DE102021004405A1

DE102021004405A1 - Verfahren zur effektiven Mischungs-Methodologie, Gemischbildung, fortschrittlicher Kraftstoffaufbereitung in einer emissionsarmen Brennkammer und zur Erzeugung von variabler Geometrie in Brennkammer und in der Hochdruckturbinenkapazität durch die Anwendung von komprimierter Verdichterzapfluft zur Anwendung in Fluggasturbinen und stationären Gasturbinen

Info

Publication number: DE102021004405A1
Application number: DE102021004405.3A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2023-03-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochdrucksystem eines Luftfahrtantriebes, oder einer stationären Gasturbine, aufweisend einen Hochdruckverdichter (HDV), eine Brennkammer (1) und eine Hochdrucktturbine (HDT), wobei Zapfluft (17) vom Hochdruckverdichter entnehmbar ist. Die entnommene Zapfluft wird durch einen, oder mehrere Zusatzverdichter, am Hochdrucksystem angeflanscht, weiter verdichtet, wobei die verdichtete Zapfluft (18) anschließend in definierte Bereiche der Brennkammer (1) und/oder des Kraftstoffeinspritzsystemes der Brennkammer (1) und/oder im Statorbereich (5) der Hochdruckturbine zumischbar ist.
Die Intensität der Zumischung der verdichteten Zapfluft ist leicht durch Ventil(e) regelbar, unabhängig vom Lastfall des Triebwerkes.
Durch das neue Verfahren kann die Bildung von schädlichem NOx Ausstoß deutlich reduziert werden. Insbesondere trifft das zu für zukünftige Kraftstoffe, welche noch höhere Flammentemperaturen und Flammenausbreitungsgeschwindigkeit besitzen. Dies trifft z. B. zu bei der geplanten Anwendung von Wasserstoff als Antrieb.

Description

Abkürzungen:

CO	Kohlenmonoxid
GDV	Gesamtdruckverhältnis
HDT	Hochdruckturbine
HDV	Hochdruckverdichter
KLV	Kraftstoffluftverhältnis
LPP	Lean, Premixed, Prevaporised Brennkammer
NOx	Stickoxide
RQL	Rich-bum, Quick-quench, Lean-burn Brennkammer
TET	Turbineneintrittstemperatur
UHC	unverbrannte Kohlenwasserstoffe
VZL	verdichtete Zapfluf

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur effektiven Mischungs-Methodologie, Gemischbildung, fortschrittlicher Kraftstoffaufbereitung in einer emissionsarmen Brennkammer und zur Erzeugung von variabler Geometrie in Brennkammer und in der Hochdruckturbinenkapazität durch die Anwendung von komprimierter Verdichterzapfluft.
a) Der technische Hintergrund
Die Luftbelastung, hervorgerufen durch Verkehrsflugzeuge in der Umgebung von Flughäfen und in Reisehöhe, sind in Gegenstand großer öffentlicher Auseinandersetzungen geworden, insbesondere wegen ihres Einflusses auf die Umwelt und auf die menschliche Gesundheit. Daher ist in den letzten Dekaden die Gesetzgebung bezüglich der Begrenzung der Flugzeugemissionen immer strenger geworden. Das hat zu einer dringenden Forderung geführt, Triebwerke und Brennkammern mit niedriger Emission zu entwickeln.
Die hauptsächlichen Verunreinigungen, welche von Flugzeugen emittiert werden, sind Stickoxide (NOx), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC), Schwefeloxide (SOx) sowie Rauch und Ruß.
In den letzten 40 - 50 Jahren gelang es der Triebwerksindustrie vor allem den Kraftstoffverbrauch um ca. 70% zu reduzieren, ebenso den Triebwerkslärm, sowie gasförmige CO- und UHC-Emissionen um 50%, respektive 90% zu reduzieren. Dies wurde hauptsächlich mittels technologischer Fortschritte in Materialien und Kühlsystemen erreicht, welche es dem Triebwerk erlauben, bei einem höheren Gesamtdruckverhältnis (GDV) und mit höheren Turbineneintrittstemperaturen (TET) zu arbeiten. Letzteres erhöht den thermischen Wirkungsgrad und verringert so den spezifischen Kraftstoffverbrauch und somit den CO2-Ausstoß des Triebwerkes. Desweiteren erfordert auch das immer größer werdende Bypassverhältnis in modernenTriebwerken eine immer höher werdende Belastung des Kerntriebwerkes.
Nachteilig eines immer größer werdenden TET und GDV ist aber die starke Zunahme in der Bildung von thermischen NOx, welche einen starken Effekt auf das Klima und auf die menschliche Gesundheit hat.
