LuFo VI-2 HybVer - Hybridisierte Verdichterkonzepte

Abstract

Vor dem Hintergrund einer klimaneutralen Luftfahrt untersucht das Projekt HybVer die multidisziplinäre Auslegung eines partiell elektrifizierten Verdichters für ein Wellenleistungstriebwerk mit Zielhorizont 2035. Ziel dieses Beitrags ist die konzeptionelle Bewertung der Bauweise und mechanischen Gestaltung eines hybrid-elektrischen Verdichters mit gegenläufigen Rotoren für Anwendungen in Regionalflugzeugen und Hubschraubern. Hierzu wird eine Vorauslegungs- und Bewertungsmethodik entwickelt, die thermische, strukturelle und rotordynamische Aspekte integriert. Zunächst werden Integrationskonzepte elektrischer Motoren in die Triebwerksarchitektur sowie zentrale Verdichterkomponenten mithilfe vereinfachter Festigkeitsmodelle untersucht. Darauf aufbauend erfolgen die Quantifizierung des Bauraums, der Masse und der Schnittstellen zum Gesamtsystem sowie die Betrachtung thermischer Randbedingungen, Dichtungsanforderungen und des Thermalmanagements. Abschließend wird die gegenläufige Welle mithilfe eines reduzierten FEM-Modells rotordynamisch bewertet. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Erhöhung der Systemmasse um ca. 1500 % für das Regionalflugzeugkonzept und um über 2600 % für den Hubschrauberanwendungsfall. Gleichzeitig steigt die axiale Baulänge der hybriden Verdichtersektion gegenüber dem Referenzfall um ca. 81 % bzw. 196 %, hauptsächlich infolge der Integration der elektrischen Motoren. Zudem zeigen die rotordynamischen Untersuchungen, dass kritische Drehzahlen der gegenläufigen Welle abhängig von Lager- und Fundamentsteifigkeiten in den Betriebsbereich fallen können. Die Ergebnisse verdeutlichen die multidisziplinären Auswirkungen der Integration elektrischer Motoren in Verdichter. Während auf Luftfahrzeugebene potenziell signifikante Kraftstoffeinsparungen möglich sind, gehen diese zugleich mit einer erheblichen Zunahme der Masse und des Bauraums des Antriebsstrangs einher.