SFB 880 - Grundlagen des Hochauftriebs künftiger Verkehrsflugzeuge

Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Klappensegments inkl. Kompressorsystem

Um trotz eines steigenden Luftverkehrsaufkommens die Belastung der Bevölkerung in Flughafennähe durch Lärm und Abgasemissionen zu begrenzen, sollten künftige Verkehrsflugzeuge nicht nur leise und energieeffizient sein, sondern auch wesentlich schneller steigen bzw. sinken können. Der DFG-geförderte Sonderforschungsbereich 880 erforscht dazu u.a. neuartige Hochauftriebssysteme. Hieran beteiligt sich das IAL gemeinsam mit dem Institut für Turbomaschinen und Fluiddynamik mit einem Teilprojekt zu „Kompakten elektrischen Kompressoren“, dessen Ziel die Entwicklung eines direkt angetriebenen Verdichtersystems ist. Dieses soll innerhalb der Tragfläche nahe den Klappen Luft durch einen Kanal ansaugen, verdichten und über einen Spalt an der Klappe ausblasen, um die Auftriebseigenschaften zu verbessern (siehe Abb. 1).

Um Gewicht und Komponenten zu sparen, wird auf ein Getriebe verzichtet. Die maximale Verdichterdrehzahl liegt im Bereich von 70.000 min-1 bei einer Leistung von ca. 80 kW. Solch hohe Drehzahlen führen aufgrund der Fliehkräfte zu einer hohen mechanischen Belastung des Rotors und erfordern eine hohe Speisefrequenz. Aufgrund ihrer prinzipbedingt hohen Drehmomentdichte sind permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit Oberflächenmagneten vorteilhaft. Zur Fliehkraftsicherung der Magnete ist eine Bandage unverzichtbar. Zur Verminderung der durch die hohe Speisefrequenz entstehenden Ummagnetisierungsverluste wird eine Polpaarzahl von 1 in Zusammenhang mit Elektroblechen gewählt, die sehr niedrige Verlustbeiwerte haben. Die Längen von Start- und Landebahn werden auch vom Gesamtgewicht des Flugzeugs bestimmt. Aus diesem Grund wird auf eine Wasserkühlung verzichtet. Die E-Maschine sowie die Leistungselektronik werden durch den Luftstrom des Verdichters gekühlt (siehe Abb. 2).

Abbildung 2: Schema des Antriebsstrangs

Um möglichst kompakt und effizient zu sein, ist die Maschine für den S2-Betrieb mit einer maximalen Dauer von 5 min dimensioniert. Für die Leistungselektronik wird aufgrund der Speisefrequenz der Hochdrehzahlmaschine eine hohe Schaltfrequenz benötigt, die mit konventionellen Silizium-Halbleiterschaltern nicht realisierbar ist. Daher werden Siliziumkarbid-Halbleiter (SiC) eingesetzt. Diese Technologie zeichnet sich durch verringerte Schaltverluste aus, was insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen zu einer erheblichen Reduktion der Gesamtverluste führt. Dadurch ist es möglich, den Kühlkörper der forcierten Luftkühlung kleiner zu dimensionieren und somit Gewicht und Volumen einzusparen. Es erfolgen thermische Berechnungen mit FEM- Programmen, aus denen ein optimiertes Kühlkörperdesign abgeleitet wird. Neben dem Einsatz von Leistungsmodulen, die sich auf der Oberseite des Luftkanals befinden und über diesen entwärmt werden (siehe Abb. 3), wird ein zweiter Ansatz mit diskreten Bauteilen verfolgt. Das Ziel ist eine Integration der Komponenten in den Luftkanal.

Abbildung 3: Aufbau der Leistungselektronik

Ansprechpartner Leibniz Universität Hannover

Projekt Koordinator

Konsortium

Partner der Leibniz Universität Hannover

Weitere Partner