DE102013225989A1

DE102013225989A1 - Wärmetauscher für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102013225989A1
Application number: DE102013225989.1A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Kormann
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: DE102013225989B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (10) für ein Gasturbinentriebwerk (22), insbesondere für ein Mantelstromtriebwerk, welcher zumindest eine Wärmetauscheinrichtung (12a–d) umfasst, die ein Verteilerrohr (14a–d) zur Zuführung eines Wärmeträgermediums und ein Sammelrohr (16a–d) zur Abführung des Wärmeträgermediums aufweist, wobei das Verteilerrohr (14a–d) und das Sammelrohr (16a–d) über eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren (18) fluidisch miteinander verbunden sind, wobei das Verteilerrohr (14a–d) und das Sammelrohr (16a–d) der Wärmetauscheinrichtung (10) jeweils nur einerseits ihrer jeweiligen Mittelebenen (E) mit den Wärmetauscher-rohren (18) verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Gasturbinentriebwerk (22) mit einem derartigen Wärmetauscher (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Gasturbinentriebwerk sowie ein Gasturbinentriebwerk mit wenigstens einem derartigen Wärmetauscher.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei Gasturbinentriebwerken einen Wärmetauscher im Abgas der Turbine vorzusehen, welcher zur Kühlung des Abgases sowie zur Rückführung von Abwärme in verdichtete Verbrennungsluft dient. Als Wärmetauscher werden hierzu häufig sogenannte Lanzettenmatrixwärmetauscher verwendet. Ein Lanzettenmatrixwärmetauscher, wie er beispielsweise in der DE 102 36 380 A1 beschrieben ist, weist ein Verteilerrohr, ein Sammelrohr sowie eine Vielzahl von haarnadelförmigen Wärmetauscherrohren bzw. Lanzetten auf, die jeweils das Sammel- und Verteilrohr U-förmig verbinden. 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 heißem Abgas durchströmt werden kann. Derartige Lanzettenmatrixwärmetauscher sind damit als Kreuz-Gegenstromwärmetauscher konzipiert. Üblicherweise werden mehrere solcher Lanzettenmatrixwärmetauscher neben- und hintereinander in einer Düse eines Gasturbinentriebwerks angeordnet, so dass sie radial von innen nach außen durchströmt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher einfacher an unterschiedliche geometrischen Vorgaben eines Gasturbinentriebwerkes anpassbar ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gasturbinentriebwerk mit einem derartigen Wärmetauscher anzugeben.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Wärmetauschers als vorteilhafte Ausgestaltungen des Gasturbinentriebwerks und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Gasturbinentriebwerk, welcher zumindest eine Wärmetauscheinrichtung umfasst, die ein Verteilerrohr zur Zuführung eines Wärmeträgermediums und ein Sammelrohr zur Abführung des Wärmeträgermediums aufweist, wobei das Verteilerrohr und das Sammelrohr über eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren fluidisch miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Verteilerrohr und das Sammelrohr der Wärmetauscheinrichtung jeweils nur einerseits ihrer jeweiligen Mittelebenen mit den Wärmetauscherrohren verbunden sind. Hierdurch kann die Geometrie des Wärmetauschers im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lanzettenmatrixwärmetauscher wesentlich freier eingestellt werden, da das Verteilerrohr und das Sammelrohr der Wärmetauscheinrichtung wesentlich unabhängiger zueinander positioniert und über die Wärmetauscherrohre miteinander verbunden werden können. Die Wärmetauscherrohre müssen dabei nicht U-förmig ausgebildet sein, sondern können grundsätzlich nahezu beliebige geometrische Formen annehmen. Darüber hinaus erlaubt der erfindungsgemäße Wärmetauscher aufgrund seiner geometrischen Variabilität eine freie Einstellbarkeit von Austauschgrad und Druckverlusten, wodurch das thermodynamische Verhalten des Wärmetauschers optimal an seinen jeweiligen Einsatzort und -zweck angepasst werden kann. Der Wärmetauscher kann dementsprechend einfacher in unterschiedliche Gasturbinentriebwerke bzw. Gasturbinentriebwerksbereiche integriert werden. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher eignet sich grundsätzlich beispielsweise für stationäre Gasturbinen sowie für Gasturbinentriebwerke für alle mobilen Verkehrsmittel wie beispielsweise Flugzeuge, Hubschrauber, Panzerfahrzeuge und jegliche sonstigen Fahrzeuge. Insbesondere eignet sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher für Mantelstromtriebwerke bzw. für Gasturbinentriebwerke mit Rekuperatoren. Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht nur, auf einen Abgaswärmetauscher anwendbar. In diesem Fall ist die wenigstens eine Wärmetauscheinrichtung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers von Abgas umströmt, das in der Regel ein heißes Fluid ist. Wenn das Fluid ein heißes Fluid in Relation zu dem Wärmetauschermedium in den Wärmetauscherrohren des Wärmetauschers ist, dient der Wärmetauscher zum Aufheizen des Wärmetauschermediums bzw. zum Abkühlen des Abgases. Es können aber auch Anordnungen vorgesehen sein, in denen das den Wärmetauscher durch- bzw. umströmende Fluid ein kaltes Fluid in Relation zu dem Wärmeträgermedium in dem Wärmetauscher ist. In diesem Fall wird das Wärmeträgermedium mit Hilfe des Wärmetauschers abgekühlt, während das den Wärmetauscher durch- bzw. umströmende Fluid erwärmt wird. Wiederum kann zusätzlich oder alternativ ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher als Zwischenkühler, beispielsweise zwischen einer Nieder- und einer Hochdruckstufe ausgebildet sein. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann grundsätzlich vollständig oder teilweise mit Hilfe generativer Fertigungsverfahren, beispielsweise mittels generativer Schichtbauverfahren wie selektivem Lasersintern oder -schmelzen erfolgen. Alternativ können beispielsweise das Verteiler- und das Sammelrohr durch Drehen und seitliches Belochen mittels Erodieren hergestellt werden. Im Bereich der Löcher können dann die Wärmetauscherrohre, die auch als Lanzetten-Profilrohre bezeichnet werden können, montiert, belotet und beispielsweise durch Vakuum-Löten stoffschlüssig befestigt werden. Etwaige Lot-Überstände können anschließend beispielsweise durch Drahterodieren entfernt werden. Jedoch können grundsätzlich auch abweichende Herstellungsverfahren bzw. Einzelschritte vorgesehen sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher zumindest annähernd hohlzylinderförmig ausgebildet ist. Hierdurch kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher besonders einfach zur Ummantelung zylindrischer Gasturbinenbereiche, beispielsweise von Strömungskanälen verwendet und entsprechend einfach in die Gasturbine integriert werden. Insbesondere wird unter einer Hohlzylinderform ein Hohlzylinder mit einer zumindest annähernd kreisringförmigen Grundfläche verstanden.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Verteilerrohr und das Sammelrohr der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des Wärmetauschers angeordnet und die Wärmetauscherrohre der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung zumindest bereichsweise gekrümmt, insbesondere im Querschnitt zumindest im Wesentlichen spiralförmig und/oder kreisringsegmentförmig, um die Mittelachse des Wärmetauschers angeordnet sind. Auch dies stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit dar, um den Wärmetauscher einfach in zylindrische Bauräume zu integrieren. Darüber hinaus wird hierdurch im Vergleich beispielsweise zu den U-förmigen Lanzetten bekannter Lanzettenmatrixwärmetauscher eine erhebliche Verringerung des Druckverlustes in den Wärmetauscherrohren bzw. Lanzetten sichergestellt, da der Krümmungsradius der Wärmetauscherrohre zumindest annähernd konstant ist und deutlich größer gewählt werden kann. Weiterhin kann der Wärmetauscher hierdurch vorteilhaft in einem gekrümmten, beispielsweise ringförmigen Strömungskanal angeordnet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmetauscherrohre der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung bezüglich der Mittelachse des Wärmetauschers einen Winkelbereich zwischen 10° und 350° überstreichen. Mit anderen Worten können die Wärmetauscherrohre derart ausgebildet sein, dass sie einen Winkelbereich von 10°, 11°, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19°, 20°, 21°, 22°, 23°, 24°, 25°, 26°, 27°, 28°, 29°, 30°, 31°, 32°, 33°, 34°, 35°, 36°, 37°, 38°, 39°, 40°, 41°, 42°, 43°, 44°, 45°, 46°, 47°, 48°, 49°, 50°, 51°, 52°, 53°, 54°, 55°, 56°, 57°, 58°, 59°, 60°, 61°, 62°, 63°, 64°, 65°, 66°, 67°, 68°, 69°, 70°, 71°, 72°, 73°, 74°, 75°, 76°, 77°, 78°, 79°, 80°, 81°, 82°, 83°, 84°, 85°, 86°, 87°, 88°, 89°, 90°, 91°, 92°, 93°, 94°, 95°, 96°, 97°, 98°, 99°, 100°, 101°, 102°, 103°, 104°, 105°, 106°, 107°, 108°, 109°, 110°, 111°, 112°, 113°, 114°, 115°, 116°, 117°, 118°, 119°, 120°, 121°, 122°, 123°, 124°, 125°, 126°, 127°, 128°, 129°, 130°, 131°, 132°, 133°, 134°, 135°, 136°, 137°, 138°, 139°, 140°, 141°, 142°, 143°, 144°, 145°, 146°, 147°, 148°, 149°, 150°, 151°, 152°, 153°, 154°, 155°, 156°, 157°, 158°, 159°, 160°, 161°, 162°, 163°, 164°, 165°, 166°, 167°, 168°, 169°, 170°, 171°, 172°, 173°, 174°, 175°, 176°, 177°, 178°, 179°, 180°, 181°, 182°, 183°, 184°, 185°, 186°, 187°, 188°, 189°, 190°, 191°, 192°, 193°, 194°, 195°, 196°, 197°, 198°, 199°, 200°, 201°, 202°, 203°, 204°, 205°, 206°, 207°, 208°, 209°, 210°, 211°, 212°, 213°, 214°, 215°, 216°, 217°, 218°, 219°, 220°, 221°, 222°, 223°, 224°, 225°, 226°, 227°, 228°, 229°, 230°, 231°, 232°, 233°, 234°, 235°, 236°, 237°, 238°, 239°, 240°, 241°, 242°, 243°, 244°, 245°, 246°, 247°, 248°, 249°, 250°, 251°, 252°, 253°, 254°, 255°, 256°, 257°, 258°, 259°, 260°, 261°, 262°, 263°, 264°, 265°, 266°, 267°, 268°, 269°, 270°, 271°, 272°, 273°, 274°, 275°, 276°, 277°, 278°, 279°, 280°, 281°, 282°, 283°, 284°, 285°, 286°, 287°, 288°, 289°, 290°, 291°, 292°, 293°, 294°, 295°, 296°, 297°, 298°, 299°, 300°, 301°, 302°, 303°, 304°, 305°, 306°, 307°, 308°, 309°, 310°, 311°, 312°, 313°, 314°, 315°, 316°, 317°, 318°, 319°, 320°, 321°, 322°, 323°, 324°, 325°, 326°, 327°, 328°, 329°, 330°, 331°, 332°, 333°, 334°, 335°, 336°, 337°, 338°, 339°, 340°, 341°, 342°, 343°, 344°, 345°, 346°, 347°, 348°, 349° oder 350° überstreichen. Besonders bevorzugt sind Winkelbereiche im Bereich von 180°, so dass die Wärmetauscheinrichtung beispielsweise im Querschnitt zumindest annähernd Halbkreisförmig ausgebildet sein kann.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Wärmetauscher mindestens zwei Wärmetauscheinrichtungen umfasst. Hierdurch ist die konstruktive Freiheit und Anpassbarkeit des Wärmetauschers an unterschiedliche geometrische Bauraumvorgaben und unterschiedliche thermodynamische Vorgaben zusätzlich erhöht. Darüber hinaus ermöglicht die Aufteilung des Wärmeträgermediums auf mindestens zwei Wärmetauscheinrichtungen eine einfachere Strömungsführung mit geringeren Druckverlusten in der Zu- und Abfuhrleitung. In Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzzwecks kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr Wärmetauscheinrichtungen umfasst,
Weitere Verbesserungen des thermodynamischen Verhaltens des Wärmetauschers ergeben sich, wenn die mindestens zwei Wärmetauscheinrichtungen zumindest bereichsweise in mindestens zwei Lagen übereinander angeordnet sind. Auf diese Weise werden die mindestens zwei Wärmetauscheinrichtungen zumindest im Überlappungsbereich nacheinander vom umgebenden Fluid umströmt, so dass ein Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgermedium in den Wärmetauscherrohren der einzelnen Wärmetauscheinrichtungen und dem Fluid erfolgen kann. Mit der Zahl bzw. Fläche der Überlappungen nähert sich die Bauform des Wärmetauschers der eines Gegenstrom-Wärmetauschers an, welcher von allen Wärmetauscher-Bauarten die höchsten Austauschraten ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmetauscherrohre wenigstens einer Wärmetauscheinrichtung in mehreren Wärmetauscherrohrpaketen angeordnet sind, wobei jedes Wärmetauscherrohrpaket mindestens zwei Wärmetauscherrohre umfasst und wobei die Wärmetauscherrohrpakete jeweils axial voneinander beabstandet entlang des Verteilerrohrs und des Sammelrohrs angeordnet sind. Als Wärmetauscherrohrpaket ist dabei eine Anordnung von zwei oder mehrer Wärmetauscherrohren zu verstehen, die in sich verschachtelt und/oder in mehreren Lagen angeordnet sind. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt eine besonders einfache Anpassung der von den Wärmetauscherrohren belegten Querschnittsfläche und des thermodynamischen Verhaltens des Wärmetauschers an unterschiedliche Anwendungszwecke und Einbauvorgaben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verteilerrohr und/oder das Sammelrohr wenigstens einer Wärmetauscheinrichtung einenends verschlossen ist und/oder dass das Verteilerrohr und/oder das Sammelrohr einer Wärmetauscheinrichtung fluidisch mit einem Verteilerrohr und/oder einem Sammelrohr einer weiteren Wärmetauscheinrichtung gekoppelt ist. Hierdurch sind je nach Anwendungszweck unterschiedliche fluidische Verschaltungen der Verteiler- und Sammelrohre möglich. Beispielsweise kann das Wärmeträgermedium parallel durch mehrere Verteiler- und Sammelrohre geführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeträgermedium aber auch seriell durch mehrere Wärmetauscheinrichtungen geleitet werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere Mantelstromtriebwerk, mit wenigstens einem Wärmetauscher, der gemäß einem der Ausführungsbeispiele des ersten Erfindungsaspekts ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher ringartig um einen Strömungskanal, insbesondere um einen Abströmkanal einer letzten Turbinenstufe des Gasturbinentriebwerks und/oder im Bereich eines Rekuperators angeordnet ist. Dies ermöglicht eine einfache Strömungsführung mit geringen Druckverlusten.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Wärmetauscher derart im Bereich eines Abgaskanals des Gasturbinentriebwerks angeordnet ist, dass er während des Betriebs des Gasturbinentriebwerks radial von außen nach innen von Abgas durchströmt wird. Strömt der Abgasstrom durch den Wärmetauscher, wird ihm Wärme entzogen und seine Dichte vergrößert sich. Indem Abgas auf seinem Weg durch den Wärmetauscher radial von außen nach innen strömt, verringert sich die durchströmte Fläche. Der Geschwindigkeitsverlauf durch den Wärmetauscher kann somit einer konstanten Geschwindigkeit angenähert werden. Dies wirkt sich insbesondere bei Turbofan- bzw. Mantelstromtriebwerken positiv auf den Austauschgrad aus.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Wirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks vorteilhaft dadurch erhöht, dass jedes Verteilerrohr des Wärmetauschers fluidisch mit einem Verdichter des Gasturbinentriebwerks gekoppelt ist, so dass dem Wärmetauscher Verdichterluft als Wärmeträgermedium zuführbar ist und/oder dass jedes Sammelrohr des Wärmetauschers fluidisch mit einer Brennkammer des Gasturbinentriebwerks gekoppelt ist, so dass das Wärmeträgermedium in die Brennkammer abführbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn bei wenigstens einer Wärmetauscheinrichtung des Wärmetauschers entweder nur das Verteilerrohr oder nur das Sammelrohr am Gasturbinentriebwerk festgelegt ist. Hierdurch können thermische Spannungen besonders zuverlässig vermieden werden, da sich das jeweils andere Rohr bewegen kann und eine Ausdehnung bzw. Kontraktion der einzelnen, das Verteilerrohr und das Sammelrohr verbindenden Wärmetauscherrohre ermöglicht ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
1 eine schematische Frontalansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
2 eine schematische Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene A-A;
3 eine perspektivische Rückansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
4 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
5 eine schematische seitliche Schnittansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers; und
6 eine schematische Schnittansicht eines Gasturbinentriebwerks, in welchem der erfindungsgemäße Wärmetauscher angeordnet ist.
