DE102010032324A1

DE102010032324A1 - Wärmetauscher, Anordnung von Wärmetauschern sowie Gasturbinentriebwerk mit Wärmetauscher oder Anordnung solcher

Info

Publication number: DE102010032324A1
Application number: DE102010032324A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ramm Günter
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Ein Wärmetauscher, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, weist eine von einem Fluid umströmbare Kreuzstrommatrix, ein Verteilerrohr zur Führung eines Wärmeträgermediums in die Kreuzstrommatrix und ein insbesondere wenigstens im Wesentlichen para Abführung des über die Kreuzstrommatrix temperierten Wärmeträgermediums auf, wobei die Kreuzstrommatrix mindestens ein Paket von insbesondere U-förmigen Wärmetauscherrohren aufweist, die jeweils das Verteilerrohr mit dem Sammelrohr verbinden, wobei insbesondere zwei Pakete von Wärmetauscherrohren vorgesehen sind, die sich beidseits einer durch Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres definierten Wärmetauschermittelebene erstrecken. Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung weist eine Mittellinie eines Wärmetauscherrohres eine Krümmung in Richtung einer Mittellinie des Verteilerrohres und/oder einer Mittellinie des Sammelrohres auf, wobei die Krümmung insbesondere einer Zylinderschale oder einer Kegelschale folgt, deren Achse in der Wärmetauschermittelebene aufgenommen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, eine Anordnung von Wärmetauschern sowie ein Gasturbinentriebwerk mit einem Wärmetauscher oder einer Anordnung von Wärmetauschern.
Aus der DE 10 2006 021 436 A1 ist bekannt, bei einem Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine einen Abgaswärmetauscher im Abgas der Turbine vorzusehen, welcher der Rückführung von Abwärme des Abgases in verdichtete Verbrennungsluft vor einem Eintritt derselben in die Brennkammer dient. Insbesondere handelt es sich bei dem Abgaswärmetauscher um einen Lanzettenmatrixwärmetauscher, wie er an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Ein Lanzettenmatrixwärmetauscher, wie er beispielsweise in der DE 102 36 380 A1 beschrieben ist, weist ein Verteilerrohr, ein Sammelrohr sowie eine Vielzahl von haarnadelförmigen Röhrchen bzw. Lanzetten, die jeweils das Sammel- und Verteilrohr U-förmig verbinden, auf. Die Röhrchen erstrecken sich in zwei Paketen zueinander fluchtend auf beiden Seiten einer durch Mittelachsen des Verteilrohrs und des Sammelrohrs gebildeten Ebene und bilden eine Kreuzstrommatrix, die von heißen Gasen durchströmt wird.
Der Einbau derartiger Wärmetauscher, die mit ihren im Wesentlichen geraden U-Röhrchen vergleichsweise sperrig sind, in dem Abgaskanal einer Triebwerksturbine ist schwierig. Gegenwärtig diskutierte Einbausituationen sind beispielsweise aus P. Hoeveler, "Kern-Forschung. NEWAC: Neue Konzepte für Triebwerke ab 2013", Flugrevue, August 2006, Seiten 130–131, aus Gmelin et al., "Zusammenfassende Darstellung der Effizienzpotenziale bei Flugzeugen unter besonderer Berücksichtigung der aktuellen Triebwerkstechnik sowie der absehbaren mittelfristigen Entwicklungen" (FKZ UM 07 06 602/01) im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, IG I 5, Berlin 2008, Seiten 37, 62 und 71, oder aus Schesky/Kral, "Flugzeugtriebwerke", Berlin 2003, ISBN 3-930894-95-5, Seite 31 zu entnehmen. Diesen Anordnungen ist gemeinsam, dass Mittelachsen der Verteiler- und Sammelrohre sich im Wesentlichen tangential zu einem Radius bezüglich einer Triebwerksachse erstrecken und sich die Lanzettenpakete in etwa entlang der Triebwerksachse erstrecken, wobei eine mehr oder weniger ausgeprägte Schrägstellung zu der Triebwerksachse vorgesehen sein kann. Beispielsweise bilden zwei oder vier Lanzettenwärmetauscher einen spitzwinkeligen Keil, durch welchen die Abgase strömen, oder liegen mehrere Lanzettenwärmetauscher dachziegelartig übereinander. Durch eine inhomogene Umströmung der einzelnen Wärmetauscherpakete können Verluste entstehen.
In 13 ist ein beispielhafter Einbau eines Lanzettenwärmetauschers 1026 in einem Strömungskanal 1018 stromabwärts einer letzten Turbinenstufe (Rotor 13) eines Triebwerks 1010 nach dem Stand der Technik gezeigt. Der Wärmetauscher 1026 weist ein Verteilerrohr 1028 und ein Sammelrohr 130 auf, welche durch eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren (Lanzetten) 1032 miteinander verbunden sind. Eine Mittellinie 1034 des Verteilerrohres 1028 und eine Mittellinie 1036 des Sammelrohrs 1030 liegen jeweils tangential zu einer Turbinendrehachse 1012.
Aus der DE 10 2006 021 436 A1 ist ferner ein Gasturbinentriebwerk bekannt, das neben einem Abgaswärmetauscher einen Wärmetauscher als Zwischenkühler zum Kühlen eines Luftstroms zwischen Mitteldruckverdichter und Hochdruckverdichter mittels Fau-Nebenstromluft aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Wärmetauscher zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk bzw. ein verbessertes Gasturbinentriebwerk mit Wärmetauschern) zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 2, einer Anordnung von Wärmetauschern mit den Merkmalen des Anspruchs 4 bzw. durch ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 5, 6 bzw. 15 gelöst. Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher kann dabei insbesondere einen Abgaswärmetauscher bilden, der vorzugsweise im Abgasstrom einer Turbinenanordnung eines Gasturbinentriebwerks angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung wird daher nachfolgend insbesondere mit Bezug auf Abgaswärmetauscher näher erläutert. Gleichermaßen kann ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher beispielsweise auch als Zwischenkühler zwischen verschiedenen Turbinen- oder Kompressorstufen eingesetzt werden.
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher (z. B. Abgaswärmetauscher), insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, weist eine von einem, insbesondere heißen, Fluid umströmbare Kreuzstrommatrix, ein Verteilerrohr zur Führung eines Wärmeträgermediums in die Kreuzstrommatrix und ein, insbesondere wenigstens im Wesentlichen parallel zum Verteilerrohr angeordnetes, Sammelrohr zur Abführung des über die Kreuzstrommatrix temperierten (z. B. aufgeheizten) Wärmeträgermediums auf, wobei die Kreuzstrommatrix mindestens ein Paket von, insbesondere im Wesentlichen U-förmigen, Wärmetauscherrohren aufweist, die jeweils das Verteilerrohr mit dem Sammelrohr verbinden, wobei insbesondere zwei Pakete von Wärmetauscherrohren vorgesehen sind, die sich beidseits einer durch Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres definierten Wärmetauschermittelebene erstrecken können. Nach einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Mittellinie eines Wärmetauscherrohres eine Krümmung in Richtung einer Mittellinie des Verteilerrohres und/oder einer Mittellinie des Sammelrohres auf, wobei die Krümmung insbesondere wenigstens im Wesentlichen einer Zylinderschale oder einer Kegelschale folgt, deren Achse in der Wärmetauschermittelebene aufgenommen ist.
Wie erwähnt, ist die Erfindung insbesondere, aber nicht nur, auf einen Abgaswärmetauscher anwendbar. In diesem Fall ist die Kreuzstrommatrix von Abgas umströmt, das in der Regel ein heißes Fluid ist. Wenn das Fluid ein heißes Fluid in Relation zu dem Wärmetauschermedium in dem Wärmetauscher ist, wird unter einem Temperieren im Sinne der Erfindung insbesondere ein Aufheizen verstanden. Es sind aber auch Anordnungen vom Erfindungsgedanken erfasst, in denen das Fluid ein kaltes Fluid in Relation zu dem Wärmeträgermedium in dem Wärmetauscher ist. In diesem Fall ist unter einem Temperieren im Sinne der Erfindung insbesondere ein Kühlen bzw. Abkühlen zu verstehen.
