DE3837736A1 - Kombiniertes aussen- und notstromaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromaggregat, das z. B. in Luftfahrzeugen einsetzbar ist und in Kombination Merkmale eines Außen- und eines Notstromaggregats aufweist, so daß es die üblicherweise von beiden durchzuführenden Aufgaben übernehmen kann.

In drahtferngesteuerten Luftfahrzeugen sind die Steuerflä­ chen des Luftfahrzeugs nicht mechanisch mit dem Bedienungs­ hebel gekoppelt, sondern die Verbindung erfolgt über elek­ trische oder hydraulische Kreise. Wenn daher eine elektri­ sche oder hydraulische Störung auftritt, kann die aero­ dynamische Konfiguration des Luftfahrzeugs erst nach Wie­ derherstellung der Stromversorgung unter Steuerung durch den Piloten geändert werden. Daher benötigen derartige Luftfahrzeuge ein Notstromaggregat, das bei einem Strom­ ausfall anspricht und innerhalb sehr kurzer Zeit eine beträchtliche Menge elektrischer oder hydraulischer Energie zur Verfügung stellt, so daß die Steuerung des Luftfahr­ zeugs wieder an den Piloten zurückgegeben werden kann.

Ebenso wie andere Luftfahrzeuge, die nicht extrem einfach aufgebaut sind, benötigen auch drahtferngesteuerte Luft­ fahrzeuge ein Außenstromaggregat, das elektrische und hydraulische Energie und Zusatzluft zur Verfügung stellt, wenn das Haupttriebwerk bzw. die Haupttriebwerke des Luft­ fahrzeugs stillstehen. Typischerweise verwendet ein Not­ stromaggregat ebenso wie ein Außenstromaggregat ein Gas­ turbinentriebwerk, das mit einem Generator und einer Hydraulikpumpe gekoppelt ist. Wenn also ein Luftfahrzeug ein Not- und ein Außenstromaggregat verwendet, sind zwei Systeme mit hoher Redundanz vorhanden. Dadurch entsteht natürlich ein bestimmter Platzbedarf im Luftfahrzeug, und auch Gewichtsprobleme spielen eine Rolle.

Bei manchen Luftfahrzeugen ist es einfach, ein Außenstrom­ aggregat so anzupassen, daß es auch als Notstromaggregat dient, und dadurch den Platzbedarf sowie das Gewicht zu minimieren; bei Hochleistungs-Luftfahrzeugen, die in ziem­ lich großen Höhen operieren, ist diese Anpassung nicht so einfach. Da eine typische Turbine eines Außenstromaggregats eine luftatmende Turbine ist, reicht in großen Höhen die Luftdichte nicht aus, um die Turbine an- und sehr schnell auf eine Geschwindigkeit hochzufahren, bei der sie in dieser Höhe im Notfall Notstrom erzeugt.

Zur Lösung dieses Problems und weiterer Probleme ist in der US-PS 40 92 824 eine Turbine zur Verwendung in Luftfahr­ zeugen zum Anfahren sowie zum Antrieb einer Hilfseinrich­ tung wie etwa eines Generators vorgeschlagen, wobei die Turbine sowohl im konventionellen Luftatmungs-Betrieb als auch in einem Notbetrieb arbeiten kann, in dem das Vorhan­ densein von Luft nicht benötigt wird. Insbesondere ist dabei ein Hydrazinvorrat im Luftfahrzeug vorgesehen. Hydra­ zin kann einer exothermen Zersetzungsreaktion unterworfen werden, und die Reaktionswärme wird zur Verdampfung von Luftfahrzeug-Treibstoff genützt, um dadurch ein Heißgas­ volumen zu erzeugen, das die Turbine in einer Notsituation antreibt.

