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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug, ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug mit einem solchen Hybridantrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Luftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Kraftgetriebene Luftfahrzeuge (Motor- bzw. Turbinenflugzeuge und Hubschrauber) verbrennen während des Start- und Landevorgangs in z.T. dicht besiedelten Gebieten beträchtliche Mengen fossiler Brennstoffe, was mit erheblichen Lärmund Schadstoffemissionen verbunden ist. Desweiteren werden die Verbrennungskraftmaschinen (typischerweise bekannte Gasturbinen), die zum Vortrieb entsprechender Luftfahrzeuge dienen und beim Start in Volllast arbeiten, nach Erreichen der Reiseflughöhe überwiegend in einem energetisch ungünstigen Teillastpunkt betrieben. Dies führt ebenfalls zu erhöhten Schadstoffemissionen und Ausstoß von Kohlendioxid.
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Aus der
DE 10 2006 056 354 A1 ist ein Hybridantrieb für ein Flugzeug bekannt, welcher eine Gasturbine und einen Elektromotor aufweist. Die Antriebsleistung kann durch die Gasturbine und den Elektromotor gemeinsam erbracht werden. Bei geringerem Schubbedarf können hingegen die Gasturbine und der Elektromotor jeweils alleine eingesetzt werden.
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Es besteht jedoch weiterhin der Bedarf nach Verbesserungen auf dem Gebiet der Hybridantriebe bei kraftgetriebenen Luftfahrzeugen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug, ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug mit einem solchen Hybridantrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Luftfahrzeugs mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines hybridisierten Strahltriebwerksantriebs (nachfolgend kurz als "Hybridantrieb" bezeichnet) mit einer Verbrennungskraftmaschine in Form einer Gasturbine sowie mit einer elektrischen Maschine.
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Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist eine Betriebsstrategie für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug in Form des ebenfalls vorgeschlagenen Verfahrens, die u.a. umfasst, ein entsprechendes kraftgetriebenes Luftfahrzeug bei Start- und Landephasen vorzugsweise ausschließlich elektrisch zu betreiben.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Hybridantrieb weist als Verbrennungskraftmaschine ein Strahltriebwerk, genauer ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk auf, das in an sich bekannter Weise arbeitet. Das Strahltriebwerk kann beispielsweise als sogenanntes Turbojet-, Turbofan- oder Turboproptriebwerk ausgebildet sein. Die Erfindung eignet sich insbesondere für sogenannte Mantelstromtriebwerke.
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Ein Strahltriebwerk saugt Umgebungsluft an und komprimiert diese in einer (Axial-)Verdichtereinheit. In einer der Verdichtereinheit nachgeschalteten Brennkammer wird Treibstoff (beispielsweise Kerosin) eingespritzt. Das hierbei gebildete Luft-/Treibstoffgemisch wird verbrannt. Die Verbrennung erhöht die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des aus der verdichteten Luft und den Verbrennungsprodukten gebildeten Gases, wobei sich dessen statischer Druck reduziert. Die zugeführte Strömungsenergie wird anschließend in einer Expansionsstufe teilweise in eine Drehbewegung umgesetzt, wobei das Gas weiter expandiert. Die Expansionsstufe dient als Antrieb der Verdichtereinheit. Das Gas expandiert in einer der Expansionsstufe nachgeschalteten Schubdüse auf beinahe Umgebungsdruck, wobei die Strömungsgeschwindigkeit weiter gesteigert wird. In der Schubdüse wird durch das ausströmende Gas zumindest ein Teil der Vortriebskraft des Strahltriebwerks erzeugt. Zur Leistungssteigerung kann dem eigentlichen Strahltriebwerk ein Nachbrenner nachgeschaltet sein.
