DE102006056354B4

DE102006056354B4 - Hybridantrieb für ein Flugzeug

Info

Publication number: DE102006056354B4
Application number: DE102006056354A
Authority: DE
Inventors: Claus Hoffjann; Hansgeorg Schuldzig; Andreas Westenberger
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: US20090293494A1; US8640439B2; DE102006056354A1

Abstract

Antriebsvorrichtung für ein Flugzeug; wobei die Antriebsvorrichtung aufweist: – eine Antriebseinheit (1); – eine Gasturbineneinrichtung (2) zum Erzeugen einer ersten Antriebsenergie; – einen Elektromotor (3) zum Erzeugen einer zweiten Antriebsenergie; – ein Brennstoffzellensystem (12); eine Wassereinspritzeinrichtung (4); wobei die Gasturbineneinrichtung (2) eine Brennkammer (5) mit einem Verbrennungsprozess aufweist; wobei die Wassereinspritzeinrichtung (4) eingerichtet ist, Einspritzwasser in den Verbrennungsprozess einzuspritzen; wobei die Gasturbineneinrichtung (2) und der Elektromotor (3) derart eingerichtet sind, dass der Antriebseinheit (1) zumindest eine der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien bereitgestellt wird; wobei die Antriebseinheit (1) eingerichtet ist, zumindest mittels einer der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien einen Vorschub zu erzeugen; – eine Antriebswelle (6); wobei die Antriebswelle (6) eingerichtet ist, zumindest eine der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien der Antriebseinheit (1) bereitzustellen; – eine Gasturbinenwelle (7); – eine Elektromotorwelle (8);...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Flugzeug, ein Verfahren zum Antrieb eines Flugzeugs und ein Flugzeug mit einer Antriebsvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Der Anteil des Luftverkehrs hat heutzutage einen geringen Anteil an dem weltweiten Erdölverbrauch und an der Luftverschmutzung. Dieser Anteil nimmt allerdings mit der Abnahme der anderen luftverschmutzenden Verkehrsmittel und der Zunahme des Luftverkehrs zu. Zudem sind die heutigen zivilen Verkehrsflugzeuge mit ihrem Verbesserungspotential und Entwicklungspotential an einem Punkt angekommen, an dem nur durch sehr großen Aufwand geringe Verbesserungen erzielt werden können.
Daher wird versucht, die Abgase der Flugzeugantriebe entweder durch bestimmte Treibstoffarten umweltverträglicher zu gestalten oder durch bestimmte Antriebssysteme den Treibstoffverbrauch zu reduzieren.
Einerseits sind zur Reduzierung der Schadstoffe Flugzeuge mit Mischantrieben bekannt. Dabei wird der Vortrieb des Flugzeugs durch eine Kombination verschiedener Triebwerke bzw. Antriebseinheiten erzielt. Gängige Kombinationen sind beispielsweise Kolbentriebwerke und Strahltriebwerke, Kolbentriebwerke und Raketentriebwerke, Strahltriebwerke und Raketentriebwerke oder Turbinenstrahltriebwerke und Staustrahltriebwerke. Diese Mischantriebe wurden beispielsweise in den Versuchsflugzeugen Mikojan-Gurewitsch MiG-13 oder die Nord 1500 Griffon umgesetzt. Jeder Mischantrieb weist mehrere Antriebseinheiten mit einem zugehörigen Triebwerk auf. Ein Kolbentriebwerk weist beispielsweise einen Kolbenmotor zur Erzeugung einer Antriebsenergie und einen Luftpropeller auf, während das Strahltriebwerk eine Brennkammer zur Erzeugung einer Antriebsenergie und einen Verdichter aufweist. Wird ein Vorschub mit einer Antriebseinheit, wie beispielsweise das Kolbentriebwerk nicht benötigt, so verharrt der Luftpropeller in der Luftströmung und erzeugt einen Luftwiderstand.
