DE102019203595A1

DE102019203595A1 - Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019203595A1
Application number: DE102019203595.7A
Authority: DE
Inventors: Hermann Klingels
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17
Also published as: US11976580B2; EP3938279A1; US20230150678A1; WO2020187345A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug (3) mit wenigstens einem Flügel (32), an dem wenigstens ein Flugantrieb angeordnet ist, der wenigstens eine Wärmekraftmaschine (1), insbesondere Gasturbine (10), aufweist, sowie einer Abgaspassage (21) zur Führung von Abgas der Wärmekraftmaschine in den und in dem Flügel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug mit wenigstens einem Flügel, an dem wenigstens ein Flugantrieb angeordnet ist, der wenigstens eine Wärmekraftmaschine, insbesondere Gasturbine, aufweist.
Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb, insbesondere die Wirtschaftlichkeit und/oder Umweltverträglichkeit, von Luftfahrzeugen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, in einer Ausführung ein Passagier- oder Frachtflugzeug, wenigstens einen, vorzugsweise wenigstens, insbesondere genau, zwei Flügel, insbesondere Tragflügel bzw. -fläche(n) auf, an, in einer Ausführung unter, dem/denen (jeweils) wenigstens ein Flugantrieb angeordnet ist, der wenigstens eine Wärmekraftmaschine, in einer Ausführung eine Gasturbine, aufweist. Der Flugantrieb ist in einer Ausführung ein Turbinen-Strahltriebwerk, insbesondere ein Turbofan- oder Turboprop- Triebwerk.
In einer Ausführung wird die Wärmekraftmaschine in wenigstens einem Betriebspunkt, insbesondere in einem Normalbetrieb, mit einem Arbeitsgas betrieben, das einen Wasseranteil von wenigstens 15 Massen-%, insbesondere wenigstens 25 Massen-%, und/oder höchstens 50 Massen-%, insbesondere höchstens 35 Massen-% aufweist, bzw. ist hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet, bzw. wird hierzu verwendet.
In einer Ausführung weist das Luftfahrzeug einen Rumpf auf, an dem der bzw. die Flügel, in einer Ausführung seitlich bzw. auf einander gegenüberliegenden Seiten, angeordnet sind bzw. weist eine sogenannte Rumpf/Flügel-Konfiguration auf.
Bei solchen Luftfahrzeugen bzw. Wärmekraftmaschinen kann die vorliegende Erfindung, insbesondere aufgrund ihrer Aero- bzw. Thermodynamik, mit besonderem Vorteil eingesetzt werden.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist das Luftfahrzeug eine, in einer Ausführung wenigstens abschnittsweise einkanalige und/oder wenigstens abschnittsweise mehrkanalige, Abgaspassage auf, die bzw. durch die bzw. in der wenigstens ein Teil, vorzugsweise wenigstens 10 Volumen-%, insbesondere wenigstens 50 Volumen-%, in einer Ausführung wenigstens 75 Volumen-% und in einer Weiterbildung wenigstens 95 Volumen-%, des Abgases (von) der Wärmekraftmaschine, in einer Ausführung das gesamte Abgas, in den Flügel (hinein) und in dem bzw. innerhalb des Flügel(s) geführt wird bzw. die hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet ist bzw. verwendet wird.
In einer Ausführung weist das Luftfahrzeug eine, in einer Ausführung wenigstens abschnittsweise einkanalige und/oder wenigstens abschnittsweise mehrkanalige, erste Abgaspassage auf, die bzw. durch die bzw. in der wenigstens ein Teil, vorzugsweise wenigstens 10 Volumen-%, insbesondere wenigstens 50 Volumen-%, in einer Ausführung wenigstens 75 Volumen-% und in einer Weiterbildung wenigstens 95 Volumen-%, des Abgases (von) einer ersten Wärmekraftmaschine eines ersten Flugantriebs, der an einem ersten Flügel angeordnet ist, in einer Ausführung dieses gesamte Abgas, in diesen ersten Flügel und in diesem ersten Flügel geführt wird, und wenigstens eine, in einer Ausführung wenigstens abschnittsweise einkanalige und/oder wenigstens abschnittsweise mehrkanalige, weitere Abgaspassage auf, die bzw. durch die bzw. in der wenigstens ein Teil, vorzugsweise wenigstens 10 Volumen-%, insbesondere wenigstens 50 Volumen-%, in einer Ausführung wenigstens 75 Volumen-% und in einer Weiterbildung wenigstens 95 Volumen-%, des Abgases (von) einer (weiteren) Wärmekraftmaschine eines weiteren Flugantriebs, der an dem ersten oder einem weiteren Flügel angeordnet ist, in einer Ausführung dieses gesamte Abgas, in diesen (ersten bzw. weiteren) Flügel und in diesem (ersten bzw. weiteren) Flügel geführt wird, bzw. die hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet sind bzw. verwendet werden.
Hierdurch kann das Abgas vorteilhaft genutzt werden, in einer Ausführung, indem ihm, insbesondere thermische, Energie und/oder Wasser entzogen wird. Dadurch kann der Betrieb, insbesondere die Wirtschaftlichkeit und/oder Umweltverträglichkeit, des Luftfahrzeugs verbessert werden.
Insbesondere hierzu ist/sind in einer Ausführung in der bzw. einer oder mehrerer der Abgaspassage(n jeweils) stromabwärts nach der Wärmekraftmaschine

