STRAHLTRIEBWERK MIT EINER INTEGRIERTEN ELEKTRISCHEN MOTOR/GENERATOREINHEIT

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strahltriebwerk, insbesondere für ein Luftfahrzeug, mit einem Hochdruckkompressor, welcher innerhalb eines Kompressorgehäuses drehbar gelagert ist, wobei der Hochdruckkompressor Schaufelelemente aufweist, welche durch eine Rotationsbewegung eine Verdichtung von über den Einströmkanal in den Hochdruckkompressor einströmender Luft bewirken, wobei der Hochdruckkompressor mehrere Verdichterstufen aufweist, an denen die Schaufelelemente angeordnet sind, und wobei das Strahltriebwerk weiterhin eine integrierte elektrische Motor/Generatoreinheit aufweist .

Derartige Strahltriebwerke sind hinreichend bekannt, wobei die Mittel zum Starten des Strahltriebwerks sowie die Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Leistung getrennt voneinander am Strahltriebwerk angeordnet sind. Das Strahltriebwerk muss zur Inbetriebnahme mechanisch gestartet werden, wobei bei einem Zwei-Wellen-Triebwerk die Welle des Hochdruckkompressors über einen mechanischen Eingriff in Rotation versetzt wird. Weiterhin weisen Strahltriebwerke Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Leistung auf, welche in Form eines Generators im bzw. am Triebwerk angeordnet sein können. Die elektrische Leistung wird dabei zum Betrieb verschiedener elektrischer Einrichtungen des Luftfahrzeugs benötigt, wobei aktuelle Entwicklungen zeigen, dass die benötigte elektrische Leistung des Luftfahrzeugs aufgrund einer zunehmenden Elektrifizierung diverser Aggregate weiter steigt. Das gemäß der vorliegenden Erfindung betrachtete Strahltriebwerk betrifft insbesondere ein Fan-Triebwerk, welches als Zwei-Wellen-Triebwerk ausgebildet ist und der Fan einen Niederdruckkompressor darstellt, welcher die in das Triebwerk einströmende Luft vorverdichtet, sowie einen Mantelstrom um den mittig ausgestoßenen heißen Abgasstrahl erzeugt.

Aus der US 2002/0122723 Al ist ein gattungsgemäßes Strahltriebwerk bekannt, welches einen Generator aufweist, welcher im

Hochdruckkompressor des Strahltriebwerks integriert ist. Das Triebwerk weist Verdichterschaufeln auf, welche ummantelt sind, wobei außerhalb der Ummantelung ein elektrischer Generator angeordnet ist. Dieser besteht aus einem Stator, welcher eine elektrische Spule umfasst, sowie einem Rotor, welcher mit der Triebwerkswelle derart verbunden ist, dass dieser gleichermaßen eine Rotationsbewegung ausführt. Die Rotoranordnung führt eine Rotationsbewegung innerhalb des Stators aus, und induziert eine elektrische Spannung in die Spule des Stators. Die Rotorelemente sind außenseitig an den Schaufelelementen des Hochdruckkompressors angeordnet, und erstrecken sich radial nach außen in die Statoranordnung des Generators.

