DE2413507A1

DE2413507A1 - Gasturbine fuer kryogenen kraftstoff

Info

Publication number: DE2413507A1
Application number: DE2413507A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Hagen
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1974-03-20
Filing date: 1974-03-20
Publication date: 1975-10-02
Also published as: FR2264973B3; US4062184A; FR2264973A1; GB1499205A

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den I9. März

Gasturbine für kryogenen Kraftstoff

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine für den Betrieb mit Wasserstoff.

Es ist bekannt, Wasserstoff als Brennstoff für Gasturbinen zu verwenden. Insbesondere bei dessen Verwendung in Gasturbinen für den Plugzeugantrieb ist es notwendig, den im Tank mitzuführenden Wasserstoff in flüssiger Form bei sehr niedriger Temperatur (-252 C) einzubringen, und ihn dann mittels sehr guter Wärmeisolierung ständig bei dieser niedrigen Temperatur zu halten, um mit einem kleinen Tankvolumen bei Normaldruck und damit mit geringem Gewicht auszukommen.

Bevor der Wasserstoff der Brennkammer eines Triebwerke zugeführt wird, muß er verdampft und zweckmäSigerweise auf eine Temperatur erwärmt werden, die über der Umgebungstemperatur liegt. Hierzu ist bereits vorgeschlagen worden, den flüssigen Wasserstoff zur Kühlung von Schmierstoff und/oder heißen Bauteilen heranzuziehen. Zur Verdampfung und Erwärmung wird eine Wärmemenge gebraucht, die

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vielfach größer ist als die zur ölkühlung benötigte. Andererseits ist die Bauteilkühlung mit Wasserstoff konstruktiv schwierig. Eine Verdampfung mit Hilfe von Heißgasen in Wärmetauschern wäre zwar möglich, aber unwirtschaftlich und gefährlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den zur Verbrennung in der Brennkammer benötigten Wasserstoff auf einfache Weise zu verdampfen, dabei den Arbeltsprozeß der Gasturbine zu verbessern und die Betriebssicherheit möglichst noch zu erhöhen (ohne die Betriebssicherheit zu beeinträchtigen).

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die der Brennkammer zuzuführende Wasserstoffmenge im kryogenen Zustand ganz der teilweise im Bereich des Verdichtereintritts bzw. nach wenigen Axialverdichterstufen einzuführen. Hierdurch wird die zu verdichtende Luft stark abgekühlt, wodurch die spezifische Verdi ohtungsarbeit verringert und die Verdichteraustrittstemperatur ebenfalle vermindert wird. Dies ermöglicht bei konstantgehaltener Turbineneintrittstemperatur eine größere Temperaturdifferenz zwischen Verdichteraustritts- und Turbineneintrittstemperatur oder bei gleicher Erhitzung eine Senkung der Turbineneintrittstemperatur, wobei der thermische Wirkungsgrad und die spezifische Leistung steigen. Durch die Verwirbelung im Verdichter wird zusätzlich eine verbesserte Gemischaufbereitung noch vor der Brennkammer erzielt, wobei wegen der im Vergleich zur Flammenfortpflanzungsgesohwindigkeit sehr hohen Luftgeschwindigkeit ein Zurückschlagen der Flamme in die Mischzone ausgeschlossen ist und somit keine Verminderung der Betriebssicherheit entsteht.

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Zwar ist bei Eingabe des kryogenen Wasserstoffe am vorderen Ende des Verdichters die höchste Verbesserung des Gasturbinenprozesses zu erwarten, doch soll bei Triebwerken, bei denen am Verdichtereintritt Vereisung droht, die Einspritzstelle etwas weiter stromabwärts liegen. Damit kann Vereisung der Verdichterwände und Schaufeln in den ersten Stufen verhindert werden.

Obwohl die stärkste Abkühlung beim Einführen der gesamten Wasserstoffmenge im Verdichterbereich erreicht wird, empfiehlt es sich, bei voller Leistung nur einen Teil zuzuführen und den Rest erst in der Brennkammer, damit die Zündgrenze des Wasserstoff-Luftgemisches auch unter extremen Bedingungen noch nicht erreicht wird (bei Wasserstoff etwa 4,1 Vol.Ji). Diesem ärmeren Gemisch soll der jestliche durch ölwärme und Bauteilkühlung verdampfte Wasserstoff erst nach der Verdichtung der Luft in der Brennkammer zugeführt werden« Bei Mehrstromtriebwerken mit Abzweigung von Kaltluft im Verdichter soll der flüssige Wasserstoff im Verdichter aber frühestens an einer solchen Stelle eingespritzt werden, hinter der keine Kaltluft mehr abgezweigt wird, so daß keine Gefahr besteht, daß Anteile dieses Wasserstoffs nicht in die Brennkammer gelangen und damit nutzlos vorloren gehen.

