DE102016006764A1

DE102016006764A1 - Anordnung, umfassend eine Turbomaschine und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102016006764A1
Application number: DE102016006764.0A
Authority: DE
Inventors: Steffen POGGEL; Sven Schmidt
Original assignee: Diehl Aerospace GmbH
Current assignee: Diehl Aerospace GmbH
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2036-06-03
Also published as: US20170350317A1; CA2967314A1; DE102016006764B4; FR3052146A1; FR3052146B1; BR102017010753A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1, 15), umfassend eine Turbomaschine (2, 16) mit einem Verdichter (3) und einer von einem Leckagestrom durchströmbaren, über ein regelbares Ventil (8) mit dem Verdichter (3) verbundenen Zapfluftleitung (9) zum Zuführen des Leckagestroms zu einem Aggregat, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat als eine durch den Leckagestrom antreibbare Pumpe, als Strahlpumpe (10) oder als Lüfter (17) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, umfassend eine Turbomaschine mit einem Verdichter und einer von einem Leckagestrom durchströmbaren, über ein regelbares Ventil mit dem Verdichter verbundenen Zapfluftleitung zum Zuführen des Leckagestroms zu einem Aggregat.
Der in dieser Anmeldung verwendete Begriff ”Turbomaschine” umfasst jegliche Strömungsmaschinen, beispielsweise eine Dampfturbine, eine Gasturbine, einen Turboverdichter oder ein Strahltriebwerk.
Derartige Turbomaschinen zeichnen sich durch einen hohen Massenstrom aus. Um eine Turbomaschine über einen weiten Druckbereich und in unterschiedlichen Betriebszuständen energieeffizient betreiben zu können, ist üblicherweise eine Überströmeinrichtung vorhanden, um den Massenstrom zu regeln. Eine derartige Überströmeinrichtung wird benötigt, um ungünstige Effekte, die sich aufgrund von Strömungsbedingungen in der Turbomaschine ergeben können, zu vermeiden. Turbomaschinen sind in der Lage, einen sehr großen Massenstrom zu fördern, wobei in der Regel mittlere Druckverhältnisse vorliegen.
Es ist üblich, eine Turbomaschine mit einer statischen oder regelbaren Zapfluftleitung zu versehen, die auch als Bypass oder ”bleed valve” bezeichnet wird. Über die Zapfluftleitung wird einer Verdichterstufe der Turbomaschine ein Leckagestrom entnommen, wodurch sichergestellt wird, dass der Verdichter nicht gegen ein geschlossenes Volumen arbeitet. Allerdings entsteht durch den Leckagestrom ein Verlust an Antriebsenergie, da der Leckagestrom zuvor eine oder mehrere Verdichterstufen durchlaufen hat. Der auch als ”bleed air” bezeichnete Leckagestrom wird z. B. bei Luftfahrzeugen zur Klimatisierung der Kabine verwendet. Auf diese Weise soll die in dem Leckagestrom enthaltene Energie zumindest teilweise genutzt werden, die ansonsten ungenutzt verloren geht.
Aus der US 5,137,230 A ist eine Gasturbine für ein Flugzeug bekannt, an deren Verdichter eine Zapfluftleitung angeschlossen ist. Durch Steuern eines Ventils kann einer Verdichterstufe ein Leckagestrom entnommen und einem Vorkühler zugeführt werden. Anschließend wird die Luft einer Klimaanlage zugeführt, die den Leckagestrom mittels einer Turbine-Kompressor-Einheit und mittels eines Wärmetauschers konditioniert. Der am Ausgang der Klimaanlage austretende Luftstrom wird zur Temperierung der Passagierkabine des Flugzeugs benutzt.
