DE102014017393B4 - Strömungsmaschine und Verfahren - Google Patents

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Abstract

Strömungsmaschine (1, 1') mit zumindest einer Verdichterseite (4, 4'), zumindest einer Turbinenseite (8, 8') und mit zumindest einem Brennkammerbereich (6), der zwischen der zumindest einen Verdichterseite (4, 4') und der zumindest einen Turbinenseite (8, 8') angeordnet ist, wobei die Strömungsmaschine (1, 1') einen inneren Kernbereich (22) und zumindest einen äußeren Kernbereich (26, 36) hat, und wobei der innere Kernbereich (22) einen Hochdruckverdichter (14) und eine Hochdruckturbine (16) umfasst, die mit einer ersten Welle (24) in Wirkverbindung stehen, und der äußere Kernbereich (26) einen Mitteldruckverdichter (12, 38) und eine Mitteldruckturbine (18, 42) umfasst, die mit einer zweiten Welle (28, 40) in Wirkverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kernbereich (26, 36) nicht weniger als 60% bis 80% einer Kernverdichtung leistet und der innere Kernbereich (22) nicht mehr als 20% bis 40% der Kernverdichtung leistet, wobei der innere Kernbereich (22) ein maximales Druckverhältnis von 3:1 aufweist und ein restliches Druckverhältnis im äußeren Kernbereich (26, 36) geregelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit zumindest einer Verdichterseite, zumindest einer Turbinenseite, und mit zumindest einem Brennkammerbereich, der zwischen der zumindest einen Verdichterseite und der zumindest einen Turbinenseite angeordnet ist, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine.
  • Gasgetriebene Strömungsmaschinen mit einer Verdichterseite, einem Brennkammerbereich und einer Turbinenseite sind regelmäßig als Flugtriebwerke oder als Industrieturbinen im Einsatz. Als Flugtriebwerke werden diese Strömungsmaschinen häufig auch als Kerntriebwerke bezeichnet und existieren in verschiedenen Ausführungen beispielsweise als Turbowellen-, Turboprop-, Turbofan-, Turbojet-Triebwerk. Industrieturbinen betreffen alle anderen Gebiete außerhalb der Luft- und Raumfahrt. Insbesondere Flugtriebwerke sind bezüglich ihres Gewichts, ihrer Leistung und ihrer Effizienz besondere Anforderungen gestellt. Industrieturbinen umfassen gewöhnlich sowohl Kraftwerksturbinen als auch mobile Varianten, wie beispielsweise für Schiffsantriebe.
  • Beispielhafte Flugtriebwerke sind in der US 2 704 434 A , FR 980 416 A , US 2007/0 051091 A1 , US 2 820 599 A , WO 2011/121 355 A2 , US 8 205 429 B2 , US 2008/0 141 650 A1 und in der US 3 956 887 A1 gezeigt. Weiterer Stand der Technik ist ebenso in der US 2012/0 114 479 A1 , WO 2014/098 962 A1 , EP 1 510 682 A2 , WO 2013/138 212 A1 , WO 2014/058 710 A1 und in BRÄUNLING, Willy, J. G.: Flugzeugtriebwerke: Grundlagen, Aero-Thermodynamik, ideale und reale Kreisprozesse, thermische Turbomaschinen, Komponenten, Emissionen und Systeme. 3., vollst. überarb. und erw. Aufl. Dordrecht [u. a.]: Springer. – 2009. S. 956–959 u. S. 962. – ISBN 978-3-540-76368-0 gezeigt.