Es wurde daher nach Lösungsmöglichkeiten gesucht, der Diskrepanz zwischen immer höher werdenden TET und der dadurch hervorgerufenen vermehrten Bildung von NOx zu begegnen. Zu diesem Zweck soll die Verbrennung nicht beit stöchiometrischen KLV erfolgen, wobei die höchsten Flammentemperaturen entstehen, sondern man versucht die eigentliche Verbrennung mit Kraftstoffüberschuss (fette Verbrennung), oder mit Luftüberschuss (magere Verbrennung) zu gestalten. Zweck hiervon ist es, die Flammtemperatur unter der für die wesentliche Bildung von NOx verantwortliche Flammtemperatur zu halten.
Es gibt hierzu bereits technische Ausführungen, deren wichtigsten im Folgenden kurz beschrieben werden, zusammen mit den jeweiligen technischen Defiziten.
1) Rich-Burn, Quick-Quench, Lean-Burn Brennkammer, RQL
Bei diesem Verfahren wird die Verbrennung eingeleitet durch fettes Gemisch in der Primary zone, mit Kraftstoffluftverhältnis (KLV) zwischen 1,2 - 1,8. In dieser fetten Verbrennung wird die NOx Produktion minimiert wegen der relativ niedrigen Flammentemperatur. Am Ausgang der Primary zone enthalten aber die Gase noch einen hohen Anteil von CO, UHC und Rauch. In der Quensch Zone, stromabwärts der fetten Zone, muß eine große Menge an sogenannter schneller Zumischluft (quick mix air) zugemischt werden, um die oben genannten Zwischenprodukte (CO, UHC und Rauch) zu oxidieren. Jedoch muß die Zumischung von quick mix air sehr schnell erfolgen, um sehr rasch wieder zu einer mageren Verbrennung zu gelangen, um einer erneuten Bildung von NOx vorzubeugen.
Nachteilig bei der Zumischung ist die Tatsache, daß lediglich die Menge der zugemischten Luft, jedoch nicht die Zumischgeschwindigkeit in stärkeren Maße variiert werden kann, d. h. die Größe des Strömungsmomentes, da der Druckunterschied zwischen Hauptluft und zugemischter Luft begrenzt ist. Die Durchmischung, insbesondere in Inneren der Brennkammerströmung, ist daher nicht vollständig und sie erfolgt nicht schnell genug. Die Temperaturverteilung am Turbineneintritt kann nicht beeinflußt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll der Begriff Strömungsmoment für die Dichte multipliziert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit des betrachteten Fluids gelten: Strömungsmoment = Dichte * Geschwindigkeit ** 2.
Es gibt keine Möglichkeit, die Luftverteilung zwischen Hauptluft, schneller Zumischluft und Vermischungsluft bei verschiedenen Lastzuständen anzupassen.
2) Lean Premixed Prevaporized Brennkammer, LPP
Beim LPP Konzept wird der Kraftstoff mit Verbrennungsluft stromaufwärts der Verbrennungszone verdampft und mit Luft vermischt um eine homogene Mischung vor dem Eintritt in die Verbrennungszone zu erhalten. Dort wird das Gemisch bei niedrigem KLV verbrannt (Magerverbrennung). Auf Grund der niedrigen Flammentemperatur wird die NOx Produktion sehr deutlich reduziert.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Flammenstabilität bei dieser mageren Verbrennung limitiert ist. Es ist daher notwendig, eine zusätzliche Pilot Verbrennung zu installieren.
Besonders bei niedriger Triebwerksbelastung kann es wegen niedriger Gasgeschwindigkeit zu Selbstzündung und Flammenrückschlag im Premix Kanal kommen.
Bei zukünftigen, alternativen Kraftstoffen, wie z.B. Wasserstoff ist diese Gefahr wegen höherer Flammengeschwindigkeit sogar noch größer. Weiterhin gibt es keine Möglichkeit, auf verschiedene Lastzustände zu reagieren. Auch ist die Verwendung von flüssigem Kraftstoff (Verdampfung) schwieriger als die von gasförmigen Kraftstoffen.
