DE102009029245A1 - Tank for aircraft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen mobilen Tank für einen kryogenen, d. h. tiefkalten Treibstoff bzw. Brennstoff, und zwar insbesondere für LNG, also flüssigem Erdgas bzw. flüssigem Methan. Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit diesem Tank sowie ein Verfahren für das Nachrüsten einer Flugzeugs mit derartigen Tanks. Ein Tank für einen kryogenen Treibstoff ist erfindungsgemäß mit einer äußeren Struktur und einer flexiblen, druckfesten, kälteresistenten Innenhülle (4) versehen. Um ein Flugzeug mit einem Tank für einen kryogenen Treibstoff nachzurüsten, wird ein Tank für Kerosin mit einer Folie (2) ausgekleidet, auf die Folie werden aus Kunststoff bestehende Kacheln (3) aufgeklebt und auf die Kacheln (3) wird eine druckfeste Innenhülle (4) aufgebracht, und zwar vorzugsweise aufgeklebt.The invention relates to a mobile tank for a cryogenic, d. H. cryogenic fuel, especially for LNG, i.e. liquid natural gas or liquid methane. The invention further relates to an aircraft with this tank and a method for retrofitting an aircraft with such tanks. According to the invention, a tank for a cryogenic fuel is provided with an outer structure and a flexible, pressure-resistant, cold-resistant inner shell (4). In order to retrofit an aircraft with a tank for a cryogenic fuel, a tank for kerosene is lined with a film (2), plastic tiles (3) are glued to the film and a pressure-resistant inner shell (4 ) applied, preferably glued on.
Description
Die Erfindung betrifft einen mobilen Tank für einen kryogenen, d. h. tiefkalten Treibstoff bzw. Brennstoff und zwar insbesondere für LNG, also flüssigem Erdgas bzw. flüssigem Methan. Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit diesem Tank sowie ein Verfahren für das Nachrüsten eines Flugzeugs mit derartigen Tanks.The invention relates to a mobile tank for a cryogenic, d. H. cryogenic fuel or fuel, in particular for LNG, ie liquid natural gas or liquid methane. The invention further relates to an aircraft with this tank and a method for retrofitting an aircraft with such tanks.
Im Unterschied zu einem konventionellen Treibstoff wie Kerosin verdampfen tiefkalte Treibstoffe wie LNG im Tank durch Temperaturerhöhungen aufgrund von üblicherweise herrschenden Außentemperaturen. Derart verdampfter Treibstoff wird „Boil-off”-Gas genannt. Mit dem Auftreten von Boil-off Gas erhöht sich im Tank der Druck.In contrast to a conventional fuel such as kerosene, low-temperature fuels such as LNG in the tank evaporate due to temperature increases due to the usually prevailing outside temperatures. Such vaporized fuel is called "boil-off" gas. Boil-off gas increases the pressure in the tank.
Aus der Druckschrift
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Die Druckschrift
Die Druckschrift
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mobilen Tank für tiefkalten Treibstoff bereitzustellen, mit dem insbesondere ein Flugzeug angetrieben wird.The present invention has for its object to provide a mobile tank for cryogenic fuel, with which in particular an aircraft is driven.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Tank bereit gestellt, der eine äußere Struktur und eine druckfeste, kälteresistente, flexible Innenhülle umfasst, die einen im Tank entstehenden Überdruck aufzufangen vermag. Beispielsweise handelt es sich bei der Hülle um eine durch Aramid verstärkte oder aus Aramid bestehende Hülle, so zum Beispiel um eine mit Aramid-Fasern verstärkte Hülle, die nachfolgend Aramid-Hülle genannt wird. Aramid-Fasern werden von der Firma DuPont unter der Marke Kevlar® kommerziell vertrieben. Durch eine solche druckfeste Innenhülle kann Druck kompensiert werden, der durch Boil-Off Gas entsteht. Ein Innendruck im Tank von 2 bis 3 bar absolut können gegenüber der äußeren Struktur durch eine mit Aramid Hülle aufgefangen werden. Aufgrund der Flexibilität kann die Innenhülle leicht an vorgegebene Geometrien angepasst werden, was ein Nachrüsten eines Flugzeuges oder Schiffes mit einem erfindungsgemäßen Tank erleichtert.To achieve the object, a tank is provided, which comprises an outer structure and a pressure-resistant, cold-resistant, flexible inner shell, which is able to absorb an overpressure arising in the tank. For example, the sheath is an aramid-reinforced or aramid sheath, such as an aramid fiber-reinforced sheath, hereinafter called an aramid sheath. Aramid fibers are commercially sold by DuPont under the trademark Kevlar ®. By such a pressure-resistant inner shell pressure can be compensated, which is caused by Boil-off gas. An internal pressure in the tank of 2 to 3 bar absolute can be compared to the outer structure by an aramid shell caught. Due to the flexibility of the inner shell can be easily adapted to predetermined geometries, which facilitates retrofitting an aircraft or ship with a tank according to the invention.
