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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine mit einem Hauptstromkanal, einem Nebenstromkanal, einem Wassersystem und einem Dampfsystem. Das Wassersystem umfasst zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung und einen Kondensator mit mindestens einem Kondensatormodul, wobei die Gasturbine ein Außengehäuse aufweist, das den Nebenstromkanal außen begrenzt. Der Wasserabscheideeinrichtung gewonnene Wasser wird dem Dampfsystem zugeführt. Das Wasser wird in dem Dampfsystem in einem Dampferzeuger durch Abgaswärme verdampft mit der verdichteten Luft in die Brennkammer geleitet, wodurch der Massestrom und spezifische Leistung erhöht wird und eine Reduktion des Stickoxidanteils im Abgas bewirkt.
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Aus
WO2020/187345A1 ist ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug bekannt, das aufgrund seiner Konzeption das Potential zur Reduzierung von umwelt- bzw. klimaschädlichen Emissionen aufweist. Das Antriebssystem vereint ein Gasturbinensystem mit einem Wassersystem und einem Dampfsystem in einer Maschine. In einem stromabwärts der Turbine angeordneten Dampferzeuger wird mittels Wärmeabgabe aus dem Abgas Dampf erzeugt, der dann im Bereich der Brennkammer der Maschine zugeführt wird. Nach dem Durchströmen des Dampferzeugers durchläuft das feuchte Abgas noch weitere Komponenten, die dazu dienen, das Wasser aus dem Abgas durch Abkühlung abzuscheiden. Es handelt sich dabei um einen Kondensator und einer Wasserabscheideeinrichtung, die flugzeugseitig am Rumpf und im Flügel angeordnet sind.
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Mit der
WO2022/028653A1 ist ein weiteres Antriebssystem für ein Luftfahrzeug bekannt, das eine Weiterentwicklung des in
WO2020/187345A1 beschrieben Systems darstellt. Abgaskanäle des Kondensators verlaufen dabei in Umfangsrichtung, um so den Kondensator innerhalb der Triebwerksgondel unterbringen zu können. Weiterhin ist eine Dampfturbine mit zusätzlichem Verdichter zur zusätzlichen Verdichtung des Kernstroms auf einer exzentrisch zu der Antriebswelle angeordneten dritten Welle vorgesehen. Der Kernstrom und der Dampf aus der Dampfturbine werden dann in einer Mischkammer vor der Brennkammer gemischt und in die Brennkammer eingespeist.
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In bisherigen Designkonzepten wird die zur Kühlung des Kondensators notwendige Luftmenge hinter dem Fan aus dem Bypassstrom entnommen. Nachteilig ist hier die Aufheizung der Kühlluft durch den Druckaufbau über den Fan. So muss ein relativ große Wärmetauscher installiert werden um die Taupunktstemperatur zu erreichen. Entsprechend ergeben sich hohe Gewichte, sowie große Verluste durch die Einbauten im Nebenstrom des Triebwerks.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug anzugeben, dessen Wasser- und Dampfsystem stärker in die Gasturbine integriert ist.
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Diese Aufgabe wird von einem Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem für ein Luftfahrzeug umfasst eine Gasturbine mit einem Hauptstromkanal und einem Nebenstromkanal, wobei die Gasturbine ein Außengehäuse aufweist, das den Nebenstromkanal außen umgibt. Der Kernabgasstrom der Gasturbine wird dabei radial nach außen und zumindest abschnittsweise durch einen Abgaskanal durch das Außengehäuse hindurch oder an dem Außengehäuse entlang geführt wird. Diese spezielle Führung des Kernabgasstromes ermöglicht es, innerhalb der Triebwerksgondel eine große Abgasführungsstrecke zurückzulegen und somit verschiedene Wasserrückgewinnungsmodule integrieren zu können, wie z.B. Wärmetauscher, Abscheider etc.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einer Gasturbine in einem Meridianschnitt
- 2 zeigt die detaillierte Ansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems der 1
- 3 zeigt die detaillierte Ansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems in einem Meridianschnitt
- 4 zeigt die detaillierte Ansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems
- 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einer Gasturbine in einem Meridianschnitt
- 6 zeigt eine Außenansicht einer Gasturbine nach einem Ausführungsbeispiel
- 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einer Gasturbine in einem Meridianschnitt
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Anhand der Figuren wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystem beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform, dargestellt in den 1 bis 4, das Antriebssystem 1 eine Gasturbine 2 umfasst und ist über einen Pylon 3 mit einem Flügel eines Luftfahrzeugs verbunden. Die Gasturbine 2 weist einen Einlass auf, der in axialen Richtung der Gasturbine vorne in einem Außengehäuse, der sogenannten Cowling angeordnet ist, auf. Die Gasturbine weist innen ein Innengehäuse auf, das auch als Kerngehäuse bezeichnet werden kann. Hinter dem Einlass ist ein Fan 8 angeordnet, der von einer in dem Innengehäuse gelagerten Antriebswelle der Gasturbine angetrieben wird, Luft ansaugt und den Luftgesamtstrom in einen Kernstromkanal 10 und einen Nebenstromkanal 20 der Gasturbine fördert. Der Fan ist mit einem ebenfalls in dem Innengehäuse 5 angeordneten Getriebe mit der Antriebswelle gekoppelt.
