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HYBRIDES TURBO COMPOUND FAN TRIEBWERK

Ein koeffizientes Antriebskonzept fr die Luftfahrt

H. P. Berg1, A. Himmelberg1, U. Malenky1, M. Meincke2, T. Soontornpasatch3 Brandenburgische Technische Universitt, Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen u. Flugantriebe1,

Professor Dr. Berg & Kieling GmbH2, KMUT-NB Bangkok/Thailand3

Zusammenfassung Der Weg zum elektrischen Fliegen ist abhngig von der Entwicklung hochleistungsfhiger, kompakter und vor allem leichter Energiespeicher. Als mittelfristige, umweltschonende berganglsung bieten sich, insbe-sondere fr Flugtriebwerke mittlerer Leistungsklassen, Hybridsysteme aus Turbo-Compound-Kreiskolben-motoren und Elektromaschinen fr die Start- und Steigphasen an. Vorgestellt werden auf dem HSD-Konzept (HSD=Hybrid Super-Drive, vgl. [1]) beruhende luftfahrtechnische Anwendungen fr unterschiedliche parallelhybride Flugantriebe. Die Basistechnologie sttzt sich auf eine in der Produktion befindliche, vielstofffhige Wankeltriebwerksfamilie. Das HSD-Konzept legt hierbei ein Kam-mervolumen von 650ccm zu Grunde. Der Leistungsbereich (0,8 bis 1,36MW) wird mit einem innovativen elektrischen parallel-hybriden Turbo-Compound-Konzept abgedeckt. Hierbei kommt zur Aufladung der Kreiskolben-Verbrennungsmaschine eine neuartige luftgelagerte Turbomaschine mit integrierter E-Maschine zum Einsatz. Als Vortriebstechnologie trgt das Counter-Rotating-Fan (CRF)-Konzept, welches am Beispiel eines Flugzeugtechnologietrgers (Light-Jet) dargestellt wird, zur weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems bei. Der vorliegende Artikel basiert auf den in [1] beschrieben Grundlagen und stellt eine weiterfhrende Diskus-sion im Rahmen des DLRK dar.

1. ELEKTRISCHES UND HYBRID-ELEKTRISCHES FLIEGEN

Um die Folgen des Klimawandels zu reduzieren hat die EU-Kommission in ihrem Fahrplan fr den bergang zu einer wettbewerbsfhigen CO2-armen Wirtschaft bis 2050 [4], [18] Grenzwerte fr die Schadstoffemissionen, insbe-sondere auch fr den Verkehrssektor, festgelegt. Im Rah-men dieser Festlegungen wurde die Gltigkeit der Grenz-werte fr den CO2-Aussto auch auf den Luftfahrtbereich ausgedehnt. Effizienzpotentiale aktueller Triebwerkssys-teme wurden dazu bereits in umfangreichen Studien aus-gelotet [48]. Um dem gerecht zu werden, wollen viele Hersteller aus der Luftfahrtbranche, neben neuen Entwick-lungen fr innovative Triebwerke (z.B. aus gekoppelten Turbo- und Kolbentriebwerken [20]) Gesamtkonzepte fr das elektrische Fliegen auf den Weg bringen [3]. Das Bauhaus Luftfahrt, als Forschungseinrichtung mit Unter-sttzung u.a. von Airbus, Liebherr Aerospace und der MTU, hat in diesem Zusammenhang mit dem CE-Liner ein Konzeptflugzeug entwickelt, mit dem elektrisches Fliegen bis zum Jahr 2035 mit einem Grojet mglich sein soll [5]. Zurckhaltende Stimmen halten dieses Ziel fr sehr ehr-geizig und geben zu bedenken, dass ein solcher radikaler Systemwechsel nur schwierig durchzusetzen ist [3].

Vor allem bedingt das elektrische Fliegen Gesamtkonzep-te fr neue Technologien. So wird fr die Batterietechnik, die Brennstoffzellentechnik, die Betankung, die Aufladung und insbesondere fr die Flughafen-Infrastruktur noch ein enormer Entwicklungsaufwand erforderlich sein [3], [22].