Bei der bekannten Generatoranordnung innerhalb des Strahltriebwerks tritt das Problem auf, dass der Generator innerhalb des Kompressorgehäuses des Hochdruckkompressors angeordnet ist. Damit vergrößert sich der erforderliche Durchmesser des Kompressorgehäuses, wobei aufgrund der geschlossenen Anordnung die erforderliche Wartung aufgrund der erschwerten Zugänglichkeit des Generators mit großem Aufwand verbunden ist. Zudem ist der als Generator ausgeführte elektrische Motor nicht zum Starten des Strahltriebwerks geeignet, wobei die Startfunktion über eine auföenseitig am Strahltriebwerk angeordnete sogenannte Gearbox realisiert werden muss. Die Gearbox ist über eine Wellenverbindung mit der Hochdruckkompressorwelle des Strahltriebwerks verbunden, welche als Power-Shaft oder auch als Radial-Drive-Shaft bezeichnet wird. Diese umfasst eine Kegelradverbindung, wobei eine sich im Wesentlichen senkrecht von der Hochdruckkompressorwelle erstreckende Abtriebswelle die Gearbox antreibt, und über Winkelgetriebe einen Triebstrang zwischen der Gearbox und der Hochdruckkompressorwelle des Strahltriebwerks bildet. Die Gearbox kann sowohl eine Starterfunktion als auch eine Generatorfunktion umfassen, wobei diese einen erheblichen Platzbedarf umfangsseitig am Strahltriebwerk erfordert, ein großes Gewicht darstellt sowie einen hohen Wartungsbedarf aufweist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Gearbox zum Starten des Strahltriebwerks ausgebildete Mittel umfasst, welche während des

Flugbetriebs als nicht nutzbare Einrichtung mitgeführt werden muss und somit ein „totes Gewicht" verursacht.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Strahltriebwerk zu schaffen, bei dem Mittel zum Starten des Strahltriebwerks sowie zur Erzeugung einer elektrischen Leistung vorgesehen sind, welche einen geringen Wartungsaufwand erfordern, ein geringes Gewicht aufweisen sowie den erforderlichen Platzbedarf minimieren.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Strahltriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Motor/Generatoreinheit in der Rotationsebene von der zumindest ersten Verdichterstufe des Hochdruckkompressors angeordnet ist und einen sich umfangsseitig um das Kompressorgehäuse erstreckenden Stator sowie einen Läufer umfasst, welcher durch die Schaufelelemente der zumindest ersten Verdichterstufe gebildet ist.

Diese Lösung bietet den Vorteil, dass sich ein vereinfachter Aufbau der Motor/Generatoreinheit mit geringeren Abmessungen ergibt und sich aufgrund der Leistungsfähigkeit sowohl eine Starterfunktion zum Starten des Strahltriebwerks als auch eine Generatorfunktion zur Stromerzeugung für das Luftfahrzeug ermöglichen lässt. Der Stator der Motor/Generatoreinheit kann umfangsseitig außerhalb eines Kompressorgehäuses angeordnet sein, wodurch sich eine erhebliche Verbesserung der Zugänglichkeit im Rahmen von Wartungsarbeiten, Reparaturarbeiten oder einem Austausch des Stators ergibt. Zudem kann der Stator der Motor/Generatoreinheit durch den Mantelluftstrom des Niederdruckkompressors gekühlt werden, wodurch sich vorteilhafte thermische Eigenschaften ergeben. Weiterhin ergeben sich geringere Verluste in dem Hochdruckkompressor, da keine externe Kühlung zusätzlich vorgesehen werden muss. Der Stator weist ein großes

Durchmesser-Längenverhältnis auf, sodass sich dieser umfangsseitig um das Gehäuse des Hochdruckkompressors herum erstreckt. Dabei kann die Motor/Generatoreinheit sowohl vor der ersten Verdichterstufe des Hochdruckkompressors als auch in der Ebene der ersten Verdichterstufe sowie der zweiten oder einer weiteren Verdichterstufe angeordnet sein.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Motor/Generatoreinheit kann hinreichend Leistung zur Verfügung stehen, um das Strahltriebwerk ohne weitere elektrische oder mechanische Mittel zu starten. Dabei übernimmt die Motor/Generatoreinheit eine Anlasserfunktion des Strahltriebwerks. Aufgrund der hohen Ausgangsleistung der Motor/Generatoreinheit kann die Gearbox, welche extern am Strahltriebwerk angeordnet ist, entweder verkleinert ausgeführt werden oder entfallen. Die hohe verfügbare elektrische Leistung kann hinreichend sein, um die wesentlichen Aggregate, welche die Gearbox umfasst, durch elektrische Komponenten zu ersetzen. Diese betreffen beispielsweise hydraulische Pumpen, öldruckpumpen oder sonstige Einrichtungen, welche in der Gearbox angeordnet sind.