  • Die vorgenannte US 3 956 887 A1 zeigt beispielsweise ein dreiwelliges Flugtriebwerk, das in Richtung eines die Strömungsmaschine durchströmenden Hauptstroms einen Fan bzw. ein Gebläse, eine Verdichterseite, einen Brennkammerbereich sowie eine Turbinenseite hat. Die Verdichterseite umfasst einen Mitteldruckverdichter und einen Hochdruckverdichter. Die Turbinenseite umfasst eine Hochdruckturbine, eine Mitteldruckturbine und eine Niederdruckturbine. Der Hochdruckverdichter und die Hochdruckturbine stehen mit einer ersten Welle in Wirkverbindung und bilden einen inneren Kernbereich. Der Mitteldruckverdichter und die Mitteldruckturbine stehen über eine zweite Welle in Wirkverbindung und bilden einen äußeren Kernbereich. Die Niederdruckturbine treibt über eine dritte Welle den Fan an. Eine derartige Strömungsmaschine basiert auf dem sogenannten Kernkonzept, bei dem ein Maschinenkern als ein Gasgenerator angesehen werden kann, der die Energie liefert, die zum Betreiben einer Fanstufe notwendig ist. Die Turbinen, insbesondere Hochdruckturbinen, werden im kritischen Bereich dimensioniert bzw. ausgelegt. Ein Merkmal, das in bekannten Strömungsmaschinen bzw. Kerntriebwerken vorzufinden ist, besteht im überkritischen Druckverhältnis im Turbinenbereich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine mit zumindest einer Verdichterseite, zumindest einer Turbinenseite, und mit zumindest einem Brennkammerbereich, der zwischen der zumindest einen Verdichterseite und der zumindest einen Turbinenseite angeordnet ist, zu schaffen, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Strömungsmaschine zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
  • Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine hat zumindest eine Verdichterseite, zumindest eine Turbinenseite und zumindest einen Brennkammerbereich, der zwischen der zumindest einen Verdichterseite und der zumindest einen Turbinenseite angeordnet ist. Erfindungsgemäß hat die Strömungsmaschine einen inneren Kernbereich und zumindest einen äußeren Kernbereich, wobei der innere Kernbereich einen Hochdruckverdichter und eine Hochdruckturbine umfasst, die mit einer ersten Welle in Wirkverbindung stehen. Der äußere Kernbereich hat einen Mitteldruckverdichter und eine Mitteldruckturbine, die mit einer zweiten Welle in Wirkverbindung stehen. Erfindungsgemäß leistet der äußere Kernbereich nicht weniger als 60% bis 80% einer Kernverdichtung und der innere Kernbereich nicht mehr als 20% bis 40% der Kernverdichtung. Der äußere Kernbereich hat ein maximales Druckverhältnis von 7:1. Der innere Kernbereich hat ein maximales Druckverhältnis von 3:1, bevorzugterweise von 2 bzw. 2,5:1. Ein restliches Druckverhältnis wird im äußeren Kernbereich geregelt.
  • Bei der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine wird der Verdichterprozess derart unterteilt, dass die Strömungsfunktionen, die die erste Turbinenstufe definieren, sämtlichst unterkritische Gitterdruck- bzw. Druckverhältnisse aufweisen. Der Rotor kann kritisch werden. Dies erlaubt es, dass die Turbinenseite im Bereich der Stodola-Ellipse und somit im interessierenden Betriebsbereich betrieben werden kann, was bekannten Strömungsmaschinen, die herkömmlich ausgelegt bzw. dimensioniert sind, nicht möglich ist, wodurch der thermische Wirkungsgrad verbessert wird. Strömungsmaschinen in diesem Bereich haben Leitschaufeln, die einen Unterschallfluss aufweisen, der eine signifikante Veränderung der Turbinenkapazität (Strömungsfunktion) mit dem Rotoreinlasswinkel α und der korrigierten Rotorgeschwindigkeit N/√Tin ermöglicht. Die Niederdruckseite kann konventionell ausgelegt werden, jedoch wird der Verdichtungsprozess innerhalb des Kernbereiches geändert. Die maximalen Druckverhältnisse beziehen sich auf eine konventionelle Turbinenstufe mit Statoren im Unterschall. Statorlose gegenläufige Turbinen können eventuell mehr. Dies ermöglicht es, die Leitschaufeln im unterkritischen Bereich betreiben zu können. Mit der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ist es möglich, eine wesentlich kleinere Turbinenkapazität bereitzustellen als bei herkömmlichen Strömungsmaschinen, ohne jedoch die Strömungsmaschine Stabilitätsproblemen auszusetzen. Ein übermäßiger Komplexitäts- sowie Gewichtszuwachs muss nicht erfolgen. Beispielhafte Strömungsmaschinen sind Kerntriebwerke, ausgeführt als zivile oder militärische Turbowellen-, Turboprop-, Turbofan-, Turbojet-Triebwerke. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Strömungsmaschine als Industrieturbine auch in einen Schiffsantrieb verwendet werden oder eine Kraftwerksturbine sein.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der äußere Kernbereich ein maximales Druckverhältnis von mindestens 7:1 auf. Ein Druckverhältnis von mehr als 7:1 lässt sich beispielsweise bei weiter unten skizzierten statorlosen, gegenläufigen Turbinen erzielen.
