CN103209894B - 用于氢气注入的氢气罐 - Google Patents

Abstract

为了减少重量以及提高安全性，用于为发动机12提供氢气的氢气罐18在外部附着于飞机10。

Description

用于氢气注入的氢气罐

技术领域

本发明涉及飞机领域。具体而言，本发明涉及用于飞机的氢气罐、飞机、氢气供应系统、将氢气供应至飞机的方法以及氢气罐在飞机上的使用。

背景技术

大部分飞机使用燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机可包括具有压缩机的芯部，所述压缩机通过在其间轴向延伸的芯部转子固定连接至涡轮机。至少一个燃烧室(例如，环形燃烧器或分布在所述芯部周围的多个燃烧室)可设置在压缩机与涡轮机之间，并且可包括燃料喷射器。通常，传统燃气涡轮发动机被供以碳氢燃料(如，煤油)。

通常，燃气轮机可放出诸如氮氧化合物(NOx)和含碳化合物等不可取的化合物。期望尽可能多地减少各种排放，从而使所选的化合物不会进入大气中。具体而言，期望将NOx排放降低到非常低的水平。

将氢气注入到飞机的发动机的燃烧室内，有助于减少燃烧室的废气排放物。除了减少排放物(例如，CO2、NOx、CO、HC)以外，氢气燃烧还增强了发动机的推力。这就允许减小燃烧室的尺寸，并且优化燃烧室以及发动机的设计，以便提高航行条件。

例如，可从机载燃料电池中供应氢气，所述机载燃料电池可被供以碳氢燃料(例如，煤油)，该燃料也用于供应飞机的发动机。而且，来自燃料电池的氢气可在机载氢气罐内得以缓冲。

然而，这个设计会增大飞机的重量，这是因为机载燃料电池和机载氢气罐以及使氢气罐和发动机互相连接的管道增加了飞机的额外重量。

例如，燃料电池和氢气罐可位于飞机的机身内，并且可通过用于将氢气输送到飞机的发动机的管道与发动机互相连接，飞机的发动机可位于机翼下面或靠近机尾。

由于飞机内所生成和储存的氢气，这可造成安全问题。例如，管理机构不接受在客机上装载极具爆炸性的氢气。

Silverstein&Hall的NACA科研备忘录“Liquidhydrogenasajetfuelforhigh-altitudeaircraft(液态氢作为高空飞机的喷气燃料)”涉及将氢气用作军用飞机的喷气燃料。其提及可将氢气储存在副油箱内。

发明内容

本发明的一个目标在于提供比传统飞机更为生态友好的飞机，而不增大飞机的重量和安全性。

由独立权利要求的主题实现这个目标。在从属权利要求中，其他示范性实施例显而易见。

本发明的第一方面涉及用于飞机的氢气罐。

根据本发明的一个实施例，氢气罐为外部氢气罐。换言之，氢气罐适合于附接至飞机的外面，例如，其可位于飞机机身的外面。

与外部氢气罐相反，内部氢气罐位于飞机内。例如，内部氢气罐可附接于飞机内部的机身，并且外部氢气罐可附接于飞机外面的机身。

而且，外部氢气罐可适合于暴露在飞机的外部环境中。例如，氢气罐可设计为，如果将氢气罐暴露在雾和雨中，那么氢气罐在飞机外面不会腐蚀。而且，外部氢气罐可为流线型的，并且例如在飞机巡航时对空气流动可具有较小的阻力。例如，氢气罐可为坚固的金属罐。

而且，外部氢气罐可机械地附接至飞机机身。具体而言，氢气罐可适合于附接至机翼或机尾，例如，附接至翼支柱或后机身。

例如，氢气罐能够以非常靠近发动机之一的方式与飞机连接。这样，罐与发动机之间的管道或燃料管线的长度可非常短。

根据本发明的一个实施例，氢气罐适合于为飞机的发动机提供氢气。例如，氢气罐可具有可与飞机的管道连接的开口，所述管道与飞机的发动机连接。

换言之，为了减少重量以及提高安全性，用于为发动机提供氢气的氢气罐从外部附接至所述飞机。

根据本发明的一个实施例，氢气罐包括罐连接元件，其用于可释放地将氢气罐接合至飞机。一方面，氢气罐可适合于机械连接至飞机外面。另一方面，氢气罐可适合于与管道或与飞机的管线或燃料管线连接，以便将氢气提供给至飞机的发动机。

