Bodenstartgerät zum Starten und Warten von Strahltriebwerken von Flugzeugen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bodenstartgerät zum Starten und Warten von Strahltriebwerken von Flugzeugen und anderen Fluggeräten sowie zumindest zum zeitweisen Klimatisieren von Fluggeräten. Ein solches Bodenstartgerät wird benötigt, um Druckluft zum Starten der Turbinen bzw. Strahltriebwerken zu liefern.

Ein Strahltriebwerk muss zum Anlassen auf eine gewisse Drehzahl beschleunigt werden, bevor der Eigenantrieb des Strahltriebwerkes einsetzen kann. Im Normalfall muss dazu das Strahltriebwerk auf eine Drehzahl von etwa 15 bis 20% der maximalen Drehzahl beschleunigt werden. Eine solche Beschleunigung geschieht normalerweise mit Hilfe einer bordeigenen Anfahreinrichtung (Auxiliary Power Unit, APU). Falls diese jedoch ausfällt oder aus ökologischen und/oder ökonomischen Gründen nicht zu verwenden oder unrentabel ist, kann ein sogenanntes externes, mobiles Bodenstartgerät (Air Start Unit, ASU) verwendet werden, um das Strahltriebwerk starten zu können. Außerdem kommen Bodenstartgeräte zum Teil zum Einsatz, um Wartungskosten von bordeigenen Anfahreinrichtung einsparen bzw. reduzieren zu können.

Bisherige ASUs bestehen aus einer mit Kraftstoff betriebenen Gasturbine oder aus einem Dieselmotor getriebenen Verdichter, welcher durch die Abnahme eines Teiles des verdichteten Luftstromes Druckluft zur Verfügung stellen, damit das Strahltriebwerk gestartet werden kann. Ebenso wie zum Starten des Triebwerkes, kann ein solches Bodenstartgerät auch zum Warten eines Triebwerkes und/oder zum Klimatisieren eines Fluggerätes benötigt werden.

Aufgrund von Verschärfungen der Gesetzgebung im Bereich Emission, Wärme und Energieverbrauch ist es notwendig solche bestehenden Bodenstartgeräte entsprechend emissionsärmer, leiser und mit niedrigem Energieverbrauch zu entwickeln. Hierzu ist bereits bekannt das Bodenstartgerät mit elektrischer Energie zu versorgen und mit der elektrischen Energie die Druckluft zu erzeugen. Ein solches Bodenstartgerät ist beispielsweise aus der DE 20 2008 015 623 U1 bekannt. Hierbei werden Verdichter mit einer Brennstoffzelle betrieben, welche elektrische Energie liefert, um die Verdichter anzutreiben.

Da die Technik der Batterien bzw. Akkumulatoren jedoch inzwischen so weit vorangeschritten ist, dass auch ohne Brennstoffe der Verdichter angetrieben werden kann, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein direkt mit elektrischer Energie angetriebenes Bodenstartgerät zu ermöglichen, welches emissionsarm ist, lärmgeschützt und einen niedrigen Energieverbrauch aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst, nämlich, dass das Bodenstartgerät mit mindestens einem Verdichter zur Erzeugung von Druckluft ausgestattet ist und einer Spannungsversorgung zur Versorgung elektrischer Verbraucher, insbesondere der elektrischen Verbraucher des Bodenstartgeräts. Weiterhin ist der Verdichter von mindestens einem Elektromotor angetrieben, welcher die Energie zum Betrieb aus einer Hochspannungsbatterie geliefert bekommt.

Mittels mindestens einem Wechselrichter kann die von der Hochspannungsbatterie gelieferte Gleichspannung in ein- oder mehrphasiger Wechselspannung gerichtet und damit die Elektromotoren betrieben werden. Somit können Gleichstrommotoren oder Wechsel-/Drehstrom- motoren als Elektromotoren verwendet werden. Der Wechselrichter kann dabei durch Einstellung der Frequenz der Spannung die Drehzahl des Elektromotors vorgeben.

Vorteilig bei dieser Art von Bodenstartgerät ist, dass die Elektromotoren zum Betrieb der Verdichter direkt mit elektrischer Energie angetrieben werden und somit keinerlei Kraftstoff zur Erzeugung der elektrischen Energie benötigt wird. Durch die elektrische Energie ist das vorliegende Bodenstartgerät emissionsarm und der Energieverbrauch ist gering, da direkt die elektrische Energie zum Betrieb der Verdichter verwendet wird.