Eine Hülle ist insbesondere dann druckfest im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn diese einem Druck von 2 bar absolut wenigstens zu widerstehen vermag. Diese Angabe bezieht sich auf die Lagertemperatur des Brennstoffs. Eine Hülle ist kälteresistent im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn diese der Lagertemperatur des im Tank gelagerten kryogenen Brennstoffs gewachsen ist.An envelope is particularly pressure-resistant in the sense of the present invention, if it is able to withstand a pressure of 2 bar absolute at least. This information refers to the storage temperature of the fuel. A casing is resistant to cold in the sense of the present invention, when it has grown the storage temperature of the cryogenic fuel stored in the tank.
Um einen druckfesten Tank bereitzustellen, wird dieser regelmäßig aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Eine druckfeste Innenhülle ist im Vergleich dazu relativ leicht, so dass so ein relativ leichter Tank bereit gestellt werden kann. Die Bereitstellung eines leichten Tanks ist für einen mobilen Einsatz wichtig, um den für den Antrieb benötigten Treibstoff minimieren zu können.To provide a pressure-resistant tank, this is regularly made of steel or aluminum. A pressure-resistant inner shell is relatively light in comparison, so that so a relatively light tank can be provided. The provision of a light tank is important for mobile use in order to minimize the fuel needed for the drive.
Es gibt zwar Stahltanks, die mit einer inneren flexiblen Hülle versehen sind, um so den Tank zuverlässig gegen ein Auslaufen zu sichern. Dies ist beispielsweise bei Erdtanks, in denen Heizöl gelagert wird, gesetzlich vorgeschrieben. Ein Material, welches in diesen Fällen eingesetzt wird, ist aber nicht kälteresistent im Sinne der vorliegenden Erfindung. Solche Hüllen von Erdtanks sind statt dessen so ausgelegt, dass diese den herrschenden Umgebungstemperaturen zu widerstehen vermögen.Although there are steel tanks, which are provided with an inner flexible shell, so as to reliably secure the tank against leakage. This is required by law, for example, in underground tanks where fuel oil is stored. However, a material which is used in these cases is not cold-resistant in the sense of the present invention. Such shells of underground tanks are instead designed to withstand the prevailing ambient temperatures.
LNG wird üblicherweise auf –161°C bis –164°C abgekühlt. Das Material der Hülle ist dann so auszuwählen, dass es wenigstens den Temperaturen gewachsen ist, auf die im Tank gelagertes LNG abgekühlt wurde. Es gibt Aramid-Hüllen, die bis Temperaturen von –197°C belastbar sind. Eine solche Hülle ist für die Lagerung von LNG besonders gut geeignet.LNG is usually cooled to -161 ° C to -164 ° C. The material of the envelope is then to be selected so that it is at least equal to the temperatures at which LNG stored in the tank has been cooled. There are aramid sheaths that can withstand temperatures of -197 ° C. Such a casing is particularly well suited for the storage of LNG.
Die aus Aramid bestehende Hülle besteht bevorzugt zu 100% aus Aramid. In einer Ausführungsform umfasst diese Hohlfasern.The aramid sheath is preferably 100% aramid. In one embodiment, this comprises hollow fibers.