必须理解的是，可释放地接合的氢气罐能容易地与飞机脱离接合以及与飞机接合。例如，氢气罐的附接至飞机的附接系统可与战斗机的外部燃料箱的附接系统相似。这样，无需打开或关闭螺丝(screw)，氢气罐就可与飞机连接和分离。罐连接元件可适合于与飞机连接元件接合。例如，罐连接元件和飞机连接元件共同形成插头机构或锁紧机构，例如，通过例如可由飞行员启动的致动器，可容易地打开或关闭这个机构。

根据本发明的一个实施例，氢气罐适合于从飞机脱落，具体是当飞机飞行时从飞机脱落。例如，氢气罐可包括安全阀，当氢气罐与飞机分开时，所述安全阀封闭氢气罐的开口。这可确保残留在氢气罐内的氢气不会在飞机的发动机附近离开氢气罐。

氢气罐可适合于在脱落后重新使用。

而且，氢气罐可包括适合于接收冲击力的外壳，当氢气罐掉落到地面时，例如，当氢气罐从高达50m、高达100m或者高达150m的海拔高度从飞机脱落时，产生这种冲击力。

可替换地或另外地，氢气罐可包括降落伞，所述降落伞适合于在罐从飞机脱离时打开。由于降落伞的存在，氢气罐可漂浮到地面上而不会较大的冲击力。

本发明的另一方面涉及一种飞机。

根据本发明的一个实施例，飞机包括飞机连接元件，其用于将上述和下述的氢气罐连接至飞机。例如，飞机连接元件可位于飞机的外表面上和/或可与飞机的机身连接以便机械地支撑氢气罐。飞机连接元件可适合于与氢气罐的罐连接元件相接合。

例如，可具有不同(diffrently，各种)设计的氢气罐和飞机，其均分别包括相同的罐连接元件和飞机连接元件。这样，不同的氢气罐可用于不同的飞机，例如，视情况而定。例如，当飞机从具有较短跑道的机场起飞时，可将大量氢气注入到飞机的发动机内，并且可使用适合于储存大量氢气的大氢气罐。而且，用于第一飞机的氢气罐在再次填充后可用于第二飞机。

根据本发明的一个实施例，飞机连接元件包括机械连接装置和/或燃料连接装置，所述机械连接装置用于支撑氢气罐，所述燃料连接装置用于将氢气罐连接至飞机的管道或氢气管线，所述管道或氢气管线与飞机的发动机连接。这可具有以下优点，即，仅通过一个操作步骤就可连接这两个连接装置。

根据本发明的一个实施例，飞机连接元件包括致动器元件，所述致动器元件用于使氢气罐与飞机分离。致动器元件可由飞机的控制器控制。例如，控制器可由飞机的驾驶员启动，例如，通过座舱内的开关启动。可替换地或另外地，可通过机场塔台等外部源来启动控制器。例如，当飞行员或塔台工作人员看见飞机已经到达应脱落氢气罐的海拔高度时，飞行员或工作人员可启动控制器，氢气罐与飞机分离并且掉落到地面。当飞机到达预定的海拔高度时或当飞机越过降落区域时，也能够自动引发氢气罐的脱落。

例如，这种致动器元件可为具有杆的锁紧机构，所述杆由电机或由螺线管的磁力移动。

根据本发明的一个实施例，飞机包括发动机，所述发电机适合于从氢气罐中被供以氢气。在正常的巡航模式中，发动机可适合于被供应碳氢燃料(如煤油)。为了增强发动机的动力并且为了减少废气内不期望出现的会造成环境污染的物质，可另外地通过氢气罐为发动机供应氢气。为此，发动机可包括氢气喷射器，其适合于将氢气注入到发动机的燃烧室内。