  • Bevorzugterweise weist/weisen der Mitteldruckverdichter und/oder der Hochdruckverdichter Leitschaufeln mit verstellbarer Schaufelgeometrie auf. Durch einen Einstellmechanismus der Leitschaufeln können die Drehzahl/ Rotoreinlasswinkel-bezogenen Kapazitätswechsel auf der Turbinenseite eingestellt werden, die zum Betreiben der Turbine im Stodola-Ellipsenbereich notwendig sind. Bevorzugterweise ist der Verdichter mit soviel einstellbaren Schaufelgeometrien ausgestattet, um größere Änderungen der Verdichterkapazität ohne einen Wirksamkeitsverlust zu ermöglichen.
  • Zusätzlich und/oder alternativ kann/können die Hochdruckturbine und/oder die Mitteldruckturbine verstellbare Leitschaufeln aufweisen. Ein derartiger Regelungsmechanismus lässt sich technisch einfach in die jeweilige Strömungsmaschine integrieren. Darüber hinaus können alternative kapazitätsvariierende Mechanismen vorgesehen sein.
  • Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Hochdruckturbine oder Mitteldruckturbine einen statorlosen gegenläufigen Rotor auf. Die Hochdruckturbine oder Mitteldruckturbine weist dann also keine Leitschaufeln auf. Der gegenläufige Rotor ist dabei aerodynamisch, also eng gekoppelt. Ein Niederdrucksystem kann über eine dritte Welle angetrieben werden, die mit einer Niederdruckturbine in Wirkverbindung steht. Ein beispielhaftes Niederdrucksystem ist ein Niederdruckverdichter und/oder ein Fan und/oder ein Propeller.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel sind der innere Kernbereich, der äußere Kernbereich sowie das Niederdrucksystem fluchtend axial hintereinander bzw. konzentrisch zueinander angeordnet. Hierdurch ist eine sehr schmale Bauform erreichbar.
  • Bei einem alternativen, asymmetrischen Ausführungsbeispiel sind der innere Kernbereich und der äußere Kernbereich exzentrisch zueinander angeordnet. Hierdurch lässt sich die Bauform axial verkürzen.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der innere Kernbereich zwei äußeren Kernbereichen und zwei Niederdrucksystemen zugeordnet. Durch diese Maßnahme lässt sich die Komponentenanzahl reduzieren.
  • Die Hochdruckturbine und/oder die Mitteldruckturbine können leitschaufelseitig unterkritisch ausgelegt und rotorseitig durchflussbegrenzt (chocked flow) ausgelegt sein.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine wird eine Brennkammeraustrittstemperatur festgesetzt und auf Basis der Brennkammeraustrittstemperatur eine Kapazität der Strömungsmaschine bestimmt, wobei eine verdichterseitige Leistungsaufteilungsänderung von Wellen eines inneren Kernbereichs und eines äußeren Kernbereichs eingeleitet wird. Hierdurch ist es möglich, die Strömungsmaschine stets optimal zu betreiben, da auf sich ändernde Bedingungen flexibel und in Echtzeit reagiert werden kann. Ein Betreiben der Strömungsmaschine in extremen Betriebspunkten bzw. im kritischen Bereich nahe oder außerhalb eines Stabilitätsbereichs wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verhindert. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung einer geringeren Niederdruckturbinenkapazität als es bei einer herkömmlichen Strömungsmaschine erforderlich wäre, ohne dass hierbei Stabilitätsprobleme im Verdichter auftreten. Dies ist sehr vorteilhaft bzgl. der Leistungsdichte.