Das Nebenstromgehäuse umgibt den Nebenstromkanal 20 außen und begrenzt ihn, während das Innengehäuse eine Innenkanalwand für den Nebenstromkanal bildet und diesen so innen begrenzt. Das Abgas aus dem Kernstromkanal wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht direkt ausgestoßen, sondern in einem Wasserrückgewinnungs- und Dampfsystem 30 nachbehandelt. Das Wasserrückgewinnungssystem 30 und das Dampfsystem 31 sind in der Gasturbine angeordnet. Das Wasserrückgewinnungssystem gewinnt Wasser aus dem Abgas des Kernstroms und speist das Dampfsystem mit Wasser. Zusätzlich ist zumindest ein Wassertank zur Versorgung des Dampfsystems mit Wasser vorgesehen. Das Wasserrückgewinnungssystem hat zumindest einen Wärmetauscher, der Kondensator 21 genannt wird sowie eine Wasserabscheideeinrichtung 35 zum Abscheiden von kondensierten Wassertröpfchen aus dem abgekühlten Abgasstrom. Das Dampfsystem verdampft das Wasser und führt dann dem Kernstrom bevorzugt in der Brennkammer heißen Dampf zu, um dessen Massenstrom und damit die spezifische Leistung der Gasturbine zu erhöhen. Hierzu hat das Dampfsystem zumindest einen Wärmetauscher, der bevorzugt direkt hinter der Niederdruckturbine im Abgasstrom platziert ist und mittels einer Pumpe mit Wasser gespeist wird. Der Kernstromkanal weist in Strömungsrichtung einen Verdichter 11, eine dem Verdichter nachgeschaltete Mischkammer zur Mischung der verdichteten Luft und eines heißen Dampfes, eine daran anschließende Brennkammer 12, die dem Luft-Dampf-Gemisch einen Brennstoff zuführt und zu einem Abgas verbrennt, eine Hochdruckturbine 13 und eine Niederdruckturbine 14 auf, die das Abgas entspannen und mechanische Leistung zum Antrieb bereitstellen, und es schließlich in ein Turbinenaustrittsgehäuse 15 weiterleiten.
Der Kondensator 21 ist in diesem Konzept flüssiggekühlt. Aus diesem Grund ist zumindest ein zusätzlicher Wärmetauscher 33 zum Abkühlen des Kühlmediums vorgesehen. Kühlmedium kann z.B. EWG oder Wasser sein. Es wird ein zusätzlicher Stauluftkanal radial außerhalb des Bypass- bzw. Nebenstromkanals in der Nacelle vorgesehen. In diesem zusätzlichen Kanal oder Ringraum ist der Wärmetauscher 33 bzw. die Wärmetauschergruppe zum Abkühlen des Kühlmediums platziert und wird grundsätzlich mit Ram-Air betrieben. Der Wärmetauscher 33 kann z.B. in V-Konfiguration angeordnet sein. Eine verstellbare Klappe 34 stromab des Wärmetauschers 33 zwischen Bypass- und Stauluftkanal 37 lässt sich öffnen, um mittels Ejektor-Effekts eine Verstärkung der Strömung im Wärmetauscherkanal zu erzielen (Klappe kann auch stromauf des Wärmetauschers platziert sein und so den Druck erhöhen). Dies ermöglicht eine höhere Anströmung des Wärmetauschers 33, wenn benötigt. Das Kühlmedium kann z.B: über die Statoren im Nebenstromkanal vom Wärmetauscher 33 im Stauluftkanal 37 nach radial innen geleitet und dann dem Kondensator zugeführt werden. Eine andere Alternative wäre die Führung des Kühlmediums über den Triebwerks-Pylon. Wasserabscheider können als Zyklonabscheider ausgeführt sein, und den Kernstrom dann über konventionelle Exhaust-Nozzle mit zentralem Konus austreten lassen.