In einer anderen Ausführungsform ist die Hülle mit einem gasdichten Kautschukmaterial wie Gummi getränkt, bzw. mit einer dünnen 1 bis 1,5 mm Schicht aus flexiblen Wärmeisolier- und Dichtstoffen überzogen, wie aufspritzbare Polyurethane.In another embodiment, the envelope is impregnated with a gas-tight rubber material such as rubber, or coated with a thin 1 to 1.5 mm layer of flexible thermal insulation and sealants, such as sprayable polyurethanes.
Die Hülle ist bevorzugt 1 bis 10 mm, besonders bevorzugt 3 bis 7 mm, so zum Beispiel ca. 5 mm dick.The sheath is preferably 1 to 10 mm, more preferably 3 to 7 mm, for example about 5 mm thick.
Wird dieses Aramid als Material der Innenhülle eingesetzt, so wird die Sicherheit in besonderem Maß erhöht, die gerade bei Flugzeugen besonders wichtig ist, da solche Hüllen besonders leicht flexibel und stabiler als Stahl und Aluminium sind.If this aramid is used as the material of the inner shell, the security is particularly increased, which is especially important for aircraft, since such casings are particularly flexible and more stable than steel and aluminum.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die druckfeste Innenhülle an einem kompressiblen Kunststoffmaterial an, welches der Wärmeisolierung dient. Tritt im Tank aufgrund von Boil-off Gas eine Druckerhöhung auf, so leistet das kompressible Kunststoffmaterial keinen nennenswerten Beitrag, um den Druck aufzufangen und nicht an die sie umgebende Struktur des Flugzeuges oder Schiffes, in dem sie eingebettet ist, weiterleitet und belastet. Übrig bleiben vorwiegend die Massenkräfte, durch Beschleunigung der Verkehrssysteme hervorgerufen, die in Form einer Flächenpressung von der Struktur des Flugzeuges abgefangen werden müssen. Der Innen Gasdruck im Tank wird statt dessen durch die druckfeste Innenhülle energetisch in Verformungsarbeit, der Dehnung zum Beispiel vom Werkstoff Kevlar, aufgenommen. Bei dieser Ausführungsform steht eine große Auswahl an wärmeisolierenden, leichten Materialien zur Verfügung. So wird beispielsweise für die Wärmeisolierung ein aus Polyurethane bestehendes Material eingesetzt und zwar insbesondere in Form eines Schaums, so zum Beispiel in Form eines Weichschaums. Polyurethane kann aber auch als Montageschaum vorliegen, um so eine Wärmeisolation mit geringem Gewicht bereitzustellen.In one embodiment of the invention, the pressure-resistant inner shell is applied to a compressible plastic material, which is the thermal insulation serves. If a pressure increase occurs in the tank due to boil-off gas, the compressible plastic material makes no significant contribution to catch the pressure and not forwarded to the surrounding structure of the aircraft or ship in which it is embedded, and charged. What remains is mainly the mass forces, caused by the acceleration of the traffic systems, which have to be intercepted in the form of surface pressure by the structure of the aircraft. The internal gas pressure in the tank is instead absorbed by the pressure-resistant inner shell energetically in deformation work, the elongation of the material Kevlar, for example. In this embodiment, a wide range of heat-insulating, lightweight materials is available. Thus, for example, for the thermal insulation of a polyurethane existing material used and in particular in the form of a foam, for example in the form of a soft foam. However, polyurethane can also be present as a mounting foam so as to provide a thermal insulation with low weight.