  • Eine Steuerung einer Arbeitsverteilung kann durch Luftablassen bzw. durch Einstellen eines variablen Massenstroms erfolgen. Hierzu können entsprechende Einrichtungen wie Steuerglieder, beispielsweise ein variabler Bypass-Injektor, in die Strömungsmaschine integriert werden. Dies schafft eine zusätzliche Flexibilität.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Strömungsmaschine so betrieben, dass beim Erreichen eines kritischen Bereichs Strömungsverhältnisse in ihrem Rotor unkritisch werden. Beispielsweise ist die Strömungsmaschine ein Flugtriebwerk und weist in einer Flughöhe von 3000 m bis 12000 m einen bevorzugten Machbereich von 0,3 Mach bis 0,6 Mach auf. Wenn nun allerdings die Machzahl bei einer Flughöhe 4000 m 1,2 beträgt, so wird dies als kritisch gewertet und die Strömungsmaschine derart eingestellt, dass der Rotor unterkritisch wird. Ebenso wird es beispielsweise als kritisch gewertet, wenn die Machzahl bei einer Flughöhe von 12000 m aber 0,4 bis 0,5 beträgt. Auch dann erlaubt das Verfahren, die Strömungsmaschine so einzustellen, dass ihr Rotor unterkritisch betrieben wird. Dieses Verfahren in Kombination mit der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ermöglicht stets die Einhaltung des Stabilitätsbereichs und darüber hinaus den Betrieb in einem optimalen Bereich. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass Flugmachzahlen alleine nicht den Arbeitspunkt eines Triebwerks bestimmen.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine, und
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine.
  • Die in den folgenden Figuren gezeigten Strömungsmaschinen 1, 1' haben zumindest einen inneren Kernbereich und zumindest einen äußeren Kernbereich. Aus Gründen der Darstellbarkeit sind die Bezugsziffern der Kernbereich in Klammern hinter die Maschinenelemente gesetzt, die eine Komponente des jeweiligen Kernbereichs bilden.
  • In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 1 gezeigt. Die Strömungsmaschine 1 hat in Richtung eines die Strömungsmaschine 1 durchströmenden Arbeitsmediums einen Fan bzw. ein Gebläse 2, eine Verdichterseite bzw. einen Verdichter 4, einen Brennkammerbereich 6 sowie eine Turbinenseite bzw. eine Turbine B. Die Strömungsmaschine 1 ist ein Kerntriebwerk und wird allgemein auch als Gasturbine bezeichnet, wobei die Gasturbine hier ein Flugtriebwerk ist. Alternative Ausführungsbeispiele sind stationäre Gasturbinen in Form einer Industrieturbine bzw. Kraftwerksturbine in Kerntriebwerkbauweise anwenden.
  • Die Verdichterseite 4 umfasst einen Niederdruckverdichter 10, einen Mitteldruckverdichter 12 sowie einen Hochdruckverdichter 14.
  • Die Turbinenseite 8 umfasst eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 18 sowie eine Niederdruckturbine 20.
  • Der Hochdruckverdichter 14 und die Hochdruckturbine 16 bilden zusammen einen inneren Kernbereich 22. Dabei wird der Hochdruckverdichter 14 über eine mit der Hochdruckturbine 16 in Wirkverbindung stehenden inneren Welle 24 angetrieben.
  • Der Mitteldruckverdichter 12 sowie die Mitteldruckturbine 18 bilden einen äußeren Kernbereich 26. Die Mitteldruckturbine 18 wird über eine mit der Mitteldruckturbine 18 in Wirkverbindung stehenden äußeren Welle 28 angetrieben.
  • Der innere Kernbereich 22, der äußere Kernbereich 26 sowie der Niederdruckverdichter 10 und der Fan 2 sind bei diesem Ausführungsbeispiel fluchtend axial hintereinander angeordnet.
  • Der Niederdruckverdichter 10 sowie der Fan 2 werden mittels einer Niederdruckwelle 30 angetrieben, die sich von der Niederdruckturbine 20 erstreckt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel bilden der Niederdruckverdichter 10 und der Fan 2 zusammen ein Niederdrucksystem. Es wird jedoch angemerkt, dass ein Niederdrucksystem im Sinne der Erfindung auch nur einen Niederdruckverdichter 10 oder nur einen Fan 2 enthalten kann.
