Hydrostatischer Propellerantrieb Vor-Auslegung eines hydrostatischen Getriebes für ein eigenstartfähiges Segelflugzeug mit Klapptriebwerk N.E. Thenent Prof. P. Dahmann FH Aachen Fachbereich Luft- & Raumfahrttechnik 25. May 2011 Hydrostatischer Propellerantrieb 1. Segelflugzeuge & Motorsegler 2. Eigenstartfähige Segelflugzeuge 3. Anforderungen 4. Vor- & Nachteile 5. Teststand & Simulation 6. Zusammenfassung & Ausblick FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 2 1
1. Segelflugzeuge & Motorsegler in ihrem Element FH Aachen FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 3 1. Segelflugzeuge & Motorsegler Segelflugzeuge: Startarten FH Aachen FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 4 http://de.academic.ru http://de.academic.ru 2
1. Segelflugzeuge & Motorsegler Segelflugzeuge: Außenlandung www.az-web.de http://ralf-seiler.de/wordpress/redaktionell/?p=1458 FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 5 1. Segelflugzeuge & Motorsegler Typen Discus 2ct Heimkehrhilfe DG 1001 T Discus2t Info Brochure Eigenstartfähig ASK 21 Mi http://www.dg-flugzeugbau.de/dg1000m-d.html www.alexander-schleicher.de Touring G 109 FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 6 Author FH Aachen 3
2. Eigenstartfähige Segelflugzeuge Triebwerksinstallation ASH 21 Mi ASH 31 Mi ASH 31 Mi www.alexander-schleicher.de ASH 31 Mi www.alexander-schleicher.de www.alexander-schleicher.de Author FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 7 2. Eigenstartfähige Segelflugzeuge Triebwerksinstallation Leistungsübertragung mit Riementrieb Zahn- oder Mehrfachkeilriemen Position des Motors bestimmt Propellerort Direkte mechanische Verbindung, keine Kupplung DG 1001 M www.dg-flugzeugbau.de/dg1000m-d.html Ausfahren des Propellerturms mittels Spindelantrieb FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 8 www.alexander-schleicher.de 4
2. Eigenstartfähige Segelflugzeuge Missionsprofil 1800 Leistung & Flughöhe über Flugzeit 45 1600 1400 1200 Flughöhe Leistung 40 35 30 Flughöhe [m] 1000 800 600 400 200 25 20 15 10 5 Leistung [kw] 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Zeit [min] FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 9 3. Anforderungen Motor- & Propellerdaten Max. Motordrehzahl : 7750 U/min Max. Propellerdrehzahl: 3000 U/min Max. Motorleistung: 40,4kW Max. Dauerdrehzahl: 7100 U/min Max. Dauerleistung: 36,5kW Austro Engine Bosch-Rexroth FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 10 5
3. Anforderungen Vorläufiges System-Layout Hubvolumen Pumpe: 10 ccm Hubvolumen Motor: 28 ccm Max. Propellerdrehzahl: 2770 U/min Systemdruckdifferenz: ca. 320 bar = 5280 psi Volumenstrom: 76 ltr/min 10ccm 340bar 76ltr/min 28ccm 20bar Leerlaufventil FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 11 4. Vor- & Nachteile des hydrostatischen Propellerantriebs Flexibilität Motor kann an geeignetstem Ort installiert werden Propellerposition kann in Bezug auf höchsten Vortriebswirkungsgrad & positive flugmechanische Effekte gewählt werden Antares H3 Silent 2 FES E-Genius www.ifb.uni-stuttgart.de www.dlr.de Author FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 12 6