Vorteilhafterweise entfallen die Rotorkomponenten, welche an den Schaufelelementen des Hochdruckkompressors außenseitig angeordnet sind, da der Läufer der erfindungsgemäßen Motor/Generatoreinheit durch die Schaufelelemente selbst gebildet wird. Durch den Wegfall der externen Rotorelemente vereinfacht sich der Aufbau der Motor/Generatoreinheit, wobei der Läufer durch die Schaufelelemente gebildet wird, so dass neben der gewöhnlichen Wartung keine zusätzliche Wartung erforderlich ist.

Eine mögliche Ausführungsform der Motor/Generatoreinheit sieht vor, dass diese als geschalteter Reluktanzmotor ausgebildet ist und die zumindest erste Verdichterstufe den Läufer des geschalteten Reluktanzmotors bildet. Ein geschalteter Reluktanzmotor zeichnet sich dadurch aus, dass eine Wicklung lediglich im Stator vorgesehen ist und der Läufer weder eine Wicklung noch Permanentmagnete oder einen Kurzschlusskäfig aufweist. Somit können vorteilhafterweise gewöhnliche Schaufelelemente eines Hochdruckkompressors für das Funktionsprinzip

eines Reluktanzmotors angewendet werden, ohne diese wesentlich zu modifizieren. Dabei erfolgt die Beschaltung des Stators nach einem vorgegebenen Schema, wobei eine Steuerungs- und Leistungselektronik erforderlich ist. Die Selbstinduktivität der Statorspule wird durch einen stark genuteten Läufer hervorgerufen, wobei dieser durch die auf der zumindest ersten Verdichterstufe angeordneten Schaufelelemente gebildet wird. Dabei ist der Läufer vorteilhafterweise aus einem Material hoher magnetischer Flussdichte aufgebaut, wobei das Material vorzugsweise aus einer Eisen-Kobalt-Legierung ausgeführt ist. Diese Materialien sind besonders zum Aufbau magnetischer Felder geeignet. Es kann vorgesehen sein, dass die Schaufelelemente lediglich an ihren Spitzen oder zumindest im Endbereich die genannten werkstofftechnischen Eigenschaften aufweisen, wobei der Grundkörper der Schaufelelemente aufgrund der hohen Anforderungen an die Festigkeit und evtl. thermischen Eigenschaften unverändert bleiben und nicht oder nicht wesentlich zur Bildung des Läufers der Motor/Generatoreinheit beitragen .

Eine weitere Ausführungsform des Läufers sieht vor, dass dieser Permanentmagnete aufweist. Da der Läufer durch die Schaufelelemente des Hochdruckkompressors gebildet ist, weisen diese vorzugsweise endseitig Permanentmagnete auf, wobei diese eine Samarium-Kobalt- Legierung umfassen können. Dabei müssen die Schaufelelemente die genannten magnetischen Eigenschaften nicht in ihrer Gesamtheit aufweisen, sondern können diese lediglich in der Spitze der Schaufelelemente besitzen. Somit können die Schaufelelemente ihre mechanischen Eigenschaften beibehalten, wobei die magnetische Eigenschaft lediglich als Zusatzfunktion in dem Endbereich bzw. im Außenbereich der Schaufelelemente ausreichend ist. Alternativ kann außenseitig um die Schaufelelemente ein Randring angeordnet sein, welcher die entsprechenden magnetischen Eigenschaften aufweist, so dass die Schaufelelemente selbst auch im Endbereich nicht modifiziert werden müssen. Der Randring kann die Eigenschaften eines Permanentmagneten durch die Wahl des Werkstoffes, z.B. Samarium- Kobalt-Legierung, aufweisen, wobei die Schaufelelemente aus einem hochwarmfesten Turbinenwerkstoff, z.B. Inconell, hergestellt sein

können. Alternativ zu der Ausbildung des Deckbands mit einem segmentierten Permanentmagneten kann das über den Schaufelspitzen angeordnete Deckband auch nur als reine Verstärkung für die zumindest im Randbereich magnetischen Schaufeln ausgebildet sein. In diesem Fall sollte das Deckband aus einem magnetisch permeabelen Material bestehen.

