DE102023203544A1

DE102023203544A1 - Fluidkreislauf einer antriebseinheit, antriebseinheit, flugzeug

Info

Publication number: DE102023203544A1
Application number: DE102023203544.8A
Authority: DE
Inventors: Patrick Springer; Daniel Prokein; Martin Thummet; Nikolai Herzog
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2023-04-18
Filing date: 2023-04-18
Publication date: 2024-10-24

Abstract

Die Offenbarung betrifft einen Fluidkreislauf (10) für mindestens eine elektrische Antriebseinheit (20), aufweisend: einen ersten Druckkreislauf (300), der ausgebildet ist, die Antriebseinheit (20) zu kühlen, und einen zweiten Druckkreislauf (100) mit einem hydraulischen Stellsystem (105), gekennzeichnet durch einen Versorgungszweig (200), wobei der Versorgungszweig (200) zumindest ein Fluidreservoir (205) aufweist, wobei der erste Druckkreislauf (300) und der zweite Druckkreislauf (100) mit dem Versorgungszweig (200) fluidisch gekoppelt sind.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Fluidkreislauf einer elektrischen und/oder hybriden Maschine, eine Antriebseinheit und ein entsprechendes Flugzeug.
Luftfahrzeuge werden in vielfältigen Ausgestaltungen angetrieben. Antriebe mit einem oder mehreren Elektromotoren oder hybridelektrische Antriebe ermöglichen einen Einsatz von nachhaltig erzeugter Energie und sind mitunter besonders wartungsarm und leise. Die Systemarchitektur der Regelungssysteme solcher Antriebe ist von hoher Bedeutung.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis, Regelungssysteme von beispielsweise elektrischen und/oder hybriden Maschinen möglichst einfach und kompakt zu gestalten, wobei eine möglichst flexible Zusammenschaltung von Regelungssystemen zur Regelung von Temperatur als auch zur Betätigung von mechanischen Systemen genutzt werden kann. Im Stand der Technik ist der Einsatz von kombinierten und/oder gekoppelten Fluidkreisläufen wie beispielsweise gekoppelte Kälteanlagen mit Wärmepumpen für den Einsatz in Fahrzeugen bekannt. Es ist zurzeit jedoch eher unüblich, thermische und hydraulische Fluidkreisläufe miteinander zu koppeln. Vielmehr kommen derzeit üblicherweise hydraulische und thermische Regelkreise getrennt zum Einsatz in beispielsweise elektrischen und hybriden Maschinen oder Flugzeugen.
Nachteilig bei den bekannten Systemkombinationen ist es, dass jede Systemarchitektur, auch wenn sie kombiniert und/oder gekoppelt ist, eigene Systemkomponenten hat, die für jeden Systemkreislauf getrennt gewartet werden müssen und eventuell dadurch auch höhere Kosten verursachen. Eine höhere Anzahl an Systemkomponenten bedeutet auch ein hohes Gesamtgewicht, höherer Bauraumbedarf und mehr Komplexität.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Fluidkreislauf, eine Antriebseinheit und ein Flugzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung geht aus von einem Fluidkreislauf, für mindestens eine elektrische Antriebseinheit, aufweisend: einen ersten Druckkreislauf, der ausgebildet ist, die Antriebseinheit zu kühlen, einen zweiten Druckkreislauf mit einem hydraulischen Stellsystem.
Erfindungsgemäß ist ein Versorgungszweig vorgesehen, wobei der Versorgungszweig zumindest ein Fluidreservoir aufweist, wobei der erste Druckkreislauf und der zweite Druckkreislauf mit dem Versorgungszweig fluidisch gekoppelt sind.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, sowohl zur Übertragung von Wärme als auch Druck genutzt werden kann.
Dadurch, dass ein Versorgungszweig vorgesehen wird, der mit dem ersten Druckkreislauf und dem zweiten Druckkreislauf fluidisch gekoppelt ist, kann Gewichteinsparung (z. B. für Fahrzeuge und insbesondere für Luftfahrzeuge), weniger Komplexität und somit Fehleranfälligkeit, weniger Inanspruchnahme von Bauraum, sowie weniger Energieverluste aufgewiesen werden.
Hierdurch wird eine Versorgung ermöglicht, bei der mindestens zwei verschiedene fluidisch verbundene Druckkreisläufe, insbesondere mit unterschiedlichen Anwendungszwecken, das gleiche Fluid hydraulisch und/oder thermisch nutzen. Der Versorgungszweig kann somit als die Schnittstelle beider Druckkreisläufe betrachtet werden. Er kann beispielsweise parallel zu den anderen beiden Druckkreisläufen angeordnet sein. Er kann beispielsweise auch in Reihe zu den beiden Druckkreisläufen angeordnet sein.
Hierdurch wird ermöglicht, durch Regulierung eines Druckniveaus und/oder eines Volumen- bzw. Massestroms, insbesondere individuell in den jeweiligen Druckkreisläufen, das Fluid im ersten Druckkreislauf primär zum Kühlen und gleichzeitig im zweiten Druckkreislauf primär zum hydraulischen Betätigen einzusetzen. Somit weist der Fluidkreislauf vorzugsweise ein Fluid, wie Hydraulikfluid bzw. Öl führend, auf, das gemäß der vorliegenden Offenbarung sowohl für eine kühlende Funktion, beispielsweise zum Kühlen einer elektrischen Antriebseinheit, die vollelektrische und hybridelektrische Antriebeinheiten umfasst, als auch für eine hydraulische Betätigungsfunktion, beispielsweise zum Einstellen eines Anstellwinkels von Propellerblättern eines Verstellpropellers, geeignet ist. Vorzugsweise können eine oder mehrere, insbesondere fluidführende Leitungen und Systemkomponenten, unter anderem das Fluidreservoir, gegenüber der Umgebung abgedichtet sein, um einen unerwünschten Fluidaustritt aus dem Fluidreservoir in Richtung der Umgebung zu vermeiden. Des Weiteren können vorzugsweise sowohl der erste und/oder der zweite Druckkreislauf, als auch der Versorgungszweig, geschlossene Kreisläufe sein. Unerwünscht hohe Drücke im Inneren des Fluidreservoirs können beispielsweise durch Entlüftung mit einer geeigneten Verbindung mit der Umgebung vermieden werden.
Der Begriff „Kreislauf“ bzw. „Fluidkreislauf“ ist im Rahmen der Anmeldung als ein System zum zyklischen Führen eines Fluids zu verstehen. Der erste Druckkreislauf und der zweite Druckkreislauf müssen somit insbesondere nicht in sich jeweils einzelne Kreisläufe bilden, sondern sind als Teil des gesamten Fluidkreislaufs anzusehen. Insbesondere bilden der erste Druckkreislauf und der zweite Druckkreislauf, beispielsweise in fluidisch paralleler Anordnung, zusammen mit dem Versorgungszweig den Fluidkreislauf. „Fluidisch parallel“ bedeutet insbesondere, dass parallele fluidführende Zweige gebildet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, dass oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Versorgungszweig eine Fluidpumpe aufweist. In einer derartigen Weiterbildung können der erste und der zweite Druckkreislauf mittels einer gemeinsamen Fluidpumpe versorgt werden.