3) Variable Geometrie Brennkammer
Bei dieser Bauart wird ein air flow splitter in der Brennkammer mechanisch oder hydraulisch bewegt (vor, oder zurück). Dadurch wird die Querschnittsfläche und somit das Luftmengenverhältnis in der primary zone variiert. Das Ziel hierbei ist, die Verbrennungszustände (KVL) in der primary zone zu regeln. Bei niedrigem Leistungszustand wird der Splitter so verstellt, daß die Luftmenge für die Vermischungsluft (im hinteren Teil) zunimmt, um ein hohes KVL in der primary zone zu erreichen. Gleichzeitig wird durch die reduzierte Gasgeschwindigkeit in der primary zone der Wirkungsgrad und die Stabilität der Verbrennung erhöht, ebenso die Wiederzündbarkeit. Bei steigender Triebwerksleistung öffnet der Splitter und es strömt mehr Luft in die primary zone um ein niedriges KVL zu erreichen. Durch die magere Verbrennung wird die Bildung von NOx und Rauch reduziert.
Nachteilig hierbei sind die gesteigerten Kosten, zusätzliches Gewicht und die Tatsache, dass ein komplexes, mechanisches Regelsystem erforderlich ist, um den Splitter zu verstellen.
Aus diesem Grund wird dieser Brenner bisher kaum in Fluggasturbinen verwendet;
Der Brenner mit variabler Geometrie wäre allerdings ein sehr wirkungsvoller Weg um in der primary zone im „Niedrig-Emissions-Fenster“ zu arbeiten, und zwar in allen Leistungsstufen.
Variable Geometrie - Brenner könnte mit allen andern Verfahren einer emissionsarmen Verbrennung kombiniert werden, da mit diesem Verfahren die ideale Luftverteilung zwischen primary zone und Zumischluft bei unterschiedlichen Lastfällen geregelt werden kann. In vielen Fällen könnte dadurch sogar auf den Pilot-Brenner verzichtet werden.
4) Variable Geometrie der Hochdruckturbinen Kapazitä
Bei Teillast herscht im Triebwerk eine kleinere TET und ein kleineres GDV als bei Volllast. Aus Gründen des thermischen Wirkungsgrades kann es sinnvoll sein, die TET wieder auf Volllastniveau anzuheben, wenn man gleichzeitig den Innendurchsatz des Triebwerkes verringert (Verkleinerung der HDT Kapazität)
Dies kann durch mechanische Verstellung der Statoren erreicht werden. Allerdings müßte auch eine bestimmte Menge an Hochdruckverdichter Zapfluft entnommen werden, um den Betriebspunkt im Hochdruckverdichter auf der Fahrlinie zu halten. Die höhere Temperatur hätte auch den Vorteil für die Situation in der Brennkammer, weil die Brennkammer-Parameter (Druck, Temperatur) bei den Volllastwerten verbleiben; lediglich der Massendurchsatz in der Brennkammer wird geringer. Daher wäre hier die Kombination mit variabler Geometrie Brennkammer (siehe 3) sinnvoll.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist die Tatsache, daß eine variable Geometrie (Verstellung) der Hochdruckstatoren der HDT mechanisch äußerst kritisch ist, da hier die höchsten Temperaturen und Drücke im gesamten Triebwerk herrschen. Aus diesem Grunde wurde eine solche Verstellung bisher kaum ausgeführt.
b) Lösung
Die oben beschriebenen Defizite sollen überwunden werden durch die Einblasung von Verdichterzapfluft, welche mittels eines zusätzlichen Verdichters, dem Zusatzverdichter, komprimiert wurde, in definierte Bereiche der Brennkammer/Kraftstoffeinspritzsystem und im Bereich von HDT Stator.
In allen bisherigen Brennkammern stammen die verwendeten verschiedenen Luftströme (Hauptluftstrom, Quick mix air, Vermischungsluft, liner Kühlung, sowie Luft für fuel-air blast)von einem gemeinsamen Ursprung, nämlich vom Zustand der Luft am Brennkammereintritt. Druckunterschiede zwischen den einzelnen Strömen sind daher limitiert und somit auch die Möglichkeit eine höhere Einblas-Geschwindigkeit und damit ein hohes Strömungsmoment zu erzeugen.
Moderne schadstoffarme Brennkammern mit fett- oder mager Verbrennung erfordern aber eine schnelle, vollständige Luftvermischung, z. B. Für eine schnelle Durchmischung beim RQL Verfahren (quick mix air), oder hohe Luftgeschwindigkeit im premix duct (z. B. Im LPP Verfahren: Verhinderung von Flammenrückschlag, gutes Vorvermischung und Vorverdampfung) oder ein hohes Strömungsmoment zur Erzielung von wirkungsvoller Sperrluft für eine aerodynamische Geometrie Änderung in der Brennkammer und im HDT Stator.