Vorteilhafterweise ist der Stator der Motor/Generatoreinheit auf dem oder in dem Kompressorgehäuse aufgenommen, wobei das Gehäuse zumindest eine geringe magnetische Permeabilität aufweist. Dabei ist es hinreichend, dass das Kompressorgehäuse lediglich im Bereich der Anordnung der Motor/Generatoreinheit ein Material aufweist, welches magnetisch durchlässig ist. Dieses kann eine Leichtmetalllegierung sein, wobei Materialien mit einer hohen Festigkeit wie ein Stahlmaterial mit 6% Mn, 16% Ni eine mögliche vorteilhafte Legierung darstellt. Ebenfalls ist es möglich, dass Kohlefaser-Verbundwerkstoffe oder Verbundwerkstoffe mit Glasfaser- oder Fadengelegen einsetzbar sein können. In dem Fall, dass der Stator in dem Kompressorgehäuse integriert ist, können die elektrischen Leiter Beispielsweise in das Gehäusematerial, ggf. mit Isolation, eingebettet sein. Zudem können die metallischen Materialien des Stators analog zu einer Faserverstärkung des Gehäuses eingebracht sein, was eine zusätzliche Festigkeit der Gehäusestruktur bewirkt. Ferner kann die Aufnahme des Stators im Kompressorgehäuse auch dadurch erfolgen, dass das Gehäuse im Bereich des Stators unterbrochen und durch den Stator vollständig ersetzt ist.

Um eine weitere Erhöhung der Integrationsdichte zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass eine Steuerungs- und Leistungselektronik in der Motor/Generatoreinheit integriert ist. Diese ist insbesondere zur Beschaltung eines Reluktanzmotors erforderlich, um den Steuerungs- und Regelungsbetrieb zu ermöglichen. Alternativ dazu kann die Steuerungsund Leistungselektronik auf und/oder im Fangehäuse des Strahltriebwerks angeordnet sein. Hierbei ist eine elektrische Verbindung zwischen dem Kompressorgehäuse, an welchem die Motor/Generatoreinheit aufgenommen ist, und dem Fangehäuse vorgesehen,

wobei diese an Führungsleitelementen vorbeigeführt werden kann. Die Führungsleitelemente stellen eine mechanische Verbindung zwischen dem Fangehäuse dar, und bilden somit die Möglichkeit, eine elektrische Verbindung in Form einer Kabelführung anzuordnen. Hinsichtlich einer möglichen Kühlung der Steuerungs- und Leistungselektronik kann die Anordnung im bzw. auf dem Fangehäuse vorteilhaft sein, wobei dabei weiterhin ein möglicher Wartungsaufwand aufgrund der vorteilhaften Zugänglichkeit reduziert wird. Hinsichtlich eines möglichen Leistungsbereichs der Motor/Generatoreinheit kann diese so dimensioniert sein, dass eine Ausgangsleistung von ungefähr 100 kVA bis 150 kVA erzeugt werden kann. Ein derartiger Leistungsbereich gestattet es, zumindest die wesentlichen elektrischen bzw. elektromechanischen Komponenten eines Luftfahrzeugs zu betreiben, wobei ein weiterer Generator des Luftfahrzeugs ersetzt werden kann. Damit kann sogar erreicht werden, dass mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Motor/Generatoreinheit die gesamte elektrische Leistungsversorgung eines Luftfahrzeugs realisiert werden kann. Abhängig vom Typ des Luftfahrzeugs sowie von seiner Größe kann erwartet werden, dass vor dem Hintergrund des möglichen Leistungsbereichs der Motor/Generatoreinheit die Gearbox vollständig ersetzt werden kann, wobei die entfallenen Komponenten der Gearbox durch einen elektrischen Antrieb ersetzt werden können und eine Leistungsversorgung über die Motor/Generatoreinheit erfolgt. Diverse Aggregate müssen damit nicht mehr an den Strahltriebwerken angeordnet werden, sondern können aufgrund ihrer elektrischen Ausführung variabel an vorteilhaften Orten im Luftfahrzeug angebracht werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Gondel des Strahltriebwerkes kleiner ausgeführt werden kann, sodass eine verbesserte Aerodynamik erzielbar ist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Spalt zwischen den Rotorspitzen und dem Stator klein ist, da hierdurch eine Wirkungsgradoptimierung erzielt wird. Dabei muß der Spalt allerdings groß genug sein, damit in allen Betriebspunkten eine Kollision zwischen Stator und Rotor vermieden wird.