1 zeigt eine schematische Frontalansicht eines Wärmetauschers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert, in welcher eine schematische Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene A-A abgebildet ist. Der Wärmetauscher 10 umfasst, in Anzahl und Orientierung beispielhaft, vier Wärmetauscheinrichtungen 12a–d, die annähernd kreissegmentförmig bzw. in Form eines Hohlzylinders um eine Mittelachse M des Wärmetauschers 10 angeordnet sind. Jede Wärmetauscheinrichtung 12a–d umfasst dabei jeweils ein Verteilerrohr 14a–d zur Zuführung eines Wärmeträgermediums sowie ein Sammelrohr 16a–d zur Abführung des Wärmeträgermediums. Das Verteilerrohr 14a–d und das Sammelrohr 16a–d jeder Wärmetauscheinrichtung 12a–d sind dabei jeweils nur einerseits ihrer jeweiligen Mittelebenen E mit einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren 18 verbunden, die auch als Lanzetten bezeichnet werden können. Man erkennt, dass die Wärmetauscherrohre 18 jeder Wärmetauscheinrichtung 12a–d bezüglich der Mittelachse M des Wärmetauschers 10 jeweils einen Winkelbereich von etwa 180° überstreichen. Grundsätzlich können jedoch auch andere Winkelbereiche vorgesehen sein. Weiterhin wird aus 1 deutlich, dass die Wärmetauscheinrichtung 12a–d bereichsweise ineinander verschachtelt und dadurch in Abweichung von einer idealen Kreissegmentform spiralförmig in mehreren Lagen angeordnet sind. Der gezeigte Wärmetauscher 10 kann daher grundsätzlich auch als Spiralenwärmetauscher bezeichnet werden.
Die Wärmetauscherrohre 18 der Wärmetauscheinrichtungen 12a–d sind jeweils in Form von Wärmetauscherrohrpaketen 20 angeordnet, wobei jedes Wärmetauscherrohrpaket 20 im gezeigten Ausführungsbeispiel drei in radialer Richtung übereinander angeordnete Wärmetauscherrohre 18 umfasst. Grundsätzlich kann jedoch auch eine abweichende Anzahl von in radialer Richtung übereinander angeordneten Wärmetauscherrohren 18 vorgesehen sein. Die Wärmetauscherrohre 18 jedes Wärmetauscherrohrpakets 20 können dabei grundsätzlich miteinander verbunden bzw. aneinander abgestützt sein. Die Wärmetauscherrohrpakete 20 sind ihrerseits jeweils axial beabstandet entlang des Verteilerrohrs 14a–d und des Sammelrohrs 16a–d angeordnet, so dass Abgas eines Gasturbinentriebwerks den Wärmetauscher 10 gemäß den Pfeilen I radial von außen nach innen durchströmen kann. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lanzettenwärmetauschern, die als Kreuz-Gegenstromwärmetauscher konzipiert sind, bleibt somit auch beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher 10 der Charakter eines Kreuz-Gegenstromwärmetauschers grundsätzlich erhalten: Die erste Passage des kalten Stroms strömt zunächst an der zweiten Passage des heißen Stroms vorbei und umgekehrt.
