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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug mit einer Antriebseinheit.
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Stand der Technik
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Wie nachstehend im Einzelnen deutlich wird, kann es sich bei dem Luftfahrzeug insbesondere um ein Flugzeug handeln, dass mehrmotorig ausgeführt ist, also z. B. um ein zweimotoriges Flugzeug. Exemplarisch sei auf Bauformen wie bei einer ATR-72 verwiesen, das Flugzeug kann für Passagier- und/oder Frachtdienste ausgelegt sein. Dies soll ein typisches Anwendungsumfeld des Antriebssystems illustrieren, den Gegenstand aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Antriebssystem anzugeben.
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Dies wird mit dem Antriebssystem nach Anspruch 1 gelöst, welches eine erste und eine zweite Antriebseinheit aufweist. Diese Antriebseinheiten umfassen jeweils einen Leistungsgenerator zur Abgabe elektrischer Leistung und eine Vortriebseinheit zur Erzeugung eines Vortriebs aus der elektrischen Leistung. Eine Besonderheit des Antriebssystems liegt dabei in einer Querverschaltung der Antriebseinheiten mit einer Verschalteinrichtung. Diese ist dazu eingerichtet, in einem Fehlerfall der ersten Antriebseinheit deren Vortriebseinheit („erste Vortriebseinheit“) oder deren Leistungsgenerator („erster Leistungsgenerator“) zur Versorgung mit der zweiten Antriebseinheit zu verschalten.
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Wie nachstehend im Detail erläutert, kann diese „Versorgung“ je nach Fehlerfall z. B. in Form eines Transfers elektrischer Leistung von dem Leistungsgenerator der zweiten Antriebseinheit („zweiter Leistungsgenerator“) zu der ersten Vortriebseinheit erfolgen, nämlich bei einem Fehler des ersten Leistungsgenerators oder durch einen Transfer elektrischer Leistung von dem ersten Leistungsgenerator zur Vortriebseinheit der zweiten Antriebseinheit („zweite Vortriebseinheit“), nämlich bei einem Fehler der ersten Vortriebseinheit.
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Im letztgenannten Fall, bspw. bei einem mechanischen Schaden an der Welle oder dem Propeller der ersten Vortriebseinheit, muss die zweite Antriebseinheit bis zur sicheren Landung des Flugzeugs mit höherer Leistung betrieben werden, um den Ausfall der ersten Vortriebseinheit zu kompensieren. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verschaltung muss der zweite Leistungsgenerator diese elektrische Leistung dann nicht allein aufbringen, womit er für den Normalbetrieb entsprechend überdimensioniert wäre, sondern erfolgt die Versorgung anteilig durch den ersten Leistungsgenerator. Im erstgenannten Fehlerfall, also bei einem Fehler des ersten Leistungsgenerators, kann die erste Vortriebseinheit aufgrund der anteiligen Versorgung durch den zweiten Leistungsgenerator hingegen weiter betrieben werden und so können z. B. bei einem Notlandevorgang beide Vortriebseinheiten genutzt werden.
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in der gesamten Offenbarung und sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Bei der Darstellung der Merkmale wird nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden, jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Werden bspw. die Vorteile des Antriebssystems in einer bestimmten Anwendung beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung einer entsprechenden Verwendung bzw. eines Arbeitsverfahrens zu lesen; ferner beziehen sich Schilderungen des Antriebssystems immer auch auf ein Fluggerät, insbesondere Flugzeug, mit einem entsprechenden Antriebssystem.