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Ein Mantelstromtriebwerk (engl. Turbofan) ist ein Nebenstromtriebwerk (engl. Bypass Engine) und wird auch als Zweistromstrahltriebwerk oder Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (ZTL) bezeichnet. Es stellt zwei voneinander getrennte Luftströme bereit, von denen ein äußerer Luftstrom einen inneren Kernstrom "ummantelt". Der Kernstrom ist am eigentlichen thermodynamischen Kreisprozess der Gasturbine (s.o.) beteiligt. Da der Mantelstrom bei modernen Triebwerken den Großteil der Schubkraft liefert (häufig über 80%), kann die Schubwirkung des Kernstroms vernachlässigt werden. Die Gasturbine stellt im Wesentlichen einen "Motor" für den sogenannten Fan dar, der den Mantelstrom beschleunigt. Der Mantelstrom bewirkt eine Verringerung der Strahlgeschwindigkeit mit der Folge eines niedrigeren Treibstoffverbrauchs und geringerer Schallemissionen gegenüber einem Einstrom-Strahltriebwerk gleicher Schubkraft. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der für die Beschleunigung des Mantelstroms verwendete Fan über eine Triebwerkswelle entweder mit der Gasturbine oder mit der elektrischen Maschine oder mit beiden angetrieben werden. Details sind insbesondere in der unten erläuterten 1 gezeigt.
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Ist im Rahmen dieser Anmeldung von einer "Gasturbine", z.B. eines erläuterten Strahltriebwerks, die Rede, wird hierunter eine gekoppelte Einheit aus einer (Axial-)Verdichtereinheit und einer Expansionsstufe (der eigentlichen Gasturbine) mit dazwischen angeordneter Brennkammer verstanden.
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Zumindest die Turbinenräder der Verdichtereinheit und die Turbinenräder der Expansionsstufe sind in Strahltriebwerken auf einer gemeinsamen Welle (nachfolgend als Triebwerkswelle bezeichnet) angeordnet. Dies gilt auch für einen Fan eines Mantelstromtriebwerks. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, ein entsprechendes Strahltriebwerk so auszubilden, dass die Triebwerkswelle gleichzeitig eine Läuferwelle wenigstens einer elektrischen Maschine bildet. Mit der Triebwerkswelle sind also sowohl die Turbinenräder der Verdichtereinheit und die Turbinenräder der Expansionsstufe als auch die rotierenden Elemente der elektrischen Maschine drehfest gekoppelt oder zumindest koppelbar. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung eines entsprechenden Hybridantriebs und insbesondere eine problemlose Nachrüstung bestehender Systeme mit einem entsprechenden Antrieb ohne aufwendige Anpassungen.
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Unter "drehfest gekoppelt oder koppelbar" wird hier eine Kopplung verstanden, die entweder dauerhaft, beispielsweise durch Verschweißen, Verschrauben, Vernieten oder Verkleben usw. ausgeführt ist oder mittels entsprechender Eingriffsmittel, z.B. Kupplungen oder Getrieben, vorgenommen wird.
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Die elektrische Maschine kann als kompakte Einheit in Form eines Maschinenpakets realisiert werden, das koaxial innenliegend der Brennkammer angeordnet ist. Ein Statorpaket des Maschinenpakets ist dabei koaxial außenliegend angeordnet, das zugehörige Läuferpaket ist auf der Triebwerkswelle befestigt und dreht sich mit dieser mit. Je nach Bedarf können auch mehrere Maschinenpakete verwendet werden, die jeweils über einen außenliegenden Stator und einen innenliegenden Läufer verfügen. Dies erlaubt eine vereinfachte Konstruktion und Wartung durch den Einsatz von modularisierten Komponenten. Der erfindungsgemäße Hybridantrieb umfasst damit, anders ausgedrückt, zumindest eine elektrische Maschine mit einem Innenläufer, dessen Läuferwelle der Triebwerkswelle eines Strahltriebwerks entspricht.
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Ein durch den erfindungsgemäßen Hybridantrieb erzielbarer Vorteil ist der Wegfall von Kupplungen und damit eine Erhöhung der Ausfallsicherheit und ein deutlich verminderter Wartungsbedarf.
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Ist im Rahmen dieser Anmeldung davon die Rede, dass eine Läuferwelle von der Triebwerkswelle "gebildet wird", sei darunter verstanden, dass die Läuferwelle einen Abschnitt der Triebwerkswelle darstellt. Insbesondere bildet die Läuferwelle den Abschnitt der Triebwerkswelle zwischen der Welle der Verdichtereinheit und der Welle der Expansionsstufe, die ebenfalls Abschnitte der Triebwerkswelle darstellen. Die Triebwerkswelle insgesamt, und damit die einzelnen Wellenabschnitte, müssen dabei nicht einstückig ausgebildet sein, wenngleich eine einstückige Ausbildung Festigkeitsvorteile bieten und/oder eine Fertigung vereinfachen kann. Die Triebwerkswelle insgesamt, und damit die einzelnen Wellenabschnitte, verlaufen entlang einer gemeinsamen Achse und sind im Betrieb permanent, also nicht über Kupplungen und dergleichen, miteinander verbunden.