In ähnlicher Weise wird auch in der US 2015/0176501 A1 vorgeschlagen, einen Leckagestrom über eine Zapfluftleitung einer Turbine-Kompressor-Einheit zuzuführen. Von dort gelangt ein Teil des Leckagestroms zu einer Klimaanlage (environmental control system, ECS) oder zu einer Enteisungsanlage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einer Turbomaschine anzugeben, die erweiterte Nutzungsmöglichkeiten eines über eine Zapfluftleitung entnommenen Leckagestroms bietet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Aggregat als eine durch den Leckagestrom antreibbare Pumpe, als Strahlpumpe oder als Lüfter ausgebildet ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass der über die Zapfluftleitung entnommene Leckagestrom nicht nur zur Kühlung oder Lüftung einer Flugzeugkabine eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß ist die Zapfluftleitung beispielsweise mit einem als Pumpe ausgebildeten Aggregat verbunden. Die Pumpe wird durch den Leckagestrom angetrieben, genauer gesagt durch dessen kinetische Energie, d. h. unter Wirkung der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Fluids, insbesondere der die Turbomaschine durchströmenden Luft. Daneben kann auch die in dem Leckagestrom enthaltene potentielle Energie genutzt werden, um das Aggregat, insbesondere eine Pumpe, unter der Wirkung des in dem Verdichter erzeugten Überdrucks anzutreiben. Die mittels des Leckagestroms angetriebene Pumpe kann eine bestimmte Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung wahrnehmen, so dass auf eine separate Pumpe oder ein anderes Aggregat verzichtet werden kann. Es ist auch denkbar, dass ein Aggregat, beispielsweise eine herkömmliche Pumpe, kleiner dimensioniert werden kann, da zumindest ein Teil der Antriebsenergie dem Leckagestrom entnommen wird.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann es vorgesehen sein, dass das Aggregat als Strahlpumpe ausgebildet ist. Es handelt sich dabei um eine Pumpe zur Förderung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, die allein durch den Leckagestrom, d. h. durch die einer Verdichterstufe entnommene Zapfluft antreibbar ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Strahlpumpe ein anderes Medium als der Leckagestrom gefördert werden kann, beispielsweise Umgebungsluft oder Kabinenluft, so dass dafür kein oder lediglich ein kleineres Aggregat benötigt wird. Alternativ kann das Aggregat der erfindungsgemäßen Anordnung auch als Lüfter ausgebildet sein. Mittels des Lüfters kann ein Gas gefördert werden, beispielsweise Kühlluft oder zur Temperierung verwendete Luft.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird es bevorzugt, dass zwischen dem regelbaren Ventil und dem Aggregat weder ein Vorkühler noch ein Kompressor oder ein Verdichter angeordnet ist. Dementsprechend ist das Aggregat der erfindungsgemäßen Anordnung über die Zapfluftleitung direkt mit dem Verdichter bzw. einer Verdichterstufe verbunden. Insbesondere sind keine Komponenten vorhanden, die den Leckagestrom wesentlich beeinflussen, d. h. die von der in dem Leckagestrom enthaltenen Energie Gebrauch machen oder die den Leckagestrom verdichten, entspannen, erwärmen oder abkühlen. Da das Aggregat direkt mit dem Verdichter verbunden ist, kann die erfindungsgemäße Anordnung kostengünstig hergestellt werden.
Eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass das Aggregat durch in dem Leckagestrom enthaltene Energie antreibbar ist. Das Aggregat wird somit direkt durch die in dem Leckagestrom enthaltene kinetische und/oder potentielle Energie angetrieben. Da keine Umwandlung oder Konditionierung des Leckagestroms erforderlich ist, kann die erfindungsgemäße Anordnung besonders energieeffizient betrieben werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Anordnung wenigstens eine aus der folgenden Gruppe ausgewählte Komponente aufweist, die durch das Aggregat mit einem Luftstrom zur Temperierung und/oder zur Lüftung beaufschlagbar ist: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenanordnung, Reformer, Methanol-Reformer.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Anordnung als stationäre Anordnung zur Energieversorgung oder alternativ als Luftfahrzeug, Landfahrzeug oder Wasserfahrzeug ausgebildet ist. Die verschiedenen beschriebenen Ausführungen können selbstverständlich in unterschiedlichen Varianten miteinander kombiniert werden. Es ist z. B. möglich, dass eine Anordnung mehrere Turbomaschinen aufweist oder dass eine Turbomaschine mehrere Zapfluftleitungen aufweist, die mit unterschiedlichen Aggregaten, insbesondere mit Pumpen, Strahlpumpen oder Lüftern, verbunden sind.