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Wie nachstehend im Einzelnen deutlich wird, ist die Fehlerfall-Verschaltung bevorzugt symmetrisch ausgelegt, erfolgt also auch in einem Fehlerfall der zweiten Antriebseinheit eine Verschaltung zur Querversorgung. Ferner kann das Antriebssystem auch mehr als zwei Antriebseinheiten umfassen, bspw. eine dritte und gegebenenfalls auch eine vierte Antriebseinheit (mögliche Obergrenzen sind eher theoretischer Natur und können bspw. bei höchstens 12, 10, 8 bzw. 6 Antriebseinheiten liegen). Bevorzugt sind sämtliche Antriebseinheiten des Antriebssystems über die Verschalteinrichtung miteinander verschaltet und ist diese bei einem Fehlerfall jeder der Antriebseinheiten zur Errichtung einer Querversorgung eingerichtet. Gleichwohl beziehen sich die folgenden Schilderungen auf die erste und zweite Antriebseinheit und ist ein Antriebssystem mit zwei Antriebseinheiten besonders bevorzugt.
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Generell meint das „Eingerichtet Sein“ der Verschalteinrichtung, dass diese einerseits eine entsprechende physische Ausstattung umfasst, also bspw. eine die erste Vortriebseinheit mit dem zweiten Leistungsgenerator verbindende Leitung und/oder eine den ersten Leistungsgenerator mit der zweiten Vortriebseinheit verbindende Leitung. Ferner umfasst die Verschalteinrichtung eine Schalteinheit, mit welcher diese Leitung bzw. Leitungen je nach Fehler aktiv geschaltet werden können, also aus einem ungenutzten einen genutzten Zustand schaltbar sind. Dieser Schalteinheit kann bspw. eine Steuereinheit zugeordnet sein, die z. B. als Teil des Bordcomputers oder auch autonom veranlagt sein kann, wobei in dieser Steuereinheit Befehle zur Veranlassung einer entsprechenden Verschaltung über die Verschalteinheit in Abhängigkeit von einem Fehlerfall oder jeweiligen Fehler hinterlegt sein können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verschalteinrichtung dazu eingerichtet, bei einem Fehler des ersten Leistungsgenerators von der elektrischen Leistung des zweiten Leistungsgenerators („zweite elektrische Leistung“) einen Teil auf die erste Vortriebseinheit zu übertragen, vgl. die vorstehenden Anmerkungen. Alternativ oder bevorzugt in Kombination damit ist die Verschalteinrichtung bei einem Fehler der ersten Vortriebseinheit dazu eingerichtet, die elektrische Leistung des ersten Leistungsgenerators („erste elektrische Leistung“) zumindest anteilig oder auch vollständig auf die zweite Vortriebseinheit zu übertragen (siehe vorne).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verschalteinrichtung dazu eingerichtet, in einem Fehlerfall der zweiten Antriebseinheit die zweite Vortriebseinheit oder den zweiten Leistungsgenerator zur Versorgung mit der ersten Antriebseinheit zu verschalten. Diese Versorgung kann insbesondere ein Transfer elektrischer Leistung sein, und zwar bei einem Fehler der zweiten Vortriebseinheit vom zweiten Leistungsgenerator zur ersten Vortriebseinheit und/oder bei einem Fehler des zweiten Leistungsgenerators von dem ersten Leistungsgenerator zur zweiten Vortriebseinheit. Bevorzugt ist eine symmetrische, kreuzweise Verschaltung.
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Die Ausführung der Verschalteinrichtung kann auch einen redundanten Aufbau aufweisen, um die Funktion auch beim Auftreten interner Fehler zu gewährleisten. Es kann also bspw. die physische Ausstattung der Verschalteinrichtung, etwa die Leitung(en) und/oder Schalteinheit, doppelt vorgesehen sein.
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Im Allgemeinen könnte der jeweilige Leistungsgenerator auch ein Energiespeicher sein, also ein Batteriesystem, über das die elektrische Leistung abrufbar ist. In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei den Leistungsgeneratoren jedoch jeweils um Brennstoffzellensysteme, ist also der erste Leistungsgenerator ein erstes Brennstoffzellensystem und der zweite Leistungsgenerator ein zweites Brennstoffzellensystem. Jedes der Brennstoffzellensysteme kann jeweils mindestens einen Brennstoffzellenstapel (Stack) aufweisen, bevorzugt umfasst jedes Brennstoffzellensystem jeweils mindestens zwei Brennstoffzellenstapel, bspw. drei oder vier Brennstoffzellenstapel.
