AT528497B1 - Flugzeugtriebwerk und Verfahren zum Betreiben des Flugzeugtriebwerks - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flugzeugtriebwerk (1), das ein thermisches Strahltriebwerk (4), ein Planetengetriebe (10) mit einem Sonnenrad (11), zumindest einem mittels Planetenträger (15) drehbar gelagerten Planetenrad (12) und einem Hohlrad (13), wobei das Sonnenrad (11) mit dem zumindest einem Planetenrad (12) kämmt und das Hohlrad (13) mit dem zumindest einem Planetenrad (12) kämmt, und einen mit dem Hohlrad (13) verbundenen Fan (3) oder Propeller (9) umfasst. Ein Ausgang des thermischen Strahltriebwerks (4) ist mit einer Antriebswelle (14) des Sonnenrads (11) verbunden. Das Flugzeugtriebwerk (1) weist zumindest eine elektrische Maschine (16) mit einem Stator und einem Rotor auf, wobei der Rotor direkt oder über eine Kupplung und/oder über ein Zwischengetriebe (20) in Form einer Stirnrad- oder Planetenstufe mit einem Planetenrad (12) des Planetengetriebes (10) verbunden ist, wobei der Planetenträger (15) feststehend gelagert ist.

Description

Beschreibung

FLUGZEUGTRIEBWERK UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN DES FLUGZEUGTRIEBWERKS

[0001] Die Erfindung betrifft ein Flugzeugtriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben des Flugzeugtriebwerks.

[0002] Ein solches Flugzeugtriebwerk ist aus dem Dokument US 2020124139 A1 bekannt.

[0003] Moderne Flugzeugtriebwerke bestehen aus einem thermischen Strahltriebwerk, insbesondere einer Gasturbine, einem Untersetzungsgetriebe, das zumeist als Planetengetriebe ausgebildet ist, und einem Fan oder Propeller, der den Großteil des Schubs erzeugt. Das Untersetzungsgetriebe ermöglicht geringere Drehzahlen am Fan bzw. Propeller und höhere Drehzahlen in der Turbine. Beides führt zu einer Effizienzsteigerung. Zusätzlich sind in den Triebwerken elektrische Generatoren verbaut, die elektrische Leistung für das Flugzeug erzeugen.

[0004] Generell unterscheidet man bei den genannten Triebwerken zwischen Turbofan-Triebwerken (Mantelstromtriebwerken) und Turboprop-Triebwerken.

[0005] Ein Turbofan- Triebwerk, auch Mantelstromtriebwerk genannt, ist ein Strahltriebwerk, bei dem ein äußerer Luftstrom den inneren „Kernstrom“ ummantelt. Turbofan- Triebwerke werden in vielen modernen Verkehrsflugzeugen eingesetzt. Das Turbofan- Triebwerk kombiniert die Eigenschaften von Turboprop- und Turbojet-Triebwerken und bietet eine hohe Effizienz bei der Luftfahrt. Die Hauptkomponenten eines Turbofan-Triebwerks sind:

* Ein Lufteinlass, der Luft in das Triebwerk führt. Er ist so gestaltet, dass er den Luftstrom gleichmäßig und mit minimalem Widerstand in den Fan leitet.

* Der Fan, manchmal auch Gebläse genannt, der das vorderste Element des Triebwerks darstellt und aus großen, schaufelförmigen Blättern besteht. Er beschleunigt den ihm zugeführten Luftstrom, der teilweise um das Triebwerk herum (Bypass-Luft oder Mantelstrom) und teilweise durch den Kern (Kernstrom) des Triebwerks geleitet wird.

* Ein nach dem Fan angeordneter Verdichter, der aus mehreren Stufen von rotierenden und stationären Schaufeln besteht. Er erhöht den Druck der Luft, bevor sie in die Brennkammer eintritt. Der Verdichter kann als Mehrstufen-Axialverdichter oder als Radialverdichter ausgeführt sein.

* Die Brennkammer, in der die komprimierte Luftstrom mit Kraftstoff vermischt und entzündet wird. Dies erzeugt eine große Menge heißes Abgas, das mit hohem Druck in den Turbinenbereich strömt.

+ Die Turbine, die die Energie der heißen Abgase in mechanische Energie umwandelt. Sie besteht aus mehreren Stufen und treibt den Verdichter sowie den Fan über eine oder mehrere Wellen an.

* Ein Abgassystem, das die heißen Abgase aus der Turbine nach außen leitet. Der Druck und die Geschwindigkeit des Abgases tragen zur Schubkraft des Triebwerks bei.