Als Paket im Sinne der Erfindung ist dabei eine Anordnung von mehreren Wärmetauscherrohren zu verstehen, die in sich verschachtelt und in mehreren Lagen angeordnet sind. Wenn eine Mittellinie eines Wärmetauscherrohres eine Krümmung in Richtung einer Mittellinie des Verteilerrohres und/oder einer Mittellinie des Sammelrohres aufweist (damit ist insbesondere gemeint, dass sich die Wärmetauscherrohre im Verlauf ihrer Erstreckung von dem Sammel- bzw. Verteilerrohr in Richtung der Wärmetauschermittelebene gekrümmt neigen), kann ein solcher Wärmetauscher vorteilhaft in einem gekrümmten, beispielsweise ringförmigen Strömungskanal angeordnet werden. Die von Wärmetauscherrohren belegte Querschnittsfläche kann vergrößert werden, sodass leere Räume, durch welche ein Strömungsgas an dem Wärmetauscher vorbeiströmen kann, vermieden werden. Hierdurch können vorteilhafterweise der Wirkungsgrad verbessert und/oder die Leistungslängen verkürzt und so das Gewicht gesenkt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung, der vorzugsweise mit dem vorstehenden ersten Aspekt kombiniert sein kann, unterscheidet sich ein Abstand von Befestigungspunkten zweier benachbarter Wärmetauscherrohre an dem Verteilerrohr von einem Abstand von Befestigungspunkten der gleichen Wärmetauscherrohre an dem Sammelrohr, wobei eine Länge des Verteilerrohres sich in einer bevorzugten Ausführung von einer Länge des Sammelrohres unterscheidet. Durch diese Maßnahme stehen die Wärmetauscherrohre unter einem Winkel zu dem Verteilerrohr und dem Sammelrohr, wodurch es ermöglicht werden kann, der Form eines Strömungskanals besser zu folgen. Auch hierdurch können vorteilhafterweise der Wirkungsgrad verbessert und/oder die Leistungslängen verkürzt und so das Gewicht gesenkt werden.
Insbesondere weisen die Wärmetauscherrohre einen wenigstens im Wesentlichen normal zu einer von einer jeweiligen Mittellinie der Wärmetauscherrohre aufgespannten Fläche gestauchten Querschnitt auf. Diese Maßnahme kann das Strömungsverhalten um die Wärmetauscherrohre herum optimieren.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind in einer Anordnung von Wärmetauschern, insbesondere Abgaswärmetauscher, Wärmetauscherrohre eines Abgaswärmetauschers kammartig zwischen Wärmetauscherrohren eines anderen Abgaswärmetauschers angeordnet. Durch diese Maßnahme kann wiederum ein Wirkungsgrad der Wärmeübertragung verbessert werden.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine, wobei mindestens ein Wärmetauscher im Abgaskanal einer Turbine angeordnet ist, durch welchen vorzugsweise Abwärme des Abgases in verdichtete Verbrennungsluft vor einem Eintritt derselben in eine Brennkammer rückführbar ist, wobei der oder die Wärmetauscher wie vorstehend beschrieben ausgebildet und/oder angeordnet ist bzw. sind und vorzugsweise derart eingebaut und angeschlossen ist bzw. sind, dass die Kreuzstrommatrix im Betrieb von einem heißen Turbinenabgas umströmt, dem Verteilerrohr die von einem Verdichter geförderte Luft zugeführt und/oder dem Sammelrohr die über die Kreuzstrommatrix aufgeheizte Verdichterluft zu einem Verbraucher, insbesondere der Brennkammer, entnommen wird. In einem Gasturbinentriebwerk mit einem in der Regel ringförmigen Strömungskanal hinter der Turbine zeigen sich die Vorteile der oben beschriebenen Wärmetauscher und ihrer Anordnung in vorteilhafter Weise. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Zwischenkühler, beispielsweise zwischen einer Nieder- und einer Hochdruckstufe, als erfindungsgemäßer Wärmetauscher ausgebildet sein.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine vorgeschlagen, wobei mindestens ein Abgaswärmetauscher im Abgaskanal einer Turbine angeordnet ist, durch welchen vorzugsweise Abwärme des Abgases in verdichtete Verbrennungsluft vor einem Eintritt derselben in eine Brennkammer rückführbar ist, wobei der Abgaswärmetauscher eine vom heißen Turbinengas umströmte Kreuzstrommatrix, ein Verteilerrohr zur Führung von, insbesondere von einem Verdichter geförderter, Luft in die Kreuzstrommatrix und ein, insbesondere wenigstens im Wesentlichen parallel zum Verteilerrohr angeordnetes Sammelrohr, zur Abführung der über die Kreuzstrommatrix aufgeheizten Verdichterluft, zu insbesondere der Brennkammer aufweist, und wobei Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres wenigstens im Wesentlichen zu einer Rotationsachse der Turbine weisen. Wenn Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres wenigstens im Wesentlichen zu einer Rotationsachse der Turbine weisen, können wiederum Leitungslängen von und zu den Wärmetauschern verkürzt werden. Wiederum kann zusätzlich oder alternativ ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher als Zwischenkühler, beispielsweise zwischen einer Nieder- und einer Hochdruckstufe ausgebildet sein.
Ein oder mehr Wärmetauscher können so in dem Gasturbinentriebwerk angeordnet sein, dass das Verteilerrohr und das Sammelrohr in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei insbesondere das Verteilerrohr stromab des Sammelrohres angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann ein Strömungswiderstand verringert sowie eine Querschnittsfläche, die von den Verteiler- und Sammelrohren eingenommen werden, verkleinert werden, was den Wärmeaustausch verbessern kann.
Ein oder mehr Wärmetauscher in dem Gasturbinentriebwerk können so ausgebildet sein, dass die Kreuzstrommatrix mindestens ein Paket von, insbesondere wenigstens im Wesentlichen U-förmigen, Wärmetauscherrohren aufweist, die jeweils das Verteilerrohr mit dem Sammelrohr verbinden, wobei insbesondere zwei Pakete von Wärmetauscherrohren vorgesehen sind, die sich beidseits einer durch Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres definierten Wärmetauschermittelebene erstrecken. Mit einer solchen Ausbildung des Wärmetauschers können oben beschriebene Vorteile erreicht werden.
Ein oder mehr Wärmetauscher können so ausgebildet und in dem Gasturbinentriebwerk angeordnet sein, dass sich Wärmetauscherrohre wenigstens im Wesentlichen in Umfangsrichtung eines Strömungskanals des Abgases der Turbine oder tangential dazu erstrecken. Durch diese Maßnahme kann der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs verbessert und/oder auch Gewicht gespart werden.
Ein oder mehr Wärmetauscher können so ausgebildet und in dem Gasturbinentriebwerk angeordnet sein, dass zwischen Mittellinien von Wärmetauscherrohren und Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres jeweils ein Winkel derart ausgebildet ist, dass Abstände zwischen in axialer Richtung des Verteilerrohres oder des Sammelrohres äußersten Wärmetauscherrohren und einer Mantelfläche eines Strömungskanals, in welchem der Wärmetauscher angeordnet ist, minimiert sind. Durch diese Maßname kann eine von Wärmetauscherrohren belegte Querschnittsfläche vergrößert werden, sodass leere Räume, durch welche ein Strömungsgas ohne Wärmetausch an dem Wärmetauscher vorbeiströmen kann, verkleinert werden.