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Zur Temperaturregelung ist vorteilhafterweise eine Kühleinrichtung, beispielsweise eine Wasserkühlung, koaxial zwischen der Brennkammer und dem Stator der elektrischen Maschine, beispielsweise einem entsprechenden Statorpaket, angebracht. Der Wasserkreislauf der Wasserkühlung kann beispielsweise durch eine elektrische Pumpe gespeist werden, die es ermöglicht, die Temperatur der elektrischen Maschine auf einen konstanten Wert zu regeln. Alternativ kann eine entsprechende Pumpe auch direkt von der sich drehenden Triebwerkswelle angetrieben werden. Statt Wasser können auch andere Kühlmittel verwendet werden. Da die Kühleinrichtung insbesondere dann erforderlich ist, wenn die Brennkammer des Strahltriebwerks befeuert wird, kann vorgesehen sein, die Kühleinrichtung nur dann zu betreiben, wenn dies der Fall ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann in der Kühleinrichtung verwendetes Kühlwasser auch zu einem Teil in die Brennkammer der Gasturbine eingespritzt werden. Eine entsprechend vorgesehene Wassereinspeiseeinrichtung ist für einen derartigen Betrieb eingerichtet. Die Wassereinspritzung kann beispielsweise zur Schuberhöhung in bestimmten Flugphasen verwendet werden und wird beim Betrieb herkömmlicher Flugzeuge im Rahmen eines sogenannten "Nassstarts" verwendet. In diesem Zusammenhang kann dem in der Kühleinrichtung verwendeten (destillierten) Wasser beispielsweise vor der Einspritzung in die Brennkammer auch Methanol beigemischt werden.
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Diese Schuberhöhung durch Wassereinspritzung ergibt sich bekanntermaßen aus der Verdampfung des Wassers, die ein zusätzliches Volumen und damit zusätzlichen Schub liefert (Umsetzung von Wärmeenergie in Volumenarbeit). Ferner wird die Gasturbine durch die Verdampfungsenthalpie des Wassers gekühlt, so dass dort mehr Treibstoff eingespritzt werden kann, ohne die zulässige Betriebstemperatur der Gasturbine zu überschreiten. Bei gleicher Treibstoffmenge kann die Betriebstemperatur der Gasturbine hingegen abgesenkt werden, so dass beispielsweise weniger schädliche Stickoxide bilden und die Gasturbine in geringerem Umfang thermisch belastet wird. Hierdurch kann wiederum die Kühleinrichtung kleiner dimensioniert werden.
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Es ist vorgesehen, wahlweise die Gasturbine oder die elektrische Maschine oder beide momentenleistend zu betreiben. Hierdurch können unterschiedliche Betriebsarten umgesetzt werden, die für eine emissions- und lärmarme Betriebsstrategie eines entsprechenden Luftfahrzeugs einsetzbar sind. Wenn nur die elektrische Maschine momentenleistend betrieben wird (also nur deren Drehmoment für den Vortrieb verwendet wird), wird hier der Begriff "erste Betriebsart" verwendet. Wenn die elektrische Maschine zusammen mit der Gasturbine oder die Gasturbine alleine eingesetzt wird (und damit Drehmomente der elektrischen Maschine und der Gasturbine oder nur der Gasturbine für den Vortrieb verwendet werden), wird hier der Begriff "zweite Betriebsart" verwendet.
