reichweiten und Antriebsleistungen bei gleichzeitig moderaten Kosten zu erzielen.In addition to purely electric drives, hybrid drive systems also represent efficient aircraft propulsion systems that emit significantly fewer pollutants and conserve fuel resources than current drive systems. However, due to the currently unfavorable ratio between weight and energy content of traction batteries, purely electric flight is only interesting for a very small range of applications. Electric aircraft are therefore currently being equipped with additional energy converters and storage devices in order to achieve acceptable ranges and propulsion performance while maintaining moderate costs.

Als zukunftsfähiges Antriebskonzept wird u.a. das hybride elektrische Antriebssystem mit Kleinenergieerzeugern zur Reichweitenverlängerung angesehen. Für den Einsatz als Range-Extender stehen unterschiedliche Konzepte zur Verfügung, die eine Umwandlung von chemischer in elektrische Energie ermöglichen. Die Spezifikation eines Range-Extenders hängt dabei sehr stark von den Anforderungen an zukünftige Antriebskonzepte ab. Das bedeutet, dass Einbauraum, Gewicht, Kosten und Vielstofftauglichkeit eine neu zu definierende Gewichtung im Auswahlprozess des Energiewandlers erhalten.The hybrid electric drive system with small energy generators to extend the range is seen as a future-proof drive concept. There are different concepts available for use as range extenders that enable chemical energy to be converted into electrical energy. The specification of a range extender depends very much on the requirements for future drive concepts. This means that installation space, weight, costs and multi-material suitability are given a newly defined weighting in the selection process of the energy converter.

Die Entwicklung und Applikation alternativer Energieumwandlungskonzepte werden derzeit als zielführend angesehen, um beispielsweise die Reichweite elektrisch angetriebener Kleinflugzeuge zu verbessern. Derzeit bekannte Konzepte umfassen Vorrichtungen, die aus einer Kombination aus einem Generator und aus einer den Generator antreibenden Gasturbine bestehen.The development and application of alternative energy conversion concepts are currently seen as useful, for example in order to improve the range of electrically powered small aircraft. Currently known concepts include devices that consist of a combination of a generator and a gas turbine driving the generator.

Die bekannten Vorrichtungen weisen jedoch einen hohen Bauraumbedarf sowie eine geringe Leistungsdichte auf, was sich auch ungünstig auf einen Energieverbrauch eines damit ausgeführten Luftfahrzeuges auswirkt.However, the known devices have a high installation space requirement and a low power density, which also has an unfavorable effect on the energy consumption of an aircraft designed with them.

Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bauraumgünstige und eine hohe Leistungsdichte aufweisende Vorrichtung zum Erzeugen von elektrische Energie für ein Luftfahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung sowie ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung, das einen möglichst geringen Energieverbrauch aufweist, zur Verfügung zu stellen.The present disclosure is based on the object of providing a device for generating electrical energy for an aircraft that is space-efficient and has a high power density, a method for operating such a device and an aircraft with such a device that has the lowest possible energy consumption place.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung, mit einem Verfahren und mit einem Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, 8 bzw. 11 gelöst.This object is achieved with a device, with a method and with an aircraft with the features of patent claims 1, 8 and 11, respectively.

Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Luftfahrzeug vorgeschlagen, die eine elektrischen Maschine und eine Gasturbineneinrichtung umfasst. Die Gasturbineneinrichtung ist mit einer Verdichtereinheit, mit einer Brennkammereinheit und mit einer Turbineneinheit ausgeführt, die mit wenigstens einer Hochdruckturbine und mit einer Niederdruckturbine ausgebildet ist.According to a first aspect, a device for generating electrical energy for an aircraft is proposed, which device comprises an electrical machine and a gas turbine device. The gas turbine device is designed with a compressor unit, with a combustion chamber unit and with a turbine unit, which is designed with at least one high-pressure turbine and with one low-pressure turbine.

