Jahrbuch Bauhaus Luftfahrt 2015

48 energy technologies & power systems
Zyklus-integriertes
Parallel-Hybrid-
Triebwerk
Cycle-integrated
parallel-hybrid
power plant
Zur Realisierung hybrid-elektrischer Flugzeuge
stehen verschiedene Topologien wie seriell, parallel
oder seriell-parallel zur Verfügung, um unterschiedliche
Energieträger wie Kerosin und Batterien
miteinander zu kombinieren. Der klassische Parallel-
Hybrid, bei dem in der Regel ein Elektromotor
mechanische Energie an die Antriebswelle der Gasturbine
liefert, konnte bereits in den letzten Jahrbüchern
als vielversprechender Ansatz für Luftfahrtanwendungen
identifiziert werden. Auf dieser
Grundlage hat Bauhaus Luftfahrt eine besondere
Variante entwickelt, nämlich den Zyklus-integrierten
Parallel-Hybrid.
In dieser speziellen Konfiguration treiben von
Batterien gespeiste Elektromotoren eine Reihe von
Verdichterstufen an, die dadurch von der Turbinensektion
mechanisch entkoppelt werden können.
Erste Potenziale hinsichtlich Kraftstoffeinsparung
und Effizienzsteigerung wurden im Projekt E-BREAK
(7. Europäisches Forschungsrahmenprogramm)
untersucht. Hier hat Bauhaus Luftfahrt erste Konzeptstudien
an Wellenleistungstriebwerken für
Hubschrauberanwendungen durchgeführt. Dabei
wurde insbesondere ein Potenzial im Teillastbereich
für Hybridisierungsgrade – den Anteil der installierten
elektrischen Leistung an der Gesamtleistung –
von rund 20 % identifiziert. Erste Analysen zeigten,
dass dieser zusätzliche Freiheitsgrad nahezu eine
Effizienzverdoppelung im Vergleich zum konventionellen
Triebwerk ermöglicht, was zu einer Verringerung
des spezifischen Kraftstoffverbrauchs von rund
45 % führt. Zwar reduzierte sich die Reichweite
des hybriden Hubschraubers auf etwas weniger als
die Hälfte, bedingt durch die hohe Batteriemasse,
jedoch konnte bei dieser Missionsreichweite ein
verringerter Treibstoffverbrauch und damit auch
eine CO 2 -Reduktion von mehr als 40 % berechnet
werden.
Die Arbeit wurde
gefördert durch
das 7. Europäische
Forschungsrahmenprogramm
unter der Fördernummer
314366
(E-BREAK).
The work was
funded by the
European Union’s
7th Framework
Programme
under the grant
agreement no.
314366 (E-BREAK).
For the realisation of hybrid-electric aircraft,
there are different topologies, for example, serial,
parallel or serial-parallel available to combine
energy carriers like kerosene and batteries. The
classical parallel hybrid topology, where usually
an electric motor assists a gas turbine in supplying
mechanical power to the power shaft, could
be shown in the last Yearbooks as a most promising
solution for aircraft applications. Based on
this topology, Bauhaus Luftfahrt has investigated
a special variant, specifically the cycle-integrated
parallel hybrid.
In this special configuration, electric motors
supplied by batteries are powering an array of
compressor stages of a power plant that are
mechanically decoupled from the turbine section.
The potentials with regard to fuel reduction and
efficiency improvement were initially investigated
within the 7th European Framework Programme
project E-BREAK. In this project, Bauhaus Luftfahrt
performed conceptual studies on a turboshaft
platform for a helicopter application, where
the highest potential for this arrangement was
expected in part load for moderate degrees of
power hybridisation – the share between
installed electric power and total power – of
around 20 %. The first assessment has revealed
that this additional degree of freedom allows
to almost double the efficiency, compared to a
conventional power plant, and a reduction in
power-specific fuel consumption of roughly 45 %.
The range capability of a hybrid-powered helicopter
has been decreased by more than 50 %,
mainly driven by the battery mass. However, at
decreased mission range, a fuel burn and, thus,
CO 2 reduction of more than 40 % has been found.