DE60030656T2

DE60030656T2 - Fahrzeug mit einer Haupt- und Hilfskraftquelle

Info

Publication number: DE60030656T2
Application number: DE60030656T
Authority: DE
Inventors: Arnold Charles Ockbrook Newton
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 2000-10-09
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: EP1094212A2; DE60030656D1; US6349537B1; EP1094212B1; EP1094212A3; GB9924545D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Triebwerke, die einerseits ein zugeordnetes Fahrzeug, sei es ein Landfahrzeug, ein Schiff oder ein Luftfahrzeug antreiben und die andererseits wichtige Versorgungen übernehmen und beispielsweise eine elektrische Leistung zur Beleuchtung erzeugen oder dann, wenn das Fahrzeug ein Flugzeug ist, eine Druckluftatmosphäre zur Verfügung stellen.
Wenn das Haupttriebwerk ein Gasturbinenstrahltriebwerk ist und wenn dieses in einem Flugzeug installiert ist, dann ist es bekannt, außerdem ein Hilfsgasturbinentriebwerk darin zu installieren, das eine sehr viel kleinere Abmessung aufweist als das Haupttriebwerk. Das kleinere Triebwerk ist mit einer Kompressorwelle des größeren Triebwerks über einen Elektromotor verbunden, und beim Start des kleineren Triebwerks treibt der Elektromotor seinerseits die Kompressorwelle an und leitet so den Startanlauf des Haupttriebwerks ein. Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Haupttriebwerk selbst läuft, treibt das kleinere Hilfstriebwerk auch andere Zusatzgeräte an, wie dies oben erwähnt wurde. Nachdem das Haupttriebwerk jedoch hochgelaufen ist, übernimmt dieses von dem kleineren Hilfstriebwerk den Antrieb, und das Hilfstriebwerk wird dann abgeschaltet. Beispielsweise beschreibt die US-A-5152141 ein System zum Antrieb mehrerer Zusatzgeräte durch Elektromotoren, die einem Gasturbinentriebwerk zugeordnet sind.
Die vorbeschriebene Anordnung hat eine Anzahl von Nachteilen. Beispielsweise benötigt das kleinere Triebwerk auch einen Lufteinlass und einen Abgasströmungsauslass, und diese Strukturen müssen in die Flugzeugstrukturen eingebaut werden, was ein zusätzliches Gewicht und einen zusätzlichen Raumbedarf erfordert. Außerdem wird flüssiger Brennstoff benutzt, der entweder die für das Haupttriebwerk zur Verfügung stehende Menge vermindert oder eine getrennte weitere Zufuhr für das kleinere Triebwerk erfordert, was wiederum Gewicht und Raumbedarf erhöht. Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch die Benutzung des Haupttriebwerks zum Antrieb der Zusatzgeräte während des Fluges des zugeordneten Flugzeuges, weil die Leistung, die von der Schubleistung zum Antrieb jener Zusatzgeräte abgezogen wird, den Wirkungsgrad des Triebwerks im Hinblick auf dessen Primäraufgabe zum Vortrieb des zugeordneten Flugzeuges durch die Luft vermindert.
Es ist auch schon erwogen worden, Gasturbinentriebwerke so auszubilden, dass sie kontinuierlich laufen, sodass die Benutzung von Hilfsmaschinen zum Antrieb der Zusatzgeräte überflüssig wird, aber auch hierdurch können die meisten der oben beschriebenen Nachteile nicht vermieden werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes duales Leistungssystem zum Antrieb eines Fahrzeugs und zum Antrieb der diesem Fahrzeug zugeordneten Zusatzgeräte zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein duales Fahrzeugantriebssystem ein Gasturbinentriebwerk und Zusatzgeräte, wobei eine elektrochemische Brennstoffzelle sowohl mit dem Triebwerk als auch mit den Zusatzgeräten über Elektromotore verbunden ist, wobei die Verbindungsmittel Schaltmittel aufweisen, die selektiv betätigbar sind um entweder den Kompressor des Gasturbinenschubtriebwerks zum Hochlauf anzutreiben und gleichzeitig die Zusatzgeräte anzutreiben, oder um entweder den Kompressor oder die Zusatzgeräte allein anzutreiben.