[0006] Ein großer Teil der Luft, die durch den Fan geleitet wird, umgeht den Kern des Triebwerks, indem sie durch einen Bypass-Kanal geleitet wird. Dieser Mantelstrom, auch als Nebenstrom oder Bypass-Luft bezeichnet, trägt zur Schubkraft bei, ohne dass die Luft durch die Brennkammer geleitet werden muss. Das Nebenstromverhältnis beschreibt das Verhältnis zwischen der Luft, die um den Kern des Triebwerks herum und somit am Kern vorbei strömt, und der Luft, die durch den Kern strömt. Triebwerkssteuerungssysteme regulieren den Luftstrom und die Kraftstoffzufuhr, um die Leistung des Triebwerks unter verschiedenen Bedingungen zu optimieren.

[0007] Die Kombination dieser Komponenten ermöglicht es dem Turbofan- Triebwerk, effizient zu arbeiten, hohe Schubkräfte zu erzeugen und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Der eigentliche thermodynamische Kreisprozess (Luft verdichten, aufheizen durch Verbrennen von Treibstoff, expandieren und Energie liefern) findet im Kernstrom statt. Der Mantelstrom liefert bei modernen Triebwerken je nach Nebenstromverhältnis meist den Großteil der Schubkraft. Der Kern des Triebwerks wird daher mitunter vor allem als Antrieb für den Fan und somit für den Mantelstrom betrachtet.

[0008] Ein Turboprop- Triebwerk besteht aus einem Propeller, der über ein Untersetzungsgetriebe von einer Gasturbine angetrieben wird, wobei die Abtriebswelle der Turbine mit dem Eingang des Untersetzungsgetriebes verbunden ist. Zwischen dem Untersetzungsgetriebe und der Turbine sitzt ein Verdichter, der die Abluft des Propellers ansaugt und verdichtet. Zwischen dem Verdichter und der Turbine befindet sich die Brennkammer, in der das Treibstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Das heiße, energiereiche Verbrennungsgas durchströmt die Turbine, wobei es sich entspannt und abkühlt. Die vom Verbrennungsgas auf die Turbine übertragene Energie treibt über eine oder mehrere Wellen einerseits den Verdichter und andererseits über das Untersetzungsgetriebe den Propeller an. Hinter der Turbine wird das Verbrennungsgas über einen Diffusor ausgestoßen. Der Schub des Turboprop-Triebwerks wird dabei größtenteils vom Propeller erzeugt, das ausgestoßene Verbrennungsgas trägt nur wenige Prozent zum Gesamtschub bei.

[0009] Der Begriff “thermisches Strahltriebwerk“, wie hierin verwendet, bezeichnet die Kombination aus Verdichter, Brennkammer, Turbine und Abgasauslass.

[0010] Aus dem Dokument CN 108016626 B ist eine elektromechanische Verbundgetriebevorrichtung für Flugzeuge bekannt, die zwei Doppelkupplungsreihen mit Planetengetrieben aufweist, an die zwei Verbrennungsmotoren gekoppelt sind. An die zweite Doppelkupplungsreihe ist auch ein elektrischer Generator gekoppelt. An den Ausgang der zweiten Doppelkupplungsreihe ist ein Planetengetriebe gekoppelt, dessen Ausgang mit einem Differential verbunden ist. Der Steuermechanismus sorgt für unterschiedliche Drehzahlen der hinteren und der vorderen Leitung. Durch diese mechanisch äußerst aufwändige und aufgrund der vielen verwendeten Getriebe schwere Konstruktion soll eine größere Variabilität der Drehzahl des Rotors bei verringertem Energieverbrauch erzielt werden.

[0011] Das Dokument EP 3 748 146 A1 offenbart ein Mantelstromtriebwerk, das einen Gebläseabschnitt, der eine Gebläsewelle und eine Vielzahl von Gebläseschaufeln beinhaltet; eine Hochgeschwindigkeitswelle, die einen Hochdruckturbinenabschnitt beinhaltet; eine Niedriggeschwindigkeitswelle, die einen Niederdruckturbinenabschnitt beinhaltet; und ein Differentialgetriebe umfasst, das eine Vielzahl von in einem Differentialträger gelagerten Planetenrädern beinhaltet. Die Gebläsewelle wird durch die Vielzahl von Planetenrädern angetrieben. Ein Eingangszahnrad wird durch die Niedriggeschwindigkeitswelle angetrieben. Das Mantelstromtriebwerk umfasst weiters eine erste elektrische Maschine, die an die Gebläsewelle gekoppelt ist, und eine zweite elektrische Maschine, die an die Hochgeschwindigkeitswelle gekoppelt ist, sowie ein Umlaufgetriebe, das ein Sonnenrad beinhaltet, das durch die Hochgeschwindigkeitswelle angetrieben wird. Das Sonnenrad treibt eine Vielzahl von in einem Träger gelagerten Zwischenrädern und ein Hohlrad an, das die Vielzahl von Zwischenzahnrädern umgibt, wobei das Umlaufgetriebe einen Ausgang beinhaltet, der dazu konfiguriert ist, den Differentialträger anzutreiben.