Grundsätzlich sind das Wassersystem und das Dampfsystem in dieser Konfiguration in einer Art verlängerten, zigarrenförmigen Turbine Exit Case untergebracht. Dies hat den Vorteil, dass die Nacelle vorne auf eine mit einem konventionellen Triebwerk vergleichbare Länge gebracht werden kann, was Vorteile mit Bezug auf die Integration am Luftfahrzeug und die Anströmbedingungen des Flügels hat. Die Wasserabscheidung ist hier als Zyklonabscheider am Ende des zigarrenförmigen Turbine Exit Cases ausgeführt. Das Abgekühlte Abgas wird erst mit Drall versetzt, um auskondensierte Wassertröpfchen nach außen zu tragen, wo sie abgesaugt oder -geschöpft werden. Anschließend wird der Abgasstrom wieder gerade gerichtet und tritt aus dem Gehäuse aus. Die Wasserabscheidung erfolgt in einer oder mehrerer Ringspalt Düsen 36, damit die radiale Distanz, welche die Wassertropfen zurücklegen müssen, klein gehalten werden kann.
Somit wird weniger Drall benötigt, was wiederum die Druckverluste durch die Drallgeber in der Wasserabscheidung reduziert.
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In einer weiteren Ausführungsform, dargestellt in den 5 und 6, das Antriebssystem 1 eine Gasturbine 2 umfasst und ist z.B. über einen Pylon mit einem Flügel eines Luftfahrzeugs verbunden. Die Gasturbine 2 weist einen Einlass auf, der in axialer Richtung der Gasturbine vorne in einem Außengehäuse, der sogenannten Nacelle oder Cowling angeordnet ist, auf. Die Gasturbine weist innen ein Innengehäuse auf, das auch als Kerngehäuse bezeichnet werden kann. Hinter dem Einlass ist ein Fan 7 angeordnet, der von einer in dem Innengehäuse gelagerten Antriebswelle 8 der Gasturbine angetrieben wird, Luft ansaugt und den Luftgesamtstrom in einen Kernstromkanal 10 und einen Nebenstromkanal 20 der Gasturbine fördert. Der Fan ist mit einem ebenfalls in dem Innengehäuse 5 angeordneten Getriebe mit der Antriebswelle gekoppelt. Das Nebenstromgehäuse umgibt den Nebenstromkanal 20 außen und begrenzt ihn, während das Innengehäuse eine Innenkanalwand für den Nebenstromkanal bildet und diesen so innen begrenzt.
Das Abgas aus dem Kernstromkanal wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht direkt ausgestoßen, sondern in einem Wasserrückgewinnungssystem 30 und Dampfsystem 31 nachbehandelt. Das Wasserrückgewinnungssystem und das Dampfsystem sind in der Gasturbine angeordnet. Das Wasserrückgewinnungssystem gewinnt Wasser aus dem Abgas des Kernstroms und speist das Dampfsystem mit Wasser.
Zusätzlich ist zumindest ein Wassertank zur Versorgung des Dampfsystems mit Wasser vorgesehen. Das Wasserrückgewinnungssystem 30 und das Dampfsystem hat zumindest einen Wärmetauscher 21, der Kondensator genannt wird, sowie eine Wasserabscheideeinrichtung 35 zum Abscheiden von kondensierten Wassertröpfchen aus dem abgekühlten Abgasstrom. Das Dampfsystem verdampft das Wasser und führt dann dem Kernstrom bevorzugt in der Brennkammer heißen Dampf zu, um dessen Massenstrom und damit die spezifische Leistung der Gasturbine zu erhöhen. Hierzu hat das Dampfsystem zumindest einen Wärmetauscher, der bevorzugt direkt hinter der Niederdruckturbine im Abgasstrom platziert ist und mittels einer Pumpe mit Wasser gespeist wird.
Der Kernstromkanal weist in Strömungsrichtung einen Verdichter 11, eine dem Verdichter nachgeschaltete Mischkammer zur Mischung der verdichteten Luft und eines heißen Dampfes, eine daran anschließende Brennkammer 12, die dem Luft-Dampf-Gemisch einen Brennstoff zuführt und zu einem Abgas verbrennt, eine Hochdruckturbine 13 und eine Niederdruckturbine 14 auf, die das Abgas entspannen und mechanische Leistung zum Antrieb bereitstellen, und es schließlich in ein Turbinenaustrittsgehäuse 15 weiterleiten. Hinter und unter dem Turbinenaustrittsgehäuse ist in dieser Ausführungsform ein Gehäuse für das Wasserrückgewinnungssystem 30, und das Dampfsystem 31 angeordnet.