Kevlar ist ein elastisches Material, welches sich bis zu 4% dehnen kann. Polyurethan ist ein nachgiebiges Material. Tritt ein Überdruck im erfindungsgemäßen Tank auf, so wird sich eine durch Kevlar verstärkte Innenhülle dehnen und den Überdruck auffangen, nicht aber eine aus Polyurethan bestehende, an der Innenhülle anliegende Schicht.Kevlar is an elastic material that can stretch up to 4%. Polyurethane is a resilient material. If an overpressure occurs in the tank according to the invention, an inner sheath reinforced by kevlar will stretch and absorb the overpressure, but not a layer consisting of polyurethane, which adjoins the inner sheath.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Tank eine Folie als äußere Hülle, die bevorzugt ebenfalls über gute wärmeisolierende Eigenschaften verfügt. Durch die äußere Folie wird eine daran angrenzende, innen liegende Schicht des Tanks geschützt. Eine dafür geeignete, ca. 10 mm dicke Folie ist unter der Handelsbezeichnung „Mija” erhältlich. Um ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Tank auszurüsten, wird in einer Ausführungsform der Erfindung auf Wände eines Raums im Flugzeug zunächst die oben genannte äußere Folie aufgebracht. Insbesondere wird ein Raum in einem Flügel des Flugzeugs so mit einer Folie ausgekleidet.In one embodiment of the invention, the tank comprises a film as an outer shell, which preferably also has good heat-insulating properties. The outer foil protects an adjacent inner layer of the tank. A suitable, about 10 mm thick film is available under the trade name "Mija". In order to equip an aircraft with a tank according to the invention, in one embodiment of the invention, the above-mentioned outer film is first applied to walls of a room in the aircraft. In particular, a space in a wing of the aircraft is lined with a foil.
Ein Flugzeugflügel bzw. eine Tragfläche eines Flugzeugs heutiger Bauart besteht aus zwei gefrästen Teilen, nämlich einer Oberseite und einer Unterseite. Ausgefräst werden innenliegende Stringer (Längsversteifungen) einer solchen Tragfläche. Stringer einer solchen Tragfläche ragen regelmäßig je nach Größe des Flügels bis 120 mm in das Innere der Tragfläche hinein. Um ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Tank nachzurüsten, wird in einer Ausführungsform u. a. auf solche Stringer eine erste äußere Folie aufgebracht und zwar insbesondere aufgeklebt. Die Folie kann leicht an die vorgegeben Geometrien angepasst werden.An aircraft wing or a wing of an aircraft of today's design consists of two milled parts, namely an upper side and a lower side. Internal stringer (longitudinal reinforcements) of such a wing are milled out. Stringer such a wing protrude regularly depending on the size of the wing to 120 mm into the interior of the wing. In order to retrofit an aircraft with a tank according to the invention, in one embodiment u. a. Applied to such stringers a first outer film and in particular glued. The film can be easily adapted to the given geometries.
In einem nächsten Arbeitsgang werden auf die Folie wärmeisolierende, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Kacheln aufgebracht. Die Kacheln können zum Beispiel aus Polyurethane bestehen. Die Kacheln sind bevorzugt zwischen 6 und 10 cm dick. Mit Kacheln kann die so bereitgestellte wärmeisolierende Schicht leicht an vorgegebene Geometrien angepasst werden. Die Kacheln werden vorzugsweise auf die Folie zum Beispiel mit einem Silikonkleber aufgeklebt, um so die Kacheln schnell anbringen zu können.In a next step, heat-insulating, preferably made of plastic tiles are applied to the film. For example, the tiles may be made of polyurethanes. The tiles are preferably between 6 and 10 cm thick. With tiles, the heat insulating layer thus provided can be easily adapted to predetermined geometries. The tiles are preferably adhered to the film, for example, with a silicone adhesive so as to attach the tiles quickly.
Anschließend wird eine die druckfeste Hülle auf die Innenseite der Kachel aufgebracht. Bevorzugt wird die Innenseite zuvor mit einem Klebstoff versehen. Danach wird die druckfeste Hülle in den Innenraum hineingebracht und aufgeblasen. Die Hülle legt sich dann an die Kacheln an und wird so mit diesen verklebt.Subsequently, a pressure-resistant shell is applied to the inside of the tile. Preferably, the inside is previously provided with an adhesive. Thereafter, the pressure-resistant shell is brought into the interior and inflated. The cover then attaches itself to the tiles and is thus glued to them.
