DE3110179A1

DE3110179A1 - "energierueckgewinnungseinrichtung und -verfahren zum verbessern des kraftstoffwirkungsgrades eines gasturbinentriebwerks"

Info

Publication number: DE3110179A1
Application number: DE19813110179
Authority: DE
Inventors: George Albert West Chester Ohio Coffinberry
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-03-20
Filing date: 1981-03-17
Publication date: 1981-12-24
Also published as: FR2478742B1; GB2072268B; US4404793A; JPS56154130A; IT8120586A0; FR2478742A1; GB2072268A; IT1139325B

Description

Vi

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und Techniken zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Gasturbinentrieb-. werks, und zwar insbesondere eine solche Einrichtung und solche Techniken, mit denen pneumatische Wärmeenergie von dem Triebwerk zurückgewonnen und diese zurückgewonnene Energie zum Erhitzen des Triebwerksbrennstoffs benutzt wird.

Moderne konventionelle Gasturbinentriebwerke, wie beispielsweise das in Figur 1 dargestellte und allgemein mit 10 bezeichnete Turbinentriebwerk, weisen unter anderem einen mittels eines BrennstoffSteuerventils 12 gesteuerten Brennstoffstrom auf. Das Triebwerk 10 ist mit verschiedenen Triebwerksausströmungsstellen versehen, die in Figur 1 schematisch durch Pfeile A, B dargestellt sind. Die Triebwerksausströmung eines konventionellen Triebwerks umfaßt verschiedene Stellen, an denen durch das Triebwerk entwickelte pneumatische Energie für verschiedene Zwek-

ke abgezapft oder entnommen wird. In Figur 1 stellt die Ausströmung A Gebläseluft dar; die Ausströmung B₁ stellt mittelstufige Kompressorluft dar; und die Ausströmung B₂ repräsentiert Kompressoraustrittsluft. Typische Reiseflugtemperatur- und -druckkenndaten solcher Gasturbinentriebwerke zur Anwendung bei Flugzeugen sind: A = 27,2 °C (81⁰F), 0,5 bar abs. (8 psia); B₁ = 313,3 ⁰C (596°F) , 3,9 bar abs. (57 psia); und B₂ = 508,8 ⁰C (948°F), 12,2 bar abs. (178 psia).

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Verschieden Ausströmungsleitungen können für Triebwerkskühlzwekke angewandt werden. Solche Triebwerksausströmungsluft wird oft in Unterstützungs- bzw. Hilfssystemen verwendet, wie sie in konventionellen Flugzeugen erforderlich sind. Beispielsweise können solche Unterstützungs- bzw. Hilfssysteme ein Luftzufuhrsystem umfassen, das Flugwerks-Vereisungsschutzluft, Triebwerksverkleidungs-Vereisungsschutzluft und Kabinenumgebungssteuersystemluft bzw. ECS-Luft liefert. Dieses Luftzufuhrsystem muß allgemein Luft innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs abgeben, beispielsweise 218 °C (425°F) bei Vereisungsschutz und 176 ⁰C

(35O°F) ohne Vereisungsschutz. Um diese Temperatur aufrechtzuerhalten, wird gemäß einer Technik Triebwerksgebläseluft (Ausströmung A) in einen Luft-zu-Luft-Wärmeaustauscher ausströmen gelassen. Kompressorluft (Ausströmung B) wird auch entnommen und durch den Luft-zu-Luft-Wärmeaustauscher hindurchgeführt sowie mittels der Gebläseluft auf die angemessene Temperatur gekühlt. Die Gebläseluft wird typischerweise als nutzlos von Bord abgeblasen. Diese Art des Systems ist insofern unerwünscht, als sie zu einer Verminderung des Triebwerksbrennstoffwirkunsgrades führt, und zwar aufgrund von nichtwiedergewonnener Wärmeenergie von der Kompressorentnahmeluft wie auch aufgrund des Verlusts von Triebwerksgebläseluft, die sonst als Triebwerksschub verfügbar wäre.

Weiter ist es an sich bekannt, daß die Verfügbarkeit von Gasturbinenbrennstoff auf ein schmales Spektrum des Destillats von bereits knappem Erdölrohdestillat beschränkt ist. Infolgedessen wäre es wünschenswert, ein Gasturbinentriebwerk zur Verfügung zu haben, das leistungsfähig innerhalb eines breiteren Spektrums von Brennstoffdestillaten betrieben werden kann. Eine Schwierigkeit, die im Zusammenhang mit solchen Brennstoffen eines "weiten Spektrums" auftritt, besteht darin, daß solche Brennstoffe einen relativ höheren Gefrierpunkt haben, so daß sie einige Einrichtungen für die Brennstofftankerwärmung erfordern.