- ein oder mehrere Wärmetauscher, insbesondere wenigstens ein Verdampfer bzw. Dampferzeuger; und/oder
- eine oder mehrere Turbinen; und/oder
- ein oder mehrere Kondensatoren, die in einer Ausführung (jeweils) wenigstens einen (der) Wärmetauscher und/oder wenigstens eine (der) Turbine(n) aufweisen und/oder Wasser aus Abgas von der Wärmekraftmaschine kondensieren bzw. hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet sind bzw. verwendet werden; und/oder
- ein oder mehrere Wasserabscheider, insbesondere stromabwärts nach dem bzw. wenigstens einem der Kondensator(en);

In einer bevorzugten Ausführung ist in der Abgaspassage stromabwärts nach der Wärmekraftmaschine wenigstens ein Verdampfer, stromabwärts nach dem Verdampfer wenigstens ein Kondensator, insbesondere wenigstens ein Wärmetauscher und/oder, insbesondere stromabwärts nach diesem Wärmetauscher, wenigstens eine Turbine, und stromabwärts nach dem Kondensator ein Wasserabscheider angeordnet, wobei Wasser aus dem Wasserabscheider, insbesondere mittels einer nachfolgend beschriebenen Fluidpassage, dem Verdampfer zugeführt und in diesem mittels Wärme von dem Abgas wenigstens teilweise verdampft und/oder überhitzt wird bzw. ist das Flugzeug hierzu eingerichtet.
Durch Wärmetauscher bzw. Turbinen kann dem Abgas besonders vorteilhaft Energie entzogen werden, durch Kondensatoren bzw. Wasserabscheider besonders vorteilhaft Wasser. Dadurch kann der Betrieb, insbesondere die Wirtschaftlichkeit und/oder Umweltverträglichkeit, des Luftfahrzeugs (weiter) verbessert werden.
Wie vorstehend erläutert kann ein Kondensator in einer Ausführung nur ein(en) Wärmetauscher aufweisen, insbesondere sein, in einer anderen Ausführung eine Kombination aus Wärmetauscher und Turbine aufweisen, insbesondere sein. In einer Ausführung ist wenigstens ein in der Abgaspassage angeordneter Wärmetauscher, insbesondere ein Wärmetauscher eines in der Abgaspassage angeordneten Kondensators, teilweise oder vollständig in dem Flugantrieb, in einer Ausführung in einem Außenkanal eines Turbofan-Triebwerks, angeordnet und/oder wird, insbesondere dadurch, mit Luft, die von dem Flugantrieb, in einer Ausführung dessen Fan(s), gefördert wird, an-, insbesondere durchströmt bzw. ist hierzu eingerichtet. Hierdurch kann dieser Wärmetauscher in einer Ausführung vorteilhaft triebwerkseitig integriert werden.
In einer Ausführung ist die Abgaspassage wenigstens teilweise in einem Pylon angeordnet, der den (jeweiligen) Flugantrieb mit dem (jeweiligen) Flügel verbindet.
Zusätzlich oder alternativ ist die Abgaspassage in einer Ausführung wenigstens teilweise in einem Torsionskasten und/oder einem Vorderkantenbereich des (jeweiligen) Flügels angeordnet. Dabei erstreckt sich ein Vorderkantenbereich in einer Ausführung über höchstens ein - in Flugrichtung des Luftfahrzeugs vorderes - Drittel, insbesondere Viertel, in einer Ausführung Fünftel, des Flügels. In einer Ausführung liegt ein im Vorderkantenbereich angeordneter Abschnitt der Abgaspassage stromabwärts hinter einem im Torsionskasten angeordneten Abschnitt der Abgaspassage bzw. wird das Abgas in der bzw. durch die Abgaspassage wenigstens teilweise durch den Torsionskasten hindurch in den Vorderkantenbereich geführt bzw. ist die Abgaspassage hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet bzw. wird hierzu verwendet.
Zusätzlich oder alternativ ist die (jeweilige) Abgaspassage in einer Ausführung wenigstens teilweise im Rumpf des Luftfahrzeugs angeordnet, in einer Ausführung wenigstens teilweise vor einem bzw. dem Torsionskasten, insbesondere wenigstens teilweise vor einer Vorderkante, des Flügels und/oder wenigstens teilweise seitlich neben einem Fracht- bzw. Laderaum des Luftfahrzeugs.
Hierdurch kann das Abgas in einer Ausführung vorteilhaft geführt und/oder eine oder mehrere der in der in der Abgaspassage angeordneten Komponenten vorteilhaft positioniert werden, insbesondere platzsparend(er) und/oder strömungstechnisch bzw. aerodynamisch günstig(er).
In einer Ausführung sind in einer bzw. der, in einer Ausführung wenigstens abschnittsweise einkanaligen und/oder wenigstens abschnittsweise mehrkanaligen, Fluidpassage stromabwärts nach dem bzw. einem der Kondensatoren und/oder Wasserabscheider (jeweils)