  • Zumindest der Mitteldruckverdichter 12 und der Hochdruckverdichter 14 weisen verstellbare nicht gezeigte Leitschaufeln auf. Die Hochdruckturbine 16 und die Mitteldruckturbine 18 können ebenfalls verstellbare nicht gezeigte Leitschaufeln aufweisen oder alternative kapazitätsvariierende Mechanismen enthalten.
  • Die Steuerung und Regelung der Kernbereiche 22, 26 erfolgt derart, dass der äußere Kernbereich 26 nicht weniger als 60% bis 80% einer Kernverdichtung leistet und der innere Kernbereich 22 nicht mehr als 20% bis 40% der Kernverdichtung leistet. Der innere Kernbereich hat ein bevorzugtes maximales Druckverhältnis von 3:1, bevorzugterweise von 2 bzw. 2,5:1. Ein restliches Druckverhältnis wird im äußeren Kernbereich 26 geregelt. Bevorzugterweise hat der äußere Kernbereich 26 ein maximales Druckverhältnis von mindestens 7:1. Die Druckverhältnisse beziehen sich auf eine konventionelle Turbinenstufe mit Statoren im Unterschall. Statorlose gegenläufige Turbinen können eventuell mehr. Dies ermöglicht es, die Leitschaufeln im unterkritischen Bereich betreiben zu können. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Brennkammerausgangstemperatur festgesetzt und die Verdichterkapazität mittels der verstellbaren Leitschaufeln dann so beeinflusst, dass resultierende Turbinenkapazitäten ein optimales Druckverhältnis der Strömungsmaschine einstellen. Hierzu wird eine verdichterseitige Leistungsaufteilung der Wellen 24, 28 des inneren Kernbereichs 22 und des äußeren Kernbereichs 26 eingeleitet. Mit anderen Worten, die Brennkammeraustrittstemperatur bestimmt das gesamte Leistungsband der Strömungsmaschine 1, das in Hinblick auf das gesamte Druckverhältnisses optimiert wird, das wiederrum in Abhängigkeit von der Verdichter- und Turbinenkapazität des inneren Kernbereichs 22 sowie des äußeren Kernbereichs 26 gewählt wird. Zur Einstellung werden die einstellbaren Leitschaufeln und die Leistungsverteilung der Wellen 24, 28 verwendet. Durch Setzen der Brennkammeraustrittstemperatur wird der maximale thermische Wirkungsgrad eingestellt, der von den Turbinen- und Verdichterkapazitäten bestimmt wird. Zusammenfassend wird der grundsätzliche thermodynamische Kreislauf durch die Brennkammerausgangstemperatur und die Turbinen- und Verdichterkapazitäten bestimmt. Eine dynamische Übergangssteuerung und -regelung wird durch Einstellen der Verdichter und der daraus resultierenden Turbinenkapazität des äußeren Kernbereichs 32 erreicht. Ein Leistungsgrad wird dadurch gewonnen, dass die Turbinenkapazität zu niedrigeren Leistungspunkten für den gegebenen Arbeitsbereich verschoben wird, und dann sukzessive die Kapazität zum Steigern des Leistungsniveaus reduziert wird.
  • Dieses erfindungsgemäße Verfahren kann bei den im Folgenden in den 2 und 3 beschriebenen Strömungsmaschinen 1, 1' Anwendung finden.
  • In 2 ist eine mehrwellige Strömungsmaschine 2 mit einer Verdichterseite 4, einem Brennkammerbereich 6 und einer Turbinenseite 8 gezeigt, deren innerer Kernbereich 22 exzentrisch zum äußeren Kernbereich 26 angeordnet ist. Der innere Kernbereich 22 umfasst einen Hochdruckverdichter 14 und eine den Hochdruckverdichter 14 über eine Welle 24 antreibende Hochdruckturbine 16. Der äußere Kernbereich 26 umfasst einen Mitteldruckverdichter 12 und eine den Mitteldruckverdichter 12 über eine Welle 28 antreibende Mitteldruckturbine 18. Ein Niederdrucksystem, hier ebenfalls von einem Niederdruckverdichter 10 und einem Fan 2 gebildet, wird mittels einer Niederdruckwelle 30 angetrieben, die sich von der Niederdruckturbine 20 erstreckt. Zum Führen eines Arbeitsmediums axial versetzt, ist zwischen dem Mitteldruckverdichter 12 und dem Hochdruckverdichter 14, sowie zwischen der Hochdruckturbine 16 und der Mitteldruckturbine 18 jeweils ein Zwischengehäuse 32, 34 angeordnet.