Die Verdichtereinheit ist über eine Hochdruckwelle mit der Hochdruckturbine gekoppelt, während die Niederdruckturbine über eine Niederdruckwelle direkt mit einer Ausgangswelle der elektrischen Maschine verbunden ist. Die Hochdruckwelle, die Niederdruckwelle und die Ausgangswelle der elektrischen Maschine sind auf bauraumgünstige Art und Weise koaxial zueinander angeordnet. Im Betrieb der Gasturbineneinrichtung rotieren die Hochdruckwelle und die Niederdruckwelle mit unterschiedlicher Drehrichtung. Die elektrische Maschine ist zum Erzeugen von elektrischer Energie generatorisch und zum Starten der Gasturbineneinrichtung motorisch betreibbar, womit die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung auf einfache sowie bauraum- und kostengünstige Art und Weise ohne eine zusätzliche Startereinheit ausführbar ist. Damit weist die Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen eine höhere Leistungsdichte auf.The compressor unit is coupled to the high-pressure turbine via a high-pressure shaft, while the low-pressure turbine is connected directly to an output shaft of the electric machine via a low-pressure shaft. The high-pressure shaft, the low-pressure shaft and the output shaft of the electrical machine are arranged coaxially to one another in a space-saving manner. During operation of the gas turbine device, the high-pressure shaft and the low-pressure shaft rotate in different directions. The electrical machine can be operated as a generator to generate electrical energy and as a motor to start the gas turbine device, which means that the device according to the present disclosure can be implemented in a simple, space-saving and cost-effective manner without an additional starter unit. The device therefore has a higher power density compared to known devices.

Zusätzlich steht die Ausgangswelle über einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit der Hochdruckwelle in Verbindung. Der Drehmomentwandler weist stromab eines Pumpenrades, das mit der Ausgangswelle der elektrischen Maschine drehfest verbunden ist, und stromauf eines Turbinenrades, das mit der Hochdruckwelle fest verbunden ist, eine Leiteinrichtung auf, mittels der die für den Antrieb der Hochdruckwelle erforderliche Drehrichtungsumkehr zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad erzeugt wird. Damit stellt der Drehmomentwandler einen sogenannten Gegenlaufwandler dar.In addition, the output shaft is connected to the high-pressure shaft via a hydrodynamic torque converter. The torque converter has a guide device downstream of a pump wheel, which is connected in a rotationally fixed manner to the output shaft of the electric machine, and upstream of a turbine wheel, which is firmly connected to the high-pressure shaft, by means of which the reversal of direction of rotation required for driving the high-pressure shaft between the pump wheel and the Turbine wheel is generated. The torque converter therefore represents a so-called counter-rotating torque converter.

Vorliegend beziehen sich die Angaben stromauf und stromab auf die Strömungsrichtung des Fluides im hydrodynamischen Drehmomentwandler. Das Fluid wird im Betrieb des Drehmomentwandlers im Bereich des Pumpenrades beschleunigt und durch die nicht drehbar ausgeführte Leiteinrichtung in Richtung des Turbinenrades geführt, das von dem Fluid angetrieben wird. Damit ist das Pumpenrad stromauf und das Turbinenrad stromab der Leiteinrichtung angeordnet.In the present case, the information upstream and downstream refers to the direction of flow of the fluid in the hydrodynamic torque converter. During operation of the torque converter, the fluid is accelerated in the area of the pump wheel and guided through the non-rotatable guide device in the direction of the turbine wheel, which is driven by the fluid. The pump wheel is thus arranged upstream and the turbine wheel downstream of the guide device.

Damit ist die für den Antrieb der Hochdruckwelle durch die elektrische Maschine erforderliche Drehrichtungsumkehr im Bereich des hydrodynamischen Drehmomentwandlers mit geringem konstruktiven Aufwand darstellbar. Zusätzlich bietet der Drehmomentwandler die Möglichkeit, die Wirkverbindung zwischen der elektrischen Maschine und der Hochdruckwelle im zugeschalteten Zustand der Gasturbineneinrichtung, in dem die Hochdruckwelle mit höherer Drehzahl als die Niederdruckwelle umläuft, im Bereich des Drehmomentwandlers mit geringem Steuer- und Regelaufwand zu unterbrechen, indem der Drehmomentwandler entleert wird. Dann ist die elektrische Maschine von der damit über die Niederdruckwelle verbundenen Niederdruckturbine antreibbar und kann im generatorischen Betrieb in gewünschtem Umfang elektrische Energie erzeugen, ohne dabei den Betrieb der Hochdruckturbine in unerwünschter Art und Weise zu beeinflussen.This means that the reversal of direction of rotation required for driving the high-pressure shaft by the electric machine can be achieved in the area of the hydrodynamic torque converter with little design effort. In addition, the torque converter offers the possibility of interrupting the operative connection between the electric machine and the high-pressure shaft in the switched-on state of the gas turbine device, in which the high-pressure shaft rotates at a higher speed than the low-pressure shaft, in the area of the torque converter with little control and regulation effort, by the torque converter is emptied. The electric machine can then be driven by the low-pressure turbine connected to it via the low-pressure shaft and can generate electrical energy to the desired extent in generator operation without undesirably influencing the operation of the high-pressure turbine.