Ein oder mehr Wärmetauscher können so ausgebildet und in dem Gasturbinentriebwerk angeordnet sein, dass eine Mittellinie eines Wärmetauscherrohres eine Krümmung in Richtung einer Mittellinie des Verteilerrohres und/oder einer Mittellinie des Sammelrohres aufweist, wobei die Krümmung insbesondere an eine Krümmungsform eines Strömungskanals, in welchem der Wärmetauscher angeordnet ist, angepasst und insbesondere koaxial zu einer Rotationsachse der Turbine ist. Durch diese Maßname kann eine von Wärmetauscherrohren belegte Querschnittsfläche noch weiter vergrößert werden, sodass leere Räume, durch welche ein Strömungsgas ohne Wärmetausch an dem Wärmetauscher vorbeiströmen kann, praktisch vermieden werden können.
In dem Gasturbinentriebwerk kann eine Mehrzahl von Wärmetauschern in Umfangsrichtung um die Rotationsachse der Turbine verteilt angeordnet sein und können Wärmetauscherrohre benachbarter Wärmetauscher kammartig ineinandergreifen.
Insbesondere sind die Wärmetauscher so ausgebildet, dass die Wärmetauscherrohre einen wenigstens im Wesentlichen in Strömungsrichtung des Abgases der Turbine gestreckten Querschnitt aufweisen.
Der wenigstens eine Wärmetauscher kann so ausgebildet und in dem Gasturbinentriebwerk angeordnet sein, dass Mittellinien des Sammelrohrs und/oder des Verteilerrohrs mit der Rotationsachse der Turbine einen Winkel von 45° bis 90°, insbesondere 60° bis 90°, besonders bevorzugt 75° bis 90° bilden, wobei die Mittellinien des Sammelrohrs und/oder des Verteilerrohrs insbesondere mit einer Wandfläche eines Strömungskanals der Turbinenabgase einen Winkel von 90° mit einer Abweichung von insbesondere nicht mehr als 10° aufweisen. Durch die Neigung des Wärmetauschers kann der Form des Strömungskanals noch besser gefolgt werden. Vorzugsweise kann eine durch Wärmetauscherrohre aufgespannte Ebene dem Strömungskanal in seiner Längsrichtung folgend gekrümmt bzw. gewölbt sein. Insbesondere können Wärmetauscherrohre eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers U-förmig sein, wobei der die beiden Schenkel verbindende Steg, der sich zwischen Sammel- und Verteilerrohr erstreckt, gekrümmt sein kann, vorzugsweise dem Strömungskanal oxial im Wesentlichen folgend.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine vorgeschlagen, wobei mindestens ein Abgaswärmetauscher im Abgaskanal einer Turbine angeordnet ist, durch welchen vorzugsweise Abwärme des Abgases in verdichtete Verbrennungsluft vor einem Eintritt derselben in eine Brennkammer rückführbar ist, wobei der Abgaswärmetauscher eine vom heißen Turbinengas umströmte Kreuzstrommatrix, ein Verteilerrohr zur Führung von, insbesondere von einem Verdichter geförderter, Luft in die Kreuzstrommatrix und ein, insbesondere wenigstens im Wesentlichen parallel zum Verteilerrohr angeordnetes, Sammelrohr zur Abführung der über die Kreuzstrommatrix aufgeheizten Verdichterluft, insbesondere zu der Brennkammer aufweist, wobei die Kreuzstrommatrix mindestens ein Paket von U-förmig gebogenen Wärmetauscherrohren aufweist, die jeweils das Verteilerrohr mit dem Sammelrohr verbinden, wobei insbesondere zwei Pakete vorgesehen sind, die sich beidseits einer durch Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres definierten Wärmetauschermittelebene erstrecken, und wobei sich Wärmetauscherrohre wenigstens im Wesentlichen in Umfangsrichtung eines Strömungskanals des Abgases der Turbine oder tangential dazu erstrecken. Wiederum kann zusätzlich oder alternativ ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher als Zwischenkühler, beispielsweise zwischen einer Nieder- und einer Hochdruckstufe ausgebildet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1 in einer schematisierten Ansicht einen Längsschnitt durch ein Abströmende einer letzten Turbinenstufe eines Triebwerks mit einem Wärmetauscher als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 in einer schematisierten Ansicht eine gestreckte Abwicklung eines Strömungskanals in 1 von einem durch eine strichpunktierte Linie ”II-II” in 1 symbolisierten Betrachterstandort aus in Blickrichtung zugehöriger Pfeile gesehen, wobei eine Linie ”I-I” und zugehörige Pfeile in 2 einen Betrachterstandort und eine Blickrichtung für die Ansicht in 1 angeben;
3 in einer schematischen Ansicht einen Querschnitt des Strömungskanals in 1 und 2 entlang einer Linie ”III-III” in 1 in Blickrichtung zugehöriger Pfeile mit zwei Varianten des Wärmetauschers von 1 und 2;
4 in einer schematisierten Ansicht entsprechend 3 zwei weitere Varianten des Wärmetauschers von 1 und 2;
5 in einer schematisierten Ansicht entsprechend 1 einen Längsschnitt durch ein Abströmende einer letzten Turbinenstufe eines Triebwerks mit einer Wärmetauscheranordnung als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 in einer schematisierten Ansicht entsprechende 2 eine gestreckte Abwicklung eines Strömungskanals in 5 von einem durch eine strichpunktierte Linie ”VI-VI” in 5 symbolisierten Betrachterstandort aus in Blickrichtung zugehöriger Pfeile gesehen, wobei eine Linie ”V-V” und zugehörige Pfeile in 6 einen Schnittverlauf und eine Blickrichtung für die Ansicht in 5 angeben;
7 eine Einzelheit ”VII” in 5 in vergrößerter Darstellung;
8 in einer schematisierten Ansicht entsprechend 3 einen Querschnitt des Strömungskanals in 5 und 6 entlang einer Linie ”VIII” in 6 in Blickrichtung eines zugehörigen Pfeils mit der Wärmetauscheranordnung von 5 und 6 in einer ersten Ausführungsalternative;
9 in einer schematisierten Ansicht entsprechend 8 eine weitere Ausführungsalternative;
10 in einer schematisierten Ansicht gemäß 1 einen Längsschnitt durch ein Abströmende einer letzten Turbinenstufe eines Triebwerks mit einer Wärmetauscheranordnung als eine Variante der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
11 in einer schematisierten Ansicht gemäß 1 einen Längsschnitt durch ein Abströmende einer letzten Turbinenstufe eines Triebwerks mit einer Wärmetauscheranordnung als eine weitere Variante der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
12 in einer schematisierten Ansicht einen Längsschnitt durch ein Triebwerk mit einer Wärmetauscheranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
13 in einer schematisierten Ansicht einen Längsschnitt durch ein Abströmende einer letzten Turbinenstufe eines Triebwerks mit einer Wärmetauscheranordnung nach dem Stand der Technik.
Anhand der 1 bis 4 wird zunächst ein erstes grundlegendes Ausführungsbeispiel beschrieben.
1 zeigt in einer schematisierten Ansicht einen Längsschnitt durch ein Abströmende einer letzten Turbinenstufe eines Triebwerks 10. Eine Rotationsachse des Triebwerks 10, insbesondere der letzten Turbinenstufe, ist in der Figur mit der Bezugsziffer 12 angegeben.
Gemäß der Darstellung in 1 bildet eine Nabe 14 eine innere Begrenzung und bildet eine Außenwand 16 eine äußere Begrenzung eines Strömungskanals 18, der somit ringförmig um die Rotationsachse 12 des Triebwerks 10 definiert ist. Durch den Strömungskanal 18 strömt heißes Verbrennungsgas 20, das von einer Brennkammer (hier nicht näher dargestellt) des Triebwerks 10 stammt. Die Verbrennungsgasströmung 20 treibt Laufschaufeln 22, die auf einem Rotor 23 angebracht sind und in dem Strömungskanal 18 umlaufen, und wird in einem anschließenden Leitgitter (Leitschaufeln) 24 normalisiert. In der Figur ist nur die letzte Turbinenstufe einer Niederdruckturbine des Triebwerks 10 dargestellt, davor können weitere Turbinenstufen in einem sich weitenden Strömungskanal vorgesehen sein (hier nicht näher dargestellt).
