DE102019220469A1

DE102019220469A1 - Gas turbine propulsion system with reduced start times

Info

Publication number: DE102019220469A1
Application number: DE102019220469.4A
Authority: DE
Inventors: Georgi Atanasov; Daniel Silberhorn
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem (1), insbesondere für ein Luftfahrzeug, ein Luftfahrzeug, umfassend ein Antriebssystem (1), und ein Verfahren zur Reduktion der Startzeiten eines Antriebssystems für ein Luftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Antriebssystem, insbesondere für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine (2), eine Fluidsystem (4) zur Bereitstellung eines erwärmten Fluids (6), wobei die Gasturbine (2) und das Fluidsystem (4) derart fluidleitend gekoppelt und eingerichtet sind, dass zumindest ein Abschnitt der Gasturbine (2) mit dem erwärmten Fluid versorgt wird.The invention relates to a drive system (1), in particular for an aircraft, an aircraft, comprising a drive system (1), and a method for reducing the start times of a drive system for an aircraft. In particular, the invention relates to a drive system, in particular for an aircraft, comprising a gas turbine (2), a fluid system (4) for providing a heated fluid (6), the gas turbine (2) and the fluid system (4) being coupled and set up in such a way to conduct fluid are that at least a section of the gas turbine (2) is supplied with the heated fluid.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für ein Luftfahrzeug, ein Luftfahrzeug, umfassend ein Antriebssystem, und ein Verfahren zur Reduktion der Startzeiten eines Antriebssystems.The invention relates to a drive system, in particular for an aircraft, an aircraft comprising a drive system, and a method for reducing the start times of a drive system.

Antriebssysteme sind grundsätzlich bekannt, sie werden beispielsweise zur Erzeugung eines Vortriebs eines Luftfahrzeuges verwendet. Derartige Antriebssysteme umfassen in der Regel eine Gasturbine, wobei der Vortrieb durch eine Rückstoßwirkung des mit der Gasturbine erzeugten Luft- und Abgasstroms (Turbojet) erfolgt. Die Gasturbine treibt typischerweise zusätzlich eine ummantelte Luftschraube (Turbofan) oder eine offene Luftschraube (Turbprop) an, was als Mantelstrom bezeichnet wird und dazu dient den Wirkungsgrad des Antriebes zu verbessern. Um ein solches Antriebssystem zu starten, bestehen verschiedene Möglichkeiten. Diese Möglichkeiten haben gemeinsam, dass bei Erreichen der Leerlaufdrehzahl nach dem Start, diese zunächst für eine vorgegebene Zeitspanne, in der Regel mehrere Minuten, beibehalten wird, um die einzelnen Komponenten des Antriebssystems auf Betriebstemperatur zu bringen. Dadurch wird eine signifikante Menge an Treibstoff verbraucht. Ferner kann das Antriebssystem während dieser Aufwärmphase nicht zur Erzeugung eines Vortriebs verwendet werden.Propulsion systems are known in principle; they are used, for example, to generate propulsion of an aircraft. Such drive systems usually include a gas turbine, the propulsion being carried out by a recoil effect of the air and exhaust gas flow generated by the gas turbine (turbojet). The gas turbine typically also drives a jacketed propeller (turbofan) or an open propeller (turbprop), which is referred to as jacket flow and serves to improve the efficiency of the drive. There are various options for starting such a drive system. These options have in common that when the idling speed is reached after the start, this is initially maintained for a predetermined period of time, usually several minutes, in order to bring the individual components of the drive system up to operating temperature. This uses a significant amount of fuel. Furthermore, the drive system cannot be used to generate propulsion during this warm-up phase.

Ein weiteres Problem bekannter Antriebssysteme ist der, dass es nach dem Ausschalten des Antriebssystems in der Regel zu einem Durchbiegen der Verdichterwelle kommt. Dieser Effekt wird auch als Thermal Bowing bezeichnet. Der Grund hierfür ist, dass heiße Luft üblicherweise nach oben steigt, und somit der obere Bereich der Verdichterwelle eine höhere Temperatur aufweist als der untere Bereich. Hierfür kann eine Abkühlphase vorgesehen werden.Another problem with known drive systems is that after the drive system has been switched off, the compressor shaft usually sags. This effect is also known as thermal bowing. The reason for this is that hot air usually rises, and thus the upper area of the compressor shaft has a higher temperature than the lower area. A cooling phase can be provided for this.

