DE102019216905A1 - Aircraft engine and method of operation - Google Patents
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Abstract
Um ein Triebwerk (1) für Flugzeuge, aufweisend mindestens eine Welle (2) und eine Gasturbine (3) mit einem Verdichter (4) zum Verdichten von Gas und einer Turbine (5), wobei der Verdichter (4) und die Turbine (5) drehfest mit der mindestens einen Welle (2) verbunden sind, sowie einer Brennkammer (6), weiterhin aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (7), anzugeben, bei dem der Wirkungsgrad erhöht ist und das gleichzeitig platzsparend ausgelegt ist, wird vorgeschlagen, dass die Gasturbine (3) und die mindestens eine Brennstoffzelle (7) derart miteinander verbunden sind, dass im Betriebszustand verdichtetes Gas (15) aus der Gasturbine (3) der mindestens einen Brennstoffzelle (7) zuführbar ist..To an engine (1) for aircraft, having at least one shaft (2) and a gas turbine (3) with a compressor (4) for compressing gas and a turbine (5), wherein the compressor (4) and the turbine (5 ) are non-rotatably connected to the at least one shaft (2), as well as a combustion chamber (6), further comprising at least one fuel cell (7), in which the efficiency is increased and which is designed to save space at the same time, it is proposed that the gas turbine (3) and the at least one fuel cell (7) are connected to one another in such a way that, in the operating state, compressed gas (15) from the gas turbine (3) can be fed to the at least one fuel cell (7).
Description
Die Erfindung betrifft ein Triebwerk für Flugzeuge aufweisend mindestens eine Welle und eine Gasturbine mit einem Verdichter zum Verdichten von Gas und einer Turbine, wobei der Verdichter und die Turbine drehfest mit der mindestens einen Welle verbunden sind, sowie einer Brennkammer, weiterhin aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Triebwerks.The invention relates to an engine for aircraft having at least one shaft and a gas turbine with a compressor for compressing gas and a turbine, the compressor and the turbine being non-rotatably connected to the at least one shaft, as well as a combustion chamber, furthermore having at least one fuel cell, and a method of operating such an engine.
Beim Betrieb von Flugzeugtriebwerken ist deren Effizienz bzw. deren Wirkungsgrad von maßgeblicher Bedeutung, da dieser in Hand geht mit dem Verbrauch von Treibstoff und mit der Erzeugung schädlicher Abgase.In the operation of aircraft engines, their efficiency or their degree of effectiveness is of decisive importance, since this goes hand in hand with the consumption of fuel and the generation of harmful exhaust gases.
Zur Versorgung elektrischer Systeme an Bord eines Flugzeuges ist es dabei bekannt, auf die mechanische Energie der Turbine zurückzugreifen und über Generatoren einen Teil in benötigte elektrische Energie umzuwandeln. Ein solche Umwandlung ist nachteilig für den Wirkungsgrad der Turbine und führt zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch.In order to supply electrical systems on board an aircraft, it is known to use the mechanical energy of the turbine and to convert part of it into the required electrical energy via generators. Such a conversion is detrimental to the efficiency of the turbine and leads to increased fuel consumption.
Weiterhin ist es bekannt, in Flugzeugen Brennstoffzellen zu verwenden, um damit beispielsweise die Flugzeugkabine bei am Boden befindlichen Flugzeug mit Energie zu versorgen. Diese Brennstoffzellen weisen zumeist einen seperaten Tank, insbesondere für Wasserstoff, auf, was einen hohen zusätzlichen Platzbedarf und Zusatzlast bedeutet. Weiterhin ist die Effizienz dieser Brennstoffzellen gering.It is also known to use fuel cells in aircraft in order, for example, to supply the aircraft cabin with energy when the aircraft is on the ground. These fuel cells mostly have a separate tank, in particular for hydrogen, which means a high additional space requirement and additional load. Furthermore, the efficiency of these fuel cells is low.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Triebwerk für Flugzeuge anzugeben, bei dem der Wirkungsgrad erhöht ist und das gleichzeitig platzsparend ausgelegt ist. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechend optimierten Triebwerkes vorzuschlagen.The object of the invention is therefore to specify an engine for aircraft in which the efficiency is increased and which is designed to save space at the same time. It is also the object of the invention to propose a method for operating a correspondingly optimized engine.