Ein Vergleich mit dem in 13 gezeigten Stand der Technik fällt auf, dass der Strömungskanal 18 einen vergleichsweise weiten Querschnitt aufweist. Der Ringraum öffnet sich in der letzten Stufe der Niederdruckturbine (22, 24), wodurch die Machzahl abnimmt, der Drall der Turbine jedoch zunimmt.
Stromabwärts des Leitgitters 24 ist ein Wärmetauscher (Abgaswärmetauscher) 26 in dem Strömungskanal 18 angeordnet (tatsächlich sind eine Mehrzahl von Wärmetauschern 26 in Umfangsrichtung verteilt in dem Strömungskanal 18 angeordnet; in dieser Figur ist aber nur ein Wärmetauscher 26 dargestellt).
Der Wärmetauscher 26 weist ein Verteilerrohr 28 und ein Sammelrohr 30 auf. Das Verteilerrohr 28 und das Sammelrohr 30 sind zylindrische Rohre, die an einem Ende 28a, 30a jeweils verschlossen sind. Das Verteilerrohr 28 und das Sammelrohr 30 sind durch eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren 32 miteinander verbunden. Die Wärmetauscherrohre 32 sind in einer Mehrzahl von Lagen oder Ebenen über die Länge des Verteilerrohres 28 und des Sammelrohres 30 verteilt angeordnet.
Wie aus nachstehend beschriebenen 2 und 3 noch deutlicher wird, verlaufen die Mittellinien 34, 36 des Verteilerrohres 28 und des Sammelrohres 30 wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander und wenigstens im Wesentlichen radial zu der Rotationsachse 12 des Triebwerks 10. Allgemeiner ausgedrückt weisen die Mittellinien 34, 36 des Verteilerrohres 28 und des Sammelrohres 30 wenigstens im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse 12 des Triebwerks 10, sodass, unbeachtet eventueller, unvermeidlicher Einbaulagefehler oder geringfügiger, beabsichtigter Abweichungen, eine von den Mittellinien 34, 36 aufgespannte Ebene 38 (Mittelebene oder Zentralebene des Wärmetauschers) die Rotationsachse 12 des Triebwerks 10 wenigstens in etwa aufnimmt. Dies bedeutet, dass Zentralebenen 38 mehrerer in Umfangsrichtung in dem Strömungskanal 18 verteilt angeordneter Wärmetauscher 26 idealerweise eine einzige Schnittlinie aufweisen, welche mit der Rotationsachse 12 des Triebwerks 10 zusammenfällt.
2 zeigt in einer schematisierten Ansicht eine gestreckte Abwicklung des Strömungskanals 18 in 1 von einem durch eine strichpunktierte Linie ”II-II” in 1 symbolisierten Betrachterstandort aus in Blickrichtung zugehöriger Pfeile gesehen. Zur Verdeutlichung sind in 2 eine Linie ”I-I” und zugehörige Pfeile angegeben, welche einen Betrachterstandort und eine Blickrichtung für den Längsschnitt von 1 symbolisieren.
Gemäß der Darstellung in 2 sind die Wärmetauscherrohre 32 (bzw. deren Mittellinien 40) im Wesentlichen U-förmig gebogen, um das Verteilerrohr 28 mit dem Sammelrohr 30 zu verbinden. D. h., die Wärmetauscherrohre 32 weisen zwei im Wesentlichen gerade Rohrabschnitte 32a sowie einen die Rohrabschnitte 32a verbindenden, halbkreisförmig gebogene Verbindungsabschnitte 32b auf. Es sind jeweils mehrere Wärmetauscherrohre 32 mit unterschiedlich engem Abstand 33 der Rohrabschnitte 32a ineinander verschachtelt angeordnet (der Abstand 33 ist dabei als Abstand der Mittellinien 40 der Rohrabschnitte 32a desselben Wärmetauscherrohres 32 definiert). Die Rohrabschnitte 32a sind an entsprechenden Verbindungsstellen (hier nicht näher bezeichnet) in der Wandung des Verteilerrohrs 28 bzw. des Sammelrohrs 30 befestigt. Hierzu sind an den Verbindungsstellen beispielsweise Bohrungen in der Wandung des Verteilerrohres 28 und des Sammelrohres 30 vorgesehen, in welchen die Rohrabschnitte 32a beispielsweise verlötet, verschweißt, verklebt oder auf andere Weise verbunden sind. Die Wärmetauscherrohre 32 erstrecken sich beidseits der Wärmetauscher-Zentralebene 38 in Umfangsrichtung des Strömungskanals 18 bzw. tangential hierzu.
Nach vorstehender Erläuterung sind die Wärmetauscherrohre 32 ineinander verschachtelt und in mehreren Lagen übereinander angeordnet und erstrecken sich jeweils von dem Verteilerrohr 28 zu dem stromaufwärts in dem Strömungskanal 18 gelegenen Sammelrohr 30. Die Wärmetauscherrohre 32 bilden somit in zwei Paketen, die beidseits der Zentralebene 38 angeordnet sind, eine Kreuzstrommatrix, die von dem Heißgasstrom 20 von einer Warmseite (Sammelrohr 30) zu einer Kaltseite (Verteilerrohr 28) umströmbar ist.
Zurück zu 1, wird gemäß dortiger Darstellung das Verteilerrohr 28 mit verdichteter Luft (Kaltluft) 134 beliefert, die aus einer Verdichterstufe des Triebwerks 10 stammt. Die kalte Verdichterluft 134 durchströmt von dem Verteilerrohr 28 aus die Wärmetauscherrohre 32, welche von dem heißen Verbrennungsgasstrom 20 umströmt werden, nimmt dort Wärme aus dem heißen Verbrennungsgasstrom 20 auf und verlässt den Wärmetauscher 26 über das Sammelrohr 30 als erwärmte Verdichterluft 136 und wird als solche der bereits erwähnten Brennkammer (hier nicht näher dargestellt) des Triebwerks 10 zugeführt. Die Zufuhr und Abfuhr der Verdichterluft 134, 136 erfolgt durch die Außenwand 16 des Triebwerks 10. Dabei können sich, wie dargestellt, das Verteilerrohr 28 und das Sammelrohr 30 hindurch erstrecken, oder das Verteilerrohr 28 und das Sammelrohr 30 können innerhalb des Strömungskanals 18 enden, während nur Zu- und Fortleitungen durch die Außenwand 16 hindurch geführt sind. Die Außenwand 16 kann Ausnehmungen aufweisen und/oder kann insgesamt, etwa stromaufwärts und/oder stromabwärts des Wärmetauschers 26 geteilt sein, um die Montierbarkeit zu erleichtern.
3 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Querschnitt des Strömungskanals in 1 und 2 entlang einer Linie ”III-III” in 1 in Blickrichtung eines zugehörigen Pfeils mit zwei Varianten des Wärmetauschers von 1 und 2. Wie aus 1 ersichtlich, verläuft die Schnittebene stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Wärmetauschers 26 mit Blickrichtung von der Turbine aus, sodass nur die Nabe 14 und die Außenwand 16 in der Darstellung in 3 geschnitten sind, während die Wärmetauscher 26 ungeschnitten zu sehen sind.
In 3 ist ein Ausschnitt von in etwa 90° des ringförmigen Strömungskanals 18 stromabwärts der Turbine zu sehen. In diesem Ausschnitt sind zwei Wärmetauscher 26 dargestellt. Aus Gründen der zeichnerischen Ökonomie sind in 3 zwei Varianten des Wärmetauschers 26 gemeinsam dargestellt. Und zwar ist in der rechten Zeichnungshälfte eine erste Variante gezeigt, während in der linken Zeichnungshälfte eine zweite Variante gezeigt ist. In der Praxis sind freilich nur Wärmetauscher der jeweils gleichen Ausführungsvariante in dem Strömungskanal 18 angeordnet.
