DE102022115585A1

DE102022115585A1 - Antriebssystem für ein Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022115585A1
Application number: DE102022115585.4A
Authority: DE
Inventors: Sascha Kaiser; Hermann Klingels; Petra Kufner; Simon SCHULDT
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2024-01-11
Also published as: WO2023246980A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem (1) für ein Luftfahrzeug, mit einer Gasturbine (2), die einen Kernstromkanal (10) aufweist, wobei in dem Kernstromkanal (10) in Strömungsrichtung ein Verdichter (12), eine Brennkammer (13), eine erste Turbine, insbesondere Hochdruckturbine (14), zum Antreiben des Verdichters (12), und eine zweite Turbine, insbesondere Niederdruckturbine (15) angeordnet sind, und einem Wassersystem (30) zum Bereitstellen von Wasser durch Rückgewinnung aus einem Abgas aus dem Kernstromkanal (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug. Das Antriebssystem weist eine Gasturbine mit einem Kernstromkanal und ein Abgasbehandlungssystem auf. Dabei ist in dem Kernstromkanal in Strömungsrichtung ein Verdichter, eine Brennkammer, eine erste Turbine zum Antreiben des Verdichters, und eine zweite Turbine zum Antreiben des Fans angeordnet.
In der Vergangenheit wurden für stationäre Gasturbinen und Flugtriebwerke viele Konzepte für eine schadstoffarme Verbrennung entwickelt. Dabei werden unterschiedliche Maßnahmen ergriffen, die alle das Ziel haben, hohe Spitzentemperaturen und die damit einhergehende Stickoxidbildung zu vermeiden und gleichzeitig die Emission von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen gering zu halten. Es ist bekannt, dass das Medium Wasser bzw. Wasserdampf bei Strömungsmaschinen zur Leistungssteigerung und zur Emissionssenkung eingesetzt werden kann.
Auch bei Flugtriebwerken ist es sinnvoll Wasserdampf zu nutzen, um die Umweltwirkung des Flugverkehrs zu verbessern. Hierbei bietet Wasserdampf neue Möglichkeiten der Brennstoffaufbereitung und damit ein neues Konzept für eine schadstoffarme Verbrennung in einer Strömungsmaschine. Beispielsweise kann in einem stromabwärts einer Triebwerksturbine angeordneten Dampferzeuger mittels Abgasenergie Dampf erzeugt werden, der im Bereich der Brennkammer zugeführt wird. Nach einem Durchströmen des Dampferzeugers kann feuchtes Abgas weitere Komponenten durchströmen, die dazu dienen, Wasser aus dem Abgas abzuscheiden. Bei den bekannten Verfahren zum Betreiben von Flugtriebwerken Dampferzeugungskonzepte benötigen allerdings große Dampferzeuger mit hohem Gewicht.
Darüber hinaus sind die klassischen Konzepte von Flugtriebwerken sehr ausgereift und versprechen zukünftig nur inkrementelle Verbesserungen im Wirkungsgrad. Somit werden Veränderungen am Kreisprozess der Gasturbine trotz steigernder Komplexität attraktiver, da sie deutliche Verbesserungen im Wirkungsgrad (SFC) versprechen.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Antriebssystem für ein Luftfahrzeug und ein Luftfahrzeug anzugeben. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine für ein Luftfahrzeug vorzuschlagen, bei welchem insbesondere der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessert ist.
Diese Aufgabe wird von einem Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 19 gelöst. Die weitere Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beschreibung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine Gasturbine, die einen Kernstromkanal aufweist, wobei in dem Kernstromkanal in Strömungsrichtung ein Verdichter, eine Brennkammer, eine erste Turbine, insbesondere Hochdruckturbine, zum Antreiben des Verdichters, und eine zweite Turbine, insbesondere Niederdruckturbine angeordnet sind. Ferner umfasst das Antriebssystem ein Wassersystem zum Bereitstellen von Wasser, das aus einem Arbeitsgas aus der Gasturbine bzw. Abgas aus dem Kernstromkanal rückgewonnen wird.
Die Gasturbine hat mindestens einen Kernstromkanal bzw. einen Hauptstromkanal wenn es sich um ein Nebenstromtriebwerk mit einem Nebenstromkanal handelt. Das Wassersystem ist Teil des Abgasbehandlungssystems, das in einer bevorzugten Ausführungsform auch ein Dampfsystem aufweist. Das Wassersystem umfasst zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung und einen Kondensator mit vorzugsweise mindestens einem Kondensatormodul, wobei die Gasturbine bevorzugt ein Außengehäuse aufweist, das den Nebenstromkanal radial außen begrenzt. Die Hochdruckturbine treibt den Verdichter, insbesondere einen gesamten Hochdruckverdichter, der vorzugsweise aus den hinteren, über ein Verdichterzwischengehäuse von anderen Stufen axial abgetrennten Stufen des Verdichters, besteht, vorzugweise über eine erste Welle an. Die Niederdruckturbine treibt einen Fan des Antriebssystems an, besonders bevorzugt über ein Getriebe, das zwischen einer zweiten Welle und dem Fan angeordnet ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Antriebssystem ferner eine Dampfturbine aufweist, die eine Leistung, insbesondere über ein Dampfturbinengetriebe auf die zweite Welle, an den Fan abgibt. Die Dampfturbine kann auf einer dritten Welle angeordnet sein.
Im Folgenden verläuft eine axiale Richtung einer Gasturbine parallel zu einer Triebwerksachse, das heißt einer Wellenachse einer Antriebswelle der Gasturbine. Eine radiale Richtung verläuft senkrecht zu der Triebwerksachse. Die Formulierung „radiale Richtung‟ ist nicht auf die geometrische Normalenebene zur Triebwerksachse eingeschränkt. Schließlich weist die Gasturbine eine Umfangsrichtung auf, die eine Richtung um die Triebwerksachse beschreibt.
In einer Ausführungsform wird das in der Wasserabscheideeinrichtung gewonnene Wasser dem Dampfsystem zugeführt. Das Wasser wird in dem Dampfsystem in einem Dampferzeuger durch Abgaswärme verdampft und treibt in einer bevorzugten Ausführungsform eine Dampfturbine an, die zusätzliche Leistung in das Gesamtsystem einspeist. Anschließend wird der Dampf in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dem Kernstrom zugeführt und mit der verdichteten Luft in die Brennkammer geleitet, wodurch Massestrom und spezifische Leistung erhöht wird und eine Reduktion des Stickoxidanteils im Abgas bewirkt wird. Der Dampf kann in einer Ausführungsform vor dem Einbringen in die Brennkammer mit dem Arbeitsgas vermischt werden und/oder direkt in die Brennkammer eingebracht werden. Ferner kann der Dampf zum Kühlen von Bauteilen der Gasturbine verwendet werden.
Ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine mit einem Hauptstromkanal, einem Nebenstromkanal, einem Wassersystem und einem Dampfsystem, wobei das Wassersystem zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung und einen Kondensator insbesondere mit mindestens einem Kondensatormodul umfasst, wobei die Gasturbine ein Außengehäuse aufweist, das den Nebenstromkanal außen umgibt, insbesondere begrenzt, ist erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass das Wassersystem und das Dampfsystem in und/oder in radialer Richtung innerhalb des Außengehäuses und/oder des Innengehäuses angeordnet sind. Es kann vorteilhaft ferner vorgesehen sein, dass das Wassersystem und das Dampfsystem zusammen ein Gesamtgewicht aufweisen und zumindest 80%, vorzugsweise zumindest 90%, insbesondere 95%, des Gesamtgewichts in und/oder in radialer Richtung innerhalb zumindest eines Gehäuses um den Kernstrom und/oder um das Außengehäuse bei einem Nebenstromtriebwerk angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das Gesamtdruckverhältnis der Gasturbine zwischen 20 - 40, und vorzugsweise 22 - 35 liegt. Ein in diesem Bereich arbeitendes Antriebssystem weist insbesondere im Reiseflug einen deutlich reduzierten Verbrauch auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems weist der Verdichter, insbesondere der Hochdruckverdichter, ein Druckverhältnis von 13 bis 30, vorzugsweise 16 bis 27, auf. Ein derart betriebener Verdichter stellt der Brennkammer ein ideal komprimiertes Gas zur Verfügung. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Gas zuvor in einer Mischkammer mit einem Dampf gemischt wurde, wodurch sich der Massendurchsatz und somit die spezifische Leistung erhöht. Besonders vorteilhaft kann so zusammen mit einem Fan der Gasturbine ein ideales Gesamtdruckverhältnis erzielt werden.
Ein weiterentwickeltes erfindungsgemäßes Antriebssystem, dessen Gasturbine eine erste Antriebswelle aufweist, die von der ersten Turbine, insbesondere Hochdruckturbine, angetrieben wird und einen Verdichter antreibt und eine zweite Antriebswelle aufweist, die von der zweiten Turbine, insbesondere Niederdruckturbine, angetrieben wird und insbesondere über ein Getriebe, einen Fan antreibt, ist besonders bevorzugt dadurch weitergebildet, dass der Verdichter der einzige über eine Antriebswelle der Gasturbine angetriebene Verdichter ist. Hierdurch können die Rotoren des Verdichters im Hauptstromkanal vorteilhaft ohne eine Niederdruckturbine oder ohne mechanischen Leistungsanteil einer Niederdruckturbine angetrieben werden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Antriebssystems ist die Gasturbine als Nebenstromtriebwerk ausgebildet und weist ein Nebenstromverhältnis auf, das größer als 30 ist, oder die Gasturbine ist als Open-Rotor ausgebildet und weist ein Nebenstromverhältnis auf, das größer als 50, bevorzugt größer als 60 und weiter bevorzugt größer als 70 ist. Open-Rotor heißt, dass der Rotor oder die Rotoren des Fans außerhalb eines einen Kernstromkanal umgebenden Gehäuses bzw. Kerngehäuses angeordnet sind und insbesondere nicht von einem weiteren Außengehäuse umgeben sind. Eine Rotorspitze des Fans stellt bei einer Open-Rotor-Gasturbine einen äußersten Punkt der Gasturbine dar. Ferner sind dabei Montagepunkte für die Befestigung der Gasturbine an einem Pylon oder Flügel des Luftfahrzeugs an dem Kerngehäuse angeordnet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Antriebssystems kann es sich bei der Gasturbine um eine mit Wasserstoff betreibbare Gasturbine handeln. Bevorzugt weist das Abgasbehandlungssystem, insbesondere das Wassersystem eine Wärmetauscheinrichtung zur Unterstützung der Rückgewinnung von Wasser auf Basis der Kühlwirkung des insbesondere kryogenen Wasserstoffs auf. Vorteilhaft wird dabei die Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsgas und dem Wasserstoff genutzt, um dadurch die Rückgewinnung von Wasser zu unterstützen. Gewicht und Bauraum der Abgasbehandlungssystem können dadurch reduziert werden.
Wassersystem
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Antriebssystem vorteilhaft so weitergebildet sein, dass ein Gehäuse, insbesondere Außengehäuse oder Innengehäuse, den Kernstromkanal und/oder einen Nebenstromkanal radial außen umgibt, und dass das Wassersystem zumindest zum Teil in und/oder an dem Gehäuse angeordnet ist. Hierdurch wird ein System geschaffen, das sehr kompakt ausgebildet ist.
Ferner kann das Wassersystem des erfindungsgemäßen Antriebssystems zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung und einen, insbesondere als Kondensator ausgebildeten, Wärmetauscher zur Kühlung des Abgases, mittels eines relativ zum Abgas eine niedrigere Temperatur aufweisenden und/oder eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Kühlfluids, umfassen. Unter einer hohen Strömungsgeschwindigkeit wird vorliegend eine Strömungsgeschwindigkeit verstanden, wie sie typischerweise als Anströmgeschwindigkeit im Luftfahrtbereich auftaucht. Es kann also üblicherweise von einer Geschwindigkeit >50m/s ausgegangen werden. Ist ein Wärmetauscher im Mantelstrom eines Triebwerks angeordnet, können noch deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, im Bereich von Mach 0,4 bis Mach 0,5.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Antriebssystem so weitergebildet sein, dass der insbesondere als Kondensator ausgebildete Wärmetauscher mindestens ein Kondensatormodul umfasst, und/oder die Wasserabscheideeinrichtung in dem Gehäuse angeordnet ist, und/oder dass das mindestens eine Kondensatormodul in dem Nebenstromkanal angeordnet ist und Abgaskanäle aufweist, die ein Abgas aus dem Hauptstromkanal vorwiegend nach radial außen durch den Nebenstromkanal insbesondere in das Gehäuse leiten.
Dampfsystem
Eine äußerst vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebssystems sieht vor, dass das Antriebssystem ein Dampfsystem zur Erzeugung von Dampf aus dem bereitgestellten Wasser aus dem Wassersystem aufweist, wobei der Dampf dem Arbeitsgas zugeführt wird und/oder zur Kühlung von Bauteilen verwendet wird. Hierdurch lässt sich vorteilhaft der Massenstrom des Arbeitsgases, also des den Kernstrom durchströmenden Fluids, erhöhen bzw. Komponenten wie der Verdichter, die Brennkammer oder die Turbine sowie insbesondere deren Ummantelungen abkühlen, was es erlaubt, die entsprechenden Komponenten bei noch höheren Temperaturen zu betreiben. Insbesondere gegenüber rein durch Luft gekühlten Komponenten lässt sich so vorteilhaft eine höhere Konvektion und damit ein höherer Wärmeabtransport erzielen.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem kann vorteilhaft so ausgebildet sein, dass im Betrieb mittels des Dampfsystems ein Anteil von 5-40 Massen%, vorzugsweise 15-35 Massen% Wasser im Arbeitsgas einstellbar ist. Hierdurch kann ein zumindest nahe einem bezüglich Verlustleistung und Massenstrom eingestelltes Optimum eines Arbeitsgasgemisches erreicht werden. Dies lässt sich beispielsweise über in eine Mischkammer führende Ventile oder Einspritzdüsen erzielen.
Besonders bevorzugt kann das Dampfsystem dazu ausgebildet sein, dass im Reiseflug mittels des Dampfsystems ein Anteil von 10-30 Massen%, vorzugsweise 15-25 Massen% Wasser im Arbeitsgas einstellbar ist.
Fluidführung
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wasserabscheideeinrichtung in dem Außengehäuse, insbesondere in der Cowling und/oder einem äußeren Bereich oder inneren Bereich des Außengehäuses, angeordnet ist, und/oder dass das mindestens eine Kondensatormodul in dem Nebenstromkanal angeordnet ist und Abgaskanäle aufweist, die ein Abgas aus dem Hauptstromkanal nach außen, insbesondere in zumindest radialer Richtung der Gasturbine, durch den Nebenstromkanal und in das Außengehäuse leiten. Durch diese Bauweise, in der die Abgaskanäle das Abgas, besonders bevorzugt vorwiegend in radialer Richtung, zumindest teilweise durch den Nebenstromkanal und in das Außengehäuse leiten, lässt sich auf einfache Weise das Abgas abkühlen, um anschließend das darin enthaltene Wasser abzuscheiden. In zumindest radialer Richtung heißt, dass der Verlauf der Abgasströmung oder der Abgaskanäle im Wesentlich in radialer Richtung verläuft, aber auch von der radialen Richtung abweichenden Richtungen folgen kann. Die Abgaskanäle können sich auch nur teilweise, insbesondere in zumindest radialer Richtung, zumindest abschnittsweise in radialer Richtung und/oder teilweise parallel zu einer radialen Richtung, durch den Nebenstromkanal erstrecken. Das Außengehäuse kann integral ausgebildet sein oder mehrere Außengehäuseteile aufweisen. Eine integrale oder einstückige Ausbildung des Außengehäuses hat den Vorteil, das weniger Leckagen auftreten und somit das Gesamtsystem einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
Insbesondere können an oder in dem Außengehäuse Befestigungsmittel zur Montage der Gasturbine an einem Pylon oder einem Flügel einer Luftfahrzeugs vorgesehen sein. Darüber hinaus lässt sich vorteilhaft eine kompakte und integrierte Bauform der Gasturbine inklusive des Wasser- und Dampfsystems und damit des gesamten Antriebssystems realisieren. Es ist vorteilhaft nicht mehr nötig, auf Komponenten oder den Bauraum des Flügels oder des Pylons zurückgreifen zu müssen. Weiterhin spart dieses Antriebssystem Gewicht gegenüber den im Stand der Technik bekannten Antriebssystemen. Ein weiterer Vorteil gegenüber Antriebssystemen aus dem Stand der Technik ist, dass das Antriebssystem als Ganzes an einem Pylon eines Flügels montiert werden kann, ohne dass Teile des Antriebssystem in dem Pylon oder dem Flügel angeordnet werden müssen. Auf diese Weise kann die Wartung auf das Antriebssystem beschränkt und somit die Wartungskosten gewinnbringend reduziert werden. Der Hauptstromkanal, der auch als Kernstromkanal bezeichnet wird, dient der Fluidführung durch die Gasturbinenkomponenten umfassend einen Verdichter, insbesondere einen Niederdruck- und einen Hochdruckverdichter, eine Brennkammer und eine Turbine, insbesondere einer Hochdruck- und einer Niederdruckturbine. Das Abgas aus dem Hauptstromkanal hat aufgrund der Verbrennung in der Brennkammer eine hohe Temperatur. Der Nebenstromkanal, der auch als Bypass bezeichnet werden kann, dient der Luftführung eines Großteils des vom Fan geförderten Luftgesamtstroms und dient hauptsächlich der Schuberzeugung. Der Luftnebenstrom im Nebenstromkanal weist eine niedrige Temperatur auf, die in einem Temperaturbereich leicht oberhalb der Umgebungstemperatur liegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kondensatormodul als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Diese Konfiguration erlaubt eine besonders effiziente Wärmeübertragung und ist gut in den Nebenstromkanal integrierbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Antriebssystems sind eine Abgasströmungsrichtung des zumindest einen Kondensatormoduls und eine Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals in einem Kreuzstrom zueinander angeordnet. Die so geschaffene Kreuzstromanordnung erlaubt eine besonders einfache Strömung des Abgases aus dem Hauptstromkanal in das Außengehäuse der Gasturbine, um das dort dann in flüssiger Form vorliegende Wasser abscheiden zu können, während es in dem Kondensator strömend den im Wesentlichen in axialer Richtung strömenden Luftnebenstrom kreuzt.
