Eine Felge

Dec 29, 2023

Wrexham Glyndwr University DrROB JUNGECEng FRAeS und DoktorandJHON PAUL ROQUEGeben Sie einen Einblick in den patentierten Prototyp des felgengetriebenen elektrischen Strahltriebwerks „FAST-Fan“ der Fakultät für Kunst, Wissenschaft und Technologie.

An der Fakultät für Kunst, Wissenschaft und Technologie (FAST) der Wrexham Glyndwr University (WGU) konzentrieren Studenten und Mitarbeiter der Ingenieurwissenschaften ihre Bemühungen auf die Erreichung von Net Zero Wales.

Als Teil des SMARTExpertise-Programms der walisischen Regierung ist der FAST-Fan eines der letzten Projekte, die über den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung gefördert werden. Die WGU hat mit sechs in Großbritannien ansässigen KMU (Ad-Manum UAS Technologies Ltd, Invertek Drives Ltd, Motor Design Ltd., Drone-Flight Ltd, Geola Technologies Ltd und Tirius Ltd) zusammengearbeitet, um Analysen, Design und Herstellung eines patentierten Felgenprototyps bereitzustellen -Angetriebener, elektrischer „FAST-Fan“-Flugzeugmotor. Die resultierende Antriebseinheit ist in der Lage, mehr Schub pro Frontfläche und höhere Ausströmgeschwindigkeiten zu liefern als aktuelle Lüfterkonfigurationen.

Bei Rim Driven Fans (RDFs) handelt es sich um Kanalventilatoren, die über einen durchgehenden Rotorkranz verfügen, der an den Spitzen der Ventilatorflügel befestigt ist, und über einen im Kanal angeordneten elektromagnetischen Motorschaltkreis angetrieben werden. (WGU)Obwohl die Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie an Bord als Haupthindernis für den elektrischen Antrieb von Flugzeugen gilt, stellt die Verteilung elektrischer Energie und ihre Umwandlung in Antriebsschub immer noch erhebliche Herausforderungen dar. Eine davon ist die effiziente Erzielung eines Vortriebs für einen Hochgeschwindigkeitsflug.

Herkömmliche Zivilflugzeuge nutzen Propeller für regionale Einsätze, um Geschwindigkeiten von bis zu Mach 0,6 und Höhen von bis zu 30.000 Fuß zu erreichen. Für längere Flüge, die höhere Geschwindigkeiten und Höhen erfordern (bis zu Mach 0,9 und 45.000 Fuß), werden Bypass-Rohrventilatoren eingesetzt. Beide Technologien sind nabengetrieben, wobei der Hauptantriebsluftstrom über eine zentrale Energieeinheit, nämlich das Gasturbinentriebwerk, strömt und die Antriebsantriebe über rotierende Wellen übertragen werden.

Daher ist es ganz logisch, dass die Nabenantriebstechnologie automatisch für elektrische Antriebslösungen für Flugzeuge in Betracht gezogen wird: Sie stellt eine bekannte Technologie dar und scheint ein geringeres Entwicklungsrisiko zu bergen. Es bleibt jedoch fraglich, ob Nabenantriebe immer die ideale Konfiguration bieten, um den Anforderungen elektrischer Flugzeugantriebe gerecht zu werden.

Ziel des FAST-Fan-Projekts ist es, in diesem Zusammenhang das Potenzial der Felgenantriebstechnologie zu erforschen. Die Ziele bestanden darin, die Technologie zu erforschen, zu analysieren und zu entwickeln und die neuesten verfügbaren Rapid-Prototyping-Techniken zu nutzen, um Designkonzepte durch den Bau eines maßstabsgetreuen Prototypgeräts zu verwirklichen, das für den Antrieb eines kleinen unbemannten Testflugzeugs geeignet ist.

Finite-Elemente-Softwareanalyse mit Blattrotoren (oder „Blotoren“). (WGU)Rim Driven Fans (RDFs) sind eine Art Kanalventilatoren, die über einen durchgehenden Rotorkranz verfügen, der an den Spitzen der Ventilatorflügel befestigt ist, und über elektromagnetische Motorschaltungen im Kanal angetrieben werden. RDFs bieten im Vergleich zu herkömmlichen nabengetriebenen Ventilatoren einige entscheidende Vorteile. Zum Beispiel eine Erhöhung des Schubs pro Frontfläche aufgrund der Beseitigung der Strömungsbeschränkung, die durch den in der Nabe montierten Motor verursacht wird; kürzere Gesamtlänge der Lüfterbaugruppe; eine Verringerung der Tangentialkräfte des Motors, die zur Drehmomenterzeugung erforderlich sind, aufgrund einer Erhöhung des Radialmomentarms; verbesserte Fan-Aerodynamik durch den Wegfall von Fan-Spitzenverlusten; Bereitstellung einer Luftkühlung für die Motorwicklungen und die Möglichkeit, zwei gegenläufig rotierende RDFs problemlos hintereinander zu installieren. Dieser letztere Vorteil führt auch zu Effizienzgewinnen durch die Beseitigung von Strömungswirbeln und erleichtert die Erzeugung erhöhter Fan-Druckverhältnisse, wodurch schnellere Ausflussgeschwindigkeiten und Fluggeschwindigkeiten ermöglicht werden. Ein Nachteil einer RDF-Konfiguration kann ihr Gewicht sein, wenn der elektromagnetische Schaltkreis nicht optimiert ist.