- ein oder mehrere Wasserspeicher, insbesondere Tank(s); und/oder
- eine oder mehrere Wasseraufbereitung(svorrichtung)en; und/oder
- eine oder mehrere Wasserpumpen, insbesondere wenigstens eine Wasserpumpe stromaufwärts vor und/oder wenigstens eine Wasserpumpe stromabwärts nach dem bzw. einem der Wasserspeicher und/oder Wasseraufbereitung(svorrichtung)en; und/oder
- ein oder mehrere Wärmetauscher, insbesondere der bzw. einer oder mehrere der (auch) in der bzw. einer Abgaspassage stromabwärts nach der (jeweiligen) Wärmekraftmaschine angeordneten Wärmetauscher, insbesondere also der bzw. wenigstens einer der Verdampfer; und/oder
- eine oder mehrere Dampfturbinen

Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung ein oder mehrere Ausgänge der Fluidpassage, insbesondere stromabwärts nach dem Verdampfer, an, insbesondere in, der Wärmekraftmaschine, insbesondere ein oder mehrere Ausgänge an, insbesondere in, einer Brennkammer und/oder ein oder mehrere Ausgänge an, insbesondere in, einer oder mehreren Turbinenstufen der Gasturbine, angeordnet.
Hierdurch kann in einer Ausführung das Wasser jeweils, insbesondere in Kombination, vorteilhaft genutzt und/oder eine oder mehrere der in der Fluidpassage angeordneten Komponenten vorteilhaft positioniert werden, insbesondere platzsparend(er) und/oder strömungstechnisch bzw. aerodynamisch günstig(er).
Somit wird in einer Ausführung Abgasenergie zur Dampferzeugung genutzt und der Dampf wenigstens teilweise der Wärmekraftmaschine zugeführt. Dadurch kann in einer Ausführung deren thermischer Wirkungsgrad verbessert und/oder eine Schadstoffemissionen verringert werden. Zusätzlich oder alternativ kann hierdurch in einer Ausführung die Bildung von Kondensstreifen verringert, gegebenenfalls ganz unterdrückt werden.
Entsprechend tauscht in einer Ausführung Abgas von der Wärmekraftmaschine

- in wenigstens einem der Wärmetauscher, insbesondere Kondensator-Wärmetauscher, Wärme mit einem Kühlmedium, in einer Ausführung (Frisch)Luft, insbesondere, um das Abgas abzukühlen; und/oder
- in wenigstens einem der Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer, Wärme mit Wasser und/oder Wasserdampf, in einer Ausführung Wasser(dampf) aus dem Abgas, insbesondere, um das Abgas abzukühlen und/oder das Wasser zu erwärmen, insbesondere zu verdampfen und/oder den Wasserdampf zu er- bzw. überhitzen,

In einer Ausführung sind ein oder mehrere Wärmetauscher, insbesondere ein oder mehrere der vorgenannten Wärmetauscher, (jeweils) ganz oder teilweise