Besonders bevorzugt ist das Antriebssystem dadurch weitergebildet, dass das mindestens eine Kondensatormodul eine der Luftnebenstromrichtung zumindest teilweise zugewandte Seitenfläche aufweist. Das Kondensatormodul weist einen Anstellwinkel gegenüber der Luftströmung auf, das Strömen durch den Kondensator begünstigt und wodurch Druckverluste reduziert werden können.
Weiterhin kann in einer bevorzugten Weiterbildung des Antriebssystems vorgesehen sein, dass das mindestens eine Kondensatormodul Kühlkanäle aufweist, die einen Luftnebenstrom des Nebenstromkanals von der der Luftnebenstromrichtung zumindest teilweise zugewandten Seitenfläche auf eine der Luftnebenstromrichtung abgewandten Seitenfläche des mindestens einen Kondensatormoduls leiten. Hierdurch wird die angeströmte Oberfläche der Kondensatormodule vorteilhaft vergrößert, was die Strömungsgeschwindigkeit durch das mindestens eine Kondensatormodul verringert, wodurch Druckverluste weiter reduziert werden.. Darüber hinaus findet eine Strömung auf und entlang der Rückseite der Kondensatormodule, das heißt der der Strömungsrichtung des Nebenstromkanals abgewandten Seitenfläche, statt, so dass die Wärmeübertragung vorteilhaft weiter erhöht wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Antriebssystem sind Kondensatormodule gruppiert angeordnet, so dass das mindestens eine Kondensatormodul als ein erstes Kondensatormodul und zusätzlich ein zweites Kondensatormodul als Kondensatormodulpaar in Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals paarweise angeordnet sind, wobei die Kondensatormodule eines Kondensatormodulpaares zueinander einen geringeren inneren Abstand in Umfangsrichtung der Gasturbine aufweisen, als einen äußeren Abstand in Umfangsrichtung der Gasturbine zu anderen Kondensatormodulen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der innere Abstand zumindest in Strömungsrichtung der Luftnebenstromrichtung in einer ersten Hälfte des Kondensatormodulpaares kleiner ist als der äußere Abstand. Hierdurch werden in den engeren Zwischenräumen innerhalb der Kondensatormodulpaare Bereiche mit einem relativ heißen Luftnebenstrom geschaffen, die eine zumindest geringfügig erhöhte spezifische Enthalpie zur Schuberzeugung aufweisen. Darüber hinaus sind die relativ kalten Zwischenräume, das heißt die Nebenstromkanalbereich, die zwischen zwei Kondensatormodulpaaren angeordnet sind, dafür vorgesehen, Verunreinigungen im Luftnebenstrom ableiten zu können. Es kann aber alternativ auch vorgesehen sein, dass der innere Abstand zumindest in Strömungsrichtung der Luftnebenstromrichtung in einer ersten Hälfte des Kondensatorpaares größer ist als der äußere Abstand.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Antriebssystems sind ein erstes Kondensatormodul und ein zweites Kondensatormodul als Kondensatormodulpaar in Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals paarweise angeordnet sind, wobei das erste Kondensatormodul zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal einen ersten Anstellwinkel aufweist und das zweite Kondensatormodul zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal einen von dem ersten Anstellwinkel verschiedenen zweiten Anstellwinkel aufweist. In einer weitere Ausführungsform weisen der erste Anstellwinkel und der zweite Anstellwinkel ein unterschiedliches Vorzeichen zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal auf. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die beiden Anstellwinkel einen gleichen Absolutwert aufweisen.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das erste Kondensatormodul und das zweite Kondensatormodul durch eine stromaufwärts angeordnete Eintrittsverkleidung miteinander verbunden sind, die einen Luftnebenstrom des Nebenstromkanals teilt und entlang von der Luftnebenströmung zugewandten Seitenflächen des ersten Kondensatormoduls und des zweiten Kondensatormoduls leitet. Die Eintrittsverkleidung kann vorteilhaft zur Erzeugung oder Beibehaltung einer günstigen Luftströmung beitragen und Fremdkörper von den Kondensatormodulen wegleiten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind das erste Kondensatormodul und das zweite Kondensatormodul in einer V-Anordnung in dem Nebenstromkanal angeordnet. Hierdurch werden vorteilhaft düsenartige Bereiche zur Leitung des entsprechenden erhitzten Teilnebenstroms zwischen zwei Kondensatormodulen geschaffen, so dass keine zusätzlichen Trennwände in den Nebenstromkanal eingefügt werden müssen. Insbesondere kann zwischen zwei Kondensatormodulpaaren zumindest ein Bereich mit relativ ungestörter Luftströmung in dem Nebenstromkanal erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Antriebssystems ist die zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung, insbesondere eine Kernaustrittsdüse der zumindest einen Wasserabscheideeinrichtung oder ein Drallerzeuger der zumindest einen Wasserabscheideeinrichtung, in Umfangsrichtung zwischen zwei Kondensatormodulen, insbesondere zwischen zwei Kondensatormodulpaaren in einer das Außengehäuse schneidenden Umfangsebene, angeordnet. Dadurch kann der Bauraum in der Cowling, das heißt in dem Außengehäuse vorteilhaft besser genutzt werden.
In einer besonderen Verbesserung des Abgasbehandlungssystems münden Abgaskanäle von mindestens einem, insbesondere zwei Kondensatormodulen in eine Wasserabscheideeinrichtung, insbesondere in einen Eintrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung. Es können auch Abgaskanäle von drei oder mehr Kondensatormodulen in eine Wasserabscheideeinrichtung münden. Insbesondere kann es sich dabei um benachbarte Kondensatormodule handeln. Hierdurch kann die Nutzung des Bauraums in dem Außengehäuse weiter verbessert werden.
Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das zumindest ein Kondensatormodul von einer stromabwärts angeordneten Austrittsverkleidung begrenzt ist. Durch eine Austrittsverkleidung kann der Luftnebenstrom verlustarm auf einfache Weise in die gewünschte Schubrichtung ausgerichtet werden.
Als eine vorteilhafte Ausführungsform einer Gasturbine, die eine Hauptantriebswelle mit einer Drehachse aufweist, die von einer Turbine angetrieben wird und, insbesondere über ein Getriebe, einen Fan und/oder einen Verdichter antreibt, dass eine Dampfturbine, insbesondere konzentrisch, zu der Hauptantriebswelle angeordnet ist und ihre mechanische Leistung über ein Dampfturbinengetriebe an die Hauptantriebswelle speist. Hierdurch kann ein sehr kompaktes Antriebssystem geschaffen werden, das einen Wärmestrom aus dem Abgas zur zusätzlichen Leistungsgenerierung nutzen kann. Insbesondere gegenüber einer Ausführung mit einer exzentrisch angeordneten dritten Wellen ist der Turbomaschinenteil weiter vereinfacht und es ergeben sich geringere Verlustleistungen und eine verbesserte Bauraumausnutzung.
Wärmetauscher
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wärmetauscher für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem zur Kühlung eines Heißfluids mittels einem relativ zu dem Heißfluid eine niedrigere Temperatur aufweisenden und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Kühlfluids vorgeschlagen, der ein Hochtemperaturgitter zur Führung des Heißfluids sowie ein Niedertemperaturgitter zur Führung des Kühlfluids umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in wenigstens einem von dem Kühlfluid durchströmten ersten Niedertemperaturkanal des Niedertemperaturgitters ein Diffusorbereich zur Verzögerung des anströmenden Fluids angeordnet ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Diffusorbereich und ein von dem Heißfluid durchströmter erster Hochtemperaturkanal des Hochtemperaturgitters zumindest eine gemeinsame Wand zur Wärmeübertragung aufweisen. Durch die gemeinsame Wand ist bereits der Diffusorbereich an der Wärmeübertragung beteiligt, so dass vorteilhaft wertvoller Bauraum thermisch genutzt werden kann und so die Größe des Wärmetauschers reduziert werden kann.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen des Wärmetauschers und Details des Wärmetauschers beschrieben, der in einem erfindungsgemäßen Antriebssystem eingesetzt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Niedertemperaturkanal einen Umlenkbereich aufweisen der stromaufwärts des Diffusorbereichs angeordnet ist und in welchem das Kühlfluid umgelenkt, aber noch nicht verzögert wird. In anderen Worten kann das Kühlfluid zunächst mit im Wesentlichen gleichbleibender oder sich verringernder Querschnittsfläche umgelenkt werden, bevor es in den Diffusorbereich eintritt, in welchem sich die Querschnittsfläche des Niedertemperaturkanals vergrößert. Dies ermöglicht eine Richtungsänderung der Kaltströmung vom Anströmwinkel zum Hauptneigungswinkel des Niedertemperaturkanals schon vor dem Eintritt in den Diffusorbereich. Bevorzugt kann das Kühlfluid im Umlenkbereich beschleunigt werden, das heißt die Querschnittsfläche des Umlenkbereichs verringert sich in Strömungsrichtung. In einer bevorzugten Weiterbildung kann der Diffusorbereich im Wesentlichen plane Seitenwände aufweisen, da die Umlenkung bereits im Umlenkbereich geschieht.
Der Wärmetauscher kann als Kondensator zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus einem als das Heißfluid den Kondensator durchströmenden Gases ausgebildet sein. Das Heißfluid kann insbesondere ein Abgas aus einer Strömungsmaschine wie einer Gasturbine oder einem Flugtriebwerk sein. Das Heißfluid kann auch ein Kühlmittel einer Brennstoffzelle sein, um vorzugsweise das Thermomanagement einer Brennstoffzelle zu unterstützen und eine Brennstoffzelle effizienter kühlen zu können. Als Kühlfluid insbesondere ist dabei vorzugsweise komprimierte Luft vorgesehen. Die Verzögerung des anströmenden Kühlfluids stellt eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit dar, so dass vorteilhaft ein mit hoher Geschwindigkeit anströmendes Kühlfluid auf eine zur möglichst hohen Aufnahme von Wärme reduzierte Geschwindigkeit verlangsamt werden kann. Das Hochtemperaturgitter wird dabei insbesondere von einer Vielzahl an Hochtemperaturkanälen, die zumindest den ersten Hochtemperaturkanal umfassen. Ferner wird das Niedertemperaturgitter vorzugsweise von einer Vielzahl von Niedertemperaturkanälen gebildet, die zumindest den ersten Niedertemperaturkanal umfassen. Vorzugsweise ist das Hochtemperaturgitter zu dem Niedertemperaturgitter zumindest Abschnittsweise in einer Kreuz- und/oder Gegenstromkonfiguration angeordnet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Niedertemperaturkanäle und die Hochtemperaturkanäle in einer Kreuzstromkonfiguration angeordnet.
Der Diffusorbereich besteht aus einem oder mehreren Bereichen, die eine durchströmte Querschnittsfläche des Niedertemperaturgitters in einem Einlaufquerschnitt oder einem minimalen Querschnitt, insbesondere einem minimalen Einlaufquerschnitt, des Diffusorbereichs des Niedertemperaturkanals, insbesondere der Vielzahl von Niedertemperaturkanälen, auf einen stromabwärts liegenden gegenüber dem Einlaufquerschnitt größeren Querschnitt, insbesondere Hauptquerschnitt, des Niedertemperaturkanals erweitern. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids in jedem dieser Bereiche reduziert.
Das Hochtemperaturgitter und das Niedertemperaturgitter stellen jeweils einen Strömungsraum für ein Fluid dar, wobei die beiden Gitter, das Hochtemperaturgitter und das Niedertemperaturgitter, vorzugsweise gemeinsam aus einem integralen Gitterkörper mit gemeinsamen Wänden der beiden Gitter bestehen können oder einen Gitterkörper, umfassend gemeinsame Wände der beiden Gitter, aufweisen können. In dem Gitterkörper sind die Hochtemperaturkanäle und die Niedertemperaturkanäle angeordnet. Die gemeinsamen Wände weisen dabei vorzugsweise quer zu einer jeweiligen Wanderstreckung der Wände zumindest einen geringsten Abstand zwischen den beiden Strömungsräumen auf. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Wände zumindest abschnittsweise eine konstante Wanddicke aufweisen.
Die gemeinsame Wand kann dadurch definiert sein, dass ihre erste Wandseitenfläche einen Teil des Niedertemperaturgitters bildet und ihre der ersten Wandseitenfläche abgewandte zweite Wandseitenfläche einen Teil des Hochtemperaturgitters bildet. Dabei erstreckt sich die erste Wandseitenfläche in den Diffusorbereich hinein.
In einer ersten Ausführungsform ist der Wärmetauscher derart weitergebildet, dass die mindestens eine gemeinsame Wand zur Bildung des Diffusorbereichs in dem ersten Niedertemperaturkanal einen konvex gekrümmten, ersten Diffusorabschnitt aufweist. Dies erhöht vorteilhaft den Wärmestrom. Vorzugsweise weist die gemeinsame Wand stromabwärts in dem Niedertemperaturgitter einen daran anschließenden geraden Hauptabschnitt zur Bildung eines Hauptbereichs des ersten Niedertemperaturkanals mit konstantem Querschnitt auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wobei in dem Niedertemperaturkanal gegenüber der ersten gemeinsamen Wand eine zweite gemeinsame Wand angeordnet ist, die auf der von dem ersten Niedertemperaturkanal abgewandten Wandseite an einen zweiten Hochtemperaturkanal des Hochtemperaturgitters in dem Diffusorbereich angrenzt, wobei vorgesehen ist, dass die zweite gemeinsame Wand in dem Diffusorbereich einen ebenen bzw. planaren oder konkav gekrümmten, zweiten Diffusorabschnitt aufweist, wobei eine Krümmung des konvex gekrümmten, ersten Diffusorabschnitts kleiner ist als eine Krümmung des zweiten Diffusorabschnitts. Der Diffusorbereich und damit die Diffusorabschnitte beginnen insbesondere an einer engsten Querschnittsfläche des Niedertemperaturkanals, möglichst direkt hinter einem Einlauf des Niedertemperaturkanals.
Entsprechend kann in einer bevorzugten, weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Diffusorbereich ein Einlauf zur Umlenkung des Kühlfluids in den Diffusorbereichs angeordnet ist. Der Einlauf dient dazu das Fluid aus dem Strömungskanal in den Niedertemperaturkanal zu lenken. Dabei ist vorteilhaft eine dem Wind in dem Strömungskanal abgewandte Eintrittsfläche langgezogen, während eine dem Wind zugewandte gegenüberliegende Eintrittsfläche um etwa 180° gebogen ist. An ihrem Ende der Biegung der dem Wind zugewandten Eintrittsfläche in dem Niedertemperaturkanal befindet sich vorzugsweise die kleinste Querschnittsfläche des Niedertemperaturkanals. An ihrem anderen Ende der Biegung geht die dem Wind zugewandte Eintrittsfläche in eine dem Wind abgewandte Eintrittsfläche eines angrenzenden Niedertemperaturkanals über. In Strömungsrichtung in dem Niederdruckkanal folgt an den Einlauf idealerweise der Diffusorbereich, um die Strömung zu verzögern. Dadurch wird die Strömungsrichtung des Kühlfluids vorteilhaft an die Strömungsrichtung in dem Diffusorbereich angeglichen und der Luftwiderstand reduziert.
Um einen möglichst idealen Durchfluss durch den Niederdruckkanal zu erzielen, ist in dem Wärmetauscher in einer weiteren Ausführungsform stromabwärts des Diffusorbereichs ein Austrittsbereich mit einer Austrittsdüse zur Beschleunigung des Kühlfluids angeordnet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Wärmetauscheranordnung mit einem Wärmetauscher, insbesondere für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem, insbesondere mit einem oben beschriebenen Wärmetauscher, umfassend einen Strömungskanal zur Anströmung des Kühlfluids an den Wärmetauscher. Dabei ist der Wärmetauscher in dem Strömungskanal zur Führung des Kühlfluids angeordnet, und das Niedertemperaturgitter und das Hochtemperaturgitter bilden ein erstes Wärmetauschermodul des Wärmetauschers. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Vielzahl an gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das erste Wärmetauschermodul begrenzende und von den gemeinsamen Wänden aufgespannte, erste Anströmfläche in dem Strömungskanal bilden, wobei die Anströmfläche einen Anströmwinkel zwischen 0° und 45°, vorteilhaft zwischen 3° und 15°, zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals aufweist. Vorteilhaft kann so eine besonders gleichmäßige Anströmung des Wärmetauschers und der einzelnen Niedertemperaturkanäle erzielt werden, was zu einer homogenen Strömung in jedem der Niedertemperaturkanäle und damit vorteilhaft einem homogenen Wärmestrom von dem Heißfluid auf das Kühlfluid führt.