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Ein typischer Flug eines Reiseverkehrsflugzeugs, aber auch anderer Luftfahrzeuge, umfasst nach dem Aufenthalt auf dem Boden (hier als "Phase 0" bezeichnet) bekanntermaßen zunächst die eigentliche Startphase mit dem anschließenden Anfangssteigflug kurz nach dem Abheben (engl. Takeoff, Initial Climb; "Phase 1"). Auf Phase 1 folgt der Steigflug (engl. Climb; "Phase 2"). Der Phase 2 schließt sich der Reiseflug an, während dessen üblicherweise keine größeren Steig- und Sinkflugphasen (außer beispielsweise zur Umgehung von Schlechtwetterzonen, zum Ausweichen und zur Nutzung günstiger Strömungen) mehr erfolgen (engl. Cruise; "Phase 3"). Vor der Landung geht das Luftfahrzeug in den Sinkflug (engl. Descend; "Phase 4") über. Der Phase 4 folgt der Landeanflug (engl. Approach), der sich in Anfangsanflug (engl. Initial Approach, "Phase 5"), Zwischenanflug (engl. Intermediate Approach; "Phase 6"), Endanflug (engl. Final Approach, "Phase 7") und schließlich die eigentliche Landung (engl. Landing; "Phase 8") unterteilt.
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Die Erfindung ermöglicht es, möglichst große Teile der Flugphasen 1, 2 sowie 4 bis 8 mit elektrischem Vorschub darzustellen. Dabei kann beispielsweise von einem Flight Management System (FMS) auf Grundlage der aktuellen Konfiguration die benötigte Antriebsleistung unter Berücksichtigung der Flugleistungsgrenzen (Flight Envelope Protections) errechnet werden. Die höchste Antriebsenergie wird dabei üblicherweise während der Phase 1, zwischen Rollen und dem Erreichen des Steigfluges, benötigt. Abhängig von der installierten elektrischen Leistung kann dieser maximal benötigte Vorschub rein durch die elektrische Maschine oder durch eine Kombination der Drehmomente der elektrischen Maschine und der Gasturbine erzeugt werden. Ein hierzu verwendbares Steuergerät, das dem FMS unterlagert sein kann, errechnet auf Basis der Anforderung des FMS, dem Flugplan, dem Systemzustand, der verfügbaren elektrischen Leistung und des Ladezustands der elektrischen Energiespeicher, beispielsweise Batterien und/oder Brennstoffzellen, den Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine, dem oder den elektrischen Energiespeichern und der Gasturbine mit dem Ziel, die bodennahen Phasen 1 bis 2 und 4 bis 8 möglichst ohne Einsatz der Gasturbine darzustellen und die Gasturbine möglichst im günstigen Nennpunkt zu betreiben. Die Koordination der Quellen für die benötigte Vortriebsleistung wird dabei vorteilhafterweise ohne Zutun der Piloten vorgenommen, im Notfall kann jedoch die maximal verfügbare Vortriebsleistung angefordert und das Steuergerät außer Kraft gesetzt werden.
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Auf Reiseflughöhe (also in Phase 3) spielen bodennah nachteilige Lärmemissionen eine geringere Rolle, so dass hier auf die Gasturbine zurückgegriffen werden kann. In dieser Phase kann ein mittels der Gasturbine erzeugtes "überschüssiges" Moment in der elektrischen Maschine, die hierzu generatorisch betreibbar ausgebildet ist, umgesetzt werden. Die erzeugte elektrische Energie kann in die vorgesehenen Energiespeicher, beispielsweise Batterien, eingespeist werden. Daher braucht die Gasturbine nicht im energetisch ungünstigen Teillastbetrieb betrieben zu werden sondern kann stets volle Leistung bringen.
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Die Rotationsbewegung der Turbinenwelle in der zweiten Betriebsart wird, mit anderen Worten, durch ein Zusammenwirken der elektrischen Maschine und der Gasturbine oder nur durch die Gasturbine erzeugt. Die Rotationsbewegung der Turbinenwelle in der ersten Betriebsart wird ausschließlich mittels der elektrischen Maschine erzeugt. Ist die Gasturbine in Betrieb, kann diese auch ihrerseits, also ohne Übertragung einer Rotation, einen Schub leisten. Hierzu kann beispielsweise eine Schubdüse vorgesehen sein.
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Ähnlich wie bei Land- oder Wasserfahrzeugen können Hybridantriebe für Luftfahrzeuge grundsätzlich als parallele, quasiserielle oder serielle Systeme ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Hybridantrieb bietet sich insbesondere als kompaktes Generator-/Antriebspaket für quasiserielle Anwendungen an.