Das VZL Verfahren ermöglicht diese Forderungen zu erfüllen mit einer gezielten, leicht regelbaren Einblasung von VZL mit relativ kleinem Massendurchsatz, aber hohen Einblasgeschwindigkeit (hohes Einblas-Strömungsmoment) mit folgenden Vorteilen:

Schnelle und vollständige Durchmischung von schneller Zumischluft und Vermischungsluft. Die Anzahl, Form und Anordnung der Einblaslöcher von VZL in dien Brennkammer ermöglicht es, die axiale Geschwindigkeit, die radiale Geschwindigkeit und die tangentiale Geschwindigkeit des Hauptstromes zu regeln.

Bei Einblasung gegen den Hauptstrom: Möglichkeit die Geschwindigkeit des Hauptstromes zu verlangsamen, Bildung eines „aerodynamischen“ Flammhalters.
Bei Einblasung mit dem Hauptstrom: Erhöhung der Geschwindigkeit (Verkürzung der Verweildauer), Verhinderung von unerwünschten Verbrennung
Einblasung zur Kraftstoffaufbereitung: schnelle Verdampfung des Kraftstoffes und Durchmischung mit Luft; schnelles Erreichender erforderlichen Geschwindigkeit des Kraftstoff- Luft Gemisches.
Erzeugung von variabler Geometrie in Brennkammer und HDT Stator.
Verwendung von VZL für die Bauteilkühlung in HDT Stator, HDT Laufschaufel und, als Nebeneffekt, wegen Bauteilnähe von Radialverdichter und HDT Scheibe, Kühlung der HDT Scheibe, sowie angrenzender anderer Bauteile.
Infolge der leichten Regelbarkeit von VZL erfolgt bei unterschiedlichen Lastfällen eine Verbesserung der Verbrennungsperformance wie Wiederzündbarkeit in großer Höhe, Verhinderung von Flammenrückschlag, Verbrennungsstabilität, Brennerwirkungsgrad sowie Optimierung der Brenner Austrittstemperaturverteilung
Infolge der leichten Regelbarkeit mit VZL kann möglicherweise auf die Verwendung eines zweiten Brenners (Pilotbrenner) verzichtet werden.
Die zusätzlich verdichtete Zapfluft wird dabei durch den Zusatzverdichter bereitgestellt, welcher bevorzugt ein Radialverdichter ist. Der Zusatzverdichter ist dabei bevorzugt an der HDT angeflanscht. Besonders günstig ist es, wenn die Schaufeln des als Radialverdichter ausgebildeten Zusatzverdichters ganz oder teilweise aus der HDT Scheibe gefräst sind, besonders bevorzugt im sogenannten Blade-Intergrated-Disc-Verfahren (Blisc).Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung ausgewählter und bevorzugter Ausführungsformen des Brennkammersystems mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es versteht sich dabei, dass Merkmale, welche nur für eine der Ausführungsformen in nur einer der Figuren dargestellt sind, auch in Ausführungsformen anderer Brennkammerformen mit geringer Emission, Anwendng finden können, sofern sich dies nicht aufgrund technischer Überlegungen verbietet.
Es zeigen:

1 - Eine schematische Darstellung einer VZL Anwendung in einer RQL Brennkammer;
2 - Eine schematische Darstellung einer VZL Anwendung in einer LPP Brennkammer; und
3 - eine schematische Darstellung einer VZL Anwendung in einer Brennkammer mit variabler Geometrie.

1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Entnahme von Verdichter - Zapfluft, deren Komprimierung in einem Zusatzverdichter 15, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Radialkompressor ausgebildet ist, und die Einblasung von VZL in eine Brennkammer 1 von der Art einer RQL Brennkammer.
HD Kompressor Zapfluft 17 verläßt den HDV über ein regelbares Ventil V1, und die Zapfluft 17 wird an den Eintritt 15A des Radialkompressors 15 geführt. Der Radialkompressor 15 ist verbunden mit der HDT Scheibe 4 mittels Verbindungsstück 14. Es erfolgt die Verdichtung der Zapfluft 17, und über einen Diffusor 13 erreicht die verdichtete Zapfluft eine inneren, umlaufende Ringleitung 12. Von da aus wird die verdichtete Zapfluft 18 über eine oder mehrere Leitungen 16 an die Innenseite einer Ringbrennkammer geführt. Von dort wird die verdichtete Zapfluft 18 wiederum über eine umlaufende innere Einspeise-Ringleitung 30 an der gewünschten Stelle und in gewünschter Art an der Innenseite der Brennkammer 1 zugeführt.
