DE102007036930A1

DE102007036930A1 - Flugtriebwerk

Info

Publication number: DE102007036930A1
Application number: DE102007036930A
Authority: DE
Inventors: John Sharp
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-08-04
Filing date: 2007-08-04
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flugtriebwerk, insbesondere ein Gasturbinentriebwerk, mit einem Kerntriebwerk (11), wobei das Kerntriebwerk mindestens einen Verdichter (12), mindestens eine Brennkammer (13) und mindestens eine Turbine (14) aufweist und wobei das Kerntriebwerk über ein Kerntriebwerkgehäuse (15) von einem Bypasskanal (16), der radial außen von einem Bypasskanalgehäuse (20) begrenzt ist, zumindest abschnittsweise umgeben ist. Erfindungsgemäß umfasst das Flugtriebwerk einen thermoelektrischen Generator, der aus einer Temperaturdifferenz zwischen der relativ heißen Strömung durch das Kerntriebwerk (11) und der relativ kalten Strömung durch den Bypasskanal (16) elektrische Energie erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugtriebwerk, insbesondere ein Gasturbinentriebwerk, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Triebwerke von Flugzeugen, sei es zivile Flugtriebwerke oder militärische Flugtriebwerke, erzeugen neben einem Vorschub zur Fortbewegung des Flugzeugs auch Energie zur Versorgung von Anbaueinrichtungen bzw. Nebenaggregaten der Gasturbine oder zur Versorgung flugzeugseitiger Systeme, wie zum Beispiel der Klimaanlage. Bei den Anbaueinrichtungen, Nebenaggregaten oder auch flugzeugseitigen Systemen eines Flugtriebwerks kann es sich um hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch bzw. elektromotorisch angetriebene Einrichtungen, Aggregate oder Systeme handeln.
Bei der Entwicklung von Flugzeugen ist ein eindeutiger Trend dahingehend festzustellen, dass zunehmend mehr elektrische Energie im Flugzeug benötigt wird. Dies liegt zum einen darin begründet, dass hydraulisch oder pneumatisch betriebene Flugzeugsysteme, zum Beispiel Klimaanlagen oder Aktuatoren, durch elektromotorisch betriebene Systeme ersetzt werden, und dass andererseits ein immer größerer Energiebedarf pro Sitzplatz im Flugzeug benötigt wird. Die Flugtriebwerke müssen daher immer höhere bzw. größere elektrische Leistungen bzw. eine immer höhere bzw. größere elektrische Energie bereitstellen. Derartige Flugtriebwerke werden auch als „More Electric Engine" (MEE) bezeichnet.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Versorgung der Anbaueinrichtungen oder Nebenaggregate der Gasturbine sowie der flugzeugseitigen Systeme ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, einem Kerntriebwerk der Gasturbine mechanische Energie zu entnehmen, die z. B. für den Antrieb von Pumpen und Generatoren verwendet wird. Die DE 41 31 713 C2 zeigt ein Flugtriebwerk, wobei einem Kerntriebwerk Wellenleistung entnommen wird und diese Wellenleistung Nebenaggregaten zugeführt wird. Das Entnehmen von Wellenleistung aus dem Kerntriebwerk ist konstruktiv aufwändig und verschlechtert den Wirkungsgrad des Flugtriebwerks.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Flugtriebwerk zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Flugtriebwerk im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Flugtriebwerk einen thermoelektrischen Generator, der aus einer Temperaturdifferenz zwischen der relativ heißen Strömung durch ein Kerntreibwerk und der relativ kalten Strömung durch einen Bypasskanal elektrische Energie erzeugt.
Die hier vorliegende Erfindung schlägt erstmals ein Flugtriebwerk mit einem thermoelektrischen Generator vor, der aus einer Temperaturdifferenz zwischen der relativ heißen Strömung durch das Kerntriebwerk und der relativ kalten Strömung durch den Bypasskanal elektrische Energie erzeugt. Hierdurch ist es möglich, ohne die Entnahme mechanischer Wellenleistung aus dem Kerntriebwerk elektrische Energie zum Betreiben von Nebenaggregaten des Flugtriebwerks zu generieren. Mit der Erfindung kann der Gesamtwirkungsgrad des Flugtriebwerks verbessert werden, sodass Treibstoff eingespart werden kann. Dies resultiert in einer reduzierten Emission des Flugtriebwerks. Die Integration eines thermoelektrischen Generators in ein Flugtriebwerk ist mit relativ einfachen konstruktiven Maßnahmen sowie unter Gewährleistung eines geringen Gewichts des Flugtriebwerks möglich. Aus thermischer Energie, die bei konventionellen Flugtriebwerken Verlustenergie darstellt, kann elektrische Leistung gewonnen werden.