Da die Technik zum Speichern elektrischer Energie hinsichtlich Batterien und Akkumulatoren als Energiespeicher mittlerweile so weit fortgeschritten ist, dass diese gut gespeichert werden kann und die Energiespeicher mit einem guten Wirkungsgrad versehen sind, kann die elektrische Energie in einer Hochspannungsbatterie gespeichert werden. Die Hochspannungsbatterie ist vorzugsweise als Lithium-Ionen Batterie ausgeführt, um kurzzeitig eine hohe Leistung zum Betrieb des Verdichters entnehmen zu können. Das Starten und Warten der Strahltriebwerke dauert nur eine kurze Zeit, so dass nur kurzzeitig die hohe Leistung benötigt wird. Beispielsweise ist eine Energieentnahme von 320 kW für die Dauer von 2 min erforderlich. Diese Anforderung ist jedoch ja nach Strahltriebwerk unterschiedlich.

In einer besonderen Ausführungsform ist dem Bodenstartgerät weiterhin ein Laderegler beigeordnet, weicher den Ladevorgang der Hochspannungsbatterie regelt. An diesen Laderegler kann elektrische Energie eingespeist werden und die elektrische eingespeiste Energie wird dann der Hochspannungsbatterie zugeführt, damit diese die elektrische Energie speichert. Der Laderegler ist dazu so ausgeführt, dass er mit verschiedenen Spannungsarten die Batterie speisen kann, also Gleichspannung sowie auch Wechselspannung. Der Laderegler kann auch so gestaltet sein, dass er mit Drehstrom gespeist werden kann. Der Laderegler sorgt dann dafür, dass die eingespeiste elektrische Energie auf eine entsprechende Spannung für die Hochspannungsbatterie umtransferiert wird und die Hochspannungsbatterie dann mit der umtransferierten Spannung gespeist wird. Je nach Konfiguration der Motoren und der Wechselrichter, kann hierzu eine Spannung verwendet werden, welche deshalb oberhalb der Klein- spannungsgrenze angeordnet ist, also oberhalb von 120 V.

Der Laderegler sorgt ebenfalls für eine Begrenzung des Ladestroms und eine Überwachung der Ladekapazität der Hochspannungsbatterie. Hierdurch verhindert der Laderegler, dass der Hochspannungsbatterie zu viel Strom zugeführt wird und diese dadurch beschädigt wird. Ebenso sorgt der Laderegler dafür, dass eine vollgeladene Batterie nicht weitergeladen wird und der Ladestrom bei vollgeladener Hochspannungsbatterie abgeschaltet wird.

Die Hochspannungsbatterie liefert eine Hochspannung (HV), mittels welcher die Elektromotoren angetrieben werden. Erfindungsgemäß sind mindestens ein Elektromotor und mindestens ein Verdichter, der dem Elektromotor nachgeschaltet ist, vorgesehen. Es können aber auch mehr Elektromotoren bzw. Verdichter verwendet werden.

Die Verwendung eines Drehstrommotors wird als Elektromotor vorgeschlagen, da dieser recht günstig zu beschaffen ist und einen vernünftigen Wirkungsgrad aufweist. Ebenso kann als Elektromotor jedoch auch ein Gleichspannungsmotor verwendet werden, der seine elektrische Energie direkt aus der Batterie bezieht. Falls Drehstrommotoren als Elektromotoren verwendet werden, ist in einem besonderen Ausführungsbeispiel die Verwendung von Wechselrichter vorgesehen. Die Wechselrichter werden zwischen der Hochspannungsbatterie und den Elektromotoren angeordnet, sodass sie die Gleichspannung aus den Hochspannungsbatterien entsprechend der benötigten Wechselspannung für die Elektromotoren richten. So kann beispielsweise ein Wechselrichter vorgesehen sein, der aus einer Hochspannung von 666 Volt Gleichspannung einen dreiphasigen Drehstrom richtet mit 400 Volt Wechselspannung.

Die Elektromotoren wiederum treiben mindestens einen Verdichter an, der die benötigte Druckluft erzeugt. Es ist mindestens ein Verdichter vorgesehen zur Erzeugung der Druckluft. Es können aber auch mehrere Verdichter verwendet werden. Bei Verwendung von mehreren Verdichtern können diese parallel betrieben werden, um ein höheres Volumen der Druckluft zu erzeugen. Sie können aber auch nacheinander geschaltet sein, um ein höheren Druck der Druckluft zu gewährleisten. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei erwiesen, wenn die Verdichter als Radialverdichter ausgeführt sind.