Ferner ist zur Erzeugung von elektrischer Energie die Brennstoffzellentechnik bekannt, woraus aus einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem Oxidationsmittel elektrische Energie und Wasser erzeugt werden kann.
WO 02/053403 A2 offenbart eine Motoranordnung mit einer Hauptwelle, die von mehreren Motoreinheiten angetrieben wird, welche verschiedenen Wirkrpinzipien unterliegen können, z. B. elektrisch oder als Verbrennungsmotor betreibbar sind.
DE 19 525 267 C2 offenbart ein Antriebssystem, bei dem Wasserstoff gewonnen und mit einer Wärmekraftmaschine in Antriebsenergie umgewandelt wird. Durch einen zusätzlichen Generator und Elektromotor kann ein hybrider Antrieb realisiert werden.
DE 19 544 927 A1 zeigt eine Gasturbine mit einem einer Brennkammer vorgeschalteten Diffusor, der mit einem Kühlmittelinjektor verbunden ist.
DE 1 197 280 A zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit Wassereinspritzung zur Verminderung von Rauchentstehung.
US 2003/075 643 A1 offenbart ein Flugzeug mit Elektroantrieb und Brennstoffzellen.
DE 19 821 952 C2 zeigt eine auf Brennstoffzellen basierende Energieversorgungseinheit an Bord eines Luftfahrzeugs, die neben elektrischer Leistung auch Wasser bereitstellt.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine hybride Antriebsvorrichtung für ein Flugzeug mit einem geringen Schadstoffausstoß bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung, durch ein Verfahren zum Antrieb eines Flugzeugs und durch ein Flugzeug mit einer Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Antriebsvorrichtung für ein Flugzeug bereitgestellt. Die Antriebsvorrichtung weist eine Antriebseinheit, eine Gasturbineneinrichtung zum Erzeugen einer ersten Antriebsenergie und einen Elektromotor zum Erzeugen einer zweiten Antriebsenergie auf. Die Gasturbineneinrichtung und der Elektromotor sind derart eingerichtet, dass die Antriebseinheit zumindest eine der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien bereitstellbar ist. Die Antriebseinheit ist eingerichtet, zumindest mittels einer der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien ein Vorschub zu erzeugen.
Die Antriebsvorrichtung weist eine Wassereinspritzeinrichtung auf. Die Gasturbineneinrichtung weist ferner eine Brennkammer mit einem Verbrennungsprozess auf. Die Wassereinspritzeinrichtung ist eingerichtet, ein Einspritzwasser in den Verbrennungsprozess einzuspritzen. Ein Einspritzwasser kann somit in den Verbrennungsprozess bzw. in Strömungsrichtung kurz nach dem Verbrennungsprozess eingespritzt werden, um somit die Abkühlung des Verbrennungsprozesses zu erreichen. Aufgrund der Abkühlung dieses Verbrennungsprozesses wird beispielsweise die Bildung von Stickoxiden reduziert. Somit kann der Schadstoffausstoß der Antriebsvorrichtung reduziert werden.
Ferner entsteht mittels der Einspritzung von Einspritzwasser in den Verbrennungsprozess der Brennkammer gleichzeitig Dampf. Dadurch erhöht sich die Dichte bzw. die Viskosität des Strömungsmediums, welches durch die Gasturbineneinrichtung strömt. Dadurch kann eine höhere Effizienz des Gesamtprozesses der Gasturbineneinrichtung erreicht werden.
Die Antriebsvorrichtung weist ferner eine Antriebswelle auf. Die Antriebswelle ist eingerichtet, zumindest eine der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien bereitzustellen. Die Antriebswelle kann dabei mit der Antriebseinheit verbunden sein und die Antriebsenergien, wie beispielsweise ein Drehmoment, auf die Antriebseinheit übertragen. Die Antriebswelle ist dabei derart eingerichtet, dass diese entweder von der Gasturbineneinrichtung eine erste Antriebsenergie und/oder von dem Elektromotor eine zweite Antriebsenergie erhalten kann.