In einer bergangsphase (Etappenziel im Rahmen der CO2-Minderung) haben, wie auch in der Automobilindust-rie, hybride Energiesysteme aus Verbrennungskraftma-

schine, Generator und E-Motor eine Chance einen Beitrag zu leisten. Problematisch erscheint vor allem die Bereit-stellung der erforderlichen Energieleistung fr einen ent-sprechenden Flug, sowie die Realisierung des Leistungs-gewichtes und der Sicherheit des erforderlichen Antriebs.

In modernen Flugzeugsystemen wird dazu immer mehr versucht, aus Effizienz- und Gewichtsgrnden Subsys-teme mit elektrischen Antrieben einzusetzen [6]. Mit dem in diesem Artikel vorgeschlagenen Hybridsystem aus Wankelmotoren und E-Maschinen wird angeregt, einen Teil der bentigten Vortriebsleistung durch elektrische Antriebe zu ersetzen. In Erweiterung zu einem System fr einen Turboprop-Antrieb [1] wird vorgeschlagen, das HSD-Basissystem auch fr schnellere Geschftsreiseflug-zeuge (Ma bis 0,75) in Verbindung mit einem gegenlufi-gen Fan-Konzept (Counter Rotating Fan) einzusetzen.

2. TECHNOLOGIEN FR DEN HYBRIDEN ANTRIEB

Die vorgestellte Antriebstechnologie ist ein Hybridantrieb, bestehend aus einem Hochleistungs-Turbo-Compound-Wankeltriebwerk (HSD) und einem effizienten und kom-pakten Elektromotor. Fr den Vortrieb ist die Adaption eines modernen gegenlufigen Fans angedacht, welcher ber ein Getriebe angetrieben wird. Die Vorteile des Ein-satzes eines Turbo-Wankelmotors als Hybrid-Triebwerk, in Kombination mit einem geeigneten E-Motor, konnten in [1] bereits am Beispiel eines Regional-Zubringerflugzeugs mit Propellerantrieb demonstriert werden.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016DocumentID: 420246

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2.1. Der Wankel-Turbomotor als Verbrennungs-kraftmaschine fr Flugantriebe

Das Basiskonzept fr die gewhlte Verbrennungskraft-maschine beruht auf einer Grundarchitektur der KKM500-Familie der Cottbusser Firma WankelSupertec GmbH (www.wankelsupertec.de, [7]). Diese hat das Kreiskolben-triebwerk in den letzten Jahren erfolgreich weiterentwi-ckelt. Die elektrische luftgelagerte Turbomaschine, die zur Aufladung des Motors eingesetzt wird, basiert auf einer Technologie der Cottbuser Firma Euro-K (www.euro-k.de [8]) und auf eigenen grundlegenden Arbeiten [9].

Die Wankeltriebwerkstechnologie mit luftgelagerter E-Turbomaschine (BILD 13) liefert neben einer einfachen Bauraumanpassung, einer hohen Leistungsdichte, der Vibrationsarmut und der Modulbauweise eine Mglichkeit fr die Entwicklung neuartiger Antriebskonzepte auch fr die allgemeine Luftfahrt der Zukunft. Fr das System selbst wurde in der Vergangenheit das Potential fr die luftfahrttechnisch geforderten TBO-Zeiten durch den Ein-satz in Nischenmrkten nachgewiesen.

Der grundlegende technologische Stand in der Entwick-lung des Motorenkonzepts insbesondere fr die Diesel- und Kerosinanwendung kann verschiedenen Verffentli-chungen ([10], [11], [12]) entnommen werden. Die hohe Zuverlssigkeit des Motorenkonzeptes in der Dieselan-wendung konnte dabei durch einen NATO-Zyklustest und einen FAR-Zyklustest schon in frhen Untersuchungen belegt werden. Ebenso konnte der Nachweis einer Kero-sintauglichkeit hnlicher Motorenfamilien mit Rotationskol-ben bereits nachgewiesen werden [15].