Bei einer konstruktiv einfachen, kostengünstigen und mit hohem Wirkungsgrad insbesondere während des Startens der Gasturbineneinrichtung betreibbaren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst der hydrodynamische Drehmomentwandler stromab des Turbinenrades und stromauf des Pumpenrades eine weitere Leiteinrichtung, über die das Fluid im Drehmomentwandler drallfrei in das Pumpenrad einleitbar ist.In a structurally simple, cost-effective and highly efficient embodiment of the device according to the present disclosure, which can be operated in particular while starting the gas turbine device, the hydrodynamic torque converter comprises a further guide device downstream of the turbine wheel and upstream of the pump wheel, via which the fluid in the torque converter can be introduced into the pump wheel without twisting is.

im Bereich der Leiteinrichtung kann eine Zulaufleitung und eine Ablaufleitung in den Drehmomentwandler münden. Dabei kann über die Zulaufleitung Fluid in den Drehmomentwandler einleitbar und über die Ablaufleitung Fluid aus dem Drehmomentwandler ausleitbar sein, um die Wirkverbindung zwischen der Ausgangswelle der elektrischen Maschine und der Hochdruckwelle im Bereich des hydrodynamischen Drehmomentwandlers zu- bzw. abschalten zu können.In the area of the guide device, an inlet line and an outlet line can open into the torque converter. Fluid can be introduced into the torque converter via the inlet line and fluid can be discharged from the torque converter via the outlet line in order to be able to switch the active connection between the output shaft of the electric machine and the high-pressure shaft in the area of the hydrodynamic torque converter on or off.

Hierfür kann es vorgesehen sein, dass in der Zulaufleitung und in der Ablaufleitung jeweils ein Sperrventil vorgesehen ist.For this purpose, it can be provided that a check valve is provided in the inlet line and in the outlet line.

Wenn eine Pumpe vorgesehen ist, mittels der Fluid über die Zulaufleitung in den Drehmomentwandler einleitbar ist, ist die Wirkverbindung zwischen der Ausgangswelle des hydrodynamischen Drehmomentwandlers und der Hochdruckwelle innerhalb kurzer Betriebszeiten herstellbar.If a pump is provided, by means of which fluid can be introduced into the torque converter via the inlet line, the operative connection between the output shaft of the hydrodynamic torque converter and the high-pressure shaft can be established within short operating times.

Die Hochdruckwelle kann auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise über eine Stirnradstufe mit einer Hilfsgerätegetriebeeinrichtung in Wirkverbindung stehen. Dann ist die Hilfsgerätegetriebeeinrichtung im zugeschalteten Betriebszustand der Gasturbineneinrichtung über die Hochdruckwelle von der Hochdruckturbine antreibbar.The high-pressure shaft can be in operative connection with an auxiliary gear transmission device in a structurally simple and cost-effective manner via a spur gear stage. Then the auxiliary gear transmission device can be driven by the high-pressure turbine via the high-pressure shaft when the gas turbine device is switched on.

Bei einer in radialer Richtung bauraumgünstigen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der hydrodynamische Drehmomentwandler in axialer Richtung der Ausgangswelle zwischen der elektrischen Maschine und der Verdichtereinheit angeordnet.In an embodiment of the device according to the present disclosure that offers optimal installation space in the radial direction, the hydrodynamic torque converter is arranged in the axial direction of the output shaft between the electrical machine and the compressor unit.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer vorstehend näher beschriebenen Vorrichtung, bei dem der Drehmomentwandler zum Starten der Gasturbineneinrichtung mit dem zum Starten erforderlichen Fluidvolumen befüllt und die elektrische Maschine motorisch betrieben wird. Zusätzlich wird der Drehmomentwandler in zugeschaltetem Betriebszustand der Gasturbineneinrichtung entleert und die elektrische Maschine generatorisch betrieben.A further aspect of the present disclosure relates to a method for operating a device described in more detail above, in which the torque converter for starting the gas turbine device is filled with the fluid volume required for starting and the electric machine is operated by a motor. In addition, the torque converter is drained when the gas turbine device is switched on and the electric machine is operated as a generator.