Daneben betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für eine Anordnung, umfassend eine Turbomaschine mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine sowie mit einer von einem Leckagestrom durchströmbaren oder durchströmten Zapfluftleitung, die über ein regelbares Ventil mit dem Verdichter verbunden ist, wobei der Leckagestrom über die Zapfluftleitung einem Aggregat zuführbar ist oder zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als Aggregat eine durch den Leckagestrom antreibbare oder angetriebene Pumpe, eine Strahlpumpe oder ein Lüfter verwendet wird.
Weitere Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung; und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die in 1 schematisch dargestellte Anordnung 1 umfasst eine als Turboverdichter ausgebildete Turbomaschine 2 mit einem Verdichter 3, der einen Einlass 4 für ein angesaugtes Gas, wie z. B. Luft, aufweist. Das einströmende Gas wird in 1 schematisch durch einen Pfeil 5 dargestellt. Der Verdichter 3 weist einen mit einem Plenum 6 verbundenen Auslass 7 auf. Das Plenum 6 dient der Verteilung des von dem Verdichter 3 erzeugten Massenstroms. Dazu sind mehrere Auslässe 20 vorhanden, die mit nicht dargestellten weiteren Baugruppen verbunden sind. Um die Turbomaschine 2 innerhalb eines festgelegten Kennfelds an einem bestimmten Arbeitspunkt zu betreiben, weist das Plenum 6 ein regelbares Ventil 8 auf. Das regelbare Ventil 8 dient dazu, einen bestimmten Druck in dem Plenum 6 einzustellen, indem das regelbare Ventil 8 teilweise oder ganz geöffnet wird. An das regelbare Ventil 8 schließt sich eine Zapfluftleitung 9 an, über die das Plenum 6 mit einem Aggregat verbunden ist, das in diesem Ausführungsbeispiel als Strahlpumpe 10 ausgebildet ist. Die Strahlpumpe 10 wird somit durch einen Leckagestrom (Leck-Massenstrom) angetrieben, der bei herkömmlichen Anordnungen ungenutzt entweicht. Mittels der in 1 gezeigten Anordnung 1 kann demgegenüber die in dem Leckagestrom enthaltene Energie, insbesondere die kinetische Energie und die potentielle Energie, genutzt werden, um die Strahlpumpe 10 anzutreiben. Wenn die Strahlpumpe 10 angetrieben wird, erzeugt sie einen Massenstrom. Beispielsweise kann sie als Unterdruckpumpe benutzt werden. Alternativ kann sie zum kontrollierten Belüften und/oder Temperieren einer Baugruppe genutzt werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Strahlpumpe 10 über eine Unterdruckleitung 11 mit einer Brennstoffzellenanordnung 12 verbunden. Auf diese Weise kann mittels des von der Strahlpumpe 10 erzeugten Unterdrucks eine gezielte Belüftung der Brennstoffzellenanordnung 12 erfolgen.
Nach dem Durchströmen der Strahlpumpe 10 gelangt der Leckagestrom über eine Leitung 13 zu einem Auslass 14 der Anordnung 1. Die Anordnung 1, die die Turbomaschine 2 und die Brennstoffzellenanordnung 12 umfasst, ist in diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil eines Flugzeugs.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung 15, die weitgehend mit der in 1 gezeigten Anordnung 1 übereinstimmt. Für übereinstimmende Komponenten werden daher dieselben Bezugszeichen verwendet. In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Anordnung 15 eine Turbomaschine 16 mit dem Verdichter 3, der den Einlass 4 und den Auslass 7 aufweist. Daran schließt sich das Plenum 6 an, dass in Relation zu dem Massenstrom der Turbomaschine 16 ein kleines Volumen aufweist. An das Plenum 6 ist das regelbare Ventil 8 angeschlossen, das über die Zapfluftleitung 9 mit einem als Lüfter 17 ausgebildeten Aggregat verbunden ist. Der Lüfter 17 wird durch den vom Verdichter 3 abgezweigten Leckagestrom angetrieben. Über eine Leitung 18 ist der Lüfter 17 mit einem Reformer 19 einer Brennstoffzellenanordnung (nicht gezeigt) verbunden. Der Reformer 19 wird mittels des Lüfters 17 aktiv belüftet. Zudem kann ein gerichteter Kühlmittelstrom erzeugt werden. Ferner kann der Reformer 19 mit einem geringen Überdruck zur Umgebung beaufschlagt werden.