Die Wasserabscheidung 35 kann z.B. als Zyklonabscheider vorgesehen sein. Von dort wird abgeschiedenes Wasser mit einer Pumpe dem Verdampfer 32 zugeführt. Das Wasserrückgewinnungssystem 30 und das Dampfsystem 31 sind in dieser Ausführungsform jeweils in mehrere Teilwärmetauscher aufgeteilt. Dabei können beide Systeme jeweils in Reihe und/oder parallel geschaltete Wärmetauscher aufweisen. Bevorzugt kann eine Gruppe von Wärmetauschern des Wasserrückgewinnungssystems 30 axial weiter vorne positioniert sein als eine zweite Gruppe von Wärmetauschern des Wasserrückgewinngungssystems 30. Bevorzugt kann eine Gruppe von Wärmetauschern des Dampfsystems 31 axial weiter vorne positioniert sein als eine zweite Gruppe von Wärmetauschern des Dampfsystems 31. Eine Gruppe von Wärmetauschern des Dampfsystems 30 kann bevorzugt sich axial mit einer Gruppe von Wärmetauschern des Wasserrückgewinnungssystems 30 überlappen.
Bevorzugt können sich auch eine Gruppe von Wärmetauschern des Dampfsystems 31 mit einer weiteren Gruppe von Wärmetauschern des Dampfsystems 31 axial überlappen, welche die erste Gruppe radial außenliegend umgibt. Der Mantelstrom wird in dieser Ausführungsform zweigeteilt, wobei hier der äußere Strom direkt austritt und der innere Teilstrom zum kühlen der Kondensatormodule verwendet wird. Hierzu ist der Kanal, der den Kondensator anströmt als Diffusor ausgebildet. Dieser Diffusor oder diese Konfiguration ermöglich ein Diffusionsverhältnis von 2,1. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit auf circa M0,3 verzögert werden, bevor sie in den Wärmetauschern noch weiter verzögert wird.
Es ist optional wenigstens ein zusätzlicher Stauluftkanal 37 außerhalb des Bypass- bzw. Nebenstromkanals in der Nacelle vorgesehen. Die Luft aus dem Stauluftkanal 37 kann einem Abschnitt 21.1 des Kondensators zusätzliche Kühlluft zuführen. Die Stauluft ist dabei kühler als Fanluft, da sie weniger verdichtet ist und erreicht somit ein höheres ΔT. Der Luftstrom im Kondensator kann deshalb bevorzugt so eingerichtet sein, dass die noch Wärmere Luft aus dem Verdampfer kommend zunächst in einem von Fanluft gekühlten Abschnitt geleitet wird und anschließend, nachdem der Abgasstrom bereits gekühlt worden ist, in einen mit kühlerer Stauluft gekühlten Abschnitt strömt. Der Kondensator kann hierbei entweder ein großer Wärmetauscher mit verschiedenen Abschnitten oder eine Gruppe von parallel und/oder in Reihe geschalteten Wärmetauschern sein. Dies ermöglicht eine kompakte Verdampferintegration um den Engine-Core.
In einer Ausführungsform kann zumindest eine Gruppe von Wärmetauschern flüssiggekühlt sein. Hierbei ist die modulare Ausführungsform vorteilhaft, falls in einem der Kühlflüssigkeitskreisläufe ein Leck auftritt. Bei einer solchen Ausführungsform können die flüssiggekühlten Wärmetauscher so ausgebildet sein, dass die einzelnen Kühlkreislaufe z.B. mittels einem Ventil im Falle eines Lecks abschaltbar sind.
