DE19911018C1 - Hilfstriebwerk für ein Luftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Auxiliary Power Unit für ein Luftfahrzeug, umfassend DOLLAR A - eine Gasturbine (GT) mit einer Brennkammer (BK), einem Verdichter (V) sowie einer Turbine (T) und DOLLAR A - einem mit der Turbine (T) gekoppelten Kompressor (K) für die Erzeugung von Druckluft. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist zur Erzeugung elektrischer Energie eine Brennstoffzelle (BZ) vorhanden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hilfstriebwerk für Luftfahrzeuge. Die englischsprachigen Bezeichnung hierfür ist Auxiliary Power Unit, abgekürzt APU.

Aufgabe des Hilfstriebwerks an Bord von Luftfahrzeugen ist die Erzeugung von Druckluft für die Kabinenklimatisierung und für den Triebwerksstart sowie die Erzeugung von elektrischer Ener­ gie für die Bordstromversorgung. Das Hilfstriebwerk wird haupt­ sächlich dann eingesetzt, wenn sich das Luftfahrzeug am Boden befindet und ermöglicht eine Versorgung des Flugzeugs unabhän­ gig von externen Quellen. Darüber hinaus dient das Hilfstrieb­ werk teilweise als Sicherheitssystem bei Triebwerksausfall zur Entlastung der verbleibenden Haupttriebwerke während des Flugs.

Derzeit im Einsatz befindliche Systeme weisen den in Fig. 1 schematisch wiedergegebenen Aufbau auf. Das dargestellte Hilfs­ triebwerk umfaßt eine Gasturbine GT, die als wesentliche Kompo­ nenten einen Verdichter V, eine Brennkammer BK sowie eine Tur­ bine T aufweist. Die Turbine T treibt über eine gemeinsame Wel­ le einen Kompressor K zur Drucklufterzeugung (z. B. 3 bar für die Versorgung der Kabinenklimaanlage) an. Ebenfalls mit der Turbine T gekoppelt ist ein Generator GN für die Erzeugung von elektrischer Energie (z. B. 380 V/400 Hz für die Bordstromversor­ gung). Über ein Getriebe G können mittels der Gasturbine GT weitere Hilfsaggregate angetrieben werden.

Nachteilig an den bekannten Hilfstriebwerken ist ihr relativ schlechter Wirkungsgrad, insbesondere hinsichtlich der Stromerzeugung. Ihr Betrieb ist außerdem mit hohen Abgas- und Lärmemissionen verbunden.

Darüber hinaus ist im Fahrzeugbau der Einsatz von Brennstoff­ zellen zu Antriebszwecken als auch für die Lieferung von elekt­ rischer Energie bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hilfstriebwerk zu schaffen, mit der die Stromerzeugung an Bord mit hohem Wir­ kungsgrad und unter Emissionsreduzierung möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand weite­ rer Ansprüche.

Gemäß der Erfindung wird der Stromerzeugungsteil des konventio­ nellen Hilfstriebwerks durch ein Brennstoffzellensystem er­ setzt.

Der von der Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff kann bei kon­ ventionell angetriebenen Flugzeugen durch eine geeignete Was­ serstofferzeugungseinheit, insbesondere einer Reformerstufe, aus dem an Bord vorhandenen Flugbenzin/Kerosin erzeugt werden. Alternativ könnte der Wasserstoff zum Betrieb des Hilfstrieb­ werks auch in einem Behälter mitgeführt werden.

Bei einem Wasserstoffflugzeug, bei dem der für den Vortrieb des Luftfahrzeugs mitgeführte Treibstoff Flüssigwasserstoff ist, kann die Brennstoffzelle direkt mit dem an Bord vorhandenen Wasserstoff versorgt werden.

Insgesamt kann damit sowohl bei konventionellen Flugzeugen als auch bei Wasserstoffflugzeugen die elektrische Energie aus dem an Bord ohnehin vorhandenen Treibstoff für den Vortrieb des Luftfahrzeugs erzeugt werden. Alternativ ist auch eine externe Versorgung am Boden möglich.

Für die Luftversorgung der Brennstoffzelle können insbesondere die folgenden Ausführungen Verwendung finden:
In einer bevorzugten Ausführung erfolgt die Verdichtung der Brennstoffzellen-Prozeßluft durch den mit der Turbine gekoppel­ ten Kompressor, der auch die Druckluft für die Bordklimaanlage erzeugt.