Wahlweise kann die verdichtete Zapfluft 18 auch der Außenseite der Brennkammer zugeführt werden; in diesem Falle wird die verdichtete Zapfluft 18 von der inneren umlaufenden Ringleitung 12 über hohlgebohrte Statorschaufeln des HDT-Stators 5 nach außen geführt, in einer äußeren umlaufenden Ringleitung 11 zusammengefaßt und in einer oder mehreren Leitungen 9 an die Außenseite der Ring- Brennkammer geführt. Dort wird die verdichtete Zapfluft 18 wieder an der gewünschten Stelle und Art über die äußere Einspeise-Ringleitung 31 an der Außenseite der Brennkammer 1 zugeführt.
2 zeigt die schematische Anwendung von VZL in einem Brenner von der Art Lean Premix, Prevaporized Brennkammer (LPP)
VZL 18 wird am Eingang von Premix Kanal 19 dem Hauptkraftstoff zugefiihrt. Zusammen mit der Hauptluft 6 kann im Premix Kanal 19 die Verdampfung und die Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft in der gewünschten, intensiven Art erfolgen. Auch die axiale Geschwindigkeit des Kraftstoff - Luftgemisches kann den Erfordernissen angepasst werden.
Die Zuführung der VZL an den Premix Kanal 19 kann auch über die Innenseite der Brennkammer 1 zugeführt werden, über die innere VZL Leitung (nicht gezeichnet)
3 zeigt den schematischen Aufbau einer „variablen Geometrie“-Brennkammer. Anstelle den air flow splitter 22 mechanisch oder hydraulisch zu verstellen, wird hier die Aufteilung der Luftströme für Primary zone 6 und schnelle Zumischluft 8, und für die Zumischluft 10 durch VZL 18 bewirkt. Diese erzeugt eine gewünschte Einschnürung der effektiven Strömungsfläche. Im gezeichnetem Fall wird der Hauptluftstrom 6 für die Primary zone verkleinert. Wahlweise kann die VZL 18 auch von der Außenseite der Brennkammer 1 in Richtung Splitter 22 eingeblasen werden. In dieem Falle wird der Luftstrom für die Zumischluft 10 verringert.
c) Bevorzugte Ausführungsbeispiele
RQL Brenner (Rich - Quench - Lean) : (siehe 1) Die Zumischung von VZL erlaubt eine Einblasgeschwindigkeit bis zur örtlichen Schallgrenze, je nach Verdichtungsgrad des Zusatzverdichters 15, welcher bevorzugt ein Radialverdichter ist. Durch die frei wählbare Anordnung der Einblasverhältnisse (Ort, Anzahl der Löcher, Einblaswinkel), kann auf die speziellen Anforderungen in den einzelnen Bereichen der Brennkammer 1 (rich zone - quench zone - lean zone) eigegangen werden. So kann z. B. In der rich-zone durch Einblasung einer geringen Menge von VZL das geforderte hohe KLV gehalten werden. Außerdem kann trotz niedrig gehaltener Haupluftmenge die notwendige Durchmischung gewährleistet werden. Im Bereich lean zone bewirkt VZL die geforderte vollständige und schnelle Durchmischung. Infolge des hohen Strömungsmomentes der VZL wird die Durchmischung auch im inneren Bereich der Brennkammer erreicht. Das KLV wird sehr rasch auf den geforderten niedrigen Bereich der mageren Verbrennung gesetzt, die Bildung von thermischen NOx wird weitestgehend verhindert.
Durch die Injektion von VZL mit umfangsmäßiger Komponente in die Brennkammer kann ein Wirbel erzeugt werden, co-rotierend, oder konter-rotierend zu dem Wirbel der Hauptluft. Dies dient zur zusätzlichen Optimierung der Temperaturverteilung am Turbineneintritt.
Mit der Wahl der axialen Komponente der VZL Injektion kann auch die axial Geschwindigkeit und somit die Verweildauer in der Brennkammer optimiert werden.
Eine Kombination des RQL Brenners mit der variable Geometrie Brennkammer scheint wegen der Möglichkeit der Luftmengen- Verteilung sehr sinnvoll, besonders in Hinblick auf das Teillastverhalten. Auch wird dabei das Rauch/Ruß-Problem wirkungsvoll gelöst.
LPP Brennkammer Lean- Premixed- Prevaporized Brenner (Siehe Fig 2)
In der erfindungsgemäßen Lösung wird in den Premix Kanal zusätzlich zur Hauptluft 6 eine bestimmte Menge an VZL 9 zwangsweise eingeblasen. Da die VZL ein höheres Strömungsmoment besitzt als die zugeführte Hauptluft 6, kann durch die Vermischung der Luftströme eine intensive Verdampfung des Hauptkraftstoffes 7B, sowie eine gewünschte hohe Strömungsgeschwindigkeit im Premix Kanal 19 erreicht werden. Dadurch kann eine Selbstzündung und Flammenrückschlag im Premix Kanal 19 verhindert werden. Da die Intensität der VZL 18 leicht regelbar ist, kann schnell auf verschiedene Betriebszustände, besonders bei Teillast reagiert werden.