Insbesondere sollen mindestens zwei Druckkreisläufe vorgeschlagen werden, die kompakt aufgebaut sind, Schnittstellen beispielsweise in Form von Systemkomponenten aufweisen und eine unterschiedliche Verschaltung von Fluidströmen ermöglichen, unter anderem, zur thermischen und/oder hydraulischen Regulierung nutzbar sind. Dabei können Differenzdrücke und/oder Volumenströme der Druckkreisläufe geregelt und durch den Fluidkreislauf geleitet werden, so dass sowohl gekühlt als auch mechanisch betätigt werden kann. Insbesondere ist das Fluid eine Flüssigkeit, z.B. ein Öl. Insbesondere umfasst der Fluidkreislauf das Fluid.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckkreislauf und der zweite Druckkreislauf fluidisch parallel angeordnet sind. Dies bedeutet beispielsweise, dass, insbesondere ab einer Verzweigung im Versorgungszweig, der erste Druckkreislauf und der zweite Druckkreislauf getrennt angeordnet sind.
Bei einer parallelen Anordnung von Druckkreisläufen kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass eine Mindestleistung des Fluidkreislaufs auch bei Ausfall eines Druckkreislaufs erhalten bleibt, und insbesondere der andere Druckkreislauf nicht, oder in einem geringeren Maße, beeinflusst wird. Beispielsweise kann der Fluidkreislauf ein Absperrventil, insbesondere ein Rückschlagventil, aufweisen, das ausgebildet ist, den ersten und zweiten Druckkreislauf fluidisch zu trennen. Auf diese Weise kann der Fluidkreislauf hinsichtlich seiner Fehlertoleranz verbessert werden. Allgemein addieren sich in einer Reihenschaltung die Drücke und in einer Parallelschaltung die Volumenströme. Eine Weiterbildung betrachtet beispielsweise die Parallelschaltung beider Druckkreisläufe und eine Reihenschaltung des Versorgungszweigs, wobei der Versorgungszweig als Schnittstelle bzw. als Bestandteil beider Druckreisläufe agiert. Ferner ist an einer Parallelschaltung vorteilhaft, dass die Summe aller Volumenströme identisch mit der Fördermenge der Hydraulikpumpe ist und die Druckdifferenz an jeder Einzelkomponente gleich ausfällt. In einer anderen möglichen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Druckkreislauf und der zweite Druckkreislauf fluidisch in Reihe angeordnet sind.
Eine Weiterbildung des Fluidkreislaufs sieht vor, dass ein zweiter Druck Ps im zweiten Druckkreislauf höher ausgebildet ist als ein erster Druck P_K im ersten Druckkreislauf.
Der erste Druck P_K gehört hierbei dem Druckkreislauf an, der zum Kühlen beispielsweise einer elektrischen und/oder hybriden Antriebseinheit verwendet werden kann, wobei der erste Druck P_K beispielsweise in einem Druckbereich kleiner oder gleich 5 bar, liegt. Insbesondere ist der erste Druck P_K größer als oder gleich dem Referenzdruck P₀.
Der zweite Druck Ps gehört zum hydraulischen Stellsystem und wird vorzugsweise zur hydraulischen Betätigung eines mechanischen Systems verwendet. Beispielsweise liegt der zweite Druck in einem Druckbereich von über 5 bar.
Den Anfangsdruck für beide Druckkreisläufe liefert der Versorgungszweig. Der Versorgungszweig weist, insbesondere an einem Ort stromabwärts von der Fluidpumpe, einen Versorgungsdruck Pv auf. Der Versorgungsdruck Pv kann in einem Bereich von kleiner oder gleich 5 bar liegen, bevorzugt von 1 bar bis 4 bar, besonders bevorzugt von 1,5 bar bis 3 bar.
Es kann beispielsweise beim Passieren von Systemkomponenten des Fluidkreislaufs zu Druckdifferenzen und/oder Druckverlusten an einzelnen Stationen kommen, wobei sich das in einem Druckabfall oder Druckanstieg äußern kann.
Allgemein kann der Gesamtwiderstand eines hydraulischen Systems analog zur Elektrik mit Modellen der Reihen- und Parallelschaltung berechnet werden. Daraus ergibt sich für die Reihenschaltung, dass die Summe aller Einzeldruckverluste den Gesamtdruckverlust ergibt. Bei der Parallelschaltung von Hydraulikkomponenten herrscht an jeder Einzelkomponente die gleiche Druckdifferenz und die Summe aller Volumenströme ist identisch mit der Fördermenge.
Eine Weiterbildung des Fluidkreislaufs sieht vor, dass der Versorgungszweig mindestens eine Verzweigung aufweist, wobei die Verzweigung ausgebildet ist, den Versorgungszweig mit dem ersten und dem zweiten Druckkreislauf fluidisch zu koppeln.
Der Versorgungszweig ist die Schnittstelle beider Druckkreisläufe und fluidisch mit dem ersten und/oder dem zweiten Druckkreislauf verbunden oder verbindbar. Insbesondere weist er mindestens eine Verzweigung auf. Die Verzweigung verbindet den Versorgungszweig fluidisch mit dem ersten und dem zweiten Druckkreislauf. Zur Regelung der Drücke und/oder Volumenströme im Gesamtsystem kann somit ein gemeinsames Fluid verwendet werden. Das Fluid kann, fluidisch systemübergreifend verbunden, beispielsweise über Leitungen und durch jeden Druckkreislauf fließen, wobei es unterschiedliche Druckniveaus annehmen kann. Um dies zu gewährleisten, ist mindestens eine Verzweigung erforderlich, an der eine fluidische Aufteilung in die jeweiligen Druckkreisläufe erfolgt.
Eine Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweigung ein Regelventil ist, das ausgebildet ist, einen Druck und/oder einen Volumenstrom zu beeinflussen. Insbesondere ist das Regelventil ausgebildet, einen ersten Druck und/oder einen ersten Volumenstrom im ersten Druckkreislauf zu beeinflussen. Alternativ oder zusätzlich kann das Regelventil ausgebildet sein, einen zweiten Druck und/oder einen zweiten Volumenstrom im zweiten Druckkreislauf zu beeinflussen. Insbesondere ist das Regelventil ausgebildet, einen Druck und/oder einen Volumenstrom in Abhängigkeit eines Steuersignals einzustellen, wobei das Steuersignal insbesondere elektronisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch sein kann.
Die vorliegende Verzweigung ist vorzugsweise als ein Regelventil ausgebildet, oder weist ein Regelventil auf. Das Regelventil ist ausgebildet, den ersten und/oder den zweiten Druckkreislauf zu regeln. Insbesondere ist das Regelventil ausgebildet, einen Volumenstrom des Fluids aufzuteilen und selektiv, insbesondere in Abhängigkeit eines Stellsignals, dem ersten und/oder den zweiten Druckkreislauf zuzuführen. Insbesondere eignet sich ein Regelventil für die Regelung eines oder mehrerer Drücke in dem Fluidkreislauf, insbesondere für die Regelung des ersten und/oder zweiten Drucks. Zu diesem Zweck kann der Ventilmechanismus des Regelventils des Fluidkreislaufes ausgebildet sein, die Fördermenge und/oder den Druck des Fluids für den jeweiligen Druckkreislauf einzustellen. In einer Weiterbildung kann der Fluidkreislauf ein Ventil, beispielsweise ein Rückschlagventil, aufweisen, das so ausgelegt ist, dass es das Fluid in eine Richtung passieren lässt und in eine entgegengesetzte Richtung sperrt. Ein Rücklaufventil kann beispielsweise im zweiten Druckkreislauf angeordnet und ausgebildet sein, das von einer Hochdruckpumpe verdichtete Fluid nicht zurück in den Versorgungszweig strömen zu lassen. Bevorzugt kann das Rückschlagventil in oder an der Verzweigung angeordnet sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung schlägt weiterhin vor, dass der Versorgungszweig mindestens eine Zusammenführung aufweist, wobei die Zusammenführung den ersten und den zweiten Druckkreislauf mit dem Versorgungszweig fluidisch zusammenführt. In einer derartigen Weiterbildung kann der Versorgungszweig sowohl die Aufgabe übernehmen, das Fluid mit einer geeigneten Verzweigung über Leitungen in beide Druckkreisläufe zu verteilen, als auch an geeigneter Stelle wieder zusammenzuführen. Beispielsweise kann die Zusammenführung in oder an dem Fluidreservoir angeordnet sein. Die Leitungen des ersten und zweiten Druckkreislaufes verlaufen dann zur zusammenführenden Systemkomponente, beispielsweise dem Fluidreservoir. Insbesondere besteht dazwischen eine Fluidverbindung; die Leitungen des ersten und zweiten Druckkreislaufes sind durch die Zusammenführung fluidisch gekoppelt. In Weiterbildungen kann ein erster Volumenstrom des ersten Druckkreislaufes größer, beispielsweise bis zu fünfmal größer, ausgebildet sein gegenüber einem zweiten Volumenstrom des zweiten Druckkreislaufes. Insbesondere wird der Versorgungszweig eingangsseitig durch eine Zusammenführung, und ausgangsseitig durch eine Verzweigung begrenzt.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungszweig, oder der erste Druckkreislauf, einen Wärmetauscher aufweist.