Die langen Aufwärm- und Abkühlphasen lassen sich jedoch nicht oder lediglich bedingt mit Konzepten wie einer elektrischen Taxifahrt oder einem Sinkflug mit ausgeschalteten Gasturbinen kombinieren. Ein Taxi dauert üblicherweise fünf bis neun Minuten, um ein Luftfahrzeug von einer Startposition am Terminal hin zu einer Position auf der Startbahn und/oder zurück zu führen. Wenn für das Aufwärmen der Turbine und für das Abkühlen der Turbine jeweils drei Minuten benötigt werden, wird in diesen fünf bis neun Minuten trotz elektrischem Taxi die Gasturbine zumindest teilweise im Betrieb sein, so dass der kerosinsparende Effekt des elektrischen Taxis zumindest reduziert wird.The long warm-up and cool-down phases cannot, or only to a limited extent, be combined with concepts such as an electric taxi ride or a descent with the gas turbines switched off. A taxi usually takes five to nine minutes to guide an aircraft from a take-off position at the terminal to a position on the runway and / or back. If three minutes are required for the turbine to warm up and for the turbine to cool down, the gas turbine will be at least partially in operation in these five to nine minutes despite the electric taxi, so that the kerosene-saving effect of the electric taxi is at least reduced.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem, ein Luftfahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die die Startzeiten eines Antriebssystems für ein Luftfahrzeug reduzieren.It is therefore an object of the invention to provide a drive system, an aircraft and a method which reduce or eliminate one or more of the disadvantages mentioned. In particular, it is an object of the invention to provide a solution which reduces the start times of a drive system for an aircraft.

Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein Antriebssystem, insbesondere für ein Luftfahrzeug, umfassend mindestens eine Gasturbine, mindestens ein Fluidsystem zur Bereitstellung eines erwärmten Fluids, wobei die mindestens eine Gasturbine und das mindestens eine Fluidsystem derart fluidleitend gekoppelt und eingerichtet sind, dass zumindest ein Abschnitt der Gasturbine mit dem erwärmten Fluid versorgt wird, vorzugsweise indem das erwärmte Fluid in den zumindest einen Abschnitt der Gasturbine strömt.According to a first aspect, this object is achieved by a drive system, in particular for an aircraft, comprising at least one gas turbine, at least one fluid system for providing a heated fluid, the at least one gas turbine and the at least one fluid system being coupled and set up in a fluid-conducting manner in such a way that at least a section of the gas turbine is supplied with the heated fluid, preferably by the heated fluid flowing into the at least one section of the gas turbine.

Das Antriebssystem kann beispielsweise als ein Strahltriebwerk oder ein Turboprop ausgebildet sein kann. Die Gasturbine kann beispielsweise ein Bestandteil eines Turbofans oder eines Turboprops sein. Die Gasturbine kann beispielsweise einen Verdichter, eine Brennkammer und/oder eine Turbine umfassen. In zumindest einen der im Vorherigen genannten Abschnitte der Gasturbine wird das erwärmte Fluid geleitet. Der Verdichter und/oder die Turbine können mehrere Spools aufweisen, beispielsweise einen Hochdruck-Spool, einen Niederdruck-Spool, einen Booster-Spool und/oder weitere Spools.The drive system can, for example, be designed as a jet engine or a turboprop. The gas turbine can, for example, be part of a turbofan or a turbo-prop. The gas turbine can for example comprise a compressor, a combustion chamber and / or a turbine. The heated fluid is conducted into at least one of the above-mentioned sections of the gas turbine. The compressor and / or the turbine can have several spools, for example a high pressure spool, a low pressure spool, a booster spool and / or further spools.

Das Antriebssystem umfasst das Fluidsystem zur Bereitstellung eines erwärmten Fluids. Mit dem erwärmten Fluid wird die Gasturbine, insbesondere die Abschnitte, vorzugsweise der Verdichter, die Brennkammer und/oder die Turbine, vorgewärmt. Das der Gasturbine bereitgestellte erwärmte Fluid kann beispielsweise eine Temperatur von mehr als 100°C, mehr als 200°C oder mehr als 500°C aufweisen.The drive system comprises the fluid system for providing a heated fluid. The gas turbine, in particular the sections, preferably the compressor, the combustion chamber and / or the turbine, is preheated with the heated fluid. The heated fluid provided to the gas turbine can have a temperature of more than 100 ° C., more than 200 ° C. or more than 500 ° C., for example.

Das Fluidsystem kann innerhalb oder außerhalb eines Gehäuses des Antriebssystems, in dem die Gasturbine angeordnet ist, angeordnet sein. Die Abschnitte der Gasturbine sind vorzugsweise fluidleitend mit dem Fluidsystem gekoppelt, insbesondere durch Fluidleitungen. Vorzugsweise kann eine Fluidleitung von dem Fluidsystem zur Gasturbine führen und dort in einen Fluidverteiler münden, der das Fluid in die einzelnen Abschnitte der Gasturbine verteilt. Die Fluidleitungen und/oder der Fluidverteiler können auch Teil des Fluidsystems sein.The fluid system can be arranged inside or outside a housing of the drive system in which the gas turbine is arranged. The sections of the gas turbine are preferably coupled to the fluid system in a fluid-conducting manner, in particular by fluid lines. A fluid line can preferably lead from the fluid system to the gas turbine and open there into a fluid distributor which distributes the fluid into the individual sections of the gas turbine. The fluid lines and / or the fluid distributor can also be part of the fluid system.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bestehende Antriebssysteme und die verwendeten Verfahren einen hohen Treibstoffverbrauch haben bzw. verursachen. Insbesondere durch das Aufwärmen der Antriebssysteme bei Leerlaufdrehzahl und das Nachlaufen nach dem Betrieb des Antriebssystems zur Vermeidung des Thermal Bowing wird eine signifikante Menge an Treibstoff, insbesondere Kerosin, aufgewendet.The invention is based on the knowledge that existing drive systems and the methods used have or cause high fuel consumption. A significant amount of fuel, in particular kerosene, is used in particular by warming up the drive systems at idle speed and after running the drive system after the drive system has been operated to avoid thermal bowing.