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In einer weiteren Ausführungsform, die in der 7 dargestellt ist, das Antriebssystem 1 umfasst eine Gasturbine 2 und ist z.B. über einen Pylon mit einem Flügel eines Luftfahrzeugs verbunden. Die Gasturbine 2 weist einen Einlass auf, der in axialer Richtung der Gasturbine vorne in einem Außengehäuse, der sogenannten Nacelle oder Cowling angeordnet ist, auf. Die Gasturbine weist innen ein Innengehäuse auf, das auch als Kerngehäuse bezeichnet werden kann. Hinter dem Einlass ist ein Fan 7 angeordnet, der von einer in dem Innengehäuse gelagerten Antriebswelle der Gasturbine angetrieben wird, Luft ansaugt und den Luftgesamtstrom in einen Kernstromkanal und einen Nebenstromkanal der Gasturbine fördert. Der Fan ist mit einem ebenfalls in dem Innengehäuse angeordneten Getriebe mit der Antriebswelle gekoppelt. Das Nebenstromgehäuse umgibt den Nebenstromkanal außen und begrenzt ihn, während das Innengehäuse eine Innenkanalwand für den Nebenstromkanal bildet und diesen so innen begrenzt. Das Abgas aus dem Kernstromkanal wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht direkt ausgestoßen, sondern in einem Wasserrückgewinnungssystem 30 und Dampfsystem 31 nachbehandelt. Das Wasserrückgewinnungssystem und das Dampfsystem sind in der Gasturbine angeordnet. Das Wasserrückgewinnungssystem gewinnt Wasser aus dem Abgas des Kernstroms und speist das Dampfsystem mit Wasser. Zusätzlich ist zumindest ein Wassertank zur Versorgung des Dampfsystems mit Wasser vorgesehen. Das Wasserrückgewinnungssystem hat zumindest einen Wärmetauscher, der Kondensator 21 genannt wird sowie eine Wasserabscheideeinrichtung 35 zum Abscheiden von kondensierten Wassertröpfchen aus dem abgekühlten Abgasstrom. Das Dampfsystem verdampft das Wasser und führt dann dem Kernstrom bevorzugt in der Brennkammer heißen Dampf zu, um dessen Massenstrom und damit die spezifische Leistung der Gasturbine zu erhöhen. Hierzu hat das Dampfsystem zumindest einen Wärmetauscher.
Für die Verbesserung der Kraftstoffeffizient ist es notwendig die Wärmetauscher möglichst vorteilhaft in das Gesamttriebwerk zu integrieren. Dies trifft insbesondere auf den Kondensator zu. Im Kondensator wird das Abgas des Kerntriebwerks soweit abgekühlt, dass das darin enthaltene dampfförmige Wasser kondensiert und in der nachfolgenden Wasserückgewinnungseinheit abgeschieden werden kann. Dieses Wasser wird anschließend durch einen Verdampfer geleitet, welcher sich hinter der Niederdruckturbine im Abgasstrahl befindet. So wird Abgasenergie ins System zurückgeführt. Der Dampf wird dann in der Brennkammer eingebracht um dort die spezifische Leistung des Kreisprozesses zu erhöhen und gleichzeitig die Abgaswärme wieder zurück in den Gasturbinenkreislauf zu bringen.
In dieser Ausführungsform Kondensator in zwei Stufen aufgeteilt wird. Erste Stufe befindet sich im Bypassstrom hinter dem Fan und reduziert die Abgastemperatur in einem ersten Schritt. Jedoch wird das zur Kondensation notwendige Temperaturniveau noch nicht erreicht. Um dies zu ermöglichen müsste eine sehr große Kondensatorfläche im Bypassstrom realisiert werden, da die Temperaturdifferenz sehr hier durch die Aufheizung durch den Druckaufbau im Fan sehr gering ausfällt. Statt dessen wird der äußere Teil des Wärmetauschers als RAMAIR-Kondensator realisiert. Hier steht jetzt die kältere Stauluft zur Kühlung Verfügung um das restliche Temperaturdifferenz bis zum Taupunkt abzubauen. Durch die geschickte Aufteilung der Temperaturdifferenz auf zwei Wärmetauscherstufen kann in Summe ein kleinerer, leichterer Wärmetauscher realisiert werden als. Gleichzeitig ermöglicht der schalenförmige Aufbau die Integration der notwendigen Diffusoren vor den Kondensatoren ohne zusätzliche axiale Baulänge in Verbindung mit geringen Druckverlusten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebssystem
- 2
- Gasturbine
- 3
- Pylon
- 4
- Außengehäuse der Gasturbine
- 5
- Innengehäuse der Gasturbine
- 6
- Einlauf
- 7
- Fan
- 20
- Nebenstromkanal (Bypass)
- 21
- Kondensator
- 22
- Abgaskanal
- 30
- Wasserrückgewinnungssystem
- 31
- Dampfsystem
- 32
- Verdampfer
- 33
- Wärmetauscher
- 34
- verstellbare Klappe
- 35
- Wasserabscheideeinrichtung
- 36
- Ringspalt Düsen
- 37
- Stauluftkanal
- 38
- Innerer Wärmetauscher
- 39
- Äußerer Wärmetauscher
- 40
- Innerer Diffusor
- 41
- Äußerer Diffusor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020187345 A1 [0002, 0003]
- WO 2022028653 A1 [0003]
