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Die Erfindung betrifft ein Triebwerk für Flugzeuge, aufweisend eine Welle und eine Gasturbine mit einem Verdichter zum Verdichten von Gas und einer Turbine, wobei der Verdichter und die Turbine drehfest mit der Welle verbunden sind, sowie einer Brennkammer, das Triebwerk weiterhin aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Triebwerks.
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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.
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Aufgrund der sich je nach Betriebsart des Flugzeugs ändernden Anforderungen an die Triebwerke ist ein Wirkungsgrad in allen Betriebszustände des Triebwerks zu optimieren. Im Stand der Technik ist es so üblich, die Gasturbinentriebwerke je nach Betriebszustand anzusteuern, also das Triebwerk zu drosseln, wenn das Flugzeug in den Sinkflug geht und das Triebwerk voll auszulasten, wenn das Flugzeug in den Steigflug geht.
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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 separaten Tank, insbesondere für Wasserstoff auf, was einen hohen zusätzlichen Platzbedarf und Zusatzlast bedeutet. Jedoch umfasst der Betrieb von derartigen Systemen entweder die Verwendung der Brennstoffzellen ausschließlich zur Versorgung der Bordsysteme oder lediglich die Kopplung mit der Gasturbine, sodass der Vortriebswirkungsgrad erhöht wird. Es gibt allerdings keine bestehenden Systeme die die Flexibilität des Betriebs eines Triebwerks und den Wirkungsgrad im „Off-Design“-Betrieb gezielt verbessern.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Triebwerk für Flugzeuge anzugeben, bei dem der Wirkungsgrad in allen Betriebszuständen erhöht ist und das gleichzeitig platzsparend ausgelegt ist. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechend optimierten Triebwerkes vorzuschlagen.
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Die auf ein Triebwerk gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Triebwerk der eingangs genannten Art, bei dem die eine Welle zumindest mittelbar ausschließlich durch mindestens einen Elektromotor antreibbar ist.
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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.
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Entsprechend vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Anzahl der Wellen der Anzahl der Verdichter und der Turbinen entspricht. Unter Verdichter oder Turbinen sind insbesondere eine oder mehrere hintereinander angeordnete radiale oder axiale Verdichter- bzw. Turbinenstufen zu verstehen. Diese axialen Stufen bestehen aus einer Hintereinanderschaltung von einer drehbar gelagerten Schaufel und stationären Schaufeln. Radiale Stufen weisen dagegen üblicherweise keine stationären Schaufeln auf. Dazu ist mindestens ein Elektromotor vorgesehen, durch den die mindestens eine Welle antreibbar ist. In der Brennkammer wird dem System ein Brennstoff zugeführt, üblicherweise Kerosin, welcher in der Brennkammer entzündet wird, sodass die Temperatur des Luftstroms im Bereich der Brennkammer gesteigert wird. Ein Teil des vom Verdichter verdichteten Luftstroms wird der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführt, die durch die zugeführte verdichtete Luft eine größere Menge Sauerstoff umsetzen kann und folglich effizienter ist. Die durch die Brennstoffzelle erzeugte Energie versorgt je nach Bedarf verschiedenste Systeme des Flugzeugs oder des Triebwerks.