An der Wandung (Grenzschicht) des Premix Kanales 19 ist die Strömungsgeschwindigkeit naturgemäß niedriger und es besteht dort die erhöhte Gefahr von Flammenrückschlag. Eine entsprechende Gestaltung der VZL - Düse (z. B. ringförmig um die Kraftstoffdüse) kann diese Gefahr verhindern.
Durch die höhere Geschwindigkeit im Premix Kanal 19 wird das System auch unempfindlicher gegen Brennkammer Druck-Oszillation, welche die Stabilität im Premix Kanal 19 beeinträchtigen kann. Die Verwendung von VZL in einer LPP-Brenner ist daher sehr vorteilhaft bei der jetzigen und zukünftigen Anwendung mit immer höherer werdenden Gesamtdruckverhältnissen (OPR) in modernen Triebwerken.
Die hohe Gasgeschwindigkeit im Premix Kanal 19 infolge des Einströmens der VZL 18 ermöglicht die Verwendung von zukünftigen, alternativen Kraftstoffen. So ist z. B. bei Verwendung von Wasserstoff die Flammgeschwindigkeit ca. 8 mal höher als bei Jet A, was in den bekannten Systemen die Gefahr von Flammenrückschlag stark erhöht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es dennoch, z.B. Wasserstoff als Treibstoff zu verwenden, da Flammenrückschlag durch die mit hoher Geschwindigkeit eingeblasene VZL effektiv verhindert werden kann.
Es ist festzustellen, daß die Intensität von VZL 18 über das Ventil V1 leicht zu regeln und auf den Lastzustand des Triebwerkes anzupassen ist.
Variable Geometrie Brennkammer (siehe Fig. 3)
Anstatt den Splitter 22 in der Brennkammer mechanisch zu verstellen wird VZL 18 in den Leitungen 9 und/oder 16 benutzt, um als Sperrluft die effektive Fläche für die Hauptluft 6 innerhalb des Splitters 22 zu reduzieren. Ziel ist es die Brennkammerstöchiometrie in der primary zone zu regeln. Wählt man bei Teillast des Triebwerkes die VZL 9 und/oder 16 Einblasung in den Innenteil des Splitters 22, so strömt mehr Luft in den hinteren Teil der Brennkammer (Vermischungsluft 10) und die Hauptluft 6 in der Brennkammer und schnelle Zumischluft 8 wird reduziert. Somit erzielt man ein gewünschtes höheres KLV bei Teillast. Die stufenlose Regelung erfolgt wiederum über das Regelventil V1 für die VZL. Es ist auch möglich, VZL in den Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Splitter einzublasen. In diesem Falle wird der Luftdurchsatz für Vermischungsluft 10 reduziert, und der Durchsatz für den Hauptstrom 6 und schnelle Zumischluft 8 wird erhöht.
Variable HD Turbinenkapazität bei Teillast.
Anstatt die Statoren 5 der Hochdruckturbine mechanisch zu verstellen wird VZL verwendet, um mit ihrem großen Strömungsmoment die effektive Fläche im Statorbereich zu verkleinern. Zu diesem Zweck wird VZL vom umlaufenden inneren Kanal 12 mittels eines weiteren Ventiles V2 (nicht gezeichnet) in den Spalt zwischen Brenkammer 1 und Stator 5, und/oder im Statorkanal auf der Saug-, Druck-, Decken- oder Bodenseite in den Heißgasstrom eingeleitet. Der Heißgasstrom wird somit eingeschnürt und die Turbinenkapazität (engste Stelle am Statorende) wird verkleinert. Vorteilhafterweise erfolgt die Einblasung auf der Bodenseite (Innenseite) des Statorkanals, oder im Spalt zwischen Brennkammeraustritt und Statoreintritt, weil dann der Heißgasstrom auf das äußere Kreissegment des Stators und der Turbine gezwungen wird. Das Heißgas leistet dann auf dem äußeren Kreissegment optimale Turbinenarbeit. Dagegen wird der hochbelastete Schaufelfuß der HDT von der im innerem Kreissegment strömenden VZL gekühlt.