- in dem (jeweiligen) Flugantrieb;
- in dem (jeweiligen) Pylon;
- in dem (jeweiligen) Flügel, insbesondere einem Torsionskasten;
- im Rumpf des Luftfahrzeugs, insbesondere vor einem Torsionskasten, insbesondere einer Vorderkante, des Flügels und/oder seitlich neben einem Frachtraum; oder
- außerhalb von Flügel und Rumpf, in einer Ausführung in einem seitlich am Rumpf und/oder über dem Flügel angeordneten Gehäuse,

In einer bevorzugten Ausführung ist wenigstens ein Wärmetauscher, insbesondere wenigstens einer der vorgenannten Wärmetauscher, vorzugsweise wenigstens ein(er der) Verdampfer, wenigstens teilweise in dem (jeweiligen) Flugantrieb und/oder wenigstens ein Wärmetauscher, insbesondere wenigstens einer der vorgenannten Wärmetauscher, vorzugsweise eines Kondensators, wenigstens teilweise im Rumpf des Luftfahrzeugs, insbesondere vor einem Torsionskasten, insbesondere einer Vorderkante, des Flügels und/oder seitlich neben einem Frachtraum, angeordnet.
Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung ein oder mehrere Kondensatoren, insbesondere ein oder mehrere der vorgenannten Kondensatoren, (jeweils) ganz oder teilweise

Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung ein oder mehrere Wasserabscheider, insbesondere ein oder mehrere der vorgenannten Wasserabscheider, (jeweils) ganz oder teilweise

In einer bevorzugten Ausführung ist wenigstens ein Abscheidekanal eines Wasserabscheiders außerhalb von Flügel und Rumpf, in einer Ausführung in einem seitlich am Rumpf und/oder über dem Flügel angeordneten Gehäuse, angeordnet.
Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung eine oder mehrere Turbinen, insbesondere eine oder mehrere der vorgenannten Turbinen, insbesondere Dampfturbinen (jeweils) ganz oder teilweise

In einer bevorzugten Ausführung ist wenigstens eine Turbine, insbesondere eines Kondensators, außerhalb von Flügel und Rumpf, in einer Ausführung in einem seitlich am Rumpf und/oder über dem Flügel angeordneten Gehäuse, angeordnet.
Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung eine oder mehrere Wasserpumpen, insbesondere eine oder mehrere der vorgenannten Wasserpumpen, (jeweils) ganz oder teilweise

Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung eine oder mehrere Wasseraufbereitung(svorrichtung)en, insbesondere eine oder mehrere der vorgenannten Wasseraufbereitung(svorrichtung)en, (jeweils) ganz oder teilweise

Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung ein oder mehrere Wasserspeicher, insbesondere ein oder mehrere der vorgenannten Wasserspeicher, (jeweils) ganz oder teilweise

- in dem (jeweiligen) Flugantrieb;
- in dem (jeweiligen) Pylon;
- in dem (jeweiligen) Flügel, insbesondere einem Torsionskasten; und/oder
- im Rumpf des Luftfahrzeugs, insbesondere vor einem Torsionskasten, insbesondere einer Vorderkante, des Flügels und/oder seitlich neben einem Frachtraum; oder
- außerhalb von Flügel und Rumpf, in einer Ausführung in einem seitlich am Rumpf und/oder über dem Flügel angeordneten Gehäuse,

In einer bevorzugten Ausführung ist wenigstens ein Wasserspeicher in dem (jeweiligen) Flügel, insbesondere Torsionskasten, angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist in einer Ausführung die Abgaspassage wenigstens teilweise durch wenigstens einen, insbesondere diesen, Wasserspeicher geführt bzw. in diesem angeordnet.
Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung ein oder mehrere Fördereinrichtungen, insbesondere Gebläse und/oder Fans, zum Kühlen eines Kondensators, insbesondere eines der vorgenannten Kondensatoren, ganz oder teilweise