Die Geschichte der RDF-Technologie reicht bis in die frühen 1960er Jahre und den Ryan Vertifan zurück. (NASA) Einer der frühesten Berichte über felgengetriebene Lüftertechnologie für Luft- und Raumfahrtanwendungen stammt aus dem Jahr 1961, als die Ryan Aircraft Corporation das Flugzeug XV-5A Vertifan entwickelte. Die XV-5A-Lüfter wurden pneumatisch durch die Abgase des Triebwerks angetrieben, die auf Turbinenschaufeln wirkten, die sich am Umfang der auftriebserzeugenden Lüfter des Flugzeugs befanden. Obwohl die Lüftertechnologie als Erfolg gewertet wurde, wurde das Felgenantriebselement eingestellt und das Lüfterdesign für die CF6-Hochbypass-Motorkonstruktionen von General Electric weiterentwickelt.

Seit den 1960er Jahren ist die Technologie elektrischer felgengetriebener Ventilatoren für Flugzeuganwendungen auch Gegenstand verschiedener theoretischer Veröffentlichungen, eine der neueren (2006) wurde am Glenn Research Center der NASA durchgeführt und befasste sich mit einem felgengetriebenen Ventilator mit einem Durchmesser von 32 Zoll (813 mm). war Gegenstand einer aktiven magnetischen (schwebenden) Felgenlagerstudie. Allerdings wurden in dieser Studie die Leistungsmerkmale des nabenlosen Lüfters über einen Bereich von Betriebsgeschwindigkeiten hinweg nicht berücksichtigt.

Ein neuerer Bericht über elektrische RDF-Technologie, der 2016 an der WGU durchgeführt wurde, umfasste die Herstellung und Konzeptdemonstration eines kostengünstigen, 3D-gedruckten elektrischen RDF aus Kunststoff für kleine UAV-Anwendungen. In der Studie wurde ein bürstenloser Gleichstrom-RDF mit 115 mm Durchmesser erfolgreich bei verschiedenen Geschwindigkeiten getestet, aber die Lüfterblätter und der elektromagnetische Schaltkreis waren nicht optimal, und die aus dem Test erhaltenen Eingangsleistungs- und Schubwerte wurden als nicht repräsentativ für das tatsächliche Potenzial angesehen. Dennoch wurde das zugrunde liegende Konzept als tragfähig erachtet und der Grundstein für das FAST-Fan-Projekt gelegt.

CFD wurde verwendet, um den Fluss durch die Energieversorgungseinheit numerisch zu modellieren. (WGU) Das Herzstück des FAST-Fan ist die Energizer-Einheit, die das Drehmoment von den Motoren über die Lüfterflügel auf die Luft überträgt. Es gibt eine endliche Geschwindigkeit, mit der Energie auf diese Weise übertragen werden kann, wie durch die Eulersche Arbeitsgleichung geregelt. Der Druckanstieg am Ventilator ist ebenfalls wichtig, da er die erreichbare Ausströmgeschwindigkeit bestimmt, die von der Energiemenge (Drehmoment) abhängt, die pro Fördervolumen übertragen werden kann. Die Energieversorgungseinheit ist daher darauf optimiert, dem Luftstrom die erforderliche maximale Energiemenge zuzuführen, und die Luft wird in einem Kanal mit allmählich abnehmendem Volumen mitgerissen, um den gewünschten Druckanstieg über die beiden Lüfterstufen zu erreichen. Die geschlossenen Lüfterspitzen minimieren Druckverluste und die Gegenrotation der Lüfter sorgt dafür, dass beim Ausströmen von Wirbeln keine Energie verloren geht, wenn die Luft durch die Düse strömt, um Hochgeschwindigkeitsschub zu erzeugen. Die relativen Rotorgeschwindigkeiten können unabhängig moduliert werden, um die Lüfterleistung zu steuern, und wie bei Turbostrahltriebwerken sollte der FAST-Fan vom Staueffekt profitieren, insbesondere beim Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten und Höhen. Kühlluft tritt durch Lüftungsschlitze an der Außenfläche des Einlasses ein und wird durch den Antriebsstrom der austretenden Luft über die Motorwicklungen gezogen.