Der thermoelektrische Generator ist erfindungsgemäß so angeordnet, dass thermische Energie in elektrische Form umgewandelt werden kann, welche sonst durch Dissipation in der Bypassströmung verloren gehen würde.
Der thermoelektrische Generator nimmt einen Teil dieser thermischen Energie auf aber er bewirkt keinen zusätzlichen Energieentzug aus der Kerntriebwerksströmung und hat somit keinen schädlichen Einfluss auf die Triebwerksthermodynamik.
Durch Nutzung von sonst verloren gehender Energie erhöht das Hinzufügen des thermoelektrischen Generators den Gesamtwirkungsgrad im Sinne einer Philosophie der Miterzeugung (Co-Generation) von Energie.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der thermoelektrische Generator eine Vielzahl von Thermoelementen, wobei erste Thermoelementabschnitte aus einem ersten Werkstoff dem relativ heißen, statorseitigen Kerntriebwerkgehäuse und zweite Thermoelementabschnitte aus einem zweiten Werkstoff dem relativ kalten, statorseitigen Bypasskanalgehäuse zugeordnet sind, und wobei die ersten Thermoelementabschnitte und die zweiten Thermoelementabschnitte elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Thermoelemente sind in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung miteinander verknüpft, wobei die Anzahl der in Reihenschaltung verknüpften Thermoelemente die von den Thermoelementen bereitgestellte Spannung und die Anzahl der in Parallelschaltung verknüpften Thermoelemente den von den Thermoelementen bereitgestellten Strom bestimmt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung umfasst der thermoelektrische Generator einen Spannungswandler, um die von den Thermoelementen bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung zu wandeln.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Flugtriebwerks;
2 ein Ersatzschaltbild zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung; und
3 einen schematisierten Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Flugtriebwerk.
1 zeigt einen schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Flugtriebwerk 10, wobei das Flugtriebwerk 10 ein Kerntriebwerk 11 mit einem Verdichter 12, einer Brennkammer 13 und einer Turbine 14 umfasst. Das Kerntriebwerk 11 ist über ein Kerntriebwerkgehäuse 15 von einem Bypasskanal 16 getrennt, wobei der Bypasskanal 16 das Kerntriebwerk 11 radial außen umschließt. Das Kerntriebwerkgehäuse 15 setzt sich aus einem Verdichtergehäuse 17, einem Brennkammergehäuse 18 sowie einem Turbinengehäuse 19 zusammen, wobei das Kerntriebwerkgehäuse 15 das Kerntriebwerk 11 vom Bypasskanal 16 trennt. Der Bypasskanal 16 wird demnach radial innen vom Kerntriebwerkgehäuse 15 begrenzt, radial außen wird derselbe von einem Bypasskanalgehäuse 20 begrenzt.
Dem Kerntriebwerk 11 ist ein sogenannter Fan 21 vorgelagert, wobei ein Teil der vom Fan 21 angesaugten Luft im Sinne der Pfeile 22 durch das Kerntriebwerk 11 und der andere Teil im Sinne der Pfeile 23 durch den Bypasskanal 16 geleitet wird. Die Pfeile 22 visualisieren demnach die Strömung durch das Kerntriebwerk 11 und die Pfeile 23 die Strömung durch den Bypasskanal 16.
Das erfindungsgemäße Flugtriebwerk umfasst einen thermoelektrischen Generator, der aus einer Temperaturdifferenz zwischen der relativ heißen Strömung 22 durch das Kerntriebwerk 11 und der relativ kalten Strömung 23 durch den Bypasskanal 16 elektrische Energie erzeugt. Hierauf wird nachfolgend im Detail eingegangen.
Der thermoelektrische Generator des erfindungsgemäßen Flugtriebwerks umfasst eine Vielzahl von Thermoelementen, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel eine erste Anzahl von Thermoelementen 24 dem Verdichter 12 und eine zweite Anzahl von Thermoelementen der Turbine 14 des Flugtriebwerks zugeordnet sind. Jedes Thermoelement der ersten Anzahl von Thermoelementen 24 sowie der zweiten Anzahl von Thermoelementen 25 umfasst zwei Thermoelementabschnitte, nämlich einen ersten Thermoelementabschnitt 26 aus einem ersten Werkstoff, der dem relativ heißen Kerntriebwerkgehäuse 15, nämlich entweder dem Verdichtergehäuse 17 oder dem Turbinengehäuse 19 zugeordnet ist, und einen zweiten Thermoelementabschnitt 27 aus einem zweiten Werkstoff, der dem relativ kalten Bypasskanalgehäuse 20 zugeordnet ist.