Eine weitere Verbesserung stellt die vollständige Verdampfung und Erwärmung des der Brennkammer zuzuführenden Wasserstoffs dar. Denn erstens wird dadurch die Verbrennung beschleunigt und eine kurze Brennkammer möglich und zweitens kann man hiermit mittels eines

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kleinen und einfachen Wärmetauschern eine Überhitzung von öl oder anderen Bauteilen vermeiden. Für die Freigabe der Zufuhr von Wasserstoff ist ein drehzahlabhängiges Ventil vorgesehen, das die Zufuhr erst oberhalb der Leerlaufdrehzahl freigibt. Dadurch wird verhindert, daß das Gemlsoh in niedrigem Drehzahlbereioh spontan verbrennt, was dort wegen der geringen Strömungsgeschwindigkeit und der geringen Durchsatzmenge, die zu einem reichen Gemisch führen könnte, leichter möglich wäre.

Bei Wasserstoff zufuhr in Verdichter und Brennkammer., ist die der Brennkammer zugeführte Menge in einen weiten Bereich des Mischungsverhältnisses zu regeln, während der im Verdichter eingebrachte Anteil eine vom Luftdurchsatz abhängige Grundmenge sein soll. Dadurch wird eine etwa konstante Kühlung der Verdichterluft erzielt und eine optimale Auslegung der Kühlung im Hinblick auf Vereisungs gefahr, Explosionsgefahr und Verbesserung des thermischen Wirkungs grades ermöglicht.

In der Zeichnung ist ein Ausftihrungsbeispiel dargestellt, und zwar ein ZweiStromtriebwerk 1, welches aus einem Niederdruckverdichter einer Niederdruekturbine j5, einem Gaserzeuger 4, mit Hochdruckverdichter 5$ Brennkammer 6 und Hochdruckturbine 7 besteht und aus einem wärmeisolierten Behälter für kryogenen Wasserstoff Io über eine Pumpe 1} und ein Abschaltventil 12 sowie eine Zufuhrleitung 11 und einen Kraftstoffregler 14 mit Kraftstoff versorgt wird. Die Hoch- und Niederdrucksysteme sind auf zwei getrennten

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Wellen 8, 9 angeordnet. Ein zur Triebwerksausrüstung gehörender öltank 24 liefert über eine Pumpe 25 heißes öl an einen Wärmetauscher 21, in dem ein Teil des Wasserstoffs verdampft wird· Der für den Kraftstoffregler und die Puape notwendige mechanische Antrieb kann Über einen Geräteträger 2o von einer rotierenden Triebwerkswelle mittels Zahnrädern 19 entnommen werden. Die Zufuhr des flüssigen Wasserstoffs in den Verdichter läuft vom Kraftstoff-regler über die erste Leitung 15, ein Sicherheitsorgan 16 zum Abschalten der Wasserstoffzufuhr bei einer Drehzahl die im Bereich des Leerlaufs liegt, eine zum Verteilen auf mehrere am Umfang angeordnete Verdichtereinspritzdüsen 18 dienende erste Ringleitung 17 zu einer Einspritzstelle vor dem Hochdruckverdichter 5· Wenn an dieser Stelle das Auftreten von Vereisung befürchtet würde, könnte die Einspritzstelle auch eine oder mehrere Verdichterstufen stromabwärts liegen. Die Zufuhr des restlichen Wasserstoffs in die Brennkammer läuft vom Kraftstoffregler über den Ölkühler/Wärmetäuscher, wo der noch flüssige Wasserstoff verdampft wird. Auch zur Kühlung anderer heißer Bauteile könnte er noch herangezogen werden. Der weitere Weg des nunmehr verdampften und erwärmten Wasserstoffs geht über eine zweite Ringleitung 22 zu den Brennkanmerdüsen 25.

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Claims

s z/fr

HOTOREN- UND TUBBIMEfl-üNlON 2413507

MÜNCHEN GMBH. /

München, den 19. März 1974

Patentansprüche

1i\ Gasturbine für den Betrieb mit Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die der Brennkammer (6) zuzuführende Wasserstoff menge ganz oder teilweise im Bereich des Verdichters (5) in kryogenem Zustand zugeführt wird.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzstelle einige Stufen stromabwärts vom eintrittsseitigen Ende des Verdichters liegt.
3. Gasturbine nach Anepruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß nur ein Teil des Wasserstoffes im Verdichterbereich eingespritzt und der Best in der Brennkammer zugeführt wird.
4. Gasturbine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrstromtriebwerken der kryogene Wasserstoff frühestens vor derjenigen Verdichterstufe eingespritzt wird, deren Luftdurchsatz vollständig die Brennkammer durchströmt.

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5. Gasturbine nach Anspruch 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß der den Brennkammern zugeführte Wasserstoff durch Wärme aus heißem öl oder heißen Bauteilen verdampft wird.
6. Gasturbine nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß im Verdichterbereich Wasserstoff erst oberhalb der Leerlaufdrehzahl eingespritzt wird.
7. Gasturbine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Brennkammer zugeführte Wasserstoff in einem . weiten Bereich geregelt wird, während der im Verdichter zugeführte kryogene Wasserstoff annähernd eine vom Luftdurchsatz abhängige konstante Grundmenge sein soll.

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