Die auf ein Triebwerk gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Triebwerk der eingangs genannten Art, bei dem die Gasturbine und die mindestens eine Brennstoffzelle derart miteinander verbunden sind, dass im Betriebszustand verdichtetes Gas aus der Gasturbine der mindestens einen Brennstoffzelle zuführbar ist.The object directed to an engine is achieved by an engine of the type mentioned at the outset, in which the gas turbine and the at least one fuel cell are connected to one another in such a way that compressed gas from the gas turbine can be fed to the at least one fuel cell in the operating state.
Dabei weist die Gasturbine eine im Wesentlichen im Stand der Technik übliche Anordnung aus Verdichter, Brennkammer und Turbine mit mindestens einer Welle auf. Alternativ kann die Gasturbine mehrere Wellen, Verdichter, Brennkammern und/oder Turbinen aufweisen. Dabei sind der Verdichter und die Turbine erfindungsgemäß paarweise drehfest mit einer Welle verbunden, sodass ein Drehen der Turbine ein Drehen des Verdichters begünstigt und umgekehrt. Sind mehrere Wellen vorgesehen, sind jeweils ein Verdichter und eine Turbine erfindungsgemäß mit einer Welle verbunden. Unter Verdichter / Turbinen sind insbesondere eine oder mehrere hintereinander angeordnete radiale oder axiale Verdichter- / Turbinenstuffen zu verstehen. Axiale Stufen bestehen aus einer Nachschaltung von drehenden Schaufel und stationären „Stator“ Schaufeln. Radiale Stufen treten üblicherweise ohne Statoren vor.The gas turbine has an arrangement of compressor, combustion chamber and turbine with at least one shaft that is essentially customary in the prior art. Alternatively, the gas turbine can have several shafts, compressors, combustion chambers and / or turbines. According to the invention, the compressor and the turbine are non-rotatably connected in pairs to a shaft, so that a rotation of the turbine favors rotation of the compressor and vice versa. If several shafts are provided, a compressor and a turbine are each connected to a shaft according to the invention. Compressors / turbines are to be understood in particular as one or more radial or axial compressor / turbine stages arranged one behind the other. Axial stages consist of a series of rotating blades and stationary “stator” blades. Radial steps usually occur without stators.
Die erfindungsgemäße Versorgung der Brennstoffzelle mit verdichtetem Gas, bzw. verdichteter Luft aus der Gasturbine führt über die erhöhte Sauerstoffzufuhr zu einer erheblichen Steigerung des Wirkungsgrades und der Leistungsdichte der Brennstoffzelle. Gleichzeitig wird erfindungsgemäß auf eine zusätzliche Verdichteranordnung verzichtet, indem eine Versorgung der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft aus der Gasturbine stattfindet. Damit ermöglicht die Erfindung eine Effizienzsteigerung der Brennstoffzelle bei gleichzeitig verringertem Rau m bedarf.The supply of the fuel cell according to the invention with compressed gas or compressed air from the gas turbine leads, via the increased oxygen supply, to a considerable increase in the efficiency and the power density of the fuel cell. At the same time, according to the invention, an additional compressor arrangement is dispensed with in that the fuel cell is supplied with compressed air from the gas turbine. The invention thus enables an increase in the efficiency of the fuel cell with simultaneously reduced space requirements.