Man kann den Bereich des Strömungskanals vor dem Wärmetauscher auch als Anströmbereich bezeichnen, wobei die Kanalhauptrichtung in diesem Anströmbereich und die Anströmfläche den Anströmwinkel bilden. Bevorzugt ist der Anströmwinkel entlang zumindest eines Teils der Erstreckung der Anströmfläche konstant. In einer ergänzenden oder alternativen Ausführungsform kann die Anströmfläche gekrümmt oder abgewinkelt sein, wobei der Anströmwinkel dann entsprechende unterschiedliche Werte annehmen kann. Die Anströmfläche ergibt sich aus einer von dem Wärmetauscher aufgespannten, das heißt umhüllenden Fläche, wobei die Fläche stromaufwärts an den Strömungskanal angrenzt und ist eine Hilfskonstruktion zur Beschreibung der Grenzen des Wärmetauschers. Die Anströmfläche kann, insbesondere Abschnittsweise, eben, gekrümmt und/oder verdreht sein, Abhängig von der Anordnung der gemeinsamen Wände. Im Raum betrachtet hat eine als Ebene ausgebildete Anströmfläche zu jeder gemeinsamen Wand einen Linienkontakt. In einem Schnitt durch den Wärmetauscher reduziert sich der Kontakt auf Punktkontakte zu den gemeinsamen Wänden. Bei einer Krümmung der Anströmfläche erweitert sich der Kontakt entsprechend.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Strömungskanals nimmt der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung vor der Anströmfläche entlang des von dem Wärmetauschermodul eingenommenen Bereichs ab. Es kann so vorteilhaft vorgesehen sein, dass in einem Auslegungspunkt des Wärmetauschers, der beispielsweise durch eine Reisegeschwindigkeit der die Wärmetauscher umgebende Strömungsmaschine festgelegt sein kann, das Kühlfluid schichtweise von einem Niedertemperaturkanal zu einem nächsten Niedertemperaturkanal in das Niedertemperaturgitter eingesogen wird. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass der Einlaufquerschnitt eines ersten, insbesondere jeden, Niedertemperaturkanals auf die Kanalhauptrichtung ausgerichtet ist bzw. quer zu dieser steht. Bevorzugt kann ein zweiter Einlauf eines zu dem ersten Niedertemperaturkanal benachbarten zweiten Niedertemperaturkanals versetzt angeordnet sein. Dadurch entstehen entlang der Strömung in dem Strömungskanal kaum räumliche Strömungen, so dass die Wärmetauscheranordnung besonders effizient arbeitet.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Wärmetauscheranordnung grenzt an den Diffusorbereich stromabwärts, insbesondere unmittelbar, ein Hauptbereich des Niedertemperaturkanals mit einer Erstreckungsachse an, wobei die Richtung der Erstreckungsachse, insbesondere eine Richtung einer Wanderstreckung der gemeinsamen Wand in dem Hauptbereich, zu der Anströmungsfläche des Wärmetauschers einen Hauptneigungswinkel zwischen 0° und 60°, vorzugsweise zwischen 30° und 45°, aufweist. Die Erstreckungsachse des Hauptbereichs ist vorzugsweise eine Gerade und kann insbesondere parallel zu einer Erstreckungsrichtung der Seitenflächen zumindest einer der gemeinsamen Wände in dem Hauptbereich verlaufen, insbesondere in Strömungsrichtung. Der Hauptbereich kann vorzugsweise entlang der Erstreckungsachse eine konstante Querschnittsfläche normal zu der Erstreckungsachse aufweisen. In dem Hauptbereich findet ein Großteil der Wärmeübertragung zwischen dem Niedertemperaturgitter und dem Hochtemperaturgitter statt. Dadurch, dass die Querschnittsfläche konstant entlang der Längserstreckung ausgebildet ist, kann ein gleichmäßiger Wärmetauscher gebildet werden und trägt vorteilhaft dazu bei, dass die Wände des Wärmetauschers zumindest größtenteils identisch und damit kostensparend ausgebildet werden können. Einen positiven synergistischen Effekt hat diese Ausbildung insbesondere in einer Wärmetauscheranordnung umfassend einen Wärmetauscher mit einer Gittermatrix aus Nieder- und Hochtemperaturgittern, deren Nieder- und Hochtemperaturkanäle zumindest entlang einer Erstreckung des Wärmetauschers jeweils gleichförmig ausgebildet sind. Weiterhin haben Berechnungen gezeigt, dass die Ausbildung von schräg zu der Anströmfläche, insbesondere schräg zu der Kanalhauptrichtung ausgebildeten Hauptbereichen zu hohen Strömungsverlusten führen kann. Dies wird erfindungsgemäß und vorteilhaft durch die Verzögerung in dem Diffusor vermieden.
Die Wärmetauscheranordnung kann in einer weiteren Ausführungsform so weitergebildet sein, dass eine Vielzahl an gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das erste Wärmetauschermodul begrenzende und von den gemeinsamen Wänden aufgespannte, erste Abströmfläche in dem Strömungskanal bilden, wobei die erste Abströmfläche einen ersten Abströmwinkel zwischen 0° und 45°, vorteilhaft zwischen 3° und 15°, zu einer Kanalhauptrichtung in dem Strömungskanal bildet. Dabei entspricht der Abströmwinkel eines Wärmetauschermoduls in einer vorteilhaften Ausführungsform dem Anströmwinkel dieses Wärmetauschermoduls. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Abströmwinkel zu dem Anströmwinkel verschieden ist. Die Abströmungsrichtung entspricht in einer vorteilhaften Ausführungsform der Anströmungsrichtung und damit der Hauptkanalrichtung. Bevorzugt nimmt der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung hinter der Abströmfläche entlang des von dem Wärmetauschermoduls eingenommenen Bereichs zu, insbesondere in dem Maß, in dem der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung vor der Anströmfläche abgenommen hat.
Darüber hinaus kann eine Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung vorsehen, dass der Wärmetauscher aus dem ersten Wärmetauschermodul und einem weiteren zweiten Wärmetauschermodul ausgebildet ist, dass eine weitere Vielzahl an Niedertemperaturkanälen das zweite Wärmetauschermodul bilden und dass eine weitere Vielzahl an gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das zweite Wärmetauschermodul begrenzende und von den gemeinsamen Wänden aufgespannte zweite Anströmfläche in dem Strömungskanal bilden, wobei die zweite Anströmfläche einen zweiten Anströmwinkel zwischen 0° und -45°, vorteilhaft zwischen -3° und -15°, zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals bildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung bilden die weitere Vielzahl von gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das zweite Wärmetauschermodul stromaufwärts begrenzende zweite Abströmfläche in dem Strömungskanal, wobei die zweite Abströmfläche einen zweiten Abströmwinkel zwischen 0° und 45°, vorteilhaft zwischen 3° und 15°, zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals bildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung ist vorgesehen, dass das erste Wärmetauschermodul und das zweite Wärmetauschermodul flächensymmetrisch zu einer gemeinsamen zwischen den ersten und zweiten Wärmetauschermodulen liegenden Fläche ausgebildet sind, die parallel zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals verläuft.
Weiterhin kann die Wärmetauscheranordnung in einer bevorzugten Ausführungsform derart weitergebildet sein, dass ein Teil des Strömungskanals einen an dem Wärmetauscher vorbei verlaufenden Kaltkanal bildet. Hierdurch kann vorteilhaft lediglich ein Teil des zur Verfügung stehenden Kühlfluids zur Kühlung verwendet werden. Insbesondere in einem Triebwerk kann die übrige Luft so unverzögert zur Schuberzeugung genutzt werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Strömungskanal (3) ein Nebenstromkanal ist und das Niedertemperaturgitter (20) in Fluidverbindung mit dem Nebenstromkanal steht und/oder das Hochtemperaturgitter (30) in Fluidverbindung mit dem Hauptstromkanal steht.
Einstufige Hochdruckturbine
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Antriebssystems für ein Luftfahrzeug weist das Antriebssystem eine Gasturbine, die insbesondere einen Hauptstromkanal, zumindest einen Verdichter, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine zum Antreiben des Verdichters, eine Niederdruckturbine und einen Nebenstromkanal hat, ein Wassersystem und ein Dampfsystem, mittels welchem der Brennkammer Dampf zugeführt wird, auf. Das Antriebssystem ist erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass die Hochdruckturbine einstufig ausgeführt ist. Durch die Dampfzufuhr in der Brennkammer ist der Energiegehalt des Arbeitsgases gegenüber konventionellen Gasturbinen erhöht und es hat sich gezeigt, dass bereits mit einer einzigen Hochdruckturbinenstufe genügend Leistung umgesetzt werden kann, um die im Verdichter, insbesondere Hochdruckverdichter benötigte Verdichtung zu bewerkstelligen. Auf diese Weise kann gegenüber klassischen zweistufigen Hochdruckturbinen axialer Bauraum eingespart werden. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Temperatur des Arbeitsgases stromab der Hochdruckturbine, was den Verdampfungsprozess im Dampfsystem begünstigt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann neben der gekühlten Hochdruckturbine zumindest auch die erste Stufe der Niederdruckturbine gekühlt ausgeführt oder wie auch zumindest Teile der Hochdruckturbine zumindest teilweise aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff (CMC) gefertigt sein. Durch die einstufig ausgeführte Hochdruckturbine ist die Temperatur im vorderen Bereich der Niederdruckturbine höher als bei klassisch ausgelegten Gasturbinen für Flugantriebe, wodurch eine Kühlung der ersten Stufe derselben oder die Verwendung von hochtemperaturbeständigen Werkstoffen Vorteile in der Lebensdauer bzw. Dauerfestigkeit bringen kann. Gemäß einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Niederdruckturbine und/ oder Hochdruckturbine mittels Dampf aus dem Dampfsystem gekühlt werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Hochdruckturbine mit einem Expansionsverhältnis zwischen 2.3 bis 3.2, insbesondere 2.5 bis 3.0 ausgeführt sein. Diese Bereiche haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um unter Berücksichtigung des höheren Energiegehalts im Arbeitsgas durch die Dampfeinspritzung die angestrebten Verdichterleistungen bereitstellen zu können.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Dampfanteil hinter der Brennkammer zwischen 15% und 35% des Massenstroms ausmachen. Diese Bereiche haben sich als besonders geeignet erwiesen, um den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann (unter Cruise-Betriebsbedingungen mit Dampfeinspritzung) ein den Hauptstromkanal der Gasturbine durchströmendes Arbeitsgas am Austritt der Brennkammer eine Temperatur im Bereich von 1600 °K bis 1900 °K, bevorzugt von 1650 °K bis 1750 °K haben. Mit einer Auslegung in diesen Bereichen lässt sich die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung deutlich verringern.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Hochdruckturbine über eine Hochdruckwelle den Hochdruckverdichter antreiben und die Niederdruckturbine über ein Niederdruckwelle, insbesondere über ein Getriebe, einen Fan antreiben. In einer alternativen Ausführungsform ist auf der Niederdruckturbinenwelle eine Niederdruckverdichter vorgesehen.
Vorteilhafterweise kann das Antriebssystem für einen Schub im Bereich von 19 bis 23 kN ausgelegt sein bzw. dazu eingerichtet sein, im Cruise-Betrieb einen Schub im Bereich von 19 bis 23 kN zu erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat das Wassersystem zumindest ein Kondensatormodul, das im Nebenstromkanal angeordnet und als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein kann. Diese Konfiguration ist besonders effizient.
Brennkammerdampfzuführung
Ein weiter verbessertes erfindungsgemäßes Antriebssystem für ein Luftfahrzeug hat eine Gasturbine, die einen Hauptstromkanal, einen Fan, zumindest einen Verdichter, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine zum Antreiben des Verdichters, eine Niederdruckturbine zum Antreiben des Fans und einen Nebenstromkanal aufweist, ein Wasserrückgewinnungssystem zum Rückgewinnen von Wasser aus einem Abgas der Gasturbine und ein Dampfsystem mittels welchem der Brennkammer Wasserdampf zugeführt wird. Gemäß der Erfindung ist die Gasturbine so ausgelegt, dass im Betrieb, insbesondere im Reiseflug bzw. Cruise-Modus, mittels des Dampfsystems ein Anteil von 15-30 Massen%, insbesondere 19-25 Massen%, Wasser im Arbeitsgas eingestellt wird und die Gasturbine ein Nebenstromverhältnis von >30 aufweist. Die Dampfeinspritzung ermöglicht es aufgrund der hohen spezifischen Arbeit im Kerntriebwerk höhere Nebenstromverhältnisse und damit bessere Wirkungsgrade zu erreichen, als das mit konventionellen Turboflugtriebwerken möglich wäre.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann die Gasturbine ein Gesamtdruckverhältnis (OPR) <32, insbesondere <30, vorzugsweise im Betrieb, insbesondere im Reiseflug bzw. Cruise-Modus, aufweisen. Während der Trend in konventionellen Turboflugtriebwerken hin zu Gesamtdruckverhältnissen >50 geht, genügt bei erfindungsgemäßer Auslegung bereits eine vergleichsweise geringe Verdichtung, wodurch axiale Baulänge im Verdichter sowie Gewicht gespart werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Fan dazu ausgelegt sein, radial innen, d.h. am Hauptstromkanal, ein Verdichtungsverhältnis von 1,1 bis 1,3 bevorzugt von 1,15 bis 1,25 erzielen. Bei einer solchen Ausführung kann der Hochdruckverdichter im Betrieb, insbesondere im Reiseflug bzw. Cruise-Modus, vorteilhafterweise ein Verdichtungsverhältnis von 23 bis 32, insbesondere 25 bis 30, besonders bevorzugt von 26 bis 28 erzielen. Eine solche Auslegung ermöglicht es, die Gasturbine ohne Intermediate Pressure Compressor bzw. Boostermodul zwischen Fan und Hochdruckverdichter auszuführen, was weiteren Bauraum und Gewicht spart.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Dampfanteil hinter der Brennkammer zwischen 15% und 35% des Massenstroms ausmachen. Diese Bereiche haben sich als besonders geeignet erwiesen, um den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Fan einen Fandurchmesser zwischen 1,90m und 2,30m haben. Bevorzugt kann der Durchmesser zwischen 2,10 und 2,25m sein. Die Auslegung mit Dampfeinspritzung ermöglicht sehr hohe Nebenstromverhältnisse auch mit vergleichsweise kleinen Fandurchmessern, die für mittelgroße Flugzeuge geeignet sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann (unter Cruise-Betriebsbedingungen mit Dampfeinspritzung) ein den Hauptstromkanal der Gasturbine durchströmendes Arbeitsgas am Austritt der Brennkammer eine Temperatur im Bereich von 1600 °K bis 1900 °K, bevorzugt von 1650 °K bis 1750 °K haben. Mit einer Auslegung in diesen Bereichen lässt sich die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung deutlich verringern.
Vorteilhafterweise kann das Antriebssystem für einen Schub im Bereich von 19 bis 23 kN ausgelegt sein.
Abgaswassereinspritzung
Es wird erfindungsgemäß ferner ein Antriebssystem vorgeschlagen, mit einem das Wassersystem und das Dampfsystem durchlaufenden Abgaskanal, der mit einem Abgas aus dem Hauptstromkanal bzw. Kernstromkanal der Gasturbine durchströmbar ist, wobei das Dampfsystem eine vorzugsweise als ein Dampferzeuger ausgebildete erste Kühleinrichtung und das Wassersystem eine vorzugsweise als Kondensator ausgebildete zweite Kühleinrichtung zur Kühlung einer den Abgaskanal durchströmenden Abgasströmung aufweisen, wobei der Kondensator bezogen auf eine Richtung der Abgasströmung dem Dampferzeuger nachgelagert angeordnet ist. Wassersystem und Dampfsystem sind Teil des Abgasbehandlungssystems. Dabei ist zwischen dem Dampferzeuger und dem Kondensator eine Zuführeinrichtung angeordnet, die dazu eingerichtet ist, zum Kühlen der Abgasströmung Wasser in die Abgasströmung einzubringen. Somit kann eine Abkühlung der Abgasströmung in mehreren Abschnitten bzw. Schritten, insbesondere unter Anwendung verschiedener Kühlprozesse bzw. -vorgänge stattfinden, um eine Abscheidung von Wasser aus der Abgasströmung zu verbessern.