4. Vor- & Nachteile des hydrostatischen Propellerantriebs Flexibilität Motor kann an geeignetstem Ort installiert werden Propellerposition kann in Bezug auf höchsten Vortriebswirkungsgrad & positive flugmechanische Effekte gewählt werden Flugsicherheit Mittels eines Leerlaufkreises kann der Motor bei eingeklapptem Propeller gestartet werden Sinkgeschwindigkeit halbiert sich bei eingeklapptem Propeller! Velocity [km/h] 70 80 90 100 110 120 130 0,00-0,50 Bei Motorversagen wird die Zeit zur Planung einer Außenlandung verdoppelt! FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 13 Sinkrate [m/s] -1,00-1,50-2,00-2,50 Clean Configuration Propellerextended 4. Vor- & Nachteile des hydrostatischen Propellerantriebs Zusätzliche Masse (verglichen mit einem aktuellen Antriebssystem) Minimierung des Fluidvolumens und der Anzahl der Komponenten vorgesehen Keine Beeinflussung 0 der aerodynamischen Leistungsfähigkeit Minimale Sinkgeschwindigkeit nimmt zu Vermindert Flexibilität bei der Zuladung Sinkrate [m/s] Velocity [km/h] 70 90 110 130 150 170 190 210 230 0,00-0,25 Zunehmende Masse -0,50-0,75-1,00-1,25-1,50-1,75-2,00 FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 14 7
4. Vor- & Nachteile des hydrostatischen Propellerantriebs Zusätzliche Masse (verglichen mit einem aktuellen Antriebssystem) Minimierung des Fluidvolumens und der Anzahl der Komponenten vorgesehen Eta total [%] Geringerer Wirkungsgrad als ein mechanisches Getriebe Auslegung auf einen Betriebspunkt möglich 100 90 80 70 60 50 40 30 20 0 1 0.8 0.2 0.6 0.4 0.6 n\n Ma 0.8 x [1 ] FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 0.2 10 0.4 1] x[ ma 30. Mai p\p2011 15 5. Teststand & Simulation Parallele Untersuchungen Simulation mit DSHplus Basissystem Versuchs- & Auswertemethodik Parameteridentifikation Parametervariation Umsetzung des optimalen Parametersatzes Auslegung Teststand Experimente am Teststand (im Aufbau) FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 16 8
5. Teststand & Simulation Funktionsschaltbild des Teststands Druckniveau Hydraulische Bremse Volumenstrom Hydrostatisches Getriebe FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 17 5. Teststand & Simulation Simulationmodel des Teststands FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 18 DSHplus Screenshot 9
5. Teststand & Simulation Teststandsimulation - Ergebnisse Darstellung von Leistungen an unterschiedlichen Stellen im System Visualisierung des Systemverhaltens 1 2 3 4 2 1 3 4 FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 30. Mai 2011 19 5. Teststand & Simulation M [Nm] 500 M=f(V,n) 450 400 51,0 IAE 50 R-AA: P & M vs. n 50,0 250 38,0 49,0 200 36,0 48,0 34,0 150 47,0 P [kw] 32,0 100 46,0 M [Nm] 30,0 506000 45,0 6500 7000 Nach Austro Engine Produktkatalog 7500 RPM 8000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 V [km/h] FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES M [Nm] P [kw] 350 42,0 300 40,0 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Poly. (800) Poly. (1000) Poly. (1200) Poly. (1400) Poly. (1600) Poly. (1800) Poly. (2000) Poly. (2200) Poly. (2400) Poly. (2600) Poly. (2800) Poly. (3000) Eta total [%] Maßnahmen zur Verbesserung des Modells 100 90 80 70 60 50 40 30 20 0 1 0.8 0.2 0.4 0.6 0.4 0.6 n\n [1] M a 0.8 0.2 ax x [1 30. Mai 2011 m20 ] 10 p\p 10
6. Zusammenfassung & Ausblick Eigenstartfähige Segelflugzeuge erscheinen für den Einsatz eines hydrostatischen Getriebes zur Leistungsübertragung zwischen Motor und Propeller geeignet Ein vorläufiges System weist einen geschlossenen Kreis und Aggregate mit konstantem Hubvolumen auf Ziel ist ein kompaktes und leichtes hydraulisches Getriebe, wobei der Einsatz nicht auf Motorsegler beschränkt sein soll Erhöht die Auslegungsflexibilität von Motorseglern Erhöht die Flugsicherheit durch Leerlaufschaltung Simulation: Verbesserung der Modellierung Teststand: Abschließen des Aufbaus & Beginn der Experimente Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Gefördert durch: 11