Die Erfindung reduziert den Treibstoffverbrauch maßgeblich dadurch, dass die Gasturbine bereits vor dem Betrieb, insbesondere bevor in der Brennkammer der Gasturbine der Treibstoff entzündet wird, aufgewärmt wird, nämlich mit dem aufgewärmten Fluid. Durch dieses Aufwärmen der Gasturbine wird das Aufwärmen der Gasturbine im Betrieb mit Leerlaufdrehzahl vermieden oder zumindest reduziert.The invention significantly reduces fuel consumption in that the gas turbine is warmed up before operation, in particular before the fuel is ignited in the combustion chamber of the gas turbine, namely with the warmed up fluid. As a result of this warming up of the gas turbine, warming up of the gas turbine during operation at idle speed is avoided or at least reduced.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Antriebssystems sieht vor, dass dieses mindestens eine elektrische Dreheinheit zum Drehen einer Welle oder von zwei oder mehreren Wellen des Antriebssystems und eine Versorgungseinheit zur elektrischen Versorgung der Dreheinheit umfasst. Mittels der elektrischen Dreheinheit kann die Welle des Antriebssystems, insbesondere eine Welle der Gasturbine, nach Verwendung des Antriebssystems gedreht werden. Durch das Zuleiten des erwärmten Fluids und dem Drehen der Welle des Antriebssystems wird der Effekt des Thermal Bowing reduziert oder vermieden.A preferred embodiment of the drive system provides that it comprises at least one electrical rotating unit for rotating a shaft or two or more shafts of the drive system and a supply unit for electrically supplying the rotating unit. By means of the electrical rotating unit, the shaft of the drive system, in particular a shaft of the gas turbine, can be rotated after the drive system has been used. By supplying the heated fluid and rotating the shaft of the drive system, the effect of thermal bowing is reduced or avoided.

Eine bevorzugte Fortbildung des Antriebssystems zeichnet sich ferner dadurch aus, dass das Fluidsystem eine Brenneinheit umfasst, wobei die Brenneinheit eingerichtet ist, das erwärmte Fluid durch Verbrennung von Brennstoff zu erzeugen. Der Brennstoff kann beispielsweise Kerosin sein. Das Antriebssystem umfasst beispielsweise einen Brennstofftank und ferner vorzugsweise eine Zuleitung vom Brennstofftank zur Brenneinheit.A preferred development of the drive system is further characterized in that the fluid system comprises a combustion unit, the combustion unit being set up to generate the heated fluid by burning fuel. The fuel can be kerosene, for example. The drive system comprises, for example, a fuel tank and also preferably a feed line from the fuel tank to the combustion unit.

Die Brenneinheit kann beispielsweise eine konventionelle Brennkammer sein, die Luft mit verdampftem Brennstoff vermischt und das Gemisch verbrennt. Die Brenneinheit kann darüber hinaus auch ein Nachbrenner sein, der bereits heiße Abgase noch weiter erhitzt.The combustion unit can, for example, be a conventional combustion chamber that mixes air with vaporized fuel and burns the mixture. The burner unit can also be an afterburner that heats exhaust gases that are already hot.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Antriebssystems ist vorgesehen, dass das Fluidsystem einen Kompressor umfasst, wobei der Kompressor der Brenneinheit ein verdichtetes Fluid bereitstellt. Das Fluid ist insbesondere Luft. Der Brenneinheit stehen somit ein verdichtetes Fluid und der Brennstoff zur Verfügung, so dass eine vorteilhafte Verbrennung in der Brenneinheit erfolgen kann und somit das erwärmte Fluid effizient erzeugt werden kann.In a further preferred embodiment variant of the drive system, it is provided that the fluid system comprises a compressor, the compressor providing the combustion unit with a compressed fluid. In particular, the fluid is air. A compressed fluid and the fuel are thus available to the combustion unit, so that advantageous combustion can take place in the combustion unit and thus the heated fluid can be generated efficiently.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Antriebssystems umfasst dieses ein Hilfstriebwerk, wobei das Hilfstriebwerk die Versorgungseinheit umfasst, wobei vorzugsweise die Versorgungseinheit als elektrischer Generator ausgebildet ist. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass ein der Brenneinheit zugeführtes Fluid vom Hilfstriebwerk gezapft ist. Die Zapfluft ist insbesondere ein im Bereich hinter der Brennkammer entnommenes Gemisch. Das Hilfstriebwerk ist vorzugsweise eine zweite Gasturbine. Das Hilfstriebwerk zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dieses bei vergleichbaren Betriebspunkten einen wesentlich geringeren Fluiddurchsatz, insbesondere Luftmassendurchsatz, als das Antriebssystem aufweist. Der Luftmassendurchsatz des Hilfstriebwerks kann beispielsweise um das zwei-, drei-, fünf-, zehn- oder zwanzig-fache geringer sein als der des Antriebssystems.In a further preferred embodiment variant of the drive system, it comprises an auxiliary power unit, the auxiliary power unit comprising the supply unit, the supply unit preferably being designed as an electrical generator. In addition, it is preferred that a fluid supplied to the combustion unit is drawn from the auxiliary power unit. The bleed air is in particular a mixture taken in the area behind the combustion chamber. The auxiliary power unit is preferably a second gas turbine. The auxiliary power unit is characterized in particular by the fact that, at comparable operating points, it has a significantly lower fluid throughput, in particular air mass throughput, than the drive system. The air mass throughput of the auxiliary power unit can be, for example, two, three, five, ten or twenty times less than that of the drive system.