Erfindungsgemäße Bodenstartgeräte können neben dem zur Verfügung stellen von Druckluft zum Starten und Warten von Turbinen und Strahltriebwerken auch für die elektrische Versorgung von Flugzeugen und anderen Fluggeräten genutzt werden Da jedoch die Hochspannung, welche aus der Hochspannungsbatterie geliefert wird, für das Bordnetz eines Flugzeuges oder einen anderen Fluggerätes zu hoch ist, muss zur Verwendung der Spannung / elektrischen Energie durch das Flugzeug oder anderen Fluggeräten diese zunächst auf eine nutzbare Niederspannung geregelt werden. Dazu ist in einem besonderen Ausführungsbeispiel ein Spannungswandler vorgesehen, welcher die Hochspannung aus der Hochspannungsbatterie in Niederspannung wandelt. Diese Niederspannung kann als Gleich- oder Wechselspannung ausgeführt sein. Beispielsweise könnte die vorher genannte Hochspannung von 666 Volt Gleichspannung in 1 15 Volt Wechselspannung mit 400 Hz oder auch 28 V Gleichspannung gewandelt werden und somit zusätzlich/parallel die Funktion einer GPU (ground power unit), entsprechend emissionsärmer, leiser und mit niedrigem Energieverbrauch darstellen.

Die so bereitgestellte Niederspannung (LV) wird kann in einer besonderen Ausführungsform in einer Niederspannungsbatterie gespeichert werden. Daran angeschlossen wird eine Spannungsversorgung vorgeschlagen, über welche die Versorgung der Flugzeuge und anderen Fluggeräten mit der Niederspannung gewährleistet ist. Ebenso werden die elektrischen Verbraucher des Bodengeräts durch diese Spannungsversorgung mit Niederspannung versorgt. Durch diesen Aufbau kann die Niederspannungsbatterie entweder durch die Spannungsversorgung mit Niederspannung geladen werden oder aber über die Hochspannungsbatterie und den oben genannten Spannungswandler. Die Spannungsversorgung kann somit entweder als Eingang oder Ausgang der Niederspannungsversorgung dienen.

Erfindungsgemäß besitzt mindestens ein Verdichter einen Lufteinlass und mindestens ein Verdichter einen Luftauslass. Bei Verwendung nur eines Verdichters besitzt dieser Luftein- und Luftauslass. Der Lufteinlass sorgt dafür, dass Luft dem Verdichter zugefügt wird und der Verdichter erfindungsgemäß diese in Druckluft umwandelt. Diese so erzeugte Druckluft wird dann am Luftauslass abgegeben. Die am Luftauslass abgegebene Druckluft kann dann zum Starten und Warten von Strahltriebwerken von Flugzeugen und anderen Fluggeräten verwendet werden.

In einer besonderen Ausführungsform bei Verwendung von mehreren Verdichtern können diese mehrstufige Druckluft erzeugen, in dem der Lufteinlass nur einem Verdichter zugeführt wird und die Luft dann zunächst über den ersten Verdichter verdichtet wird, sodass dieser Druckluft mit einem bestimmten Druck erzeugt. Diese erzeugte Druckluft wird dann dem nachgeschalteten zweiten Verdichterzugeführt, welcher nochmal die bereits verdichtete Druckluft weiter verdichtet. Somit können höhere Drücke erzeugt werden. Es können auch mehr als zwei Verdichter nacheinander geschaltet werden. Der Luftauslass wird dann lediglich am letzten Verdichter der nacheinander geschalteten Verdichter angeordnet.

Erfindungsgemäß können die oben genannten Bauelemente auf einer Montageplatte angebracht werden und ein entsprechendes Gehäuse verwendet werden, welches die gesamte Vorrichtung umgibt. Bevorzugterweise ist das Gehäuse mit schallisolierenden Elementen versehen, sodass Geräusche aus dem Inneren des Gehäuses nur gedämpft an das Äußere des Gehäuses abgegeben werden. Somit ist ein Lärmschutz realisiert. Außerdem dient das Gehäuse auch zur thermischen Isolation gegenüber hohen Außentemperaturen, Strahlungswärme und weiteren Umwelteinflüssen wie Regen und Staub. Darüber hinaus hat das Gehäuse noch die Aufgabe den Bediener von hochspannungsführenden Komponenten abzuschirmen.

Die Hochspannungsbatterien können vorteilhafter Weise in klimatisierbaren Modulrahmen aufgenommen werden und vorzugweise über Schnellverschlüsse mit der Montageplatte modulweise verbunden werden. Die Anforderungen an die Betriebsdauer des Systems kann somit kundenspezifisch durch die Anzahl der montierten Batteriemodule variiert werden.