Im Fluidkreislauf kann vorzugsweise mindestens ein Wärmetauscher angeordnet sein. Der Wärmetauscher ist ausgebildet, eine Temperaturänderung im Fluid herbeizuführen. Insbesondere kühlt im Wärmetauscher durchströmende Luft und/ oder ein sekundäres Fluid, beispielsweise eine sekundäre Flüssigkeit, das Fluid. Das im Wärmetauscher gekühlte Fluid kann durch die Leitung weiter durch die Systemkomponenten des Fluidkreislaufes gefördert werden. Der Wärmetauscher kann bevorzugt an einer Stelle positioniert werden, der für beide Druckkreisläufe, die fluidisch gekoppelt sind, thermisch vorteilhaft ist. Durch die Kombination von erstem und zweiten Druckkreislauf gemäß dem Konzept der Erfindung kann vorteilhaft ein Wärmetauscher zum Abführen von Wärme aus beiden Druckkreisläufen genutzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste und/oder der zweite Druckkreislauf geschlossen. „Geschlossen“ bedeutet insbesondere, dass das zirkulierende Fluid aus einem gemeinsamen Fluidreservoir gepumpt wird, wobei es durch beide Druckkreisläufe strömt und anschließend zum Fluidreservoir zurückgespeist wird.
Vorzugsweise ist ein Fluidkreislauf geschlossen, um eine dauerhafte Zirkulation des Fluids zu gewährleisten und die erforderlichen Betriebsdrücke in den jeweiligen Druckkreisläufen aufrecht zu erhalten. Vorzugsweise können ein oder mehrere, insbesondere alle, fluidführenden Leitungen und Systemkomponenten, beispielsweise das Fluidreservoir und die Fluidpumpe, gegenüber der Umgebung abgedichtet sein, um einen unerwünschten Fluidaustritt aus dem Fluidreservoir in Richtung der Umgebung zu vermeiden.
Die Erfindung schlägt weiterhin vor, dass die elektrische Antriebseinheit mindestens eine elektrische Maschine aufweist, die mit dem ersten Druckkreislauf thermisch gekoppelt ist.
Die elektrische Antriebseinheit kann z.B. ein Luftfahrzeug antreiben oder eine Rotoreinheit. Bei der Rotoreinheit kann es sich beispielsweise um einen Propeller oder einen Fan handeln. Die thermische Kopplung mit dem ersten Druckkreislauf, der den Kühlkreislauf ausbildet, ist zum Kühlen der elektrischen Maschine(n) und/oder der Antriebseinheit(en) vorgesehen.
Eine Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine mindestens eine Windung aufweist, wobei der erste Druckkreislauf fluidisch mit der mindestens einen in Verbindung steht. Dies bedeutet insbesondere, dass ein direkter Kontakt des Fluids mit der mindestens einen Windung (bzw. mit einer Isolation der Windung) hergestellt wird, um eine Kühlung der mindestens einen Windung zu erwirken.
Der erste Druckkreislauf ist der primär zum Kühlen vorgesehene Teil des Fluidkreislaufes. Mit einer direkten Kühlung kann ein fluidischer Kontakt mit den Windungen, insbesondere der Spulen, der elektrischen Maschine hergestellt werden, was eine besonders effiziente Kühlung ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich kann in Weiterbildungen eine indirekte Fluidkühlung vorgesehen sein, wobei eine mittelbare thermische Kopplung, z.B. mittels eines Kühlkörpers, erfolgt. Insbesondere kann der Fluidkreislauf mindestens einen Kühlkanal, insbesondere Kühlmantel, aufweisen, der in der elektrischen Maschine angeordnet ist und zum Führen des Fluids ausgebildet ist. Der Kühlkanal kann einen geschlossenen Querschnitt aufweisen, und beispielsweise als Rohr, oder zylindrische Bohrung in einer Komponente der elektrischen Maschine ausgebildet sein. In anderen Weiterbildungen kann der Kühlkanal einen offenen Querschnitt aufweisen, und beispielsweise als Nut in einer Komponente der elektrischen Maschine ausgebildet sein. Der Kühlkanal kann beispielsweise im Gehäuse der elektrischen Maschine und/oder Stator, insbesondere in einem Statorzahn, angeordnet sein. Durch die Positionierung des Kühlkanals kann eine effektive Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere eine mittelbare Kühlung der Windungen, erreicht werden. Bei einer indirekten Fluidkühlung ist insbesondere keine fluidische Berührung mit den Windungen vorgesehen. Der erforderliche Druck kann bei einer direkten Kühlung der Windungen (das heißt, wenn der erste Druckkreislauf fluidisch mit der mindestens einen Windung in Verbindung steht) niedriger sein, insbesondere um ein Vielfaches niedriger als bei einer indirekten Kühlung. Verlaufen beispielsweise eine oder mehrere Leitungen des ersten Druckkreislaufes zwischen und/oder in der Nähe der Spulen der elektrischen Maschine, könnte so sogar Wärme besonders effektiv abgeführt werden. Ferner kann die elektrische Maschine beispielsweise ein Elektromotor sein, der einen Stator mit elektrischen Spulen sowie einen drehbaren Rotor umfassen.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist die Fluidpumpe der elektrischen Antriebseinheit antreibbar. In einer derartigen Weiterbildung ist die Fluidpumpe, die angetrieben wird, mit einer Antriebswelle einer elektrischen Antriebseinheit mechanisch zum Empfangen einer Antriebsbewegung verbunden. Das hydraulische Stellsystem stellt den zum Verstellen der Anstellwinkel der Propellerblätter erforderlichen hydraulischen Druck zur Verfügung. Dadurch, dass der Versorgungszweig mit der Fluidpumpe das Fluid mit einem Versorgungsdruck bereitstellt, empfängt das hydraulische Stellsystem das Fluid bereits in einem vorbedruckten Zustand.