[0012] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flugzeugtriebwerk mit hybridem Antrieb eines Fans oder Propellers durch zumindest eine elektrische Maschine und durch ein thermisches Strahltriebwerk bereitzustellen, die über ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Getriebe mit dem Fan bzw. Propeller verbunden sind. Das Getriebe soll eine gegenüber dem Stand der Technik leichtere Bauweise des Gesamtsystems und variable Betriebsarten des Flugzeugtriebwerks ermöglichen.

[0013] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch Bereitstellen eines Flugzeugtriebwerks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb eines mit zumindest einem erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerk ausgestatteten Flugzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dargelegt.

[0014] Das erfindungsgemäße Flugzeugtriebwerk umfasst ein thermisches Strahltriebwerk, ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, zumindest einem mittels Planetenträger drehbar gelagerten Planetenrad und einem Hohlrad, wobei das Sonnenrad mit dem zumindest einem Planetenrad kämmt und das Hohlrad mit dem zumindest einem Planetenrad kämmt, und einen mit dem Hohlrad verbundenen Fan oder Propeller, wobei ein Ausgang des thermischen Strahltriebwerks mit einer Antriebswelle des Sonnenrads verbunden ist. Das Flugzeugtriebwerk weist zumindest

eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor auf, wobei der Rotor direkt oder über eine Kupplung und/oder ein Zwischengetriebe mit einem Planetenrad des Planetengetriebes verbunden ist, wobei der Planetenträger feststehend gelagert ist. Dieses Zwischengetriebe kann entweder aus einer Stirnrad- oder einer Planetenstufe aufgebaut sein.

[0015] Das erfindungsgemäße Flugzeugtriebwerk ist somit in hybridelektrischer Bauweise ausgeführt. Das Planetengetriebe ermöglicht eine langsamere Drehzahl des Fans oder Propellers im Vergleich zum Strahltriebwerk, das durch eine Antriebswelle mit dem Sonnenrad verbunden ist. Der Abtrieb des Planetengetriebes an den Fan oder Propeller erfolgt über das Hohlrad bei stillstehendem Planetenträger. Durch die planetenförmige Anordnung der zumindest einen elektrischen Maschine kann der Bauraum des Flugzeugtriebwerks besser genutzt oder verkleinert werden. Die Anordnung der elektrischen Maschine im Planetengetriebe, welches sich im kalten Teil des Triebwerks befindet, verbessert die thermischen Umgebungsbedingungen für die elektrischen Maschinen. Durch eine Drehmomentregelung kann die Varianz der Belastung der Planetenräder verringert werden, und es können Schwingungen im Antriebsstrang ausgeglichen werden. Die zumindest eine elektrische Maschine kann aufgrund höherer Drehzahlen und geringerer Drehmomente kompakter ausgeführt sein als bisher üblich.

[0016] Gemäß der Erfindung weist das Planetengetriebe zumindest zwei Planetenräder auf und sind zumindest zwei der Planetenräder, vorzugsweise alle Planetenräder, entweder direkt oder über eine Kupplung oder ein Untersetzungsgetriebe jeweils mit der Rotorwelle eines Rotors einer elektrischen Maschine verbunden sind. Dadurch wird die elektrische Leistung der elektrischen Maschinen verteilt aufgenommen bzw. Drehmoment an die Rotoren der elektrischen Maschinen übertragen. Das ermöglicht eine leichtere Bauweise des Planetengetriebes. Zusätzlich ergibt sich eine die Sicherheit des Triebwerks erhöhende Redundanz sowohl in den elektrischen Maschinen, weil mehrere davon in das Triebwerk integriert sind, als auch in Bezug auf das thermische Strahltriebwerk, weil ein Ausfall aller elektrischen Maschinen nicht den mechanischen Leistungsfluss vom thermischen Strahltriebwerk zum Fan oder Propeller behindert. Die Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks mit mehreren elektrischen Maschinen bewirkt auch ein verbessertes Teillastverhalten, weil einzelne der elektrischen Maschinen komplett abgeschaltet werden können, wodurch eine Effizienzsteigerung ermöglicht wird.