Für den reibungslosen Betrieb des vorgeschlagenen Bodenstartgerätes wird weiterhin ein Klimasystem vorgeschlagen, welches dem Bodenstartgerät zugehörig ist. Da insbesondere die Wechselrichter und die Hochspannungsbatterie ihre volle Leistung bzw. Kapazität nur in einem gewissen Temperaturbereich liefern, sorgt das Klimasystem dafür, dass die Hochspannungsbatterie und die Wechselrichter in diesem Temperaturbereich arbeiten können. So kann das vorgeschlagene Klimasystem die Komponenten Hochspannungsbatterie und Wechselrichter kühlen aber auch wärmen. Das führt dazu, dass bei sehr niedrigen Außentemperaturen die Komponenten entsprechend gewärmt werden können, um eine optimale Funktion zu gewährleisten. Ebenso können bei sehr hohen Umgebungstemperaturen die Komponenten heruntergekühlt werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dem Bodenstartgerät ein Ölmodul zuzuordnen, welches die beweglichen Teile der Verdichter schmiert. Hierzu wird durch das Ölmodul ein Ölfilm in den Ver- dichterngewährleistet, welcher dafür sorgt, dass die beweglichen Teile der Verdichter, beispielsweise die Radialwellen, möglichst reibungsarm laufen. Das Ölmodul besitzt dafür einen Ölvorrat sowie ein Drucksystem, um Öl aus dem Ölvorrat den Verdichtern zuliefern zu können. Konstruktiv muss dafür gesorgt werden, dass die erzeugte Druckluft ölfrei an den angeschlossenen Verbraucher geliefert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Abdichtung der Druckluftführung geschehen.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 : eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bodenstartgerätes,

Figur 2: Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Bodenstartgerätes.

In Figur 1 sind alle Komponenten eines erfindungsgemäßen Bodenstartgerätes als perspektivische Darstellung gezeigt. Dazu sind die Komponenten auf eine Montageplatte angebracht.

Auf der Montageplatte montiert sind zwei Verdichter 1 zur Erzeugung von Druckluft. Ein Elektromotor 2 ist den Verdichtern 1 beigeordnet, um die Verdichter 1 anzutreiben. Die gezeigten Elektromotoren 2 sind hierbei als Drehstrommotoren ausgeführt, weshalb sie über Wechselrichter 3 mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Wechselrichter 3 wiederum beziehen ihre elektrische Energie aus einer Hochspannungsbatterie 5, welche in der Montageplatte eingelassen ist. Die Hochspannungsbatterie 5 versorgt nun die Wechselrichter 3 mit Hochspannung (HV), beispielsweise einer Gleichspannung von 600 Volt. Für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird jede Spannung über Kleinspannungsniveau als Hochspannung bezeichnet.

Die dem Wechselrichter 3 zugeführte Hochspannung aus der Hochspannungsbatterie 5 wird nun über dem Wechselrichter 3 in Drehstrom gewandelt und den Elektromotoren 2 zugeführt. Die Elektromotoren 2 wiederum treiben die Verdichter 1 an. Als vorteilhaft hierbei hat sich ein Riemenantrieb erwiesen, sodass die Verdichter 1 über je einen Riemenantrieb durch die Motoren 2 angetrieben werden.

Um die Hochspannungsbatterie 5 laden zu können, ist ein Laderegler 4 gezeigt, welcher elektrische Anschlüsse aufweist, um von außerhalb des Bodenstartgerätes dieses zum Laden der Hochspannungsbatterie 5 mit elektrischer Energie zu versorgen.

Damit die Verdichter 1 reibungslos funktionieren, ist ein Ölmodul 7 vorgesehen, welches die beweglichen Teile der Verdichterl mit Öl versorgt. Ebenfalls zu sehen, ist ein Klimasystem 6, welches das Bodenstartgerät innerhalb gewissen Temperaturgrenzen regelt. So sorgt das Klimasystem 6 dafür, dass die Luft innerhalb des Bodenstartgerätes sowie auch die Komponenten gewisse Temperaturbereiche nicht über- oder unterschreiten. Dazu ist das Klimasystem 6 so aufgebaut, dass es die Luft im Bodenstartgerät kühlen und /oder heizen kann.