Zwar beseitigt diese Lösung einige der vorher angesproche­ nen Probleme, schafft andererseits aber auch neue. Ins­ besondere können die Zersetzungsprodukte von Hydrazin sich ähnlich wie Ruß im Inneren der Turbine ansammeln, wodurch der Turbinen-Wirkungsgrad im konventionellen Betrieb ver­ mindert wird. Da die Grundlage eines solchen Systems eine exotherme Zersetzungsreaktion ist, muß ein in dem System eingesetzter Treibstoff wie Hydrazin hinreichend instabil sein, so daß eine sehr schnelle Zersetzung erfolgen kann. Dies ist wohl ein noch schwererwiegendes Problem, denn die Anwesenheit eines im konventionellen Sinn instabilen Treib­ stoffs an Bord eines Luftfahrzeugs birgt Gefahren in sich.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß Hydrazin und dafür geeignete Lagermöglichkeiten even­ tuell nicht an sämtlichen Bodenstützpunkten für das Luft­ fahrzeug vorhanden sind. Die Wartung eines Systems, dessen Hydrazintreibstoffvorrat teilweise oder vollständig ver­ braucht ist, wird damit zum Problem, und zwar besonders auch deshalb, weil Hydrazin giftig und nicht einfach zu handhaben ist.

Es besteht daher ein Bedarf für ein kombiniertes Außen- und Notstromaggregat, das in einfacher Weise zu warten ist, um logistische Schwierigkeiten an Bodenstützpunkten zu mini­ mieren, und zwar sowohl im Hinblick auf die für die System­ unterhaltung notwendige Ausrüstung als auch im Hinblick auf einfache Handhabung. Die Erfindung richtet sich auf die Lösung dieser Probleme.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und verbesserten Stromerzeugers, der Funktionen eines Außenstromaggregats und Funktionen eines Notstromaggregats miteinander kombiniert. Dabei soll insbesondere ein kombi­ niertes Außen- und Notstromaggregat angegeben werden, das vom Standpunkt der Logistik in einfacher Weise versorgt werden kann.

Das kombinierte Außen- und Notstromaggregat nach der Erfin­ dung ist gekennzeichnet durch ein Getriebe, mit dem Getrie­ be mechanisch gekoppelte Energieerzeuger, die antreibbar sind, wenn das Getriebe drehangetrieben wird, ein erstes und ein zweites Turbinenrad, eine erste und eine zweite Kupplung zum jeweiligen Verbinden des ersten bzw. des zwei­ ten Turbinenrads mit dem Getriebe, um diesem Antriebslei­ stung zuzuführen, einen mit dem ersten Turbinenrad verbun­ denen und davon antreibbaren Kreiskolbenverdichter, der als Druckluftversorgung dient, einen ersten Vergasungsbrenner, dem Treibstoff und Druckluft vom Verdichter zwecks Verbren­ nung zuführbar sind, eine mit dem ersten Vergasungsbrenner verbundene erste Düse, die Verbrennungsprodukte auf das erste Turbinenrad zum Antrieb desselben richtet, so daß das Aggregat bei eingerückter erster Kupplung als Außenstrom­ aggregat arbeitet, einen Hochdruckbehälter, in dem ein komprimiertes Oxidationsmittel auf Luftbasis gespeichert ist, einen zweiten Vergasungsbrenner, dem Treibstoff und komprimiertes Oxidationsmittel aus dem Hochdruckbehälter zwecks Verbrennung zuführbar sind, und eine mit dem zweiten Vergasungsbrenner verbundene zweite Düse, die Verbrennungs­ produkte auf das zweite Turbinenrad zum Antrieb desselben richtet, so daß bei eingerückter zweiter Kupplung das Aggregat als Notstromaggregat arbeitet.

Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die genannte Aufgabe mit einem Stromerzeuger gelöst, der alternativ als Außen- und als Notstromaggregat einsetz­ bar ist und ein Getriebe zum Antrieb eines Generators, einer Pumpe od. dgl. aufweist. Das System umfaßt zwei Tur­ binenräder und zwei Bewegungsübertragungszüge, die jeweils eine selektiv schaltbare Kupplung aufweisen, mit der die Turbinenräder dem Getriebe mechanisch parallelgeschaltet werden. Ein Kreiskolbenverdichter ist mit dem einen Tur­ binenrad verbunden und umfaßt einen zugehörigen Vergasungs­ brenner, der dem einen Turbinenrad Verbrennungsgas zuführt. Das System wird von einem Druckbehälter mit zugehörigem Vergasungsbrenner zur Lieferung von Verbrennungsgas zum anderen Turbinenrad vervollständigt.