  • In 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem quasi zwei Strömungsmaschinen 1, 1' auf einen gemeinsamen inneren Kernbereich 22 zugreifen. Sie haben jeweils quasi eine einzelne Verdichterseite 4, 4' und eine einzelne Turbinenseite 8, 8', greifen jedoch auf einen gemeinsamen inneren Kernbereich 22 und somit auf einen gemeinsamen Brennkammerbereich 6 zu. Der innere Kernbereich 22 umfasst einen Hochdruckverdichter 14 und eine Hochdruckturbine 16, die mittels einer inneren Welle 24 den Hochdruckverdichter 14 antreibt. Die Strömungsmaschinen 1, 1' haben jeweils einen eigenen äußeren Kernbereich 26, 36, bestehend aus jeweils einem Mitteldruckverdichter 12, 38 und einer den Mitteldruckverdichter 12, 38 über eine äußere Welle 28, 40 antreibende Mitteldruckturbine 18, 42. Zudem haben die Strömungsmaschinen hier jeweils ein Niederdrucksystem, ebenfalls gebildet von einem Niederdruckverdichter 10, 44 und einem Fan 2, 46, sowie jeweils eine die Niederdrucksysteme bzw. den Niederdruckverdichter 10, 44, und den Fan 2, 46 über eine Niederdruckwelle 30, 48 antreibende Niederdruckturbine 20, 50. Zum Führen des Arbeitsmediums ist zwischen dem Mitteldruckverdichter 12, 38 und dem Hochdruckverdichter 14, sowie zwischen der Hochdruckturbine 16 und der Mitteldruckturbine 18, 42 jeweils ein Zwischengehäuse 32, 34, 52, 54 angeordnet.
  • Bei allen Ausführungsbeispielen liegt im Bereich des Fachmanns, die Niederdrucksysteme, hier gebildet von dem Niederdruckverdichter 10 und dem Fan 2, beispielsweise für Turbowellen-, Turboprop-, Turbojet-Kerntriebwerke anzupassen oder die Strömungsmaschine 1, 1' ohne Niederdrucksystem auszuführen.
  • Offenbart ist eine Strömungsmaschine mit zumindest einer Verdichterseite, zumindest einer Turbinenseite und mit zumindest einem Brennkammerbereich, der zwischen der zumindest einen Verdichterseite und der zumindest einen Turbinenseite angeordnet ist, wobei die Strömungsmaschine einen inneren Kernbereich und einen äußeren Kernbereich hat, wobei der innere Kernbereich einen Hochdruckverdichter und eine Hochdruckturbine umfasst, die mit einer ersten Welle in Wirkverbindung stehen, und der äußere Kernbereich einen Mitteldruckverdichter und eine Mitterdruckturbine umfasst, die mit einer zweiten Welle in Wirkverbindung stehen, und wobei der äußere Kernbereich nicht weniger als 60% bis 80% einer Kernverdichtung leistet und der innere Kernbereich nicht mehr als 20% bis 40% der Kernverdichtung leistet, wobei der innere Kernbereich ein Druckverhältnis von 3:1, bevorzugterweise von 2 bzw. 2,5:1, aufweist und ein restliches Druckverhältnis im äußeren Kernbereich geregelt wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben bzw. Auslegen einer Strömungsmaschine mit einem Kerntriebwerk.
