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Das CRF-HSD Triebwerk - Neuartiges Fan Triebwerk für den Light-Jet-Bereich

Folie1Am Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe der BTU Cottbus-Senftenberg wurde aufbauend auf dem Konzept eines parallel-hybriden Wellentriebwerkes (HSD = Hybrid Super Drive) ein schadstoffarmes und verbrauchsgünstiges Hoch-Bypass-Triebwerk für ein Geschäftsreiseflugzeug (oberer Light-Jet Bereich / max. Abfluggewicht 9,3 to) untersucht.

Teilkomponenten, welche sich für andere Anwendungen bereits im Produktionsprozess befinden, stammen aus dem Technologiebaukasten des Lehrstuhls und der Cottbusser B+K GmbH (Turbotechnologie) sowie der WST GmbH (Rotationskolbenmaschinen).

So stützt sich die Basistechnologie auf ein hochaufgeladenes Rotationskolbentriebwerk, kombiniert mit einer luftgelagerten Turbomaschine mit integriertem Generator (MTiG). Die mechanische Wellenleistung gibt das HSD-Triebwerk über ein Sammelgetriebe der zwei Vierscheiben-Rotationskolbenbänke mit optimierter Drehzahl bei einer sehr hohen Drehgleichförmigkeit ab (analog 24 Zylinder 4-Takt-Hubkolbenmotor). Die hochdrehende Turbomaschine (MTiG) basiert auf einer luftgelagerten Mikrogasturbinentechnologie mit Generator (Drehzahl 50.000 bis 75.000 U/min) und koppelt ihre Überschussleistung (bis 25 % der Wellenleistung) elektrisch in das Bordsystem ein. Sie hat die Kreisprozessfunktion einer Niederdruckverdichtung und -expansion. Der Turboverdichter (Druckverhältnis bis 5)lädt die vom gegenläufigen Fan (CRF = Counter Rotating Fan) vorverdichtete Versorgungsluft auf und leitet diese über Zwischenkühler an die Rotorbänke weiter. Dort übernimmt die Rotationskolbenmaschine die Kreisprozessfunktion eines Hochverdichters, mit dem ein Kompressionsenddruck von 70 bar erreicht werden kann. Im Anschluss erfolgt die Wärmezufuhr mittels Verbrennung durch das innermotorische Brennverfahren (Seiliger-Vergleichsprozess) bis zu einem maximalen Druck von 100 - 110 bar. Das Heißgas wird anschließend durch den Arbeitstakt der Rotationskolbenmaschine (Kreisprozessfunktion Hochdruckexpansion) bis auf den Eingangsdruck der Niederdruckturbine der Turbomaschine abgebaut. Durch eine katalytische Nachoxidation erfolgt eine leichte Zwischenüberhitzung und Emissionsminderung des Heißgases, welches unter Arbeitsabgabe in der Niederdruckturbine auf Umgebungsdruck expandiert wird.

Vergleicht man das HSD-CRF-Triebwerk mit einem herkömmlichen Turbofantriebwerk, so ergibt sich durch die beschriebene Kreisprozessführung eine deutliche Erhöhung des inneren Wirkungsgrades sowie durch den Einsatz eines CRF eine deutliche Erhöhung des äußeren Wirkungsgrades gegenüber herkömmlichen Vortriebssystemen. Das Produkt aus äußerem und innerem Wirkungsgrad ergibt den für die Flugaufgabe so wichtigen hohen Gesamtwirkungsgrad.

Folie2 neuDurch den Einsatz von E-Booster auf der Hauptwelle in Verbindung mit einem Batteriespeicher kann die elektrische Zusatzenergie „intelligent" gemanagt werden. So befindet sich beispielsweise der E-Antriebsteil in der Take-Off-Phase in der Boostfunktion, um gemeinsam mit der Verbrennungskraftmaschine die erforderliche Leistung zur Verfügung zu stellen. Im Reiseflug (Flughöhe 11000 m) kann der E-Antrieb für Lastanhebe-, Lade- sowie Regelfunktionen eingesetzt werden. Während der Schubumkehrphase in der Rekuperationsfunktion und während der Taxi-Phase am Flughafen erfolgt der Antrieb rein elektrisch.

Durch die hybride Bauart baut die Verbrennungskraftmaschine kleiner und leichter. Sekundäre Effekte führen, verglichen mit herkömmlichen Turbofanantrieben, zu einer weiteren Gesamtwirkungsgradaufwertung. Im Ergebnis wird mit dem CRF-HSD-Konzept der Brennstoffverbrauch und damit die CO2-Emission um mind. 30 % reduziert. Durch den Einsatz einer luftgelagerten Turbomaschine kann durch eine nachgeschaltete Zapfluftabnahme die Druckkabine mit 100 % ölfreier Luft versorgt werden.

Flug-Simulationsrechnungen wurden mit dem virtuellen Technologieträger MarieE-1 des Lehrstuhls durchgeführt. Hierbei sind die 2 CRF-HSD als Antriebspaket mit einer Systemgesamtleistung von 2,73 MW im Heck des Flugzeuges untergebracht. Mari-E1 wurde mit folgenden Eigenschaften projektiert: Länge 18,49m / MTOW 9.300kg / Spannweite 15,137m / Flügelfläche 28,472m2 / Crew und Passagiere = 2+14 / Höhe 6,2m / Zellendurchmesser 2,10m / Reichweite 3.300km / max. Reisemachzahl 0,75 / Reiseflughöhe 11km.

Der CFR-HSD ist Bestandteil des VFA-Technologiebaukastens. Seit 2015 werden regelmäßig realisierbare Luftfahrt-Technologien für die Zukunft von Prof. Dr. Berg und seinem Team auf dem Deutschen Luft- und Raumfahrt-Kongress und in der Fachliteratur vorgestellt und diskutiert. 2017 wird ein zukünftiges APU-System (Kombination der Mikroturbinentechnologie mit eingebetteter Hochtemperaturbrennstoffzelle) für Heavy-Aircrafts vorgestellt werden.

Kontakt:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.P. Berg, Email: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Dipl.-Ing. A. Himmelberg, Email: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe
BTU Cottbus-Senftenberg
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