Aufgrund dieser Konstruktion kann das System als konven­ tionelles Außenstromaggregat arbeiten, indem das eine Tur­ binenrad mit dem Getriebe antriebsmäßig verbunden wird. Das eine Turbinenrad mit zugehörigem Verdichter arbeitet kon­ ventionell im Luftatmungs-Betrieb.

Wenn Bedarf für Notstrombetrieb besteht, wird das nunmehr ruhende erste Turbinenrad vom Getriebe getrennt, während das zweite Turbinenrad durch Treibstoff und Verbrennungs­ gase, die aus der Oxidation von Treibstoff durch Oxida­ tionsmittel aus dem Druckbehälter resultieren, angetrieben und dann mit dem Getriebe gekoppelt. Da das Oxidationsmit­ tel gespeichert ist, ist es auch in extrem großen Höhen verfügbar, so daß der Notstrombetrieb des Systems unabhän­ gig davon ist, ob Luft für den konventionellen Turbinen­ betrieb verfügbar ist.

Bevorzugt ist das komprimierte Oxidationsmittel Luft oder sauerstoffreiche Luft.

Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß der Verdichtereinlaß bewegliche Leitschaufeln aufweist und Mittel zur Verschiebung der Leitschaufeln zwischen Offen- und Schließstellungen vorgesehen sind.

Anhand der Zeichnung, die eine schematische Ansicht des kombinierten Außen- und Notstromaggregats nach der Erfin­ dung ist, wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Das kombinierte Außen- und Notstromaggregat hat ein mecha­ nisches Getriebe 10. Dieses wird entweder von einer Welle 12 oder einer Welle 14 angetrieben und kann dann eine oder mehrere Energieerzeugungsmaschinen, z. B. einen elektri­ schen Generator 16, eine Hydraulikpumpe 18 oder irgendein anderes geeignetes Zusatzgerät 20 antreiben.

Das System umfaßt ein erstes und ein zweites Turbinenrad 22 bzw. 24. Das erste Turbinenrad 22 ist über eine Welle 26 mit einem Kreiskolbenverdichter 28 verbunden. Der Verdich­ ter 28 hat einen Einlaß 30 mit beweglichen Leitschaufeln 32. Die Leitschaufeln 32 sind in konventioneller Weise mit einem Motor 34 od. dgl. verbunden, so daß sie in zwei Richtungen entsprechend einem Pfeil 36 zwischen Stellungen verdrehbar sind, in denen sie den Einlaß 30 öffnen bzw. schließen.

Die Welle 26 verläuft durch den Verdichter zu einem Plane­ tengetriebe 40, das zur Drehzahlverminderung vorgesehen ist, und dann zu einer schaltbaren Kupplung 42, die der Antriebswelle 12 des Getriebes 10 zugeordnet ist.

Wenn die Welle 26 umläuft, verdichtet der Verdichter 28 durch den Einlaß 30 einströmende Luft. Ein bestimmter Teil dieser Luft kann als Zusatzluft (Pfeil 44) genützt werden. Der größte Teil der verdichteten Luft wird jedoch einem schematisch bei 46 angedeuteten Vergasungsbrenner zuge­ führt. Der Vergasungsbrenner 46 kann ferner Treibstoff von Leitung 48 erhalten, wobei der Treibstoffdurchsatz von einem schematisch bei 50 gezeigten Absperrorgan regelbar ist. Infolgedessen werden der Treibstoff und die Luft im Vergasungsbrenner 46 verbrannt, und die heißen Verbren­ nungsgase strömen aus dem Vergasungsbrenner durch eine Düse 52, von der sie auf das erste Turbinenrad 22 gerichtet werden und dieses antreiben, wodurch wiederum die Welle und sämtliche zugehörigen Teile angetrieben werden. Wenn die Kupplung 42 eingerückt ist, werden dadurch die Einheiten 16, 18 und 20 angetrieben, und das System arbeitet als konventionelles Außenstromaggregat.

Abgase vom ersten Turbinenrad 22 treten aus dem System gemäß einem Pfeil 54 aus.