Das Dampfsystem und das Wassersystem sind Teil eines Abgasbehandlungssystems der Gasturbine und kann dem Kernstromkanal des Antriebssystems in Strömungsrichtung nachgelagert angeordnet sein. Somit kann ein Abgas des Antriebssystems insbesondere der Turbine den Abgaskanal des Abgasbehandlungssystems durchströmen und mittels des als ersten Kühleinrichtung dienenden Dampferzeugers auf eine Temperatur unterhalb einer ursprünglichen Abgastemperatur vorgekühlt werden. Die erste Kühleinrichtung ist dabei dem als zweite Kühleinrichtung dienenden Kondensator vorgelagert. Es versteht sich, dass auch eine umgekehrte Reihenfolge der ersten und zweiten Kühleinrichtung möglich ist. Im Betrieb kann das Abgas mit dem Dampferzeuger vorgekühlt werden, was beispielsweise einen effizienten Betrieb dem nachgelagerten Kondensator ermöglichen kann. Insbesondere wird der Abgasströmung mittels des Dampferzeugers Energie, insbesondere für eine Erzeugung von Wasserdampf, entzogen, wodurch die Temperatur der Abgasströmung sinkt. Typischerweise liegt diese Temperatur in einem Bereich, in welchem in der Abgasströmung vorhandenes Wasser, insbesondere ausschließlich, gasförmig vorliegt.
In dem Kondensator wird die Abgasströmung, beispielsweise mit Luft aus einem Nebenstrom des Antriebssystems weiter abgekühlt, insbesondere bis die Abgasströmung eine Taupunkttemperatur erreicht und Wasser in flüssigem Zustand abgeschieden werden kann. Die Taupunkttemperatur ist dabei der Kondensationspunkt des Wassers in der Abgasströmung bzw. diejenige Temperatur, die bei einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Luft- bzw. Abgasströmungsfeuchtigkeit, unterschritten werden muss, damit sich Wasserdampf als flüssiges Wasser abscheiden kann. Der flüssige Wasseranteil kann in einer Wasserabscheideeinrichtung von der Abgasströmung getrennt werden und beispielsweise in einen Abgasbehandlungsprozess des Abgasbehandlungssystems rückgeführt und/oder einem Betriebsprozess des Flugtriebwerks zugeführt werden.
Um die Abgasströmung bereits vor Erreichen der vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten zweiten Kühleinrichtung weiter abzukühlen wird mittels der Zuführeinrichtung insbesondere flüssiges Wasser bzw. Wasser in flüssigem Aggregatszustand in die Abgasströmung eingebracht. Hierzu ist die Zuführeinrichtung insbesondere ausgebildet, das Wasser in die Abgasströmung bzw. den Abgaskanal abzugeben, insbesondere einzuspritzen oder einzudüsen. Durch dieses zusätzliche Abkühlung kann bereits vor einer weiteren Kühlung mittels der vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten zweiten Kühleinrichtung, eine Kondensation des Wasseranteils der Abgasströmung ermöglicht werden. Insbesondere kann die Kondensation dadurch verbessert werden, dass mittels des zugeführten Wassers Kondensationskeime in der Abgasströmung bereitgestellt werden, um einen Kondensationsprozess in der Abgasströmung zu fördern. Insgesamt kann hierdurch beispielsweise ein höherer thermischer Wirkungsgrad durch Nutzung der Abgasenergie erzielt und die Bildung von Kondensstreifen minimiert werden.
Der Aspekt der Erfindung basiert unter anderem auf der Überlegung, dass das in der Abgasströmung vorhandene Wasser bzw. der in der Abgasströmung vorliegende Wasserdampf, unter den Taupunkt bzw. die Taupunkttemperatur abgekühlt werden muss, um in einen flüssigen Aggregatszustand zu kommen. Am Taupunkt wächst eine relative Feuchte auf 100% an und eine Sättigung wird erreicht. Bei weiterer Abkühlung unter den Taupunkt nimmt der Sättigungsdampfdruck schneller ab als der Wasserpartialdruck, wodurch es zur Übersättigung kommt und an Kondensationskeimen Wassertropfen gebildet werden. Je tiefer die Abgastemperatur, umso weniger Wasser kann dampfförmig im Abgas vorhanden sein.
Der Aspekt der Erfindung beruht nunmehr auf der Idee, Wasser, insbesondere flüssiges Wasser, in einen Bereich der Abgasströmung einzubringen, in welchem darin vorhandenes Wasser gasförmig vorliegt, um die Abgasströmung abzukühlen, um eine Kondensation des darin vorhandenen Wasserdampfs zu unterstützen und somit eine Wasserrückgewinnung aus der Abgasströmung verbessern zu können. Gleichzeitig können so flüssige Bestandteile in der Abgasströmung bereitgestellt werden, um einen Kondensationsprozess in der Abgasströmung zu verbessern. Die zugeführten flüssigen Bestandteile bzw. Wassertröpfchen können dabei als Kondensationskeime wirken, an die sich weiteres aus dem Wasserdampf der Abgasströmung entstehendes flüssiges Wasser anlagert bzw. anlagern kann. Somit können am Ende des Kondensationsprozesses größere Tropfen entstehen, die sich beispielsweise in einer Wasserabscheidevorrichtung, einfacher von der Abgasströmung trennen lassen.
Bei einer Ausführungsform weist das zum Kühlen der Abgasströmung und in diese einzubringende Wasser eine niedrigere Temperatur auf, als die Abgasströmung an der Stelle der Einbringung. Hierbei kann der Abgasströmung Wasser in flüssigem Zustand zugeführt werden, um eine Abkühlung der Abgasströmung zu erzielen. Da Wasser in seinem flüssigen Aggregatszustand unter gleichem Druck eine geringere Temperatur aufweist als in seinem gasförmigen Zustand, kann durch das Zuführen von flüssigen Wasser eine Abkühlung der Abgasströmung erreicht werden. Je nach Temperaturunterschied zwischen Abgasströmungstemperatur und der Temperatur des zuzuführenden bzw. zugeführten Wassers kann ein Grad der Abkühlung der Abgasströmung vorgegeben werden. Hierdurch kann eine Temperatur der Abgasströmung bedarfsgemäß verringert werden, um beispielsweise Anpassungen an veränderte Umgebungsbedingungen vorzunehmen.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung eingerichtet, das Wasser zerstäubt in die Abgasströmung einzubringen. Hierbei kann die Zuführeinrichtung eingerichtet sein, das Wasser in die Abgasströmung einzuspritzen, einzudüsen und/ oder zu zerstäuben und hierfür insbesondere eine Einspritz-, Düsen- und/ oder Zerstäubungseinrichtung aufweisen, wobei ein Zerstäubungsgrad bzw. eine Tröpfchengröße des zuzuführenden Wassers mittels der Zuführeinrichtung einstellbar sein kann. Dabei kann ein hoher Zerstäubungsgrad des Wassers bzw. eine kleine Tröpfchengröße des Wassers die Abkühlung der Abgasströmung fördern, da eine hohe Anzahl an Wassertropfen und somit deren zum Wärmetausch zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert sein kann. Zudem kann ein Zuführen möglichst kleiner Wassertropfen bei gleicher Zuführmenge die Anzahl der potentiellen Kondensationskeime zur Anlagerung weiteren Wassers aus der Abgasströmung erhöhen. Ferner kann sich das zerstäubte Wasser gleichmäßig(er) in der Abgasströmung verteilen, um eine Kühlwirkung über den gesamten Querschnitt der Abgasströmung zu ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung eingerichtet, das Wasser im Wesentlichen homogen in die Abgasströmung einzubringen. Unter homogen ist insbesondere eine gleichmäßige Verteilung des Wassers über einen Querschnitt, insbesondere einen Querschnitt an der Stelle der Einbringung oder einen stromabwärts von dieser Stelle beabstandeten Querschnitt der Abgasströmung zu verstehen. Dabei sind prozessbedingte Abweichungen einer vollständig homogenen Vermischung von Abgasströmung und zugeführtem Wasser umfasst. Hierbei kann die Zuführeinrichtung eingerichtet sein, das Wasser, insbesondere umlaufend gleichmäßig, unter einem vorbestimmten Druck und/ oder über eine vorbestimmte Strecke in die Abgasströmung einzubringen, um eine Durchmischung von Wasser und Abgasströmung zu ermöglichen und einen Temperaturübergang hierdurch zu verbessern.
Bei einer Ausführungsform wird das Wasser der Zuführeinrichtung mittels einer Wasserabscheideeinrichtung des Abgasbehandlungssystems bereitgestellt. Die Wasserabscheideeinrichtung kann dabei der vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten zweiten Kühleinrichtung nachgelagert angeordnet sein oder einen Teil der vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten zweiten Kühleinrichtung bilden. Damit kann das zuzuführende bzw. zugeführte Wasser in einem Kreislauf bzw. dem Kühlprozess gehalten werden, wodurch eine zusätzliche Wasserversorgung für das Abgasbehandlungssystem insbesondere entfallen oder zumindest kleiner dimensioniert werden kann. Die Wasserabscheideeinrichtung ist hierbei insbesondere eingerichtet, die insbesondere zusätzliche Wassermenge, welche für die Kühlung der Abgasströmung vorgesehen ist, abscheiden zu können. Es kann auch alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass das Wasser aus einem Wasserreservoir bereitgestellt ist.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung eingerichtet, Wasser derart in die Abgasströmung einzubringen, dass die Abgasströmung auf eine Taupunkttemperatur der Abgasströmung abgekühlt wird, bevor diese die zweite Kühleinrichtung erreicht. Hierdurch kann ein Kondensationsprozess des Wasseranteils der Abgasströmung bereits beginnen, bevor die zweite Kühleinrichtung erreicht wird. Nach einem Einsetzen der Kondensation des Wassers in der Abgasströmung kann ein Wärmeübergang, beispielsweise zu Kanalwänden der zweiten Kühleinrichtung, effektiver erfolgen als es in rein gasförmigem Zustand möglich ist. Durch den erwirkten Flüssigkeitsanteil in der Abgasströmung kann, insbesondere bezogen auf eine Wärmetauschfläche der zweiten Kühleinrichtung, ein Wärmeübergang in der Abgasströmung verbessert werden, wodurch die zweite Kühleinrichtung insbesondere kompakter ausgelegt und ein reduziertes Gewicht aufweisen kann.
Bei einer Ausführungsform weist die erste Kühleinrichtung einen Dampferzeuger auf, der dem Abgaskanal zugeordnet ist und/oder die zweite Kühleinrichtung weist einen zur Kühlung mit Luft eingerichteten vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher auf. Hierbei kann der Dampferzeuger dem Abgasstrom Energie für die Erzeugung von Wasserdampf entziehen, wodurch die Temperatur des Abgasstroms sinken kann. Typischerweise liegt die hierdurch erreichte Abgasströmungstemperatur über der Taupunkttemperatur. Der Wärmetauscher der zweiten Kühleinrichtung kann dabei als Kondensator (Kondensatorwärmetauscher) ausgebildet sein und Luft als Kühlfluid nutzen, welche beispielsweise mittels eines Lüfters oder eines Fans des Antriebssystems gefördert wird. Dieser Wärmetauscher kann im Wesentlichen zwei Bereiche aufweisen, wobei in einem stromaufwärts angeordneten ersten Bereich eine Abkühlung der im Wesentlichen gasförmigen Abgasströmung bis zu deren Taupunkttemperatur stattfindet. In einem dem ersten Bereich nachgelagerten zweiten Bereich wird die Abgasströmung weiter abgekühlt, sodass flüssige Wasseranteile in der Abgasströmung vorliegen, welche aus der Abgasströmung abgeschieden werden können. Da beispielsweise die Temperatur der zur Kühlung genutzten Luft von einer Flughöhe und/ oder Wetterbedingungen abhängen kann, kann die mittels der Zuführeinrichtung ermöglichte zusätzliche Abkühlung eine betriebsmäßige Wasserrückgewinnung unterstützen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines hierin beschriebenen eine Abgasbehandlungsvorrichtung aufweisenden Antriebssystems vorgeschlagen, wobei der Abgaskanal mit Abgas durchströmt wird, die Abgasströmung mittels der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird, die vorgekühlte Abgasströmung mittels der Zuführeinrichtung durch Zuführen von, insbesondere flüssigen Wasser in die Abgasströmung weiter abgekühlt wird, und die vorgekühlte Abgasströmung mittels der zweiten Kühleinrichtung kondensiert wird.
Hierbei kann die Abgasbehandlungsvorrichtung eine Steuereinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die erste und zweite Kühleinrichtung, sowie die Zuführeinrichtung zu steuern. Insbesondere kann eine Kühlleistung der ersten Kühleinrichtung, der zweiten Kühleinrichtung und/ oder der Zuführeinrichtung mittels der Steuereinrichtung veränderbar sein. Dabei kann die Steuereinrichtung einen jeweiligen Betriebszustand bzw. eine jeweilige Kühlleistung beispielsweise in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur, einer Abgasströmungstemperatur und/oder unter Berücksichtigung weiterer Betriebsparameter, beispielsweise des Antriebssystems bzw. eines Flugtriebwerks, vorgeben.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird das von der zweiten Kühleinrichtung kondensierte Wasser gesammelt. Das kondensierte Wasser kann dabei beispielsweise mittels einer insbesondere in, an oder nachgelagert zur zweiten Kühleinrichtung angeordneten Wasserabscheidevorrichtung gesammelt werden und insbesondere wenigstens teilweise der Zuführeinrichtung bereitgestellt werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Volumenstrom und/ oder ein Massenstrom des einzubringenden Wassers abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung vorgebbar. Eine entsprechende Eigenschaft der Abgasströmung kann hierbei beispielsweise eine aktuelle Temperatur, eine Geschwindigkeit, ein Druck, eine Zusammensetzung und/ oder ein spezifisches Gewicht sein. Zudem kann auch wenigstens ein Betriebsparameter des Flugtriebwerks oder einer Umgebung bei einem Bestimmen des zuzuführenden Volumenstroms berücksichtigt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein Abkühlen der Abgasströmung und insbesondere eine Wasserrückgewinnung aus der Abgasströmung unter variierenden Bedingungen effizient betrieben werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung variierbar bzw. einstellbar. Hierdurch kann beispielsweise eine Temperatur der Abgasströmung vor dem Eintritt in die zweite Kühleinrichtung konstant gehalten werden, um einen reibungslosen Betrieb dessen und somit eine kontinuierliche Wasserrückgewinnung aus der Abgasströmung unter variierenden Bedingungen zu ermöglichen.
Die Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug mit einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Antriebssystem.
Betrieb der Gasturbine
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine für einen Flugantrieb mit von einer Gasströmung in einer Strömungsrichtung durchströmten Verdichter, Brennraum, Turbine und einem der Turbine nachgelagerten, insbesondere als Dampferzeuger ausgebildeten, Wärmetauscher vorgeschlagen, wobei der Wärmetauscher aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung einen Dampf erzeugt, welcher der Gasströmung zum Verbrennen mit Brennstoff der Brennkammer bzw. dem Brennraum zugeführt wird. Der Wärmetauscher kann Teil des Abgasbehandlungssystems sein, wobei das Abgasbehandlungssystem aus einem Dampfsystem und/oder einem Wassersystem bestehen kann. Die Gasströmung weist beim Austreten aus der Turbine, insbesondere beim Austreten aus einer Niederdruckturbine, eine Temperatur zwischen 700 und 980 K und vorzugsweise zwischen 800 und 980 K auf, um die Energie zum Erzeugen des Dampfs bereitzustellen.
Hierdurch ist, insbesondere gegenüber bekannten Gasturbinen, die Gasströmungstemperatur an einem Turbinenausgang erhöht, wodurch ein größerer Temperaturunterschied zwischen der Gasströmung und dem zu verdampfenden Wasser in dem Wärmetauscher erzielbar ist. Dieser Wärmetauscher kann somit kleiner und leichter dimensioniert werden, wodurch eine Gewichtsreduktion des Wärmetauschers und somit der Gasturbine erzielt werden kann. In der Gesamtbetrachtung kann hierdurch der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert werden. Eine Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus einer Niederdruckturbine im Bereich von 980 K stellt dabei eine insbesondere heißeste Temperatur bei einem hot-day Takeoff dar.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Gasturbine für einen Flugantrieb mit von einer Gasströmung in einer Strömungsrichtung durchströmten Verdichter, Brennraum, Turbine und einem der Turbine nachgelagerten Wärmetauscher vorgeschlagen, wobei der Wärmetauscher eingerichtet ist, aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung einen Dampf zu erzeugen, welcher der Gasströmung zum Verbrennen im Brennraum mit Brennstoff zuführbar ist. Dabei ist die Gasturbine eingerichtet, ein Verfahren gemäß einem oder mehreren der hierin beschriebenen Aspekte durchzuführen.
Eine solche Gasturbine für einen Flugantrieb weist einen Verdichter, einen Brennraum und eine Turbine auf. Während dem Betrieb der Gasturbine wird Luft in dem Verdichter komprimiert, vor oder im Brennraum mit einem Brennstoff vermischt und gezündet, um die Turbine anzutreiben. Entsprechend kann die Gasturbine ein Brennstoffaufbereitungssystem zum Aufbereiten des Brennstoffs vor dessen Verbrennung im Brennraum aufweisen, welche insbesondere den im Wärmetauscher erzeugten Dampf nutzt. Die vorgeschlagene Gasturbine weist zudem einen stromabwärts der Turbine angeordneten anderen Wärmetauscher auf. Im anderen Wärmetauscher wird aus einem Wasser, welches insbesondere aus der Gasströmung bzw. dem Abgas der Gasturbine entzogen und dem Wärmetauscher zugeführt wird, mithilfe der Energie der Gasströmung Dampf erzeugt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird die Gasströmung nach dem Austritt aus der Turbine insbesondere auch als Abgas oder Abgasströmung bezeichnet.