An Flügeltanks mit tiefgekühltem Gas sind besonders hohe Anforderung in Bezug auf Wärmeisolation zu stellen, damit keine zusätzliche Gefahr der Flügelvereisung insbesondere bei Landevorgängen besteht. Deshalb wird in einer Ausführungsform eine Heizfolie auf die Flügel eines Flugzeuges aufgebracht, um durch Heizen mit elektrischer Energie einer Vereisung entgegenwirken zu können. Eine sehr dünne zweidimensionale Folie aus Kohlenstoff ist als Heizfolie besonders geeignet. Als Material wird ganz besonders bevorzugt „Graphen” eingesetzt, welches von Prof. Andre Greim aus den Niederlanden entwickelt wurde, die im übrigen vorteilhaft auch noch gasdicht ausgestaltet sein kann.On wing tanks with deep-frozen gas, particularly high demands are to be made with regard to thermal insulation, so that there is no additional risk of vane icing, especially during landings. Therefore, in one embodiment, a heating foil is applied to the wings of an aircraft in order to be able to counteract icing by heating with electrical energy. A very thin two-dimensional sheet of carbon is particularly suitable as a heating foil. The material used is very particularly preferably "graphene", which was developed by Prof. Andre Greim from the Netherlands, which, moreover, can advantageously also be made gas-tight.
Bevorzugt werden ein oder mehrere vorhandene Kerosintanks eines Flugzeuges in der beschriebenen so nachgerüstet und zwar insbesondere Tanks einer Tragfläche, die an den Flugzeugrumpf angrenzen, also Flügelwurzeltanks. Weitere Tanks eines Flugzeuges, die sich weiter außen in den Flügeln befinden, werden dagegen nicht umgerüstet. Das darin gelagerte Kerosin dient erfindungsgemäß als Sicherheit, beispielsweise um ein Flugzeug auch dann noch betreiben zu können, wenn es mehr als den für einen Flug ursprünglich vorgesehenen Treibstoff verbraucht.Preferably, one or more existing kerosene tanks of an aircraft are retrofitted in the manner described, and in particular tanks of a wing, which adjoin the aircraft fuselage, ie wing root tanks. Other tanks of an aircraft, which are located further out in the wings, however, are not converted. According to the invention, the kerosene stored therein serves as safety, for example in order to be able to operate an aircraft even if it consumes more than the fuel originally intended for a flight.
Wird ein Tank in der beschriebenen Weise nachgerüstet, so stehen zwei gasdichte Hüllen zur Verfügung, nämlich zum einen eine äußere Hülle des Kerosintanks und zum anderen die innere druckfeste Hülle, die besonders stabil ist, wenn diese Aramid umfasst. Als äußere gasdichte Hülle wird wiederum Graphen besonders bevorzugt, da dieses Material besonders gasdicht ist. Graphen ist extrem dünn und damit leicht , dass eine solche Folie auch als zweidimensionale Folie bezeichnet wird. Graphen ist nur eine Atomlage dick. Dadurch wird ein tiefkalter Brennstoff dann besonders sicher gelagert. Besonders problematisch ist das Boil-Off Gas, welches sich entzünden kann, obwohl die Flammtemperatur um 400°C höher liegt als bei Kerosin. Entsprechend hoch sind die Sicherheitsanforderungen, die durch einen entsprechenden Tank zu erfüllen sind.If a tank is retrofitted in the manner described, two gas-tight casings are available, namely, on the one hand, an outer shell of the kerosene tank and, on the other hand, the inner pressure-resistant shell, which is particularly stable if it comprises aramid. In turn, graphene is particularly preferred as the outer gastight shell, since this material is particularly gas-tight. Graphene is extremely thin and therefore light that such a film is also referred to as a two-dimensional film. Graphene is only one atomic layer thick. As a result, a low-temperature fuel is then stored very safe. Especially problematic is the boil-off gas, which can ignite, even though the flame temperature is 400 ° C higher than kerosene. The safety requirements that must be met by a corresponding tank are correspondingly high.