Bei einer mit geringem Steuer- und Regelaufwand durchführbaren Variante des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung wird zum Befüllen des Drehmomentwandlers das Sperrventil in der Zulaufleitung geöffnet und das Sperrventil in der Ablaufleitung geschlossen.In a variant of the method according to the present disclosure that can be carried out with little control and regulation effort, the check valve in the inlet line is opened and the check valve in the outlet line is closed to fill the torque converter.

Zum Entleeren des Drehmomentwandlers kann das Sperrventil in der Zulaufleitung geschlossen und das Sperrventil in der Ablaufleitung geöffnet werden.To empty the torque converter, the check valve in the inlet line can be closed and the check valve in the outlet line can be opened.

Des Weiteren wird ein Luftfahrzeug beschrieben, das mit einer in der vorstehend näher beschriebenen Art und Weise ausgebildeten Vorrichtung ausgeführt ist und daher mit geringem Energieeinsatz bei gleichzeitig hoher Reichweite betreibbar ist.Furthermore, an aircraft is described which is designed with a device designed in the manner described in more detail above and can therefore be operated with low energy consumption and at the same time a long range.

Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.It will be understood by those skilled in the art that a feature or parameter described in relation to one of the above aspects may be applied to any other aspect provided they are not mutually exclusive. Further, any feature or parameter described herein may be applied to any aspect and/or combined with any other feature or parameter described herein, as long as they are not mutually exclusive.

Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die angegebenen Kombinationen der Merkmale der nebengeordneten Ansprüche oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen und unmittelbar aus der Zeichnung hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch die Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.The present disclosure is not limited to the specified combinations of features of the independent claims or the claims dependent thereon. There are also possibilities to combine individual features with one another, including those that emerge from the claims, the following description of embodiments and directly from the drawing. The reference of the claims to the drawings through the use of reference numerals is not intended to limit the scope of the claims.

Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele des Gegenstandes gemäß der vorliegenden Offenbarung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, anhand der Zeichnung näher erläutert.Preferred further developments result from the subclaims and the following description. Embodiments of the subject matter according to the present disclosure are, without being limited to this, explained in more detail with reference to the drawing.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematisierte Längsschnittansicht einer Vorrichtung für ein Luftfahrzeug zum Erzeugen von elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine und eine gekoppelte Gasturbineneinrichtung umfasst.The only figure in the drawing shows a highly schematic longitudinal sectional view of a device for an aircraft for generating electrical energy, the device comprising an electrical machine that can be operated as a motor and as a generator and a coupled gas turbine device.

in der Figur ist eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein nicht näher dargestelltes Luftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine 2 und mit einer damit wirkverbundenen Gasturbineneinrichtung 3 in einer stark vereinfachten Längsschnittansicht gezeigt. Die Gasturbineneinrichtung 3 ist mit einer Brennkammereinheit 4, mit einer Verdichtereinheit 5 und mit einer Turbineneinheit 6 ausgeführt, die eine Hochdruckturbine 7 und eine Niederdruckturbine 8 umfasst. Im Bereich der Verdichtereinheit 5 wird Luft verdichtet und in die Brennkammereinheit 4 eingeleitet, in der der verdichteten Luft Brennstoff zugeführt wird. In der Brennkammereinheit 4 wird das Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet. Die durch die Verbrennung erhitzte Luft tritt in Richtung der Hochdruckturbine 7 aus, entspannt dort und treibt die Hochdruckturbine 7 an. Im Anschluss daran strömt die Luft durch die Niederdruckturbine 8 und treibt diese dabei an.In the figure, a device 1 for generating electrical energy for an aircraft, not shown, with an electrical machine 2 and with a gas turbine device 3 operatively connected to it is shown in a highly simplified longitudinal section view. The gas turbine device 3 is designed with a combustion chamber unit 4, with a compressor unit 5 and with a turbine unit 6, which includes a high-pressure turbine 7 and a low-pressure turbine 8. In the area of the compressor unit 5, air is compressed and introduced into the combustion chamber unit 4, in which fuel is supplied to the compressed air. The fuel-air mixture is ignited in the combustion chamber unit 4. The air heated by the combustion exits in the direction of the high-pressure turbine 7, relaxes there and drives the high-pressure turbine 7. The air then flows through the low-pressure turbine 8 and drives it.