Darüber hinaus hat das Hilfstriebwerk eine geringere Leistung, die beispielsweise um das zehn-fache geringer sein kann als die der Gasturbine des Antriebssystems. Das Hilfstriebwerk kann als internes oder externes Hilfstriebwerk ausgebildet sein, also innerhalb eines Gehäuses des Antriebssystems integriert oder außerhalb des Gehäuses des Antriebssystems angeordnet sein.In addition, the auxiliary power unit has a lower output, which can be, for example, ten times less than that of the gas turbine of the drive system. The auxiliary power unit can be designed as an internal or external auxiliary power unit, that is to say integrated within a housing of the drive system or arranged outside the housing of the drive system.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Antriebssystems ist vorgesehen, dass das Fluidsystem ein Brennstoffzellensystem aufweist, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle, und vorzugsweise einen Reformer, wobei die Brennstoffzelle die Versorgungseinheit ist oder umfasst und eingerichtet ist, elektrische Energie zu erzeugen, insbesondere mittels vom Reformer bereitgestellten Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoff, und wobei die Brennstoffzelle mit der Brenneinheit derart gekoppelt ist, dass Abgase der Brennstoffzelle der Brenneinheit bereitgestellt werden.In a further preferred embodiment of the drive system it is provided that the fluid system has a fuel cell system, the fuel cell system comprising: a fuel cell, and preferably a reformer, wherein the fuel cell is or comprises the supply unit and is set up to generate electrical energy, in particular by means of Fuel provided by the reformer, in particular hydrogen, and wherein the fuel cell is coupled to the combustion unit in such a way that exhaust gases from the fuel cell are provided to the combustion unit.

Der Brennstoffzelle ist vorzugsweise ein Kompressor vorgeschaltet, der der Brennstoffzelle ein verdichtetes Fluid bereitstellt. Insbesondere kann dies der im Vorherigen beschriebene Kompressor sein.The fuel cell is preferably preceded by a compressor which provides the fuel cell with a compressed fluid. In particular, this can be the compressor described above.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Antriebssystems zeichnet sich dadurch aus, dass der vom Reformer bereitgestellte Kraftstoff Wasserstoff ist und/oder der Reformer mit dem Brennstoff, insbesondere mit einem von dem Kraftstoff verschiedenen Brennstoff, betrieben wird. Der Brennstoff ist insbesondere das Mittel, mit dem die Gasturbine betrieben wird. Der Reformer kann also beispielsweise mit Kerosin betrieben werden. Dadurch können sowohl die Gasturbine als auch die Brennstoffzelle mit dem gleichen Energiespeicher, beispielsweise Kerosin, betrieben werden und es sind keine weiteren Einrichtungen, beispielsweise ein Wasserstofftank, notwendig.Another preferred embodiment variant of the drive system is characterized in that the fuel provided by the reformer is hydrogen and / or the reformer is operated with the fuel, in particular with a fuel different from the fuel. The fuel is in particular the means with which the gas turbine is operated. The reformer can therefore be operated with kerosene, for example. As a result, both the gas turbine and the fuel cell can be operated with the same energy store, for example kerosene, and no further devices, for example a hydrogen tank, are necessary.

Unter einer Brennstoffzelle wird insbesondere eine galvanische Zelle verstanden, die die chemische Reaktionsenergie eines insbesondere kontinuierlich zugeführten Kraftstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Insbesondere ist die im Vorherigen beschriebene Brennstoffzelle eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.A fuel cell is understood to mean, in particular, a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a fuel, in particular continuously supplied, and an oxidizing agent into electrical energy. Especially the fuel cell described above is a hydrogen-oxygen fuel cell.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Antriebssystems ist vorgesehen, dass die Dreheinheit eine Startereinheit, insbesondere eine elektrische, pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Startereinheit, umfasst oder als eine Startereinheit, insbesondere als eine elektrische, pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Startereinheit, ausgebildet ist, die eingerichtet ist, die zumindest eine Welle oder die zwei oder mehreren Wellen des Antriebssystems zu drehen.In a further preferred embodiment of the drive system, it is provided that the rotary unit comprises a starter unit, in particular an electrical, pneumatic, hydraulic and / or mechanical starter unit, or is designed as a starter unit, in particular as an electrical, pneumatic, hydraulic and / or mechanical starter unit which is set up to rotate the at least one shaft or the two or more shafts of the drive system.

Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Antriebssystems zeichnet sich dadurch aus, dass die Dreheinheit einen Elektromotor umfasst oder als Elektromotor ausgebildet ist, der vorzugsweise unmittelbar an einer Welle des Antriebssystems, insbesondere an einer Welle der Gasturbine, angeordnet ist. Da Antriebssysteme, insbesondere für Luftfahrzeuge, zwei oder mehr Wellen aufweisen können ist es bevorzugt, dass die Dreheinheit mehrere Elektromotoren aufweist. Diese Ausführungsvariante ist dahingehend vorteilhaft, da der Elektromotor bzw. die Elektromotoren für eine Triebwerksunterstützung während des Fluges verwendet werden kann bzw. können, um insbesondere die Gasturbine ausschalten zu können, beispielsweise während eines Sinkflugs.Another preferred development of the drive system is characterized in that the rotary unit comprises an electric motor or is designed as an electric motor, which is preferably arranged directly on a shaft of the drive system, in particular on a shaft of the gas turbine. Since drive systems, in particular for aircraft, can have two or more shafts, it is preferred that the rotary unit has several electric motors. This embodiment variant is advantageous in that the electric motor or electric motors can be used for engine support during flight, in particular to be able to switch off the gas turbine, for example during a descent.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Antriebssystems ist vorgesehen, dass eine bzw. die Welle der Gasturbine mit einem Schaufelblattrad drehfest verbunden ist und vorzugsweise das Antriebssystem als Mantelstrahltriebwerk oder als Turboprop ausgebildet ist.In a further preferred embodiment of the drive system, it is provided that one or the shaft of the gas turbine is non-rotatably connected to a blade wheel and the drive system is preferably designed as a ducted jet engine or as a turboprop.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Luftfahrzeug, umfassend ein Antriebssystem nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten. Das Antriebssystem kann zwei oder mehr Gasturbinen aufweisen, wobei die Anzahl an Fluidsystemen geringer sein kann als die Anzahl an Gasturbinen, so dass ein Fluidsystem auch mehr als eine Gasturbine versorgen kann.According to a further aspect, the object mentioned at the beginning is achieved by an aircraft comprising a drive system according to one of the embodiment variants described above. The drive system can have two or more gas turbines, wherein the number of fluid systems can be less than the number of gas turbines, so that a fluid system can also supply more than one gas turbine.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Reduktion der Startzeiten eines Antriebssystems, insbesondere für ein Luftfahrzeug, umfassend die Schritte: Erzeugen eines erwärmten Fluides, insbesondere durch eine Brenneinheit, der ein verdichtetes Fluid und/oder Abgase bereitgestellt werden; Bereitstellen, insbesondere Leiten, des erwärmten Fluides zu mindestens einem Abschnitt einer Gasturbine des Antriebssystems, und vorzugsweise Drehen einer Welle oder von zwei oder mehr Wellen des Antriebssystems, insbesondere der Gasturbine.According to a further aspect, the above-mentioned object is achieved by a method for reducing the start times of a drive system, in particular for an aircraft, comprising the steps: generating a heated fluid, in particular by a combustion unit, to which a compressed fluid and / or exhaust gases are provided; Providing, in particular conducting, the heated fluid to at least one section of a gas turbine of the drive system, and preferably rotating a shaft or two or more shafts of the drive system, in particular the gas turbine.

Das Bereitstellen des erwärmten Fluids erfolgt insbesondere bei ausgeschalteter Gasturbine. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Erzeugen des erwärmten Fluids und/oder das Bereitstellen des erwärmten Fluids während eines Taxis des Luftfahrzeugs erfolgt.The heated fluid is provided in particular when the gas turbine is switched off. In particular, it is preferred that the generation of the heated fluid and / or the provision of the heated fluid take place while the aircraft is taxiing.

Das Verfahren und seine möglichen Fortbildungen weisen Merkmale bzw. Verfahrensschritte auf, die sie insbesondere dafür geeignet machen, für ein Antriebssystem und seine Fortbildungen verwendet zu werden. Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen des Antriebssystems verwiesen.The method and its possible further developments have features or method steps that make them particularly suitable for being used for a drive system and its further developments. For further advantages, design variants and design details of the further aspects and their possible further developments, reference is also made to the description given above for the corresponding features and further developments of the drive system.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1: eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems;
2: eine schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems;
3: eine schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Antriebssystems; und
4: eine schematische Ansicht eines beispielhaften Verfahrens. In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Preferred exemplary embodiments are explained by way of example with the aid of the accompanying figures. Show it:

1 : a schematic view of an exemplary embodiment of a drive system;
2 : a schematic view of a further exemplary embodiment of a drive system;
3 : a schematic view of a further exemplary embodiment of a drive system; and
4th : a schematic view of an exemplary process. Identical or essentially functionally identical or similar elements are denoted by the same reference symbols in the figures.