In einer weiteren vorgeschlagenen Ausführungsform weist das hydraulische Stellsystem eine Hochdruckpumpe zur steuerbaren Erzeugung des zweiten Druckes auf. Die Hochdruckpumpe kann durch die elektrische Antriebseinheit mittels einer Antriebswelle antreibbar sein. Die Hochdruckpumpe kann unmittelbar, oder mittelbar (beispielsweise über ein Getriebe), mechanisch mit der elektrischen Antriebseinheit gekoppelt sein zum Empfangen einer Antriebsbewegung. Das hydraulische Stellsystem wird beispielsweise über ein Getriebe angetrieben, das mit einer Antriebswelle der elektrischen Antriebseinheit mechanisch verbunden ist. Die mechanische Verbindung stellt sicher, dass bei einer Referenzdrehzahl ein definierter Vordruck erzeugt wird. Das hydraulische Stellsystem kann eine integrierte Hochdruckpumpe aufweisen, die mit dem zugeführten Vordruck der Fluidpumpe den erforderlichen hohen hydraulischen Druck, beispielsweise zum Verstellen der Anstellwinkel der Propellerblätter, zur Verfügung stellt. Im Vergleich zum Kühlkreislauf ist der erforderliche hydraulische Druck, das heißt der zweite Druck, höher, beispielsweise um einen Faktor von mindestens 5.
Eine Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Stellsystem mindestens einen hydraulischen Stellkolben aufweist. Der hydraulische Stellkolben kann zum Einstellen einer Propellerkomponente, insbesondere eines Anstellwinkels der Propellerkomponente, in Abhängigkeit des zweiten Druckes Ps ausgebildet sein.
Die Leitung in der Antriebswelle der elektrischen Antriebseinheit kann mit dem hydraulischen Stellsystem fluidisch in Verbindung stehen, welches Teil des zweiten Druckkreislaufes ist und einen mit dem hydraulischen Regeldruck der Fluidpumpe beaufschlagbaren hydraulischen Stellkolben umfasst. Der hydraulische Stellkolben kann vom hydraulischen Regeldruck vorzugsweise gegen Federn in axialer Richtung verstellbar ausgeführt sein. Der Anstellwinkel der Propellerkomponente, wie beispielsweise eines Propellerblatts des Verstellpropellers, kann in Abhängigkeit einer axialen Stellung des hydraulischen Stellkolbens mittels hydraulischen Druckes verstellt werden. Der erforderliche hydraulische Druck wird hierfür vom zweiten Druckkreislauf erzeugt. Insbesondere ist der zweite Druck der hydraulische Druck. Derartige Propellerkomponenten kommen unter anderem als Luftschrauben oder als Schiffspropeller zum Einsatz. Die Blattsteigung (Pitch) von in der Luftfahrt eingesetzten Luftschrauben kann durch Verdrehen der einzelnen Propellerblätter, insbesondere um deren Längsachse, am Boden oder während des Fluges verstellt werden.
Des Weiteren ist mittels beispielsweise Verstellpropellern auch eine Schubumkehr sowie eine Segelstellung darstellbar, wobei in der Segelstellung von Propellerblättern im Triebwerkstillstand der geringste Luftwiderstand vorliegt und der Anstellwinkel der Propellerblätter groß ist. Folgende drei Betriebszustände können beispielsweise betrachtet werden. In einem normalen Betriebszustand wird der erforderliche Druck zum Betätigen der Propellerkomponente aus dem zweiten Druckkreislauf bereitgestellt. In einem weiteren, Segel-Betriebszustand ist der Propeller in einer Segelstellung, insbesondere durch kurzfristiges Absenken des zweiten Druckes und/oder ein mechanisches Bewegen der Propellerblätter in die Segelstellung, beispielsweise durch eine Rückstellfeder. In einem Leckage-Betriebszustand erfolgt die Rückführung von unbedrucktem Fluid aus Abdichtung zwischen stehendem und rotierendem System. Bei allen aufgeführten Betriebszuständen, insbesondere dem Leckage-Betriebszustand des hydraulischen Stellsystems, ist das Fluid über Ablaufleitungen des zweiten Druckkreislaufes wieder zurück zum Fluidreservoir ausleitbar. Auf diese Weise wird ein Fluidverlust der elektrischen Antriebsvorrichtung auf konstruktiv einfache Art und Weise vermieden bzw. geringgehalten.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine kinematische Viskosität aufweist, wobei die Viskosität bei 40° C in einem Bereich von 2 bis 40 mm²/s, bevorzugt von 5 bis 30 mm²/s, besonders bevorzugt von 10 bis 15 mm²/s, liegt.
Die Viskosität eines Fluids verändert sich in Abhängigkeit von ihrer Temperatur und dem Druck. Sie nimmt mit steigender Temperatur typischerweise stark ab und nähert sich bei tiefen Temperaturen dem Stockpunkt. Beispielsweise kann bei Drosselvorgängen mit hohem Druckabfall die Viskosität von Fluiden stark abnehmen.
Die Auswahl eines geeignetes Fluids für einen Anwendungsfall richtet sich beispielsweise nach dem Betriebstemperatur-Intervall des Fluidkreislaufes. Vorteilhaft kann ein für die zu erwartenden Temperaturen im Fluidkreislauf geeignetes Fluid ausgewählt werden, wobei vorteilhaft ein Kompromiss gefunden wird, der die möglicherweise abweichenden Anforderungen von erstem und zweitem Druckkreislauf erfüllt.
Eine Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid einen sogenannten Pourpoint aufweist, wobei der Pourpoint in einem Bereich von -40° C bis -70° C, bevorzugt von -45° C bis -60° C, besonders bevorzugt von -50° C bis -55° C liegt.
Ein weiterer Fluidparameter ist der sogenannte Pourpoint, die Temperatur des Fluids, bei der es bei Abkühlung gerade noch fließt. Die Auswahl eines geeignetes Fluids kann sich ebenfalls nach dem Betriebstemperatur-Intervall des Fluidkreislaufs richten.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid einen Flammpunkt aufweist, wobei der Flammpunkt in einem Bereich von 100° C bis 320°C, bevorzugt von 150°C bis 290°C, besonders bevorzugt von 230°C bis 260°C liegt.
Der Flammpunkt eines Fluids ist die niedrigste Temperatur, bei der sich über einem Stoff ein zündfähiges Dampf-Luft-Gemisch bilden kann. Die Auswahl eines geeignetes Fluids richtet sich nach dem Betriebstemperatur-Intervall des Fluidkreislaufs.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, die eine elektrische oder hybride Maschine und einen Fluidkreislauf gemäß dem ersten Aspekt umfasst. Hinsichtlich der Vorteile wird auf die obigen Angaben Bezug genommen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Flugzeug, das eine Antriebseinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst. Beispielsweise weist das Flugzeug mehrere Antriebseinheiten auf, die einen Fluidkreislauf aufweisen. Insbesondere weist jede Antriebseinheit mindestens einen Fluidkreislauf auf.
Im Folgenden wird die Offenbarung, ohne hierauf beschränkt zu sein, anhand von beispielhaften Ausführungsvarianten unter Verwendung der beigefügten Figuren exemplarisch beschrieben, wobei gleiche Systemkomponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigen in Form von schematischen Blockdiagrammen:

1 eine schematische Darstellung beteiligter Systemkomponenten gemäß dem Konzept der vorliegenden Erfindung,
2 ein vereinfachter Hydraulikplan gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 ein vereinfachter Hydraulikplan gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 ein vereinfachter Hydraulikplan gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 ein vereinfachter Hydraulikplan gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebseinheit 20 in Form eines Blockschaltbildes, wobei exemplarisch deren Funktionsweise gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt wird.
Gezeigt ist ein hydraulischer Stellkolben 110 in Form eines Propellerkolbens 112 einer Propellerkomponente 30 eines Propellers, der über eine Antriebswelle 135 von einer elektrische Maschine 310 angetrieben wird. Die Antriebswelle 135 ist ferner mit einem Getriebe 140 mechanisch verbunden.