Wird die HDT-Kapazität bei Teillast verkleinert, so muß vom HDV eine bestimmte Menge an Zapfluft abgeführt werden, um den Betriebspunkt im HDV zu erhalten. Die Anwendung von VZL zur Kapazitätsregelung erfüllt im Prinzip diese Forderung. Vorzugsweise wird die Menge der entnommenen VZL in Verbindung mit der Einschnürung so gewählt, daß der Betriebspunkt im HDV auf der gewünschten Fahrlinie bleibt. Dies kann erreicht werden, indem mit dem Ventil V1 und/oder V2 die Einschnürung des Heißgasstromes so erfolgt, daß der Betriebspunkt im HDV auf der gewünschten Fahrlinie bleibt
Mit Hilfe ders VZL Ventile V1 und/oder V2 ist eine eine Regelung der Einschnürung für verschiedene Teillastfälle gewährleistet.
Infolge der höheren TET bei verkleinerter Turbinenkapazität kann der innere Wirkungsgrad des Triebwerkes steigen, mit der Folge von niedrigerem Verbrauch und CO2 Ausstoß. Allerdings treten durch die Entnahme von Zapfluft 17, deren Verdichtung und anschließende Zumischung im Turbinenbereich Verluste auf.
Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, daß die Brennkammerparameter Druck und Temperatur in der Brennkammer bei Triebwerksteillast weiterhin bei Vollastwerten verbleiben, was die Regelung vereinfacht. Lediglich der Durchsatz in der Brennkammer wird verkleinert
Bezugszeichenliste

1: Brennkammer
2: HDV-Scheibe
3: HD-Welle
4: HDT-Rotor
5: HDT-Stator
6: HauptLuft
7: Kraftstoff
7A: Pilot-Kraftstoff
7B: Hauptkraftstoff
8: schnelle Zumischungsluft
9: äussere VZL-Leitung
10: Vermischungsluft
11: äußere umlaufende Ringleitung
12: innere umlaufende Ringleitung
13: Diffusor
14: Verbindung
15: Radialverdichter
15A: Radialverdichtereintritt
16: innere VZL-Leitung
17: Zapfluft
18: verdichtete Zapfluft von Zentrifugal Kompressor
19: Premix-Kanal
20: Pilot-Verbrennung
21: Haupt-, Magerverbrennung
22: Splitter
30: innere Einspeise Ringleitung
31: äußere Einspeise Ringleitung
V1: Ventil am HDV Austritt
V2: Ventil in der inneren umlaufenden Ringleitung (nicht gezeichnet)

Claims

Hochdrucksystem eines Luftfahrtantriebes, oder einer stationären Gasturbine aufweisend einen Hochdruckverdichter (HDV), eine Brennkammer (1) und eine Hochdrucktturbine (HDT) dadurch gekennzeichnet, daß Zapfluft (17) vom Hochdruckverdichter entnehmbar ist, und dass einen oder mehrere Zusatzverdichter (15) (Axial- oder Radialverdichter), welche(r) am Hochdrucksystem angeflanscht und dafür ausgelegt ist/sind, die Zapfluft (17) zusätzlich zu komprimieren, wobei die komprimierte/verdichtete Zapfluft (18) anschließend in definierte Bereiche der Brennkammer (1) und/oder eines Kraftstoffeinspritzsystem der Brennkammer (1) und/oder im Statorbereich (5) der Hochdruckturbine zumischbar ist.
Hochdrucksystem nach Anspruch 1, wobei die Entnahme der Zapfluft (17) am Ende des HDV erfolgt und mittels eines Ventils (V1) geregelt wird.
Hochdrucksystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Zusatzverdichter (15) als Radialverdichter ausgeführt ist, welcher an der HDT Scheibe (4) oder Welle (3) festgelegt ist.
Hochdrucksystem nach Anspruch 3, wobei die Schaufeln des Radialverdichters (15) ganz oder teilweise aus der HDT Scheibe (4) gefräst sind, besonders bevorzugt im sogenannten Blisc-Verfahren.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Zusatzverdichter (15) ein Diffusor (13) angeschlossen ist.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die VZL (18) vom Zusatzverdichter (15) in eine umfangsmäßig angeordnete inneren umlaufenden Ringleitung (12) mündet, von wo aus die VZL in einer oder mehreren geschlossenen Leitung(en) (16) an den inneren Teil der Ringbrennkammer geführt wird.
Hochdrucksystem nach Anspruch 6, wobei die VZL (18) von der umlaufenden inneren Leitung (12) mittels hohl gestalteter Schaufeln des HDT Stators (5) nach außen in eine äußere umlaufende Ringleitung (11) geführt wird, von wo aus die VZL mittels einer oder mehrerer Leitung(en) (9) an den äußeren Teil der Ringbrennkammer (1) geführt wird.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die VZL (18) in einzelne, oder mehrere definierte Bereiche der Brennkammer (1) zugeführt wird, wobei die VZL (18) Zuführung bevorzugt von der Außen- und/oder Innenseite oder von beiden Seiten der Ringbrennkammer erfolgt.