Schließlich sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass das Gehäuse im Bereich des Stators so dünn wie möglich ist, um die mechanischen und thermischen Anforderungen zu erfüllen. Somit wird ein optimales Gehäusedesign erreicht.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Strahltriebwerk mit einer

Motor/Generatoreinheit, welche in der Rotationsebene der ersten Verdichterstufen des Hochdruckkompressors angeordnet ist; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung der

Motor/Generatoreinheit, wobei ein Schaufelelement des Hochdruckkompressors als Läufer ausgebildet ist.

Bei den Figuren handelt es sich lediglich um beispielhafte schematische Darstellungen.

Das in Fig. 1 dargestellte Strahltriebwerk 1 weist einen Hochdruckkompressor 2 auf, welcher ein Kompressorgehäuse 3 umfasst. Im Kompressorgehäuse 3 sind mehrere Verdichterstufen 4 drehbar gelagert, wobei die Verdichterstufen 4 Schaufelelemente 5 aufweisen, die über einen Einströmkanal 6 eintretende Luft verdichten. Die Verdichtung der eintretenden Luft erfolgt dabei stufenweise nacheinander über eine Vielzahl von Verdichterstufen 4, welche in Strömungsrichtung der zu verdichtenden Luft in paralleler Anordnung aufeinander folgen. Die Verdichterstufen 4 sind auf einer Hohlwelle 7 drehbar gelagert, wobei sich eine Niederdruckwelle 8 durch die Hohlwelle 7 hindurch erstreckt. Auf der Niederdruckwelle 8 ist ein Fan 9 drehbar gelagert, welcher als Niederdruckstufe die einströmende Luft vorverdichtet, sowie einen

Mantelstrom um den inneren Strömungsbereich, welcher durch den Hochdruckkompressor 2 gebildet ist, erzeugt.

Im vorderen Bereich des Hochdruckkompressors 2 ist auf der Höhe der ersten und zweiten Verdichterstufe 4 eine Motor/Generatoreinheit 10 angeordnet, welche sich ringförmig um das Kompressorgehäuse 3 umfangsseitig erstreckt. Der außen am Kompressorgehäuse 3 angeordnete Teil der Motor/Generatoreinheit 10 umfasst einen Stator 11, welcher den ruhenden Teil der Motor/Generatoreinheit 10 bildet. Auf dem Umfang der Verdichterstufe 4 sind eine Vielzahl von Schaufelelementen 5 aufgesetzt, welche in der Ebene des Stators 11 der Motor/Generatoreinheit 10 um die Achse der Hohlwelle 7 eine Rotationsbewegung ausführen. Damit bilden die Verdichterstufen 4 mit den Schaufelelementen 5 den Läufer der Motor/Generatoreinheit 10, welche magnetische Eigenschaften aufweisen, und somit eine Spannung in einer Wicklung erzeugen, welche im Stator 11 enthalten ist. Zur Ansteuerung der Motor/Generatoreinheit 10 ist eine Steuerungs- und Leistungselektronik 12 erforderlich, welche im Stator 11 der Motor/Generatoreinheit 10 integriert sein kann, oder gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einem Fangehäuse 13 angeordnet sein kann. Zwischen dem Fangehäuse 13 und dem Kompressorgehäuse 3 sind Führungsleitelemente 14 eingesetzt, an bzw. in welchen eine elektrische Verbindung zwischen der Motor/Generatoreinheit 10 und der Steuerungs- und Leistungselektronik 12 entlang geführt sein kann.