Ein Fluidreservoir 205 versorgt über einen ersten Leitungsabschnitt 215.1 des Versorgungszweiges 200 eine Fluidpumpe 210 mit Fluid. Die Fluidpumpe 210 leitet das Fluid über einen zweiten Leitungsabschnitt 215.2 des Versorgungszweiges 200 in einen Wärmetauscher 330. Diese Systemkomponenten bilden den Versorgungszweig 200 des Fluidkreislaufs 10. Der Fluidkreislauf 10 stellt die Schnittstelle zwischen dem ersten Druckkreislauf 300 und dem zweiten Druckkreislauf 100 dar. Vom Wärmetauscher 330 führt ein dritter Leitungsabschnitt 215.3 des Versorgungszweiges 200 zu einer Verzweigung 320, wo ein erster Leitungsabschnitt 325.1 des ersten Druckkreislaufes 300, und ein Anschlussleitungsabschnitt 130.7 des zweiten Druckkreislaufes 300 abzweigt. Die Verzweigung kann, wie hier gezeigt, ein Absperrventil 321 aufweisen, das ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Druckkreislauf 300, 100 fluidisch voneinander zu trennen.
Der erste Druckkreislauf 300 ist zum Kühlen des Systems vorgesehen. Insbesondere soll hierfür ein vorzugsweise relativ hoher Volumenstrom V_K des ersten Druckkreislaufes 300 erreicht werden. Vom Wärmetauscher 330 wird das Fluid durch den ersten Leitungsabschnitt 325.1 und einen anschließenden zweiten Leitungsabschnitt 325.2 des ersten Druckkreislaufes 300 zum Wechselrichter 315 geleitet, der weiter über einen dritten Leitungsabschnitt 325.3 des ersten Druckkreislaufes 300 mit der elektrischen Maschine 310 fluidisch verbunden ist. Von der elektrischen Maschine 310 wird das Fluid über einen vierten Leitungsabschnitt 325.4 und fünften Leitungsabschnitt 325.5 des ersten Druckkreislaufes 300 zurück zum Fluidreservoir 205 geleitet.
Der zweite Druckkreislauf 100 umfasst das hydraulische Stellsystem 105 und leitet über einen ersten Leitungsabschnitt 130.1 und den zweiten Leitungsabschnitt 130.2 des zweiten Druckkreislaufes 100 das Fluid zum Fluidreservoir 205 zurück. Zusätzlich kann im hydraulischen Stellsystem 105 verdichtetes Fluid über einen vierten Leitungsabschnitt 130.4 des zweiten Druckkreislaufes 100, an die Antriebswelle 135 und über einen dritten Leitungsabschnitt 130.3 des zweiten Druckkreislaufes 100 das Fluid zurück in das Fluidreservoir 205 geleitet werden. Insofern fungiert das Fluidreservoir 205 in dieser Ausführungsform als eine Zusammenführung 322, bzw. weist diese auf. Die Antriebswelle 135 umfasst insbesondere eine innenliegende und entlang deren Längsachse verlaufende Fluidleitung, welche den Propellerkolben 112 fluidisch mit dem hydraulischen Stellsystem 105 verbindet.
2 veranschaulicht den beispielhaften Aufbau eines Fluidkreislaufs 10 in einer ersten Ausführungsvariante, wobei die wesentlichen Systemkomponenten in einem Hydraulikplan veranschaulicht werden. Ein Versorgungszweig 200 ist in Bezug zu einem ersten Druckkreislauf 300 und einem zweiten Druckkreislauf 100 in Reihe angeordnet, der erste Druckkreislauf 300 und der zweite Druckkreislauf 100 sind zueinander parallel angeordnet.
Der Versorgungszweig 200 umfasst ein Fluidreservoir 205 und eine Fluidpumpe 210, die fluidisch über eine Fluidleitung 215 des Versorgungszweiges 200 verbunden sind. Die Fluidpumpe 210 fördert ein Fluid F aus dem Fluidreservoir 205 über einen ersten Leitungsabschnitt 215.1 und einen zweiten Leitungsabschnitt 215.2 des Versorgungszweiges 200 zu einem Wärmetauscher 330. Im Wärmetauscher 330 kühlt durchströmende Luft oder ein sekundäres Fluid, die von einer Luftzufuhr oder Fluidzufuhr 335 zu einer Luftabfuhr oder Fluidabfuhr 340 des Wärmetauschers 330 strömt, das Fluid. Das gekühlte Fluid wird über den dritten Leitungsabschnitt 215.3 zu einer Verzweigung 320 gefördert, dort teilt sich die Leitung in einen ersten Druckkreislauf 300 und einen zweiten Druckkreislauf 100 auf.
Ein Referenzdruck P₀ im Fluidreservoir 205 und im ersten Leitungsabschnitt 215.1 des Versorgungszweiges 200 entspricht im Wesentlichen einem Umgebungsdruck und/oder einem statischen Druck P_∞. Im zweiten Leitungsabschnitt 215.2 des Versorgungszweiges 200 entspricht ein Versorgungsdruck Pv im Wesentlichen der Summe aus Referenzdruck P₀ und Differenzdruck ΔP. Die Fluidpumpe 210 erzeugt den Versorgungsdruck Pv, welcher, ggf. reduziert durch Druckverluste insbesondere am Wärmetauscher 330, an einer Verzweigung 320 des Versorgungszweiges 200 dem ersten Druckkreislauf 300 und dem zweiten Druckkreislaufes 100 bereitgestellt wird. Der Versorgungsdruck Pv im Versorgungszweig 200 liegt in einem Bereich von kleiner oder gleich 5 bar, bevorzugt von 1 bar bis 4 bar, besonders bevorzugt von 1,5 bar bis 3 bar, jeweils absolut oder relativ zum Referenzdruck P₀.
Der Volumenstrom V beschreibt, wie viel Volumen eines Mediums pro Zeitspanne transportiert wird. Der Volumenstrom Vv im Versorgungszweig 200 bleibt im gesamten Versorgungszweig 200 nahezu konstant, wobei der Volumenstrom Vv in einem Bereich von 10 l/min bis 35 l/min, bevorzugt von 15 I/min bis 30 l/min, besonders bevorzugt von 20 l/min bis 26 l/min liegt.
Die Fluidpumpe 210 ist mechanisch über eine Antriebswelle 135 einer elektrischen Maschine 310 verbunden und durch diese Antriebswelle 135, unmittelbar oder mittelbar beispielsweise über ein Getriebe 140, antreibbar.
Der linke Pfad, in Strömungsrichtung nach der Verzweigung 320, veranschaulicht den ersten Druckkreislauf 300, der zur Kühlung der elektrischen Maschine 310 ausgelegt ist. Der erste Druckkreislauf 300 kann optional Filter umfassen, z.B. wie hier gezeigt zwei Filter 305. Der erste Druckkreislauf 300 umfasst eine Fluidleitung 325, die unter anderem einen Wechselrichter 315 und eine elektrische Maschine 310 mit dem Versorgungszweig 200 fluidisch verbindet. Nach der Verzweigung 320 gelangt das durch die Fluidpumpe 210 geförderte Fluid über einen ersten Leitungsabschnitt 325.1 des ersten Druckkreislaufes 300 zum Filter 305, passiert diesen und gelangt über einen zweiten Leitungsabschnitt 325.2 des ersten Druckkreislaufes 300 zum Wechselrichter 315. Über einen dritten Leitungsabschnitt 325.3 wird das Fluid durch die elektrische Maschine 310 gefördert und kühlt diese. Die elektrische Maschine 310 kann dazu, wie hier stark schematisch dargestellt, einen durchflutbaren Windungsraum 311 aufweisen der mindestens eine Windung 312 umgibt derart, dass das Fluid F die Windung 312 umströmen und Wärme von dieser abführen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine 310 wie hier gezeigt einen Kühlkanal 313 in Form eines Kühlmantels aufweisen, der zum Führen des Fluids F ausgebildet ist. Der Kühlkanal 313 kann insbesondere zylindrisch, beispielsweise wie hier gezeigt als zylindrische Bohrung, ausgebildet sein. Mittels eines Kühlkanals 313 kann in der elektrischen Maschine 310 entstehende Wärme abgeführt werden, insbesondere kann auch in den Windungen 312 entstehende Wärme mittelbar, beispielsweise über Statorzähne, Gehäuseteile etc. an den Kühlkanal übertragen werden, und von dort über das Fluid F abgeführt werden.
