Electrical propulsion systems for civil transportation aircraft

Hinz, Arne; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor); Stumpf, Eike (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center 109. Ausgabe : PGS, Power Generation and Storage Systems
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Motivation, Ziel und Fokus der Dissertation: Internationale Regulierungen beschränken zunehmend den zulässigen Ausstoß von Treibhausgasen und anderen Emissionen der Luftfahrt. Das langfristige Ziel ist dabei ein klimaneutraler Luftfahrtsektor. Um dieses Ziel zu erreichen werden gegenwärtig verschiedene Ansätze in Erwägung gezogen. Diese reichen vom Betrieb von Luftfahrzeugen mit synthetischen Kraftstoffen, Wasserstoff oder Batteriesystemen über die Weiterentwicklung der Strahltriebwerkstechnologie bis zur Anwendung von hybrid- oder vollelektrischen Antriebsystemen. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf elektrischen Antriebssystemen für zivile Transportflugzeuge mit dem Ziel zur Umsetzung klimaneutraler Antriebssysteme in der Luftfahrt beizutragen. Dazu wird das Antriebssystem auf Systemebene betrachtet, um die umfassenden Abhängigkeiten der Antriebsstrangkomponenten untereinander aber auch von externen Einflüssen und Anforderungen zu erfassen. Gegenwärtige Ansätze zur Elektrifizierung ziviler Transportflugzeuge trennen die Leistungs- von der Schubgenerierung. Dadurch werden Hochspannungsbordnetze für Großflugzeuge notwendig um den Leistungstransport gewährleisten zu können. Allerdings kann trotz der hohen Spannung ein hohes Kabelgewicht die Leistungsdichte des elektrischen Antriebsystems beeinträchtigen. Zudem erhöht die hohe Systemspannung die Anfälligkeit gegenüber Strahlungseffekten während hohe Spannungen, mit Ausnahme von leichteren Kabeln, nur geringe Vorteile in der Antriebssystemauslegung bieten. Vor diesem Hintergrund wird der Einsatz von supraleitenden Komponenten erwogen, da sich hiermit die notwendige Systemspannung verringern ließe. Allerdings erschwert die mechanische Empfindlichkeit von Supraleitern und das Gewicht kryogener Kühlsysteme den Einsatz supraleitender Komponenten in leistungsdichten Antriebssystemen. Wissenschaftlicher Beitrag: In Reaktion auf die Herausforderungen des Stands der Technik stellt die vorliegende Arbeit das Konzept des modularen elektrischen Triebwerks vor. Dieses integriert die Leistungs- und Schuberzeugung des elektrischen Antriebssystems in eine konzentrierte Einheit. Zusätzlich wird die Antriebsleistung auf eine Vielzahl von Antriebsmodulen verteilt, welche zusammen die benötigte mechanische Leistung bereitstellen. Damit kann der Aufwand zum Leistungstransport signifikant reduziert werden, wodurch eine Absenkung der Systemspannung ermöglicht wird. Bevor das modulare elektrische Triebwerk beschrieben wird werden die externen Einflüsse auf den Luftfahrzeugbetrieb beleuchtet. Hierzu werden für die Auslegung des elektrischen Triebwerks relevante Regularien, Umwelteinflüsse und Zertifizierungsprüfungen vorgestellt. Dies beinhaltet auch den Einfluss, welche die Energieträgerwahl für den Flugzeugbetrieb über den Luftfahrtsektor hinaus hat. Als Referenz zur Bewertung des elektrischen Triebwerks werden Turboprop und Strahltriebwerke herangezogen. Daher werden die Leistungsfähigkeit gegenwärtiger und die erwarteten Entwicklungen zukünftiger konventioneller Luftfahrtantriebe vorgestellt. Das elektrische Triebwerk bietet zwei Antriebskonfigurationen. Die Direktantrieb-Variante verbindet die elektrische Maschine unmittelbar mit dem Propeller. Für diesen Ansatz sind supraleitende elektrische Maschinen am geeignetsten, da diese bereits bei geringen Drehzahlen hohe Leistungsdichten erreichen. Im Vergleich dazu wird bei der Getriebeantrieb-Variante ein Getriebe zwischen die elektrische Maschine und dem Propeller geschaltet. Dadurch wird die Drehzahl der elektrischen Maschine von derjenigen des Propellers entkoppelt. Damit können hochtourige elektrische Maschinen eingesetzt werden, wodurch hohe Leistungsdichten ohne den Einsatz von Supraleitern erreicht werden können. Hierbei zeigt eine detaillierte Analyse der geschalteten Reluktanzmaschine das Potential dieses Maschinentyps für den Einsatz in leistungsdichten Antriebssträngen für Luftfahrtanwendungen. Um den Vergleich von Gewicht, Größe und Leistungsfähigkeit des elektrischen Triebwerks mit konventionellen Luftfahrtantrieben zu ermöglichen werden Modelle der Hauptkomponenten des elektrischen Triebwerks entwickelt. In diesem Zusammenhang wird die Leistungselektronik für den Einsatz in großen Flughöhen ertüchtigt während der Systemschutz basierend auf Zertifizierungsanforderungen ausgelegt wird. Brennstoffzellen werden mit Turboladern kombiniert, welche den Druck- und Temperaturabfall ausgleichen. Ferner wird ein Kühlsystem entwickelt, welches es ermöglicht den Einfluss der Treibstoffvorheizung und unterschiedlicher Betriebstemperaturen zu ermitteln. Damit ist es mit dem Modellsatz möglich den Einfluss verschiedener Flugsituationen und Umweltbedingungen auf den Betrieb des elektrischen Triebwerks zu untersuchen. Zur Bewertung der elektrischen Triebwerke werden gegebene Flugzeugmuster auf konzeptioneller Ebene mit diesen ausgerüstet. Dabei ersetzen mehrere elektrische Triebwerke ein konventionelles Triebwerk, wobei die daraus resultierenden aerodynamischen Effekte vernachlässigt werden. Dies ermöglicht den direkten Vergleich zwischen konventionellen und elektrischen Triebwerken. Ferner werden spezifische Flugzeugeigenschaften wie Reisefluggeschwindigkeit und -höhe in die Auslegung der elektrischen Triebwerke einbezogen, womit die Modellgenauigkeit erhöht wird. Betrachtet werden die Flugzeuge ATR72-600, Airbus A320-200 und Airbus A350-900, da diese die unterschiedlichen Flugzeugtypen widerspiegeln, welche unter der CS-25 Regulierung der EASA betrieben werden. Basierend auf den Ergebnissen des Vergleichs der elektrischen und konventionellen Triebwerke werden Anforderungen an die Komponenten der elektrischen Triebwerke entwickelt, welche notwendig sind, um die Leistungsfähigkeit von konventionellen Triebwerken zu erreichen. Durch die ganzheitliche Betrachtung des Antriebssystems zeigt sich, dass supraleitende elektrische Maschinen im Vergleich zu konventionellen elektrischen Hochdrehzahlmaschinen nur geringe Vorteile bieten, selbst unter der Einbeziehung einer katalytisch unterstützten Para-Orthowasserstoff Umwandlung, welche zusätzliche Kühlleistung auf kryogenem Temperaturniveau erschließt. Der größte Optimierungsbedarf besteht für Brennstoffzellen- und Kühlsysteme um konkurrenzfähige elektrische Triebwerke realisieren zu können.

Einrichtungen

• Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [614500]
• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [614510]