Ein Flugantrieb kann eine solche insbesondere axiale Gasturbine aufweisen, welche insbesondere ein Abgasbehandlungssystem aufweist, die der Turbine der Strömungsmaschine vorzugsweise nachgelagert angeordnet ist. Das Abgasbehandlungssystem kann einen Wärmetauscher, eine Kühleinrichtung und eine Wasserabscheideeinrichtung aufweisen, welche in Strömungsrichtung der Gasströmung an einem Abgaskanal des Abgasbehandlungssystems angeordnet sind. Die Gasströmung nach der Turbine bzw. ein Abgas des Flugtriebwerks bzw. der Turbine kann den Abgaskanal des Abgasbehandlungssystems durchströmen und mittels des Wärmetauschers auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur beim Austreten aus der Turbine bzw. einer ursprünglichen Abgastemperatur abgekühlt werden. Hierbei wird der Gasströmung des Wärmetauschers Energie zum Erzeugen von Wasserdampf entzogen, wodurch die Temperatur der Gasströmung sinkt.
Die dem Wärmetauscher in Strömungsrichtung nachgelagerte Kühleinrichtung kann dabei als Kondensator (Kondensatorwärmetauscher) ausgebildet sein oder einen solchen aufweisen und Umgebungsluft als Kühlfluid nutzen, welche beispielsweise mittels eines Gebläses oder eines Fans des Flugtriebwerks gefördert wird. Ein solcher Kondensatorwärmetauscher kann im Wesentlichen zwei Bereiche aufweisen, wobei in einem stromaufwärts angeordneten ersten Bereich eine Abkühlung der im Wesentlichen gasförmigen Abgasströmung stattfindet. In einem dem ersten Bereich nachgelagerten zweiten Bereich wird die Abgasströmung weiter abgekühlt, sodass flüssige Wasseranteile in der Abgasströmung vorliegen, welche aus der Abgasströmung abgeschieden werden können. Der flüssige Wasseranteil kann in der Wasserabscheideeinrichtung von der Gasströmung getrennt werden, dem Wärmetauscher zur Dampferzeugung bereitgestellt und so zu einem Betriebsprozess der Gasturbine zurückgeführt werden. Insgesamt kann hierdurch beispielsweise ein höherer thermischer Wirkungsgrad durch Nutzung der Abgasenergie erzielt und die Bildung von Kondensstreifen durch den Abgasstrom reduziert werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann wenigstens ein Teil des im Wärmetauscher erzeugten Dampfs insbesondere über eine Dampfleitung bzw. Dampfzuführung beispielsweise in eine - abhängig von der Ausführung der Brennstoffaufbereitung vorhandene - Mischkammer eines Brennstoffaufbereitungssystems geleitet werden. In eine solche Mischkammer kann Brennstoff eingebracht und so dem in diese ebenfalls eingebrachten Dampf zugeführt werden, wobei der Brennstoff verdampfen kann. Aus dem Dampf und dem Brennstoff kann somit ein Gemisch gebildet werden, welches schließlich dem Brennraum der Gasturbine zur Verbrennung zugeführt werden kann. In anderen Ausführungsformen der Brennstoffaufbereitung kann der Dampf der Gasströmung auch vor und/ oder in dem Brennraum zugeführt werden.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Idee, einen Temperaturunterschied zwischen der im Wärmetauscher genutzten und durch die Turbine bereitgestellten Gasstrom und dem zu verdampfenden Wasser zu vergrößern, um eine Dampferzeugung bzw. eine Überhitzung eines Dampfs mittels des Wärmetauschers zu verbessern und insbesondere effizienter zu gestalten.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in der Turbine eine reduzierte Expansion der Gasströmung bzw. des Arbeitsfluids und somit eine verringerte Arbeitsentnahme bzw. Energieabsorption erfolgt und somit ein Energiegehalt bzw. eine Temperatur der Gasströmung bzw. des Abgases beim Austreten aus der Turbine bzw. an einem stromabwärtigen Turbinen-ausgang erhöht ist. Hierdurch kann die im Wärmetauscher bzw. Verdampfer bereitstellbare Energie vergrößert werden, was in einer Gewichtseinsparung an dem Wärmetauscher, insbesondere im Vergleich zu bekannten Gasturbinen resultieren kann.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Gasströmung beim Austreten aus der Brennkammer eine Temperatur zwischen 1600 und 1750 K, insbesondere 1650 K bis 1750 K auf. Dadurch, dass der Brennkammer neben Brennstoff und der Luft, zusätzlich Wasser zugeführt wird, fällt die Brennkammeraustrittstemperatur aufgrund der zusätzlich zur Verdampfung des Wassers erforderlichen Energie gegenüber bekannten Gasturbinen niedriger aus. Entsprechend kann eine Gasturbine, welche eingerichtet ist, das hierin vorgeschlagene Verfahren auszuführen, mit einem insbesondere deutlich geringeren Expansionsverhältnis ausgelegt sein, als ein klassische Gasturbine.
Bei einer Ausführungsform weist die Gasströmung beim Austreten aus dem Wärmetauscher eine Temperatur zwischen 400 und 480 K auf. Die Differenz zwischen der Austrittstemperatur an der Turbine und der Austrittstemperatur an dem Wärmetauscher kann als Energie zum Erzeugen von Dampf mittels dem Wärmetauscher genutzt werden, wodurch die Dampferzeugung, insbesondere von überhitztem Dampf, begünstigt wird. Somit kann im Wärmetauscher überhitzter Dampf aus der Abgasenergie erzeugt werden, welcher eine hohe Energiedichte aufweist.
Bei einer Ausführungsform erhitzt der Wärmetauscher den Dampf auf eine Temperatur zwischen 600 und 900 K, insbesondere auf 700 K bis 740 K. Bei dieser Temperatur weist überhitzter Dampf eine hohe Energiedichte auf, so dass eine unerwünschte Kondensation des verdampften Wassers beispielsweise im Bereich des Brennstoffaufbereitungssystems bis zur Verbrennung des im Gemisch enthaltenen Brennstoffs im Brennraum vermeidbar ist.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt das Gesamtdruckverhältnis (OPR: overall pressure ratio) der Gasturbine 20 bis 40, insbesondere von 22 bis 35. Das Gesamtdruckverhältnis der Gasturbine bzw. das Gesamtkompressionsverhältnis zwischen Fan und Brennkammer ist hierbei insbesondere das Verhältnis eines Staudrucks des Arbeitsfluids an einer stromabwärtigen Austrittsseite des Verdichters des Triebwerks oder einer stromaufwärtigen Eintrittsseite der Brennkammer zu einem eines Staudruck des Arbeitsfluids an einer stromaufwärtigen Eintrittsseite des Fans bzw. ein Verhältnis eines Totaldrucks des Arbeitsfluids an einem Eintritt in die Brennkammer zu einem Totaldruck des Arbeitsfluids an einem Eintritt des Fans. Der Totaldruck ist hierbei insbesondere der Druck, der sich in einem strömenden Medium bzw. dem Arbeitsfluid an einem Messpunkt einstellt, an dem die Strömungsgeschwindigkeit isentrop bzw. verlustfrei bis nahezu zum Stillstand verringert wird.
Ein Gesamtdruckverhältnis der Gasturbine von 20 bis 40 und insbesondere von 22 bis 35 ermöglicht im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens einen optimalen Kompromiss aus hoher Turbinenaustrittstemperatur und damit hohem Wärmepotenzial für den Verdampfer, eine geringe Stufenanzahl insbesondere des Niederdruckverdichters, möglichst einfachen Materialien, und hohem Kreisprozesswirkungsgrad zu erreichen.
Bei einer Ausführungsform wird dem Wärmetauscher Wasser und/ oder Dampf von einer dem Wärmtauscher nachgelagerten Wasserabscheideeinrichtung bereitgestellt. Die Wasserabscheideeinrichtung kann dabei der Kühleinrichtung nachgelagert angeordnet sein oder einen Teil dieser bilden. Das abgeschiedene Wasser kann beispielsweise mittels einer Zuführeinrichtung dem Dampferzeuger bzw. dem Wärmetauscher bereitgestellt werden, wobei das Wasser optional über ein Wasseraufbereitungssystem in einen Wasserspeicher geführt werden kann, wo es insbesondere für eine weitere Verwendung zur Verfügung gespeichert wird. So kann das dem Wärmetauscher zuzuführende bzw. zugeführte Wasser in einem Kreislauf gehalten werden, wodurch eine zusätzliche Wasserversorgung für den Verbrennungsprozess entfallen kann.
Bei einer Ausführungsform ist die Turbine der Gasturbine eingerichtet, am Turbinenausgang die Gasströmung aufweisend eine Temperatur zwischen 700 und 980 K bereitzustellen. Der Turbinenausgang ist hierbei die stromabwärtige Austrittseite, an welcher die Gasströmung die Turbine bzw. die Niederdruckturbine der Turbine verlässt. Insbesondere ist die Turbine derart ausgebildet, dass sie gegenüber Turbinen klassischer Turboflugtriebwerke ein deutlich, insbesondere um mehr als 20% reduziertes Expansionsverhältnis aufweist.
Bei einer Ausführungsform weist die Gasturbine eine der Turbine in Strömungs-richtung nachgelagertes Abgasbehandlungssystem auf, welche den Wärmetauscher, eine Kühleinrichtung und eine Wasserabscheideeinrichtung umfasst. Das Abgasbehandlungssystem kann einen Abgaskanal aufweisen, der vom Abgas des Flugtriebwerks durchströmbar ist und an welchem der Wärmetauscher, die Kühleinrichtung und die Wasserabscheideeinrichtung angeordnet sind, um von der Gasströmung durchströmt zu werden. Hierdurch kann eine Abscheidung von Wasser aus der Gasströmung bzw. Abgasströmung und damit eine Bereitstellung von zu verdampfenden Wasser für den Wärmetauscher ermöglicht werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Im Allgemeinen gilt, dass Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Aspekte und/oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern dies im Zusammenhang mit der Offenbarung nicht eindeutig ausgeschlossen ist.
Im folgenden Teil der Beschreibung wird auf die Figuren Bezug genommen, die zur Veranschaulichung spezifischer Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Es versteht sich, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen der illustrierten Ausführungsformen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende Beschreibung der Figuren ist daher nicht einschränkend zu verstehen. Es zeigt

1 ein Ausführungsbeispiel eines ersten erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einer Gasturbine in einem Meridianschnitt
2 das Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer Umfangsansicht
3 eine schematische Darstellung eines zweiten beispielhaften erfindungsgemäßen Antriebssystems
4 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Strömungsmaschine für das Antriebssystem gemäß 3
5 eine schematische Darstellung eines dritten beispielhaften erfindungsgemäßen Antriebssystems; und
6 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Abgasbehandlungssystems.
7 ein Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung nach dem Prinzip des Standes der Technik
8a ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem in einer Schnittansicht einer Umfangsebene der Gasturbine
8b das erste Ausführungsbeispiel der Wärmetauscheranordnung in einem Meridianschnitt der Gasturbine
9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer Detailansicht A aus 8a
10 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung in einer Schnittansicht einer Umfangsebene einer Strömungsmaschine
11 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung in einer Schnittansicht einer Umfangsebene einer Strömungsmaschine
12 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbine

Anhand der 1 und 2 wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystem beschrieben. In 1 ist das Antriebssystem 1 in einem Meridianschnitt, das heißt in einer von der radialen Richtung R der Gasturbine und axialen Richtung Ax der Gasturbine aufgespannten Ebene, dargestellt. In 2 ist das Antriebssystem entlang der seitlich gezeigten Schnitte A-A und B-B anhand einer abgerollten Darstellung von Umfangsebenen gezeigt, das heißt es ist in einer von der axialen Richtung Ax und Umfangsrichtung U aufgespannten Ebene dargestellt.
Das Antriebssystem 1 umfasst eine Gasturbine 2 und ist über einen Pylon 3 mit einem Flügel 4 eines Luftfahrzeugs verbunden. Die Gasturbine 2 weist einen Einlass 7, der in axialen Richtung Ax der Gasturbine 2 vorne in einem Außengehäuse 5, der sogenannten Cowling angeordnet ist, auf. Die Gasturbine weist innen ein Innengehäuse 6 auf, das auch als Kerngehäuse bezeichnet werden kann. Hinter dem Einlass 7 ist ein Fan 8 angeordnet, der von einer in dem Innengehäuse 6 gelagerten Antriebswelle 9 der Gasturbine 2 angetrieben wird, Luft ansaugt und den Luftgesamtstrom in einen Hauptstromkanal 10 und einen Nebenstromkanal 20 der Gasturbine 2 fördert. Der Fan 8 ist mit einem ebenfalls in dem Innengehäuse 6 angeordneten Getriebe 11 mit der Antriebswelle 9 gekoppelt. Das Außengehäuse 5 umgibt den Nebenstromkanal 20 außen und begrenzt ihn zumindest abschnittsweise, während das Innengehäuse 6 eine Innenkanalwand für den Nebenstromkanal 20 bildet und diesen so innen begrenzt.
Der Fan 8 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Durchmesser von 2,2m ausgeführt. Die durch Dampfeinspritzung von ca. 19-21 Massen% erhöhte spezifische Arbeit in der Dampfturbine ermöglicht es, selbst bei einem relativ kleinen Fandurchmesser ein hohes Nebenstromverhältnis von ca. 34 zu erzielen, was sehr gute Wirkungsgrade ermöglicht, bei Triebwerksdurchmessern, die auch für mittelgroße Flugzeuge, bspw. im Narrowbody-Bereich geeignet sind.
Das Abgas aus dem Hauptstromkanal 10 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht direkt ausgestoßen, sondern in einem Wassersystem 30 und einem Dampfsystem 40 nachbehandelt. Das Wassersystem 30 und das Dampfsystem 40 sind in der Gasturbine 2 angeordnet. Komponenten des Wassersystems 30 sind dabei in dem Nebenstromkanal 20 und teilweise in dem Innengehäuse 6 sowie dem Außengehäuse 5 der Gasturbine 2 angeordnet. Das Wassersystem 30 gewinnt Wasser aus dem Abgas des Hauptstroms und speist das Dampfsystem 40 mit Wasser. Das Dampfsystem 40 verdampft das Wasser und führt dem Hauptstrom heißen Dampf zu, um dessen Massenstrom und damit die spezifische Leistung der Gasturbine zu erhöhen. Die Ströme des Abgases, des Wassers und Dampfes sind dabei rein schematisch in 1 eingezeichnet.
Der Hauptstromkanal 10 weist in Strömungsrichtung einen Verdichter 12, eine dem Verdichter 12 nachgeschaltete Mischkammer 48 zur Mischung der verdichteten Luft und eines heißen Dampfes, eine daran anschließende Brennkammer 13, die dem Luft-DampfGemisch einen Brennstoff zuführt und zu einem Abgas verbrennt, eine Hochdruckturbine 14 und eine Niederdruckturbine 15 auf, die das Abgas entspannen und mechanische Leistung zum Antrieb bereitstellen, und es schließlich in ein Turbinenaustrittsgehäuse 16 weiterleiten. Es kann vorgesehen sein, dass die Hochdruckturbine 14 über eine zweite Welle der Gasturbine 2 einen Hochdruckverdichter antreibt.
Der Nebenstromkanal 20 weist stromabwärts einen als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Kondensator 21 auf, der mehrere Eintrittsverkleidungen 22, mit den Eintrittsverkleidungen 22 verbundene Kondensatormodule 23, und die Kondensatormodule 23 stromabwärts abschließende Austrittsverkleidungen 27 umfasst. Die Kondensatormodule 23 sind in den sogenannten C-Kanälen der Gasturbine angeordnet und nach außen hin in Strömungsrichtung geneigt. Die Kondensatormodule 23 erstrecken sich in radialer Richtung R von dem Innengehäuse 6 bis zu dem Außengehäuse 5. Es ist möglich, dass sich der Kondensator 21 nur in einem Teilbereich zwischen dem Außengehäuse 5 und dem Innengehäuse 6 erstreckt oder nur in einem Teilbereich eine Kreuzströmung zu dem Nebenstromkanal ausbildet. Ein Großteil des von dem Fan 8 geförderten Luftvolumens wird als Luftnebenstrom dem Nebenstromkanal 20 zugeführt und durchströmt dort teilweise den Kondensator 21, bevor der Luftnebenstrom die Gasturbine 2 zur Schuberzeugung verlässt. Der Luftnebenstrom wird dabei in dem in dem als Wärmetauscher arbeitenden Kondensator 21 teilweise erhitzt und kühlt das durch den Kondensator 21 strömende Abgas.