Die größte Herausforderung bestand darin, eine Konstruktion mit geringem Gewicht, hoher Festigkeit und Effizienz zu erreichen. Von Beginn des Projekts an war es von entscheidender Bedeutung, eine genaue Vorhersage der Drehmoment-Geschwindigkeits-Charakteristik des FAST-Lüfters zu erhalten, damit die Motorschaltungskonstruktion nicht zu leistungsstark und zu schwer für den beabsichtigten Zweck war. Mithilfe von CFD wurde der Fluss durch die Energetisierungseinheit numerisch modelliert, und mit Motor-CAD und FE-Software (Finite-Elemente-Software) wurden die elektromagnetischen Schaltkreise modelliert und die Rotorspannungen analysiert.

Ziel war die Herstellung eines Prototypengeräts. Die Abmessungen des FAST-Fan wurden durch das verfügbare Budget und die Möglichkeiten der Prototyping-Maschine bestimmt. Basierend auf ersten Berechnungen wurde ein Lüfterdurchmesser von 200 mm ausgewählt, der auch einen großzügigen Spielraum von bis zu 300 mm Durchmesser für die Konstruktion und Herstellung des Einlasses und der Düse ermöglichte. Für die Herstellung der Rotorblätter wurden eine neuartige Fertigungstechnik und maßgeschneiderte Werkzeuge entwickelt.

Die aerodynamischen Lüfterflügelprofile für moderne Flugzeuge sind proprietärer Natur und Informationen sind schwer zugänglich. Solche Lüfterblätter sind jedoch häufig für den Betrieb bei Überschallgeschwindigkeiten wie 450 m/s optimiert, was viel höher ist als die erwarteten Werte für den FAST-Fan mit Betriebsluftgeschwindigkeiten im Unterschallbereich von näher an 200 m/s.

Verdichterschaufelprofile galten als besser geeignet für diese Anwendung und glücklicherweise waren die Profil- und Leistungsdaten offen verfügbar. Schließlich wurde ein Standard-Blattprofil der C-Serie ausgewählt und auf dieser Grundlage ein Lüfterblatt mit niedrigem Streckungsverhältnis (<1,5) entwickelt, um eine maximale Energieübertragung auf den Luftstrom zu gewährleisten und gleichzeitig eine minimale vordere Einlassfläche beizubehalten.

Der Konzeptdemonstrator FAST-Fan an der Wrexham Glyndwr University. (WGU)Die Analyse, Konstruktion und Herstellung des beschaufelten Rotors stellten einzigartige Herausforderungen dar und brachten einige interessante und unerwartete Gewinne. Die Felgenstruktur stützt die Schaufelspitzen und mildert so die Biege-, Torsions- und Zentrifugalspannungen, die sich normalerweise am Wurzelende und im Nabenbereich eines Lüfters konzentrieren. Durch die Verteilung dieser Spannungen im beschaufelten Rotor konnten die Blattwurzeln strukturell und aerodynamisch optimiert und die nachteiligen Auswirkungen betriebsbedingter Blattdurchbiegungen vermieden werden. Die Blattwurzeln wurden ausgedünnt und eine aufwändige Verzahnung mit der Nabenstruktur entfiel. Frühere Versuche, beide Enden einzelner Rotorblätter in die Naben- und Felgenstruktur einzupassen, wurden aufgrund unnötiger Komplikationen aufgegeben. Stattdessen ein homogener Blattrotor-„Blotor“! Design entstand.

Es wurden verschiedene Motorarchitekturen analysiert, darunter bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), synchrone Wechselstrommotoren und Induktionsmotoren. Eine BLDC-Konfiguration wurde bald ausgeschlossen (basierend auf früheren Erfahrungen mit Felgenantrieben), da davon ausgegangen wurde, dass die konzentrierten Wicklungen, das Rastmoment und die Drehmomentwelligkeitseffekte zu Motorstart- und Vibrationsproblemen bei niedriger Drehzahl führen würden.

Allerdings schien die Permanentmagnettechnologie eine bessere Drehmomenterzeugung zu bieten als die Konstruktion von Induktionsmotoren. Daher wurde ein Hochspannungs-Wechselstrom-Synchronmotordesign entwickelt. Die FAST-Lüftermotoren sind leicht und verfügen über minimale Eisenstatoren, Aluminiumwicklungen und eisenlose Rotoren. Zur Minimierung von Drehmomentwelligkeiten und Vibrationen werden verteilte Wicklungen mit mehreren Schlitzen verwendet. Aufgrund der höheren Versorgungsspannung und geringeren Anforderungen an die Felgenkraft sind diese nur relativ geringen Strömen ausgesetzt. Dadurch wird die Widerstandserwärmung der luftgekühlten Wicklungen deutlich reduziert und der erreichbare Motorwirkungsgrad auf über 93 % erhöht. Das resultierende kompakte Konzept-Demonstratordesign hat eine maximale Nennleistung von 30 kW und bietet eine spezifische Gesamtleistung von 2,5 kW/kg. Dazu gehören die aktiven (Schaltung) und nicht aktiven (strukturellen) Komponenten wie z. Pylon, Einlass, Düse, Gondel und Ventilatoren usw.