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Erfindungsgemäß kann die Welle allerdings auch ausschließlich durch den Elektromotor antreibbar sein. Dies ermöglicht einen flexiblen Betrieb des Triebwerks, welcher je nach Bedarf einen Antrieb 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 ermöglicht ist. 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 kombinierter Antrieb aus Elektromotor und Gasturbine oder ausschließlich durch die Gasturbine in Operationszuständen vorteilhaft, in denen eine hohe Vortriebsleistung benötigt ist, beispielsweise beim Startvorgang des Flugzeugs.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Triebwerk mehrere Wellen aufweist, wobei insbesondere jeweils eine Welle zumindest mittelbar ausschließlich durch einen Elektromotor antreibbar ist. Weist das Triebwerk mehrere Wellen auf, sind diese erfindungsgemäß vorzugsweise koaxial zueinander angeordnet, um Platz innerhalb des Triebwerks einzusparen. Durch die Vielzahl der Wellen sind bei entsprechender Ansteuerung mitunter deutlich höhere Wirkungsgrade des Triebwerks erreichbar. Ist in Ausgestaltung der Erfindung jeweils eine Welle durch einen der Elektromotoren antreibbar, ist die Ansteuerung der Wellen durch entsprechende Ansteuerung der Elektromotoren ermöglicht.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle zum Versorgen des mindestens einen Elektromotors mit Energie angeordnet ist. Dies erhöht die Effizienz des Gesamtsystems und vermeidet Leerlaufzeiten, in denen die Energie der Brennstoffzelle nur für sonstige Systeme des Flugzeugs benötigt wird. Dazu ist auch ein dazwischen geschalteter Energiespeicher erfindungsgemäß, in dem die Energie aus der Brennstoffzelle bei Bedarf zwischengespeichert werden kann und daraus bei Bedarf Energie in Elektromotoren oder in sonstige Systeme des Flugzeugs abführbar ist.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle zur zumindest teilweisen Versorgung von Subsystemen mit in der Brennstoffzelle erzeugter Energie ausgebildet ist. Insbesondere in Betriebszuständen, in denen die Gasturbine ausschließlich durch Verbrennung eines Brennstoffes angetrieben wird, kann die Energie aus der Brennstoffzelle, welche nicht für die Elektromotoren benötigt wird, Subsysteme versorgen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasturbine und die Brennstoffzelle derart miteinander verbunden sind, dass im Betriebszustand verdichtetes Gas aus der Gasturbine der Brennstoffzelle zuführbar ist. Durch das Zuführen von verdichtetem Gas, insbesondere verdichteter Luft, aus der Gasturbine in die Brennstoffzelle ist die Effizienz der Brennstoffzelle aufgrund der größeren Menge des zugeführten Sauerstoffs deutlich erhöht. Dazu ist ein für die Brennstoffzelle gesonderter Verdichter oder gar Mittel zur Sauerstoffanreicherung zu weiteren Effizienzsteigerung nicht zwingend notwendig.
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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. Zusätzlich ist es möglich, die Abgase in und/oder nach der Turbine zurückzuführen. Das Abgas der Brennstoffzelle erhöht die Effizienz der Gasturbine aufgrund der erhöhten Temperatur da es einen Teil der Temperaturerhöhung des Gasturbinenluftstroms, der sonst durch die Treibstoffverbrennung in der Brennkammer erzielt wird, übernimmt.
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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 typischerweise für die Gasturbine benötigt ist, verwendbar ist.
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In Ausgestaltung des Triebwerks nach der Erfindung ist vorgesehen, dass es einen Nachbrenner zum Verbrennen nicht verbrannten Restbrennstoffes der Brennstoffzelle aufweist. Ein solcher Nachbrenner ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Abgas der Brennstoffzelle nach der Brennkammer der Gasturbine zugeführt wird und die Restbrennstoffe nicht in der Brennkammer selbst verbrannt werden. Dazu 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.
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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.
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Die auf ein Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks der vorgenannten Art gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Welle zumindest mittelbar ausschließlich durch den mindestens einen Elektromotor angetrieben wird. Dadurch ist ein flexibler Betrieb des Triebwerks ermöglicht. So kann die Welle je nach Bedarf ausschließlich durch die Verbrennungsleistung der Gasturbinen, ausschließlich durch den Elektromotor bei einer gedrosselten oder gänzlich ausgeschalteten Verbrennung in der Gasturbine oder durch eine Kombination aus beiden zuvor genannten Betriebsarten angetrieben werden. In Betriebszuständen wie dem Sinkflug ist es demnach von Vorteil, wenn die Welle ausschließlich vom Elektromotor angetrieben wird, sodass der Brennstoffzelle weiterhin durch den Verdichter verdichtete Luft zugeführt werden kann. Dagegen ist das Antreiben der Welle beispielsweise im Startvorgang oder im Steigflug mit einer Kombination aus Elektromotor und Gasturbine oder ausschließlich durch die Gasturbine in Operationszuständen von Vorteil, da die Gasturbine für die benötigte Vortriebsleistung ohnehin angetrieben werden muss.
