本发明专利技术涉及一种用于多引擎飞机(20)的混合动力电力驱动系统(10)。所述驱动系统包括至少第一和第二混合动力电力驱动单元(31、32)，其分别具有内燃机(41、42)、用于将驱动功率传输到螺旋桨(61、62)的电动发电机单元(71、72)。所述驱动系统(10)具有燃料电池(73)以供应电动发电机单元(71、72)电能。该燃料电池又经由燃料箱(74)被供应氢气。在燃料电池(73)中，氢气转换为电，其然后经由传输装置(80)为功率转换器(81、82)和电动发电机单元(71、72)供应电功率，以便驱动螺旋桨(61、62)。优点：基于具有约40至90位乘客的涡轮螺桨发动机飞机，40％能量在1小时任务期间能够无排放地通过氢气和燃料电池表示。在意味着，在巡航期间更少的CO2并且在巡航高度(FL250)也没有危害气候的废气和凝结尾迹，其代表航空排放的主要比例。其代表航空排放的主要比例。其代表航空排放的主要比例。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有用于低排放巡航的驱动和动力系统的飞机
[0001]本专利技术涉及一种用于多引擎飞机的混合动力驱动系统、一种多引擎飞机和一种用于操作双引擎飞机的方法。
技术介绍
[0002]飞机尤其应理解为马达驱动的固定翼飞机。但是，飞机一词还包括旋翼机(转子飞机、直升机)和马达滑翔机。飞机及其飞行驱动可以根据适用的构造和批准法规进行区分。EASA(欧洲航空安全局)发布的规则CS
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23适用于轻型固定翼马达飞机。它涉及：最多9个座位(无(多个)飞行员且最大起飞质量为5,670kg)的“普通、实用或特技”类别的飞机以及最多19个座位(无(多个)飞行员)且最大起飞质量8,618kg的“通勤”类别的飞机。CS
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25也是EASA为大型飞机，特别是大型涡轮动力飞机的型式认可而发布的设计规范。在本案例中，考虑了根据CS
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25构造规范进行认证的多引擎飞机。
[0003]地区交通飞机的主要特点是采用直线非后掠翼(ungepfeilten)设计，巡航速度为500至700km/h。如今，涡桨驱动是民航地区交通飞机的主要应用领域。该飞机类别的突出代表是Dornier328
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100(Dornier 328TP.2020.可从以下网址获得：https://328.eu/wp
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content/uploads/2020/09/D328
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100.pdf[访问时间09/28/2020])。
[0004]涡轮螺旋桨发动机(turbojet(涡轮喷气发动机)和propeller(螺旋桨)的人造词)是螺旋桨涡轮喷气推动器(简称PTL)的俗称，通常简称为螺旋桨涡轮。涡轮螺旋桨发动机是一种连续内燃热力机(热流机)，主要用于航空驱动。通俗地说，由PTL驱动的飞机通常被称为“涡轮螺旋桨飞机”。
[0005]这种推动器的特点是油耗相对较低，这就是它主要用于运输和短途飞机的原因。另一个民航应用领域是较小的公务机，例如TBM
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850。在军队中，涡轮螺旋桨飞机主要用于战术运输机。涡轮螺旋桨飞机的飞行速度最高限制为音速的80％(0.8马赫)，这相当于正常条件下8,000米时的大约870km/h。在这个速度范围内，涡轮螺旋桨发动机比纯涡轮推动器更经济。
[0006]涡轮螺旋桨推动器由燃气轮机组成，其通常通过减速变速器驱动螺旋桨，推动器的推力在此主要由螺旋桨产生，离开出口扩散器的工作气体最多只占总推力的10％推力，其中推进原理与涡轮喷气发动机有很大不同，而与涡轮风扇发动机更相似。螺旋桨推动大量空气产生推力，但与涡轮喷气发动机相比，这只是略有加速。另一方面，在纯涡轮喷气式喷气推动器的情况下，明显更少量的驱动介质加速地更强。
[0007]根据飞行速度、飞行高度和负载，螺旋桨叶片的攻角会发生变化，使得涡轮和螺旋桨在最佳速度范围内尽可能一致地工作。
[0008]驱动螺旋桨的能量由燃气轮机提供。其吸入空气，在轴向或径向(通常是多级)涡轮压缩机中压缩空气。然后压缩空气进入燃烧室，燃料在那里燃烧。现在变热的高能燃烧气体流过主要轴向和多级涡轮机，并在那里膨胀和冷却。传递到涡轮机的能量一方面通过轴驱动涡轮压缩机，另一方面通过变速器驱动螺旋桨。废气被排放到后方。
[0009]涡轮机通常针对主要飞行阶段进行优化，通常是巡航阶段，因为这也是整个任务中能源消耗份额最高的阶段。不可能在所有飞行阶段都具有同等的高运行效率。虽然可以为中长途航线设计并实现明显占主导地位的巡航飞行的最大效率，但短途和超短途航线的运行状态要少得多，而且差异更大。因此，与短途和长途航班相比，地区和短途飞机的发动机在整个任务期间以最佳效率运行的情况要少得多，每位乘客的燃油消耗率也更低。推进效率和热效率的不同下降在这里也起着一定的作用，例如，因为与配备涡轮风扇推动器的长途飞机相比，螺旋桨飞机在巡航期间飞得更低，并且受高度依赖的推力损失也更低。因此，与爬升期间相比，长途发动机以高功率更稳定地运行并且运行效率更高，而地区飞机的功率范围更广，例如在起飞、爬升和巡航期间。
[0010]因此，可以通过将热机与电机混合来更有效地设计和运行的任务的推力要求非常不同，特别是对于带有螺旋桨的地区飞机，但也适用于其他带有桨轮或转子的双引擎飞机。
[0011]除此之外，还有减少二氧化碳、氮氧化物和噪音排放的挑战。脱碳是航空业面临的一项重大挑战。航空业每年排放超过9亿吨二氧化碳(CO2)。假设行业每年增长3％到4％，效率每年提高2％，到2050年排放量将增加一倍以上。同期，航空业(航空运输行动小组
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ATAG)承诺将二氧化碳排放量减少50％(与2005年相比)。此外，欧盟(EU)已通过绿色协议为自己设定了实现碳中和的目标。除了二氧化碳，飞机还通过排放氮氧化物(NOx)、烟尘和水蒸气、尾迹和卷云来影响气候。因此，对全球变暖的“全面”贡献远远高于仅排放二氧化碳。(氢动力航空到2050年氢技术、经济和气候影响的基于事实的研究，2020年5月。可从以下网址获得：https://www.fch.europa.eu/sites/default/files/FCH％20Docs/20200507_Hydrogen％20Powered％20Aviation％20report_FINAL％20web％20％28ID％208706035％29.pdf[访问日期：2020年9月24日])。
[0012]目前出现的问题是，未来是否会使用电动或氢动力飞机来满足先前提出的要求？有这种可能。空中客车、劳斯莱斯、通用电气和西门子认为，他们可以通过用电动机代替涡轮风扇发动机来解决减少二氧化碳、氮氧化物和噪音排放的问题，紧随汽车行业的电动汽车或至少是混合动力汽车的道路(“飞行路线2050欧洲航空愿景”，[在线]，可从以下网址获得：https://ec.europa.eu/transport/sites/transport/files/modes/air/doc/flightpath2050.pdf[2018年14月3日访问])。
[0013]正如EP 3 421 760 A1所公开的那样，通用电气国际正在研究用于双引擎商用飞机的相应混合涡轮风扇驱动装置。在此，电动机分别联接到一个涡轮风扇推动器的高压轴和另一个第二涡轮风扇推动器的低压轴。提供电能存储器来为电动机供电，使得电动机可以在某些操作状态下为联接的涡轮风扇提供额外的驱动功率。SNECMA在出版物WO 2009/153471 A2中提出了类似的解决方案。
[0014]然而，当今可用的能够在上述概念中提供显著的电驱动功率的电池技术的功率质量密度仍然存在问题。简而言之，当前的电池技术无法提供足够高的能量密度；此外，功率重量比不够高。例如，煤油等可燃燃料的能量密度约为40MJ/kg，约为12,000Wh/kg。锂离子电池的能量密度比第一代电风扇低约60倍。因此，电池的比能量仅为液体燃料的约2％。提醒一下，质量为600kg的电风扇的67kg电池，低本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于多引擎飞机(20)的混合动力驱动系统(10)，所述驱动系统具有：
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至少第一和第二混合动力电力驱动单元(31、32)，其分别具有内燃机(41、42)和电动发电机单元(71、72)，以用于将驱动功率传输到推进器(61,62)，
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其中所述推进器(61、62)能够联接到所述内燃机(41、42)和/或所述电动发电机单元(71、72)以传输驱动功率，
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第一和第二电动发电机单元(71、72)连接到传输装置(80)以用于分配电力，
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燃料电池(73)，所述燃料电池用于为第一和/或第二电动发电机单元(71、72)提供电能，
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控制器(90)，所述控制器(90)连接到所述内燃机(41、42)和/或所述传输装置(80)和/或电动发电机单元(71、72)和/或所述燃料电池(73)，所述控制器(90)用于控制热和电生成的驱动功率，
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单独的燃料箱(43、44)，其用于为内燃机(41、42)供应燃料或为燃料电池(73)供应低温氢。2.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述混合动力电驱动单元(31、32)
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在主要运行模式下，推进器(61、62)主要或完全从内燃机(41、42)获得驱动功率，
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在次要联合运行模式下，推进器(61、62)从第一和第二内燃机(41、42)以及第一和第二电动发电机单元(71、72)获得驱动功率，并且
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在第三运行模式下，推进器(61、62)从第一和第二电动发电机单元(71、72)获得驱动功率。3.根据前述权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述控制器(90)在运行模式中使驱动功率对称分配到推进器(61、62)上。4.根据前述权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，第一或第二电动发电机单元(71、72)的电驱动功率能够在运行模式之间的转换期间可变地接通。5.根据前述权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，混合动力电动驱动单元(31、32)各自具有变速器(51、52)以用于传递驱动功率，其中内燃机(41、42)和电动发电机单元(71、72)能够通过变速器(51、52)与推进器(61、62)联接。6.根据前述权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，内燃机(41、42)的驱动功率和电动发电机单元(71、72)的驱动功率的传递的变化相继发生为，使得推进器(61、62)和公共驱动单元(31、32)传递的驱动功率保持大致相同。7.根据前述权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，推进器(61、62)被设计为具有叶片调节的螺旋桨，并且用于控制驱动功率的控制器(90)连接到叶片调节器。8.根据前述权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，在另一运行模式中，第一或第二内燃机(4...
【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：德意志飞机有限公司，
类型：发明
国别省市：
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