根据本发明的一个实施例，所述飞机为客机。尤其对于客机而言，如果在正常的巡航和落地的过程中飞机上未载有大量氢气，那么就提高了乘客的安全性。

根据本发明的一个实施例，所述飞机可为飞机或直升机。具体而言，大型飞机(例如，载有50名以上乘客的客机)以及直升机通常具有基于燃气轮机的发动机。

本发明的另一方面为氢气供应系统。

根据本发明的一个实施例，氢气供应系统包括多个如以上和以下所述的氢气罐、至少一个如以上和以下所述的飞机、以及用于再次填充氢气罐的再充站。

例如，氢气罐可为可重复使用的或一次性的罐。在填充站或再充站内，氢气罐被填充液态氢气并且被运送到飞机上，随后，至少一个填充的氢气罐被固定至或附接至飞机(例如，附接至机翼或后机身)。在滑行的过程中(即，飞机在地面上移动时)以及在最初的起飞阶段，将H2或氢气注入到飞机的发动机内，例如，注入到发动机的燃烧室内。具体而言，在滑行和起飞的过程中，将氢气注入到发动机内会引起氢气在发动机内的燃烧，这就增强了滑行和起飞时发动机的推力。此外，在飞机的低动力模式下(例如，在机场滑行的过程中)注入氢气时，可减少发动机的不期望排放。

当飞机到达跑道终端时或在飞机启动后，氢气罐可为空的或者可仅包含很少量的氢气，并且可掉落到地面，例如，飞行员或独立的外部触发器可释放所述氢气罐。

根据本发明的一个实施例，氢气供应系统包括降落区域，用于接收从飞机中掉落的氢气罐之一，例如，在跑道的终端，可存在具有松软的地下空间的特定区域，例如，沙坑。飞机的至少一个氢气罐或所有氢气罐均能够脱离飞机，从而这些氢气罐均落入氢气供应系统的降落区域内。降落后，可从降落区域中收集所述氢气罐，以便进行处理或运送到再充站，以便再次填充。

本发明的另一方面涉及一种将氢气供应至飞机的方法。

根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：将氢气罐附接至飞机的外面。在附接的过程中，氢气罐可机械连接至飞机和/或可与飞机的发动机连接，从而可将氢气罐中的氢气注入发动机内。

根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：将氢气注入到飞机的发动机内。具体而言，在飞机滑行过程中以及在飞机起飞过程中，尤其在起飞的最初阶段，可进行这种注入。

根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：将氢气罐从飞机中释放。例如，可相对于飞机从内部引发这种释放，例如，由飞机驾驶员或由飞机控制器进行这种释放。可替换地或另外地，也可相对于飞机从外部引发这种释放，例如，通过无线电信号，例如，通过来自机场塔台的信号。

根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：在降落区域内收集氢气罐。例如，可在飞机起飞的跑道的终端释放氢气罐，以使氢气罐降落或落入降落区域内。

根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：在再充站内再次填充氢气罐。例如，氢气罐可为能重复使用的罐。另一方面，氢气罐可为一次性罐并且在收集在降落区域内之后丢弃。

根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：将氢气罐附接至另一架飞机。在氢气罐的再次填充之后，可将氢气罐运送到另一架飞机，并且该另一架飞机可以不是氢气罐从中掉落的同一架飞机，并且所述氢气罐可附接至该另一架飞机。

本发明的另一方面涉及外部氢气罐在飞机上的使用。

总之，飞机的外部氢气罐的优点可为：首先，在最有效时(例如，在滑行和起飞过程中)，可注入H2或氢气。其次，在飞行的过程中，未载有任何氢气，即，管理机构的安全担忧可更少。第三，氢气罐可非常靠近地附接至飞机的发动机(例如，喷气发动机)。这可促使飞机的氢气供应设备所产生的额外重量更低。