Die Felgenwicklung des FAST-Fans. (WGU)Leistungsvorhersagen wurden für FAST-Fan-Geschwindigkeiten bis zur maximalen Entwurfsgeschwindigkeit von 15.000 U/min erstellt, bei der der erwartete Schub 350 N (36 kg) und die durchschnittliche Ausströmgeschwindigkeit 112 m/s (250 Meilen pro Stunde) beträgt. Die erste qualitative Testphase bei niedriger Drehzahl (bis zu 5.000 U/min) hat gezeigt, dass der Lüfter leise und reibungslos läuft. Dieser Vorteil wurde hauptsächlich auf zwei Konstruktionsmerkmale zurückgeführt: den durch den strukturellen Stator bereitgestellten Abstand zwischen den Rotoren und die Konstruktion mit fester Welle, die das mit rotierenden Wellen verbundene Problem des „Wellenwackelns“ vermeidet. Erste Schubmessungen deuten bereits darauf hin, dass die Leistung besser ist als vorhergesagt, was vermutlich auf die Auswirkungen des auf die Ansauglippe induzierten Schubs zurückzuführen ist. In der nächsten Teststufe sollen die Auswirkungen höherer (bis zu 15.000 U/min) und unterschiedlicher Rotordrehzahlen auf die Leistung des Lüfters untersucht werden.

Die Glyndwr University in Wrexham begrüßt die Zusammenarbeit mit der Industrie, Universitäten und Forschungsorganisationen und hat ihre Forschungsergebnisse öffentlich zugänglich gemacht. (WGU)

Der Quick Electric System Test (QuEST) UAV ist im UAS-Labor der Universität bereits im Gange. Ein Team aus Studenten, Mitarbeitern und Partnern baut dieses 4 m Flügelspannweite und 50 kg schwere MTOM-Flugzeug, das für Flugtests des FAST-Fans gedacht ist.

Bei der Betrachtung breiterer Anwendungen wurde deutlich, dass es überzeugende Argumente für die Einführung der Felgenantriebstechnologie für größere Flugzeuge gab. Die Ergebnisse einer Vergleichsstudie zwischen dem theoretischen zweistufigen RDF und einem vorhandenen modernen kleinen Flachstrahltriebwerk zeigten, dass das RDF als Triebwerk eine kompakte und leichte Alternative zu kleinen Flachstrahltriebwerken darstellt. Es arbeitet bei viel niedrigeren Kerntemperaturen als ein Strahltriebwerk und ist wahrscheinlich leichter, effizienter, einfacher zu überwachen und zu steuern, leiser und bietet viel höhere Werte für den spezifischen Schub. Die nächsten Schritte umfassen den Entwurf und die Modellierung eines effizienten Hochschub- (≈10 kN), Hochgeschwindigkeits- (bis zu Schallfluggeschwindigkeit), emissionsfreien, felgengetriebenen Antriebsgeräts für regionale Passagierflugzeuge, BWB-Geschäftsflugzeuge mit verteiltem Schub und sogar Hochgeschwindigkeitsflugzeuge Hovercraft-Anwendungen.

Der Klimawandel ist auf den Einsatz technischer Geräte zurückzuführen und wird wahrscheinlich auch auf diese Weise gelöst. Scheinbar sind die Herausforderungen auf dem Weg zu Net Zero 2050 überwindbar, vorausgesetzt, dass die Luftfahrtgemeinschaft im Geiste der Zusammenarbeit und Offenheit arbeitet.

Die WGU möchte sich gerne auf diese Weise beteiligen und hat alle veröffentlichten Forschungsergebnisse zum FAST-Fan-Projekt über das Online-Forschungsrepository der Wrexham Glyndwr University https://glyndwr.repository.guildhe.ac.uk/ frei verfügbar gemacht.

Die Wrexham Glyndwr University begrüßt auch Kooperationen mit der Industrie, Universitäten und Forschungsorganisationen. Dieses Projekt wurde von der walisischen Regierung (WEFO) im Rahmen der SMARTExpertise-Initiative (Projektreferenz 82321) finanziert und vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung unterstützt.

Dr. Rob Bolam CEng FRAeS und Doktorand Jhon Paul Roque, 14. März 2023