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In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Energierückgewinnungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk zur Verfügung gestellt, das eine Einrichtung zum Zuführen eines Brennstoffflusses zu dem Triebwerk umfaßt und wenigstens ein Unterstützungs- bzw. Ililfssystem aufweist, in dem ein Teil der pneumatischen Energie, welche in dem Triebwerk hervorgebracht worden ist, für das Unterstützungs- bzw. Hilfssystem verfügbar gemacht wird. Es ist eine Einrichtung zum Wiedergewinnen von wenigstens einem Teil der pneumatischen Wärmeenergie, die für das Unterstützungsbzw. Hilfssystem verfügbar gemacht aber nicht von diesem System verwendet worden ist, vorgesehen. Weiterhin ist eine Einrichtung zum Verwenden von wenigstens einem Teil der zurückgewonnenen Energie zum Erwärmen des Triebwerksbrennstoffs im wesentlichen unmittelbar vor dem Verbrauch des Brennstoffs durch das Triebwerk vorgesehen.

Die Erfindung sei nachfolgend anhand einiger Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine in hohem Maße vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinentriebwerks nach dem Stande der Technik, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Energierückgewinnungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die dazu verwendet wird, den Triebwerkskraftstoff unmittelbar vor dessen Verbrauch durch das Triebwerk zu heizen; und

Figur 3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Energierückgewinnungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung, in der die zurückgewonnene Energie wahlweise dazu verwendet wird, den Triebwerkskraftstoff und/oder den Kraftstoff im Kraftstofftank zu heizen.

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Eine Ausführungsform der Energierückgewinnungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die allgemein mit 20 bezeichnet ist, ist in Figur 2 gezeigt. Die Energierückgewinnungseinrichtung weist eine Kraftstoffleitung 22 auf, die Triebwerkskraftstoff von einem Kraftstofftank (nicht gezeigt) erhält. Der Kraftstoff wird mittels einer Pumpe 2 4 gepumpt, und der Fluß durch dieselbe hindurch wird durch ein Steuerventil 26 gesteuert. Die Ausgangsmenge des Steuerventils 26 stellt den gewünschten Kraftstoff strom zur Triebwerksverbrennungskammer (nicht gezeigt) dar. Am Ausgang des Steuerventils 26 befindet sich der Kraftstoff vorzugsweise im Zustand eines relativ hohen Druckes, von beispielsweise 7 bis 83 bar (100 bis 1200 psig). Der Ausgang des Steuerventils 26 ist mit einem konventionellen ersten Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Wärmeaustauscher 28 verbunden, dessen Funktion nachstehend beschrieben ist. Nach dem Durchgang durch den Wärmeaustauscher 28 wird der unter einem relativ hohen Druck stehende Kraftstoff dann einer Mehrzahl von Kraftstoffdüsen 30 zugeführt und dann der Triebwerksbrennkammer.

Es sei nun auf die Triebwerksausströmungen Bezug genommen, und zwar ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Triebwerksausströmung B₁, welche Mittelstufen-Kompressorausströmung repräsentiert, mit einer Leitung 34 verbunden. Aus Gründen, die später voll verständlich sind, weist die Leitung 34 ein Rückschlagventil 32 auf, damit eine Rückströmung von Triebwerk saus strömung B„ höheren Druckes zur Triebwerksausströmung B₁ verhindert wird. Der Ausgang des Ventils 32 führt über die Leitung 3 4 zu einem konventionellen zweiten Luft-zu-Flüssigkeit-Wärmeaustauscher 36, dessen Funktion nachstehend beschrieben ist. Die Ausgangsströmung des zweiten Wärmeaustauschers 36 wird über eine Leitung 37 zu verschiedenen Unterstützungs- bzw. Hilfssystemen geleitet. Beispielsweise kann ein Ausgang den Triebwerksluftturbinenanlasser repräsentieren. Andere verwendete unterstützungs- bzw. Hilfssysteme können einen Druckregulator 38 erfordern, damit ein angemessener Druck, beispielsweise

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3 bar (40 psig), hierfür sichergestellt wird. Ein Ausgangssignal des Druckregulators 38 kann dazu verwendet werden, ein Kompressorausgang-Abzapfventil 32'- -- -zu aktivieren, Wenn der Druck während niedriger Triebwerksleistungseinstellungen unter das angemessene Niveau, beispielsweise 3 bar (40 psig), fällt. Die Entnahmeströmung vom Druckregulator 38 kann Unterstützungs- bzw. Hilfssystemen zugeführt werden, wie es beispielsweise ein Flügelvereisungsschutzsystem ist, das mit C bezeichnet ist, sowie ein Verkleidungsvereisungsschutzsystem, das mit D bezeichnet ist. In entsprechender Weise kann die Entnahmeströmung auch dem mit E bezeichneten Flugzeugumgebungs- bzw. -innenraumsteuersystem der Art, wie es für die Kabinenluftklimatisierung verwendet wird, zugeführt werden. Wie weiter unten näher erörtert ist, kann der Ausgang des Wärmeaustauschers 36 über die Leitung 37 auch Eingänge F, G umfassen, die Ausgänge von pneumatischer Energie von anderen Einrichtungen darstellen, beispielsweise von anderen Flugzeugtriebwerken bei der Anwendung in einem Mehrtriebwerksflugzeug, oder von einer Hilfskraft- bzw. -maschineneinheit.