[0017] Erfindungsgemäß ist die zumindest eine elektrische Maschine des Flugzeugtriebwerks dafür konfiguriert als Elektromotor betrieben zu werden, der auf das zugeordnete Planetenrad ein Drehmoment ausübt. Das Planetengetriebe kombiniert so die Antriebsleistungen des thermischen Strahltriebwerks und der zumindest einen elektrischen Maschine.

[0018] Weiters ist bei dem erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerk die zumindest eine elektrische Maschine dazu konfiguriert, als elektrischer Generator betrieben zu werden, dessen Rotor vom zugeordneten Planetenrad zur Umwandlung von Rotationsenergie in elektrische Energie angetrieben wird.

[0019] Indem man die beiden vorgenannten Ausführungsformen der Erfindung miteinander kombiniert, so kann an den Planetenrädern sowohl Leistung von den elektrischen Maschinen hinzugefügt werden, um Schub zu erzeugen bzw. den Schub zu erhöhen, als auch Leistung zur Produktion von elektrischem Strom entzogen werden. Zur Realisierung der genannten Betriebsarten weist das Flugzeugtriebwerk erfindungsgemäß eine elektronische Steuerung zur Steuerung der zumindest einen elektrischen Maschine auf, wobei die elektronische Steuerung bei Vorsehen mehrerer elektrischer Maschinen die einzelnen elektrischen Maschinen unabhängig voneinander steuert. Es ist weiters vorgesehen, dass die elektronische Steuerung mit einem elektrischen Energiespeicher, vorzugsweise einer aufladbaren Batterie, verbunden ist, um von der zumindest einen elektrischen Maschine im Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie zu speichern.

[0020] Es ist weiters vorgesehen, dass der Fan oder Propeller mit dem Hohlrad verbunden ist, wobei der Fan oder Propeller entweder direkt auf dem Hohlrad montiert ist oder über eine Kupplung mit dem Hohlrad verbunden ist.

[0021] In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks umfasst das ther-

mische Strahltriebwerk eine Gasturbine. Die Gasturbine kann für den Betrieb mit konventionellen Treibstoffen oder nachhaltigen Luftfahrttreibstoffen oder Wasserstoff ausgelegt sein.

[0022] Ein oder mehrere erfindungsgemäße, an einem Flugzeug montierte Flugzeugtriebwerke lassen sich in mehreren Betriebsarten betreiben.

[0023] So sieht die Erfindung vor, zumindest eine der elektrischen Maschinen des Flugzeugtriebwerks, oder - falls nur eine elektrische Maschine in das Flugzeugtriebwerk eingebaut ist - diese elektrische Maschine als elektrischer Generator zu betreiben, indem dessen Rotor vom zugeordneten Planetenrad zur Umwandlung von Rotationsenergie in elektrische Energie angetrieben wird, wobei zumindest ein Teil der elektrischen Energie in einem am Flugzeug vorgesehenen elektrischen Energiespeicher gespeichert wird. Die solcherart erzeugte elektrische Energie kann zur Versorgung aller elektrischen Verbraucher des Flugzeugs verwendet werden und/oder im elektrischen Energiespeicher gespeichert werden. Dies führt zu einer Gewichtsreduktion des damit ausgestatteten Flugzeugs, indem hydraulische/pneumatische Systeme durch elektrische Systeme ersetzt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Betriebsart der elektrischen Maschine als Generator übt beim aerodynamischen Bremsen die elektrische Maschine auf das ihr zugeordnete Planetenrad eine, vorzugsweise verstellbare, Bremskraft aus, die den Fan oder Propeller bremst, wobei vorzugsweise die dadurch generierte, rekuperierte elektrische Energie in einem am Flugzeug vorgesehenen elektrischen Energiespeicher gespeichert wird.