通过后文中所描述的实施例，本发明的这些和其他方面显而易见，并且参看这些实施例，阐述本发明的这些和其他方面。

附图说明

下面，参看附图，更详细地描述本发明的实施例。

图1示出了根据本发明的一个示范性实施例的飞机的示意性截面图；

图2示出了根据本发明的一个示范性实施例的飞机的燃料供应设备；

图3a、3b和3c示出了根据本发明的一个示范性实施例的飞机的不同方向的视图；

图4a和4b示出了根据本发明的一个示范性实施例的飞机的不同视图；

图5示意性示出了根据本发明的一个示范性实施例的氢气供应系统以及根据本发明的一个示范性实施例将氢气供应至飞机的方法步骤。

在附图标记列表中，以总结的形式列出图中所使用的附图标记及其意义。原则上，在图中，相同的部件具有相同的附图标记。应注意的是，这些图为示意图，并未按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了飞机10的截面图，其可为客机10。飞机10包括附接至飞机10的机翼16的底部14的发动机12。外部氢气罐18在发动机12附近附接至机翼16的底部14。相对于飞机10的中心体20，氢气罐18在发动机12外部连接至飞机10。即，与发动机12相比，氢气罐18在更外部的位置附接至机翼16。

在机翼16内，具有内部燃料箱22，用于通过碳氢燃料管线24将碳氢燃料提供给发动机12。氢气罐18与氢气燃料管线26连接，用于为发动机12提供氢气。碳氢燃料管线24和氢气燃料管线26位于机翼16内。

而且，飞机10包括致动器28，用于使氢气罐18与飞机10的机翼16分开。致动器28也可用于将氢气罐18连接至飞机10的机翼16。

飞机10进一步包括控制器30，其可位于飞机10的座舱内，该控制器通过控制线32连接到致动器28、连接到碳氢燃料管线24内的阀34以及氢气燃料管线26内的阀36中。

图2示出了图1的飞机10的碳氢燃料供应设备和氢气供应设备。飞机10的发动机12包括具有碳氢燃料喷射器40和氢气喷射器42的燃烧室38。在燃烧室38内部，碳氢燃料或氢气或其混合物可燃烧。燃烧所产生的热气体被供应至涡轮机40，所述涡轮机产生发动机12的推力。

碳氢燃料喷射器42与碳氢燃料管线24连接。控制器30适合于通过控制线32a控制阀34的开口，以便控制注入到燃烧室38内的碳氢燃料的量。此外，控制器30适合于控制与氢气喷射器44连接的氢气燃料管线26内的阀36的开口，以便控制注入到燃烧室38内的氢气的量。通过控制阀34、36的开口状态，控制器30可设定碳氢燃料与氢气之间的混合关系与发动机12的这个混合燃料的总量。

外部氢气罐18通过连接机构与机翼16的底部14连接，该连接机构包括用于连接罐18的内部与氢气管线26的连接元件46以及用于将氢气罐18与飞机10机械耦合的锁紧机构48。控制器30适合于通过控制线32c控制致动器28，以便打开和关闭锁紧机构48，以使氢气罐18与飞机10接合或脱离接合。锁紧机构48也可为这样一种机构，当氢气罐18移动到机翼16下面的其位置时该机构接合，并且可通过启动致动器28而释放该机构。连接元件46包括插头和插座连接装置，通过将氢气罐18放置在机翼16之下，该插头和插座连接装置可简单地互相连接。当氢气罐18与飞机断开连接并且掉落到地面时，连接元件46可自动释放。

如图2中所示，氢气罐18被设计成流线型，例如，端部为圆形，并且该氢气罐可进一步具有外壳50，当罐18掉落到地面时，该外壳适合于抵抗冲击力。

图3a、3b和3c从前方、从上方以及从侧部示出了飞机10。飞机10具有两个发动机12和靠近于发动机12固定至飞机的两个氢气罐18。

在图1、3a、3b和3c中所示的实施例中，氢气罐18固定或附接至飞机10的机翼16下侧的与发动机12相比距中心体20更远的位置中。

图4a和4b示出了飞机10'的一个实施例，其中发动机12附接至飞机10'的后机身52或机尾52。在发动机12下面但是在发动机12附近(即，靠近发动机12)，氢气罐18连接至后机身52或机尾52。换言之，发动机12和氢气罐18连接至飞机10'的中心体20的后端。为了获得客机10'形式的飞机10'的尺寸印象，飞机10'的翼展a为32.9m、方向舵跨度b为12.2m、总长度c为45.1m、以及高度d为9.0m。