Wie bereits erwähnt, weisen die Mittellinien 36 der Sammelrohre 30 (ebenso wie die Mittellinien der in der gewählten Ansicht verdeckten Verteilerrohre) radial zu der Rotationsachse 12 des Triebwerks 10, sodass die Zentralebenen 38 aller Wärmetauscher 26 die Rotationachse 12 enthalten. Zwischen den Zentralebenen 38 in Umfangsrichtung benachbarter Wärmetauscher 26 ist ein Winkel 42 ausgebildet. Der Winkel (Teilungswinkel) 42 beträgt in der dargestellten Anordnung 60°, d. h., über den Umfang des Strömungskanals 18 verteilt sind sechs Wärmetauscher 26 angeordnet.
Die Wärmetauscherrohre 32 erstrecken sich jeweils senkrecht von den Mittellinien 34 der Sammelrohre 30. Insbesondere bilden von den Mittellinien 40 der Wärmetauscherrohre aufgespannte Flächen (Ebenen) 44 einen im Wesentlichen rechten Winkel mit der Zentralebene 38 des Wärmetauschers 26. Die beidseits der Zentralebenen 38 ausgebildeten Pakete von Wärmetauscherrohren 32 erstrecken sich nicht über eine Ebene 46 hinaus, welche den Winkel 42 zwischen den Zentralebenen 38 benachbarter Wärmetauscher 26 halbiert.
Bei der ersten, auf der rechten Zeichnungshälfte dargestellten Ausführungsvariante weisen die Wärmetauscherrohre 32 unabhängig von der Lage in Bezug auf die Mittellinie 34 jeweils die gleiche Länge auf. Somit verlaufen äußerste Begrenzungslinien 47 der Rohrpakete parallel zu der Mittellinie 34 bzw. der Zentralebene 38. Wie aus der Figur ersichtlich, verbleibt zwischen der Begrenzungslinie 48 und der Teilungsebene 46 zwischen den Wärmetauschern 26 ein keilförmiger freier Raum des Strömungskanals 18, der von Wärmetauscherrohre 32 frei ist. Ebenso ist zwischen der radial innersten Lage von Wärmetauscherrohren 32 und der Nabe 14 ein freier Raum 52 ausgebildet, und ist zwischen der radial äußersten Lage von Wärmetauscherrohren 32 und der Außenwand 16 ein freier Raum 54 ausgebildet.
Bei der zweiten, auf der linken Zeichnungshälfte dargestellten Ausführungsvariante wächst eine Länge der Wärmetauscherrohre 32 (gemeint sind die jeweils äußersten Wärmetauscherrohre 32 einer Lage) von dem geschlossenen Ende 28a im axialen Verlauf der Mittellinie 34 zunächst kontinuierlich an, sodass sich die Wärmetauscherrohre 32 so weit wie möglich bis zu der Teilungsebene 46 zwischen den Wärmetauschern 26 erstrecken. D. h., die Begrenzungslinien 48 der Rohrpakete bilden einen Winkel mit der Zentralebene 38, welcher dem halben Winkel 42 entspricht. Auf diese Weise kann der mittlere freie Raum 50 weitgehend vermieden werden. Im radial äußeren Bereich sind noch einige Lagen von Wärmetauscherrohrem 32 mit sich deutlich verkürzender Länge angeordnet. Auf diese Weise kann der äußere freie Raum 54 weitgehend vermieden werden. Der Strömungskanal 18 kann insgesamt besser als bei der ersten Ausführungsvariante zum Wärmetaustausch ausgenutzt werden.
4 entspricht in Ansicht und Ausschnitt des Strömungskanals 18 der Darstellung in 3. Wiederum sind zwei Wärmetauscher 26 dargestellt. Für die Grundkonstellation und die geometrischen Verhältnisse gilt das oben im Zusammenhang mit 3 wie auch mit 1 und 2 Gesagte, soweit durch nachstehende Erläuterungen nicht ausgeschlossen. Auch in 4 sind aus Gründen der zeichnerischen Ökonomie zwei Varianten des Wärmetauschers 26 gemeinsam dargestellt. Und zwar ist in der rechten Zeichnungshälfte eine dritte Variante gezeigt, während in der linken Zeichnungshälfte eine vierte Variante gezeigt ist. Wie bereits erwähnt, sind in der Praxis nur Wärmetauscher der jeweils gleichen Ausführungsvariante in dem Strömungskanal 18 angeordnet.
Bei der dritten, auf der rechten Zeichnungshälfte dargestellten Ausführungsvariante weisen die Wärmetauscherrohre 32 wie bei der zweiten Variante unterschiedliche Längen in Abhängigkeit von der axialen Lage (in Bezug auf die Mittellinie 34 des Sammelrohrs 30) auf. Zusätzlich weisen die durch Mittellinien 40 der Wärmetauscherrohre 32 aufgespannten Ebenen 44 einen Pfeilungswinkel 56 zu der Zentralebene 38 auf. Der Pfeilungswinkel 56 ist so gewählt, dass die in Bezug auf die Turbinenachse 12 radial inneren und äußeren Wärmetauscherrohre 32 einen möglichst geringen maximalen Abstand von der Oberfläche der Nabe 14 bzw. der Außenwand 16 aufweisen. Auf diese Weise können die freien Räume 52 und 54 gegenüber einer Anordnung mit senkrecht zu der Zentralebene 38 stehenden Wärmetauscherrohren 32 deutlich verkleinert werden.
Bei der vierten, auf der linken Zeichnungshälfte dargestellten Ausführungsvariante weisen die Wärmetauscherrohre 32 wie bei der zweiten und dritten Variante unterschiedliche Längen in Abhängigkeit von der axialen Lage (in Bezug auf die Mittellinie 34 des Sammelrohrs 30) auf. Zusätzlich weisen die Mittellinien 40 der Wärmetauscherrohre 32 und damit die von diesen aufgespannten Ebenen 44 eine Krümmung auf. Die Krümmung der Wärmetauscherrohre 32 ist konzentrisch zu der Turbinenachse 12 und folgt somit jeweils einer Zylinderschale. Auf diese Weise können die freien Räume 52 und 54 gegenüber einer Anordnung mit senkrecht zu der Zentralebene 38 stehenden Wärmetauscherrohren 32 weitgehend vermieden werden. Der Strömungskanal 18 kann insgesamt nahezu vollständig zum Wärmetaustausch ausgenutzt werden.
Die Ausnutzung des Ringraums des Strömungskanals 18 wird von der ersten bis zur vierten Ausführungsvariante immer besser. Dennoch kann es aus Gründen der Fertigung oder der Montage vorzugswürdig sein, auf eine hinsichtlich der Raumausnutzung weniger optimale Ausführungsvariante zurückzugreifen.
Nachstehend wird anhand von 5 bis 9 ein zweites grundlegendes Ausführungsbeispiel beschrieben, das als eine Weiterentwicklung des ersten Ausführungsbeispiels und seiner Varianten zu verstehen ist. Insbesondere sind die Erläuterungen zu dem ersten Ausführungsbeispiel ohne Weiteres auf dieses Ausführungsbeispiel übertragbar, soweit es nicht im Widerspruch zu den nachstehend erläuterten Besonderheiten dieses Ausführungsbeispiels steht. Nachstehend werden im Wesentlichen nur die Besonderheiten dieses Ausführungsbeispiels gegenüber den entsprechenden Verhältnissen des ersten Ausführungsbeispiels erläutert.