Die in den 1 und 2 gezeigten Anordnungen 1, 15 ermöglichen die Nutzung von in dem Leckagestrom des Verdichters 3 enthaltener Energie zum Antrieb eines Aggregats, das beispielsweise als Strahlpumpe 10 oder als Lüfter 17 ausgebildet sein kann. Somit kann die in dem Leckagestrom enthaltene Energie, die bei herkömmlichen Anwendungen teilweise oder ganz ungenutzt in die Umgebung abgegeben wird, zu einem beträchtlichen Teil in kinetische Energie umgewandelt werden, wodurch die Turbomaschine 2, 16 hinsichtlich ihres Energieverbrauchs effizienter betrieben werden kann. Die durch den Leckagestrom angetriebene Strahlpumpe 10 und der Lüfter 17 können daher andere Antriebe ersetzen bzw. derartige andere Antriebe können kleiner und leichter ausgeführt werden, wodurch sich Gewichts- und/oder Kostenvorteile ergeben.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Turbomaschine
3: Verdichter
4: Einlass
5: Pfeil
6: Plenum
7: Auslass
8: regelbares Ventil
9: Zapfluftleitung
10: Strahlpumpe
11: Unterdruckleitung
12: Brennstoffzellenanordnung
13: Leitung
14: Auslass
15: Anordnung
16: Turbomaschine
17: Lüfter
18: Leitung
19: Reformer
20: Auslass

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

US 5137230 A [0005]
US 2015/0176501 A1 [0006]

Claims

Anordnung (1, 15), umfassend eine Turbomaschine (2, 16) mit einem Verdichter (3) und einer von einem Leckagestrom durchströmbaren, über ein regelbares Ventil (8) mit dem Verdichter (3) verbundenen Zapfluftleitung (9) zum Zuführen des Leckagestroms zu einem Aggregat, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat als eine durch den Leckagestrom antreibbare Pumpe, als Strahlpumpe (10) oder als Lüfter (17) ausgebildet ist.
Anordnung (1, 15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem regelbaren Ventil (8) und dem Aggregat weder ein Vorkühler noch ein Kompressor oder ein Verdichter angeordnet ist.
Anordnung (1, 15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat durch in dem Leckagestrom enthaltene Energie antreibbar ist.
Anordnung (1, 15) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine aus der folgenden Gruppe ausgewählte Komponente aufweist, die durch das Aggregat mit einem Luftstrom zur Temperierung und/oder Lüftung beaufschlagbar ist: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenanordnung (12), Reformer (19), Methanol-Reformer.
Anordnung (1, 15) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als stationäre Anordnung zur Energieversorgung oder als Luftfahrzeug, Landfahrzeug oder Wasserfahrzeug ausgebildet ist.
Betriebsverfahren für eine Anordnung (1, 15), umfassend eine Turbomaschine (2, 16) mit einem Verdichter (3), einer Brennkammer und einer Turbine sowie mit einer von einem Leckagestrom durchströmbaren oder durchströmten Zapfluftleitung (9), die über ein regelbares Ventil (8) mit dem Verdichter (3) verbunden ist, wobei der Leckagestrom über die Zapfluftleitung (9) einem Aggregat zuführbar ist oder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Aggregat eine durch den Leckagestrom antreibbare oder angetriebene Pumpe, eine Strahlpumpe (10) oder ein Lüfter (17) verwendet wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat durch in dem Leckagestrom enthaltene Energie angetrieben wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine aus der folgenden Gruppe ausgewählte Komponente verwendet wird, die durch das Aggregat mit einem Luftstrom zur Temperierung und/oder Lüftung beaufschlagbar ist oder beaufschlagt wird: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenanordnung (12), Reformer (19), Methanol-Reformer.