In einer bevorzugten Ausführung ist wenigstens eine Fördereinrichtung, insbesondere ein Gebläse, zum Kühlen eines Kondensators zum Kondensieren von Wasser aus Abgas der (jeweiligen) Wärmekraftmaschine außerhalb von Flügel und Rumpf, in einer Ausführung in einem seitlich am Rumpf und/oder über dem Flügel angeordneten Gehäuse, oder im Rumpf, insbesondere vor einem Torsionskasten, insbesondere einer Vorderkante, des Flügels und/oder seitlich neben einem Frachtraum, im Rumpf des Luftfahrzeugs angeordnet. Wie bereits erläutert, wird in einer Ausführung wenigstens ein Kondensator, insbesondere Wärmetauscher, zum Kondensieren von Wasser aus Abgas der (jeweiligen) Wärmekraftmaschine durch wenigstens einen von dieser Wärmekraftmaschine, insbesondere Gasturbine, angetriebenen Fan an-, insbesondere durchströmt bzw. ist hierzu eingerichtet. Insbesondere hierzu kann dieser Kondensator teilweise oder vollständig in dem Flugantrieb angeordnet bzw. integriert sein, in einer Ausführung in einen Außenkanal bzw. Nebenstrom, der von (wenigstens) einem Fan der Gasturbine durchströmt wird bzw. hierzu eingerichtet ist und/oder einen Kernkanal bzw. -strom umgibt.
In einer Ausführung ist in der bzw. wenigstens einer der Abgaspassage(n jeweils) stromabwärts nach der (jeweiligen) Wärmekraftmaschine wenigstens ein Verdampfer, stromabwärts nach diesem Verdampfer wenigstens ein Kondensator, insbesondere wenigstens ein Wärmetauscher und/oder, insbesondere stromabwärts nach diesem Wärmetauscher, wenigstens eine Turbine, und stromabwärts nach diesem Kondensator wenigstens ein Wasserabscheider angeordnet.
In einer Ausführung ist in der Fluidpassage stromabwärts nach diesem Wasserabscheider wenigstens eine Wasseraufbereitung und/oder wenigstens ein Wasserspeicher, stromaufwärts vor und/oder stromabwärts nach dieser Wasseraufbereitung bzw. diesem Wasserspeicher (jeweils) wenigstens eine Wasserpumpe und stromabwärts nach dieser Wasserpumpe wenigstens ein Verdampfer, insbesondere (einer) der Verdampfer in der (jeweiligen) Abgaspassage, angeordnet, aus dem, in einer Ausführung über wenigstens eine Dampfturbine, Dampf in die Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Brennkammer und/oder wenigstens eine Turbinenstufe der Gasturbine, geführt wird.
In einer Ausführung ist (die) wenigstens eine Fördereinrichtung, insbesondere ein bzw. das Gebläse, zum Kühlen eines in der (jeweiligen) Abgaspassage angeordneten Kondensators, insbesondere Kondensator-Wärmetauschers, mit einer Turbine, insbesondere des Kondensators, oder einer einem Verdampfer nachgeschalteten Dampfturbine gekoppelt, so dass die Fördereinrichtung durch die (Dampf)Turbine angetrieben wird bzw. werden kann. Gleichermaßen kann in einer Ausführung wenigstens ein Fan einer Gasturbine des Flugantriebs einen in der (jeweiligen) Abgaspassage angeordneten Kondensator, insbesondere Kondensator-Wärmetauscher, kühlen bzw. hierzu eingerichtet sein bzw. verwendet werden, wobei in einer Weiterbildung dieser Kondensator, insbesondere Kondensator-Wärmetauscher, in dem Außenkanal bzw. Nebenstrom des Flugantriebs angeordnet ist. Allgemein, insbesondere dadurch, kann in einer Ausführung die Fördereinrichtung durch das Abgas angetrieben wird bzw. werden.
Hierdurch können in einer Ausführung jeweils, insbesondere in Kombination von zwei oder mehr der vorstehend genannten Anordnungen, eine oder mehrere der in der Fluidpassage angeordneten Komponenten vorteilhaft positioniert werden, insbesondere platzsparend(er) und/oder strömungstechnisch bzw. aerodynamisch günstig(er).
Insbesondere kann vorteilhaft durch eine Anordnung

- des bzw. wenigstens eines der Verdampfer(s) in dem (jeweiligen) Flugantrieb;
- eines, in einer Ausführung mehrkanaligen, Abschnitts der Abgaspassage in dem (jeweiligen) Pylon;
- der Abgaspassage wenigstens teilweise
- - im Torisonskasten und/oder
- - dem, in einer Ausführung im Flügel, insbesondere Torisonskasten, angeordneten, Wasserspeicher, und/oder,
- - in einer Ausführung stromabwärts hiervon, in dem Vorderkantenbereich,
- der Abgaspassage, insbesondere des Kondensators, in einer Ausführung dessen Wärmetauscher, wenigstens teilweise im Rumpf, in einer Ausführung seitlich neben dem Frachtraum und/oder vor dem Torsionskasten, insbesondere der Vorderkante, und/oder
- der Fördereinrichtung und/oder des Wasserabscheiders in einem seitlich am Rumpf und/oder über dem Flügel angeordneten Gehäuse

