o_190b92ptg1anf1eaka0f1i7s1foba.pdf

2
Innovative Lösungsansätze
Innovative solutions
Vorkonzeptionelle Leistungsbetrachtungen
elektrisch
versorgter Flugantriebe
Pre-concept performance
investigation of electrically
powered aero propulsion
Übertrüge man die selbstgesteckten Emissionsreduktionsziele der
Luftfahrtbranche für das Jahr 2050 auf den Wirkungsgrad des Antriebssystems,
so müsste dieser gegenüber heutigen Flugtriebwerken
um bis zu 80 Prozent verbessert werden. Bislang konnten nur
elek trische Energie- und Antriebssysteme (Energy and Propulsion
Systems, EPS) als mögliche Lösung für derartig hohe Anforderungen
identifiziert werden. Die Suche nach technologischen Konzepten
für solche vollständig elektrischen Antriebe hat das Bauhaus
Luftfahrt daher auch im Jahr 2013 weiter vorangetrieben.
Im Hinblick auf das zuvor identifizierte Ziel, die installierte
Vortriebsleistung an Bord vollelektrischer Flugzeuge zu reduzieren,
wurden zwei verschiedene Antriebsarchitekturen mit alternativen
Vortriebserzeugern untersucht: ein ummantelter Getriebefan mit
ein fachem Rotor (Electric Fan, EF) und eine offene Bauweise mit
zwei gegenläufig rotierenden Propellern (Electric Open Rotor,
EOR). In multidisziplinären Auslegungs- und Leistungsbetrachtungen,
sowohl auf Antriebs- als auch auf der integrierten Flugzeugsystemebene,
wurden die optimalen Konstellationen für beide
Triebwerkstypen ermittelt. Dabei wurde auch das Einsparpotenzial
von EF und EOR untersucht und mit fortschrittlicher Turbofan-Technologie
verglichen. Als einheitliche Basis für Vergleichsstudien verschiedener
EPS wurde auf der Antriebssystemebene der sogenannte
„schubspezifische Energieverbrauch“ (TSPC) eingesetzt. Für Effizienzbetrachtungen
auf der Flugzeugsystemebene verwendet das
Bauhaus Luftfahrt die sogenannte „energiespezifische Flugreichweite“
(ESAR). Beide Metriken wurden bereits in den vorangegangenen
Jahrbüchern vorgestellt.
Bei typischen Strömungs-Auslegungsbedingungen zeigte das
EF-Konzept eine Verringerung des TSPC von bis zu 43 Prozent gegenüber
fortschrittlichen Turbofans. Vergleicht man diesen Wert
mit Referenztriebwerken aus dem Jahr 2000, so würde sich der
Ge samtwirkungsgrad des Antriebssystems mehr als verdoppeln.
Für das EOR-Konzept wurde eine weitere Verringerung des TSPC
ermittelt, die gegenüber dem EF-Konzept nochmals bis zu 16 Prozent
beträgt. In der Analyse auf Flugzeuggesamtebene zeichnete
sich ein ähnliches Bild ab: Die ESAR-Werte des EOR-Konzepts fielen
Translating the aviation environmental targets for the year 2050 to
propulsion system efficiency requirements, power plant overall efficiency
would need to be improved by up to 80 per cent relative to
today’s propulsion systems. Yet only electrically powered Energy
and Propulsion System (EPS) options have been identified as potential
solutions for such a scenario. In 2013, research at Bauhaus
Luftfahrt has continued to explore technological concepts for such
universally electric propulsion systems.
Motivated by the previously identified target of reducing the
installed propulsive power on board of a fully electric aircraft, the
performance potentials of two power plant architectures featuring
alternative propulsive devices was explored: a ducted geared single-rotating
fan, referred to as Electric Fan (EF), and an unducted
counter-rotating propeller arrangement, referred to as Electric
Open Rotor (EOR). In multidisciplinary sizing and performance studies
at the isolated propulsion system level and at the integrated
vehicular level, optimum power plant design constellations were
studied for both power plant types. Thereby, the efficiency potentials
of the EF and EOR power plant architectures were assessed
and compared to advanced turbofan technology. As a unified basis
for the comparative evaluation of the electrically powered EPS, the
Thrust Specific Power Consumption (TSPC) metric was employed at
the propulsion system level. The Energy Specific Air Range (ESAR),
formed the basis for efficiency evaluation at a vehicular level. Both
metrics were introduced in Bauhaus Luftfahrt’s previous yearbook.
At typical flow path sizing conditions, the EF concept showed
a TSPC improvement of up to 43 per cent over advanced turbofan
engines. Compared to year 2000 reference engines, the propulsion
system’s overall efficiency more than doubled. The EOR concept
was found to even further reduce TSPC by up to 16 per cent relative
to the EF concept. During the aircraft-integrated assessment, the
ESAR values obtained for the domain of EOR-powered aircraft exceeded
the maximum ESAR of the EF domain between eight and
15 per cent. Different from the integration of open rotor engines on
transport aircraft using conventional fuel, the application of the
EOR on the investigated universally electric aircraft design was
gegenüber dem EF-Konzept zwischen acht und 15 Prozent > almost neutral in terms of aircraft Maximum Take-Off Weight
>
50
Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.