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Bei parallelen Systemen wirken entweder ein Elektromotor oder eine Verbrennungskraftmaschine oder beide auf eine Welle. Eine Leistungsverzweigung für ein derartiges System kann grundsätzlich wie bei den bekannten Konzepten für Land- oder Wasserfahrzeuge erfolgen. Als Vorteil ergibt sich die Möglichkeit, bei genügend hoher installierter elektrischer Leistung während des Starts ganz oder teilweise auf die Verbrennungskraftmaschine zu verzichten, nachdem elektrische Energie, beispielsweise während des Aufenthaltes am Flughafen, in einer geeigneten Batterie gespeichert wurde. Durch die zusätzlich verfügbare elektrische Leistung kann die Verbrennungskraftmaschine kleiner ausgeführt werden. Die Maximalleistung, die i.A. während des Starts und während der Landung abgerufen wird, wird durch den gemeinsamen Einsatz von Verbrennungskraftmaschine und Elektromotor zur Verfügung gestellt. Durch die Verkleinerung der Verbrennungskraftmaschine wird diese während des Flugs auf Reiseflughöhe näher am Nennpunkt betrieben, was sich günstig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Nachteilig bei derartigen rein parallelen Systemen ist das Gewicht der während langer Phasen lediglich "mitgeschleppten" Komponenten wie dem Elektromotor, dem erforderlichen Inverter und entsprechender Batterien. Insbesondere in Luftfahrzeugen ist dies naturgemäß nachteilig.
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In bestimmten Einsatzszenarien ergeben sich größere Vorteile bei einem quasiseriellen System, wie es erfindungsgemäß realisiert ist. Mit dem erfindungsgemäßen Hybridantrieb wird ein Luftfahrzeug während des Starts beispielsweise rein elektrisch angetrieben, indem ein Drehmoment von der elektrischen Maschine auf die Turbinenräder des Strahltriebwerks und/oder auf einen Propeller (falls vorgesehen) übertragen wird. Nach Erreichen der Reiseflughöhe wird dann die Verbrennungskraftmaschine in Form des Strahltriebwerks gestartet, das im Nennpunkt betrieben wird und sowohl das Luftfahrzeug als auch die elektrische Maschine antreibt. Dabei kann die gewünschte Reisegeschwindigkeit über die Regelung der Leistungsverzweigung eingestellt und korrigiert werden. Die Landung kann dann wiederum mit Hilfe der elektrischen Maschine erfolgen. Durch die Auslegung des Systems kann sichergestellt werden, dass selbst bei Ausfall des elektrischen Antriebs das Luftfahrzeug mit Hilfe der Turbine im Nennpunkt sicher bewegt werden kann. In diesem Notbetrieb wird die gesamte Turbinenleistung für den Vortrieb benutzt.
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In einem seriellen Hybridsystem werden die vortriebsleistenden, rotierenden Komponenten des Antriebs rein elektrisch betrieben, stehen also nicht in mechanischer Verbindung zur Verbrennungskraftmaschine. Die für den Betrieb der rotierenden Komponenten erforderliche elektrische Energie wird durch eine Verbrennungskraftmaschine (z.B. eine Turbine oder einen Hub- bzw. Kreiskolbenmotor) und eine mit dieser gekoppelten Generatoreinheit erzeugt. Die Verbrennungskraftmaschine wird damit im Unterschied zu den quasiseriellen Systemen ausschließlich zur Energiewandlung eingesetzt, der Vortrieb des Luftfahrzeugs erfolgt in allen Betriebszuständen durch die elektrische Maschine.
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Die Erfindung ermöglicht durch die quasiserielle Ausbildung einen besonders effizienten Betrieb eines kraftgetriebenen Luftfahrzeugs, beispielsweise eines Motor- bzw. Turbinenflugzeugs oder eines Hubschraubers. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen Start und Landung ohne den Einsatz einer Verbrennungskraftmaschine oder die Bereitstellung der hierbei erforderlichen maximalen Antriebsleistung durch ein Zusammenwirken der Verbrennungskraftmaschine und einer elektrischen Maschine. Mit anderen Worten kann das Luftfahrzeug während Start und Landung durch eine elektrische Maschine angetrieben oder die Verbrennungskraftmaschine durch eine elektrische Maschine unterstützt werden. Durch die Hybridisierung kann die Verbrennungskraftmaschine verkleinert und in Teillastpunkten aufgelastet werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Ein nachteiliger Teillastbetrieb entfällt hierdurch nahezu vollständig.