In einer weiteren Ausführung wird die Brennstoffzelle über den Verdichter der Gasturbine mit Luft versorgt.

Alternativ können auf der Turbinenwelle eine oder mehrere zu­ sätzliche Kompressorstufen speziell für die Verdichtung der Brennstoffzellen-Prozeßluft vorhanden sein.

Die Luftversorgung der Brennstoffzelle kann auch durch einen im Hilfstriebwerk zu Kühlzwecken vorhandenen Kühlventilator er­ reicht werden. Die zugeführte Prozeßluft weist in dieser Aus­ führung ein relativ niedriges Druckniveau auf.

Falls an Bord eine pneumatische Bordklimaanlage mit Entspan­ nungsturbine vorhanden ist, so kann diese Entspannungsturbine zur Zuführung und Verdichtung der Prozeßluft eingesetzt werden.

Um den Energieinhalt der Brennstoffzellenabgase zu nutzen, kann sowohl das Anodenabgas wie auch das Kathodenabgas in die Brenn­ kammer der Gasturbine eingeleitet werden. Typischerweise kann in der Brennstoffzelle nur ein Anteil von ca. 80% des zuge­ führten Wasserstoffs genutzt werden. Der Energieinhalt des Ab­ gases reicht zur Deckung von ca. 30 bis 50% der für die Luft­ versorgung der Brennstoffzelle aufzubringenden Kompressions­ energie aus.

Als Brennstoffzelle kann insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane) eingesetzt werden.

Zusammengefaßt ergeben sich folgende Vorteile des erfindungsge­ mäßen Hilfstriebwerks:

• - Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad und aus Treibstoff, der bereits an Bord des Luftfahrzeugs vorhanden ist,
• - Reduzierung des Treibstoffverbrauchs sowie der Abgas- und Lärmemissionen;
• - Weitgehende Entkopplung von Stromerzeugung und Luftkompressi­ on;
• - Steigerung des Wirkungsgrads insbesondere auch im Teillastbe­ trieb;
• - kein eigener Kompressor für die Luftversorgung der Brenn­ stoffzelle erforderlich, vielmehr kann auf die bereits an Bord vorhandenen Einrichtungen zur Luftkompression zurückge­ griffen werden.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes Hilfstriebwerk, wie in der Beschrei­ bungseinleitung erläutert;