5 zeigt in einer schematisierten Ansicht entsprechend 1 einen Längsschnitt durch ein Abströmende einer letzten Turbinenstufe eines Triebwerks 10. Der Aufbau des Triebwerks 10 entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel. Ferner zeigt 6 in einer schematisierten Ansicht entsprechend 5 eine gestreckte Abwicklung des Strömungskanals 18 in 5 von einem durch eine strichpunktierte Linie ”VI-VI” in 5 symbolisierten Betrachterstandort aus in Blickrichtung zugehöriger Pfeile gesehen. Zur Verdeutlichung sind in 6 eine Linie ”V-V” und zugehörige Pfeile angegeben, welche einen Betrachterstandort und eine Blickrichtung für den Längsschnitt von 5 symbolisieren.
Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel mehrere Wärmetauscher 26 über den Umfang des Strömungskanals 18 verteilt angeordnet. In der Zeichnung werden ein erster Wärmetauscher 26(i) und ein zweiter Wärmetauscher 26(ii) unterschieden. Die Unterscheidung dient allein der Erleichterung der Beschreibung, drückt aber keinen unterschiedlichen Aufbau aus.
Der erste Wärmetauscher 26(i) weist ein erstes Verteilerrohr 28(i), ein erstes Sammelrohr 30(i) und eine Vielzahl von ersten Wärmetauscherrohren 32(i) auf. Gleichermaßen weist der zweite Wärmetauscher 26(ii) ein zweites Verteilerrohr 28(ii), ein zweites Sammelrohr 30(ii) und eine Vielzahl von zweiten Wärmetauscherrohren 32(ii) auf. Die Wärmetauscherrohre 32(i), 32(ii) sind U-förmig gebogene Röhrchen, welche das jeweilige Verteilerrohr 28(i), 28(ii) mit dem jeweiligen Sammelrohr 30(i), 30(ii) miteinander verbinden und in Paketen (Rohrpaketen) beidseits einer jeweiligen Wärmetauscher-Zentralebene 38 (in der Figur nicht näher bezeichnet) angeordnet.
Gemäß der Darstellung in 5 und 6 überlappen sich die Wärmetauscherrohre 32(i), 32(ii) der einander zugewandten Rohrpakete des ersten und des zweiten Wärmetauschers 26(i), 26(ii) in der Weise, dass sich jeweils eine Lage von Wärmetauscherrohren 32(i) und eine Lage von Wärmetauscherrohren 32(ii) in axialer Richtung der Wärmetauscher bzw. ihrer Verteiler- oder Sammelrohre abwechseln, während sie sich die Lagen der ersten Wärmetauscherrohre 32(i) und der zweiten Wärmetauscherrohre 32(ii) in axialer Richtung der Wärmetauscherrohre überlappen. Demgemäß sind in dem geschnittenen Bereich in 1 jeweils ein Bogen eines außen liegenden Wärmetauscherrohres 32(i) des ersten Wärmetauschers 26(i) im Wechsel mit einer Lage geschnittener Wärmetauscherrohres 32(ii) des zweiten Wärmetauschers 26(ii) zu sehen.
7 zeigt eine Einzelheit ”VII” in 5 in vergrößerter Darstellung.
In 5 weisen die Wärmetauscherrohre 32(ii) einen runden Querschnitt auf. Dies ist eine vereinfachte Form der Wärmetauscherrohre. In einer bevorzugten Abwandlung gemäß 7 weisen die Wärmetauscherrohre 32(i), 32(ii) – wie auch die Wärmetauscherrohre 32 im ersten Ausführungsbeispiel und seiner Varianten – einen in Richtung der Heißgasströmung 20 gestreckten bzw. in axialer Richtung des Wärmetauschers gestauchten, elliptischen oder lanzettförmigen Querschnitt auf. Dies ermöglicht eine weniger gestörte Strömung des Heißgases 20 in Teilströmen 20x zwischen den Wärmetauscherrohren 32 (32(i) und 32(ii)).
8 zeigt in einer schematischen Ansicht entsprechend 3 einen Querschnitt des Strömungskanals in 1 und 2 entlang einer Linie ”VIII-VIII” in 1 in Blickrichtung eines zugehörigen Pfeils.
Gemäß der Darstellung in 8 weisen die Wärmetauscherrohre 32(i), 32(ii) einen Pfeilungswinkel 56 gegenüber der jeweiligen Wärmetauscher-Zentralebene 38(i), 38(ii) auf, wobei der Pfeilungswinkel 56 der Differenz von 90° und des halben Werts des Teilungswinkels 40 entspricht. Somit verlaufen die Lagen der ersten Wärmetauscherrohre 32(i) und der zweiten Wärmetauscherrohre 32(ii) parallel zueinander, sodass die ersten Wärmetauscherrohre 32(i) und die zweiten Wärmetauscherrohre 32(ii) kammartig ineinander greifen können. Ferner erstrecken sich die ersten Wärmetauscherrohre 32(i) (gemeint sind wiederum die jeweils äußersten Wärmetauscherrohre einer Lage) gemäß der Darstellung in 8 bis nahe an das zweite Sammelrohr 30(ii) und erstrecken sich die zweiten Wärmetauscherrohre 32(ii) gleichermaßen bis nahe an das erste Sammelrohr 30(i).
Auf diese Weise wird zwischen Verteiler- und Sammelrohren benachbarter Wärmetauscher 26(i), 26(ii) ein gemeinsames Paket der jeweiligen Wärmetauscherrohre 32(i), 32(ii) gebildet. Zwischen den der Nabe 14 nächsten Wärmetauscherrohren dieses Pakets und der Nabe 14 bilden sich freie Räume 58, und zwischen den der Außenwand 16 nächsten Wärmetauscherrohren dieses Pakets und der Außenwand 16 bildet sich ein freier Raum 60.
9 entspricht in Ansicht und Ausschnitt des Strömungskanals 18 der Darstellung in 8. Die Wärmetauscher 26(i), 26(ii) entsprechen in Anordnung und Aufbau den Wärmetauschern in 8; in der hier dargestellten Variante weisen die Wärmetauscherrohre 32(i), 32(ii) bzw. die durch ihre Mittellinien 44(i), 44(ii) aufgespannten Flächen jedoch eine Krümmung auf. Die Krümmung der Wärmetauscherrohre 32(i), 32(ii) ist konzentrisch zu der Turbinenachse 12 und folgt somit jeweils einer Zylinderschale. Auf diese Weise können die freien Räume 58 und 60 gegenüber der in 8 gezeigten Ausführungsvariante weitgehend vermieden werden. Der Strömungskanal 18 kann insgesamt nahezu vollständig zum Wärmetaustausch ausgenutzt werden.
Die Ausnutzung des Ringraums des Strömungskanals 18 ist bei der in 9 gezeigten Ausführungsvariante besser als bei der in 8 gezeigten. Dennoch kann es aus Gründen der Fertigung oder der Montage vorzugswürdig sein, auf die hinsichtlich der Raumausnutzung weniger optimale Ausführungsvariante zurückzugreifen.
10 zeigt in einer schematisierten Längsschnittansicht des Abströmende der letzten Turbinenstufe des Triebwerks 10 entsprechend 1 eine Abwandlung, die auf die bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Varianten gleichermaßen anwendbar ist.
Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen weisen die Mittellinien 34, 36 des Verteilerkanals 28 und des Sammelkanals 30 des Wärmetauschers 26 zu der Turbinenachse 12 bzw. enthält die von den Mittellinien 34, 36 aufgespannte Zentralebene 38 des Wärmetauschers 26 diese Turbinenachse 12.
Anders als bei den vorherigen Ausführungsbeispielen sind die Mittellinien 34, 36 des Verteilerkanals 28 und des Sammelkanals 30 des Wärmetauschers 26 zu der Turbinenachse 12 unter einem Neigungswinkel 62 geneigt. Der Neigungswinkel 62 ist so gewählt, dass die Wärmetauscherrohre 32 wenigstens näherungsweise oder im Mittel einer Neigung des Strömungskanals 18 folgen.