Die Verdichtereinheit 5 ist über eine Hochdruckwelle 9 mit der Hochdruckturbine 7 gekoppelt und wird somit von dieser im Betrieb der Gasturbineneinrichtung 3 angetrieben. Die Niederdruckturbine 8 ist über eine Niederdruckwelle 10 direkt mit einer Ausgangswelle 11 der elektrischen Maschine 2 verbunden und treibt damit in zugeschaltetem Zustand der Gasturbineneinrichtung 3 die elektrische Maschine 2 an. Die elektrische Maschine 2 erzeugt im generatorischen Betrieb elektrische Energie und versorgt einen elektrischen Flugantrieb eines Luftfahrzeuges mit elektrischer Energie und beaufschlagt vorzugsweise zusätzlich auch ein Bordnetz sowie eine elektrische Speichereinheit des Luftfahrzeuges mit elektrischer Energie.The compressor unit 5 is coupled to the high-pressure turbine 7 via a high-pressure shaft 9 and is thus driven by it during operation of the gas turbine device 3. The low-pressure turbine 8 is connected directly to an output shaft 11 of the electrical machine 2 via a low-pressure shaft 10 and thus drives the electrical machine 2 when the gas turbine device 3 is switched on. The electrical machine 2 generates electrical energy in generator operation and supplies an electrical flight drive of an aircraft with electrical energy and preferably also supplies an on-board electrical system and an electrical storage unit of the aircraft with electrical energy.

Die Hochdruckwelle 9, die Niederdruckwelle 10 und die Ausgangswelle 11 der elektrischen Maschine 2 sind koaxial zueinander angeordnet. Dabei rotieren die Hochdruckwelle 9 und die die Niederdruckwelle 10 im Betrieb der Gasturbineneinrichtung 3 mit unterschiedlicher Drehrichtung, weshalb die Turbineneinheit 6 mit hohem Wirkungsgrad betreibbar ist.The high-pressure shaft 9, the low-pressure shaft 10 and the output shaft 11 of the electric machine 2 are arranged coaxially with one another. The high-pressure shaft 9 and the low-pressure shaft 10 rotate with different directions of rotation during operation of the gas turbine device 3, which is why the turbine unit 6 can be operated with high efficiency.

Die elektrische Maschine 2 ist zum Starten der Gasturbineneinrichtung 3 auch motorisch betreibbar. Zum Starten der Gasturbineneinrichtung 3 steht die Ausgangswelle 11 über einen hydrodynamischen Drehmomentwandler 12 mit der Hochdruckwelle 9 in Verbindung. Der Drehmomentwandler 12 ist in axialer Richtung der Ausgangswelle 11 zwischen der elektrischen Maschine 2 und der Verdichtereinheit 5 angeordnet und weist stromab eines Pumpenrades 13 und stromauf eines Turbinenrades 14 eine Leiteinrichtung 15 auf. Mittels der Leiteinrichtung 15 wird die für den Antrieb der Hochdruckwelle 9 erforderliche Drehrichtungsumkehr zwischen dem Pumpenrad 13 und dem Turbinenrad 14 erzeugt. Dabei wird im hydrodynamischen Drehmomentwandler 12 umgewälztes Fluid, wie Öl oder dergleichen, im Bereich der Leiteinrichtung 15 so geführt, dass die Drehrichtung des Turbinenrades 14, das mit der Hochdruckwelle 9 verbunden ist, gegenläufig zur Drehrichtung des Pumpenrades 13 ist, das drehfest mit der Ausgangswelle 11 in Verbindung steht.The electric machine 2 can also be operated by a motor to start the gas turbine device 3. To start the gas turbine device 3, the output shaft 11 is connected to the high-pressure shaft 9 via a hydrodynamic torque converter 12. The torque converter 12 is arranged in the axial direction of the output shaft 11 between the electric machine 2 and the compressor unit 5 and has a guide device 15 downstream of a pump wheel 13 and upstream of a turbine wheel 14. By means of the guide device 15, the reversal of direction of rotation required for driving the high-pressure shaft 9 between the pump wheel 13 and the turbine wheel 14 is generated. Fluid circulated in the hydrodynamic torque converter 12, such as oil or the like, is guided in the area of the guide device 15 in such a way that the direction of rotation of the turbine wheel 14, which is connected to the high-pressure shaft 9, is opposite to the direction of rotation of the pump wheel 13, which is rotationally fixed to the output shaft 11 is connected.