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In 1 ist schematisch ein Kompressor eines Gasturbinenschubtriebwerks mit zugeordneten Zusatzgeräten dargestellt, die gemäß der Erfindung in einer Antriebsverbindung mit einer Brennstoffzelle stehen; 2 zeigt eine abgewandelte Anordnung der Schaltung gemäß 1.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Ein Kompressor 10 eines Gasturbinenschubtriebwerks (nicht dargestellt) ist über ein Getriebe 11 in bekannter Weise mit einem Elektromotor 12 verbunden. Der Motor 12 bewirkt eine Drehung des Kompressors 10 in einem ersten Schritt beim Einleiten des Hochlaufs eines (nicht dargestellten) Gasturbinenschubtriebwerks, wie dies allgemein bekannt ist.
Ein zweiter Elektromotor 14 ist an ein Gehäuse 16 angeschlossen, das beispielsweise Pumpen enthält, um die Kabine eines (nicht dargestellten) Flugzeuges unter Druck zu setzten, das durch das zugeordnete Gasturbinentriebwerk (nicht dargestellt) angetrieben wird, von dem der Kompressor 10 einen Teil bildet.
Die Elektromotoren 12 und 14 sind parallel an eine gemeinsame Brennstoffzelle 18 über einen Dreiwegeschalter 20 angeschlossen. Durch „Weg" soll der Modus der elektrischen Verbindung verstanden werden. Der Schalter 20 führt, in der aus der Zeichnung ersichtlichen Stellung, gleichzeitig elektrische Leistung beiden Motoren 12 und 14 über die entsprechenden Kontakte 22 und 24 zu. Wenn jedoch der Schalter 20 gemäß Betrachtung der Zeichnung im Uhrzeigersinn um eine Achse 26 gedreht wird, sodass der Kontakt 22 von der Leitung, der nach dem Motor 12 führt, getrennt wird, dann bleibt der Kontakt 24 über einen relativ langen bogenförmigen Kontaktabschnitt 27 noch in elektrischer Verbindung mit dem Motor 14. Auf diese Weise wird die Leistung individuell über den Motor 14 den Pumpen im Gehäuse 16 zugeführt. Eine Gegenuhrzeigersinndrehung des Schalters 20 um die Achse 26, bewirkt eine Umschaltung auf den Motor 12, um eine Drehung des Kompressors 10 zu bewirken.
Die Brennstoffzelle 18 kann irgendeine bekannte Type sein, vorausgesetzt, dass ihre Charakteristik ein hohes Verhältnis zwischen Leistung und Gewicht besitzt, sodass die durch die Benutzung erlangten Vorteile nicht ausgelöscht werden.
Durch die Arbeitsweise der Brennstoffzelle 18 ergibt sich ein Nebenprodukt, nämlich CO₂. Das CO₂ kann durch irgendwelche (nicht dargestellten) Mittel gesammelt und dem Brennstofftank 30 des Gasturbinenschubtriebwerks zugeführt werden, um den Raum einzunehmen, der sich durch den Brennstoffverbrauch des Triebwerks im Betrieb ergibt. Hierdurch wird verhindert, dass explosive. Brennstoffdämpfe im Tank gebildet werden können. Die Brennstoffzelle 18 kann auch die elektrische Leistung zur Betätigung einer (nicht dargestellten) Pumpe liefern, mit der die Übertragung des CO₂ erfolgen kann.
Dem Fachmann, der diese Beschreibung liest, wird klar, dass in der Praxis der Schalter 20 eine sehr viel kompliziertere Ausbildung haben muss, einschließlich elektronischer Schaltungen, und er weiß, dass, wie oben erwähnt, Schaltungen bekannt sind, um eine Brennstoffzelle an ein Gerät derart anzuschalten, dass ein elektrischer Antrieb dieses Gerätes bewirkt wird.
Der Ausdruck „Zusatzgeräte" soll auch die Benutzung der Brennstoffzelle zum Antrieb elektromagnetischer Lager (nicht dargestellt) umfassen, wenn derartige Vorrichtungen benutzt werden, um die Wellen reibungsfrei in einem Magnetfeld abzustützen, sodass keine Schmierung benötigt wird.
Nunmehr wird auf 2 Bezug genommen. Bei dieser Ausführungform ist ein einziger Motor 32 vorgesehen, der die Motoren 12 und 14 in 1 ersetzt, und der Schalter 20 ist zwischen Motor 32 und Kompressor 10 und Motor 32 und das Zusatzgerät 10 geschaltet, um entweder beide gleichzeitig oder einzeln anzutreiben, wie dies unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde.
Die vorliegende Erfindung ergibt eine Anzahl von Vorteilen bei der Benutzung einer Hilfsgasturbinentriebwerkeinheit, und diese Vorteile sind die folgenden:

a) Die vom Hauptgasturbinentriebwerk abgezogene Leistung, wird beträchtlich vermindert, wodurch sich die Leistung erhöht, die zum Schubantrieb des zugeordneten Flugzeuges zur Verfügung steht.
b) Die Abgasemissionen, die von der Verbrennung des Kohlenwasserstoffbrennstoffes herrühren, werden vermindert, wodurch die Umweltverschmutzung verringert wird.
c) Es steht mehr steuerbare elektrische Leistung für elektromagnetische Lager zur Verfügung.
d) Die von der Brennstoffzelle erzeugten Gase sind geeignet zur Übertragung auf die Brennstofftanks des Gasturbinenschubtriebwerks, um den verbrauchten Brennstoff zu ersetzen und eine nicht explosive Atmosphäre zu schaffen.
e) Es wird der vom Hilfstriebwerk erzeugte Lärm vermieden.

Claims

Duales Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem Gasturbinentriebwerk und zugeordneten Zusatzgeräten (16), mit elektromotorischen Antriebsmitteln (12, 14) zum Antrieb der zugeordneten Zusatzgeräte (16) und zum Antrieb eines Kompressors (10) des Gasturbinentriebwerks zur Einleitung des Startanlaufs und mit Schaltmitteln (20), die selektiv derart betätigbar sind, dass die zugeordneten Zusatzgeräte (16) und der Kompressor (10) individuell oder zusammen mit den elektromotorischen Antriebsmitteln (12, 14) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorischen Antriebsmittel (12, 14) durch eine elektrochemische Brennstoffzelle (18) gespeist werden.
Duales Fahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorischen Antriebsmittel (12, 14) einen ersten und einen zweiten Elektromotor aufweisen, wobei der erste Elektromotor (12) einen Kompressor (10) des Gasturbinentriebwerks antreibt, um den Startanlauf einzuleiten und der zweite Elektromotor 14 dazu dient, die zugeordneten Zusatzgeräte anzutreiben.
Duales Fahrzeugantriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptschalter (28) zwischen die elektrochemische Brennstoffzelle (18) und den Schalter (20) eingeschaltet ist, sodass die beiden Elektromotoren (12, 14) elektrisch von der elektrochemischen Brennstoffzelle elektrisch abgeschaltet sind, bis der Schalter (20) sich in eine gewählte Stellung bewegt hat.
Duales Fahrzeugantriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die elektrochemische Brennstoffzelle (18) erzeugten Gase in einen Brennstofftank (30) geleitet werden, der dem Gasturbinenschubtriebwerk zugeordnet ist, um den vom Gasturbinentriebwerk verbrauchten Brennstoff zu ersetzen und auf die Weise eine nicht explosive Atmosphäre innerhalb des Brennstofftanks (30) zu erzeugen.
Duales Fahrzeugantriebssystem nach einem der vorhergenenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Flugzeug ist.