In einer Ausführung schließt eine Rotationsachse der bzw. wenigstens einer der vorgenannten Fördereinrichtungen zum Kühlen eines Kondensators mit einer Längsachse des Luftfahrzeugs einen Winkel ein, der höchstens 30° beträgt.
Hierdurch kann in einer Ausführung eine Durchströmung der Fördereinrichtung verbessert und/oder ein Strömungswiderstand des Luftfahrzeugs verbessert werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

1 ein Strömungsdiagramm eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2 ein Strömungsdiagramm eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
3 ein Strömungsdiagramm eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
4 ein Strömungsdiagramm eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
5 das Luftfahrzeug der 1 in einer Seitansicht;
6 das Luftfahrzeug der 1 in einer Frontansicht;
7 das Luftfahrzeug der 1 in einer Seitansicht; und
8 das Luftfahrzeug der 1 in einer Draufsicht.

1 zeigt in Form eines Strömungsdiagramms den Aufbau eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs in Form eines Flugzeugs 3 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Das Antriebssystem weist einen Turbofan-Flugantrieb mit einer Wärmekraftmaschine 1 in Form einer Gasturbine 10 sowie ein Wasserrückgewinnsystem 2 auf.
Die Gasturbine 10 weist eine Brennkammer 15 und mehrere Turbinenstufen 16 auf.
Deren Abgas wird ganz oder teilweise durch einen Verdampfer 12 geleitet, in dem das heiße Abgas Wärme abgibt, mit der Wasser verdampft wird.
Der erzeugte Dampf wird durch Ausgänge 41 Arbeitsgas der Gasturbine 10 im Bereich ihrer Brennkammer 15 und/oder einer oder mehrerer Turbinenstufen 16 zugeführt.
Optional kann eine Dampfturbine 14 zwischen der Gasturbine 10 und dem Verdampfer 12 angeordnet sein. Die Nutzleistung dieser Dampfturbine 14 kann insbesondere direkt in eine Welle der Gasturbine 10 eingespeist oder zum Antrieb von Nebenaggregaten des Luftfahrzeugs genutzt werden.
Über eine Verbindung 21 wird das feuchte Arbeitsgas von der Wärmekraftmaschine 1 bzw. Gasturbine 10 in den Flügel 32 bzw. zum Wasserrückgewinnsystem 2 geleitet.
Hier durchströmt es zunächst einen Wärmetauscher 22, wo es soweit abgekühlt wird, dass seine Temperatur bei der anschließenden Expansion in einer A/C-Turbine 24 unter die Taupunkttemperatur fällt. Wärmetauscher 22 und/oder A/C-Turbine 24 bilden damit einen Kondensator.
Das im Arbeitsgas vorhandene Wasser liegt dann wenigstens teilweise in Tropfenform vor und wird in einem Wasserabscheider(kanal) 25 von den gasförmigen Bestandteilen des Arbeitsgases getrennt, dann mit einer Kondensatpumpe 26 durch eine Fluidpassage 40 zu einer Wasseraufbereitungsvorrichtung 27 und anschließend in einen Wasserspeicher 28 gepumpt.
Aus dem Wasserspeicher 28 pumpt eine Speisewasserpumpe 13 Wasser durch die Fluidpassage 40 in den Verdampfer 12.
Im Wärmetauscher 22 wird Wärme vom Arbeitsgas auf Umgebungsluft übertragen.
Diese wird von einem A/C-Gebläse 23 gefördert und stromabwärts nach dem Wärmetauscher 22 in einer Kühlluftdüse 29 in die Umgebung entlassen. Das A/C-Gebläse 23 wird durch die A/C-Turbine 24 angetrieben.
2 zeigt in Form eines Strömungsdiagramms den Aufbau eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Einander entsprechende Merkmale sind durch dieselben Bezugszeichen identifiziert, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend auf Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der 2 entfällt die A/C-Turbine 24, so dass der Wärmetauscher 22 den Kondensator bildet. Das A/C-Gebläse 23 wird durch die Dampfturbine 14 angetrieben.
5-8 zeigen jeweils teilweise in einer Frontansicht (6), Seitansichten (5, 7) bzw. Draufsicht (8) das Luftfahrzeug mit dem Antriebssystem, das vorstehend mit Bezug auf 1 erläutert worden ist.
Anders als bei einem konventionellen Triebwerk wird hier das feuchte Abgas nach den Turbinenstufen 16 der Gasturbine 10 nicht direkt in einer Kerntriebwerksdüse entspannt, sondern, wie vorstehend mit Bezug auf 1, 2 erläutert, zunächst durch den Dampferzeuger 12 (vgl. 5, 6) und dann über die Verbindung 21 zum Wärmetauscher 22 (vgl. 6-8) geleitet.
Hierzu wird es mehrkanalig durch einen Pylon 36 (vgl. 5, 6, 8), mit dem der Flugantrieb an dem Flügel befestigt ist, in einen Flügel 32 des Luftfahrzeugs geleitet. Im Flügel 32 wird es durch einen Torsionskasten 33 (vgl. 5, 8) in einen Vorderkantenbereich 39 des Flügels geleitet. Dort strömt es in Richtung Rumpf. Nach dessen Durchströmung gelangt es zur A/C-Turbine 24 (vgl. 6-8).