图5示出了可与机场82结合使用的氢气供应系统80的示意图。氢气供应系统80包括多个氢气罐18、至少一架飞机10以及一个再充站84。

在步骤S1中，例如，在使用传统碳氢燃料为飞机10补给燃料的过程中，装有氢气的氢气罐18被固定或附接至飞机10。

在步骤S2中，在飞机在机场82的区域上滑行的过程中，氢气被注入到飞机10的发动机内。

在步骤S3中，在飞机10的最初起飞阶段，进一步将氢气注入到飞机10的发动机12内。

在步骤S4中，在飞机10起飞之后，当时可能已为空罐的氢气罐18与飞机10脱离接合和分开，并且掉落到地面进入准备好的区域86(例如，沙坑86)内，该区域可位于机场82跑道的终端。

在步骤S5中，飞机10通过普通推进力被驱动，即，由仅被供以碳氢燃料的发动机12驱动。

在步骤S6中，从沙坑86中收集空的或基本上为空的氢气罐，并且将这些氢气罐运送到氢气再充站84中。或者，如果氢气罐18并非可重复使用的罐，那么可丢弃这些氢气罐。

在步骤S7中，氢气罐18被再次填充，并且被运送到另一架飞机20且附接至该另一架飞机10。

虽然在图中以及上述描述中已经详细说明和描述了本发明，但这种阐述和描述应被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不局限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容、以及附属的权利要求，通过实践要求保护的本发明，本领域的技术人员可理解和实现对所公开的实施例进行的其他变化。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一”并不排除复数。单个处理器或控制器或其他单元可完成权利要求书中所列示的几个项目的功能。在彼此不同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实并不表示使用这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中出现的任何附图标记不应视为限制权利要求的范围。

附图标记

10、10'飞机

12发动机

14机翼的底部

16机翼

18氢气罐

20中心体

22碳氢燃料箱

24碳氢燃料管线

26氢气燃料管线

28致动器

30控制器

32控制线

32a、32b、32c控制线

34阀

36阀

38燃烧室

40涡轮机

42碳氢燃料喷射器

44氢气喷射器

46用于氢气管线的连接元件

48机械连接元件

50外壳

52后机身、机尾

80氢气供应系统

82机场

84再充站

86降落区域

Claims (8)

1.一种飞机(10)，包括：

氢气罐(18)，

罐连接元件(46)，用于将所述氢气罐(18)的内部能释放地接合至所述飞机(10)的氢气管线，

发动机(12)，

其中，所述氢气罐(18)为外部氢气罐，

其中，所述发动机(12)适合于被供以来自所述氢气罐(18)的氢气；并且，

其中，在正常的巡航模式中，所述发动机适合于被供以碳氢燃料，并且所述氢气罐适于在所述飞机飞行时从所述飞机脱落，使得在正常巡航模式期间所述飞机不载有氢气。

2.根据权利要求1所述的飞机(10)，包括：

飞机连接元件(48)，用于将所述氢气罐(18)附接至所述飞机(10)。

3.根据权利要求2所述的飞机(10)，

其中，所述飞机连接元件(48)包括致动器元件(28)，用于使所述氢气罐(18)从所述飞机(10)断开连接，

其中，所述致动器元件(28)由所述飞机(10)的控制器(30)控制。

4.根据前述权利要求中任一项所述的飞机(10)，

其中，所述飞机为客机(10)。

5.一种氢气供应系统(80)，包括：

多个氢气罐(18)，

根据前述权利要求中任一项所述的飞机(10)，

再充站(84)，用于再次填充氢气罐(18)。

6.根据权利要求5所述的氢气供应系统(80)，包括：

降落区域(86)，用于接收从所述飞机(10)掉落的所述氢气罐(18)之一。

7.一种用于将氢气供应至飞机(10)的方法，包括以下步骤：

将氢气罐(18)附接至所述飞机(10)的外面，

在滑行和最初的起飞阶段，将氢气注入到所述飞机(10)的发动机(12)内，

释放所述氢气罐(18)，

在正常的巡航模式中将碳氢燃料供应至发动机(12)。

8.根据权利要求7所述的方法，包括以下步骤：

在降落区域(86)内收集所述氢气罐(18)，

在再充站(84)内再次填充所述氢气罐(18)。