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Durch den Einsatz von beispielsweise aus dem Automobilbereich bekannten Hybridkomponenten in ggf. größerer Skalierung kann die Belastung der Bevölkerung in Flughafennähe hinsichtlich Lärm und Emissionen stark gemindert werden. Beispielsweise kann ein rein elektrischer Start ohne Verbrennungskraftmaschinen den problematischen Fluglärm um die Motorengeräusche reduzieren. Schadstoffemissionen entfallen vollständig. Elektrische Maschinen entfalten bekanntermaßen drehzahlunabhängig ihr maximales Drehmoment, so dass dieses sofort beim Starten der Maschine zur Verfügung steht.
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Während des Fluges auf Reiseflughöhe kann ein entsprechender elektrischer Antrieb generatorisch betrieben werden, so dass während des Fluges elektrische Energie erzeugt und gespeichert werden kann. Dies kann auch während der Landung erfolgen. Zusätzlich können durch elektrische Betriebsphasen, den kombinierten Betrieb von Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine und durch höhere Wirkungsgrade bei der Wandlung von chemischer in mechanische Energie fossile Kraftstoffe eingespart werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines kraftbetriebenen Luftfahrzeugs ist dazu ausgebildet, entsprechend einer Betriebsphase (Start, Landung, Flug auf Reiseflughöhe oder Notbetrieb) eine Antriebsleistung mittels einer Leistungsverzweigung des Hybridantriebs einzustellen, also mittels der Verbrennungskraftmaschine, der elektrischen Maschine oder beider bereitzustellen. Dies erfolgt vorzugsweise vollständig automatisch, so dass der Pilot keine entsprechende manuelle Umschaltung vornehmen muss.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei insbesondere, die Antriebsleistung während einer Startphase ausschließlich mittels der elektrischen Maschine und während eines Flugs auf Reiseflughöhe ausschließlich mittels der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen. Während des Flugs auf Reiseflughöhe wird die elektrische Maschine generatorisch betrieben.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines kraftgetriebenen Luftfahrzeugs ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Das Steuergerät ermöglicht beispielsweise die automatische Bereitstellung zusätzlicher Antriebsleistung durch Zuschalten eines zusätzlichen Antriebs bei Bedarf.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
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2 zeigt ein Verfahren zum Betrieb eines kraftgetriebenen Luftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ablaufplans.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist ein Hybridantrieb für ein kraftgetriebenes Luftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt und insgesamt mit 1 bezeichnet. Der Hybridantrieb 1 umfasst Komponenten eines Strahltriebwerks mit einer Gasturbine 10, die mit den Bezugszeichen 11 bis 19 angegeben sind, und Komponenten einer elektrischen Maschine 20, die mit den Bezugszeichen 21 bis 24 angegeben sind. Eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Hybridantriebs 1, die nur schematisch veranschaulicht ist, ist mit 30 bezeichnet.
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An einem Einlass 11 des Strahltriebwerks, das im dargestellten Beispiel als Mantelstromtriebwerk ausgebildet ist, wird Luft eingesaugt. Ein direkt nach dem Einlass 11 angeordneter sogenannter Fan 12 mit entsprechend großen Turbinenrädern beschleunigt in seinem Außenbereich die angesaugte Luft (sogenannter Neben- bzw. Mantelstrom). Der Nebenstrom wird in einem radial außen liegenden Bereich 13 am restlichen Strahltriebwerk vorbeigeleitet und an einem Auslass 19 ausgestoßen. Seine Beschleunigung liefert einen Großteil der Schubkraft. In einem Innenbereich (sogenannter Kernstrom) des Fans 12 wird die Luft eher verdichtet und dabei (relativ zum gesamten Strahltriebwerk 10) leicht abgebremst. Der Kernstrom wird in das eigentliche Triebwerk geleitet, wo mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses Antriebsenergie erzeugt wird.