Die Antriebsvorrichtung weist eine Gasturbinenwelle und eine Elektromotorwelle auf. Die Gasturbinenwelle ist eingerichtet, die erste Antriebsenergie der Antriebswelle bereitzustellen. Die Elektromotorwelle ist derart eingerichtet, dass die zweite Antriebsenergie der Antriebswelle bereitstellbar ist. Mittels dieser beispielhaften Ausführungsform können die Gasturbineneinrichtung und die Elektromotoren an baulich entfernten Positionen angebracht werden und die erste Antriebsenergie und/oder die zweite Antriebsenergie mittels der Gasturbinenwelle und der Elektromotorwelle an die Antriebswelle übertragen.
Die Antriebsvorrichtung weist eine erste Kupplungseinrichtung auf. Die erste Kupplungseinrichtung ist derart eingerichtet, dass zumindest eine der Gasturbinenwellen und der Elektromotorwellen mittels der Antriebswelle koppelbar ist. Somit kann beispielsweise entweder die Gasturbinenwelle oder die Elektromotorwelle permanent mit der Antriebswelle verbunden sein, während die andere Gasturbinenwelle und Elektromotorwelle mittels der ersten Kupplungseinrichtung zuschaltbar ist. So kann beispielsweise die erste Antriebsenergie der Gasturbineneinrichtung oder die zweite Antriebsenergie des Elektromotors flexibel und variabel zugeschaltet werden. Somit kann mittels der ersten Kupplungseinrichtung die benötigte Antriebsenergie der Antriebseinheit an einen bestimmten Vorschubbedarf angepasst werden. So kann beispielsweise in einer Steigflugphase die Gasturbinenwelle gleichzeitig mit der Elektromotorwelle eine erste Antriebsenergie und eine zweite Antriebsenergie gleichzeitig die Antriebseinheit bereitstellen, oder im Falle eines Sinkfluges oder während des Reiseflugs beispielsweise ausschließlich die zweite Antriebsenergie des Elektromotors zum Bereitstellen eines Vorschubs mit der Antriebswelle verbunden sein. Somit kann die benötigte Antriebsenergie an bestimmte Flugphasen angepasst werden, so dass Treibstoffverbrauch und somit der Schadstoffausstoß reduziert werden kann. Mittels der ersten Kupplungseinrichtung kann beispielsweise während der Startphase der Gasturbineneinrichtung die zweite Antriebsenergie des Elektromotors an die Antriebswelle bzw. die Gasturbinenwelle gekoppelt werden, so dass eine ausreichende Drehung für eine Zündung der Gasturbinenvorrichtung bereitgestellt wird.
Die Antriebsvorrichtung weist ein Brennstoffzellensystem auf. Das Brennstoffzellensystem ist eingerichtet, mittels Reaktion eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs und eines Oxidationsmittels, ein Einspritzwasser und eine elektrische Energie zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem ist eingerichtet, die elektrische Energie dem Elektromotor bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Antrieb eines Flugzeugs bereitgestellt. Eine erste Antriebsenergie wird mittels einer Gasturbineneinrichtung erzeugt. Eine zweite Antriebsenergie wird mittels eines Elektromotors erzeugt. An der Antriebsenergie wird zumindest eine der ersten Antriebsenergien und eine der zweiten Antriebsenergien bereitgestellt. Mittels der Antriebseinheit wird ein Vorschub erzeugt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Flugzeug mit einer oben beschriebenen Antriebsvorrichtung bereitgestellt.