So sind die zweiten Thermoelementabschnitte 27 der dem Verdichter 12 zugeordneten Thermoelemente der ersten Anzahl von Thermoelementen 24 einem dem Verdichtergehäuse 17 benachbarten Abschnitt des Bypasskanalgehäuses 20 zugeordnet. Ebenso sind die zweiten Thermoelementabschnitte 27 der Thermoelemente der zweiten Gruppe von Thermoelementen 25, die der Turbine 14 zugeordnet sind, einem Abschnitt des Bypasskanalgehäuses 20 zugeordnet, der zum Turbinengehäuse 19 benachbart ist.
Sowohl die dem Kerntriebwerkgehäuse 15 zugeordneten ersten Thermoelementabschnitte 26 als auch die dem Bypasskanalgehäuse 20 zugeordneten zweiten Thermoelementabschnitte 27 erstrecken sich in Umfangsrichtung gesehen jeweils um das entsprechende Gehäuse, also entweder um das Kerntriebwerkgehäuse 15 oder um das Bypasskanalgehäuse 20, herum. Die ersten Thermoelementabschnitte 26 und die zweiten Thermoelementabschnitte 27 jedes Thermoelements sind über einen elektrischen Leiter 28 elektrisch leitend miteinander verbunden. Diese elektrischen Leiter können durch ohnehin im Flugtriebwerk vorhandene, radial verlaufende Streben 29 geführt werden.
Gemäß dem Ersatzschaltbild der 2 können die Thermoelemente jeder Gruppe von Thermoelementen 24 bzw. 25 in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung miteinander verknüpft werden, nämlich die ersten Thermoelementabschnitte 26 und die zweiten Thermoelementabschnitte 27 derselben. Die Anzahl der in Reihenschaltung verknüpften Thermoelemente bestimmt dabei die von denselben bereitgestellte Spannung, die Anzahl der in Parallelschaltung verknüpften Thermoelemente bestimmt den von den Thermoelementen bereitgestellten Strom. Die Thermoelemente stellen dabei einen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung bereit, die mit Hilfe eines Span nungswandlers 30 in Wechselspannung sowie Wechselstrom gewandelt werden können.
Das Ersatzschaltbild der 2 zeigt weiterhin Schaltelemente 31, die gesteuert vom Spannungswandler 30 geschlossen sowie geöffnet werden können, um so die Anzahl der in Reihe und/oder Parallel zueinander geschalteten Thermoelemente bedarfsgerecht zu beeinflussen. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit in der Generierung elektrischer Energie erhöht werden.
Wie 1 entnommen werden kann, sind die ersten Thermoelementabschnitte 26 einer radial außen liegenden Wand der Kerntriebwerkgehäuses 15, nämlich einer radial außen liegenden Wand des Verdichtergehäuses 17 und des Turbinengehäuses 19 zugeordnet.
Die zweiten Thermoelementabschnitte 27 sind einer radial außen liegenden Wand des Bypasskanalgehäuses 20 zugeordnet. Hierdurch wird gewährleistet, dass die ersten Thermoelementabschnitte 26 nicht unmittelbar den heißen Gasen der Kerntriebwerksströmung 22 ausgesetzt sind. Weiterhin sind dieselben leicht zu Wartungsarbeitung zugänglich. Durch das Anordnen der zweiten Thermoelementabschnitte auf der außen liegenden Wand des Kerntriebwerkgehäuses 20 wird des Weiteren eine maximale Temperaturdifferenz zwischen den Thermoelementabschnitten 26 und 27 gewährleistet, um so möglichst viel elektrische Energie erzeugen zu können.
Die dem Verdichtergehäuse 17 bzw. Turbinengehäuse 19 zugeordneten ersten Thermoelementabschnitte 26 sowie die dem Bypasskanalgehäuse 20 zugeordneten zweiten Thermoelementabschnitte 27 sind vorzugsweise in Form flexibler Matten konfiguriert, die einfach um die entsprechenden Gehäuseabschnitte herum positioniert werden können. Dann, wenn die entsprechenden Gehäuseabschnitte metallisch sind, sind die jeweiligen Thermoelementabschnitte vom entsprechenden metallischen Gehäuseabschnitt durch eine isolierende Trägerschicht getrennt.
Um den Wirkungsgrad in der Erzeugung elektrischer Energie aus der Temperaturdifferenz zwischen der relativ heißen Strömung 22 durch das Kerntriebwerk 11 und der relativ kalten Strömung 23 durch den Bypasskanal 16 zu erhöhen, können, wie 3 schematisiert zeigt, in Radialrichtung, die in 3 durch eine gestrichelte Linie 32 visualisiert ist, mehrere Arrays aus Thermoelementen in Form gestapelter Arrays positioniert werden. So sind in 3 jeweils drei Arrays aus Thermoelementen 24, 25 in Radialrichtung übereinander gestapelt, nämlich einerseits die ersten Thermoelementabschnitte 26 im Bereich des Kerntriebwerkgehäuses 15 und andererseits die zweiten Thermoelementabschnitte 27 im Bereich des Bypasskanalgehäuses 20. Die Thermoelementabschnitte benachbarter Arrays sind gegeneinander elektrisch isoliert. Hierdurch erhöht sich zwar die radiale Bauhöhe des Thermoelektrischen Generators, andererseits kann jedoch mit einer höheren Ausbeute bzw. Effektivität elektrische Energie erzeugt werden.