11 zeigt in einer schematisierten Längsschnittansicht des Abströmende der letzten Turbinenstufe des Triebwerks 10 entsprechend 1 eine Abwandlung, die auf die bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Varianten und Abwandlungen gleichermaßen anwendbar ist.
Gemäß der Darstellung in 11 bezeichnet eine Koordinate y eine axiale Richtung des Wärmetauschers 26. An dem Verteilerrohr 28 sind in axialer Richtung y Verbindungsstellen 64 der Wärmetauscherrohre 32 verteilt, und an dem Sammelrohr 30 sind in axialer Richtung y Verbindungsstellen 66 der Wärmetauscherrohre 32 verteilt.
Bei dieser Abwandlung befinden sich die verteilerrohrseitigen Verbindungsstellen 64 eines Wärmetauscherrohres 32 in einer anderen axialen Lage y als die sammelrohrseitigen Verbindungsstellen 66 des gleichen Wärmetauscherrohres. Hierdurch erhalten die Wärmetauscherrohre 32 einen Schrägstellungswinkel 68 zu den Mittellinien 34, 36. Der Schrägstellungswinkel 68 ist so gewählt, dass die Wärmetauscherrohre 32 wenigstens näherungsweise, lokal oder insgesamt im Mittel einer Neigung des Strömungskanals 18 folgen.
Im dargestellten Fall vergrößert sich die Schrägstellungswinkel 68 im axialen Verlauf y derart, dass aufeinander folgende Lagen von Wärmetauscherrohren 32 in Strömungsrichtung klaffen, um eine optimale Anpassung an den Neigungsverlauf des Strömungskanals 18 zu erreichen.
Im dargestellten Fall ist das Verteilerrohr 28 länger als das Sammelrohr 30, und sind die geschlossenen Enden 28a, 30a des Verteilerrohres 28 und des Sammelrohres 30 entsprechend der Krümmung der Nabe 14 abgeschrägt. Dadurch kann die Schrägstellung der Wärmetauscherrohre 32 besonders wirksam ausgeprägt werden.
In einer Variante dieser Abwandlung können die Wärmetauscherrohre 32 gleiche Schrägstellungswinkel 68 aufweisen, sodass die Lagen der Wärmetauscherrohre 32 parallel verlaufen. Auch können die geschlossenen Enden 28a, 30a gerade sein und können schließlich das Verteilerrohr 28 und das Sammelrohr 30 gleich lang sein.
Es versteht sich, dass die Merkmale der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele, ihrer Varianten und Abwandlungen untereinander austauschbar sind, soweit es nicht aus physikalischen oder sonst praktischen Gründen offensichtlich ausgeschlossen ist.
Wenn die in 10 oder die in 11 gezeigte Abwandlung auf eine Ausführungsvariante mit gekrümmten Wärmetauscherrohren 32 (4, linke Hälfte, oder 9) angewendet wird, folgt die Krümmung der durch Mittellinien 44 der Wärmetauscherrohre 32 aufgespannten Flächen nicht Zylinderschalen, sondern Kegelschalen.
In einer weiteren Variante der in 10 oder 11 gezeigten Abwandlungen können die Enden (Verbindungsabschnitte 32b in 2) zusätzlich gekrümmt sein, insbesondere derart, dass sie dem Verlauf des Strömungskanals 18 bzw. seiner Wandungen 14, 16 angepasst sind bzw. wenigstens im Wesentlichen folgen. Allgemein kann eine durch die Wärmetauscherrohre 32 aufgespannte Ebene (44 in 2) gekrümmt bzw. gewölbt, insbesondere dem Strömungskanal 18 auch in seiner Längsrichtung angepasst sein.
12 zeigt in einer schematisierten Ansicht einen Längsschnitt durch ein Triebwerk 10 mit einer Wärmetauscheranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das im dargestellten Beispiel als Dreiweller ausgebildete Triebwerk (Gasturbinenflugtriebwerk) 10 der 12 verfügt über einen als Niederdruckverdichter wirkenden Fan 111 sowie ein sich in Strömungsrichtung der zu verdichtenden Luft gesehen stromabwärts des Fans 111 anschließendes Kerntriebwerk 112, wobei das Kerntriebwerk 112 einen Mitteldruckverdichter 113, einen Hochdruckverdichter 114, eine Brennkammer 115, eine Hochdruckturbine 116, eine Mitteldruckturbine 117 und eine Niederdruckturbine 118 umfasst. Der Fan 111 ist über eine erste Welle 119 mit der Niederdruckturbine 118 gekoppelt, nämlich unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes 120. Der Mitteldruckverdichter 113 ist über eine zweite Welle 121 mit der Mitteldruckturbine 117 gekoppelt. Der Hochdruckverdichter 114 ist über eine dritte Welle 122 mit der Hochdruckturbine 116 gekoppelt. Wie 12 entnommen werden kann, sind die drei Wellen 119, 121 und 122 konzentrisch ineinander verschachtelt.
Gemäß der Darstellung in 12 sind die Turbinen 116, 117 und 118 in einem sich weitenden Strömungskanal 18 angeordnet. Dabei weist die Niederdruckturbine die letzte, in 1 etc. durch den Rotor 23 mit Schaufel 22 und das Leitgitter 24 angedeutete Stufe auf. Ferner ist stromabwärts der Niederdruckturbine 118 der Abgaswärmetauscher 26 angeordnet. Der Abgaswärmetauscher 26 wird von dem heißen, die Niederdruckturbine 118 verlassenen Abgas 20 durchströmt und überträgt Abwärme des Abgases 20 auf die im Hochdruckverdichter 114 verdichtete Verbrennungsluft 134, nämlich vor Eintritt derselben in die Brennkammer 115. Zwischen den Mitteldruckverdichter 113 und den Hochdruckverdichter 114 ist ein Zwischenkühler 124 geschaltet, welcher der Abkühlung der im Mitteldruckverdichter 113 verdichteten Verbrennungsluft dient, und zwar bevor dieselbe in den Hochdruckverdichter 114 eintritt.
Weitere Abwandlungen:
Das Verteilerrohr 28 und das Sammelrohr 30 sind nach vorstehender Beschreibung insbesondere als separate, parallel verlaufende Rohre ausgebildet. In einer Abwandlung können ein Verteilerrohr und ein Sammelrohr auch durch ein einziges Rohr mit einer längs verlaufenden Trennwand ausgebildet sein. In einer anderen Abwandlung können das Verteilerrohr 28 und das Sammelrohr 30 jeweils in Strömungsrichtung gestreckte Quersschnitte aufweisen; so kann die Umströmung verbessert und die gesamte wirksame Länge der Wärmetauscherrohre 32 und damit die wirksame Wärmetauscheroberfläche vergrößert werden.
Die Wärmetauscherrohre 32 können einen von dem hier beschriebenen und gezeigten U-förmigen Verlauf abweichende Form aufweisen. Beispielsweise können Rohrabschnitte 32a durch ein gerades Verbindungsstück verbunden sein, oder es kann eine Umlenkplatte für eine Vielzahl von Wärmetauscherrohrstücken vorgesehen sein.
Die Anzahl der über den Umfang des Strömungskanals 18 verteilten Wärmetauscher 26 kann von der dargestellten und hier diskutierten Anzahl (sechs) abweichen. Beispielsweise können drei, vier, fünf, sieben, acht oder eine andere Anzahl von Wärmetauschern 26 vorgesehen sein. Es können auch in Strömungsrichtung zwei oder mehr Wärmetauscher hintereinander angeordnet sein. Werden zwei Ringe von Wärmetauschern 26 verwendet und ist der ersten Ring gegeneinander verdreht, können auch bei geraden Wärmetauscherrohren 32 freie Räume 50, 52, 54 gegenseitig verdeckt werden und deren Nachteile zumindest teilweise ausgeglichen werden.
