H.P. Berg, S. Hertrampf, A. Himmelberg

Luftgelagerte Mikro-Turbosysteme mit integrierten oder anhängenden Elektromaschinen (Generatoren oder Elektromotoren) stellen eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung innovativer Hybridantriebssysteme im Luftfahrtsektor dar. Diese Systeme bieten bedeutende Vorteile wie eine extrem hohe Lebensdauer und eine partikelfreie Luftführung im Kompressor, die für Anwendungen in Verbindung mit Brennstoffzellensystemen, Turbocompound-Antriebssystemen mit Kabinenluftentnahme, Mikrogasturbinen-Generatoren (MGT) sowie Auxiliary Power Units (APU) von zentraler Bedeutung sind. Der vorliegende Artikel beleuchtet die Einsatzmöglichkeiten und die Vorteile luftgelagerter Turbosysteme, die auf langjähriger Forschung und Entwicklung basieren, und stellt exemplarisch realisierte sowie konzipierte Systeme vor. Im Fokus stehen hierbei hybride Turbo Fuel Cell (TFC)-Systeme der Bauart Mikrogasturbine-Festoxidbrennstoffzelle (MGT-SOFC), Systeme mit hochperformanten PEM-Brennstoffzellen, Turbocompound-basierte Mikrogasturbinen-Verbrennungskraftmaschinen-Systeme im Bereich bis 1,36 MW-Wellenleistung sowie APU-Systeme auf Basis rekuperierter Mikrogasturbinen. Besonders hervorzuheben ist das 2017 von Berg et al. vorgestellte MGT-SOFC-Hybridsystem, dass durch die Integration eines Festoxidbrennstoffzellen-Subsystems (SOFC) mit Hochtemperatur-Wärmetauschern eine hohe Effizienz und eine Brennstoffflexibilität bietet, die für zukünftige luftfahrttechnische Anwendungen von Bedeutung sein werden. Trotz der aktuellen Herausforderungen in Bezug auf das Systemgewicht, zeigt die Arbeit eine Perspektive für den weiteren Ausbau der Leistungsdichte und der elektrischen Wirkungsgrade auf über 70%. Darüber hinaus wird das Potenzial von Luftgelagerten E-Turbosystemen im Zusammenhang mit PEM-Brennstoffzellen gezeigt und die Vorteile gegenüber traditionellen SOFC-Turbo Fuel Cell-Systemen herausgearbeitet. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Rolle dieser Technologien im Bereich der hybriden Verbrennungskraftmaschinen, die als Hauptantriebssysteme für Flugzeuge geeignet erscheinen. Das innovative Konzept eines elektrischen, parallel-hybriden Turbo-Compound-Systems, das eine neuartige luftgelagerte Turbomaschine mit integrierter Elektromaschine zur Aufladung einer Kreiskolben-Verbrennungsmaschine nutzt, wird im Leistungsbereich von 0,8 bis 1,36 MW vorgestellt. Die Arbeit verdeutlicht die hohe Relevanz der luftgelagerten Turbotechnologien und deren Synergien mit reinen Mikrogasturbinenlösungen sowie deren Potenzial für zukünftige APU/ GenSet und Triebwerks-Anwendungen im Luftfahrtsektor.

Air-bearing-supported micro-turbo systems featuring integrated or coupled electric machines (generators or electric motors) represent a key technology for the development of innovative hybrid propulsion systems within the aviation sector. These systems offer significant advantages - such as extremely long service life and particle-free airflow within the compressor - which are of central importance for applications involving fuel cell systems, turbocompound propulsion systems with cabin air bleed, micro gas turbine generators (MGTs), and Auxiliary Power Units (APUs). This article explores the potential applications and benefits of air-bearing turbo systems building upon years of research and development and presents examples of both realized and conceptualized systems. The primary focus lies on hybrid Turbo Fuel Cell (TFC) systems of the Micro Gas Turbine Solid Oxide Fuel Cell (MGT-SOFC) type, systems utilizing high-performance PEM fuel cells, turbocompound-based MGT-internal combustion engine systems with shaft power outputs of up to 1.36 MW, and APU systems based on recuperated micro gas turbines. Of particular note is the MGT-SOFC hybrid system presented by Berg et al. in 2017; by integrating a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) subsystem with high-temperature heat exchangers, this system achieves high efficiency and fuel flexibility - qualities that will be of significant importance for future aviation applications. Despite current challenges regarding system weight, this work outlines a clear path toward further increasing power density and achieving electrical efficiencies exceeding 70%. Furthermore, the potential of air-bearing e-turbo systems in conjunction with PEM fuel cells is demonstrated, and their advantages over traditional SOFC-based Turbo Fuel Cell systems are highlighted. A further focus lies on the role of these technologies in the field of hybrid internal combustion engines, which appear suitable as primary propulsion systems for aircraft. The innovative concept of an electric, parallel-hybrid turbo-compound system - which utilizes a novel air-bearing turbomachine with an integrated electric machine to supercharge a rotary internal combustion engine - is presented within the power range of 0.8 to 1.36 MW. This work highlights the significant relevance of air-bearing turbotechnologies and their synergies with pure micro-gas-turbine solutions, as well as their potential for future APU/GenSet and engine applications in the aviation sector.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2025, Augsburg

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2026

Conference Paper

2. Korrigierte Auflage; 2nd corrected edition

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 8 Seiten

Hybridantriebe, Mikrogasturbine

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Berg, H.P.; Hertrampf, S.; Himmelberg, A. (2026): Luftgelagerte E-Turbosysteme für den Luftfahrtbereich - Eine wichtige Komponente für innovative Hybridantriebe der Zukunft. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text).

22.05.2026