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Des Weiteren können die Leistungsgeneratoren auch unterschiedlicher Natur sein, also z. B. zwei Brennstoffzellensysteme und zwei Batteriesysteme. Bevorzugt sind sie jedoch gleicher Natur, besonders bevorzugt sind ausschließlich Brennstoffzellensysteme vorgesehen.
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Die Querversorgung im Fehlerfall kann mit Blick auf Brennstoffzellensysteme von besonderem Vorteil sein, weil die einzelnen Brennstoffzellenstapel, wenn sie bspw. beim Fehler einer Vortriebseinheit mit der anderen Vortriebseinheit verschaltet sind, jeweils nicht am Limit, sondern an einem günstigeren Arbeitspunkt betrieben werden können. Zur Illustration, weist bspw. jedes Brennstoffzellensystem vier Stapel auf, so stehen im genannten Fehlerfall der verbleibenden Vortriebseinheit acht Stapel zur Verfügung, wobei rein rechnerisch für den Betrieb mit erhöhter Leistung z. B. nur sechs Stapel erforderlich wären (speziell im Fehlerfall kann es besser sein, wenn die Versorgung dann nicht am Limit erfolgt).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein weiterer Leistungsgenerator vorgesehen (z. B. eine Batterie oder insbesondere ein Brennstoffzellensystem), wobei dieser im Normalbetrieb mit sowohl der ersten als auch der zweiten Antriebseinheit verschaltet ist, also sowohl die erste als auch die zweite Vortriebseinheit mit elektrischer Leistung versorgt. Ist eine oder sind weitere Vortriebseinheit(en) vorgesehen, kann der weitere Leistungsgenerator im Normalbetrieb auch diese versorgen. Unabhängig von diesen Details ist die Verschalteinrichtung dazu eingerichtet, bei einem Fehler des ersten Leistungsgenerators die erste Vortriebseinheit über den weiteren Leistungsgenerator zu versorgen und/oder bei einem Fehler des zweiten Leistungsgenerators die zweite Vortriebseinheit über den weiteren Leistungsgenerator zu versorgen. Eine anteilige Versorgung erfolgt zwar auch im Normalbetrieb, im Fehlerfall wird die jeweilige Vortriebseinheit aber zu einem im Vergleich zum Normalbetrieb größeren Anteil über den weiteren Leistungsgenerator versorgt, besonders bevorzugt wird dann die gesamte weitere elektrische Leistung (des weiteren Leistungsgenerators) jener Vortriebseinheit zugeführt, deren Leistungsgenerator ausgefallen ist.
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Die Ausführungsform mit dem „weiteren Leistungsgenerator“ kann eine Alternative zu der hauptanspruchsgemäßen Querverschaltung zwischen den Antriebseinheiten darstellen, realisiert jedoch denselben erfinderischen Grundgedanken. Auch im Falle des weiteren Leistungsgenerators wird nämlich im Fehlerfall elektrische Leistung, die im Normalbetrieb von der anderen Antriebseinheit genutzt wird, auf die von einem teilweisen oder vollständigen Ausfall ihres eigenen Leistungsgenerators betroffene Antriebseinheit umgeleitet. Der Unterschied zur Querverschaltung besteht lediglich darin, dass die weitere elektrische Leistung im Normalbetrieb eben nicht exklusiv einer der Vortriebseinheiten zugeführt wird, sondern unter den Antriebseinheiten aufgeteilt wird. Der weitere Leistungsgenerator und seine entsprechende Verschaltung im Normalbetrieb/Fehlerfall können somit einerseits alternativ zur hauptanspruchsgemäßen Querverschaltung vorgesehen sein, andererseits lassen sich die beiden Konzepte auch kombinieren, sollen der weitere Leistungsgenerator und seine entsprechende Verschaltung also ausdrücklich auch in Kombination mit der Querverschaltung zwischen der ersten und zweiten Antriebseinheit offenbart sein.