Figur 2 verdeutlicht noch einmal das Wirkungsprinzip des vorgeschlagenen Bodenstartgerätes als Blockschaltbild. Dem Bodenstartgerät zugehörig ist eine Hochspannungsbatterie 5, welche Hochspannung (HV) liefert. Geladen werden kann die Hochspannungsbatterie 5 durch ein Laderegler 4. Die abgegebene Hochspannung wird in diesem Ausführungsbeispiel zwei Wechselrichtern 3 zugeführt, welche aus der Hochspannungsbatterie 5 Drehspannungen für zwei Elektromotoren 2 wandeln können. Die Verwendung von Wechselrichtern 3 hat den weiteren Vorteil, dass der Start- und Stoppvorgang der Elektromotoren 2 durch entsprechende Anfahr- und Abstopprampen optimal geregelt werden kann. Dazu regelt der Wechselrichter 3 beim Anfahren und Abstoppen der Elektromotoren 2 die Frequenzen nach einer mathematischen Funktion. Über die so angetriebene Elektromotoren 2 werden zwei nacheinander geschaltete Verdichter 1 angetrieben, vorteilhafterweise mittels eines Riemenantriebes. Die Verdichter 1 sind in diesem Ausführungsbeispiel nacheinander geschaltet, um höhere Drücke der Druckluft ermöglichen zu können. So wird normale Luft über einen Lufteinlass 1 1 dem ersten Verdichter 1 zugeführt, welcher zweistufig aus der zugeführten Luft Druckluft erzeugt. Einen Luftauslass 12 ist der zweiten Verdichterstufe zugeordnet, damit die Druckluft dem Verdichter 1 entnommen werden kann. Mit dieser entnommenen Druckluft werden dann Strahltriebwerke bzw. Turbinen von Flugzeugen und andern Fluggeräten zum Starten und Warten angetrieben.

Bei universell einsetzbaren Bodenstartgeräte hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zunächst zwei Verdichter parallel zu betreiben und einen weiteren, dritten Verdichter nachzuschalten (nicht gezeigt). Bei diesem Wirkprinz ist das System mit zwei Luftauslässen 12 ausgestattet, um den geforderten Luftstrom z. B. zum Starten der eines Triebwerks mit vertretbaren Strömungsverlusten übertragen zu können. Außerdem sind die meisten Fluggeräte aus diesem Grund mit mehreren Lufteinlassstutzen ausgestattet, damit die Luft über mehrere Schläuche zugeführt werden kann.

Ebenfalls in Figur 2 zu sehen ist ein Spannungswandler 8, welcher zwischen der Hochspannung HV und einer Niedrigspannung LV wandelt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Niederspannung als Gleichspannung ausgeführt. An der Niedrigspannung ist weiterhin eine Nied- rigspannungsbatterie 9 vorgesehen, welche die Niedrigspannung speichern kann. Zur Zuführung und Entnahme der Niedrigspannung ist eine Spannungsversorgung 10 vorgesehen. Hierüber kann entweder die Niedrigspannungsbatterie 9 geladen werden oder aber Niedrigspannung aus dem Bodenstartgerät zum Betreiben von elektrischen Verbrauchern in Flugzeugen oder anderen Fluggeräten entnommen werden. Die so entnommene Spannung speist sich dann aus der Niedrigspannungsbatterie 9 und/oder der Hochspannungsbatterie 5 unter Zwischenschaltung des Spannungswandlers 8. Ebenso werden die elektrischen Verbraucher des Bodenstartgeräts mit der Niedrigspannung gespeist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorbenannten Merkmale beschränkt. Vielmehr sind weitere Ausführungsformen denkbar. So könnten statt Drehstrommotoren auch Gleichstrommotoren als Elektromotoren verwendet werden. In diesem Falle entfällt die Verwendung der Wechselrichter. Ebenso ist es möglich mehrere Hochspannungsbatterien zu verwenden, um entweder die Kapazität der Hochspannungsbatterie zu erhöhen oder die Spannung, welche der Hochspannungsbatterie entnommen wird, zu erhöhen. Weiterhin ist es möglich die Verdichter nicht über einen Riemenantrieb zwischen Elektromotor und Verdichter anzutreiben, sondern beispielsweise über einen Direktantrieb, bei dem der Verdichter an die Welle des Elektromotors angeschlossen wird. Hierbei ist es auch möglich, die Drehzahl über ein Getriebe zu regulieren. Die Hochspannungsbatterie sowie auch die Verdichter sind modular aufgebaut, so dass je nach Leistungsanforderung entsprechende Verdichter und Hochspannungsbatterien im Bodenstartgerät eingesetzt und ggf. ersetzt werden können.

ugszeichenliste Verdichter

Elektromotor

Wechselrichter

Laderegler

Hochspannungsbatterie Klimasystem

Ölmodul

Spannungswandler Niederspannungsbatterie Spannungsversorgung Lufteinlass

Luftauslass