Zusätzlich weist der hydrodynamische Drehmomentwandler 12 stromab des Turbinenrades 14 und stromauf des Pumpenrades 13 eine weitere Leiteinrichtung 16 auf, über die das Fluid im Drehmomentwandler 12 drallfrei in das Pumpenrad 13 einleitbar ist. Darüber hinaus münden im Bereich der Leiteinrichtung 15 eine Zulaufleitung 17 und eine Ablaufleitung 18 in den Drehmomentwandler 12. Über die Zulaufleitung 17 ist Fluid in den Drehmomentwandler 12 einleitbar und über die Ablaufleitung 18 ist Fluid aus dem Drehmomentwandler 12 ausleitbar. Des Weiteren sind die Zulaufleitung 17 und die Ablaufleitung 18 jeweils mit einem Sperrventil 19, 20 ausgeführt. Es ist auch eine Pumpe 21 vorgesehen, mittels der Fluid über die Zulaufleitung 17 in den Drehmomentwandler 12 einleitbar ist.In addition, the hydrodynamic torque converter 12 has a further guide device 16 downstream of the turbine wheel 14 and upstream of the pump wheel 13, via which the fluid in the torque converter 12 can be introduced into the pump wheel 13 without twisting. In addition, in the area of the guide device 15, an inlet line 17 and an outlet line 18 open into the torque converter 12. Fluid can be introduced into the torque converter 12 via the inlet line 17 and fluid can be discharged from the torque converter 12 via the outlet line 18. Furthermore, the inlet line 17 and the outlet line 18 are each designed with a check valve 19, 20. A pump 21 is also provided, by means of which fluid can be introduced into the torque converter 12 via the inlet line 17.

Die Hochdruckwelle 9 kann zusätzlich über eine Stirnradstufe mit einer Hilfsgerätegetriebeeinrichtung in Wirkverbindung stehen, um im Betrieb der Gasturbineneinrichtung 3 Hilfsaggregate, wie eine Hydraulikpumpe, eine Brennstoffpumpe oder dergleichen, in gewünschtem Umfang und auf konstruktiv einfache sowie bauraum- und kostengünstige Art und Weise antreiben zu können.The high-pressure shaft 9 can additionally be operatively connected to an auxiliary gear transmission device via a spur gear stage in order to be able to drive auxiliary units, such as a hydraulic pump, a fuel pump or the like, to the desired extent and in a structurally simple, space-saving and cost-effective manner during operation of the gas turbine device 3 .

Liegt im abgeschalteten Zustand der Gasturbineneinrichtung 3 eine Zuschaltanforderung vor, wird das Sperrventil 19 geöffnet und das Sperrventil 20 geschlossen. Anschließend wird der Drehmomentwandler 12 von der Pumpe 21 mit dem zum Starten der Gasturbineneinrichtung 3 erforderlichen Fluidvolumen befüllt und die elektrische Maschine 2 motorisch betrieben. Dadurch wird erreicht, dass das am Drehmomentwandler 12 von der motorisch betriebenen elektrischen Maschine 2 anliegende Drehmoment über die Hochdruckwelle 9 in Richtung der Hochdruckturbine 7 weitergeleitet wird und die Gasturbineneinrichtung 3 gestartet wird.If there is a connection request when the gas turbine device 3 is switched off, the check valve 19 is opened and the check valve 20 is closed. The torque converter 12 is then filled by the pump 21 with the fluid volume required to start the gas turbine device 3 and the electric machine 2 is operated by a motor. This ensures that the torque applied to the torque converter 12 from the motor-operated electric machine 2 is transmitted via the high-pressure shaft 9 in the direction of the high-pressure turbine 7 and the gas turbine device 3 is started.