Es versteht sich, dass die in dieser Anmeldung beschriebenen Wärmetauscher und Anordnungen in Ringkanälen nicht auf die Anwendung in einem Turbinentriebwerk beschränkt sind, sondern überall dort einsetzbar sind, wo Wärme aus einem Heißgasstrom nach dem Kreuzstromprinzip entzogen bzw. genutzt werden soll.
Im Bereich eines Turbinentriebwerks können die vorstehend anhand eines Abgaswärmetauschers im Turbinenabgasstrahl beschriebenen Merkmale ebenso, gegebenenfalls mit geeigneten Anpassungen, bei einem Zwischenkühler zwischen Verdichterstufen, etwa zwischen Mittel- und Hochdruckverdichter (Zwischenkühler 124 in 12), Nieder- und Mitteldruckverdichter oder Nieder- und Hochdruckverdichter (z. B. bei zweistufigen Bauformen) verwirklicht sein.
Bezugszeichenliste
Stand der Technik:

1010: Triebwerk
1012: Turbinenachse
1018: Strömungskanal
1020: Heißgasströmung
1023: Rotor (letzte Turbinenstufe)
1026: Abgaswärmetauscher
1028: Verteilerrohr
1030: Sammelrohr
1032: Wärmetauscherrohr (Lanzette)

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 102006021436 A1 [0002, 0006]
DE 10236380 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. Hoeveler, ”Kern-Forschung. NEWAC: Neue Konzepte für Triebwerke ab 2013”, Flugrevue, August 2006, Seiten 130–131 [0004]
Gmelin et al., ”Zusammenfassende Darstellung der Effizienzpotenziale bei Flugzeugen unter besonderer Berücksichtigung der aktuellen Triebwerkstechnik sowie der absehbaren mittelfristigen Entwicklungen” (FKZ UM 07 06 602/01) im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, IG I 5, Berlin 2008, Seiten 37, 62 und 71 [0004]
Schesky/Kral, ”Flugzeugtriebwerke”, Berlin 2003, ISBN 3-930894-95-5, Seite 31 [0004]

Claims

Wärmetauscher, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, der eine von einem Fluid umströmbare Kreuzstrommatrix, ein Verteilerrohr zur Führung eines Wärmeträgermediums in die Kreuzstrommatrix und ein Sammelrohr zur Abführung des über die Kreuzstrommatrix temperierten Wärmeträgermediums aufweist, wobei die Kreuzstrommatrix mindestens ein Paket von Wärmetauscherrohren aufweist, die jeweils das Verteilerrohr mit dem Sammelrohr verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittellinie eines Wärmetauscherrohres eine Krümmung in Richtung einer Mittellinie des Verteilerrohres und/oder einer Mittellinie des Sammelrohres aufweist.
Wärmetauscher, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, der eine von einem Fluid umströmbare Kreuzstrommatrix, ein Verteilerrohr zur Führung eines Wärmeträgermediums in die Kreuzstrommatrix und ein Sammelrohr zur Abführung des über die Kreuzstrommatrix temperierten Wärmeträgermediums aufweist, wobei die Kreuzstrommatrix mindestens ein Paket von Wärmetauscherrohren aufweist, die jeweils das Verteilerrohr mit dem Sammelrohr verbinden, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand von Befestigungspunkten zweier benachbarter Wärmetauscherrohre an dem Verteilerrohr sich von einem Abstand von Befestigungspunkten der gleichen Wärmetauscherrohre an dem Sammelrohr unterscheidet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscherrohre einen wenigstens im Wesentlichen normal zu einer von einer jeweiligen Mittellinie der Wärmetauscherrohre aufgespannten Fläche gestauchten Querschnitt aufweisen.
Anordnung wenigstens zweier Wärmetauscher, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, wobei jeder Wärmetauscher eine von einem Fluid umströmbare Kreuzstrommatrix, ein Verteilerrohr zur Führung eines Wärmeträgermediums in die Kreuzstrommatrix und ein Sammelrohr zur Abführung des über die Kreuzstrommatrix temperierten Wärmeträgermediums aufweist, wobei die Kreuzstrommatrix mindestens ein Paket von Wärmetauscherrohren aufweist, die jeweils das Verteilerrohr mit dem Sammelrohr verbinden, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscherrohre eines Wärmetauschers kammartig zwischen Wärmetauscherrohren eines anderen Wärmetauschers angeordnet sind.
Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet und/oder in einer Anordnung nach Anspruch 4 angeordnet ist
Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Wärmetauscher der eine von einem Fluid, insbesondere einem heißen Turbinengas, umströmte Kreuzstrommatrix, ein Verteilerrohr zur Führung der von einem Verdichter geförderten Luft in die Kreuzstrommatrix und ein Sammelrohr zur Abführung der über die Kreuzstrommatrix temperierten Verdichterluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres wenigstens im Wesentlichen zu einer Rotationsachse der Turbine weisen.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerrohr und das Sammelrohr in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei insbesondere das Verteilerrohr stromab des Sammelrohres angeordnet ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzstrommatrix mindestens ein Paket von insbesondere wenigstens im Wesentlichen U-förmigen Wärmetauscherrohren aufweist, die jeweils das Verteilerrohr mit dem Sammelrohr verbinden, wobei insbesondere zwei Pakete von Wärmetauscherrohren vorgesehen sind, die sich beidseits einer durch Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres definierten Wärmetauschermittelebene erstrecken.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich Wärmetauscherrohre wenigstens im Wesentlichen in Umfangsrichtung eines Strömungskanals des Abgases der Turbine oder tangential dazu erstrecken.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Mittellinien von Wärmetauscherrohren und Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres jeweils ein Winkel derart ausgebildet ist, dass Abstände zwischen in axialer Richtung des Verteilerrohres oder des Sammelrohres äußersten Wärmetauscherrohren und einer Mantelfläche eines Strömungskanals, in welchem der Wärmetauscher angeordnet ist, minimiert sind.
Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittellinie eines Wärmetauscherrohres eine Krümmung in Richtung einer Mittellinie des Verteilerrohres und/oder einer Mittellinie des Sammelrohres aufweist, wobei die Krümmung insbesondere an eine Krümmungsform eines Strömungskanals, in welchem der Wärmetauscher angeordnet ist, angepasst und insbesondere koaxial zu einer Rotationsachse der Turbine ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Wärmetauschern in Umfangsrichtung um die Rotationsachse der Turbine verteilt angeordnet sind und Wärmetauscherrohre benachbarter Wärmetauscher kammartig ineinandergreifen.
Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre einen wenigstens im Wesentlichen in Strömungsrichtung des Abgases der Turbine gestreckten Querschnitt aufweisen.
Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Mittellinien des Sammelrohrs und/oder des Verteilerrohrs mit der Rotationsachse der Turbine einen Winkel von 45° bis 90°, insbesondere 60° bis 90°, besonders bevorzugt 75° bis 90° bilden, wobei die Mittellinien des Sammelrohrs und/oder des Verteilerrohrs insbesondere mit einer Wandfläche eines Strömungskanals der Turbinenabgase einen Winkel von 90° mit einer Abweichung von insbesondere nicht mehr als 10° aufweisen.
Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Wärmetauscher der eine von einem Fluid, insbesondere heißem Turbinengas, umströmte Kreuzstrommatrix, ein Verteilerrohr zur Führung der von einem Verdichter geförderten Luft in die Kreuzstrommatrix und ein Sammelrohr zur Abführung der über die Kreuzstrommatrix temperierten Verdichterluft aufweist, wobei die Kreuzstrommatrix mindestens ein Paket von Wärmetauscherrohren aufweist, die jeweils das Verteilerrohr mit dem Sammelrohr verbinden, wobei insbesondere zwei Pakete vorgesehen sind, die sich beidseits einer durch Mittellinien des Verteilerrohres und des Sammelrohres definierten Wärmetauschermittelebene erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass sich Wärmetauscherrohre wenigstens im Wesentlichen in Umfangsrichtung eines Strömungskanals des Abgases der Turbine oder tangential dazu erstrecken.