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Es ist bspw. ein Aufbau dahingehend möglich, dass, wenn der Fehlerfall der ersten Antriebseinheit ein Fehler des ersten Leistungsgenerators ist, jedenfalls ein im Vergleich zum Normalbetrieb größerer Anteil der weiteren elektrischen Leistung auf die erste Vortriebseinheit übertragen wird. Dabei kann in Abhängigkeit von der Dimensionierung des zweiten und weiteren Leistungsgenerators relativ zueinander entweder die gesamte weitere elektrische Leistung der ersten Vortriebseinheit zugeführt werden, oder es kann die zweite Vortriebseinheit zu einem im Vergleich zum Normalbetrieb kleineren Anteil noch durch den weiteren Leistungsgenerator versorgt werden (weiterer Leistungsgenerator im Verhältnis überdimensioniert), oder es kann der zweite Leistungsgenerator die erste Vortriebseinheit auch anteilig mit versorgen (weiterer Leistungsgenerator im Verhältnis unterdimensioniert). Alternativ oder zusätzlich kann, wenn der Fehlerfall der ersten Antriebseinheit ein Fehler der ersten Vortriebseinheit ist, die erste elektrische Leistung des ersten Leistungsgenerators und auch die weitere elektrische Leistung des weiteren Leistungsgenerators jeweils zumindest anteilig auf die zweite Vortriebseinheit übertragen werden, vgl. die vorstehend diskutierten Vorteile des dann nicht unter Volllast erfolgenden Betriebs der jeweiligen Leistungsgeneratoren.
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Zusammengefasst kann der weitere Leistungsgenerator in Kombination oder im Allgemeinen auch alternativ zur hauptanspruchsgemäßen Querverschaltung vorgesehen sein, wobei im letztgenannten Fall alle im Rahmen der vorliegenden Offenbarung generisch für das Antriebssystem bzw. die erste/zweite Antriebseinheit offenbarten Merkmale (z. B. Ausstattung mit Brennstoffzellensystemen etc.) ausdrücklich auch für ein solches Antriebssystem mit weiterem Leistungsgenerator offenbart sein sollen.
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Die Vortriebseinheiten weisen jeweils bevorzugt einen Elektromotor und eine Welle mit einem Propeller auf. Im Normalbetrieb wird der Elektromotor mit der elektrischen Leistung des zugeordneten Leistungsgenerators betrieben, im Fehlerfall kann er von dem anderen Leistungsgenerator versorgt oder kann die elektrische Leistung dem anderen Elektromotor zugeführt werden. In bevorzugter Ausgestaltung sind der Elektromotor, die Welle und der Propeller der ersten und/oder zweiten Antriebseinheit gegenüber deren jeweiligem Leistungsgenerator überdimensioniert, also z. B. für einen Betrieb bei einer Leistung ausgelegt, die bspw. mindestens 10 %, 20 % oder 30 % über der maximalen Leistungsabgabe des jeweiligen Leistungsgenerators liegt (theoretische Obergrenzen können bspw. bei 150 %, 100 % bzw. 80 % liegen). Mit der Überdimensionierung wird der Fehler „Ausfall der anderen Vortriebseinheit“ berücksichtigt, wobei die Überdimensionierung aufgrund der erfindungsgemäßen Verschalteinrichtung nur in der Vortriebseinheit erfolgen muss, nicht beim Leistungsgenerator, was Gewichtsvorteile ergeben kann.
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Die Erfindung betrifft, wie eingangs erwähnt, auch ein Luftfahrzeug mit einem vorliegend offenbarten Antriebssystem, insbesondere ein Flugzeug. Dieses kann bspw. einen ersten einen zweiten Flügel (auf Back- und Steuerbord) aufweisen, die konventionell an einem Rumpf angeordnet oder auch in anderen Bauformen realisiert sein können. Bei einem bevorzugt zur Aufnahme einer Besatzung ausgelegten Flugzeug können die vorstehend geschilderten Sicherheitsüberlegungen von besonderer Bedeutung sein, zusätzlich kann das Flugzeug für einen Passagier- und/oder Frachttransport eingerichtet sein, vergleiche die Anmerkungen eingangs.