[0024] Die Erfindung sieht weiters vor, zumindest eine der elektrischen Maschinen des Flugzeugtriebwerks, oder - falls nur eine elektrische Maschine in das Flugzeugtriebwerk eingebaut ist diese elektrische Maschine als Elektromotor zu betreiben, der auf das zugeordnete Planetenrad ein Drehmoment ausübt, wodurch der mit dem Planetengetriebe verbundene Fan bzw. Propeller von der elektrischen Maschine angetrieben wird. Wenn der Antrieb des Fans bzw. Propellers nur über die zumindest eine elektrische Maschine erfolgt, ist ein leiser, energiesparender, emissionsfreier Fahrbetrieb („Taxiing“) des Flugzeugs am Flughafen möglich, der dazu beiträgt, Flughäfen umweltfreundlicher zu machen. Eine Verringerung des CO2-Ausstoßes am Boden um bis zu 85% erscheint möglich. Wenn andererseits die elektrische Antriebsleistung der zumindest einen elektrischen Maschine mit der Antriebsleistung des thermischen Strahltriebwerks kombiniert wird, um Spitzen des Leistungsbedarfs, insbesondere beim Startvorgang, des Flugzeugs abzudecken, so können die Anforderungen an die Steigfähigkeit des Flugzeuges bei einem Triebwerksausfall besser erfüllt werden, und es ist auch möglich, das thermische Strahltriebwerk kleiner zu dimensionieren, weil die nur kurzzeitig erforderlichen Leistungsspitzen von der elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Beim Startvorgang des Flugzeuges ist der Leistungsbedarf etwa doppelt so hoch wie im Reiseflug. Eine Verkleinerung des thermischen Strahltriebwerks führt zu Gewichts-, Kosten- und Emissionsreduktionen.

[0025] Die Erfindung sieht weiters auch vor, die elektrische Maschine in der Betriebsart als Elektromotor als elektrischer Startermotor für das thermische Strahltriebwerk zu verwenden. Dadurch kann die bisher übliche Starter/Generator-Einheit entfallen und somit weiter Gewicht eingespart werden.

[0026] Zusammenfassend stellt das erfindungsgemäße Flugzeugtriebwerk ein hochintegratives Konzept dar, dessen Bestandteile einen geringen Platzbedarf und eine geringe Zusatzmasse aufweisen, die durch Gewichtseinsparungen an anderen Komponenten überkompensiert wird. Es wird erwartet, dass das Flugzeugtriebwerk Treibstoffeinsparungen von einigen Prozent und darüber hinaus eine Reduktion von Betriebskosten, Lärm, CO2 und Schadstoffen erzielt. Eine Bauweise des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks mit mehreren (z.B. vier bis sechs) vergleichsweise kleinen, gleichartigen elektrischen Maschinen bietet Mengen- und Gleichteilvorteile in den Herstellungskosten, im Verschleißverhalten (verteilte Lasteinbringung im Zahnkontakt der Zahnräder des Planetengetriebes) und in der Ersatzteilhaltung. Das erfindungsgemäße Flugzeugtriebwerk bietet Leichtbaueffekte durch Redimensionierung der Welle des thermischen Strahltriebwerks und potenziell auch des Planetengetriebes durch gleichmäßigere, verteilte Lasteinbringung im Planetengetriebe. Sekundärleichtbaueffekte durch Downsizing bzw. Entfall weiterer Komponenten, die üblicherweise in Flugzeugtriebwerken verbaut sind, können ebenfalls erzielt werden.

Beispielsweise kann der gesamte Hilfsgeräteträger am Triebwerk wegfallen.

[0027] Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigen

[0028] Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks; [0029] Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks; [0030] Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks; und [0031] Fig. 4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks.

[0032] Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks 1, das als Turbofan-Triebwerk ausgebildet ist. Das Flugzeugtriebwerk 1 weist einen Lufteinlass 2 auf, der Luft in das Triebwerk 1 führt. Im Lufteinlass 2 ist zuvorderst ein Fan 3 mit großen, schaufelförmigen Fanblättern angeordnet. Er beschleunigt, wenn er rotiert wird, den ihm zugeführten Luftstrom. Stromabwärts vom Fan 3 ist ein thermisches Strahltriebwerk 4 angeordnet, das - in Luftströmungsrichtung gesehen - einen Verdichter 5, eine Brennkammer 6, eine Turbine 7 und einen nicht dargestellten Abgasauslass umfasst. Der Verdichter 5 besteht aus mehreren Stufen von rotierenden und stationären Schaufeln. Er erhöht den Druck der Luft, bevor sie in die Brennkammer 6 eintritt. In der Brennkammer 6 wird der komprimierte Luftstrom mit Kraftstoff vermischt und entzündet. Das so erzeugte heiße Abgas strömt mit hohem Druck in die Turbine 7, in der die heißen Abgase die Schaufeln der Turbine 7 drehen, bevor sie über den Abgasauslass das thermische Strahltriebwerk 4 verlassen. Die Schaufeln der Turbine 7 sitzen auf einer Turbinenwelle 8, die einerseits die beweglichen Teile des Verdichters 5 antreibt und andererseits zum Antrieb des Fans 3 dient, wie unten im Detail beschrieben werden wird. Die Turbine 7 ist eine Gasturbine. Die Brennkammer 6 kann für den Betrieb mit konventionellen Treibstoffen oder nachhaltigen Luftfahrttreibstoffen oder Wasserstoff ausgelegt sein.

