Mission performance and cost calculation for variable rotor speed drivetrain

Abstract

The thesis is part of the project VARI-SPEED which aims to develop a variable rotor speed drivetrain for rotorcraft. In this thesis the performance behavior of rotor speed variation in the context of missions was investigated. Three different transmission systems, a single speed transmission, a two speed transmission and a continuous variable transmission were assumed as technology for the rotor speed variation. The single speed transmission was used as reference. The two speed transmission and the continuous variable transmission were assumed with a weight penalty of 65 kg. The considered missions were categorized in 3 different industry sectors: Oil and Gas producing Industry, construction industry and Search and Rescue. A simulation model was set up which first determines the power-optimized single rotor speed for a branch as well as the power-optimized two rotor speeds. In a next step the missions of a branch are simulated with all three transmission system types and the required power and the fuel consumption was evaluated. Knowing the rotorcraft performance the cost of each mission was calculated. In the cost calculation the following costs were considered: depreciation and overhaul costs, fuel and oil costs, crew costs, maintenance costs and indirect costs. In the end the fuel consumption, costs and the variation range of the rotor speed were determined for the whole branch. The investigation was performed to evaluate the different possible transmission technologies for speed variation from the point of view of an operator. It has been shown that using a continuous variable transmission leads to an increase of the flight envelope of up to 17%. The greatest performance advantages of the continuous variable transmission are obtained at high altitudes, airspeeds and payloads. Costs are mainly dependent on flight time. There is a discrepancy between optimum rotor speed for minimum fuel consumption and minimum cost. The economic and ecological interests are therefore in conflict with each other. For standard gearboxes, it was found that the calculated, performance-optimal rotor speed was about 10% lower than the reference speed of the helicopter under consideration. However, no safety aspects such as autorotation capability were taken into account in the calculation. A Two speed transmission does only lead to improvements in the fuel usage and cost during a mission, if the two possible rotor speeds reflect the variation in rotor speed well. This was only the case for a few missions. It was also shown, that a spread between minimum and maximum rotor speed of the continuous variable transmission of 1.5 is sufficient. The findings support the assumption, that the use of variable speed gearboxes in helicopters lead to cost and fuel savings while increasing performance. The cost and performance investigation indicates important design parameters, like spread or target weight, for transmission variable drivetrains. Rotor speed variation can improve the performance of rotorcraft, decrease the fuel consumption and CO2-emissions and can overcome the different requirement between low and fast forward flight for new rotorcraft concepts.

Diese Diplomarbeit ist Teil des Projekts VARI-SPEED, welches die Entwicklung eines drehzahlvariablen Antriebsstranges für Drehflügler zum Ziel hat. In dieser Arbeit wurde das Leistungsverhalten bei Drehzahlvariation im Rahmen von Missionen untersucht. Es wurden drei verschiedene Getriebesysteme, ein Standardgetriebe, ein Zweiganggetriebe und ein stufenloses Getriebe betrachtet, wobei das Standardgetriebe als Referenz diente. Für das Zweiganggetriebe und das stufenlose Getriebe wurde eine Massenerhöhung von 65kg angenommen. Die betrachteten Missionen wurden in 3 verschiedene Branchen eingeteilt: Öl- und Gas Industrie, Bauindustrie und Such- und Rettungsdienst. Es wurde ein Simulationsmodell entwickelt, welches die leistungsoptimierte Standarddrehzahl, sowie die beiden leistungsoptimierten Drehzahlen des Zweiganggetriebes für jede Branche berechnet. Im nächsten Schritt werden die Missionen einer Branche mit allen drei Getriebevarianten simuliert und die benötigte Leistung sowie der Kraftstoffverbrauch ermittelt. Anschließend wurden die Kosten jeder Mission berechnet. Bei der Kostenberechnung wurden folgende Kosten berücksichtigt: Abschreibungs- und Überholungskosten, Treibstoff- und Ölkosten, Besatzungskosten, Wartungskosten und indirekte Kosten. Am Ende wurden der Treibstoffverbrauch, die Kosten und der Drehzahlbereich für die gesamte Branche ermittelt. Die Untersuchung wurde durchgeführt um die verschiedenen möglichen Getriebetechnologien für die Drehzahlvariation aus der Sicht eines Hubschrauberbetreibers zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass durch den Einsatz eines stufenlosen Getriebes die Flugenveloppe um bis zu 17% vergrößert werden kann. Die größten Leistungsvorteile des stufenlosen Getriebes ergeben sich bei großen Höhen, Fluggeschwindigkeiten und Beladungen. Die Kosten sind Hauptsächlich von der Flugzeit abhänging, daher gibt es eine Diskrepanz zwischen der Fluggeschwindigkeit für minimalen Treibstoffverbrauch und minimalen Kosten. Die ökonomischen und ökologischen Interessen stehen daher im Widerspruch zueinander. Für Standardgetriebe zeigte sich, dass die berechnete, leistungsoptimale Drehzahl 10% geringer als die Referenzdrehzahl des betrachteten Hubschraubers ist. Jedoch wurden keine Sicherheitsaspekte wie die Autorotationsfähigkeit bei der Berechnung berücksichtigt. Ein Zweiganggetriebe führt nur dann zur Verringerung des Treibstoffverbrauchs und der Kosten, wenn die beiden Rotordrehzahlen den Drehzahlverlauf gut abbilden. Dies war nur bei einigen wenigen Missionen der Fall. Es wurde außerdem gezeigt, dass eine Spreizung zwischen minimaler und maximaler Drehzahl des stufenlosen Getriebes von 1,5 ausreichend ist. Die erlangten Erkenntnisse stützen die Annahme, dass der Einsatz von drehzahlvariablen Getrieben bei Hubschraubern zu Kosten- und Treibstoffeinsparungen bei gleichzeitiger Leistungssteigerung führt. Die Kosten- und Leistungsuntersuchung liefert wichtige Konstruktionsparameter wie Spreizung oder Zielgewicht für stufenlose Getriebeantriebe. Die Variation der Rotordrehzahl kann die Leistung von Drehflüglern verbessern, sowie den Treibstoffverbrauch und die CO2- Emissionen senken. Auch die unterschiedlichen Anforderungen für niedrigen und schnellen Vorwärtsflug bei neuen Drehflügler-Konzepten können erfüllt werden.