Dabei wird seine Temperatur soweit abgesenkt, dass der Taupunkt unterschritten wird und dadurch im Abgas vorhandenes Wasser, zumindest teilweise, in flüssiger Form vorliegt. Stromabwärts nach der A/C-Turbine 24 ist der Wasserabscheider(kanal) 25 angeordnet. Dort sind Einrichtungen zur Trennung der flüssigen und gasförmigen Bestandteile vorgesehen.
Insbesondere in 6, 8 ist zu erkennen, dass der Raum seitlich neben einem vorderen Lade- bzw. Frachtraum 34 mit einer Laderaumtür 35 vor dem Flügeltorsionskasten 33 für die Unterbringung von Teilen der Komponenten des Wasserrückgewinnsystems 2 genutzt wird. Im Ausführungsbeispiel ist dort vorteilhaft der Wärmetauscher 22 untergebracht. Das A/C-Gebläse 23 und die A/C-Turbine 24 sowie der Wasserabscheider(kanal) 25 sind darüber seitlich neben dem Rumpf 31in einem Gehäuse 38 angeordnet.
Durch diese Anordnung wird der Verdrängungsquerschnitt des Flugzeuges 3 nur geringfügig vergrößert, da der Wärmetauscher 22 in der Projektion des Flügels 32 liegt und die Frontfläche des A/C-Gebläses 23 nicht als Verdrängungsquerschnitt wirkt, da sie durchströmt wird. Die anderen Komponenten wie A/C-Turbine 24 und Abscheidekanal 25 sind strömungsgünstig hinter dem A/C-Gebläse 23 angeordnet. Die Komponenten sind strömungsgünstig teilweise in eine Fahrwerksverkleidung 37 integriert.
Im Bereich der Abgasdurchführung durch den Flügeltorsionskasten 33 ist der Wasservorratsspeicher 28 vorgesehen (vgl. 5, 6, 8).
Anstelle des Antriebssystems, das vorstehend mit Bezug auf 1 erläutert worden ist, kann in analoger Weise auch das Antriebssystems, das vorstehend mit Bezug auf 2 erläutert worden ist, an bzw. in dem Flugzeug 3 vorgesehen sein.
Dabei entfällt, wie vorstehend mit Bezug auf 2 erläutert, die A/C-Turbine 24, das A/C-Gebläse 23 wird von der Dampfturbine 14 angetrieben, und das Abgas strömt vom Wärmetauscher 22 direkt in den Abscheidekanal 25.
3 zeigt in Form eines Strömungsdiagramms den Aufbau eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Einander entsprechende Merkmale sind durch dieselben Bezugszeichen identifiziert, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend auf Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der 3 wird der (Wärmetauscher des) Kondensator(s) 22 mit Luft, die von einem Fan 11 der Gasturbine 10 gefördert wird, an-, insbesondere durchströmt und ist hierzu im Außenkanal bzw. Nebenstrom des Turbofan-Flugantriebs angeordnet. Somit können insbesondere das Gebläse 23 und die Kühlluftdüse 29 der Ausführung der 1 sowie gegebenenfalls die optionale Einspeisung von Kühlluft in der Wasserabscheider 25 entfallen.
4 zeigt in Form eines Strömungsdiagramms den Aufbau eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Einander entsprechende Merkmale sind durch dieselben Bezugszeichen identifiziert, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend auf Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der 4 wird der (Wärmetauscher des) Kondensator(s) 22 ebenfalls mit Luft, die von einem Fan 11 der Gasturbine 10 gefördert wird, an-, insbesondere durchströmt und ist hierzu im Außenkanal bzw. Nebenstrom des Turbofan-Flugantriebs angeordnet. Somit können insbesondere das Gebläse 23 und die Kühlluftdüse 29 der Ausführung der 1 sowie gegebenenfalls die optionale Einspeisung von Kühlluft in der Wasserabscheider entfallen.
Die vorstehend mit Bezug auf 2 - 4 erläuterten Antriebssysteme können anstelle des mit Bezug auf 1 erläuterten Antriebssystems im Luftfahrzeug verwendet werden, das mit Bezug auf 5-8 erläutert worden ist.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Wärmekraftmaschine mit Abgasregeneration
10: Gasturbine
11: Fan
12: Wärmetauscher (Dampferzeuger)
13: (Speise)Wasserpumpe
14: Dampfturbine
15: Brennkammer
16: Turbine(nstufe)
2: Wasserrückgewinnsystem
21: Verbindung
22: Wärmetauscher
23: A/C-Gebläse (Verdichter)
24: A/C-Turbine
25: Wasserabscheider(kanal)
26: (Kondensat)Pumpe
27: Wasseraufbereitungsvorrichtung
28: Wasserspeicher
29: Kühlluftdüse
3: Flugzeug (Luftfahrzeug)
31: Rumpf
32: Flügel
33: Flügeltorsionskasten
34: vorderer Lade-/Frachtraum
35: Laderaumtür
36: Pylon
37: Fahrwerksverkleidung
38: Gehäuse
39: Vorderkantenbereich
40: Fluidpassage
41: Ausgang