[0033] Weiters umfasst das Flugzeugtriebwerk 1 ein Planetengetriebe 10 mit einem Sonnenrad 11, Planetenrädern 12, die mittels Planetenträger 15 drehbar gelagert sind, und einem Hohlrad 13. Das Sonnenrad 11 kämmt mit den Planetenrädern 12, und das Hohlrad 13 kämmt ebenfalls mit den Planetenrädern 12. Der Fan 3 ist mit dem Hohlrad 13 verbunden. Die Turbinenwelle 8 bildet den Ausgang des thermischen Strahltriebwerks 4 und ist mit einer Antriebswelle 14 des Sonnenrads 11 verbunden. Der Planetenträger 15 ist feststehend gelagert. Elektrische Maschinen 16, die einen Stator und einen Rotor aufweisen, sind mit jeweils einem Planetenrad 12 so verbunden, dass sich das Planetenrad 12, z.B. über eine Welle oder über eine Kupplung und/oder über ein Zwischengetriebe 20 in Form einer Planeten- oder Stirnradstufe, gemeinsam mit dem Rotor der zugeordneten elektrischen Maschine 16 dreht. Eine mit Leistungselektronik-Bauelementen aufgebaute elektronische Steuerung 17 steuert die elektrischen Maschinen 16 gemäß den oben erläuterten Betriebsarten an, die insbesondere den Betrieb der elektrischen Maschinen 16 als Generator oder Elektromotor umfassen. Die elektronische Steuerung 17 ist auch mit einem elektrischen Energiespeicher 18 verbunden, der von den elektrischen Maschinen 16 im Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie speichern kann.

[0034] Fig. 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks 1, das als 2-Wellen-Turbofan- Triebwerk ausgebildet ist. Die zweite Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks 1 unterscheidet sich nur insofern von der Ausführungsform gemäß Fig. 1, als der Verdichter 5 zur Effizienzsteigerung in einen Niederdruckverdichterabschnitt 5a und einen Hochdruckverdichterabschnitt 5b unterteilt ist. Ebenso ist die Turbine 7 in einen Niederdruckturbinenabschnitt 7a und einen Hochdruckturbinenabschnitt 7b unterteilt. Der Niederdruckturbinenabschnitt 7a treibt über eine erste Turbinenwelle 8a die beweglichen Teile des Niederdruckverdichterabschnitts 5a an. Der Hochdruckverdichterabschnitt 7b treibt über eine zweite Turbinenwelle 8b die beweglichen Teile des Hochdruckverdichterabschnitts 5b an. Die erste Turbinenwelle 8a und die zweite Turbinenwelle 8b sind koaxial miteinander angeordnet. Die erste Turbinenwelle 8a bildet den Ausgang des thermischen Strahltriebwerks 4 und ist mit einer Antriebswelle 14 des Sonnenrads 11 verbunden. Die übrigen Komponenten der als 2- Wellen-Turbofan- Triebwerk ausgebildeten zweiten Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks 1 entsprechen

der ersten Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks 1 gemäß Fig. 1, weshalb in Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder entsprechende Komponenten verwendet werden und bezüglich der Erklärungen auf die Beschreibung der Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks 1 von Fig. 1 verwiesen wird.

[0035] Fig. 3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks 1, das als 3-Wellen-Turbofan- Triebwerk ausgebildet ist. Die dritte Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks 1 unterscheidet sich nur insofern von der Ausführungsform gemäß Fig. 1, als der Verdichter 5 zur Effizienzsteigerung in einen Niederdruckverdichterabschnitt 5a, einen Mitteldruckverdichterabschnitt 5c und einen Hochdruckverdichterabschnitt 5b unterteilt ist. Ebenso ist die Turbine 7 in einen Niederdruckturbinenabschnitt 7a, einen Mitteldruckturbinenabschnitt 7c und einen Hochdruckturbinenabschnitt 7b unterteilt. Der Niederdruckturbinenabschnitt 7a treibt über eine erste Turbinenwelle 8a die beweglichen Teile des Niederdruckverdichterabschnitts 5a an. Der Hochdruckverdichterabschnitt 7b treibt über eine zweite Turbinenwelle 8b die beweglichen Teile des Hochdruckverdichterabschnitts 5b an. Der Mitteldruckturbinenabschnitt 7c treibt über eine dritte Turbinenwelle 8c die beweglichen Teile des Mitteldruckverdichterabschnitts 5c an. Die erste Turbinenwelle 8a, die zweite Turbinenwelle 8b und die dritte Turbinenwelle 8c sind koaxial miteinander angeordnet. Die erste Turbinenwelle 8a bildet den Ausgang des thermischen Strahltriebwerks 4 und ist mit einer Antriebswelle 14 des Sonnenrads 11 verbunden. Die übrigen Komponenten der als 3- Wellen-Turbofan-Triebwerk ausgebildeten zweiten Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks 1 entsprechen der ersten Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks 1 gemäß Fig. 1, weshalb in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder entsprechende Komponenten verwendet werden und bezüglich der Erklärungen auf die Beschreibung der Ausführungsform des Flugzeugtriebwerks 1 von Fig. 1 verwiesen wird.