Daraufhin durchfließt das Fluid über einen vierten Leitungsabschnitt 325.4 einen zweiten Filter 305 und wird über einen fünften Leitungsabschnitt 325.5 des ersten Druckkreislaufes 300 wieder dem Fluidreservoir 205 zugeführt.
Das Fluid zirkuliert somit durch die elektrische Maschine 310 und kühlt sie. Die Filter 305 sind optionale Systemkomponenten und könnten je nach Ausführungsvariante in Form und Anordnung variieren, beispielsweise auch auf einen Filter 305 reduziert werden. Eine Funktion besteht darin, Partikel, insbesondere metallische Späne oder Abriebpartikel, abzufangen, bevor sie durch elektrische Systemkomponenten strömen und sie eventuell einen Kurzschluss verursachen, schädigen oder blockieren könnten. Der Wechselrichter 315 ist eine leistungselektronische Systemkomponente, die Wechselstrom für die elektrische Maschine 310 erzeugt und insbesondere dafür sorgt, dass die elektrische Maschine 310 auf ein benötigtes Drehmoment und/oder eine benötigte Drehzahl eingestellt wird. Die elektrische Maschine 310 kann beispielsweise einen Stator mit elektrischen Spulen bzw. Windungen 312 und einen zum Stator drehbaren Rotor umfassen. Die Spulen können in Kontakt mit dem kühlenden Fluid stehen, also direkt gekühlt werden, wobei somit die an den Spulen entstehende Wärme durch das Fluid abgeleitet werden kann. Sie könnten aber auch indirekt gekühlt werden, durch beispielsweise Kühlelemente bzw. Kühlmäntel 313, die in der Nähe der zu kühlenden Bereiche, insbesondere der Spulen, angeordnet sind.
Ein erster Druck P_K des ersten Druckkreislaufes 300 reduziert sich nach jedem Passieren einer Systemkomponente, sodass er beim Erreichen des Fluidreservoirs 205 wieder nahezu dem Referenzdruck P₀ entspricht, wobei der erste Druck P_K im ersten Druckkreislauf 300 vorzugsweise in einem Bereich von 0 bar bis 5 bar, bevorzugt von 1 bar bis 4 bar, besonders bevorzugt von 1,5 bar bis 3 bar beträgt. Vorzugsweise handelt es sich bei den Druckwerten unter 5 bar um einen Druck, der geeignet ist, um eine gute Kühlung zu gewährleisten.
Der erste Druck P_K des ersten Druckkreislaufes 300 kann beispielsweise gegenüber einem zweiten Druck Ps des zweiten Druckkreislaufes 100 niedriger, insbesondere um bis zu ein zehnfaches niedriger, ausfallen.
Der erste Volumenstrom V_K des ersten Druckkreislaufes 300, ist geringer gegenüber dem Volumenstrom V_V des Versorgungszweiges, nämlich um den Betrag eines in den zweiten Druckkreislauf 100 abgezweigten zweiten Volumenstroms Vs. Mit diesem annähernd konstant bleibenden ersten Volumenstrom V_K wird das Fluid im ersten Druckkreislauf 300 zurückgeleitet zum Fluidreservoir 205. Vorzugsweise liegt der Volumenstrom V_K im ersten Druckkreislauf 300 in einem Bereich von 5 l/min bis 50 l/min, bevorzugt bei 15 l/min bis 40 l/min, besonders bevorzugt bei 20 l/min bis 30 l/min. Generell wird vorteilhaft eine gute Kühlung erreicht, wenn sich ein relativ großer Volumenstrom V_K einstellt. Der Volumenstrom V_K des ersten Druckkreislaufes kann beispielsweise gegenüber dem Volumenstrom Vs des zweiten Druckkreislaufes 100 um bis zu ein fünffaches höher ausfallen.
Der rechte Pfad, in Strömungsrichtung des Fluids nach der Verzweigung 320, veranschaulicht den zweiten Druckkreislauf 100, der zur hydraulischen Steuerung eines mechanischen Hydrauliksystems ausgebildet ist. Hierfür herrscht im zweiten Druckkreislauf 100 ein zweiter Druck Ps, der insbesondere höher ist als der erste Druck P_K.
Der zweite Druckkreislauf 100 umfasst ein hydraulisches Stellsystem 105 mit hydraulischen Stellkolben 110, hier in Form von Propellerkolben 112 (d.h. Stellkolben zum Verstellen eines Propellerblatts). Ein hydraulischer Stellkolben 110 umfasst jeweils eine Kolbenstange 115 und eine Feder 120. Die genannten Systemkomponenten sind über eine Fluidleitung 130 des zweiten Druckkreislaufes 100 fluidisch miteinander verbunden. Nach der Verzweigung 320 gelangt das von der Fluidpumpe 210 geförderte Fluid über einen Anschlussleitungsabschnitt 130.7 des zweiten Druckkreislaufes 100 zum hydraulischen Stellsystem 105. Das Fluid wird vom hydraulischen Stellsystem 105 über einen fünften Leitungsabschnitt 130.5 und einen vierten Leitungsabschnitt 130.4 des zweiten Druckkreislaufes 100 in den hydraulischen Stellkolben 110 geleitet, der in axialer Richtung gegen eine Kraft der Feder 120 also auch einer drehzahlabhängigen Rückstellkraft durch Fliehkraftgewichte an den Propellerblättern, verstellbar ist. Dabei variieren die Anstellwinkel der Propellerblätter in Abhängigkeit der axialen Stellungen der hydraulischen Stellkolben 110. Die Propellerblätter können über Fliehkraftgewichte verfügen, welche gegen den Hydraulikdruck arbeiten. Die Rückführung von unbedrucktem Fluid, insbesondere eines Leckagestroms aus einer Abdichtung zwischen stehendem und rotierendem System, erfolgt über den dritten Leitungsabschnitt 130.3 und den ersten Leitungsabschnitt 130.1 des zweiten Druckkreislaufes 100 zum Fluidreservoir 205.
Für den Fall, dass der Propeller in relativ kurzer Zeit in Segelstellung gebracht wird (d.h. in eine Position mit hohem Blattsteigungs- bzw. Pitch-Winkel), mündet eine Fluid-Ablaufleitung (der sog. Feather Drain) des hydraulischen Stellsystems 105 über den zweiten Leitungsabschnitt 130.2 des zweiten Druckkreislaufes 100 in den ersten Leitungsabschnitt 130.1 des zweiten Druckkreislaufes 100, worüber das Fluid zurückgeleitet wird in das Fluidreservoir 205.