Das Brennverfahren wurde in der Vergangenheit ausfhr-lich untersucht, weiterentwickelt und ist heute im serien-migen Einsatz zu finden [13]. Das fr die Luftfahrttech-nik so wichtige Leistungsgewicht erreicht beim Wankel-triebwerk bis zu 3kW/kg. Dieses lsst sich im Bereich zwischen den Gasturbinen (bis 5kW/kg) und der im Be-trieb befindlichen Flugmotoren (1kW/kg) ansiedeln.

Durch die Hochaufladung mit dem sogenannten MTiG-System (Mikroturbine mit integriertem Generator), welches im Prinzip ein Abgasturbolader mit hohem Druckverhlt-nis, integriertem Generator und einer Luftlagerung ist, kann lfreie Kabinenluft gewhrleistet werden. Dieses System wurde ursprnglich als Powerhead fr eine auto-motive, serielle Hybridanwendung vorgesehen und befin-det sich zurzeit mit einem externen Generator in der In-dustrialisierungsphase.

Der Stand der Entwicklung des Wankel-HSD-Systems stellt sich bis zum heutigen Tag folgendermaen dar (BILD 1):

Die Basistechnologie wurde weitestgehend ent-wickelt und validiert [7], [15].

Die Basistechnologie hat ihre Nischenmrkte au-erhalb der Luftfahrtbranche gefunden und steht auf einem soliden Fundament.

Die Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur wurde geschaffen und knnte fr ein zuknftiges Luftfahrtprojekt eingesetzt werden.

Eine detaillierte Diskussion mit Akteuren aus der Luftfahrtbranche hat bis heute nicht stattgefun-den. Der DLRK knnte hierzu die richtige Platt-form bieten.

Der technologische Stand ist bis heute grten-teils Wissen (BTU/ Lehrstuhl Verbrennungskraft-maschinen und Flugantriebe) ohne wesentliche Schutzrechtsauflagen.

BILD 1. links: 4 Scheiben Wankeltriebwerksbank (indu-

strialisierte Technologie, [7]), rechts: Beispiel der Anordnung von 2 Triebwerksbnken des Wankel-HSD-Konzeptes ohne Sammelge-triebe, E-Maschine, MTiG (Zentralturbo), La-deluftkhler und weiteren Anbauteilen

2.2. Elektrische Antriebe fr die Darstellung des Hybridanteils

Siemens entwickelt bereits leichte und leistungsstarke Flugmotoren fr luftfahrttechnische Anwendungen. Mit dem Elektroantrieb SP260D, mit einer Leistung von 260kW und einem Leistungsgewicht von 5,2kW/kg bei einer max. Dauerdrehzahl von 2500U/min und einem max. Drehmoment von 1000Nm, konnte bereits ein Erpro-bungsflugzeug elektrisch starten und betrieben werden [16], [19]. Ein solcher Flugantrieb kann auch als hybride Erweiterung mit einer Verbrennungskraftmaschine ver-wendet und angepasst werden. Gleichzeitig ist im Flugbe-trieb eine Nutzung als Generator erforderlich. Fr diesen E-Flugmotor wird eine Effizienz von 95% angegeben.

Das Bauhaus Luftfahrt geht bei einer Dimensionierung des CE-Liners davon aus, dass ab einer Speicherkapazitt von 2000Wh/kg leichte Batterien gebaut werden knnen, so dass auch fr grere Flugzeuge das elektrische Flie-gen mglich wird [5], [29]. Das KIT in Karlsruhe hat dage-gen schon Batteriematerialien mit einer Speicherkapazitt von 450Wh/kg entwickelt [23], [24], [25]. Mit einem sol-chen System knnen das Batterievolumen und die Batte-riemasse soweit reduziert werden, dass ein Einbau in ein Zubringerflugzeug mglich wird, ohne das Gewichts-/Volumenverhltnis des Flugzeugs zu erhhen.

Weitere Untersuchungen zeigen, dass Batterien mit hhe-ren Speicherkapazitten mglich sind, der Entwicklungs-aufwand ist jedoch enorm [25], [26], [27]. Ein ent