1 zeigt ein Antriebssystem 1, das insbesondere für ein Luftfahrzeug, beispielsweise ein Flugzeug, ausgebildet ist. Das Antriebssystem 1 umfasst eine Gasturbine 2 und ein Fluidsystem 4. Das Fluidsystem 4 ist zur Bereitstellung eines erwärmten Fluids 6 ausgebildet. Die Gasturbine 2 und das Fluidsystem 4 sind derart fluidleitend gekoppelt und eingerichtet, dass das erwärmte Fluid 6 in zumindest einen Abschnitt 30, 34, 36 der Gasturbine 2 gelangt. In der in 1 gezeigten Ausführungsvariante wird das erwärmte Fluid 6 in den Verdichter 30, die Brennkammer 34 und die Turbine 36 geleitet. 1 shows a drive system 1 , which is designed in particular for an aircraft, for example an aircraft. The drive system 1 includes a gas turbine 2 and a fluid system 4th . The fluid system 4th is to provide a heated fluid 6th educated. The gas turbine 2 and the fluid system 4th are so fluidly coupled and set up that the heated fluid 6th in at least one section 30th , 34 , 36 the gas turbine 2 got. In the in 1 The embodiment variant shown is the heated fluid 6th into the compressor 30th , the combustion chamber 34 and the turbine 36 directed.

Das Fluidsystem 4 umfasst ferner eine Brenneinheit 12. Die Brenneinheit 12 ist eingerichtet, das erwärmte Fluid 6 durch Verbrennung von Brennstoff zu erzeugen. Der Brennstoff wird aus einem Brennstofftank 14 mittels einer Brennstoffzuleitung 16 der Brenneinheit 12 zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus ist die Brenneinheit 12 mit einem Kompressor 18 fluidisch gekoppelt. Der Kompressor 18 stellt der Brenneinheit 12 ein verdichtetes Fluid zur Verfügung. Das mittels der Brenneinheit 12 erzeugte erwärmte Fluid 6 wird mittels einer Fluidzuleitung 8 zur Gasturbine 2 geleitet. Die Fluidzuleitung 8 mündet in einem Fluidverteiler 10, der das erwärmte Fluid in die verschiedenen Abschnitte 30, 34, 36 der Gasturbine 2 leitet. Das Antriebssystem 1 umfasst ferner eine Leistungsversorgungseinheit 20, die insbesondere elektrisch mit einer im Folgenden näher erläuterten Startereinheit 22 gekoppelt ist.The fluid system 4th further comprises a firing unit 12th . The firing unit 12th is set up, the heated fluid 6th by burning fuel. The fuel comes from a fuel tank 14th by means of a fuel supply line 16 the firing unit 12th made available. In addition, the firing unit 12th with a compressor 18th fluidically coupled. The compressor 18th represents the firing unit 12th a compressed fluid is available. That by means of the firing unit 12th generated warmed Fluid 6th is by means of a fluid supply line 8th to the gas turbine 2 directed. The fluid supply line 8th opens into a fluid distributor 10 carrying the heated fluid into the various sections 30th , 34 , 36 the gas turbine 2 directs. The drive system 1 further comprises a power supply unit 20th , in particular electrically with a starter unit explained in more detail below 22nd is coupled.

2 zeigt ein Antriebssystem 1 mit einem anderweitig ausgebildeten Fluidsystem 4. Das Fluidsystem 4 umfasst analog zu dem im Vorherigen beschriebenen Fluidsystem 4 eine Brenneinheit 12, eine Brennstoffzuleitung 16 und einen Brennstofftank 14. Die Brennstoffversorgung der Brenneinheit 12 erfolgt im Wesentlichen analog zu der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvariante. 2 shows a drive system 1 with a differently designed fluid system 4th . The fluid system 4th comprises analogous to the fluid system described above 4th a firing unit 12th , a fuel supply line 16 and a fuel tank 14th . The fuel supply of the combustion unit 12th takes place essentially analogously to the embodiment variant described above.

Der Brenneinheit 12 wird ein Fluid durch eine Zapfluftleitung 46 zur Verfügung gestellt. Hierfür umfasst das Fluidsystem 4 ein Hilfstriebwerk 40. Das Hilfstriebwerk 40 kann beispielsweise eine kleine Gasturbine sein. Durch ein Fluid 42 und einen Verbrennungsprozess wird die Gasturbine 40 angetrieben, so dass mit einem Generator 47 elektrische Energie erzeugt werden kann. Eine Zapfluftleitung 46 ist mit dem Verdichter des Hilfstriebwerks 40 derart gekoppelt, dass vorverdichtetes Fluid abgezapft werden kann und der Brenneinheit 12 zur Verfügung gestellt wird.The firing unit 12th is a fluid through a bleed air line 46 made available. For this purpose, the fluid system includes 4th an auxiliary power unit 40 . The auxiliary power unit 40 can for example be a small gas turbine. Through a fluid 42 and a combustion process becomes the gas turbine 40 driven so with a generator 47 electrical energy can be generated. A bleed air line 46 is with the compressor of the auxiliary power unit 40 coupled in such a way that pre-compressed fluid can be drawn off and the combustion unit 12th is made available.