Das hydraulische Stellsystem 105 stellt den hydraulischen, beispielsweise zum Verstellen der Propellerblätter erforderlichen, Druck zur Verfügung. Das hydraulische Stellsystem 105 weist eine Hochdruckpumpe 108 auf. Die Hochdruckpumpe 108 ist mechanisch mit der Antriebswelle 135 zum Empfangen einer Antriebsbewegung verbunden.
Der zweite Druck Ps des zweiten Druckkreislaufes 100 liegt vorzugsweise bei über 5 bar. Beim Passieren des hydraulischen Stellsystems 105 wird das Fluid durch die integrierte Hochdruckpumpe 108 des hydraulischen Stellsystems 105 zusätzlich bedruckt, wobei der zweite Druck Ps im zweiten Druckkreislauf 100 sich vorzugsweise in einem Bereich von 5 bar bis 45 bar, bevorzugt von 10 bar bis 40 bar, besonders bevorzugt von 15 bar bis 35 bar befindet. Der zweite Druck Ps ist geeignet, um den erforderlichen hydraulischen Druck, beispielsweise zum Verstellen der Propellerblätter, zu gewährleisten.
Der zweite Druck Ps des zweiten Druckkreislaufes 100 kann beispielsweise gegenüber dem ersten Druck P_K des ersten Druckkreislaufes 300 um bis um ein zehnfaches höher ausfallen. Die Ablaufleitungen für Leckagestrom und Feather Drain führen in einen gemeinsamen Rücklaufpfad zum Reservoir. Der Leckagestrom ist die Folge der Abdichtung zwischen stehendem System und rotierender Welle. Der Feather Drain-Zweig dient einem schnellen und direkten Fluidauslass, um im Fehlerfall des Antriebssystems den Propeller schnell und mechanisch unabhängig in die Federstellung zu bringen.
Der zweite Volumenstrom Vs des zweiten Druckkreislaufes 100 ist vorzugsweise geringer im Vergleich zum ersten Volumenstrom V_K des ersten Druckkreislaufes 300. Mit diesem geringen Volumenstrom Vs wird das Fluid zurückgeleitet zum Fluidreservoir 205. Vorzugsweise liegt der Volumenstrom Vs im zweiten Druckkreislauf 100 in einem Bereich von 0 l/min bis 15 l/min, bevorzugt 2 l/min bis 10 l/min, besonders bevorzugt 5 l/min bis 8 l/min, während der Propeller verstellt wird.
Der Volumenstrom Vs des zweiten Druckkreislaufes 100 kann beispielsweise gegenüber dem Volumenstrom V_K des ersten Druckkreislaufes 300 um ein bis zu fünffaches niedriger ausfallen.
3 zeigt eine Ausführungsform ähnlich der in 2 gezeigten. Im Unterschied dazu ist hier die Verzweigung 320 im zweiten Leitungsabschnitt 215.2 des Versorgungszweiges 200 zwischen Fluidpumpe 210 und Wärmetauscher 330 positioniert und ist über den Anschlussleitungsabschnitt 130.7 des zweiten Druckkreislaufes 100 mit dem hydraulischen Stellsystem 105 verbunden. Über den vierten Leitungsabschnitt 215.4 des Versorgungszweiges 200 ist die Verzweigung 320 mit der Fluidpumpe 210 fluidisch verbunden. Insbesondere ist in dieser Ausführungsvariante der Wärmetauscher 330 dem ersten Druckkreislauf 300, beziehungsweise dem kühlenden Kreislauf, zugeordnet.
Die andere Positionierung der Verzweigung 320 sollte keinen Einfluss auf den Volumenstrom Vv im Versorgungszweig 200 haben. Diese Ausführungsvariante reduziert die Systemkomponenten des Versorgungszweiges 200 und verkürzt den Leitungsweg des Fluids in den zweiten Druckkreislauf 100. Die Druckwerte Pv und P_K sowie die Volumenströme V_V, V_K und V_S des Fluidkreislaufes 10 verhalten sich nach dem Passieren des Wärmetauschers 330 im Wesentlichen wie in 2 beschrieben. In dieser Anordnung, vergleichsweise zu 2, umfasst der Versorgungszweig 200 ein Fluidreservoir 205 und eine Fluidpumpe 210.
4 zeigt eine Ausführungsform ähnlich der in 3 gezeigten. Im Unterschied zu 3 weist der hier gezeigte zweite Druckkreislauf 100 eine Vordruck-Fluidpumpe 145 auf, die mechanisch an die Antriebswelle 135 der elektrischen Maschine 310 koppelbar ist und mit dem hydraulischem Stellsystem 105 fluidisch verbunden ist.
Die Fluidpumpe 210 ist fluidisch nicht direkt mit der Vordruck-Fluidpumpe 145 verbunden, vielmehr gehört sie weiterhin dem Versorgungszweig 200 an. Die Vordruck-Fluidpumpe 145 gehört dem zweiten Druckkreislauf 100 an und versorgt somit nur den hydraulischen Kreislauf bzw. das hydraulische Stellsystem 105. Der Anschlussleitungsabschnitt 130.7 verbindet die Verzweigung 320 direkt mit der Vordruck-Fluidpumpe 145, die mit dem hydraulischem Stellsystem 105 über einen weiteren Anschlussleitungsabschnitt 130.8 des zweiten Druckkreislaufes 100 fluidisch verbunden ist. Vorteil dieser Variante ist, dass das hydraulische Stellsystem 105 eine eigene Vordruck-Fluidpumpe 145 hat, die, insbesondere wie hier ausschließlich, das hydraulische Stellsystem 105 mit einem erforderlichen Vordruck versorgt. Somit kann die Fluidpumpe 210 des Versorgungszweiges 200 nur für Kühlung innerhalb des ersten Druckkreislaufes 300 genutzt werden, bzw. ein durch die Fluidpumpe 210 bereitgestellter Versorgungsdruck Pv gezielt für die Kühlzwecke, insbesondere niedriger, eingestellt werden. Ferner kann die Vordruck-Fluidpumpe 145 eine Redundanz ermöglichen, beispielsweise falls es zu einem Ausfall der Fluidpumpe 210 kommen sollte. Der erforderliche Vordruck für das hydraulische Stellsystem 105 wird in dieser Variante im Wesentlichen nur von der Vordruck-Fluidpumpe 145 bereitgestellt. Die Vordruck-Fluidpumpe 145 kann alternativ oder zusätzlich zu der integrierten Hochdruckpumpe 108 vorgesehen werden. In dieser Anordnung, verglichen mit 3, umfasst der Versorgungszweig 200 ein Fluidreservoir 205, eine Fluidpumpe 210 und einen Wärmetauscher 330.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, ähnlich der in 4 gezeigten. Im Unterschied dazu ist hier die Verzweigung 320 im ersten Leitungsabschnitt 215.1 des Versorgungszweiges 200 zwischen der Fluidpumpe 210 und dem Fluidreservoir 205 angeordnet. Die Verzweigung 320 ist über den Anschlussleitungsabschnitt 130.7 der Verzweigung 320 zur Vordruck-Fluidpumpe 145 des zweiten Druckkreislaufes 100 fluidisch mit der Vordruck-Fluidpumpe 145 verbunden und über einen fünften Leitungsabschnitt 215.5 des Versorgungszweiges 200 mit der Fluidpumpe 210 fluidisch verbunden. Der Versorgungszweig 200 umfasst neben der Verzweigung 320 nur noch das Fluidreservoir 205. Im ersten Leitungsabschnitt 215.1 des Versorgungszweiges 200 ist der Referenzdruck und/oder Umgebungsdruck P₀ gleich dem Umgebungsdruck und/oder statischen Druck P_∞. In der Verzweigung 320 spaltet sich der Versorgungs-Volumenstrom Vv in den ersten Volumenstrom V_K des ersten Druckkreislaufes 300 und in den zweiten Volumenstrom Vs des zweiten Druckkreislaufes 100 auf.