In Ausgestaltung des Triebwerks nach der Erfindung ist vorgesehen, dass es Mittel zum Leiten eines Abgases der Brennstoffzelle vor und/oder in und/oder nach der Brennkammer in die Gasturbine aufweist, sowie in und/oder nach der Turbine
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle einen Reformer zum Versorgen der Brennstoffzelle mit Brennstoff, insbesondere mit Wasserstoff, aufweist. Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff benötigt, welcher in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Reformer beispielsweise aus Kerosin gewinnbar ist. Dies hat den Vorteil, dass sonstige wasserstoffhaltige Stoffe nicht gesondert mitzuführen sind und als Brennstoff ausschließlich Kerosin, welches ohnehin für die Gasturbine benötigt ist, verwendbar ist.In a further development of the invention it is provided that the fuel cell has a reformer for supplying the fuel cell with fuel, in particular with hydrogen. To operate the fuel cell, hydrogen is required, which in this exemplary embodiment can be obtained from kerosene, for example, by a reformer. This has the advantage that other hydrogen-containing substances do not have to be carried separately and only kerosene, which is required for the gas turbine in any case, can be used as fuel.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es einen Nachbrenner zum Verbrennen nicht verbrannten Restbrennstoffes der Brennstoffzelle aufweist und/oder dass es Mittel zum Leiten des Restbrennstoffes in die Brennkammer aufweist. Auf diese Weise wird die im Restbrennstoff enthaltene chemische Ernergie durch die Verbrennung umgesetzt. Ein Nachbrenner ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Abgas der Brennstoffzelle nach der Brennkammer, vor, in oder nach der Turbine der Gasturbine zugeführt ist und damit der Restbrennstoff nicht in der Brennkammer selbst verbrannt wird. Zudem birgt ein Zuführen der Restbrennstoffe in die Brennkammer der Gasturbine unter Umständen Unberechenbarkeiten oder Gefahren, da Kerosin eine von Wasserstoff unterschiedliche Verbrennungstemperatur aufweist und eine Mischung beider Stoffe zu abweichenden Verbrennungsparametern in der Brennkammer führen. Auch kann ein im Reformer nicht umgewandelter Teil eines zugeführten Treibstoffes im Nachbrenner verbrannt werden.In an embodiment of the invention it is provided that it has an afterburner for burning unburned residual fuel of the fuel cell and / or that it has means for guiding the residual fuel into the combustion chamber. In this way, the chemical energy contained in the residual fuel is converted through the combustion. An afterburner is particularly advantageous if the exhaust gas from the fuel cell is fed to the gas turbine after the combustion chamber, before, in or after the turbine, and thus the residual fuel is not burned in the combustion chamber itself. In addition, feeding the residual fuels into the combustion chamber of the gas turbine can lead to unpredictability or dangers, since kerosene has a different combustion temperature than hydrogen and a mixture of the two substances leads to different combustion parameters in the combustion chamber. A portion of a supplied fuel that is not converted in the reformer can also be burned in the afterburner.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle zur zumindest teilweisen Versorgung von Subsystemen mit in der Brennstoffzelle erzeugter Energie ausgebildet ist. Dabei sind unter Subsytemen beispielsweise die Bordelektronik des Flugzeuges zu verstehen oder allgemeiner sämtliche elektrische Verbraucher in Flugzeugen. Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit eines die mechanische Energie der Turbine umwandelnden Generators zur Erzeugung der für die Subsystme benötigeten elektrischen Energie. Eine entsprechende Umwandlung ist nachteilig für den Wirkungsgrad der Turbine. Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenkombination hingegen nutzt lediglich die im Treibstoff ohnehin vorhandene chemische Energie zum Betrieb des Triebwerkes sowie die verdichtete Luft der Gasturbine direkt, womit ein wirkungsgradschädlicher Zwischenschritt bei der Umwandlung in elektrische Energie entfällt.In an embodiment of the invention it is provided that the fuel cell is designed to at least partially supply subsystems with energy generated in the fuel cell. In this context, subsystems are to be understood as meaning, for example, the aircraft's on-board electronics or, more generally, all electrical consumers in aircraft. This eliminates the need for a generator that converts the mechanical energy of the turbine to generate the electrical energy required for the sub-systems. A corresponding conversion is disadvantageous for the efficiency of the turbine. The fuel cell combination according to the invention, on the other hand, uses only the chemical energy already present in the fuel to operate the engine and the compressed air of the gas turbine directly, eliminating an intermediate step in the conversion into electrical energy that is detrimental to efficiency.