Auf der unteren Seite des Strahltriebwerks 1 ist eine Gearbox 15 dargestellt, welche über einen Antriebsstrang 16 mit der Hohlwelle 7 mechanisch in Verbindung steht. Der Antriebsstrang 16 greift über eine Kegelradverzahnung eine Drehbewegung von der Hohlwelle 7 ab, und treibt verschiedene Aggregate an, welche in der Gearbox angeordnet sind, wobei in der Gearbox 15 ebenfalls eine Starterfunktion zum Starten des Strahltriebwerks 1 enthalten sein kann.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Gearbox 15 sowie ein Antriebsstrang 16 dargestellt, wobei diese in Abhängigkeit der möglichen elektrischen Ausgangsleistung der

erfindungsgemäßen Motor/Generatoreinheit 10 gemäß der vorliegenden Erfindung entfallen kann. Die Darstellung der Gerarbox 15 in Fig. 1 verdeutlicht, dass bei einem Wegfall der Gearbox neben einer erheblichen Gewichtsreduktion das Gehäuse des Strahltriebwerks 1 kleiner und leichter gebaut werden kann, wodurch sich eine aerodynamische Verbesserung der verkleinerten Triebwerksgondel ergeben kann. Weiterhin reduziert sich der Wartungsaufwand, da die Aggregate der Gearbox durch dezentrale elektrisch betriebene Aggregate ersetzt werden können. Ein Starten des Strahltriebwerks 1 beispielsweise mittels einer Druckluftanordnung, welche von der Auxilliary Power Unit (APU) im Rumpfbereich des Luftfahrzeugs versorgt wird, kann hier ebenfalls entfallen, da die Motor/Generatoreinheit 10 aufgrund des Leistungsumfangs eine Anlasserfunktion des Strahltriebwerks 1 übernehmen kann .

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Motor/Generatoreinheit 10, wobei diese lediglich einen oberen Halbschnitt umfasst. Der Stator 11 besteht im Wesentlichen aus einem Statorgehäuse 17, in welchem eine Wicklung 18 eingefasst ist, in welcher eine elektrische Spannung induziert wird, die die elektrische Ausgangsleistung bildet. Weiterhin ist lediglich eines von mehreren Schaufelelementen 5 dargestellt, welches auf einer Rotorscheibe 19 (auch als Spool bezeichnet) drehbar gelagert ist und eine Rotationsbewegung ausführt. Im Endbereich 20 des Schaufelelements 5 ist ein Permanentmagnet 21 angeordnet, wobei dieser entweder als separates Bauteil ausgeführt sein kann oder durch eingebrachte magnetischen Eigenschaften des Schaufelelements 5 im Endbereich 20 ersetzt werden kann. Durch die Rotation des Permanentmagneten 21, welche mit dem Schaufelelement 5 auf der Rotorscheibe 19 eine Rotationsbewegung ausführt, wird in der Wicklung 18 des Stators 11 eine Spannung induziert, wodurch insgesamt die Ausgangsleistung aus der Motor/Generatoreinheit 10 abgegriffen werden kann. Der Stator 11 ist auf dem Kompressorgehäuse 3 angeordnet, welches ein Material umfasst, das eine geringe magnetische Permeabilität aufweist. Dabei kann der Abschnitt des Kompressorgehäuses 3, auf welchem der Stator 11

angeordnet ist, ein anderes Material umfassen, als das seitlich des Stators 11 sich erstreckende Kompressorgehäuse 3.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.