In dieser Ausführungsform kann die Abhängigkeit des zweiten Druckkreislaufs 100 von der Fluidpumpe 210 verringert werden. In dieser Anordnung umfasst der Versorgungszweig 200 das Fluidreservoir 205 und den ersten Leitungsabschnitt 215.1.
Bezugszeichenliste

10: Fluidkreislauf
20: Antriebseinheit
30: Propellerkomponente
100: Zweiter Druckkreislauf
105: Hydraulisches Stellsystem
108: Integrierte Hochdruckpumpe
110: Hydraulischer Stellkolben
112: Propellerkolben
115: Kolbenstange
120: Feder
130: Fluidleitung des zweiten Druckkreislaufes
130.1: Erster Leitungsabschnitt des zweiten Druckkreislaufes
130.2: Zweiter Leitungsabschnitt des zweiten Druckkreislaufes
130.3: Dritter Leitungsabschnitt des zweiten Druckkreislaufes
130.4: Vierter Leitungsabschnitt des zweiten Druckkreislaufes
130.5: Fünfter Leitungsabschnitt des zweiten Druckkreislaufes
130.6: Sechster Leitungsabschnitt des zweiten Druckkreislaufes
130.7: Anschlussleitungsabschnitt des zweiten Druckkreislaufes
130.8: Weiterer Anschlussleitungsabschnitt der Vordruck-Fluidpumpe des zweiten Druckkreislaufes
135: Antriebswelle
140: Getriebe
145: Vordruck-Fluidpumpe
200: Versorgungszweig
205: Fluidreservoir
210: Fluidpumpe
215: Fluidleitung des Versorgungszweiges
215.1: Erster Leitungsabschnitt des Versorgungszweiges
215.2: Zweiter Leitungsabschnitt des Versorgungszweiges
215.3: Dritter Leitungsabschnitt des Versorgungszweiges
215.4: Vierter Leitungsabschnitt des Versorgungszweiges
215.5: Fünfter Leitungsabschnitt des Versorgungszweiges
300: Erster Druckkreislauf
305: Filter
310: Elektrische Maschine
311: Windungsraum, durchflutbarer Windungsraum
312: Windung
313: Kühlkanal
315: Wechselrichter
320: Verzweigung
321: Absperrventil
322: Zusammenführung
325: Fluidleitung des ersten Druckkreislaufes
325.1: Erster Leitungsabschnitt des ersten Druckkreislaufes
325.2: Zweiter Leitungsabschnitt des ersten Druckkreislaufes
325.3: Dritter Leitungsabschnitt des ersten Druckkreislaufes
325.4: Vierter Leitungsabschnitt des ersten Druckkreislaufes
325.5: Fünfter Leitungsabschnitt des ersten Druckkreislaufes
330: Wärmetauscher
335: Luftzufuhr
340: Luftabfuhr
ΔP: Differenzdruck und/oder Druckverlust
F: Fluid
P0: Referenzdruck
P1: Eingangsdruck
P∞: Umgebungsdruck und/oder statischer Druck
PK: Erster Druck des ersten Druckkreislaufes
Ps: Zweiter Druck des zweiten Druckkreislaufes
Pv: Versorgungsdruck
V: Volumenstrom
VK: Erster Volumenstrom des ersten Druckkreislaufs
VS: Zweiter Volumenstrom des zweiten Druckkreislaufs
Vv: Versorgungs-Volumenstrom, Volumenstrom des Versorgungszweiges

Claims

Fluidkreislauf (10) für mindestens eine elektrische Antriebseinheit (20), aufweisend: einen ersten Druckkreislauf (300), der ausgebildet ist, die Antriebseinheit (20) zu kühlen, und einen zweiten Druckkreislauf (100) mit einem hydraulischen Stellsystem (105), gekennzeichnet durch einen Versorgungszweig (200), wobei der Versorgungszweig (200) zumindest ein Fluidreservoir (205) aufweist, wobei der erste Druckkreislauf (300) und der zweite Druckkreislauf (100) mit dem Versorgungszweig (200) fluidisch gekoppelt sind.
Fluidkreislauf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungszweig (200) eine Fluidpumpe (210) aufweist.
Fluidkreislauf (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckkreislauf (300) und der zweite Druckkreislauf (100) fluidisch parallel angeordnet sind.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Druck Ps im zweiten Druckkreislauf (100) höher ausgebildet ist als ein erster Druck P_K im ersten Druckkreislauf (300).
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungszweig (200) mindestens eine Verzweigung (320) aufweist, wobei die Verzweigung (320) ausgebildet ist, den Versorgungszweig (200) mit dem ersten (300) und dem zweiten Druckkreislauf (100) fluidisch zu koppeln.
Fluidkreislauf (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweigung (320) ein Regelventil aufweist, das ausgebildet ist, einen Druck und/oder einen Volumenstrom zu beeinflussen.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungszweig (320) mindestens eine Zusammenführung (322) aufweist, die ausgebildet ist, den ersten (300) und den zweiten Druckkreislauf (100) mit dem Versorgungszweig (200) fluidisch zusammenzuführen.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungszweig (200) oder der erste Druckkreislauf (300) mindestens einen Wärmetauscher (330) aufweist.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (300) und/oder der zweite Druckkreislauf (100) geschlossen ist.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinheit (20) mindestens eine elektrische Maschine aufweist, die mit dem ersten Druckkreislauf (300) thermisch gekoppelt ist.
Fluidkreislauf (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine mindestens eine Windung (312) aufweist, wobei der erste Druckkreislauf (300) fluidisch mit der mindestens einen Windung (312) in Verbindung steht.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine mindestens einen Kühlkanal (313) für das Fluid aufweist, wobei der erste Druckkreislauf (300) fluidisch mit dem mindestens einen Kühlkanal (313) in Verbindung steht.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidpumpe (210) von der elektrischen Antriebseinheit (20) antreibbar ist.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Stellsystem (105) eine Hochdruckpumpe (108) aufweist zur steuerbaren Erzeugung des zweiten Druckes, wobei die Hochdruckpumpe (108) von der Antriebswelle (135) antreibbar ist.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Stellsystem (105) mindestens einen hydraulischen Stellkolben (110) aufweist, der zum Einstellen einer Propellerkomponente (30), insbesondere eines Anstellwinkels der Propellerkomponente (30), in Abhängigkeit des zweiten Druckes ausgebildet ist.
Fluidkreislauf (10) nach einem vorherigen der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Viskosität aufweist, wobei die Viskosität bei 40° C in einem Bereich von 2 bis 40 mm²/s, bevorzugt von 5 bis 30 mm²/s, besonders bevorzugt von 10 bis 15 mm²/s, liegt.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid einen Stockpunkt aufweist, wobei der Stockpunkt in einem Bereich von -40° C bis -70° C, bevorzugt von -45° C bis - 60° C, besonders bevorzugt von -50° C bis -55° C liegt.
Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid einen Flammpunkt aufweist, wobei der Flammpunkt in einem Bereich von 100° C bis 320°C, bevorzugt von 150°C bis 290°C, besonders bevorzugt von 230°C bis 260°C liegt.
Antriebseinheit (20), umfassend eine elektrische oder hybride Maschine und einen Fluidkreislauf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Flugzeug umfassend mindestens eine Antriebseinheit (20) nach Anspruch 19.