  • Bezugszeichenliste
  • 1, 1'
    Strömungsmaschine
    2
    Fan/Gebläse
    4, 4'
    Verdichterseite/Verdichter
    6
    Brennkammerbereich
    8, 8'
    Turbinenseite/Turbine
    10
    Niederdruckverdichter
    12
    Mitteldruckverdichter
    14
    Hochdruckverdichter
    16
    Hochdruckturbine
    18
    Mitteldruckturbine
    20
    Niederdruckturbine
    22
    innerer Kernbereich
    24
    innere Welle
    26
    äußerer Kernbereich
    28
    äußere Welle
    30
    Niederdruckwelle
    32
    Zwischengehäuse
    34
    Zwischengehäuse
    36
    äußerer Kernbereich
    38
    Mitteldruckverdichter
    40
    äußere Welle
    42
    Mitteldruckturbine
    44
    Niederdruckverdichter
    46
    Fan
    48
    Niederdruckwelle
    50
    Niederdruckturbine
    52
    Zwischengehäuse
    54
    Zwischengehäuse

Claims (13)

  1. Strömungsmaschine (1, 1') mit zumindest einer Verdichterseite (4, 4'), zumindest einer Turbinenseite (8, 8') und mit zumindest einem Brennkammerbereich (6), der zwischen der zumindest einen Verdichterseite (4, 4') und der zumindest einen Turbinenseite (8, 8') angeordnet ist, wobei die Strömungsmaschine (1, 1') einen inneren Kernbereich (22) und zumindest einen äußeren Kernbereich (26, 36) hat, und wobei der innere Kernbereich (22) einen Hochdruckverdichter (14) und eine Hochdruckturbine (16) umfasst, die mit einer ersten Welle (24) in Wirkverbindung stehen, und der äußere Kernbereich (26) einen Mitteldruckverdichter (12, 38) und eine Mitteldruckturbine (18, 42) umfasst, die mit einer zweiten Welle (28, 40) in Wirkverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kernbereich (26, 36) nicht weniger als 60% bis 80% einer Kernverdichtung leistet und der innere Kernbereich (22) nicht mehr als 20% bis 40% der Kernverdichtung leistet, wobei der innere Kernbereich (22) ein maximales Druckverhältnis von 3:1 aufweist und ein restliches Druckverhältnis im äußeren Kernbereich (26, 36) geregelt wird.
  2. Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, wobei der äußere Kernbereich (26) ein maximales Druckverhältnis von mindestens 7:1 aufweist.
  3. Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Mitteldruckverdichter (12, 38) und/oder der Hochdruckverdichter (14) Leitschaufeln mit verstellbarer Schaufelgeometrie aufweisen.
  4. Strömungsmaschine nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, wobei die Hochdruckturbine (16) und/oder die Mitteldruckturbine (18, 42) verstellbare Leitschaufeln aufweist.
  5. Strömungsmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei die Hochdruckturbine (16) oder Mitteldruckturbine (18, 42) einen statorlosen gegenläufigen Rotor aufweist.
  6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Niederdrucksystem (2, 10, 44, 46) über eine Welle (30, 48) mit einer Niederdruckturbine (20, 50) in Wirkverbindung steht.
  7. Strömungsmaschine nach Patentanspruch 6, wobei der innere Kernbereich (22), der äußere Kernbereich (26), sowie das Niederdrucksystem (10) fluchtend axial hintereinander angeordnet sind.
  8. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der innere Kernbereich (22) und der äußere Kernbereich (26) exzentrisch zueinander angeordnet sind.
  9. Strömungsmaschine nach Patentanspruch 6, wobei der innere Kernbereich (22) zwei äußeren Kernbereichen (26, 36) und zwei Niederdrucksystemen (2, 10, 44, 46) zugeordnet ist.
  10. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Hochdruckturbine (16) und/oder die Mitteldruckturbine (18, 42) leitschaufelseitig unterkritisch ausgelegt ist und rotorseitig durchflussbegrenzt ausgelegt ist.
  11. Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine (1, 1') nach den vorhergehenden Patentansprüchen, wobei eine Brennkammeraustrittstemperatur festgesetzt wird und auf Basis der Brennkammeraustrittstemperatur eine Kapazität der Strömungsmaschine (1, 1') bestimmt wird, wobei eine verdichterseitige Leistungsaufteilungsänderung von Wellen (24, 28, 40) eines inneren Kernbereichs (22) und eines äußeren Kernbereichs (26) eingeleitet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Steuerung einer Arbeitsverteilung durch Luftablassen bzw. Einstellen eines variablen Massenstroms erfolgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 10 bis 11, wobei ein Rotor der Strömungsmaschine beim Erreichen eines kritischen Bereichs unkritisch eingestellt wird.
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