Stromabwärts des Turbinenaustrittsgehäuses 16 ist ein Dampferzeuger 41 des Dampfsystems 40 angeordnet, der von dem heißen Abgas aus der Niederdruckturbine 15 in radialer Richtung R nach außen hin durchströmt wird. Anschließend strömt das Abgas weiter in radialer Richtung zu dem Kondensator 21 des Wassersystems 30 und durch diesen durch ebenfalls in radialer Richtung verlaufende Abgaskanäle 26. In dem Kondensator 21 wird das Abgas weiter abgekühlt. Während der Abkühlung des Abgases kondensiert Wasser aus dem Abgas zumindest teilweise, wobei das Abgas-Wasser-Gemisch weiter radial nach außen in eine Wasserabscheidevorrichtung 31 strömt. Dort wird es zunächst in axialer Richtung Ax der Gasturbine 2 in einem Eintrittskanal 32 nach vorne geleitet, um etwa 180° in einem Krümmer 33 umgelenkt und einem Drallerzeuger 34 in einem Austrittskanal 35 zugeführt, der das Abgas zentrifugiert. Dadurch wird das Wasser in dem Abgas-Wasser-Gemisch ausgeschieden und kann in flüssiger Form in das weitere Wassersystem 30 geleitet werden. Das entfeuchtete und gekühlte Abgas wird über eine Kernaustrittsdüse 36 freigesetzt und entspannt und dient zusätzlich der Schuberzeugung. Die Komponenten des Wassersystems 30 sind in 2 dargestellt. In 1 sind lediglich Pfeile eingezeichnet, die die Richtung des Abgases schematisch verdeutlichen sollen.
Das in der Wasserabscheidevorrichtung 31 gesammelte Wasser wird über Wasserleitungen 37 an ein Wasserreservoir 38 gefördert. Von dort wird das nunmehr als Speisewasser bezeichnete Wasser mittels einer vorzugsweise als Wasserpumpe 39 ausgebildeten Zuführeinrichtung dem Dampferzeuger 41 des Dampfsystems 40 zugeführt wird. Die Wasserpumpe 39 ist vorzugsweise regelbar und kann entsprechend einer benötigten Dampfleistung dem Dampferzeuger Speisewasser zuführen. Das Wasserreservoir 38 und die Wasserpumpe 39 befinden sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem Innengehäuse 6 der Gasturbine. Insbesondere kann die Wasserpumpe 39 auch in einem den Kernstrom 10 ummantelnden Innengehäuse 6, insbesondere in einem das Innengehäuse 6 abschließenden und in axialer Richtung Ax hinter dem Turbinenaustrittsgehäuse 16 angeordneten Innengehäuseabschluss 6', angeordnet sein. Der Innengehäuseabschluss 6' schafft zugleich eine Strömungsumlenkungskammer für das aus der Turbine 14, 15 austretende heiße Abgas. Ein zentraler Austritt des Abgasstroms G aus dem Hauptstromkanal in eine Umwelt ist vorteilhaft nicht mehr vorteilhaft, sondern das stark erhitzte Abgas kann nachbehandelt werden. Die Anordnung der Wasserpumpe in dem Innengehäuseabschluss 6' hat den Vorteil, dass eine Gewichtsverteilung der Wasserpumpe um eine Verlängerung der Drehachse bzw. der Antriebswelle 9 der Gasturbine 2 sehr ausgeglichen ist. Gleichzeitig wird der Schwerpunkt der Gasturbine weiter nach hinten unter den Flügel verlagert, was sich günstig auf die Lastverteilung eines Flügels und die Flugeigenschaften auswirkt.
Der Dampferzeuger 41 ist vorzugsweise als sogenannter Rohrbündelwärmetauscher in Kreuz-Gegenstromanordnung zu dem Abgas mit mehreren Passagen ausgeführt. Er wird vorzugsweise rotationssymmetrisch und konzentrisch zur Triebwerksachse innerhalb des Innengehäuses der Gasturbine, das heißt der Kerntriebwerksverkleidung, untergebracht. Der Dampferzeuger 41 umfasst einen Vorheizer 42, um das Speisewasser zu erhitzen, einen Verdampfer 43, der das Speisewasser in Dampf umwandelt und einen Überhitzer 44, der den Dampf überhitzt. Die Anordnung innerhalb des Dampferzeugers ist in 1 lediglich schematisch dargestellt. Andere Konfigurationen mit mehr oder weniger Elementen des Dampferzeugers 41 sind auch möglich. So können der Vorheizer 42, der Verdampfer 43 und der Überhitzer 44 als einander spiralförmig überkreuzende Rohrleitungen ausgebildet sein. Der insbesondere überhitzte Dampf wird durch eine Dampfleitung 45 einer Dampfturbine 46 zugeführt und treibt diese an. Der in der Dampfturbine 46 entspannte Dampf wird dann in die Mischkammer 48 zur Nutzung in der Brennkammer 13 geleitet. Es kann vorgesehen sein, dass ein Teil des Dampfes direkt in die Brennkammer geleitet oder zu Kühlzwecken abgeleitet wird. Die Dampfturbine 46 ist an die Antriebswelle 9 der Gasturbine durch ein Dampfturbinengetriebe 47 gekoppelt. Im Einsatz liegt das Übersetzungsverhältnis des Dampfturbinengetriebes 47 im Bereich 1:5 bis 1: 10, da die Dampfturbine 46 deutlich höhere Umdrehungszahlen als die Niederdruckturbine 15 und damit die Antriebswelle 9 erreicht. Die so in der Dampfturbine 46 gewonnene mechanische Leistung wird entsprechend der Antriebswelle 9 zugeführt und so die Abgaswärme dem Kreisprozess der Gasturbine 2 wieder zur Verfügung gestellt.
Die Anordnung des Kondensators 21 wird im Folgenden anhand der 2 beschrieben. In 2 sind in die seitlich links im Meridianschnitt dargestellte Gasturbine Schnittebenen entlang der Linien A-A und B-B eingezeichnet, deren zugehörige schematisch dargestellte Umfangsebenen abgewickelt gezeigt sind.
Im Schnitt A-A ist seitlich zu dem Pylon 3 ein im C-Kanal angeordneter und aus mehreren Kondensatormodulen 23, 23' bestehender Kondensator 21 gezeigt. Die Kondensatormodule 23, 23' sind paarweise als Kondensatormodulpaare 25 angeordnet und diese Kondensatormodulpaare 25 durch jeweils eine Eintrittsverkleidung 22 miteinander in einem stromaufwärts gelegenen Bereich des Nebenstromkanals 20 verbunden. Jedes der Kondensatormodule 23, 23' wird in Strömungsrichtung von einer Austrittsverkleidung 27, 27' begrenzt. Die Kondensatormodulpaare 25 bestehen also aus einem ersten Kondensatormodul 23 und einem zweiten Kondensatormodul 23'. Die beiden Kondensatormodule 23, 23' weisen gegenüber der Nebenstromrichtung in dem Nebenstromkanal, insbesondere einer axialen Richtung Ax der Gasturbine, einen Anstellwinkel α, α' auf. Das erste Kondensatormodul 23 weist einen ersten Anstellwinkel α auf, der vom Betrag, das heißt von einem Absolutwert, einem zweiten Anstellwinkel α' des zweiten Kondensatormoduls 23' entspricht, aber ein anderes Vorzeichen aufweist. Auf diese Weise ergibt sich eine V-Anordnung für die Kondensatormodulpaare 25. Zwischen dem ersten Kondensatormodul 23 und dem zweiten Kondensatormodul 23' eines Kondensatormodulpaares 25 ist ein innerer Abstand i in Umfangsrichtung U vorgesehen, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entlang der Axialerstreckung des Kondensators überall kleiner ist eine äußerer Abstand a in Umfangsrichtung U zwischen zwei Kondensatormodulpaaren 25.
Die vom Fan 8 geförderte Luft wird durch die Eintrittsverkleidung(en) 22 aufgeteilt und fließt dann entlang der äußeren, das heißt entlang der Luftnebenstromrichtung zugewandten Seitenflächen 24a der Kondensatormodule 23, 23'. Ein Teil dieser Luft strömt durch Kühlkanäle 24c zwischen den Platten der Kondensatormodule 23, 23' auf die der Luftnebenstromrichtung abgewandten Seitenflächen 24b der Kondensatormodule 23, 23'.
Der Teil des Luftnebenstroms, der nicht durch die Kondensatormodule 23 strömt, sondern im Wesentlichen gerade an den Kondensatormodulen 23 vorbeiströmt, verlässt die Gasturbine 2 zur Schuberzeugung zwischen zwei benachbarten Austrittsverkleidungen 27, 27' zweier benachbarter Kondensatormodulpaare 25. Diese benachbarten Austrittsverkleidungen 27 zweier benachbarter Kondensatormodulpaare 25 bilden eine kalte Nebenstromdüse 28.
Die Luft, die durch die Kondensatormodule 23 strömt wird in einen Innenraum der Kondensatormodulpaare 25 geleitet, erhitzt und zwischen zwei Austrittsverkleidungen 27, 27' eines Kondensatormodulpaares 25 ausgeblasen. Die beiden benachbarten Austrittsverkleidungen 27, 27' eines Kondensatormodulpaares 25 bilden auf diese Weise eine heiße Nebenstromdüse 29.
Diese Anordnung hat auch den Vorteil, dass Fremdkörper die mit hoher Geschwindigkeit im Nebenstrom vorhanden sein können, entlang der Kondensatorseitenflächen in die kalte Nebenstromdüse 28 geleitet werden. Dadurch können mögliche Beschädigungen und auch Verschmutzungen vermieden oder zumindest verringert werden.
Bei der Durchströmung der Kondensatormodule wird Abgaswärme auf die Luft übertragen, wodurch deren Temperatur steigt. Das Abgas kühlt dabei soweit ab bis das darin enthaltene Wasser, zumindest teilweise kondensiert und in flüssiger Form vorliegt. Wie weiter oben beschrieben, wird das Abgas durch Abgaskanäle 26 im Inneren des Kondensators 21 geleitet. Die Abgaskanäle 26 befinden sich in jedem der Kondensatormodule 23, 23'. Das Abgas wird durch die Abgaskanäle 26 radial nach außen in die Eintrittskanäle 32 der Wasserabscheidevorrichtungen 31 geleitet, welche in dem Außengehäuse 5, das auch als Cowling oder Gondel bezeichnet wird, angeordnet sind. Die Wasserabscheidevorrichtungen 31 sind Verbindungskanäle zwischen den Kondensatormodulen 23. 23' und den Kernaustrittsdüsen 36. In der gezeigten Ausführung werden die Abgasströme jeweils aus den beiden Kondensatormodulen 23, 23' eines Kondensatormodulpaares 24 zusammengefasst. Das Abgas strömt zunächst nach dem Austritt aus den Kondensatormodulen 23, 23' in einem Eintrittskanal 32 der Wasserabscheidevorrichtung 31 nach vorne in Richtung Triebwerkseinlauf und dann nach einer 180° Kehre in einem Krümmer 33 in dem Austrittskanal 35 in Richtung der Kerntriebwerksdüse 36. In einer Wasserabscheidevorrichtung 31 können neben dem oben erwähnten Drallerzeuger 34 weitere Elemente, die zur Wasserabscheidung dienen, untergebracht sein.
3 zeigt eine erfindungsgemäße als Gasturbine ausgebildete Strömungsmaschine 2 für eine Luftfahrzeug, die eingerichtet ist, ein hierin beschriebenes Verfahren durchzuführen, in einer schematischen Darstellung.
Die als Gasturbine 2 ausgebildete Strömungsmaschine ist beispielsweise als Mantelstromtriebwerk ausgebildet und weist einen Verdichter 12, eine Brennkammer 13 und eine Turbine 14, 15 mit einer Niederdruckturbine 15 auf, die von einer Gasströmung G in einer Strömungsrichtung durchströmbar sind bzw. in einem Betrieb der Gasturbine 2 von der Gasströmung G durchströmt werden. Die Gasströmung G weist beim Austreten aus der Turbine 14, 15 bzw. beim Austreten aus der Niederdruckturbine 15 eine Temperatur T₁ zwischen 700 und 980 K auf, um Energie zum Erzeugen des Dampfs mittels eines Dampferzeugers 41 bereitzustellen.
Der Turbine 14, 15 in Strömungsrichtung nachgelagert weist die Gasturbine 2 den Dampferzeuger 41 auf, der eingerichtet ist, aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung G einen Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf kann über eine Dampfleitung 45, insbesondere mit einem Brennstoff in die Gasströmung zum Verbrennen in der Brennkammer 13 zugeführt werden. Die Dampfzuführung, insbesondere in der Form einer Dampfleitung 45 kann eine Mischkammer 48 einer Brennstoffaufbereitungseinrichtung aufweisen, in welche Brennstoff eingebracht und damit dem diese durchströmenden Dampf zugeführt werden kann, wobei der Brennstoff verdampfen kann. Der Dampf und der Brennstoff kann so in Form eines Gemischs der Brennkammer 13 der Gasturbine 2 zugeführt werden. In anderen Ausführungsformen kann der Dampf und/ oder der Brennstoff auch vor und/ oder in der Brennkammer 13 unmittelbar der Gasströmung G zugeführt werden. Nach der Verbrennung in der Brennkammer 13 bzw. beim Austreten aus der Brennkammer 13 weist die Gasströmung G insbesondere eine Temperatur T₄ zwischen 1650 und 1750 K, insbesondere etwa 1700 K, auf.
Bezogen auf eine mittels des Pfeils illustrierte Strömungsrichtung der Gasströmung G passiert die Gasströmung G zunächst den Verdichter 12, die Brennkammer 13 und die Turbine 14, 15 mit der Niederdruckturbine 15. Nach der Turbine 14, 15 kann die Gasströmung G auch als Abgasströmung der Gasturbine 2 bezeichnet werden. Diese (Ab-)Gasströmung G strömt von der Turbine 14, 15 in einen Abgaskanal 17, an welchem der Dampferzeuger 41, ein Kondensator 21 und eine Wasserabscheideeinrichtung 31 nachgeordnet angeordnet sind. Der Dampferzeuger 41 kann einen Vorheizer 42, einen Verdampfer 43 und einen Überhitzer 44 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 aufweisen, um den Dampf zu erzeugen und/ oder zu überhitzen, wobei der Dampferzeuger 41 insbesondere eingerichtet ist, den Dampf auf eine Temperatur T₃ zwischen 700 und 740 K, insbesondere auf etwa 720 K, zu erhitzen.
Hierbei wird der Gasströmung G zur Verdampfung des Wassers Energie entzogen und diese beim Austreten aus dem Dampferzeuger bzw. stromabwärts des Dampferzeugers 41 eine Temperatur T₂ zwischen 400 und 480 K aufweist. Der Kondensator 21 ist bezogen auf die Strömungsrichtung der Gasströmung G dem Dampferzeuger 41 nachgelagert angeordnet und kann zur Kühlung mit Umgebungsluft vorgesehen sein, um ein Abscheiden eines in der Gasströmung G vorliegenden Wasserdampfs und/ oder Wassers zu ermöglichen.
Dem Kondensator 21 nachgelagert ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Wasserabscheideeinrichtung 31 angeordnet, die als Tropfenabscheider ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Gasströmung G in der Wasserabscheideeinrichtung 31 in Rotation versetzt werden, infolge derer Wassertropfen fliehkraftgetrieben radial nach außen geführt und das Wasser gesammelt werden kann. Die verbleibende Gasströmung G kann den Abgaskanal 17 über einen als kalte Nebenstromdüse 28 oder heiße Nebenstromdüse 29 ausgebildeten Auslass 28, 29 verlassen und insbesondere an die Umgebung abgegeben werden.
Das abgeschiedene Wasser kann beispielsweise über ein optional vorhandenes Wasseraufbereitungssystem 38' in ein Wasserreservoir 38 geführt werden, wo es für eine weitere Verwendung zur Verfügung stehen kann. Mittels einer Zuführeinrichtung 39 kann das Wasser dem Dampferzeuger 41 bereitgestellt werden, um Wasserdampf zu erzeugen, der im Bereich der Brennkammer 13 der Gasströmung G zugeführt werden kann.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Betreiben der beispielhaften Gasturbine 2 aus 3, wobei in einem Schritt a die Gasturbine 2 bzw. deren Verdichter 12, den Brennkammer 13 und die Turbine 14, 15 mit der Niederdruckturbine 15 von einer Gasströmung G durchströmt wird. Hierbei weist die Gasströmung G beim Austreten aus der Turbine 14, 15 bzw. beim Austreten aus der Niederdruckturbine 15 eine Temperatur T₁ zwischen 700 und 980 K auf, um Energie zum Erzeugen von Dampf mittels dem Dampferzeuger 41 bereitzustellen.
In einem weiteren Schritt b wird die Gasströmung G durch den Dampferzeuger 41 aus dort bereitgestelltem, insbesondere der Gasströmung G bzw. der Abgasströmung nach dem Dampferzeuger 41 entnommenem Wasser mittels der Energie der Gasströmung G Dampf erzeugt, wobei sich die Gasströmung G abkühlt. Hierbei weist die Gasströmung G beim Austreten aus dem Dampferzeuger 41 bzw. stromabwärts des Dampferzeugers 41 eine Temperatur T₂ zwischen 400 und 480 K auf.
In einem weiteren Schritt c wird die vorgekühlte Gasströmung G mittels des Kondensators 21 kondensiert. Das in dem Kondensator 21 kondensierte Wasser wird in einem weiteren Schritt d, insbesondere mittels der Wasserabscheideeinrichtung 31 gesammelt. In einem weiteren Schritt e, wird das gesammelte Wasser insbesondere mittels einer Zuführeinrichtung 39 an dem Dampferzeuger 41 zum Erzeugen von Dampf bereitgestellt, wobei in dem Schritt b Dampf mittels des Dampferzeugers 41 bzw. Verdampfers 43 erzeugt wird. Hierbei erhitzt der Dampferzeuger 41 den Dampf auf eine Temperatur T₃ zwischen 600 und 900 K, vorzugsweise zwischen 650 K und 750 K, insbesondere auf etwa 720 K.