Die in den Verdichter 28 einströmende Luft kann durch geeigneten Betrieb des Motors 34 zur gewünschten Verstel­ lung der Leitschaufeln 32 geregelt werden. Die Leitschau­ feln 32 können außerdem in eine Schließstellung bewegt werden, wenn verdichtete Luft weder vom Vergasungsbrenner 46 noch als Zusatzluft zur Verminderung von Ventilations­ verlusten bei umlaufender Welle 26 benötigt wird. Wenn z. B. die durch das Turbinenrad und den Verdichter 28 mit zugehörigen Komponenten definierte Turbine angefahren wird, ist es häufig erwünscht, den Einlaß 30 durch geeignete Verstellung der Leitschaufeln 32 zu verschließen, da die Welle 28 von einem Startermotor od. dgl. auf die Turbinen­ anfahrgeschwindigkeit gebracht wird.

Zum Betrieb als Notstromaggregat hat das System ferner einen Speicherbehälter 56, z. B. eine oder mehrere Hoch­ druckspeicherflaschen, die ein komprimiertes Oxidations­ mittel aufnehmen können, das unter einem Druck von z. B. einigen hundert bar (einigen tausend psi) steht. Bevorzugt ist das Oxidationsmittel Druckluft oder sauerstoffreiche Luft (also Luft, deren Sauerstoffgehalt über die normalen 21% hinaus erhöht wurde).

Der Behälter 56 ist über ein Absperrorgan 58 mit einem zweiten Vergasungsbrenner 60 verbunden. Der Vergasungsbren­ ner 60 kann über eine Leitung 62 Treibstoff erhalten, dessen Durchflußmenge von einem Absperrorgan 64 geregelt wird. Der Treibstoff wird zusammen mit dem gespeicherten Oxidationsmittel verbrannt, und die Verbrennungsgase werden dann von einer zweiten Düse 66 auf das zweite Turbinenrad 24 gerichtet und treiben dieses an. Das zweite Turbinenrad 24 kann mit der Welle 14 über eine schaltbare Kupplung 68 verbunden sein, und bei eingerückter Kupplung dient das zweite Turbinenrad 24 als Drehantrieb für das Getriebe 10, so daß die Einheiten 16, 18 und 20 angetrieben werden können.

Im Normalbetrieb ist die Kupplung 42 eingerückt, und das Absperrorgan 50 ist so geregelt, daß die gewünschte Treib­ stoffmenge dem ersten Vergasungsbrenner 46 zugeführt wird. Die Einheiten 16, 18 und 20 werden von einer Antriebskraft angetrieben, die vom ersten Turbinenrad 22 auf die Welle 12 übertragen wird.

Bei einem Systemausfall, der den Einsatz von Notstrom erforderlich macht, werden nicht gezeigte Fühler wirksam und aktivieren eine entsprechende Steuerung, so daß die Kupplung 42 ausgerückt wird und die Absperrorgane 58 und 64 so betätigt werden, daß Verbrennungsgase im Vergasungsbren­ ner 60 erzeugt werden, das zweite Turbinenrad 24 antreiben und es durch Einrücken der Kupplung 68 mit dem Getriebe 10 verbinden. Damit werden die Energieerzeuger 16, 18 und 20 angetrieben und liefern Notstrom.

Es ist zu beachten, daß der Notstrombetrieb sehr schnell eingeleitet werden kann, da keine Abhängigkeit von einem externen Vorrat an Oxidationsmittel, und zwar Luft, be­ steht, da dieses Oxidationsmittel im Behälter 56 mitgeführt wird.

Ferner ist zu beachten, daß durch Nutzung eines Oxidations­ mittels wie Luft oder sauerstoffreicher Luft ein nichttoxi­ sches, hochstabiles und leicht verfügbares Material im Not­ strombetrieb eingesetzt wird, wodurch logistische Schwie­ rigkeiten, die beim Stand der Technik vorhanden sind, minimiert werden.