[0036] Fig. 4 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerks 1, das als Turboprop- Triebwerk ausgebildet ist. Das Flugzeugtriebwerk 1 weist zuvorderst einen Propeller 9 auf. Er beschleunigt, wenn er rotiert wird, den ihm zugeführten Luftstrom. Stromabwärts vom Propeller 9 ist ein thermisches Strahltriebwerk 4 angeordnet, das - in Luftströmungsrichtung gesehen - einen Verdichter 5, eine Brennkammer 6, eine Turbine 7 und einen nicht dargestellten Abgasauslass umfasst. Der Verdichter 5 besteht aus mehreren Stufen von rotierenden und stationären Schaufeln. Er erhöht den Druck der Luft, bevor sie in die Brennkammer 6 eintritt. In der Brennkammer 6 wird der komprimierte Luftstrom mit Kraftstoff vermischt und entzündet. Das so erzeugte heiße Abgas strömt mit hohem Druck in die Turbine 7, in der die heißen Abgase die Schaufeln der Turbine 7 drehen, bevor sie über den Abgasauslass das thermische Strahltriebwerk 4 verlassen. Die Schaufeln der Turbine 7 sitzen auf einer Turbinenwelle 8, die einerseits die beweglichen Teile des Verdichters 5 antreibt und andererseits zum Antrieb des Propellers 9 dient, wie unten im Detail beschrieben werden wird. Die Turbine 7 ist eine Gasturbine. Die Brennkammer 6 kann für den Betrieb mit konventionellen Treibstoffen oder nachhaltigen Luftfahrttreibstoffen oder Wasserstoff ausgelegt sein.

[0037] Weiters umfasst das Flugzeugtriebwerk 1 gemäß der Ausführungsform von Fig. 4 ein Planetengetriebe 10 mit einem Sonnenrad 11, Planetenrädern 12, die mittels Planetenträger 15 drehbar gelagert sind, und einem Hohlrad 13. Das Sonnenrad 11 kämmt mit den Planetenrädern 12, und das Hohlrad 13 kämmt ebenfalls mit den Planetenrädern 12. Der Propeller 9 ist mit dem Hohlrad 13 verbunden. Die Turbinenwelle 8 bildet den Ausgang des thermischen Strahltriebwerks 4 und ist über ein Untersetzungsgetriebe 19 mit einer Antriebswelle 14 des Sonnenrads 11 verbunden. Der Planetenträger 15 ist feststehend gelagert. Elektrische Maschinen 16, die einen Stator und einen Rotor aufweisen, sind mit jeweils einem Planetenrad 12 so verbunden, dass sich das Planetenrad 12, z.B. über eine Welle oder über eine Kupplung und/oder ein Zwischengetriebe 20 in Form einer Stirmrad- oder Planetenstufe, gemeinsam mit dem Rotor der zugeordneten elektrischen Maschine 16 dreht. Eine mit Leistungselektronik-Bauelementen aufgebaute elektronische Steuerung 17 steuert die elektrischen Maschinen 16 gemäß den oben erläuterten Betriebsarten an, die insbesondere den Betrieb der elektrischen Maschinen 16 als Generator oder Elektromotor umfassen. Die elektronische Steuerung 17 ist auch mit einem elektrischen Energiespeicher 18 verbunden, der von den elektrischen Maschinen 16 im Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie speichern kann.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Flugzeugtriebwerk

2 Lufteinlass

3 Fan

4 thermisches Strahltriebwerk

5 Verdichter

5a Niederdruckverdichterabschnitt 5b Hochdruckverdichterabschnitt 5c Mitteldruckverdichterabschnitt 6 Brennkammer