In einer Airbusmaschine A 380 können durch die Erfindung 15 bis 20 Tonnen an Gewicht eingespart werden, wenn das Flugzeug mit LNG betankt wird und mit Kerosin gefüllte Tanks nur noch aus Reservegründen wie beschrieben entsprechend eingeschränkt vorhanden sind. Die angegebene Gewichtsersparnis berücksichtigt bereits das Zusatzgewicht, welches durch die Umrüstung von Tanks und zusätzliche Brennstoffleitungen auftritt. Die Treibstoffgewichtseinsparung ist also höher.In an Airbus A 380, 15 to 20 tons of weight can be saved by the invention if the aircraft is refueled with LNG and kerosene-filled tanks are only available for reserve reasons as described correspondingly limited. The specified weight saving already takes into account the additional weight that occurs when refitting tanks and additional fuel lines. The fuel weight saving is therefore higher.
Ein Flugzeug, welches nachträglich mit erfindungsgemäßen Tanks versehen werden soll, wird bevorzugt mit weiteren Tanks nachgerüstet, die beispielsweise links und rechts von einem Zentraltank eines Flugzeugs eingebaut werden. Hinreichend Platz ist bei Passagierflugzeugen im Langstreckenbereich vorhanden. Damit wird zusätzliches Tankvolumen bereitgestellt, welches benötigt wird, weil das Volumen für LNG im Vergleich zum Volumen für Kerosin bei gleichem Energieinhalt größer ist.An aircraft which is to be retrofitted with tanks according to the invention is preferably retrofitted with further tanks, which are installed, for example, to the left and right of a central tank of an aircraft. Sufficient space is available for passenger aircraft in the long-haul area. This provides extra tank volume needed because the volume of LNG is greater than that of kerosene for the same energy content.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden auch mit einem erfindungsgemäßen Tank verbundene Rohre und Kupplungssysteme mit einer Hülle aus Graphen so versehen, so zum Beispiel umwickelt, dass die Graphenfolie weiter verbessert zur Gasdichtigkeit beiträgt.In one embodiment of the invention, tubes and coupling systems connected to a tank according to the invention are also provided with a shell of graphene, for example wrapped in such a way that the graphene foil further improves gas-tightness.
Eine aus Graphen bestehende Folie kann leicht mit Hilfe einer weiteren Folie abgewickelt und aufgebracht werden. Aufgrund von Adhäsion haftet Graphen sehr leicht und zuverlässig auf anderen Oberflächen.A graph of graphene can be easily unwound and applied with the aid of another film. Due to adhesion, graphene adheres very easily and reliably to other surfaces.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein für den bzw. als Tank bereitgestellter Raum aus Scandium gebildete Wände. Es kann sich aber auch um eine aus Scandium bestehende, äußere Folie handeln, die den Tankraum begrenzt. Es gelingt so eine Gewichtsreduzierung so zum Beispiel im Vergleich zu Tanks, die eine aus Aluminium bestehende äußere Hülle aufweisen. Bei gleicher Stabilität ist nämlich Scandium leichter im Vergleich zu Aluminium.In one embodiment of the invention, a space provided for the tank comprises scandium. But it can also be an existing scandium, outer film that limits the tank space. It succeeds in such a weight reduction, for example, compared to tanks that have an outer shell made of aluminum. For the same stability, scandium is lighter compared to aluminum.
In einer Ausführungsform umfasst die Innenhülle des Tanks Stege oder mit Löchern versehene Wände, die von einer Innenwand der Hülle bis zu einer gegenüberliegenden Innenwand reichen und an beiden Innenwänden befestigt sind. Diese Stege oder Wände tragen verbessert dazu bei, dass einen im Tank herrschender Überdruck durch die Innenhülle aufgefangen wird. Die mit Löchern versehenen Wände sind bevorzugt zueinander wabenförmig angeordnet.In one embodiment, the inner shell of the tank includes webs or apertured walls that extend from an inner wall of the shell to an opposite inner wall and are secured to both inner walls. These webs or walls contribute to improved that a pressure prevailing in the tank overpressure is absorbed by the inner shell. The holes provided with walls are preferably arranged honeycomb to each other.
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