Hochdrucksystem nach Anspruch 8, wobei die VZL (18) in die Rich-Zone zur kontrollierten Erhaltung der fetten Verbrennung und Durchmischung eingeblasen wird, wobei die VZL (18) in die Quensch-Zone mit hoher Geschwindigkeit zur Löschung der Verbrennung einblasbar ist, und wobei die VZL (18) in die Misch-Zone eingeblasen wird um durch hohe Verwirbelung eine rasche Mischung zu ermöglichen.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprühe, wobei die VZL (18) durch wandnahe, axiale Einblasung für die Linerkühlung verwendet wird.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einleitung der VZL (18) in die Brennkammer (1) axial, entlang des Hauptstromes unter Beschleunigung, gegen Hauptstrom unter Verzögerung , radial, tangential, oder in einer Kombination der vorgenannten Richtungen erfolgt.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennkammer (1) eine LPP Brennkammer oder eine Brennkammer mit ähnlichem premixed, prevaporized Verfahren ist, wobei die VZL (18) mit dem Kraftstoff (7B) und der Hauptluft (6) in einen premix Kanal-, oder Kammer geführt wird, um die Verdampfung und Vorvermischung zu verbessern.
Hochdrucksystem nach einem der Ansprüche 1-12, wobei die Brennkammer (1) eine variable Geometrie aufweist, wobei die VZL(18) derart außerhalb, oder innerhalb eines airflow splitters (22) eingeleitet wird, daß entweder der Durchsatz der Hauptluft (6), oder der Durchsatz der Mischluft (10) mittels aerodynamischer Einschnürung regelbar ist.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die VZL (18) im Bereich des Endes der Brennkammer (1), im Bereich des Beginns des HDT Stators (5) und/oder im Heißgaskanal des HDT Stators (5) derart einleitbar ist, daß die effektive Fläche des Heißgaskanals im HDT Stator (5) verkleinert wird.
Hochdrucksystem nach Anspruch 14, wobei die Zumischung der VZL (18) im Bereich des Statorkanales in der Druck-, Saug-, Decken-, oder Fußseite (Innenseite) erfolgt.
Hochdrucksystem nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die VZL (18) vorwiegend im HDT Stator (5) Kanalfuß (innen) eingeleitet wird, wobei das Heißgas an den äußeren Teil des HDT Statorkanales geführt wird, wo es aufgrund des größeren Radius (Kreissegment) eine optimale Turbinenarbeit verrichtet und der hochbeanspruchte Schaufelfuß der Turbine lebensdauerschonend von der kühleren VZL (18) im inneren Kreissegment beaufschlagt wird.
Hochdrucksystem nach einem der Ansprüche 1-16, wobei zur Steuerung/Regelung der VZL (18) für Turbinenkapazität-Steuerung ein VZL-Ventil (V2) im Bereich der umfangsmäßig angeordneten inneren umlaufenden Ringleitung (12) eingebaut wird.
Hochdrucksystem nach einem der Ansprüche 13-17, wobei die für HDT Kapazitäts-Regelung die zugeleitete Menge (Löcher), Zuströmwinkel der verwendeten VZL (18) so gewählt sind, daß die Einschnürung des Heißgasstromes derart erfolgt, daß im Hochdruckverdichter der Betriebspunkt auf der gewünschten Fahrlinie bleibt.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die VZL (18) mittels Ein- oder Durchleitung in die HDT Statoren (5) zur Bauteilkühlung der Statorschaufeln verwendbar ist, wobei zur Kühlung bekannte Verfahren, wie Konvektionskühlung, Filmkühlung und/oder oder Diffusionskühlung zum Einsatz gelangen kann.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die VZL (18) zur Kühlung der Schaufeln des HDT Rotors verwendet wird, wobei durch Zuleitung einer bestimmten, kleinen Menge von VZL (18) aus dem Bereich des Diffusors (13) oder der inneren umlaufenden Ringleitung (12) an den Schaufelfuß der HDT geleitet wird, von wo es über Bohrungen durch die HDT Rotor Schaufelfuß als Kühlluft geleitet wird.
Hochdrucksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die Schaufeln des Radialverdichters (15) an der HDT Scheibe (4) im BLISC (Blade Integrated Disc) Verfahren hergestellt ist