Die Verteilerrohre 14a–d und die Sammelrohre 16a–d der Wärmetauscheinrichtungen 12a–d sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils einenends verschlossen, so dass das parallel in die jeweiligen Verteilerrohre 14a–d eingeführte Wärmeträgermedium durch die jeweiligen Wärmetauscherrohre 18 in die jeweiligen Sammelrohre 16a–d gelangt und wieder aus dem Wärmetauscher 10 ausgeleitet wird. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass mindestens eines der Sammelrohre 16a–d mit mindestens einem der Verteilerrohre 14a–d gekoppelt ist, so dass sich eine serielle Strömungsführung des Wärmeträgermediums ergibt.
Die Bauform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10 erlaubt eine freie Einstellung der drei Geometrieparameter XL1, XL2 und XLNO und somit des thermodynamischen Verhaltens des Wärmetauschers 10, wobei XL1 ein Maß für die Austauschlänge der Wärmetauscherrohre 18, XL2 ein Maß für die radial Höhe der Wärmetauscherrohrpakete 20 und XLNO ein Maß für die axiale Länge des Wärmetauschers 10 darstellen.
Da der Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10 konstruktive Ähnlichkeiten mit demjenigen bisheriger Lanzettenwärmetauscher aufweist, können bereits entwickelte Fertigungsprozesse für Lanzettenwärmetauscher in entsprechend abgewandelter Form auch für die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10 angewendet werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Lanzettenwärmetauschern entfällt beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher 10 die Umlenkung um 180° am Ende der Lanzetten bzw. der Wärmetauscherrohre 18 und somit deren Strömungsverluste. Zwar ist der Durchmesser der spiralförmig angeordneten Wärmetauscherrohre 18 durch Wahl der Austauschlänge XL1 gesetzt, jedoch kann dieser Parameter durch Veränderung der Zahl der zentralen Verteilerrohre 14a–d schrittweise angepasst werden.
Weiterhin können ohne konstruktive Änderungen erfindungsgemäße Wärmetauscher 10 mit mehr als zwei Passagen realisiert werden, beispielsweise indem über die Lauflänge XL1 um mehr als 180° umgelenkt wird. Mit der Zahl der Passagen nähert sich die Bauform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10 derjenigen eines Gegenstrom-Wärmetauschers an, welcher von allen Wärmetauscher-Bauarten die höchsten Austauschraten ermöglicht.
Damit eine thermische Ausdehnung der einzelnen Lanzetten bzw. Wärmetauscherrohre 18 möglich bleibt, werden beim Einbau des Wärmetauschers 10 in einem Gasturbinentriebwerk 22 (s. 6) lediglich die radial innen liegenden Verteilerrohre 14a–d fixiert. Damit ist eine Bewegung der radial äußeren Sammelrohre 16a–d in Umfangsrichtung des Wärmetauschers 10 ermöglicht, so dass das Auftreten von thermischen Spannungen zuverlässig verhindert wird. Da die als Anschlussrohre fungierenden Verteilerrohre 14a–d wegen ihrer eigenen Wärmeausdehnung ohnehin flexibel gestaltet werden sollten, ist diese kinematische Freigabe ohne weiteres möglich.
Zur weiteren Verdeutlichung des Aufbaus des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10, ist in 3 schematisch eine perspektivische Rückansicht des Wärmetauschers 10 gezeigt, wobei die einzelnen Wärmetauscherrohre 18 bzw. Wärmetauscherrohrpakete 20 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht einzeln aufgelöst, sondern als durchgehende Flächen abgebildet sind. Man erkennt insbesondere die spiralförmige und ineinander verschachtelte Anordnung der vier Wärmetauscheinrichtungen 12a–d.
4 zeigt weiterhin eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10, wobei die einzelnen Wärmetauscherrohre 18 bzw. Wärmetauscherrohrpakete 20 aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht einzeln aufgelöst, sondern als durchgehende Flächen abgebildet sind. Man erkennt insbesondere, dass die Verteilerrohre 14a–d und die Sammelrohre 16a–d jeweils parallel zur Mittelachse M des Wärmetauschers 10 angeordnet sind. 5 zeigt schließlich eine perspektivische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10, der in der Mitte durchgeschnitten dargestellt ist.