10: Flugtriebwerk
11: Kerntreibwerk
12: Verdichter
13: Brennkammer
14: Turbine
15: Kerntriebwerkgehäuse
16: Bypasskanal
17: Verdichtergehäuse
18: Brennkammergehäuse
19: Turbinengehäuse
20: Bypasskanalgehäuse
21: Fan
22: Kerntriebwerkströmung
23: Bypasskanalströmung
24: Thermoelement
25: Thermoelement
26: erster Thermoelementabschnitt
27: zweiter Thermoelementabschnitt
28: elektrischer Leiter
29: Strebe
30: Spannungswandler
31: Schaltelemente
32: Radialrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4131713 C2 [0004]

Claims

Flugtriebwerk, insbesondere Gasturbinentriebwerk, mit einem Kerntriebwerk, wobei das Kerntriebwerk mindestens einen Verdichter, mindestens eine Brennkammer und mindestens eine Turbine aufweist, und wobei das Kerntriebwerk über ein Kerntriebwerkgehäuse von einem Bypasskanal, der radial außen von einem Bypasskanalgehäuse begrenzt ist, zumindest abschnittsweise umgeben ist, gekennzeichnet durch, einen thermoelektrischen Generator, wobei der thermoelektrische Generator aus einer Temperaturdifferenz zwischen der relativ heißen Strömung durch das Kerntriebwerk (11) und der relativ kalten Strömung durch den Bypasskanal (16) elektrische Energie erzeugt.
Flugtriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrischen Generator eine Vielzahl von Thermoelementen (24, 25) umfasst, wobei erste Thermoelementabschnitte (26) aus einem ersten Werkstoff dem relativ heißen Kerntriebwerkgehäuse (15) und zweite Thermoelementabschnitte (27) aus einem zweiten Werkstoff dem relativ kalten Bypasskanalgehäuse (20) zugeordnet sind, und wobei die erste Thermoelementabschnitte (26) und die zweiten Thermoelementabschnitte (27) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Flugtriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass erste Thermoelementabschnitte (26) einer ersten Anzahl von Thermoelementen (24) einem Verdichtergehäuse (17) des Kerntriebwerkgehäuses (15) zugeordnet sind, und dass die zweiten Thermoelementabschnitte (27) dieser ersten Anzahl von Thermoelementen (24) einem benachbarten Abschnitt des Bypasskanalgehäuses (20) zugeordnet sind.
Flugtriebwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass erste Thermoelementabschnitte (26) einer zweiten Anzahl von Thermoelementen (25) einem Turbinengehäuse (19) des Kerntriebwerkgehäuses (15) zugeordnet sind, und dass die zweiten Thermoelementabschnitte (27) dieser zweiten Anzahl von Thermoelementen (25) einem benachbarten Abschnitt des Bypasskanalgehäuses (20) zugeordnet sind.
Flugtriebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Thermoelementabschnitte (26) einer radial außenliegenden Wand des Kerntriebwerkgehäuses (15) und die zweiten Thermoelementabschnitte (27) aus einer radial außenliegenden Wand des Bypasskanalgehäuses (20) zugeordnet sind.
Flugtriebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Thermoelementabschnitte (26) in Umfangsrichtung sich um das Kerntriebwerkgehäuse (15) und die zweiten Thermoelementabschnitte (27) in Umfangsrichtung sich um das Bypasskanalgehäuses (20) herum erstrecken.
Flugtriebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung miteinander verknüpft sind, wobei die Anzahl der in Reihenschaltung verknüpften Thermoelemente die von den Thermoelementen bereitgestellte Spannung und die Anzahl der in Parallelschaltung verknüpften Thermoelemente den von den Thermoelementen bereitgestellten Strom bestimmt.
Flugtriebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente in Radialrichtung gestapelte Arrays bilden, derart, dass im Bereich des Kerntriebwerkgehäuses (15) in Radialrichtung gestapelte Arrays aus ersten Thermoelementabschnitten und im Bereich des Bypasskanalgehäuses (20) in Radialrichtung gestapelte Arrays aus zweiten Thermoelementabschnitten ausgebildet sind.
Flugtriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelementabschnitte benachbarter Arrays gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Flugtriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrischen Generator einen Spannungswandler (30) umfasst, um die von den Thermoelementen bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung zu wandeln.