In einem weiteren Schritt f kann wenigstens ein Teil des im Dampferzeuger 41 erzeugten Dampfs über eine Dampfzuführung bzw. Dampfleitung 45 beispielsweise in eine Mischkammer 48 eines Brennstoffaufbereitungssystems geleitet werden, wo ein Dampf-/ Brennstoff-Gemisch erzeugbar ist, welches schließlich in einem Schritt g der Gasströmung G, insbesondere in der Brennkammer 13 der Gasturbine 2 zur Verbrennung zugeführt wird. Dabei kann die Gasströmung G beim Austreten aus dem Brennkammer 13 eine Temperatur T₄ zwischen 1650 und 1750 K, insbesondere etwa 1700 K, aufweisen.
5 zeigt eine erfindungsgemäßes Abgasbehandlungssystem 18, das einem in diesem Ausführungsbeispiel nur schematisch angedeuteten Hauptstromkanal 10 nachgelagert angeordnet ist. Der Hauptstromkanal 10 ist beispielsweise in einem als Mantelstromtriebwerk ausgebildeten Antriebssystem 1 angeordnet und weist einen Verdichter 12, eine Brennkammer 13 und eine Turbine 14, 15 auf. Von der Turbine 14, 15 strömt im Betrieb eine Abgasströmung G in einen Abgaskanal 17 des aus einem Wassersystem 30 und einem Dampfsystem 40 bestehenden Abgasbehandlungssystems 18. Stromaufwärts der Hauptstromkanals 10 ist üblicherweise ein in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellter Fan 8 angeordnet, der sowohl den Hauptstromkanal 10 als auch einen Nebenstromkanal 20 speist.
Bezogen auf eine Strömungsrichtung der Abgasströmung G passiert die Abgasströmung G zunächst einen Dampferzeuger 41, der einen Vorheizer 42, einen Verdampfer 43 und einen Überhitzer 44 aufweist. Der Dampferzeuger 41 ist eine erste Kühleinrichtung für die Abgasströmung G. Dem Dampferzeuger 41 nachgelagert ist an dem Abgaskanal 17 eine Zuführeinrichtung 39a angeordnet, die eingerichtet ist, zum Kühlen der Abgasströmung G Wasser W in die Abgasströmung G einzubringen.
Hierzu weist die Zuführeinrichtung 39a eine Einspritzeinrichtung 39b auf und ist eingerichtet das Wasser W zerstäubt und homogen in die Abgasströmung G einzubringen, um eine gleichmäßige Verteilung des zugeführten Wassers W in der Abgasströmung G zu erreichen und somit einen Wärmeübergang zwischen Wasser W und Abgasströmung G zu begünstigen. Dabei weist das Wasser W an der Stelle der Einbringung bzw. im Bereich des Abgaskanals 17 an welchem die Zuführeinrichtung 39a angeordnet ist, eine niedrigere Temperatur auf, als die Abgasströmung G. Die Zuführeinrichtung führt das Wasser W der Abgasströmung G derart zu, dass die Abgasströmung G in Richtung hin zu einer Taupunkttemperatur der Abgasströmung G abgekühlt wird, bevor diese einen als Kondensator 21 ausgebildeten Wärmetauscher erreicht. Der Kondensator 21 ist eine zweite Kühleinrichtung für die Abgasströmung G.
Der Kondensator 21 ist zur Kühlung mit Umgebungsluft eingerichtet und ist bezogen auf die Strömungsrichtung der Abgasströmung der Zuführeinrichtung 39a nachgelagert angeordnet. Der Kondensator 21 kann von Umgebungsluft durchströmbar sein, um die Abgasströmung derart zu kühlen, dass eine wenigstens teilweise Abscheidung des in der Abgasströmung G vorliegenden Wassers W ermöglicht ist.
Dem Kondensator 21 nachgelagert ist eine Wasserabscheideeinrichtung 31 angeordnet, die als Tropfenabscheider ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Abgasströmung G in eine Rotation versetzt werden, infolge derer Wassertropfen fliehkraftgetrieben radial nach außen geführt werden und das Wasser W gesammelt werden kann. Die verbleibende Abgasströmung G kann den Abgaskanal 17 über einen vorzugsweise als kalte Nebenstromdüse 28 und/oder heiße Nebenstromdüse 29 ausgebildeten Auslass 28, 29 verlassen und insbesondere an die Umgebung abgegeben werden. Das abgeschiedene Wasser W kann beispielsweise über ein optional vorhandenes Wasseraufbereitungssystem 38' in ein Wasserreservoir 38 geführt werden, wo es für eine weitere Verwendung zur Verfügung stehen kann und beispielsweise der Zuführeinrichtung 39a zugeführt werden kann. Zudem kann das Wasser W für den Dampferzeuger 41, und insbesondere den Verdampfer 43, bereitgestellt werden, um Wasserdampf zu erzeugen, der im Bereich der Brennkammer 13 der Gasturbine 2 zugeführt werden kann.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 600 zum Betreiben des beispielhaften Antriebssystems 1 aus 5, wobei in einem Schritt h der Abgaskanal 17 mit Abgas des Hauptstromkanals 10 durchströmt wird. In einem zweiten Schritt i wird die Abgasströmung G mittels des Dampferzeugers 41 vorgekühlt.
In einem dritten Schritt j wird die vorgekühlte Abgasströmung G mittels der Zuführeinrichtung 39a durch Zuführen von insbesondere flüssigem Wasser W in die Abgasströmung G weiter abgekühlt. Hierbei ist, insbesondere mittels einer Steuereinrichtung des Abgasbehandlungssystems 18, ein Volumenstrom und/oder ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers W abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung G vorgebbar bzw. variierbar. In einem vierten Schritt k wird die vorgekühlte Abgasströmung G mittels der zweiten Kühleinrichtung 13 kondensiert. Das in der zweiten Kühleinrichtung 13 kondensierte Wasser W kann in einem optionalen fünften Schritt 1, insbesondere mittels der Wasserabscheideeinrichtung 31 gesammelt werden. Hierdurch kann ein Kondensationsprozess des in der Abgasströmung G vorliegenden Wassers W verbessert werden, da ein Abkühlen der Abgasströmung G bereits vor dem Kondensator 21 erfolgen kann und zudem Kondensationskeime in Form von mittels der Zuführeinrichtung 39a eingebrachten Wassertropfen in der Abgasströmung G vorhanden sein können.
In 7 ist eine Wärmetauscheranordnung 21' aus dem Stand der Technik in einer Schnittansicht gezeigt, die einen Wärmetauscher 21 mit einem Niedertemperaturgitter 20 und einem Hochtemperaturgitter 30 gezeigt. Der Wärmetauscher 21 ist in einem insbesondere als Nebenstromkanal ausgebildeten Strömungskanal 20 zwischen einer Eintrittsfläche 20a und einer Austrittsfläche 20b des Strömungskanals 20 angeordnet.
Der Wärmetauscher weist Niedertemperaturkanäle in dem Niedertemperaturgitter 200 auf, die im Wesentlichen parallel zu der Kanalhauptrichtung ausgebildet sind, was zu einer sehr großen Anströmfläche führt. Die Hochtemperaturkanäle verlaufen in die Schnittebene hinein. Die große, senkrecht zu der Strömungsrichtung ausgebildete Anströmfläche bewirkt ferner einen großen Luftwiderstand, insbesondere einen Druck- und Formwiderstand. Nachteilig sind derartige Konfiguration regelmäßig zu groß, um effektiv in einem realen Triebwerk angeordnet zu werden.
Es folgen nun die Beschreibungen der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele. Der Einfachheit halber werden bei der Beschreibung der nun folgenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele dieselben Bezugszeichen wie bei der Beschreibung des Standes der Technik verwendet, da es sich um die gleichen Komponentenbezeichnungen handelt.
8a zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung 21' mit einem als Nebenstromkanal 20 einer Gasturbine 2 ausgebildeten Strömungskanal 20 und einem insbesondere als Kondensator 21 ausgebildeten Wärmetauscher 21 in dem Strömungskanal 20. Der Strömungskanal 20 ist dabei in einer Gasturbine 2 angeordnet. Der Strömungskanal 20 wird von einem Kühlfluid durchströmt, wobei das Kühlfluid durch eine Eintrittsfläche 20a in den Strömungskanal 20 einströmt, den Wärmetauscher 21 durchströmt und nach einer weiteren Durchströmung des hinteren Strömungskanals 20, wieder aus dem Strömungskanal 20 an einer Austrittsfläche 20b austritt. Eine Kanalhauptrichtung S ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Es kann sein, dass sich die Strömungsrichtung in einem Nachlauf des Wärmetauschers 21 von dem Bereich vor dem Wärmetauscher unterscheidet. In diesem Fall sind zur Bestimmung der jeweiligen Kanalhauptrichtung S im Vorlauf bzw. Kanalnachlaufrichtung S' die Abschnitte der Kanäle vor bzw. hinter dem Wärmetauscher zu betrachten, und zwar bis zu der entsprechenden Eintrittsfläche 20a bzw. Austrittsfläche 20b. Räumlich betrachtet weist der Strömungskanal 20 eine um eine Triebwerksachse oder axiale Richtung Ax in Umfangsrichtung U gekrümmte Kreis, Ellipsen oder mit abgerundeten Ecken versehene Rechteckform auf, wobei der Strömungskanal von Kanalseiten seitlich begrenzt ist. Die Anordnung des Strömungskanals 20 mit dem Wärmetauscher 21 kann in Umfangsrichtung U wiederholt werden, wie dies beispielsweise in 2 gezeigt ist, wobei dann auch einige gemeinsame Seiten entfernt oder weggelassen werden können, so dass sich eine Wärmetauscheranordnung 21' mit mehreren Wärmetauschern 21 ergibt. Beispielsweise kann sich eine solche Wärmetauscheranordnung 21' um einen Kern eines Triebwerks in Umfangsrichtung U erstrecken.
Der Wärmetauscher 21 wird aus einer Eintrittsverkleidung 22, einer Gittermatrix bestehend aus einem Niedertemperaturgitter 200 und einem Hochtemperaturgitter 300 sowie einer Austrittsverkleidung 27 gebildet. Die Gittermatrix wird im Folgenden auch als ein Wärmetauschermodul 23 bezeichnet. Die in 9 genauer beschriebenen Nieder- und Hochtemperaturgitter 200, 300 stehen dabei in einer Kreuzstromkonfiguration zueinander, das heißt, eine Vielzahl an Niedertemperaturkanälen 201 des Niedertemperaturgitters 200 und eine Vielzahl an Hochtemperaturkanälen 301 verlaufen senkrecht zueinander. Dabei verlaufen die Niedertemperaturkanäle 201 größtenteils in Richtung der eingezeichneten Erstreckungsachse E, während die Hochtemperaturkanäle 301 in eine Richtung in die Zeichenebene hinein verlaufen.
In 8b ist eine Seitenansicht der Wärmetauscheranordnung 1 aus 8a dargestellt, in der mit größeren Pfeilen die Verlaufsrichtung V der Hochtemperaturkanäle 301 schematisch dargestellt ist. Die Austrittsverkleidung 27 richtet die Strömung des Kühlfluids in einem Nachlauf stromabwärts des Wärmetauschermoduls 23.
Der Wärmetauscher 21 weist ganz allgemein eine Anströmfläche 24a auf, die in einem Winkel α₁ zu der Kanalhauptrichtung S geneigt angeordnet ist. Anhand der 9 wird eine genauere Definition der Anströmfläche beschrieben. Ferner weist der Wärmetauscher 21 eine Abströmfläche 24b auf, die in einem Winkel α₂ zu der weiteren Kanalhauptrichtung S' geneigt ist. Durch die Neigung ergibt sich vorteilhaft eine große Anströmfläche. Innerhalb des Wärmetauschers 21 weisen die Niedertemperaturkanäle 201 ihrerseits einen Hauptneigungswinkel β zu der Anströmfläche 24a auf, der von dem Winkel α₁ verschieden ist. Dadurch wird die gesamte Umlenkung der Kühlluft beim Durchströmen des Wärmetauschers minimiert, so dass Druckverluste verringert werden.
Das durch den Strömungskanal 20 strömende Fluid wird in dem Bereich der Eintrittsverkleidung weder verzögert noch beschleunigt, da - wie gemeinsam aus den 8a und 8b ersichtlich ist - die Querschnittsfläche normal zu einer Axialrichtung Ax in diesem Bereich gleichbleibt. Zwar verengt sich der Strömungskanal 20 in eine Axialrichtung Ax in 2a, da bereits die Eintrittsverkleidung 22 in den Strömungskanal 20 hineinragt, allerdings erweitert sich der Strömungskanal 20 in einer Radialrichtung R, wie aus 8b ersichtlich ist, was zusammengenommen zu wesentlich konstanten Flächen der Querschnitte normal zu der Axialrichtung Ax durch die Wärmetauscheranordnung 21' führt, während die radialen Begrenzungswände für eine Querschnittsverkleinerung genutzt werden können, um eine Düsenströmung zu erzeugen.
In 8b ist das erste Ausführungsbeispiel der Wärmetauscheranordnung 21' aus 8a in einer seitlichen Schnittansicht, insbesondere in einem Meridianschnitt gezeigt. Dargestellt ist die schon erwähnte Strömungsrichtung E des Hochtemperaturgitters 300. In einem hinteren Bereich des Wärmetauschers sind in dem Niedertemperaturgitter 200 und dem Hochtemperaturgitter 300 Querrippen 207 angedeutet, die eine Maßnahme darstellen, um eine vergrößerte Oberfläche für den Wärmetausch bereitzustellen.
In 9 ist die in 8a eingezeichnete Detailansicht A vergrößert dargestellt, wobei die tatsächlichen Verläufe der Gittermatrix des Wärmetauschers 21 ersichtlich sind. Der Wärmetauscher 21 umfasst das Niedertemperaturgitter 200, das aus einer Vielzahl an Niedertemperaturkanälen 201 besteht sowie das Hochtemperaturgitter 300, das aus einer Vielzahl an Hochtemperaturkanälen 301 besteht. Die Niedertemperaturkanäle 201 weisen jeweils einen Einlauf 202 auf, der einer Einführung und ersten Umlenkung der Strömung des Kühlfluids aus dem Strömungskanal 20 dient. Der Einlauf 202 endet in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einer stromabwärtigen Engstelle, die als Eintrittsquerschnitt 203 in einen stromabwärts nachfolgenden Diffusorbereich 204 des Niedertemperaturkanals 201 dient. Die Größe einer Querschnittsfläche in dem Diffusorbereich 204 nimmt entlang der Längserstreckung des Diffusorbereichs 204 stetig bis zu einer in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel maximalen Querschnittsfläche 205 zu. An den Diffusorbereich 204 grenzt stromabwärts ein Hauptbereich 206, dessen Querschnitt entlang seiner Längserstreckung konstant ist. Somit ist die maximale Querschnittsfläche einer konstanten Querschnittsfläche 205 in dem Hauptbereich 204. Stromabwärts grenzt an den Hauptbereich 206 eine Düsenbereich 208, dessen Querschnittsfläche sich von der Größe der konstanten Querschnittsfläche 205 auf eine Austrittsquerschnittsfläche 209 verkleinert, so dass die Strömung des Kühlfluids beschleunigt wird. Die Geschwindigkeit der Strömung des Kühlfluids erhöht sich entlang der Durchströmung des Niedertemperaturkanals 201 aufgrund des Wärmestroms aus dem Hochtemperaturkanals 301, der von einem Heißfluid durchströmt wird, das eine höhere Temperatur als das Kühlfluid aufweist. Dadurch wird die Strömung in dem Niedertemperaturkanal 201 weiter beschleunigt.
Ein Niedertemperaturkanal 201 und ein erster Hochtemperaturkanal 301 weisen jeweils eine erste gemeinsame Wand 400 auf. Ein Hochtemperaturkanal 301 wird dabei von eine gemeinsamen Wand umlaufen, während ein Niedertemperaturkanal 201 eine gemeinsamen erste Wand 400 mit einem ersten benachbarten Hochtemperaturkanal 301 und eine weitere zweite gemeinsame Wand 400 mit einem zweiten benachbarten Hochtemperaturkanal 301 teilt.