In Ausgestaltung des Triebwerks gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass es mindestens einen Elektromotor aufweist, wobei die Brennstoffzelle (
Es ist weiterhin vorgesehen, dass jeweils eine Welle zumindest mittelbar ausschließlich durch einen Elektromotor antreibbar ist. Dies ermöglicht ein besonders flexiblen Betreiben des Triebwerks, wobei je nach Bedarf wahlweise ein Antreiben der Welle ausschließlich durch die Verbrennungsleistung der Gasturbinen, ausschließlich durch den Elektromotor bei einer gedrosselten oder gänzlich ausgeschalteten Gasturbine oder durch eine Kombination aus beiden zuvor genannten Betriebsarten erfolgt. So ist es in Betriebszuständen, in denen nur eine geringe Vortriebsleistung erzeugt werden muss, beispielsweise im Sinkflug, ausreichend, wenn die Welle ausschließlich vom Elektromotor angetrieben wird, sodass der Brennstoffzelle weiterhin durch den Verdichter verdichtete Luft zuführbar ist. Dagegen ist ein kombiniertes Antreiben aus Elektromotor und Gasturbine oder ausschließlich durch die Gasturbine in Betriebszuständen vorteilhaft, in denen eine hohe Vortriebsleistung benötigt ist, beispielsweise im Steigflug.It is further provided that in each case one shaft can be driven, at least indirectly, exclusively by an electric motor. This enables particularly flexible operation of the engine, with the shaft being driven exclusively by the combustion power of the gas turbines, exclusively by the electric motor with a throttled or completely switched off gas turbine, or by a combination of the two aforementioned operating modes, as required. In operating states in which only a low propulsive power has to be generated, for example when descending, it is sufficient if the shaft is driven exclusively by the electric motor so that air compressed by the compressor can continue to be supplied to the fuel cell. In contrast, a combined drive from the electric motor and gas turbine or exclusively by the gas turbine is advantageous in operating states in which a high propulsive power is required, for example when climbing.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Triebwerk ein mit der Welle drehfest verbundenes Schaufelblattrad aufweist und insbesondere als Mantelstrahltriebwerk oder Turboprop ausgestaltet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Triebwerks ist die mechanische Energie in den Wellen sowohl durch das Schaufelblattrad als auch durch die warme, beschleunigte Luft aus der Turbine für die Vortriebsleistung nutzbar. Insgesamt ist dadurch die Effizienz des Gesamtsystems erhöht. In a further development of the invention, it is provided that the engine has a blade wheel connected to the shaft in a rotationally fixed manner and is designed in particular as a ducted jet engine or turboprop. With such a configuration of the engine, the mechanical energy in the shafts can be used for propulsive power both through the blade wheel and through the warm, accelerated air from the turbine. Overall, this increases the efficiency of the overall system.
Zur Lösung der Verfahrensaufgabe schlägt die Erfindung bei einem Betreiben eines Triebwerks gemäß Anspruch 1 vor, dass Subsysteme mit von der Brennstoffzelle erzeugter Energie versorgt werden. Die Versorgung von elektrischen Subsystemen mit in der Brennstoffzelle erzeugter elektrischer Energie ist hinsichtlich eines anderenfalls notwendigen Generators wesentlich effizienter im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Turbine. Auch muss keine zusätzliche, verschleißanfällige Entkopplung eines Teils der mechanischen Energie der Gasturbine bzw. Welle stattfinden. Dies erhöht den Wirkungsgrad und die Betriebsicherheit der Turbine insgesamt.To solve the method problem, the invention proposes, when operating an engine according to
Unter Bezugnahme auf die nachfolgende Figur wird die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 : schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Triebwerks.
-
1 : schematic view of a preferred embodiment of an engine according to the invention.
Weiter ist in dem Triebwerk
Für das Betreiben der Brennstoffzelle
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- TriebwerkEngine
- 22
- Wellewave
- 33
- GasturbineGas turbine
- 44th
- Verdichtercompressor
- 55
- Turbineturbine
- 66th
- BrennkammerCombustion chamber
- 77th
- BrennstoffzelleFuel cell
- 88th
- SubsystemSubsystem
- 99
- Reformerreformer
- 1010
- SchaufelblattradPaddle wheel
- 1111
- Treibstofffuel
- 1212th
- elektrische Energieelectrical power
- 1313th
- AbwärmeWaste heat
- 1414th
- mechanische Energiemechanical energy
- 1515th
- verdichtetes Gascompressed gas
- 1616
- RestbrennstoffResidual fuel
- 1717th
- Wasserstoffhydrogen
- 1818th
- ZapfluftBleed air
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