Fig. 2 eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Hilfs­ triebwerks,

Fig. 3 eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Hilfs­ triebwerks.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemä­ ßen Hilfstriebwerks für ein Wasserstoffflugzeug. Bei einem Was­ serstoffflugzeug werden die Haupttriebwerke für den Vortrieb des Flugzeugs mit Wasserstoff versorgt, so daß unabhängig vom Hilfstriebwerk bereits Wasserstoff an Bord vorhanden ist. Das dargestellte Hilfstriebwerk umfaßt eine Gasturbine GT mit einem Verdichter V zur Verdichtung der über einen Luftfilter F angesaugten Umgebungsluft, eine mit Wasserstoff betriebene Brennkammer BK sowie eine Turbine T, die die kinetische Energie des Brennkammerabgase in Wellenleistung umwandelt. Verdichter V und Turbine T sind miteinander gekoppelt und sitzen auf dersel­ ben Welle. Ebenfalls mit der Turbine T gekoppelt ist ein Kom­ pressor K zur Erzeugung von Druckluft für die Kabinenluftklima­ tisierung. Die Kabinenluft wird in dieser beispielhaften Aus­ führung aus dem Einlauf der Gasturbine GT abgezweigt. Über das ebenfalls mit der Turbine T gekoppelte Getriebe G können ggf. weitere Aggregate (z. B. Kraftstoffpumpe, Kühlventilator, Schmiermittelversorgung) angetrieben werden. Mit M ist der e­ lektrische Starter/Anlasser des Hilfstriebwerks gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird die elektrische Energie für die Bordstrom­ versorgung von einer Brennstoffzelle BZ erzeugt. Der Wasser­ stoff für die Brenngas­ versorgung der Brennstoffzelle BZ wird den Wasserstofftanks des Luftfahrzeugs entnommen. Die Versorgung der Brennstoffzelle BZ mit Prozeßluft erfolgt in dieser Ausführung über den mit der Turbine T gekoppelten Kompressor K, der auch die Druckluft für die Kabinenluftklimatisierung erzeugt. Dazu wird aus der Druck­ luftleitung für die Kabinenluft Druckluft abgezweigt und an den Anodeneingang der Brennstoffzelle BZ geführt. Um den Energiein­ halt des Brennstoffzellenabgases zu nutzen, wird das Abgas der Brennstoffzelle BZ in die Brennkammer BK der Gasturbine GT ge­ führt.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemä­ ßen Hilfstriebwerks für ein konventionell, d. h. mit Kero­ sin/Flugbenzin angetriebenes Flugzeug. Der Aufbau des darge­ stellten Hilfstriebwerks entspricht im wesentlichen dem in Fig. 2 gezeigten Hilfstriebwerk. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird darauf verwiesen. Anders als in dem Hilfstriebwerk nach Fig. 2 wird der Wasserstoff für die Brennstoffzelle in dieser Ausführung aus dem mitgeführten Kerosin on-board erzeugt. Dazu wird der Brennstoffzelle BZ eine - hier nicht im Einzelnen dar­ gestellte - Reformerstufe R vorgeschaltet. Die Brennkammer BK der Gasturbine GT wird in dieser Ausführung mit Kerosin/Flugbenzin betrieben. Das Restgas des Brennstoff­ zellensystems wird wiederum der Brennkammer BK der Gasturbine GT zugeführt. Dadurch kann dessen Energiegehalt genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß durch die Mitverbrennung des Wasserstoffs eine erhebliche Emissionsminderung im Abgas erreicht wird.

Claims (11)

1. Hilfstriebwerk für ein Luftfahrzeug, umfassend

• - eine Gasturbine (GT) mit einer Brennkammer (BK), einem Verdichter (V) sowie einer Turbine (T),
• - einem mit der Turbine (T) gekoppelten Kompressor (K) für die Erzeugung von Druckluft,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung elektrischer E­ nergie eine Brennstoffzelle (BZ) vorhanden ist.

2. Hilfstriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anoden- und/oder das Kathoden-Abgas der Brennstoffzelle (BZ) der Brennkammer (BK) der Gasturbine (GT) zugeführt wird.

3. Hilfstriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der der Brenn­ stoffzelle (BZ) zuzuführenden Prozeßluft mittels des mit der Turbine (T) gekoppelten Kompressors (K) erfolgt.

4. Hilfstriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der der Brenn­ stoffzelle (BZ) zuzuführenden Prozeßluft mittels des Ver­ dichters (V) der Gasturbine (GT) erfolgt.

5. Hilfstriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Verdichtung der der Brennstoffzelle (BZ) zuzuführenden Prozeßluft eine oder mehrere, mit der Turbine (T) gekoppelte zusätzliche Kom­ pressorstufen vorhanden sind.

6. Hilfstriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß es für Kühlzwecke einen Kühlven­ tilator aufweist, wobei dieser Kühlventilator zusätzlich für die Verdichtung der der Brennstoffzelle (BZ) zuzufüh­ renden Prozeßluft eingesetzt wird.

7. Hilfstriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Verdichtung der der Brennstoffzelle (BZ) zuzuführenden Prozeßluft die Entspan­ nungsturbine einer pneumatischen Bordklimaanlage des Luft­ fahrzeugs eingesetzt wird.

8. Hilfstriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Wasserstofferzeugungseinheit vorhanden ist, mit welcher der der Brennstoffzelle (BZ) zu­ zuführende Wasserstoff on-board erzeugt wird.

9. Hilfstriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstofferzeugungseinheit Wasserstoff aus dem für den Vortrieb des Luftfahrzeugs an Bord mitgeführten Treib­ stoffs erzeugt.

10. Hilfstriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß an Bord des Luftfahrzeugs Behäl­ ter für die Speicherung von Wasserstoff vorhanden sind, aus denen die Brennstoffzelle mit Wasserstoff versorgt wird.

11. Verwendung eines Hilfstriebwerks nach Anspruch 10 in einem Wasserstoffflugzeug.