Trotz erfolgreicher Alternativen für Regional- und Kurzstreckenflugzeuge werden Gasturbinen wegen ihres hohen Leistungsgewichts auf der Langstrecke (LR) weiterhin eingesetzt. Allerdings ist der Technologiereifegrad synergetischer Kombinationen mit anderen Antriebstechnologien kontinuierlich gestiegen. Eine dieser Technologien, die vor allem für LR-Flugzeuge eingesetzt werden könnte, ist die Composite Cycle Engine (CCE), bei der ein Kolbensystem mit einem herkömmlichen Turbofan kombiniert wird.
Neben Kerosin als Treibstoff kann die CCE auch mit Wasserstoff betrieben werden, wodurch während des Fluges keine CO2-Emissionen entstehen.
Insbesondere das Doppelfreikolben (FDP)-System, das aus kurbelwellenlosen Freikolben besteht, als reiner Gasgenerator fungiert und den Hochdruckkompressor ersetzt, hat sich als vorteilhafte Konfiguration herausgestellt.
Systemarchitektur und Komponenten der Composite Cycle Engine (CCE) mit Doppelfreikol- ben (FDP)
Der Kreisprozess im geschlossenen Volumen des Kolbenmotors sowie die hohen Zyklustemperaturen und -drücke bieten trotz eines höheren Motorgewichts erhebliche Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch. Um die NOx-Emissionen zu reduzieren, ist ein System installiert, das Wasser in das Kolbensystem einspritzt.
Die zentralen Herausforderungen im Zusammenhang mit CCEs, darunter das Betriebsverhalten über die gesamte Flugmission, NOx-Emissionen, erhöhte Masse, Vibrationen und mechanische Komplexität, werden aktuell in den Forschungsprojekten MINIMAL und EXAELIA angegangen. Die Bemühungen konzentrieren sich darauf, erste CCE-Entwürfe und Anforderungen für einen maßstabsgetreuen Flugteststand für diese Antriebe bereitzustellen.
Treibstoffverbrauch unter Teillast
Am gewählten Cruise-Punkt ist der schubspezifische Kraftstoffverbrauch (TSFC) der CCE wesentlich niedriger als bei einem repräsentativen Turbofan-Triebwerk. 84 % des Gesamttreibstoffs werden dabei in dem Doppelfreikolben (FDP) verbrannt.
Systemanalyse der CCE
TSFC und die Kolbenmasse nehmen mit steigendem Gesamtdruckverhältnis ab, während TSFC sich mit ansteigender Turbineneintrittstemperatur erhöht. Die graue Zone ist auf Grenzwerte der FDP-Austrittstemperatur zurückzuführen.
MINIMAL: Funded by the European Union under the Horizon Europe Grant Agreement No. 101056863 and by the UK Research and Innovation (UKRI) funding guarantee under contract Nos. 10040930, 10053292 and 10039071. EXAELIA: Funded by the European Union under Grant Agreement No. 101191922.