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Unter Bezugnahme auf die nachfolgende Figur wird die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Triebwerks 1.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Triebwerks 1. Das Triebwerk 1 weist in der dargestellten Ausführungsform eine Welle 2 und eine Gasturbine 3 auf. Die Gasturbine 3 ist gebildet aus einem Verdichter 4 und einer Turbine 5, welche drehfest mit der Welle 2 verbunden sind, sowie einer Brennkammer 6, in die Brennstoff, insbesondere Kerosin, eingeführt wird und dort verbrannt wird. Ein Luftstrom wird in dem Triebwerk 1 an einem der Turbine 5 gegenüberliegenden Ende aufgenommen und in das System geleitet. Der Luftstrom wird durch den Verdichter 4 verdichtet. Das verdichtete Gas wird in die Brennkammer 6 geleitet, wo es mit einem Brennstoff, welcher in die Brennkammer 6 vorzugsweise eingestäubt wird, vermischt wird und gemeinsam entzündet wird. Das erhitzte Gas wird weiter durch die Turbine 5 geführt, in der das Gas die Turbine antreibt. Dazu entsteht durch das an dem Turbinenende des Triebwerks 1 austretende Gas ein Vorschub, durch den das Triebwerk 1 das damit versehene Flugzeug antreibt.
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Um zusätzlich Vorschub zu erzeugen, kann ein Schaufelblattrad 10 vorgesehen sein, welches sich am der Turbine 5 gegenüberliegenden Ende des Triebwerks 1 befindet und drehfest mit der Welle 2 verbunden ist. Durch die drehfeste Verbindung der Turbine 5 und des Verdichters 4 mit der Welle 2 wird das Schaufelblattrad 10 durch den Luftstrom mittelbar durch den Verdichter 4 und die Turbine 5 angetrieben.
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Das Schaufelblattrad 10 ist dabei so ausgebildet, dass eine Drehbewegung dessen in einem weiteren Vorschub des Triebwerks 1 resultiert.
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Weiter ist in dem Triebwerk 1 eine Brennstoffzelle 7 vorgesehen, welche in der Gasturbine 3 aufgenommen oder zumindest mit dieser wirksam verbunden ist. Die Brennstoffzelle 7 wird mit Wasserstoff versorgt, welcher wahlweise aus einem separat mitgeführten Wasserstofftank, einem Reformer 9 oder einer anderen Quelle kommen kann.
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Ein Reformer 9 ist dabei besonders von Vorteil, da dieser beispielsweise Kerosin, welches ohnehin in einem Flugzeug mitgeführt wird, in Wasserstoff und Restprodukte umwandeln kann. Dabei können die Restprodukte ausgeschieden werden, während der Wasserstoff der Brennstoffzelle 7 zugeführt wird und in dieser umgesetzt wird.
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Zum Betreiben der Brennstoffzelle 7 wird ein Teil des durch den Verdichter 4 verdichteten Luftstroms in die Brennstoffzelle 7 eingeführt.
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Die Abgase der Brennstoffzelle 7 werden anschließend in das System zurückgeführt und mit dem Luftstrom oder Gasgemisch vor, in oder nach der Brennkammer 6 oder in oder nach der Turbine 5 vermischt und abgeführt.
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Die Energie, die durch die Brennstoffzelle 7 erzeugt wird, kann zur Versorgung von Subsystemen wie beispielsweise der Bordelektronik oder zur Versorgung eines Elektromotors 8 verwendet werden. Alternativ ist auch ein Energiespeicher denkbar, in dem die erzeugte Energie zwischengespeichert und erst bei Bedarf aus diesem entnommen werden kann. Der Elektromotor 8 ist dabei mit der Welle 2 oder dem Verdichter 4 derart verbunden, dass er diese zumindest mittelbar antreibt. So ist auch ein direktes Antreiben der Turbine 5 durch den Elektromotor 8 denkbar. Der Elektromotor 8 ist dabei so ausgebildet, dass er die Welle 2 auch im ausgeschalteten Zustand der Gasturbine 3, also insbesondere ohne Kerosinzufuhr, alleine betreiben kann. Dies ist insbesondere in Betriebszuständen von Vorteil, in denen sich das Flugzeug beispielsweise im Sinkflug befindet, bei dem keine oder nur eine geringe Vorschubleistung des Triebwerks 1 gewünscht ist, jedoch ein effizientes Betreiben der Brennstoffzelle 7 auf einen verdichteten Luftstrom angewiesen ist. Wird so der Verdichter 4 weiter durch den Elektromotor 8 angetrieben, kann dieser den zugeführten Luftstrom weiter verdichten und die Brennstoffzelle 7 versorgen, ohne dass durch die Gasturbine 3 ein besonders hoher Vorschub erzeugt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebwerk
- 2
- Welle
- 3
- Gasturbine
- 4
- Verdichter
- 5
- Turbine
- 6
- Brennkammer
- 7
- Brennstoffzelle
- 8
- Elektromotor
- 9
- Reformer
- 10
- Schaufelblattrad
