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Einheitliche thermodynamische Bewertung von Composite-Cycle-Triebwerken

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.

  • 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- 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.
  • Architektur mit Wankelmaschine: Konzeptuelle Zeichnung eines Composite-Cycle-Triebwerks mit leichter Wankelkolbenmaschine mit fünf Scheiben in einer vorteilhaften koaxialen AnordnungArchitektur mit Wankelmaschine: Konzeptuelle Zeichnung eines Composite-Cycle-Triebwerks mit leichter Wankelkolbenmaschine mit fünf Scheiben in einer vorteilhaften koaxialen Anordnung