6 zeigt einen schematischen Ausschnitt eines möglichen Beispiels eines Abströmkanals 24 des Turbofan-Gasturbinentriebwerks 22, in welchem der in 1 bis 5 gezeigte Wärmetauscher 10 ringförmig um einen Strömungskanal 26 angeordnet ist. Da der Wärmetauscher 10 als Spiralenwärmetauscher ausgebildet ist, ist es möglich, die Durchströmungsrichtung des Wärmetauschers 10 im Vergleich zu herkömmlichen Lanzettenwärmetauschern, die in radialer Richtung von innen nach außen durchströmt werden, umzukehren, sodass der Wärmetauscher 10 gemäß Pfeil VIa radial von außen nach innen von Abgas durchströmt wird. Das Abgas wird seinerseits durch einen Abgaskanal 28 zum Strömungskanal 26 transportiert. Strömt das Abgas gemäß Pfeil VIa durch den Wärmetauscher 10, wird ihm Wärme entzogen und seine Dichte vergrößert sich. Da das Abgas auf seinem Weg durch den Wärmetauscher 10 radial von außen nach innen fließt, verringert sich die durchströmte Fläche des Wärmetauschers 10 entsprechend. Der Geschwindigkeitsverlauf des Abgases durch den Wärmetauscher 10 kann somit einem konstanten Verlauf angenähert werden. Dies wirkt sich positiv auf den Austauschgrad mit dem gemäß Pfeil VIb durch den Strömungskanal 26 geführten Fluid aus. Die Kaltgas-Anschlüsse, das heißt die Verbindungen zu den Verteilerrohren 14a–d des Wärmetauschers 10 werden bei der gezeigten Anordnung durch das sogenannte Turbine Exit Case (TEC) 30 geführt. Dabei zeigen die als Anschlussrohre fungierenden Verteilerrohren 14a–d direkt in Richtung eines stromauf angeordneten Verdichters des Gasturbinentriebwerks 22, womit Druckverluste des Wärmeträgermediums durch ansonsten erforderliche Umlenkungen vermieden werden.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher 10 bietet somit verschiedene Vorteile. Zunächst ermöglicht er eine bessere Integration der Wärmetauscher-Lanzetten bzw. Wärmetauscherrohre 18 in einen Turbofan. Weiterhin kann eine einfachere Strömungsführung in der Düse des Gasturbinentriebwerks 22 verwirklicht werden, wobei zusätzlich geringere Druckverluste in den als Zu- und Abfuhrleitung dienenden Verteilerrohren 14a–d und Sammelrohren 16a–d auftreten. Im Vergleich zu herkömmlichen Lanzettenmatrixwärmetauschern kann das ansonsten erforderliche Rohrsystem zur Verteilung des Kaltstroms auf die verschiedenen Lanzettenmatrixwärmetauscher entfallen. Ebenso kann auf die Abdeckplatten verzichtet werden, die bei herkömmlichen Lanzettenmatrixwärmetauschern zur Strömungsführung erforderlich sind. Hierdurch wird eine erhebliche Senkung des Gesamtgewichts des Gasturbinentriebwerks 22 ermöglicht. Aufgrund seiner flexiblen Gestaltbarkeit erlaubt der erfindungsgemäße Wärmetauscher 10 die freie Einstellbarkeit von Austauschgrad und Druckverlusten durch entsprechende Geometrieanpassung. Durch die spiralförmige bzw. annähernd kreissegmentförmige Ausgestaltung der Wärmetauscherrohre 18 ergibt sich eine deutliche Verringerung des Druckverlustes in den Lanzetten, da ihr Krümmungsradius im Vergleich zu den U-förmig gebogenen Lanzetten herkömmlicher Lanzettenmatrixwärmetauscher gleichmäßig verläuft und deutlich größer ist. Damit ergibt sich auch ein besserer Geschwindigkeitsverlauf des Wärmetauschermediums durch die Heißseite des Wärmetauschers 10. Zudem treten keine strömungskritischen Übergangsstellen zwischen den Wärmetauscherrohrpaketen 20 auf der Heißseite des Wärmetauschers 10 auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10236380 A1 [0002]

Claims

Wärmetauscher (10) für ein Gasturbinentriebwerk (22), insbesondere für ein Mantelstromtriebwerk, welcher zumindest eine Wärmetauscheinrichtung (12a–d) umfasst, die ein Verteilerrohr (14a–d) zur Zuführung eines Wärmeträgermediums und ein Sammelrohr (16a–d) zur Abführung des Wärmeträgermediums aufweist, wobei das Verteilerrohr (14a–d) und das Sammelrohr (16a–d) über eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren (18) fluidisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerrohr (14a–d) und das Sammelrohr (16a–d) der Wärmetauscheinrichtung (10) jeweils nur einerseits ihrer jeweiligen Mittelebenen (E) mit den Wärmetauscherrohren (18) verbunden sind.