Der Generator 47 ist mittels einer elektrischen Leitstellung 48 mit einer Leistungsverteilungseinheit 50 gekoppelt. Die Leistungsverteilungseinheit 50 kann auch eine Versorgungseinheit sein. Die Leistungsverteilungseinheit 50 kann ein Fahrwerk 52, einen elektrischen Taxiantrieb 54 und/oder Klimatisierungssysteme 56 mit elektrischer Energie versorgen. Darüber hinaus kann die Leistungsverteilungseinheit 50 elektrische Startereinheiten 22 mit elektrischer Energie versorgen. Die elektrischen Startereinheiten 22 sind mechanisch mit der Gasturbine 2 gekoppelt, und können eine Welle des Antriebssystems 1, insbesondere der Gasturbine 2, antreiben.The generator 47 is by means of an electrical control center 48 with a power distribution unit 50 coupled. The power distribution unit 50 can also be a supply unit. The power distribution unit 50 can be a landing gear 52 , an electric taxi drive 54 and / or air conditioning systems 56 supply with electrical energy. In addition, the power distribution unit 50 electric starter units 22nd supply with electrical energy. The electric starter units 22nd are mechanical with the gas turbine 2 coupled, and can be a shaft of the drive system 1 , especially the gas turbine 2 , drive.

3 zeigt ein Antriebssystem 1 mit einem Fluidsystem 4, das eine Brennstoffzelle 60 umfasst. Der Brennstoffzelle 60 wird mittels eines Kompressors 18 verdichtetes Fluid zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus wird der Brennstoffzelle 60 über eine Kraftstoffleitung 66 ein von einem Reformer 64 bereitgestellter Kraftstoff zur Verfügung gestellt. Der Reformer 64 ist insbesondere angeordnet und ausgebildet, um auf Basis eines Brennstoffs, der beispielsweise aus dem Brennstofftank 14 zu dem Reformer 64 geleitet wird, den Kraftstoff herzustellen. Die Brennstoffzelle 60 ist mit der im Vorherigen bezeichneten Leistungsverteilungseinheit 50 gekoppelt. Die Abgase der Brennstoffzelle 60 werden über eine Abgasleitung 62 der Brenneinheit 12 zur Verfügung gestellt. 3 shows a drive system 1 with a fluid system 4th , which is a fuel cell 60 includes. The fuel cell 60 is by means of a compressor 18th compressed fluid made available. In addition, the fuel cell 60 via a fuel line 66 one from a reformer 64 provided fuel provided. The reformer 64 is in particular arranged and designed to be based on a fuel, for example from the fuel tank 14th to the reformer 64 is directed to produce the fuel. The fuel cell 60 is with the previously designated power distribution unit 50 coupled. The exhaust gases from the fuel cell 60 are via an exhaust pipe 62 the firing unit 12th made available.

Das Antriebssystem 1 umfasst darüber hinaus einen ersten Elektromotor 68 und einen zweiten Elektromotor 70, die angeordnet und ausgebildet sind, die Welle des Antriebssystems 1, insbesondere die der Gasturbine 2, rotatorisch anzutreiben.The drive system 1 also includes a first electric motor 68 and a second electric motor 70 , which are arranged and formed, the shaft of the drive system 1 , especially that of the gas turbine 2 to drive rotationally.

Die Merkmale der in den 1 bis 3 dargestellten Antriebssysteme 1 können teilweise oder vollständig miteinander kombiniert werden.The characteristics of the 1 to 3 shown drive systems 1 can be partially or completely combined with one another.

In 4 ist ein Verfahren zur Reduktion der Startzeiten eines Antriebssystems für ein Luftfahrzeug gezeigt. Im Schritt 100 wird ein erwärmtes Fluid 6 erzeugt. Das Erzeugen des erwärmten Fluides 6 erfolgt insbesondere mit einer Brenneinheit 12.In 4th a method for reducing the start times of a propulsion system for an aircraft is shown. In step 100, a heated fluid 6th generated. The creation of the heated fluid 6th takes place in particular with a firing unit 12th .

In Schritt 102 wird das erwärmte Fluid 6 bereitgestellt, insbesondere indem dieses zu Abschnitten 30, 34, 36 einer Gasturbine 2 des Antriebssystems 1 geleitet wird. Dies kann beispielsweise mit einer Fluidzuleitung 8 erfolgen, die in einem Fluidverteiler 10 mündet, so dass der Fluidverteiler 10 das erwärmte Fluid 6 zu den einzelnen Abschnitten 30, 34, 36 leitet.In step 102, the heated fluid 6th provided, in particular by adding this to sections 30th , 34 , 36 a gas turbine 2 of the drive system 1 is directed. This can be done, for example, with a fluid supply line 8th take place in a fluid manifold 10 opens so that the fluid distributor 10 the heated fluid 6th to the individual sections 30th , 34 , 36 directs.

