H.P. Berg, U. Malenky, O. Antoshkiv, R. Mattke

Bei der Neugestaltung unserer zukünftigen Lebensräume sucht die Forschung nach neuartigen Lösungen für die bodengebundene Mobilität. Weiterhin spielt die Erforschung umweltverträglicher Antriebstechnologien für die Luftfahrt der Zukunft eine wichtige Rolle. Neben den rein elektrischen Antrieben stehen insbesondere fortschrittliche hybride Antriebssysteme im Vordergrund. Systemlösungen werden kurz- bis mittelfristig für die unbemannten Flugzeuge und die allgemeine Luftfahrt benötigt. Es werden effiziente Flugantriebssysteme benötigt, die gegenüber aktuellen Antriebssystemen deutlich weniger Schadstoffe emittieren und Brennstoffressourcen schonen. Dabei bietet der Elektroantrieb ein großes Potenzial. Aufgrund des derzeitig ungünstigen Verhältnisses zwischen Gewicht und Energieinhalt bei Traktionsbatterien ist jedoch die rein elektrische Flugweise nur für einen sehr kleinen Anwendungsbereich interessant. Deshalb müssen Elektroluftfahrzeuge mit zusätzlichen Energiewandlern und Speichern ausgestattet werden, um akzeptable Reichweiten und Antriebsleistungen bei moderaten Kosten zu gewährleisten. 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. Schwerpunkt des Beitrages ist die Entwicklung und Applikation eines alternativen Energieumwandlungskonzeptes für E-Luftfahrzeuge traditioneller Bauweise (z.B. zur Verlängerung der Reichweite bei E-Kleinflugzeugen) und für innovative Luftfahrzeuge (als systemintegraler Bestandteil). Bei diesem Konzept handelt es sich um eine Mikrogasturbinen-Generator-Einheit, welche durch einen Rekuperator (Wärmetauscher zur Abgaswärmenutzung) einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht und durch eine weitere Prozesshybridisierung (z.B. mit eingebetteter SOFC) auch für nicht luftfahrttechnische Bereiche interessant ist. Es werden die Mikrogasturbinen-Generator (MTG)-Basistechnologie beschrieben und die Leistung, der Wirkungsgrad und die Vielstofffähigkeit diskutiert. Außerdem wird eine kompakte Abwandlung mit integriertem Generator (sogenannte MTiG) dargestellt. Weiterhin wird die Bedeutung der Mikrogasturbinenbauart für ein zukünftiges MTG/MTiG-SOFC-Hochwirkungsgradsystem erklärt und die hohe luftfahrttechnische Tauglichkeit der kompakten, rekuperierten MTiG-Mikrogasturbinentechnologie für die seriellen hybriden Flugtriebwerkssysteme aufgezeigt.

In redesigning our future living spaces, research is seeking innovative solutions for ground-based mobility. Furthermore, the exploration of environmentally friendly propulsion technologies for the aviation of the future plays a crucial role. Alongside purely electric propulsion, advanced hybrid propulsion systems are of particular importance. System solutions will be needed in the short to medium term for unmanned aircraft and general aviation. Efficient aircraft propulsion systems are required that emit significantly fewer pollutants and conserve fuel resources compared to current systems. Electric propulsion offers great potential in this regard. However, due to the currently unfavorable weight-to-energy ratio of traction batteries, purely electric flight is only viable for a very limited range of applications. Therefore, electric aircraft must be equipped with additional energy converters and storage systems to ensure acceptable ranges and propulsion performance at moderate costs. Hybrid electric propulsion systems with small-scale energy generators for range extension are considered one promising propulsion concept. Various concepts are available for use as range extenders, enabling the conversion of chemical energy into electrical energy. The specification of a range extender depends heavily on the requirements of future propulsion concepts. This means that installation space, weight, cost, and multi-fuel capability are given a newly defined weighting in the selection process for the energy converter. The focus of this paper is the development and application of an alternative energy conversion concept for traditional electric aircraft (e.g., to extend the range of small electric aircraft) and for innovative aircraft (as an integral system component). This concept is a micro gas turbine-generator unit, which, through a recuperator (heat exchanger for exhaust gas heat recovery), achieves high efficiency and, through further process hybridization (e.g., with an embedded SOFC), is also of interest for non-aerospace applications. The basic micro gas turbine (MTG) generator technology is described, and its performance, efficiency, and multi-fuel capability are discussed. Furthermore, a compact modification with an integrated generator (so-called MTiG) is presented. Furthermore, the importance of the micro gas turbine design for a future MTG/MTiG-SOFC high-efficiency system is explained, and the high suitability of the compact, recuperated MTiG micro gas turbine technology for serial hybrid aircraft engine systems is demonstrated.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015, Rostock

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2015

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 9 Seiten

urn:nbn:de:101:1-20151109556

E-Flugzeuge, luftgelagerte Turbomaschine, Range-Extender

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06.11.2015