Wärmetauscher (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest annähernd hohlzylinderförmig ausgebildet ist.
Wärmetauscher (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerrohr (14a–d) und das Sammelrohr (16a–d) der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung (12a–d) zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse (M) des Wärmetauschers (10) angeordnet und die Wärmetauscherrohre (18) der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung (12a–d) zumindest bereichsweise gekrümmt, insbesondere im Querschnitt zumindest im Wesentlichen spiralförmig und/oder kreisringsegmentförmig, um die Mittelachse (M) des Wärmetauschers (10) angeordnet sind.
Wärmetauscher (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (18) der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung (12a–d) bezüglich der Mittelachse (M) des Wärmetauschers (10) einen Winkelbereich zwischen 10° und 350° überstreichen.
Wärmetauscher (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindestens zwei Wärmetauscheinrichtungen (12a–d) umfasst.
Wärmetauscher (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Wärmetauscheinrichtungen (12a–d) zumindest bereichsweise in mindestens zwei Lagen übereinander angeordnet sind.
Wärmetauscher (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (18) wenigstens einer Wärmetauscheinrichtung (12a–d) in mehreren Wärmetauscherrohrpaketen (20) angeordnet sind, wobei jedes Wärmetauscherrohrpaket (20) mindestens zwei Wärmetauscherrohre (18) umfasst und wobei die Wärmetauscherrohrpakete (20) jeweils axial voneinander beabstandet entlang des Verteilerrohrs (14a–d) und des Sammelrohrs (16a–d) angeordnet sind.
Wärmetauscher (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerrohr (14a–d) und/oder das Sammelrohr (16a–d) wenigstens einer Wärmetauscheinrichtung (12a–d) einenends verschlossen ist und/oder dass das Verteilerrohr (14a–d) und/oder das Sammelrohr (16a–d) einer Wärmetauscheinrichtung (12a–d) fluidisch mit einem Verteilerrohr (14a–d) und/oder einem Sammelrohr (16a–d) einer weiteren Wärmetauscheinrichtung gekoppelt ist.
Gasturbinentriebwerk (22), insbesondere Mantelstromtriebwerk, mit wenigstens einem Wärmetauscher (10), dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmetauscher (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Gasturbinentriebwerk (22) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) ringartig um einen Strömungskanal (26), insbesondere um einen Abströmkanal (24) einer letzten Turbinenstufe des Gasturbinentriebwerks (22) und/oder im Bereich eines Rekuperators angeordnet ist.
Gasturbinentriebwerk (22) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) derart im Bereich eines Abgaskanals (28) des Gasturbinentriebwerks angeordnet ist, dass er während des Betriebs des Gasturbinentriebwerks radial von außen nach innen von Abgas durchströmt wird.
Gasturbinentriebwerk (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verteilerrohr (14a–d) des Wärmetauschers (10) fluidisch mit einem Verdichter des Gasturbinentriebwerks (22) gekoppelt ist, so dass dem Wärmetauscher (10) Verdichterluft als Wärmeträgermedium zuführbar ist und/oder dass jedes Sammelrohr (16a–d) des Wärmetauschers (10) fluidisch mit einer Brennkammer des Gasturbinentriebwerks (22) gekoppelt ist, so dass das Wärmeträgermedium in die Brennkammer abführbar ist.
Gasturbinentriebwerk (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einer Wärmetauscheinrichtung (12a–d) des Wärmetauschers (10) entweder nur das Verteilerrohr (14a–d) oder nur das Sammelrohr (16a–d) am Gasturbinentriebwerk (22) festgelegt ist.