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Die erste und die zweite Antriebseinheit des Antriebssystems können bevorzugt an unterschiedlichen Flügeln angeordnet sein, sodass im Fehlerfall die Querversorgung, etwa der elektrische Leistungstransfer, also bspw. von einer auf die andere Seite des Flugzeugs erfolgt. Alternativ können die Antriebseinheiten auch am selben Flügel angeordnet sein, wobei dann bevorzugt am anderen Flügel weitere Antriebseinheiten angeordnet sind.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines vorliegend offenbarten Antriebssystems oder Luftfahrzeugs, insbesondere Flugzeugs, wobei im Fehlerfall die erste Vortriebseinheit oder der erste Leistungsgenerator mit der zweiten Antriebseinheit verschaltet wird. Es kann insbesondere bei einem Fehler des ersten Leistungsgenerators die zweite elektrische Leistung anteilig auf die erste Vortriebseinheit übertragen werden und/oder bei einem Fehler der ersten Vortriebseinheit die erste elektrische Leistung zumindest anteilig auf die zweite Vertriebseinheit übertragen werden, siehe vorne bezüglich weiterer Details.
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Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines vorliegend geschilderten Antriebssystems oder Flugzeugs in einem solchen Verfahren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 ein Antriebssystem mit erster und zweiter Antriebseinheit in schematischer Darstellung;
- 2A, B verschiedene Fehler der ersten Antriebseinheit des Antriebssystems gemäß 1;
- 3 in schematischer Darstellung ein Flugzeug mit einem Antriebssystem gemäß 1.
- 4 ein Antriebssystem mit einem weiteren Leistungsgenerator.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt ein Antriebssystem 1, das eine erste Antriebseinheit 11 und eine zweite Antriebseinheit 12 aufweist. Die erste Antriebseinheit 11 umfasst einen ersten Leistungsgenerator 21 zur Abgabe erster elektrischer Leistung P1 und eine erste Vortriebseinheit 31 zur Erzeugung eines Vortriebs daraus. Ebenso umfasst die zweite Antriebseinheit 12 einen zweiten Leistungsgenerator 22 zur Abgabe einer zweiten elektrischen Leistung P2 und eine zweite Vortriebseinheit 32, die daraus einen Vortrieb erzeugt.
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Die Leistungsgeneratoren 21, 22 sind in Form eines ersten Brennstoffzellensystems 25 und eines zweiten Brennstoffzellensystems 26 vorgesehen. Jedes der Brennstoffzellensysteme 25, 26 weist jeweils mehrere Brennstoffzellenstapel 25.1-25.4, 26.1-26.4 auf. Die Vortriebseinheiten 31, 32 umfassen jeweils einen Elektromotor 31.1, 32.1 und eine Welle 31.2, 32.2 mit einem Propeller 31.3, 32.3.
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Das Antriebssystem weist ferner eine Verschalteinrichtung 40 auf, mit der die elektrische Leistung P1 und/oder P2 von der ersten zur zweiten und/oder von der zweiten zur ersten Antriebseinheit umgeleitet werden kann. Dazu umfasst die Verschalteinrichtung 40 zum einen entsprechende Leitungen 42 und zum anderen eine zugeordnete Verschalteinheit 41, mit der die jeweilige Leitung im Bedarfsfall aktiv geschaltet werden kann (hier schematisch und durch die Strichlierung inaktiv dargestellt).