7 Turbine

7a Niederdruckturbinenabschnitt 7b Hochdruckturbinenabschnitt

7c Mitteldruckturbinenabschnitt

8 Turbinenwelle

8a erste Turbinenwelle

8b zweite Turbinenwelle

8c dritte Turbinenwelle

9 Propeller

10 Planetengetriebe

11 Sonnenrad

12 Planetenräder

13 Hohlrad

14 Antriebswelle des Sonnenrads 11 15 Planetenträger

16 elektrische Maschine

17 elektronische Steuerung (Leistungselektronik) 18 elektrischer Energiespeicher 19 Untersetzungsgetriebe

20 Kupplung und/oder Zwischengetriebe

Claims (9)

Patentansprüche

1. Flugzeugtriebwerk (1), umfassend ein thermisches Strahltriebwerk (4), ein Planetengetriebe (10) mit einem Sonnenrad (11), zumindest einem mittels Planetenträger (15) drehbar gelagerten Planetenrad (12) und einem Hohlrad (13), wobei das Sonnenrad (11) mit dem zumindest einem Planetenrad (12) kämmt und das Hohlrad (13) mit dem zumindest einem Planetenrad (12) kämmt, und einen mit dem Hohlrad (13) verbundenen Fan (3) oder Propeller (9), wobei ein Ausgang des thermischen Strahltriebwerks (4) mit einer Antriebswelle (14) des Sonnenrads (11) verbunden ist, wobei das Flugzeugtriebwerk (1) zumindest eine elektrische Maschine (16) mit einem Stator und einem Rotor aufweist, wobei der Rotor direkt oder über eine Kupplung und/oder ein Zwischengetriebe (20) in Form einer Stirnrad- oder Planetenstufe mit einem Planetenrad (12) des Planetengetriebes (10) verbunden ist, wobei der Planetenträger (15) feststehend gelagert ist, wobei das Planetengetriebe (10) vorzugsweise zumindest zwei Planetenräder (12) aufweist und zumindest zwei der Planetenräder (12), vorzugsweise alle Planetenräder (12), jeweils mit dem Rotor einer dem jeweiligen Planetenrad (12) zugeordneten elektrischen Maschine (16) verbunden sind, wobei die elektrische Maschine (16) als Elektromotor betreibbar ist, der auf das zugeordnete Planetenrad (12) ein Drehmoment ausübt, und die elektrische Maschine (16) als elektrischer Generator betreibbar ist, dessen Rotor vom zugeordneten Planetenrad (12) zur Umwandlung von Rotationsenergie in elektrische Energie antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Flugzeugtriebwerk (1) eine elektronische Steuerung (17) zur Steuerung der zumindest einen elektrischen Maschine (16) aufweist, wobei die elektronische Steuerung (17) vorzugsweise die elektrischen Maschinen (16) unabhängig voneinander steuert, wobei die elektronische Steuerung (17) mit einem elektrischen Energiespeicher (18), vorzugsweise einer aufladbaren Batterie, verbunden ist.

2. Flugzeugtriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Strahltriebwerk (4) eine Turbine (7) umfasst.

3. Flugzeugtriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (7) für den Betrieb mit konventionellen Treibstoffen oder nachhaltigen Luftfahrttreibstoffen oder Wasserstoff ausgelegt ist.

4. Verfahren zum Betreiben eines an einem Flugzeug montierten Flugzeugtriebwerks (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine elektrische Maschine (16) des Flugzeugtriebwerks (1) als elektrischer Generator betrieben wird, indem deren Rotor vom zugeordneten Planetenrad (12) zur Umwandlung von Rotationsenergie in elektrische Energie angetrieben wird, wobei zumindest ein Teil der elektrischen Energie in einem am Flugzeug vorgesehenen elektrischen Energiespeicher (18) gespeichert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine elektrische Maschine (16) des Flugzeugtriebwerks (1) so als elektrischer Generator betrieben wird, dass auf das der elektrischen Maschine (16) zugeordnete Planetenrad (12) eine, vorzugsweise verstellbare, Bremskraft ausgeübt wird, die den Fan (3) oder Propeller (9) bremst, wobei vorzugsweise die dadurch generierte elektrische Energie in einem am Flugzeug vorgesehenen elektrischen Energiespeicher (18) gespeichert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine elektrische Maschine (16) des Flugzeugtriebwerks (1) als Elektromotor betrieben wird, der auf das zugeordnete Planetenrad (12) ein Drehmoment ausübt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als elektrischer Startermotor für das thermische Strahltriebwerk (4) betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fan (3) oder Propeller (9) des Flugzeugtriebwerks (1) nur durch die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine (16) angetrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fan (3) oder Propeller (9) des Flugzeugtriebwerks (1) sowohl durch die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine (16) als auch durch das thermische Strahltriebwerk (4) angetrieben wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen