用于飞行器的辅助动力单元的制作方法

1.至少一个实施例涉及一种飞行器辅助动力单元，其包括空气压缩机，该空气压缩机联接到空气抽吸设备以从飞行器外抽吸空气。至少一个其他实施例涉及一种包括这种辅助动力单元的飞行器。


背景技术：

2.在航空领域，辅助动力单元(apu)表示为推进以外的功能提供能量的辅助单元。值得注意地，其旨在在飞行器上产生机上电能和气动能(储存在压缩气体中的能量)，以在主推进系统停止以节省燃料时在地面上为各种机载系统(例如机舱照明系统、空调、通风装置等)提供动力。由此产生的气动能量也用于启动飞行器的推进系统。这种辅助动力单元也可以在飞行中使用。
3.辅助动力单元通常位于飞行器尾部的尾锥，以减少其对乘客的噪音影响。由飞行器中的储罐为其供应煤油。因此，辅助动力单元消耗飞行器的部分煤油，并加剧航空业的温室气体排放。
4.目前正在开发使用二氢燃料的新一代飞行器。这些新飞行器的污染较小，因为它们主要排放水蒸气。因此，为这种飞行器的辅助动力单元供应煤油对于环境问题来说是不合逻辑的。为辅助动力单元供应二氢将需要在飞行器尾部和通常位于飞行器机翼附近的二氢储罐之间装配二氢供应回路。这样的架构将带来与二氢泄漏和沿二氢供应回路爆炸的风险相关的安全问题。
5.因此，期望提供一种克服现有技术的这些各种缺点的解决方案。更具体地，期望提供一种用于为飞行器上的机载非推进功能提供电和气动动力的解决方案，该解决方案产生很少的污染、很少的噪声并且是安全的。


技术实现要素：

6.至少一个实施例涉及一种飞行器辅助动力单元，其包括空气压缩机，该空气压缩机联接到空气抽吸装置以从飞行器外抽吸空气。该压缩机将压缩空气供应到歧管，歧管构造成将空气供应到飞行器的至少一个推进系统的启动模块和环境控制系统，所述推进系统被供以来自储罐的氢。歧管还构造成向燃料电池堆供应空气，燃料电池堆布置成提供发电功能，该发电功能旨在为飞行器的非推进系统供电，所述燃料电池堆还被供以来自所述储罐的氢。
7.有利地，所述歧管的入口联接到引气系统的出口，所述引气系统构造成从所述至少一个推进系统吸入空气，并且歧管由处理单元控制，使得当所述推进系统运行时，歧管向燃料电池堆和环境控制系统供应来自压缩机和推进系统的空气混合物。
8.根据具体实施例，处理单元还构造成在推进系统的运行期间，特别是在飞行器的飞行阶段期间命令关闭压缩机，在飞行阶段期间从至少一个推进系统抽吸的空气流速足以向燃料电池堆和环境控制系统供应加压空气。
9.根据具体实施例，燃料电池堆联接到冷却回路，冷却液体在冷却回路中循环，所述冷却回路构造成使得当燃料电池堆运行并释放热量时，所述热量加热所述冷却液体。
10.根据具体实施例，所述冷却回路的出口联接到热交换器的入口，供应所述燃料电池堆的氢穿过所述热交换器循环，使得所述加热的冷却液体的至少一部分在所述热交换器中循环并加热供应所述燃料电池堆的氢。
11.根据具体实施例，在启动阶段，穿过热交换器循环的氢的一部分供应所述至少一个推进系统。
12.根据具体实施例，所述辅助动力单元的处理单元构造成获得与环境控制系统和燃料电池堆的空气需求有关的信息。处理单元还控制歧管，使得其根据所述获得信息向电池堆和环境控制系统供应空气。
13.根据具体实施例，燃料电池堆出口处的空气的至少一部分被注入所述至少一个推进系统的至少一个隔室中。
14.根据具体实施例，辅助动力单元和所述至少一个推进系统位于同一位置。
15.描述了一种飞行器，其包括至少一个根据前述实施例中任一个的辅助动力单元。
16.描述了一种飞行器，其包括根据前述实施例中任一个的第一辅助动力单元和根据前述实施例中任一个的第二辅助动力单元。第一和辅助动力单元和第二辅助动力单元通过交叉馈送系统连接。
附图说明
17.通过阅读下面参考附图给出的对示例性实施例的描述，本发明的上述特征以及其他特征将变得更明了，附图中：
18.图1是根据具体实施例的飞行器的立体图；
19.图2是根据具体实施例的辅助动力单元的示意图；以及
20.图3是成组的两个推进系统的示意图，每个推进系统与根据具体实施例的辅助动力单元相关联。
具体实施方式
21.图1示出了飞行器100的立体图，该飞行器机身两侧固定有机翼。固定在每个机翼下方的是至少一个推进系统150，例如涡扇发动机或涡桨发动机，由例如位于机翼之一中的储罐160向其供应氢。在图1中，飞行器100包括两个推进系统150，每个机翼下方各一个。在另一实施例中，其可以在机翼上方。每个推进系统150布置并安装在飞行器上，以向飞行器100提供推进动力。飞行器还包括至少一个辅助动力单元200，如图2所示。辅助动力单元200特别地包括供以二氢和二氧的燃料电池堆14和供以二氧的环境控制系统(ecs)16。辅助动力单元200用于向飞行器的非推进系统(例如，客舱的照明、通风装置和/或客舱的空调等)提供电能和气动能，即，与飞行器100的推进无关的设备。更准确地，燃料电池堆14产生的电能主要用于照明和机舱控制，甚至在飞行器启动之前就已使用。气动能量主要由环境控制系统16用于机舱的通风、空调、为机组人员和乘客控制机舱的温度和增压。该气动能量也是用于启动推进系统150的主要能量源。在以下文本中，氧和二氧这两个术语可以互换使用。同样，术语氢和二氢可以互换使用。
22.图2是根据具体实施例的辅助动力单元200的示意图。在该图中，粗黑箭头与氢分配回路有关，粗白箭头与空气(尤其是氧)分配回路有关。
23.辅助动力单元200包括压缩机10，例如电动压缩机，其经由至少一个空气管道联接到歧管12。歧管，术语也称为收集器，构造成将其在入口处接收的气流分配到出口处的多个设备。辅助动力单元200，例如燃料电池堆14中使用的氧例如来自由压缩机10加压的环境空气，该加压空气用于供应歧管12。环境空气例如来自空气抽吸设备8，该空气抽吸设备包括位于压缩机10附近的一个或多个勺状部。
24.歧管12本身向燃料电池堆14和环境控制系统16供应空气，从而供应氧。此外，歧管12向推进系统150的启动模块26供应加压空气。
25.环境控制系统16是常规地在飞行器中使用的系统，其内部架构在本例中没有详细描述，因为其对理解本发明没有帮助。值得注意地，环境控制系统16包括外部空气出口，用于喷射从机舱和驾驶舱吸取的空气。
26.此外，燃料电池堆14借助二氢分配回路从储罐160供应氢气。
27.燃料电池是一种电池，在其中借助阳极上的还原性燃料(在本例中为二氢)的氧化与阴极上的氧化剂(在本例中来自空气的二氧)的还原相结合而产生电压。二氧由歧管12提供，例如在2巴的压力下。两个电极与用作电解质的膜接触，从而确保阳极处产生的离子的输送。具体地，在阳极氧化二氢产生h
+
离子和电子e-，从阳极传到阴极。到达阳极后，根据以下反应，二氢(h2)解离(氧化)成h
+
离子和电子：2h2＝4h
+
+4e-。h
+
离子迁移到膜中，电子绕外部电路传送，从而产生电能。在阴极，h
+
离子、电子e-和二氧(例如来自空气)根据以下反应相遇形成水：4h
+
+4e-+o2＝2h2o。在该反应期间放热。燃料电池在化学反应中未使用的空气例如被排放到飞行器之外。
28.氢例如以液体形式储存在储罐160中，温度为20开尔文，压力为3巴。液氢借助与储罐160接触的囊件蒸发。囊件是严密密封的腔室，其中存在真空，允许调节氢回路中氢的压力和温度。燃料电池在化学反应中未使用的氢例如返回到氢回路。在不脱离本发明范围的情况下，氢也可以以气态形式直接储存在储罐160中。
29.燃料电池由冷却回路18冷却。具体地，燃料电池中的化学反应会产生热量，为了不使电池过热，需要去除热量。为此，向冷却回路18供应冷却液。冷却液例如是水和乙二醇的混合物，例如egw(乙二醇水)型。冷却回路18的出口联接到热交换器20的入口，以去除热量。
30.所产生的热量的至少一部分用作借助热交换器20提高储罐出口处氢的温度，从而使所述温度达到适合燃料电池堆14运行的适当值，例如200至350
°
k。借助氢穿过热交换器20，来自燃料电池并在热交换器20中循环的冷却液被冷却，而氢被加热。
31.在变型中，所产生的热量的一部分被移到安装设备之外。在本实施例中，还通过飞行器蒙皮上的一个或多个勺状部/集气口从外部为热交换器20供应新鲜空气。勺状部可以分布在外部蒙皮的周缘，并且可以例如是naca型或与外部蒙皮齐平的类型。借助新鲜空气穿过热交换器20，来自燃料电池并在热交换器20中循环的冷却液被冷却，而新鲜空气被加热。因此，热交换器20例如经由喷射管将热空气排放到飞机外。根据一实施例，热交换器设置在飞行器的冲压空气管道中。
32.由处理单元(图2中未示出)控制辅助动力单元200的各种元件的操作。可以通过使用飞行器内部的网络或专用通信总线来实现与该处理单元的信息交换。此外，各种空气和
氢分配回路通常包括泵和阀(图2中未示出)，它们也由处理单元控制。
33.推进系统150也依靠氢来运行。在一示例性实施例中，推进系统150是氢燃烧推进系统。
34.来自热交换器20的氢穿过管155被送到发动机150，用于在启动阶段期间为发动机供应氢。为此，氢借助热交换器20的加热而蒸发。换言之，由燃料电池堆14产生的热量有利地用于借助热交换器20加热供应推进系统150的氢。因此，燃料电池堆14与热交换器20和推进系统150位于同一位置的事实使得可以最小化热损失。术语“位于同一位置”应理解为指燃料电池堆14和推进系统150(或热交换器20)在空间上的靠近。
35.管156还可以在发动机运行期间，即在其启动之后，将氢从储罐160送到发动机150。
36.在一个或多个推进系统150运行的具体实施例中，歧管12由处理单元控制，以向燃料电池堆14和环境控制系统16供应来自压缩机10和一个或多个推进系统150的空气混合物。以这种方式从一个或多个推进系统150抽吸空气由引气系统28实现。为此，歧管12的入口联接到引气系统28的出口。该实施例使得可以使用来自推进系统150的能量，从而关闭压缩机10。它还使得可以补偿一个或另一个加压空气源中的任何故障。
37.在具体实施例中，处理单元获得与环境控制系统16和电池堆14的空气需求相关的信息。具体地，空气需求可随时间变化。例如，环境控制系统16的需求可以根据飞行高度、外部温度和飞行器上乘客的数量而变化。处理单元还控制歧管，使得其根据所获得的与电池堆14和环境控制系统的相应空气需求相关的信息向二者供应空气。
38.在具体实施例中，电池堆出口处的空气或空气的一部分，即贫氧空气，被输送到推进系统150以用作防火屏障。值得注意地，该贫氧空气可以有利地注入推进系统150的容易发生氢泄漏的那些隔室中，从而限制爆炸风险。
39.在具体实施例中，图1和图2中的燃料电池堆14有利地联接到包括电池和/或电容器的电能存储系统。
40.在具体实施例中，辅助动力单元200和与其相关联的推进系统150位于同一位置，即在空间上靠近彼此。因此，辅助动力单元不再位于飞行器尾部，这使得可以避免必须在沿飞行器的分配回路中运输氢，从而限制泄漏和爆炸的风险。
41.在图3所示的实施例变型中，飞行器包括与推进系统150一样多的辅助动力单元，每个辅助动力单元及与其相关的推进系统位于同一位置。
42.在该变型中，各辅助动力单元通过交叉馈送系统250连接，以补偿辅助动力单元的来自压缩机10、歧管12、热交换器20或22和/或引气系统28中的至少一个元件的任何可能故障。
43.由处理单元控制该交叉馈送系统250。处理单元构造成检测辅助动力单元的至少一个元件的故障，并根据故障元件来补偿问题。例如，在辅助动力单元apu 1的压缩机和/或歧管发生故障的情况下，处理单元实施从辅助动力单元apu 2的压缩机和歧管到环境控制系统和辅助动力单元apu 1的燃料电池堆的空气分配。换言之，辅助动力单元apu 1的环境控制系统和燃料电池堆由辅助动力单元apu 2的歧管供应空气。因此，借助使用另一辅助动力单元中的相应元件作为替代，整个系统能够抵抗辅助动力单元的至少一个元件的故障。因此，该解决方案保证了关键功能(如调节空气、电力等)的可用性。在一实施例中，控制交
叉馈送系统250的处理单元对应于控制第一辅助动力单元的歧管12的处理单元或控制第二辅助动力单元的歧管12的处理单元。在另一实施例中，控制交叉馈送系统250的处理单元独立于控制第一辅助动力单元的歧管12的处理单元以及控制第二辅助动力单元的歧管12的处理单元。然而，其可以与这两个处理单元交换信息。然而在另一实施例中，控制交叉馈送系统250的处理单元、控制第一辅助动力单元的歧管12的处理单元以及控制第二辅助动力单元的歧管12的处理单元对应于同一处理单元。