Wird erkannt, dass die Gasturbineneinrichtung 3 zugeschaltet ist, wird der Drehmomentwandler 12 durch Öffnen des Sperrventils 20 und durch Schließen des Sperrventils 19 entleert und die elektrische Maschine 2 generatorisch betrieben. in entleertem Zustand des Drehmomentwandlers 12 ist über den Drehmomentwandler 12 im Wesentlichen kein Drehmoment übertragbar. Um gegebenenfalls unzulässig hohe Betriebstemperaturen des geleerten Drehmomentwandlers 12 im zugeschalteten Betriebszustand der Gasturbineneinrichtung 3 zu vermeiden, kann es vorgesehen sein, dass der Drehmomentwandler 12 zum Kühlen über die Zulaufleitung 17 mit Fluid beaufschlagt wird. Dabei ist der jeweils zugeführte Fluidvolumenstrom derart, dass der Drehmomentwandler 12 dadurch kein nennenswertes Drehmoment übertragen kann.If it is recognized that the gas turbine device 3 is switched on, the torque converter 12 is emptied by opening the check valve 20 and by closing the check valve 19 and the electric machine 2 is operated as a generator. When the torque converter 12 is empty, essentially no torque can be transmitted via the torque converter 12. In order to avoid unacceptably high operating temperatures of the emptied torque converter 12 in the switched-on operating state of the gas turbine device 3, it can be provided that the torque converter 12 is supplied with fluid via the inlet line 17 for cooling. The fluid volume flow supplied is such that the torque converter 12 cannot transmit any significant torque.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtungcontraption
22
elektrische Maschineelectric machine
33
GasturbineneinrichtungGas turbine facility
44
BrennkammereinheitCombustion chamber unit
55
VerdichtereinheitCompressor unit
66
TurbineneinheitTurbine unit
77
HochdruckturbineHigh pressure turbine
88th
NiederdruckturbineLow pressure turbine
99
HochdruckwelleHigh pressure wave
1010
NiederdruckwelleLow pressure wave
1111
Ausgangswelleoutput shaft
1212
DrehmomentwandlerTorque converter
1313
Pumpenradpump wheel
1414
TurbinenradTurbine wheel
1515
LeiteinrichtungGuidance device
1616
weitere Leiteinrichtungfurther guidance system
1717
ZulaufleitungInlet pipe
1818
AblaufleitungDrain line
1919
SperrventilCheck valve
2020
SperrventilCheck valve
2121
Pumpepump

Claims (11)