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2A illustriert einen ersten Fehlerfall der ersten Antriebseinheit, nämlich einen Ausfall des ersten Leistungsgenerators 21. In diesem Fall wird anteilig die zweite elektrische Leistung P2 des zweiten Leistungsgenerators 22, vorliegend etwa die Hälfte, von der zweiten zur ersten Antriebseinheit übertragen und wird damit die erste Vortriebseinheit 31 weiter betrieben.
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Der in 2B gezeigte Fehlerfall betrifft hingegen einen Ausfall der ersten Vortriebseinheit 31 (bspw. mechanischer Schaden an dem Propeller / der Welle), wobei der erste Leistungsgenerator 21 noch intakt ist. Zur Kompensation des Ausfalls der ersten Antriebseinheit 11 muss die Vortriebseinheit 32 der zweiten Antriebseinheit 12 mit höherer Leistung betrieben werden, wofür sie zusätzlich mit der ersten elektrischen Leistung P1 des ersten Leistungsgenerators 21 gespeist wird. Da die beiden Leistungsgeneratoren 21, 22 die zweite Vortriebseinheit 32 dann gemeinsam versorgen, können Sie jeweils unterhalb ihrer maximalen Nutzlast betrieben werden.
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3 zeigt in schematischer Darstellung ein Luftfahrzeug 50, nämlich ein Flugzeug 51. Dieses weist einen ersten Flügel 55 einen zweiten Flügel 56 auf, ferner ist es mit einem vorstehend geschilderten Antriebssystem 1 ausgestattet. In diesem Beispiel ist die erste Antriebseinheit 11 am ersten Flügel 55 angeordnet und die zweite Antriebseinheit 12 am zweiten Flügel 56.
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4 zeigt ein Antriebssystem 1, das in seinem prinzipiellen Aufbau jenem gemäß 1 entspricht, also eine erste und eine zweite Antriebseinheit 11, 12 aufweist, siehe vorne bzgl. weiterer Details. Die erste Antriebseinheit 11 weist eine erste Vortriebseinheit 31 sowie einen ersten Leistungsgenerator 21 auf, die zweite Antriebseinheit 12 eine zweite Vortriebseinheit 32 und einen zweiten Leistungsgenerator 22. Im Unterschied zu der vorstehend geschilderten Variante weist dieses Antriebssystem 1 einen weiteren Leistungsgenerator 60 auf, der eine weitere elektrische Leistung Pw abgibt. Diese wird in dem in 4 gezeigten Normalzustand/Normalbetrieb anteilig der ersten und zweiten Vortriebseinheit 31, 32 zugeführt, dient also der Versorgung beider Antriebseinheiten 11, 12. Kommt es in einem Fehlerfall zu einem Ausfall des ersten oder zweiten Leistungsgenerators 21, 22 kann die weitere elektrische Leistung Pw mittels der hier nicht dargestellten Verschalteinrichtung dann verstärkt oder auch vollständig der Vortriebseinheit der von diesem Ausfall betroffenen Antriebseinheit zugeführt werden.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Antriebssystem
- 11
- Erste Antriebseinheit
- 12
- Zweite Antriebseinheit
- 21
- Leistungsgenerator
- 22
- Leistungsgenerator
- 25
- Erstes Brennstoffzellensystem
- 25.1-25.4
- Brennstoffzellenstapel
- 26
- Zweites Brennstoffzellensystem
- 26.1-26.4
- Brennstoffzellenstapel
- 31
- Erste Vortriebseinheit
- 31.1
- Elektromotor
- 31.2
- Welle
- 31.3
- Propeller
- 32
- Zweite Vortriebseinheit
- 32.1
- Elektromotor
- 32.2
- Welle
- 32.3
- Propeller
- 40
- Verschalteinrichtung
- 41
- Verschalteinheit
- 42
- Leitungen
- 50
- Luftfahrzeug
- 51
- Flugzeug
- 55
- Erster Flügel
- 56
- Zweiter Flügel
- 60
- Weiterer Leistungsgenerator
- P1
- Erste elektrische Leistung
- P2
- Zweite elektrische Leistung
- Pw
- Weitere elektrische Leistung