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Hierzu folgt auf den Fan zunächst eine (Axial-)Verdichtereinheit 14, die den Kernstrom weiter verdichtet. Auf die Verdichtereinheit 14 folgt eine Brennkammer 15. In dieser wird Treibstoff in die verdichtete Luft eingespritzt und verbrannt (nicht dargestellt). Die Verbrennung erhöht die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des aus der verdichteten Luft und den Verbrennungsprodukten gebildeten Gases, wobei sich dessen statischer Druck reduziert. Die zugeführte Strömungsenergie wird anschließend in einer Expansionsstufe 16 zumindest teilweise in eine Drehbewegung umgesetzt, wobei das Gas noch weiter expandiert. Die Expansionsstufe 16 dient als Antrieb der Verdichtereinheit 14 und des Fans 12. Ihre Turbinenräder sind daher zusammen mit den Turbinenrädern des Fans 12 und den Turbinenrädern der Verdichtereinheit 14 auf einer gemeinsamen Welle 17, hier als Triebwerkswelle bezeichnet, angeordnet.
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Das Gas expandiert in einer der Expansionsstufe 16 nachgeschalteten Schubdüse 18 weiter auf beinahe Umgebungsdruck, wobei die verbleibende Energie (Druck, Strömungsgeschwindigkeit) im Kernstrom in Schubkraft umgesetzt wird. Das vollständig oder nahezu vollständig expandierte Gas wird ebenfalls über den Auslass 19 ausgestoßen.
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Die elektrische Maschine 20 kann beispielsweise als kompakte Einheit in Form eines Maschinenpakets realisiert werden, das koaxial innenliegend der Brennkammer 15 angeordnet ist. Die elektrische Maschine 20 weist ein temperaturfestes Gehäuse 21 auf, das sie von der Brennkammer 15 abschirmt.
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Die elektrische Maschine 20 umfasst einen radial außen liegenenden Stator 22, der entsprechende Statorwicklungen aufweisen kann (nicht dargestellt). Der Stator ist in Bezug auf das Strahltriebwerk 10 statisch angeordnet. Auf der Triebwerkswelle 17 des Strahltriebwerks 10 ist der Läufer 23 der elektrischen Maschine 20 befestigt. Ein entsprechender Abschnitt der Triebwerkswelle 17 ist dabei mit 25 bezeichnet. Die Triebwerkswelle 17 bildet damit gleichzeitig die Läuferwelle 25 der elektrischen Maschine 20. Ist im Rahmen dieser Anmeldung dabei jeweils von einer "gemeinsamen" Welle die Rede, muss es sich hierbei selbstverständlich nicht um eine einstückig ausgebildete Welle handeln. Die Welle, beispielsweise die Triebwerkswelle 17, kann auch aus mehreren drehfest miteinander verbundenen Wellenabschnitten gebildet sein.
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Der Stator 22 der elektrischen Maschine 20 bzw. eines entsprechenden Maschinenpakets ist jedenfalls koaxial außenliegend angeordnet, der zugehörige Läufer 23 ist auf der Triebwerkswelle 17 befestigt und dreht sich mit dieser mit. Je nach Bedarf können auch mehrere Maschinenpakete verwendet werden, die jeweils über einen außenliegenden Stator 22 und einen innenliegenden Läufer 23 verfügen. Dies erlaubt eine vereinfachte Konstruktion und Wartung durch den Einsatz von modularisierten Komponenten. Beispielsweise können vier oder mehr Läuferpakete als Läufer 23 auf der Triebwerkswelle 17 befestigt sein.
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Die elektrische Maschine 20 weist vorteilhafterweise zumindest einen Kühlmittelkanal 24 auf, der radial außerhalb des Stators 22, bzw. entsprechender Statorpakete, ausgebildet ist. Entsprechende Kühlmittelkanäle können jedoch auch den Stator durchsetzen. Zur Temperaturregelung durchströmt den Kühlmittelkanal 24 beispielsweise Kühlwasser, das elektrisch vom Stator getrennt ist und einen übermäßigen Wärmeübergang von der Brennkammer 15 in den Stator 22 verhindert. Nichtwässrige Kühlmittel können ebenfalls verwendet werden. Wie erwähnt, kann Kühlwasser auch in die Brennkammer 15 eingespritzt werden.
