Drehzahlvariable Hubschrauberturbinen : Eigenschaften, Kennfelder und Betriebsverhalten

Abstract

Die Drehzahlvariabilität des Rotors eines Hubschraubers kann zu einer Erweiterung der Einsatzenveloppe und Effizienzsteigerung von Hubschraubern führen. Neben Getriebelösungen gibt es auch den Ansatz einer drehzahlvariablen Hubschrauberturbine. Die Untersuchung des Potentials und die Erstellung eines Konzeptes für dessen Realisierung ist die Aufgabenstellung des von der FFG, im Rahmen von TAKE OFF geförderten, Forschungsvorhabens VARI SPEED. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als Entscheidungsgrundlage für zukünftige Rotorentwicklung und die Hubschrauberkonfiguration. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden ausschließlich die Eigenschaften und Möglichkeiten von drehzahlvariablen Hubschrauberturbinen untersucht. Bisher wurden im Hubschrauberbau vorwiegend Gasturbinenanlagen mit konstanter Drehzahl eingesetzt. Aufgrund der geänderten Anforderung an die Gasturbinenanlage wird in dieser Arbeit gezeigt, unter welchen Voraussetzungen Gasturbinenanlagen Drehzahlvariabilität zulassen. Für die anschließende Gegenüberstellung mit anderen Lösungen, wie beispielsweise Getrieben, der Drehzahländerung des Hubschrauberrotors sind folgende Parameter bzw. Kennfelder einer drehzahlvariablen Gasturbinenanlage ermittelt worden: • Leistungsverlauf abhängig von der Drehzahl • Drehmomentverlauf abhängig von der Drehzahl • Wirkungsgrad abhängig von Drehzahl und Last • Spezifischer Brennstoffverbrauch abhängig von Drehzahl und Last • Drehzahlbereich der Gasturbinenanlage • Masse einer drehzahlvariablen Gasturbinenanlage bzw. die zu erwartende Massenzunahme durch konstruktive Änderungen verglichen mit herkömmlichen Gasturbinenanlagen Die gewählte Gasturbinenanlagenkonfiguration ist mittels Simulationen mit anderen Lösungen der Drehzahlvariabilität des Hubschrauberrotors verglichen worden. Die Parameter und Erkenntnisse aus dieser Masterarbeit wurden für diesen Vergleich verwendet. Die anschließende Auswertung ist von Mitarbeitern des VARI SPEED Projekts durchgeführt worden.

The speed variability of a helicopter rotor may result in an expansion of application areas and an increase of efficiency of helicopters. In addition to gearbox solutions, there is also the approach of variable-speed helicopter turbine. The VARI SPEED project investigates the potential and develops a concept and was funded by the FFG within the framework of TAKE OFF. The knowledge gained by this project should be a decision basis for future rotor development and helicopter configuration. Within the scope of this thesis the characteristics and possibilities of variable-speed helicopter turbines are investigated. So far helicopter with constant speed gas turbine systems are available. Due to the changed requirement for gas turbines this thesis shows under which conditions a gas turbine with speed variation is operating. For a comparison with other solutions, for example gearboxes, the speed variation of the helicopter rotor following parameters or characteristic diagrams of a variable-speed gas turbine have been determined: • Performance curve depending on the rotational speed • Torque curve depending on the rotational speed • Efficiency depending on rotational speed and load • Specific fuel consumption depending on rotational speed and load • Speed range of the gas turbine • Mass of a variable-speed gas turbine or the expected mass increase due to design changes compared to conventional gas turbines The selected gas turbine configuration has been compared by simulations with other helicopter rotor speed variability solutions. The parameters and knowledge from this master thesis were used for comparison. The subsequent evaluation was carried out by employees of the VARI SPEED project.