Vorrichtung (1) zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (2) und mit einer Gasturbineneinrichtung (3) mit einer Verdichtereinheit (5), mit einer Turbineneinheit (6) mit wenigstens einer Hochdruckturbine (9) und mit einer Niederdruckturbine (8) und mit einer Brennkammereinheit (4), wobei die Verdichtereinheit (5) über eine Hochdruckwelle (9) mit der Hochdruckturbine (7) gekoppelt ist, wobei die Niederdruckturbine (8) über eine Niederdruckwelle (10) direkt mit einer Ausgangswelle (11) der elektrischen Maschine (2) verbunden ist, wobei die Hochdruckwelle (9), die Niederdruckwelle (10) und die Ausgangswelle (11) der elektrischen Maschine (11) koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Hochdruckwelle (9) und die Niederdruckwelle (10) im Betrieb der Gasturbineneinrichtung (3) mit unterschiedlicher Drehrichtung rotieren, wobei die elektrische Maschine (2) generatorisch zum Erzeugen von elektrischer Energie betreibbar ist, wobei die elektrische Maschine (2) zum Starten der Gasturbineneinrichtung (3) motorisch betreibbar ist und die Ausgangswelle (11) über einen hydrodynamischen Drehmomentwandler (12) mit der Hochdruckwelle (9) in Verbindung steht, wobei der Drehmomentwandler (12) stromab eines Pumpenrades (13) und stromauf eines Turbinenrades (14) eine Leiteinrichtung (15) aufweist, mittels der die für den Antrieb der Hochdruckwelle (9) erforderliche Drehrichtungsumkehr zwischen dem Pumpenrad (13) und dem Turbinenrad (14) erzeugt wird.Device (1) for generating electrical energy for an aircraft with an electric machine (2) and with a gas turbine device (3) with a compressor unit (5), with a turbine unit (6) with at least one high-pressure turbine (9) and with a low-pressure turbine (8) and with a combustion chamber unit (4), wherein the compressor unit (5) is coupled to the high-pressure turbine (7) via a high-pressure shaft (9), wherein the low-pressure turbine (8) is connected directly to an output shaft (11) of the electrical machine (2) via a low-pressure shaft (10), wherein the high-pressure shaft (9), the low-pressure shaft (10) and the output shaft (11) of the electric machine (11) are arranged coaxially to one another, the high-pressure shaft (9) and the low-pressure shaft (10) having different speeds during operation of the gas turbine device (3). Rotate in the direction of rotation, whereby the electrical machine (2) can be operated as a generator to generate electrical energy, wherein the electric machine (2) can be operated by a motor to start the gas turbine device (3) and the output shaft (11) is connected to the high-pressure shaft (9) via a hydrodynamic torque converter (12), wherein the torque converter (12) has a guide device (15) downstream of a pump wheel (13) and upstream of a turbine wheel (14), by means of which the direction of rotation required for driving the high-pressure shaft (9) is reversed between the pump wheel (13) and the turbine wheel (14 ) is produced. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydrodynamische Drehmomentwandler (12) stromab des Turbinenrades (14) und stromauf des Pumpenrades (13) eine weitere Leiteinrichtung (16) aufweist, über die das Fluid im Drehmomentwandler (12) drallfrei in das Pumpenrad (13) einleitbar ist.Device according to Claim 1 , characterized in that the hydrodynamic torque converter (12) has a further guide device (16) downstream of the turbine wheel (14) and upstream of the pump wheel (13), via which the fluid in the torque converter (12) can be introduced into the pump wheel (13) without twisting . Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Leiteinrichtung (15) eine Zulaufleitung (17) und eine Ablaufleitung (18) in den der Drehmomentwandler (12) münden, wobei über die Zulaufleitung (17) Fluid in den Drehmomentwandler (12) einleitbar ist und über die Ablaufleitung (18) Fluid aus dem Drehmomentwandler (12) ausleitbar ist.Device according to Claim 1 or 2 , characterized in that in the area of the guide device (15) an inlet line (17) and an outlet line (18) open into the torque converter (12), fluid being able to be introduced into the torque converter (12) via the inlet line (17) and via the drain line (18) can be drained of fluid from the torque converter (12). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zulaufleitung (17) und in der Ablaufleitung (18) jeweils ein Sperrventil (19, 20) vorgesehen ist.Device according to Claim 3 , characterized in that in the feed line (17) and a check valve (19, 20) is provided in the drain line (18). Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (21) vorgesehen ist, mittels der Fluid über die Zulaufleitung (17) in den Drehmomentwandler (12) einleitbar ist.Device according to Claim 3 or 4 , characterized in that a pump (21) is provided, by means of which fluid can be introduced into the torque converter (12) via the inlet line (17). Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckwelle (7) über eine Stirnradstufe mit einer Hilfsgerätegetriebeeinrichtung in Wirkverbindung steht.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the high-pressure shaft (7) is in operative connection with an auxiliary device transmission device via a spur gear stage. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentwandler (12) in axialer Richtung der Ausgangswelle (11) zwischen der elektrischen Maschine (2) und der Verdichtereinheit (5) angeordnet ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the torque converter (12) is arranged in the axial direction of the output shaft (11) between the electrical machine (2) and the compressor unit (5). Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Drehmomentwandler (12) zum Starten der Gasturbineneinrichtung (3) mit dem zum Starten erforderlichen Fluidvolumen befüllt wird und die elektrische Maschine (2) motorisch betrieben wird, und wobei der Drehmomentwandler (12) in zugeschaltetem Betriebszustand der Gasturbineneinrichtung (3) entleert und die elektrische Maschine (2) generatorisch betrieben wird.Method for operating a device according to one of Claims 1 until 7 , wherein the torque converter (12) for starting the gas turbine device (3) is filled with the fluid volume required for starting and the electric machine (2) is operated by a motor, and wherein the torque converter (12) is emptied when the gas turbine device (3) is switched on and the electrical machine (2) is operated as a generator. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Befüllen des Drehmomentwandlers (12) das Sperrventil (19) in der Zulaufleitung (19) geöffnet und das Sperrventil (20) in der Ablaufleitung (18) geschlossen wird.Procedure according to Claim 8 , characterized in that to fill the torque converter (12), the check valve (19) in the inlet line (19) is opened and the check valve (20) in the outlet line (18) is closed. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entleeren des Drehmomentwandlers (12) das Sperrventil (19) der Zulaufleitung geschlossen (17) und das Sperrventil (20) der Ablaufleitung (18) geöffnet wird.Procedure according to Claim 8 or 9 , characterized in that to empty the torque converter (12), the check valve (19) of the inlet line is closed (17) and the check valve (20) of the outlet line (18) is opened. Luftfahrzeug mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.Aircraft equipped with a device according to one of the Claims 1 until 7 .
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