Claims (4)

1. Kombiniertes Außen- und Notstromaggregat, gekennzeichnet durch
ein Getriebe (10);
mit dem Getriebe mechanisch gekoppelte Energieerzeuger (16, 18, 20), die antreibbar sind, wenn das Getriebe drehange­ trieben wird;
ein erstes und ein zweites Turbinenrad (22, 24);
eine erste und eine zweite Kupplung (42, 68) zum jeweiligen Verbinden des ersten bzw. des zweiten Turbinenrads (22, 24) mit dem Getriebe (10), um diesem Antriebsleistung zuzu­ führen;
einen mit dem ersten Turbinenrad (22) verbundenen und davon antreibbaren Kreiskolbenverdichter (28), der als Druckluft­ versorgung dient;
einen ersten Vergasungsbrenner (46), dem Treibstoff und Druckluft vom Verdichter (28) zwecks Verbrennung zuführbar sind;
eine mit dem ersten Vergasungsbrenner (46) verbundene erste Düse (52), die Verbrennungsprodukte auf das erste Turbi­ nenrad (22) zum Antrieb desselben richtet, so daß das Aggregat bei eingerückter erster Kupplung (42) als Außen­ stromaggregat arbeitet;
einen Hochdruckbehälter (56), in dem ein komprimiertes Oxidationsmittel auf Luftbasis gespeichert ist;
einen zweiten Vergasungsbrenner (60), dem Treibstoff und komprimiertes Oxidationsmittel aus dem Hochdruckbehälter (56) zwecks Verbrennung zuführbar sind; und
eine mit dem zweiten Vergasungsbrenner (60) verbundene zweite Düse (66), die Verbrennungsprodukte auf das zweite Turbinenrad (24) zum Antrieb desselben richtet, so daß bei eingerückter zweiter Kupplung (68) das Aggregat als Not­ stromaggregat arbeitet.

2. Kombiniertes Außen- und Notstromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (28) einen Verdichtereinlaß (30), in diesem angeordnete Leitschaufeln (32) und einen Antrieb (34) zum Verschieben der Leitschaufeln (32) zwischen Offen- und Schließstellungen umfaßt.

3. Stromversorgung, die alternativ als Außen- und als Not­ stromaggregat einsetzbar ist, gekennzeichnet durch
ein Getriebe (10) zum Antrieb eines Generators, einer Pumpe od. dgl.;
zwei Turbinenräder (22, 24);
zwei Bewegungsübertragungszüge, deren jeder eine schaltbare Kupplung (42, 68) aufweist, um die Turbinenräder (22, 24) mit dem Getriebe (10) mechanisch parallelzuschalten;
einen mit dem einen Turbinenrad (22) verbundenen Kreiskol­ benverdichter (28) mit zugehörigem Vergasungsbrenner (46), der das Turbinenrad (22) mit Verbrennungsgas beaufschlagt; und
einen Druckbehälter (56) für komprimiertes Oxidationsmittel mit einem zugehörigen weiteren Vergasungsbrenner (60), der das andere Turbinenrad (24) mit Verbrennungsgas beauf­ schlagt.

4. Kombiniertes Außen- und Notstromaggregat, gekennzeichnet durch
ein Getriebe (10);
ein erstes und ein zweites Turbinenrad (22, 24);
eine erste und eine zweite Kupplung (42, 68), die jeweils das erste bzw. das zweite Turbinenrad (22 bzw. 24) mit dem Getriebe (10) mechanisch parallelschaltet, um diesem Dreh­ antriebsleistung zuzuführen;
einen mit dem ersten Turbinenrad (22) verbundenen und davon antreibbaren Kreiskolbenverdichter (28), der als Druckluft­ versorgung dient;
einen ersten Vergasungsbrenner (46), dem Treibstoff und Druckluft vom Verdichter (28) zwecks Verbrennung zuführbar sind, um das erste Turbinenrad (22) damit anzutreiben, so daß bei eingerückter erster Kupplung (42) das Aggregat als Außenstromaggregat arbeitet;
einen Hochdruckbehälter (56) für ein komprimiertes Oxida­ tionsmittel; und
einen zweiten Vergasungsbrenner (60), dem Treibstoff und komprimiertes Oxidationsmittel aus dem Hochdruckbehälter (56) zwecks Verbrennung zuführbar sind, um das zweite Tur­ binenrad (24) damit anzutreiben, so daß bei eingerückter zweiter Kupplung (68) das Aggregat als Notstromaggregat arbeitet.