BHL-Jahrbuch-2016

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48 energy technologies & power systems Einheitliche thermodynamische Bewertung von Composite-Cycle- Triebwerken Unified thermodynamic evaluation of Composite Cycle Engines Das Composite-Cycle-Triebwerkskonzept integriert Kolbenmaschinen im Kern eines Turbofans. Dadurch steigt die Effizienz gegenüber einem Turbofan deutlich, allerdings um den Preis höheren Gewichts. Um nun das tatsächliche Verbesserungspotenzial zu bestimmen, wurden beide Konzepte konsistent verglichen. Hierzu wurde eine einheitliche Methodik entwickelt, bei der die wichtigsten Zyklusparameter, insbesondere Druckverhältnis und Brennkammertemperatur, für eine Kurz- bis Mittelstreckenanwendung optimiert wurden. Die optimale Brennkammertemperatur ist mit 1400 K sehr niedrig, sodass der Großteil des Kerosins in der effizienten Kolbenmaschine verbrannt wird und nur ein kleiner Teil in der normalen Brennkammer. Die Effizienz steigt monoton mit dem Druckverhältnis und wird beschränkt durch den Spitzendruck im Kolben und seine Austrittstemperatur. Mit dem heutigen Technologieniveau kann der Kerosinverbrauch auf einer Mission um 18 % gesenkt werden, unter Berücksichtigung von Kaskadeneffekten auf Flugzeugebene, trotz eines 24 % schwereren Triebwerks. Zukünftige Potenziale wurden unter der Annahme von evolutionärer Verbesserung der Komponenten bis zum Jahr 2035 ebenfalls untersucht. Im Vergleich zu heute sinkt der Kerosinverbrauch des Turbofans um weitere 9 %. Das Composite- Cycle-Triebwerk verteidigt seinen relativen Vorteil bei ebenso verbesserten Komponenten und ist somit beständig gegenüber zukünftigen Entwicklungen. Insgesamt erreicht das Konzept eine Verbesserung von 37 % gegenüber dem Stand im Jahr 2000 und übertrifft so das Ziel für das Jahr 2035 (30 %). Zur weiteren Verbesserung wird auch der Einsatz von Wankel- statt Hubkolbenmotoren untersucht. Kolbenmaschinen könnten um das Kerntriebwerk herum angeordnet werden. Piston engines could be installed around the turbo engine core. The Composite Cycle Engine concept introduces piston engines into the turbofan core. It promises significantly improved thermal efficiency over the conventional turbofan, but adds weight to the engine. Hence, both concepts need to be compared consistently to identify the true improvement potentials. To this end, a unified set of methods was established. The main cycle parameters were optimised for a short- to medium-range application, in particular overall pressure ratio and combustor exit temperature. The optimum combustor exit temperature is rather low at 1,400 K. In this way, most of the fuel is burnt in the efficient piston engine and only a small share in the conventional combustor. Efficiency increases monotonically with increasing pressure ratio, but is restricted by permissible piston peak pressure and exit temperature. With today’s technology, mission fuel burn reduces by 18 % on aircraft level, including cascading effects through resizing, although engine weight increases by 24 %. Future benefi ts of the concepts were also analysed, assuming evolutionary improvement of component technology until year 2035. The turbofan mission fuel burn reduces by 9 % compared to modern turbofans. The Composite Cycle Engine with likewise improved technology retains its relative advantage. This shows that the advantage of the Composite Cycle Engine is persistent for future developments. The concept achieves a combined fuel burn reduction of 37 % against year 2000 technology standard, surpassing the year 2035 target (30 %). To improve the concept further, the use of a rotary engine instead of pistons is being investigated, too.
49 Turbofan- und Composite-Cycle- Triebwerksarchitektur Kolbenmaschinen treiben Kolbenverdichter im Kern des Triebwerks an. Die Turbokomponenten werden, wie durch die Farben angedeutet, thermodynamisch vereinigt, um die Berechnung zu vereinfachen. Turbofan and Composite Cycle Engine architectures Piston engines drive piston compressors in the core of the engine. Turbo components are thermodynamically combined as indicated by the colours to simplify the calculation procedure. Turbofan LP spool HP spool Combustion Piston compression Composite Cycle Engine Architektur mit Wankelmaschine Konzeptuelle Zeichnung eines Composite-Cycle-Triebwerks mit leichter Wankelkolbenmaschine mit fünf Scheiben in einer vorteilhaften koaxialen Anordnung Rotary engine architecture Conceptual sketch of a Composite Cycle Engine with lightweight five-disk rotary piston engine in beneficial coaxial integration Rotary engine combustion chamber Rotor disk Hollow crank shaft for low-pressure shaft passage Buffer volume
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