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Durch den Kühlmittelkanal 24 wird eine Wasserkühlung koaxial zwischen der Brennkammer und dem Stator 22 der elektrischen Maschine 20 ermöglicht. Der Wasserkreislauf der Wasserkühlung kann beispielsweise durch eine elektrische Pumpe betrieben werden, die es ermöglicht, die Temperatur der elektrischen Maschine auf einen konstanten Wert zu regeln. Alternativ kann eine entsprechende Pumpe auch von der Triebwerkswelle 17 angetrieben werden.
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Die elektrische Maschine 20 ermöglicht einen motorischen und einen generatorischen Betrieb. Beim motorischen Betrieb überträgt die elektrische Maschine 20 ein Drehmoment auf die Läuferwelle und damit die Triebwerkswelle 17. Die Triebwerkswelle 17 treibt wiederum den Fan 12 an. Der Fan 12 kann damit in dem dargestellten Hybridantrieb 1 entweder mit der elektrische Maschine 20 oder der Gasturbine 10 oder beiden angetrieben werden und damit den hauptsächlich für den Vortrieb verantwortlichen Nebenstrom erzeugen. Beim generatorischen Betrieb wird ein entsprechendes Drehmoment über die Läuferwelle und damit die Triebwerkswelle 17 in die elektrische Maschine eingeleitet.
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In der 2 ist ein Verfahren 100 zum Betrieb eines kraftgetriebenen Luftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ablaufplans mit den darunter gezeigten und zuvor erläuterten typischen Flugphasen 0 bis 8 (mit P0 bis P8 bezeichnet) eines Luftfahrzeugs dargestellt.
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Während eines Schritts 101 des Verfahrens 100 (in den Phasen 0 bis 2, P0–P2) kann ein Hybridantrieb, beispielsweise der Hybridantrieb 1 aus 1, ausschließlich von einer elektrischen Maschine, beispielsweise der elektrischen Maschine 20, angetrieben werden. Alternativ dazu können während des Schritts 101 die kombinierten Drehmomente der elektrischen Maschine 20 und der Gasturbine 10 eingesetzt werden. Die elektrische Maschine 20 wird also motorisch betrieben und treibt – vorzugsweise alleine – das Luftfahrzeug an.
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Nachdem das Luftfahrzeug die entsprechende Reiseflughöhe erreicht hat (Phase 3, P3), wird die elektrische Maschine 20 abgeschaltet, d.h. nicht mehr motorisch betrieben. Ein Teillastbetrieb der Gasturbine10 würde in dieser Phase 3 für einen Betrieb des Luftfahrzeugs ausreichen. Dies ist allerdings, wie eingangs erwähnt, energetisch und aus Emissionsaspekten nicht wünschenswert. Daher wird die Gasturbine10 in Schritt 102 bei Volllast oder nahe Volllast betrieben ("aufgelastet"). Die überschüssige Leistung wird in die elektrische Maschine 20 eingespeist, die ein entsprechendes negatives Moment bereitstellt. Die hierdurch erzeugte elektrische Leistung kann in entsprechenden Energiespeichern zwischengespeichert werden.
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In einem Schritt 103 entspricht der Betrieb im Wesentlichen dem Schritt 101, d.h. der Hybridantrieb 1 oder 2 kann ausschließlich von der elektrischen Maschine 20 angetrieben werden oder es werden die kombinierten Drehmomente der elektrischen Maschine 20 und der Gasturbine 10 eingesetzt.
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Mit 104 ist ein Notbetrieb bezeichnet. Der Notbetrieb 104 kann aus allen Flugphasen bzw. aus jedem der Schritte 101 bis 103 erreicht werden. Ausgehend von Schritt 101 oder 103 erfolgt dabei ein Umschalten auf die Gasturbine 10 bei Defekt der elektrischen Maschine 20. Ausgehend von Schritt 102 wird der Notbetrieb 104 dadurch eingeleitet, dass bei Ausfall der Gasturbine 10 der Vortrieb durch ein Drehmoment der elektrischen Maschine 20 dargestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006056354 A1 [0003]