In Schritt 104 wird eine Welle des Antriebssystems 1, insbesondere der Gasturbine 2, gedreht. Durch dieses Drehen wird insbesondere ein Thermal Bowing vermieden. Ferner kann mit einem Elektromotor auch eine Schnellstart-Fähigkeit des Antriebssystems ermöglicht werden.In step 104, a shaft of the drive system 1 , especially the gas turbine 2 , turned. In particular, this turning prevents thermal bowing. Furthermore, an electric motor can also enable the drive system to be quickly started.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: AntriebssystemDrive system
22: GasturbineGas turbine
44th: FluidsystemFluid system
66th: erwärmtes Fluidheated fluid
88th: FluidzuleitungFluid supply line
1010: FluidverteilerFluid distributor
1212th: BrenneinheitFiring unit
1414th: BrennstofftankFuel tank
1616: BrennstoffzuleitungFuel supply line
1818th: Kompressorcompressor
2020th: LeistungsversorgungseinheitPower supply unit
2222nd: elektrische Startereinheitelectric starter unit
3030th: Verdichtercompressor
3434: BrennkammerCombustion chamber
3636: Turbineturbine
4040: HilfstriebwerkAuxiliary power unit
4242: FluidFluid
4444: BrennstoffzuleitungFuel supply line
4646: ZapfluftleitungBleed air line
4747: Generatorgenerator
4848: elektrische Leitungelectrical line
5050: LeistungsverteilungseinheitPower distribution unit
5252: Fahrwerklanding gear
5454: Elektrischer TaxiantriebElectric taxi drive
5656: KlimatisierungssystemeAir conditioning systems
6060: BrennstoffzelleFuel cell
6262: AbgasleitungExhaust pipe
6464: Reformerreformer
6666: KraftstoffzuleitungFuel supply line
6868: erster Elektromotorfirst electric motor
7070: zweiter Elektromotorsecond electric motor

Claims

Drive system (1), in particular for an aircraft, comprising - at least one gas turbine (2), - At least one fluid system (4) for providing a heated fluid (6), - wherein the at least one gas turbine (2) and the at least one fluid system (4) are fluidly coupled and set up in such a way that at least one section (30, 34, 36) of the gas turbine (2) is supplied with the heated fluid (6).

Drive system (1) Claim 1 comprising - at least one electrical rotating unit (22, 68, 70) for rotating a shaft or two or more shafts of the drive system (1) and a supply unit (47) for electrically supplying the rotating unit.

Drive system (1) according to one of the preceding claims, wherein the fluid system (4) comprises a combustion unit (12), - wherein the combustion unit (12) is set up to generate the heated fluid (6) by burning fuel.

Drive system (1) according to one of the preceding claims, wherein the fluid system (4) comprises a compressor (18), - wherein the compressor (18) of the combustion unit (12) provides a compressed fluid.

Drive system (1) according to one of the preceding claims, comprising an auxiliary power unit (40), - the auxiliary power unit (40) comprising the supply unit (47), the supply unit (47) preferably being designed as an electrical generator (47), and / or - wherein a fluid supplied to the combustion unit (12) is bleed air from the auxiliary power unit (40).

Drive system (1) according to one of the preceding claims, wherein the fluid system (4) has a fuel cell system, wherein the fuel cell system comprises: - A fuel cell (60), and - preferably a reformer (64), - wherein the fuel cell (60) is or comprises the supply unit and is set up to generate electrical energy, in particular by means of fuel provided by the reformer (64), and wherein the fuel cell (60) is coupled to the combustion unit in such a way that exhaust gases from the fuel cell ( 60) of the firing unit (12) are provided.

Drive system (1) according to one of the preceding claims, wherein the fuel provided by the reformer (64) is hydrogen and / or the reformer (64) is operated with the fuel.

Drive system (1) according to one of the preceding claims, wherein the rotating unit comprises a starter unit (22), in particular an electrical, pneumatic, hydraulic and / or mechanical starter unit (22) or as a starter unit (22), in particular as an electrical, pneumatic, hydraulic and / or mechanical starter unit, which is set up to rotate the at least one shaft of the gas turbine (2).

Drive system (1) according to one of the preceding claims, wherein the rotary unit comprises at least one electric motor (68, 70) or is designed as an electric motor (68, 70), which is preferably arranged directly on the at least one shaft of the gas turbine (2).

Drive system (1) according to one of the preceding claims, wherein one or the shaft of the gas turbine (2) is non-rotatably connected to a blade wheel and the drive system (1) is preferably designed as a ducted jet engine or as a turboprop.

Aircraft comprising a drive system (1) according to one of the preceding claims.

A method for reducing the start times of a drive system (1), in particular for an aircraft, comprising the steps: - generating a heated fluid (6), in particular by a combustion unit (12), to which a compressed fluid and / or exhaust gases are provided; - Providing, in particular guiding, the heated fluid (6) to at least one section of a gas turbine (2) of the drive system (1); and - preferably rotating one shaft or two or more shafts of the drive system (1), in particular the gas turbine (2).