Der Verlauf der ersten und zweiten Wand 400 in der in 9 dargestellten Schnittebene wird im Folgenden zunächst anhand der ersten Wand 400 beschrieben: Beginnend an der Anströmfläche 24a weist die Wand 400 in dem Einlaufbereich 202 einen windabgewandten Einlaufabschnitt 402 auf. An den windabgewandten Einlaufabschnitt 402 weist die gemeinsamen Wand 400 in dem Diffusorbereich 204 einen konvexen Diffusorabschnitt 402 auf. An den Diffusorabschnitt 404 anschließend ist ein erster planer Hauptabschnitt 406 in dem Hauptbereich 206 angeordnet. Dessen Wanderstreckung wird für die Bestimmung des Hauptneigungswinkels β herangezogen. Die Parallelität der Wanderstreckung in dem Hauptabschnitt 406 und der Haupterstreckung E des Hauptbereichs 206 des Niedertemperaturkanals 201 ist in 9 durch Parallelzeichen dargestellt. An den Hauptabschnitt 406 der gemeinsamen Wand anschließend ist ein konkaver Austrittsabschnitt 408 angeordnet, der sich bis zu der Abströmfläche 24b erstreckt. Gegenüber des ersten gemeinsamen Wandabschnitts ist in dem Niedertemperaturkanal 201 ein weiterer gemeinsamer Wandabschnitt angeordnet, der folgenden Verlauf aufweist: Beginnend an der Anströmfläche 24a weist die zweite gemeinsame Wand 400 einen windzugewandten Einlaufabschnitt 403 in dem Einlaufbereich 202 auf, wobei der windzugewandte Einlaufabschnitt 403 verrundet ist und bis zu der Stelle des geringsten Querschnitts verlaufen kann. An den windzugewandten Einlaufabschnitt 403 schließt ein konkaver Diffusorabschnitt 405 in dem Diffusorabschnitt 204 an. Dabei ist die Krümmung des konvexen Diffusorabschnitts 404 der ersten gemeinsamen Wand 400 größer als die Krümmung des konkaven Diffusorabschnitts 405 der zweiten gemeinsamen Wand 400, so dass sich der Diffusorbereich 204 aufweitet und somit entlang seiner Längserstreckung eine stetig größer werdende Querschnittfläche aufweist, wodurch die Strömung vorteilhaft verzögert wird. An den konkaven Diffusorabschnitt 405 schließt ein zweiter planarer Hauptabschnitt 407 in dem Hauptbereich 206 an, der in der Schnittansicht parallel zu der Erstreckung des ersten Hauptabschnitts 406 verläuft. An den zweiten Hauptabschnitt 407 schließt ein konvexer Austrittsabschnitt 409 in dem Austrittsbereich 208 an, der sich bis zu der Abströmfläche 24b erstreckt. Ein Hochtemperaturkanal 301 ist in dem Ausführungsbeispiel von einer als Blech ausgebildeten einzelnen gemeinsamen Wand 400 umgeben, wobei der konkave Austrittsabschnitt 408 und der konvexe Austrittsabschnitt 409 der einzelnen gemeinsamen Wand 400 aneinander anliegen und verschweißt oder verlötet sind und so den Hochtemperaturkanal 301 vollständig umschließen.
10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung 21', wobei die Umfangserstreckung des Strömungskanals 20, hier entsprechend der Umfangserstreckung der Eintrittsfläche 20a, größer als in dem ersten Ausführungsbeispiel ist, während die Größe des Wärmetauschers 21 zu der Größe in dem ersten Ausführungsbeispiel identisch ist. Dadurch wird die Strömung geteilt, wobei ein Teil der Strömung in den Wärmetauscher 21 strömt und ein Teil als ein kalter Strom an dem Wärmetauscher 21 vorbei geleitet ist. Entsprechend ergibt sich ein Heißströmungskanal 29 hinter der Abströmfläche dem Wärmetauscher und ein Kaltströmungskanal 28 neben dem Wärmetauscher, deren Austrittsflächen entsprechend Anteilig zu einem Gesamtmassenstrom beitragen.
In 11 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung 21' dargestellt, die in dem Ausführungsbeispiel eine Spiegelung der Wärmetauscheranordnung 21' an einer Spiegelfläche M darstellt, die von einer Radialrichtung R und einer Axialrichtung Ax aufgespannt wird. Dadurch wird eine V-Anordnung der Wärmetauscheranordnung 21' realisiert, wobei die Wärmetauscheranordnung 21' ein erstes Wärmetauschermodul 23 und ein zweites Wärmetauschermodul 23' aufweist. Die beiden Wärmetauschermodule 23, 23' sind in Strömungsrichtung vorne durch eine gemeinsame Eintrittsverkleidung 22 verbunden, weisen aber jeweils eine eigene Austrittsverkleidung 27 auf. Die An- und Abströmwinkel der An- und Abströmflächen 24a, 24b können aber je nach Einbausituation variieren. So kann vorgesehen sein, dass ein erster Anströmwinkel α₁ einer ersten Anströmfläche 24a kleiner oder größer ist als ein Anströmwinkel α₂ einer zweiten Anströmfläche 24a`. Entsprechendes gilt für den ersten Abströmwinkel α₁' der ersten Abströmfläche 24b und den ersten Abströmwinkel α₂' der zweiten Abströmfläche 24b'.
Der Heißströmungskanal 29 entspringt dabei an den beiden Abströmflächen 24b und 24b` der beiden Wärmetauschermodule 23, 23' und verläuft zwischen diesen. Zwischen den Austrittsverkleidungen 27 erfolgt eine Expansion des erwärmten Kühlgases. Der Kaltströmungskanal 7 ist ein Kanalabschnitt, der an dem Wärmetauscher 21 beidseitig vorbeigeleitet ist.
Auch die in den 10 und 11 beschriebene Wärmetauscheranordnung 1 kann in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sein, so dass sich insbesondere eine Wärmetauscheranordnung 21' mit mehrere abwechselnden Heißströmungskanälen 29 und Kaltströmungskanälen 28 ergibt, wie beispielsweise in 2 an dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
In 12 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbine schematisch dargestellt. Die Hochdruckturbinenwelle 9 wird von der Hochdruckturbine 14 angetrieben, über die sich das Arbeitsgas aus der Brennkammer 13 entspannt. Die Hochdruckturbinenwelle 9 treibt den einzigen mehrstufigen Verdichter dieser Ausführungsform an. Denn von der Niederdruckturbinenwelle 9', die von der Niederdruckturbine 15 angetrieben wird, wird ausschließlich der Fan über ein Getriebe angetrieben. In die Niederdruckturbine speist auch die Dampfturbine 46 ihre Leistung über ein Dampfturbinengetriebe 47 ein.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Gasturbine / Strömungsmaschine
3: Pylon
4: Flügel
5: Außengehäuse der Gasturbine
6: Innengehäuse der Gasturbine
6': Innengehäuseabschluss
7: Einlauf
8: Fan
9: Hochdruckturbinenwelle
9': Niederdruckturbinenwelle
10: Kernstromkanal bzw. Hauptstromkanal
11: Getriebe
12: Verdichter
13: Brennkammer
14: Hochdruckturbine
15: Niederdruckturbine
16: Turbinenaustrittsgehäuse
17: Abgaskanal
18: Abgasbehandlungssystem
20: Nebenstromkanal (Bypass)
21: Kondensator
22: Eintrittsverkleidung
23: (erstes) Kondensatormodul (eines Kondensatormodulpaares)
23': zweites Kondensatormodul eines Kondensatormodulpaares
24a: Luftnebenstromrichtung zugewandte Seitenfläche eines Kondensatormoduls, erste Anströmfläche
24a`: zweite Anströmfläche
24b: Luftnebenstromrichtung abgewandte Seitenfläche eines Kondensatormoduls, erste Abströmfläche
24b`: zweite Abströmfläche
24c: Kühlkanäle
25: Kondensatormodulpaar
26: Abgaskanal
27: Austrittsverkleidung des (ersten) Kondensatormoduls
27': Austrittsverkleidung des zweiten Kondensatormoduls
28: kalte Nebenstromdüse
29: heiße Nebenstromdüse
30: Wassersystem
31: Wasserabscheideeinrichtung
32: Eintrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung
33: Krümmer
34: Drallerzeuger
35: Austrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung
36: Kernaustrittsdüse
37: Wasserleitung
38: Wasserreservoir
38`: Wasseraufbereitungssystem
39: Wasserpumpe
39a: Zuführeinrichtung
39b: Einspritzeinrichtung
40: Dampfsystem
41: Dampferzeuger
42: Vorheizer
43: Verdampfer
44: Überhitzer
45: Dampfleitung
46: Dampfturbine
47: Dampfturbinengetriebe
48: Mischkammer
200: Niedertemperaturgitter
201: Niedertemperaturkanal
202: Einlauf
203: Eintrittsquerschnitt
204: Diffusorbereich
205: konstante Querschnittsfläche
206: Hauptbereich eines Niedertemperaturkanals
207: Querrippen
208: Düsenbereich
209: Austrittsquerschnitt
300: Hochtemperaturgitter
301: Hochtemperaturkanal
400: gemeinsame Wand zur Wärmeübertragung
402: windabgewandter Einlaufabschnitt
403: windzugewandter Einlaufabschnitt
404: konvexer Diffusorabschnitt der gemeinsamen Wand
405: konkaver Diffusorabschnitt der gemeinsamen Wand
406: gerader Hauptabschnitt der gemeinsamen Wand
408: konkaver Düsenabschnitt der gemeinsamen Wand
409: konkaver Düsenabschnitt der gemeinsamen Wand
Ax: axiale Richtung
R: radiale Richtung
U: Umfangsrichtung
S: Kanalhauptrichtung
S': Kanalabströmrichtung
E: Erstreckungsachse
M: Spiegelfläche
G: (Ab-)Gasströmung
W: Wasser
100: Strömungsmaschine
α1: erster Anströmwinkel
α2: zweiter Anströmwinkel
α1': erster Abströmwinkel
α2': zweiter Abströmwinkel
β: Hauptneigungswinkel
T1: Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus der (Niederdruck-)Turbine
T2: Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus dem Dampferzeuger
T3: Temperatur des Dampfs beim Austreten aus dem Dampferzeuger
T4: Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus der Brennkammer
500: Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine
a-g: Verfahrensschritte
600: Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine
h-1: Verfahrensschritte

Claims

Antriebssystem (1) für ein Luftfahrzeug, mit einer Gasturbine (2), die einen Kernstromkanal (10) aufweist, wobei in dem Kernstromkanal (10) in Strömungsrichtung ein Verdichter (12), eine Brennkammer (13), eine erste Turbine, insbesondere Hochdruckturbine (14), zum Antreiben des Verdichters (12), und eine zweite Turbine, insbesondere Niederdruckturbine (15), angeordnet sind, und einem Wassersystem (30) zum Bereitstellen von Wasser durch Rückgewinnung aus einem Abgas aus dem Kernstromkanal (10).
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtdruckverhältnis der Gasturbine zwischen 20 bis 40, und vorzugsweise 22 bis 35 liegt.
Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (12), insbesondere Hochdruckverdichter, ein Druckverhältnis von 13 bis 30, vorzugsweise 16 bis 27, aufweist.
Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gasturbine (2) eine erste Antriebswelle (9) aufweist, die von der ersten Turbine (14), insbesondere Hochdruckturbine, angetrieben wird und den Verdichter (12) antreibt und eine zweite Antriebswelle (9') aufweist, die von der zweiten Turbine (15), insbesondere Niederdruckturbine, angetrieben wird und insbesondere über ein Getriebe (11), einen Fan (8) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (12) der einzige über eine der Antriebswellen der Gasturbine (9, 9') angetriebene Verdichter (12) der Gasturbine (2) ist.
Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (14) der Gasturbine einstufig ausgeführt ist.
Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsverhältnis der ersten Turbine (14) der Gasturbine 2.3 bis 3.2, insbesondere 2.5 bis 3.0, ist.
Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine als Nebenstromtriebwerk ausgebildet ist und ein Nebenstromverhältnis aufweist, das größer als 30 ist, oder als Open-Rotor ausgebildet ist und ein Nebenstromverhältnis aufweist, das größer als 50, insbesondere größer als 60 und besonders bevorzugt größer als 70 ist.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Gasturbine um eine mit Wasserstoff betreibbare Gasturbine handelt und/oder ein Abgasbehandlungssystem, insbesondere das Wassersystem und/ oder ein Dampfsystem eine Wärmetauscheinrichtung zur Unterstützung der Rückgewinnung von Wasser auf Basis der Kühlwirkung des insbesondere kryogenen Wasserstoffs aufweist.
Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (5, 6), insbesondere Außengehäuse oder Innengehäuse, den Kernstromkanal (10) und/oder einen Nebenstromkanal (20) radial außen umgibt, und dass das Wassersystem (30) zumindest zum Teil in und/oder an dem Gehäuse (5) angeordnet ist.
Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassersystem (30) zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung (31) und einen, insbesondere als Kondensator ausgebildeten, Wärmetauscher (21) zur Kühlung des Abgases, mittels eines relativ zum Abgas eine niedrigere Temperatur aufweisenden und/oder eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Kühlfluids, umfasst.
Antriebssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (21) mindestens ein Kondensatormodul (23) umfasst, und/oder die Wasserabscheideeinrichtung (31) in dem Gehäuse (5) angeordnet ist, und/oder dass das mindestens eine Kondensatormodul (23) in dem Nebenstromkanal (20) angeordnet ist und Abgaskanäle (26) aufweist, die ein Abgas aus dem Hauptstromkanal (10) vorwiegend nach radial außen durch den Nebenstromkanal (20) insbesondere in das Gehäuse (5, 6) leiten.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Wassersystem (20) einen, insbesondere als Kondensator (21) ausgebildeten, Wärmetauscher (21) mit einem Hochtemperaturgitter (300) zur Führung eines Heißfluids, insbesondere eines Abgases der Gasturbine (2), und mit einem Niedertemperaturgitter (200) zur Führung eines Kühlfluids, insbesondere eines Luftstroms aus einem Nebenstromkanal (20), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem von dem Kühlfluid durchströmten ersten Niedertemperaturkanal (201) des Niedertemperaturgitters (200) ein Diffusorbereich (204) zur Verzögerung des Kühlfluids angeordnet ist, und dass der Diffusorbereich (204) und ein von dem Heißfluid durchströmter erster Hochtemperaturkanal (301) des Hochtemperaturgitters (300) zumindest eine gemeinsame Wand (400) zur Wärmeübertragung aufweisen.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Antriebssystem ein Dampfsystem (40) zur Erzeugung von Dampf aus dem bereitgestellten Wasser aus dem Wassersystem (30) aufweist, wobei der Dampf dem Arbeitsgas zugeführt wird und/oder zur Kühlung von Bauteilen verwendet wird.
Antriebssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb mittels des Dampfsystems (40) ein Anteil von 5-40 Massen%, vorzugsweise 15-35 Massen% Wasser im Arbeitsgas einstellbar ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Reiseflug mittels des Dampfsystems (40) ein Anteil von 10-30 Massen%, vorzugsweise 15-25 Massen% Wasser im Arbeitsgas einstellbar ist.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wassersystem (30) und/oder das Dampfsystem (40) zumindest zum Teil, vorzugsweise zum überwiegenden Teil in und/oder in radialer Richtung (R) innerhalb des Gehäuses (5, 6), insbesondere des Außengehäuses (5) angeordnet sind.
Antriebssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 16, mit einem das Wassersystem (30) und das Dampfsystem (40) durchlaufenden Abgaskanal (17), der mit einem Abgas aus dem Hauptstromkanal (10) der Gasturbine (2) durchströmbar ist, wobei das Dampfsystem (40) einen Dampferzeuger (41) und das Wassersystem (30) einen Kondensator (21) zur Kühlung einer den Abgaskanal (17) durchströmenden Abgasströmung (G) aufweisen, wobei der Kondensator (21) bezogen auf eine Richtung der Abgasströmung (G) dem Dampferzeuger (41) nachgelagert angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dampferzeuger (41) und dem Kondensator (21) eine Zuführeinrichtung (39a) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, zum Kühlen der Abgasströmung (G) Wasser (39b) in die Abgasströmung (G) einzubringen.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels des Dampfs des Dampfsystems (40) betreibbare Dampfturbine (46) vorgesehen ist, die insbesondere konzentrisch zu einer Antriebswelle (9, 9') angeordnet ist und ihre mechanische Leistung, insbesondere über ein Dampfturbinengetriebe (47), an die Antriebswelle (9) speist.
Luftfahrzeug, insbesondere Flächenflugzeug, mit mindestens einem Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren (500) zum Betreiben eines Antriebssystems (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18, für ein Luftfahrzeug mit von einer Gasströmung (G) in einem Hauptstromkanal (10) einer Gasturbine (2) durchströmten Verdichter (12), Brennkammer (13), Turbine (14, 15) und einem der Turbine (14, 15) nachgelagerten Dampferzeuger (41), wobei der Dampferzeuger (41) aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung (G) einen Dampf erzeugt, welcher der Gasströmung (G) zum Verbrennen mit Brennstoff der Brennkammer (13) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung (G) beim Austreten aus der Turbine (14, 15), insbesondere beim Austreten aus einer Niederdruckturbine (15), eine Temperatur (T₁) zwischen 700 und 980 K, insbesondere zwischen 800 und 980 K, aufweist, um die Energie zum Erzeugen des Dampfs bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Gasströmung (G) beim Austreten aus der Brennkammer (13) eine Temperatur (T₄) zwischen 1600K und 1750K, insbesondere zwischen 1650 und 1750 K aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Gasströmung (G) beim Austreten aus dem Dampferzeuger (41) eine Temperatur (T₂) zwischen 400 und 480 K aufweist.
Verfahren (500) nach einem Ansprüche 20 bis 22, wobei der Dampferzeuger (41) den Dampf auf eine Temperatur (T₃) zwischen 600 und 900 K, insbesondere zwischen 700K und 740K erhitzt.