Claims

Luftfahrzeug (3) mit wenigstens einem Flügel (32), an dem wenigstens ein Flugantrieb angeordnet ist, der wenigstens eine Wärmekraftmaschine (1), insbesondere Gasturbine (10), aufweist, sowie einer Abgaspassage (21) zur Führung von Abgas der Wärmekraftmaschine in den und in dem Flügel.
Luftfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaspassage wenigstens teilweise - in einem Pylon (36), der den Flugantrieb mit dem Flügel verbindet, und/oder - einem Torsionskasten (33) und/oder einem Vorderkantenbereich (39) des Flügels und/oder, - insbesondere vor einem Torsionskasten (33), insbesondere einer Vorderkante, des Flügels und/oder seitlich neben einem Frachtraum (34), in einem Rumpf (31) des Luftfahrzeugs angeordnet ist.
Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgaspassage stromabwärts nach der Wärmekraftmaschine - wenigstens ein Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer (12), - wenigstens ein Kondensator (22, 24), - wenigstens ein Wasserabscheider (25) und/oder - wenigstens eine Turbine (24) angeordnet ist.
Luftfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Fluidpassage (40) stromabwärts nach dem Kondensator und/oder Wasserabscheider - wenigstens eine Wasserpumpe (13, 26), - wenigstens eine Wasseraufbereitung (27), - wenigstens ein Wasserspeicher (28), - wenigstens ein Wärmetauscher (12) und/oder - wenigstens eine Dampfturbine (14) angeordnet ist und/oder wenigstens ein Ausgang (41) der Fluidpassage an der Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Brennkammer (15) und/oder einer Turbinenstufe (16) der Gasturbine, angeordnet ist.
Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - wenigstens ein Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer (12), - wenigstens ein Kondensator (22, 24), - wenigstens ein Wasserabscheider (25) und/oder - wenigstens eine Turbine (24), der bzw. die in der Abgaspassage stromabwärts nach der Wärmekraftmaschine angeordnet ist, und/oder - wenigstens eine Wasserpumpe (13, 26), - wenigstens eine Wasseraufbereitung, (27) - wenigstens ein Wasserspeicher (28), - wenigstens ein Wärmetauscher (12) und/oder - wenigstens eine Dampfturbine (14), die bzw. der in der Fluidpassage stromabwärts nach dem Kondensator angeordnet ist, und/oder - wenigstens eine Fördereinrichtung (11; 23) zum Kühlen eines Kondensators (22) - wenigstens teilweise in dem Flugantrieb, - wenigstens teilweise in dem Pylon, - wenigstens teilweise in dem Flügel, insbesondere einem Torsionskasten (33), - wenigstens teilweise in einem Rumpf (31) des Luftfahrzeugs oder - wenigstens teilweise außerhalb von Flügel und Rumpf, insbesondere in einem seitlich am Rumpf und/oder über dem Flügel angeordneten Gehäuse (38), angeordnet ist.