技术特征：
1.用于飞行器(100)的辅助动力单元，所述辅助动力单元包括空气压缩机(10)，所述空气压缩机联接到用于从飞行器外部吸入空气的空气抽吸设备(8)，所述空气压缩机(10)将压缩空气供应到歧管(12)，所述歧管构造成将空气供应到所述飞行器的至少一个推进系统(150)的启动模块(26)和环境控制系统(16)，所述推进系统被供以来自储罐(160)的氢，其特征在于：－所述歧管(12)还构造成向燃料电池堆(14)供应空气，所述燃料电池堆布置成提供发电功能，所述发电功能旨在为所述飞行器(100)的非推进系统供电，所述燃料电池堆(14)还被供以来自所述储罐(160)的氢；以及－所述歧管(12)的入口联接到引气系统(28)的出口，所述引气系统构造成从所述至少一个推进系统(150)吸入空气，并且所述歧管由处理单元控制，使得当所述推进系统(150)运行时，所述歧管(12)向所述燃料电池堆(14)和所述环境控制系统(16)供应来自所述空气压缩机(10)和所述推进系统(150)的空气混合物。2.根据权利要求1所述的辅助动力单元，其特征在于，所述处理单元还构造成在所述推进系统(150)运行期间命令所述空气压缩机(10)停机。3.根据权利要求1所述的辅助动力单元，其特征在于，所述燃料电池堆(14)联接到冷却回路(18)，冷却液体在所述冷却回路中循环，所述冷却回路(18)构造成使得当所述燃料电池堆运行并释放热量时，所述热量加热所述冷却液体。4.根据权利要求3所述的辅助动力单元，其特征在于，所述冷却回路(18)的出口联接到热交换器(20)的入口，供应所述燃料电池堆(14)的氢循环穿过所述热交换器，使得被加热的所述冷却液体的至少一部分在所述热交换器中循环并加热供应所述燃料电池堆(14)的氢。5.根据权利要求3所述的辅助动力单元，其特征在于，在启动阶段，循环穿过热交换器的氢的一部分供应所述至少一个推进系统。6.根据权利要求1所述的辅助动力单元，其特征在于，所述辅助动力单元的处理单元构造成获得与所述环境控制系统和所述燃料电池堆的空气需求相关的信息，并且其中，所述处理单元控制所述歧管，使得其根据所获得的所述信息向所述电池堆和所述环境控制系统供应空气。7.根据权利要求1所述的辅助动力单元，其特征在于，在所述燃料电池堆的出口处的贫氧空气的至少一部分被注入到所述至少一个推进系统的至少一个隔室中，以用作防火屏障。8.根据权利要求1所述的辅助动力单元，其特征在于，所述辅助动力单元与所述至少一个推进系统位于同一位置。9.飞行器，所述飞行器包括至少一个根据权利要求1所述的辅助动力单元。10.飞行器，所述飞行器包括：－根据权利要求1至8中任一权利要求所述的辅助动力单元，所述辅助动力单元包括第一辅助动力单元和第二辅助动力单元，所述第一辅助动力单元和所述第二辅助动力单元通过交叉馈送系统连接；以及－处理单元，所述处理单元构造成检测所述第一辅助动力单元或第二辅助动力单元中的一个的至少一个元件的故障，并通过命令所述交叉馈送系统以使用另一辅助动力单元的
对应元件作为故障元件的替代来补偿所述故障。

技术总结
描述了一种用于飞行器(100)的辅助动力单元。其包括联接到空气抽吸设备(8)的空气压缩机(10)，空气抽吸设备用于从飞行器外吸入空气，所述压缩机向歧管(12)供应压缩空气。所述歧管构造成将空气供应到依赖氢运行的飞行器的至少一个推进系统(150)的启动模块(26)和环境控制系统(16)。歧管(12)还构造成向燃料电池堆(14)供应空气，燃料电池堆布置成提供发电功能，发电功能旨在为飞行器(100)的非推进系统供电，所述燃料电池堆(14)还被供以来自储罐(160)的氢，储罐将氢供应到飞行器的所述至少一个推进系统。一个推进系统。一个推进系统。


技术研发人员：T
受保护的技术使用者：空中客车简化股份公司 空中客车德国运营有限责任公司
技术研发日：2022.11.10
技术公布日：2023/5/13