Unter dem Begriff „Antriebseinheit” werden Einrichtungen verstanden, welche einen Vorschub eines Flugzeugs erzeugen können. Dies kann beispielsweise ein Propeller bzw. ein Luftpropeller sein, welcher aufgrund seiner Rotation einen Vorschub des Flugzeugs erzeugt. Zudem kann beispielsweise eine Verdichterstufe oder ein Fan eines Flugzeugtriebwerks eine Antriebseinheit darstellen, da der Fan bzw. die Verdichterblätter eine Luftströmung und somit einen Vorschub erzeugen. Mittels der Antriebseinheit, wie beispielsweise einem Propeller, einer Verdichterstufe oder einem sog. Fan eines Strahltriebwerks kann eine Beschleunigung und/oder eine Verzögerung von vorne eintretenden und hinten austretenden Luftmassen bereitgestellt werden.
Unter dem Begriff „Antriebsenergie” wird diejenige Energie verstanden, welche die Antriebseinheit benötigt, um einen Vorschub des Flugzeugs erzeugen zu können. Eine Antriebsenergie kann beispielsweise in Form eines Drehmoments auf einer Welle übertragen werden.
Mit der oben beschriebenen Antriebsvorrichtung kann ein Hybridantrieb für Luftfahrzeuge bereitgestellt werden, welcher einerseits durch eine Gasturbine und andererseits durch einen Elektromotor eine Antriebsenergie erzeugen kann. So kann beispielsweise mittels einer überschüssigen Energie ein Elektromotor eine zusätzliche Antriebsenergie erzeugen, ohne eine erhöhte Brennstoffzufuhr der Gasturbineneinrichtung bereitzustellen. Zudem kann bei einem geringeren Bedarf an Vorschub beispielsweise lediglich mittels des Elektromotors eine Antriebsenergie erzeugt werden.
Somit kann einer einzigen Antriebsvorrichtung unterschiedliche Antriebsenergien aus einer Gasturbineneinrichtung und einem Elektromotor bereitgestellt werden, so dass die Effektivität der Antriebsvorrichtung verbessert und eingestellt werden kann. Dies senkt den Treibstoffverbrauch und somit den Schadstoffausstoß.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Antriebsvorrichtung ferner eine zweite Kupplungseinrichtung und eine dritte Kupplungseinrichtung auf. Die zweite Kupplungseinrichtung ist eingerichtet, die Gasturbinenwelle mit der Antriebswelle zu verbinden. Die dritte Kupplungseinrichtung ist eingerichtet, die Elektromotorwelle mit der Antriebswelle zu verbinden. Mittels der zweiten Kupplungseinrichtung und der dritten Kupplungseinrichtung kann keine der Gasturbineneinrichtung und der Elektromotoren permanent an eine Antriebseinheit angeschlossen werden. So kann wechselweise die Antriebsenergie von der Gasturbineneinrichtung oder von dem Elektromotor bezogen werden, so dass beispielsweise die Betriebsstundenzahl auf beide aufgeteilt werden kann und wird der Verschleiß der Gasturbine und des Elektromotors reduziert und somit Kosten eingespart.
Unter dem Begriff „Brennstoffzellensystem” wird eine oder eine Vielzahl an Brennstoffzellen verstanden. Jede Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder ein Elektrolyt voneinander getrennt sind. Die Anode wird mit dem wasserstoffhaltigen Brennstoff umspült, welcher dort oxidiert wird. Die Kathodenseite wird mit dem Oxidationsmittel umspült, welches dort reduziert wird. Dadurch entsteht elektrische Energie und Wasser.
Als wasserstoffhaltigen Brennstoff kann beispielsweise reiner Wasserstoff, Methan, Methanol, Glukoselösungen verwendet werden. Ferner sind Reformatgase anwendbar, in welchen Wasserstoff in gebundener Form vorliegt.
Als Oxidationsmittel kann beispielsweise reiner Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Kaliumthiocyanat oder auch Luftsauerstoff verwendet werden.
Mittels des Einsatzes eines Brennstoffzellensystems zur Bereitstellung elektrischer Energie kann somit in einer ökonomischen und ökologischen Art und Weise eine ausreichende elektrische Energie erzeugt werden. Zum einen kann somit auf den Einsatz fossiler Brennstoffe verzichtet werden, zum anderen können die Edukte, wie beispielsweise das Wasser, in verschiedensten Einrichtungen weiterverwendet werden. Somit lässt sich die ökonomische sowie die ökologische Energiebilanz verbessern.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem eingerichtet, Einspritzwasser einem Wasserversorgungssystem bereitzustellen. Das Wasserversorgungssystem kann beispielsweise Spülwasser für Toiletten umfassen. Zudem kann das Wasserversorgungssystem eingerichtet sein, das Einspritzwasser mittels entsprechender Nachbehandlung und Aufreinigung, wobei beispielsweise ein pH-Wert eingestellt werden muss oder eine Aufsalzung vollzogen werden, so dass Trinkwasser bereitstellbar ist. Somit lässt sich die Menge an mitgeführtem Trinkwasser reduzieren, womit Gewicht und somit ein Schadstoffausstoß reduziert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der wasserstoffhaltige Brennstoff aus der Gruppe bestehend aus reinem Wasserstoff und wasserstoffhaltigem Reformatgas ausgewählt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Oxidationsmittel aus der Gruppe bestehend aus Kabinenluft, Außenluft und reinem Sauerstoff ausgewählt. Wird beispielsweise als Oxidationsmittel die Kabinenluft verwendet, so kann zur Versorgung des Brennstoffzellensystems der Differenzdruck zwischen der Kabinenluft und der Außenluft dazu verwendet werden, den Lufttransport durch das Brennstoffzellensystem zu gewährleisten. Somit kann auf komplexe Ventilatoreinrichtungen verzichtet werden, wodurch Energie eingespart werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem aus der Gruppe bestehend aus Hochtemperaturbrennstoffzellen, wie beispielsweise SOFC (Solid Oxid Fuel Cell), Mitteltemperatur-Brennstoffzellen und Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen, wie beispielsweise einer PEMFC-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), ausgewählt. Dabei kann beispielsweise ein kondensiertes Einspritzwasser bei der Hochtemperatur-Brennstoffzelle anodenseitig gewonnen werden und bei der Niedrig- und Mitteltemperatur-Brennstoffzelle kathodenseitig.
Einspritzwasser wird mittels des Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Somit kann auf zusätzliche Wassereinspritztanks verzichtet werden, so dass Gewicht und Einbauraum reduziert werden kann.
Die Ausgestaltungen der Antriebsvorrichtungen gelten für das Verfahren und das Flugzeug.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer hybriden Antriebsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung mit einer Kupplungseinrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform mit zwei Kupplungseinrichtungen.
Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Antriebsvorrichtung für ein Flugzeug. Die Antriebsvorrichtung weist eine Antriebseinheit 1, eine Gasturbineneinrichtung 2 zum Erzeugen einer ersten Antriebsenergie, und einen Elektromotor 3 zum Erzeugen einer zweiten Antriebsenergie auf. Die Gasturbineneinrichtung 2 und der Elektromotor 3 sind derart eingerichtet, dass der Antriebseinheit 1 zumindest eine der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien bereitstellbar ist. Die Antriebseinheit 1 ist eingerichtet, zumindest mittels einer der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien, einen Vorschub zu erzeugen.
Ferner weist die Antriebsvorrichtung eine Wassereinspritzeinrichtung 4 auf. Die Gasturbineneinrichtung 2 weist eine Brennkammer 5, welche einer Verdichterstufe 17 nachgeschaltet ist, und eine Turbinenstufe 18 auf. Zwischen der Brennkammer 5 und der Turbinenstufe 18 kann beispielsweise die Wassereinspritzeinrichtung 4 angeordnet sein. Eine Anströmluft m1 wird mittels der Verdichterstufe 17 verdichtet und der Brennkammer 5 bereitgestellt. Zwischen der Verdichterstufe 17 und der Brennkammer 5 kann Zapfluft m3 beispielsweise für die Klimaanlage 21 abgezapft werde, so dass ebenfalls eine Kabinenluft 16 als Oxidationsmittel dem Brennstoffzellensystem 12 bereitgestellt werden kann. Nach der Turbinenstufe 18 wird ein Abgas m2 abgegeben.
Somit kann mittels Einspritzung von Wasser der Verbrennungsprozess in der Brennkammer 5 oder nach der Brennkammer 5 abgekühlt werden, womit die Bildung von Stickoxiden reduziert wird. Ferner kann mittels der Einspritzung von Einspritzwasser in den Verbrennungsprozess der Brennkammer 5 gleichzeitig Dampf entstehen. Dadurch erhöht sich die Dichtigkeit bzw. die Viskosität des Strömungsmediums, welches durch die Gasturbineneinrichtung 2 strömt. Dadurch kann eine höhere Effizienz des Gesamtprozesses der Gasturbineneinrichtung 2 erreicht werden und somit Kraftstoff eingespart werden.
Das Einspritzwasser kann beispielsweise aus einem separaten Tank oder aus einem Abwassersystem 19 bereitgestellt werden. Das Abwassersystem 19 enthält Brauchwasser, welches beispielsweise von den Verbrauchern 22 bereits verwendet wurde.
Ferner weist die Antriebsvorrichtung ein Brennstoffzellensystem 12 auf. Das Brennstoffzellensystem 12 ist eingerichtet, mittels Reaktion eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs 15 und eines Oxidationsmittels 16 ein Einspritzwasser und eine elektrische Energie zu erzeugen. Ferner ist das Brennstoffzellensystem 12 eingerichtet, die elektrische Energie 13 dem Elektromotor 3 bereitzustellen.
Das erzeugte Einspritzwasser kann einem Kondensator 20 bereitgestellt werden. Anschließend kann das Einspritzwasser einem Wasserversorgungssystem 14 oder einer Wassereinspritzeinrichtung 4 zugeführt werden.
Das wasserstoffhaltige Brenngas 15 kann beispielsweise aus einem Tank bereitgestellt werden oder aus einem wasserstoffhaltigen Reformatgas, indem der Wasserstoff in gebundener Form vorliegt. Das Oxidationsmittel 16 kann beispielsweise aus der Kabinenluft bestehen, welche eine Klimaanlage bereitstellen kann.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, in der die Gasturbineneinrichtung 2 und der Elektromotor 3 mittels einer Gasturbinenwelle 7 und einer Elektromotorwelle 8 an eine Antriebswelle 6 gekoppelt sind. Die Antriebswelle 6 überträgt ein Drehmoment an die Antriebseinheit 1. Die Antriebseinheit 1 kann beispielsweise aus einem Propeller oder einem Fan bzw. einer Kompressorstufe 17 eines Strahltriebwerks bestehen. Mittels einer ersten Kupplungseinrichtung 9 kann wahlweise der Elektromotor 3 mittels der Elektromotorwelle 8 an die Antriebswelle 6 angekoppelt werden. Dazwischen kann beispielsweise die Gasturbinenwelle 7 der Gasturbineneinrichtung 2 angeordnet sein.
Somit kann, wie in 2 dargestellt, die zweite Antriebsenergie des Elektromotors 3 mittels der ersten Kupplungseinrichtung 9 wahlweise eine zweite Antriebsenergie der Antriebseinheit 1 bereitstellen. Wird beispielsweise die zweite Antriebsenergie des Elektromotors 3 zum Erzeugen eines Vorschubs nicht benötigt, so kann diese mittels einer ersten Kupplungseinrichtung 9 entkoppelt werden. In der beispielhaften Ausführungsform gemäß 2 kann der Elektromotor 3 ferner als Starter dienen. So kann im Stillstand der Elektromotor 3 mittels der Elektromotorwelle 8 ein Startdrehmoment erzeugen und somit die Gasturbinenwelle 7 drehen, so dass ein ausreichendes Startdrehmoment der Gasturbineneinrichtung 2 bereitgestellt wird, um diese zu starten.
3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform mit einer zweiten Kupplungseinrichtung 10 und einer dritten Kupplungseinrichtung 11. Die zweite Kupplungseinrichtung 10 ist eingerichtet, die Gasturbinenwelle 7 mit der Antriebswelle 6 zu verbinden. Die dritte Kupplungseinrichtung 11 ist eingerichtet, die Elektromotorwelle 8 mit der Antriebswelle 6 zu verbinden. Somit kann wahlweise über die zweite und dritte Kupplungseinrichtung 10, 11 eine bestimmte erste Antriebsenergie und/oder zweite Antriebsenergie der Antriebseinheit 1 bereitgestellt werden.
Wird beispielsweise eine geringere Antriebsenergie benötigt, so kann die Gasturbinenwelle 7 oder die Elektromotorwelle 8 mittels der zweiten oder dritten Kupplungseinrichtung 10, 11 entkoppelt werden, so dass lediglich die andere Antriebswelle 7, 8 die erste oder zweite Antriebsenergie bereitstellt. Ein unnötiger Leerlauf der eventuell noch angeschlossenen anderen Antriebswellen 7, 8 und somit beispielsweise eine Leerlaufdrehung der Gasturbineneinrichtung 2 oder des Elektromotors 3 wird somit vermieden, so dass ein Verlust, wie beispielsweise aufgrund eines Reibungsverlustes, reduziert wird. Somit lässt sich ein Treibstoffverbrauch und somit der Schadstoffausstoß reduzieren.
Ferner kann das Brennstoffzellensystem ebenfalls elektrische Energie für sonstige in einem Flugzeug vorhandene Verbraucher bereitstellen, wie beispielsweise Bordbeleuchtung oder die Klimaanlage 21. Zudem kann die überschüssige elektrische Energie der Brennstoffzelle 12 einer Speichereinheit, wie beispielsweise einer Batterie, zugeführt werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinheit
2: Gasturbineneinrichtung
3: Elektromotor
4: Wassereinspritzeinrichtung
5: Brennkammer
6: Antriebswelle
7: Gasturbinenwelle
8: Elektromotorwelle
9: erste Kupplungseinrichtung
10: zweite Kupplungseinrichtung
11: dritte Kupplungseinrichtung
12: Brennstoffzellensystem
13: elektrische Energie
14: Wasserversorgungssystem
15: wasserstoffhaltiger Brennstoff
16: Oxidationsmittel
17: Verdichterstufe, Fan
18: Turbinenstufe
19: Abwassersystem
20: Kondensator
21: Klimaanlage
22: Verbraucher, Passagiere
m1: Anströmluft
m2: Abgas
m3: Zapfluft

Claims

Antriebsvorrichtung für ein Flugzeug; wobei die Antriebsvorrichtung aufweist: – eine Antriebseinheit (1); – eine Gasturbineneinrichtung (2) zum Erzeugen einer ersten Antriebsenergie; – einen Elektromotor (3) zum Erzeugen einer zweiten Antriebsenergie; – ein Brennstoffzellensystem (12); eine Wassereinspritzeinrichtung (4); wobei die Gasturbineneinrichtung (2) eine Brennkammer (5) mit einem Verbrennungsprozess aufweist; wobei die Wassereinspritzeinrichtung (4) eingerichtet ist, Einspritzwasser in den Verbrennungsprozess einzuspritzen; wobei die Gasturbineneinrichtung (2) und der Elektromotor (3) derart eingerichtet sind, dass der Antriebseinheit (1) zumindest eine der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien bereitgestellt wird; wobei die Antriebseinheit (1) eingerichtet ist, zumindest mittels einer der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien einen Vorschub zu erzeugen; – eine Antriebswelle (6); wobei die Antriebswelle (6) eingerichtet ist, zumindest eine der ersten Antriebsenergien und der zweiten Antriebsenergien der Antriebseinheit (1) bereitzustellen; – eine Gasturbinenwelle (7); – eine Elektromotorwelle (8); wobei die Gasturbinenwelle (7) derart eingerichtet ist, dass die erste Antriebsenergie der Antriebswelle (6) bereitgestellt wird; wobei die Elektromotorwelle (8) derart eingerichtet ist, dass die zweite Antriebsenergie der Antriebswelle (6) bereitgestellt wird; – eine erste Kupplungseinrichtung (9); wobei die erste Kupplungseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass zumindest eine der Gasturbinenwelle (7) und der Elektromotorwelle (8) mit der Antriebswelle (6) gekoppelt ist; wobei der Elektromotor (3) derart eingerichtet ist, über die Elektromotorwelle (8) der Gasturbineneinrichtung (2) ein Startdrehmoment bereitzustellen, um diese zu starten; wobei das Brennstoffzellensystem (12) eingerichtet ist, mittels Reaktion eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs (15) und eines Oxidationsmittels (16) das Einspritzwasser und eine elektrische Energie zu erzeugen; und wobei das Brennstoffzellensystem (12) eingerichtet ist, die elektrische Energie dem Elektromotor (3) bereitzustellen.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1; ferner aufweisend: eine zweite Kupplungseinrichtung (10); eine dritte Kupplungseinrichtung (11); wobei die zweite Kupplungseinrichtung (10) eingerichtet ist, die Gasturbinenwelle (7) mit der Antriebswelle (6) zu verbinden; wobei die dritte Kupplungseinrichtung (11) eingerichtet ist, die Elektromotorwelle (8) mit der Antriebswelle (6) zu verbinden.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2; wobei das Brennstoffzellensystem (12) eingerichtet ist, das Einspritzwasser einem Wasserversorgungssystem (14) bereitzustellen.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei der wasserstoffhaltigen Brennstoff (15) aus der Gruppe bestehend aus reinem Wasserstoff und wasserstoffhaltigem Reformatgas ausgewählt ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei das Oxidationsmittel (16) aus der Gruppe bestehend aus Kabinenluft, Außenluft und reinem Sauerstoff ausgewählt ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei das Brennstoffzellensystem (12) aus der Gruppe bestehend aus Hochtemperatur-Brennstoffzellen; Mitteltemperatur-Brennstoffzellen und Niedrigtemperaturbrennstoffzellen ausgewählt ist.
Verfahren zum Antrieb eines Flugzeugs; wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen einer ersten Antriebsenergie mittels einer Gasturbineneinrichtung (2); Erzeugen einer zweiten Antriebsenergie mittels eines Elektromotors (3); Bereitstellen zumindest einer der ersten Antriebsenergie und der zweiten Antriebsenergie mittels einer Antriebswelle (6) an einer Antriebseinheit (1); Erzeugen eines Vorschubs mittels der Antriebseinheit (1); Bereitstellen der ersten Antriebsenergie an die Antriebswelle (6) durch die Gasturbinenwelle (7); Bereitstellen der zweiten Antriebsenergie an die Antriebswelle (6) durch die Elektromotorwelle (8); Koppeln von zumindest einer der Gasturbinenwelle (7) und der Elektromotorwelle (8) mit der Antriebswelle (6); Bereitstellen eines Startdrehmoments der Gasturbineneinrichtung (2) durch den Elektromotor über die Elektromotorwelle (8); Bereitstellen von elektrischer Energie an den Elektromotor (3) und Bereitstellen von Wasser durch ein Brennstoffzellensystem (12); Einspritzen von durch das Brennstoffzellensystem (12) bereitgestelltem Wasser in einen Verbrennungsprozess der Gasturbineneinrichtung (2).
Flugzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.