Überblick und Inbetriebnahme eines Bodenprüfstands zur Untersuchung hybrid-elektrischer Luftfahrtantriebsstränge

Kurzfassung

Die steigende Nachfrage im Luftverkehr und die gesetzten Klimaziele zur Reduktion des CO2-Ausstoßes sowie des Ausstoßes von Schadstoffen wie NOX und Ruß machen den Einsatz innovativer Antriebskonzepte und Kraftstoffe erforderlich. Ein Ansatz zur Steigerung der Effizienz von Fluggasturbinen und gleichzeitigen Reduktion von Schadstoffen im Bereich der Kurz- und Mittelstrecke ist die Kombination verschiedener Energieerzeugungssysteme zu einem hybrid-elektrischen Antriebsstrang und die Nutzung der Vorteile der beteiligten Komponenten in verschiedenen Missionsphasen. Im wissenschaftlichen Diskurs werden seit einigen Jahren verschiedene Kombinationen aus Gasturbine, Batterie und Brennstoffzelle numerisch untersucht und bewertet. Die experimentelle Untersuchung solcher Kombinationen erfolgt jedoch aktuell vor allem im industriellen Umfeld mit Fokus auf ein spezielles Produkt. Um die Entwicklung, Analyse und technische Bewertung solcher Antriebsstränge aus wissenschaftlicher Sicht weiter zu unterstützen, hat das DLR am Institut für Verbrennungstechnik in Stuttgart einen bodengebundenen Prüfstand basierend auf einem Rolls-Royce M250-C20B Wellenleistungstriebwerk in Kombination mit einer hochleistungsdichten Motor-Umrichter-Einheit, einem Batterie- und Brennstoffzellenemulator, einem Propelleremulator sowie einem Gleichstromverteilnetz aufgebaut. Ziel dieses Prüfstands ist es, das Zusammenspiel der unterschiedlichen Komponenten experimentell zu untersuchen, Regelungs- und Betriebsstrategien zu analysieren, echtzeitfähige Komponentenmodelle in solch einem Anlagenverbund zu testen und verschiedene hybrid-elektrische Verschaltungskonzepte experimentell zu untersuchen. Der Prüfstand verschaltet ein detailliert instrumentiertes 300kW Wellenleistungstriebwerk mit einer bidirektionalen Motor-Umrichter-Einheit. Diese dient in Kombination mit einer Gleichspannungsquelle/-senke als Emulator der Wellenleistungsunterstützung durch Batterie oder Brennstoffzellen, sodass sowohl die Lade-/Entladevorgänge einer Boost-Batterie als auch der Lastwellenboost durch eine Brennstoffzelle abgebildet werden können. Mit Hilfe von echtzeitfähigen Modellen wird das reale Verhalten dieser Komponenten abgebildet. Des Weiteren dient eine bidirektionale elektrische Belastungsmaschine, welche ebenfalls direkt an die Lastwelle der Gasturbine gekoppelt ist, als Propelleremulator. Das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten und Sensoren wird über eine Prüfstands-SPS koordiniert, welche in Kombination mit einem Speedgoat-System die echtzeitfähige Kommunikation der Hardwarekomponenten mit den Simulationsmodellen ermöglicht. Das aktuelle EU-Projekt FlyECO untersucht die Kombination des Wellenleistungstriebwerks mit einer Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Dazu wird zusätzlich Dampf und Wasserstoff in die Primärzone der Gasturbinenbrennkammer eingebracht, um den Einfluss des Anoden-Offgas der SOFC auf die Gasturbine zu emulieren. Echtzeitfähige Modelle steuern ebenfalls diese zusätzlichen Stellgrößen an, um das Verhalten einer SOFC abzubilden. Der Vortrag stellt das Konzept und den Aufbau des Prüfstands vor, geht auf die Möglichkeiten der zu untersuchenden technischen Aspekte ein und erläutert das Zusammenspiel zwischen Hardware und Software. Es werden die Schnittstellen und Austauschvariablen am Beispiel des Projekts FlyECO vorgestellt. Ferner werden exemplarisch Messungen der elektrischen Größen gezeigt sowie Herausforderungen beim Handling dieser Messgrößen im Zusammenspiel mit den echtzeitfähigen Modellen.