Typischer- bzw. vorzugsweise sind eine weitere Leitung 34' und das vorerwähnte Steuerventil 32¹ zur Aufnahme der Kompressor-"

ausgangsströmung B₂ vorgesehen. Vorzugsweise ist die

Leitung 34' so angeordnet, daß sie im Nebenstrom zum Wärmeaustauscher 36 verläuft, weil, wie weiter unten besser verständlich wird, in der Rückgewinnungseinrichtung 20 die Ausströmung B„ von relativ hohem Druck gewöhnlich nicht dazu benötigt wird, den Triebwerkskraftstoff zu heizen. Tatsächlich wird die Ausströmung B„ in der Rückgewinnungseinrichtung 20 allgemein nur bei niedrigen Leistungseinstellungen für den angemessenen Betrieb des Unterstützungs- bzw. Hilfssystems benötigt.

Der erste und zweite Wärmeaustauscher 28 bzw. 36 sind mittels einer Leitung 50 miteinander verbunden. Die Leitung 50 umfaßt eine Leitung 5OA und 5OB, die einen Weg zum Umwälzen von Wärmeübertragungsmedium 52 bilden, wie es beispielsweise eine Kombination aus Wasser und einem Vereisungsschutzmittel, wie etwa

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Propylenglykol ist. Die Leitung 5OB ist weiter so verbunden, daß sie von einem Druckspeicher 56 her unter Druck gesetzt werden kann. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, daß der Druckspeicher 56 durch die Leitung 5OC mit der Leitung 5OB verbunden ist. Der Druckspeicher 56 kann einen für ihn bestimmten Druckeingang bei 5 7 erhalten. Die Leitung 5OB umfaßt wenigstens eine konventionelle Strömungsmittelpumpe 54. Die Pumpe 54 dient dazu, das WärmeÜbertragungsmedium in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung in der Leitung 50 umzuwälzen.

Es sei nun die Betriebweise der Energierückgewinnungseinrichtung 20 der Figur 2 beschrieben. Der Druckspeicher 56 wird aktiviert, so daß er das Wärmeübertragungsmedium in der Leitung 50 unter Druck setzt. Vorzugsweise kann dieses Unterdrucksetzen im Anwendungsfalle eines Flugzeugs dadurch erzielt werden, daß beispielsweise dem Eingang 57 des Druckspeichers 56 der Mittelstufenkompressordruck (Ausströmung B₁ der Figur 1) zugeführt wird. Mit dieser Technik kann im Anwendungsfalle eines Flugzeugs die angemessene Unterdrucksetzung einfach durch den Vorgang des Startens erzielt werden, wenn der Druck der Ausströmung B₁ auf seinem höchsten Wert ist, beispielsweise auf 9,27 bar (121 psig). Weiter ist in der Leitung 5OD typischerweise ein Rückschlagventil 55 vorgesehen derart, daß dieser angemessene Druck aufrechterhalten wird.

Während des Betriebs des Triebwerks 10 der Figur 1 geht ein Kraftstofffluß vom Steuerventil 26 in der Leitung 22 durch den Wärmeaustauscher 28 hindurch und dann zu der Triebwerksverbrennungskammer (in Figur 2 nicht gezeigt), Die Pumpe 54 erzeugt die gewünschte Strömung des Wärmeübertragungsmediums 52. Während des Reiseflugs und des Betriebs des Triebwerks mit hoher Leistung wird relativ heiße Ausströmung B₁ des Triebwerks durch die Leitungen 34, 37 zu den vorher erwähnten Unterstützungsbzw. Hilfssystemen geleitet. In entsprechender Weise wird während des Betriebs des Triebwerks mit niedriger Leistung die Ausströmung B„ durch die Leitungen 34', 37 und dann zu den Un-

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terstützungs- bzw. Hilfssystemen geleitet. Jedoch ist es, wie weiter oben erwähnt, bisher gebräuchlich gewesen, allgemein jegliche Wärmeenergie zu verlieren, die für die Unterstützungsbzw. Hilfssysteme verfügbar gemacht aber von diesen nicht verwendet worden ist. In der Wärmerückgewinnungseinrichtung 20 jedoch wird die pneumatische Wärmeenergie, die sonst verlorengehen würde, in dem Wärmeaustauscher 36 dazu benutzt, das Wärmeübertragungsmedium 52 zu erhitzen, das durch den Wärmeaustauscher 36 strömt. Infolgedessen wird das Wärmeübertragungsmedium 52 durch die Leitung 5OB in den Wärmeaustauscher 36 geleitet, wo es mittels der Ausströmung B₁ erhitzt wird, und dann wird es durch die Leitung 5OA aus diesem Wärmeaustauscher abgeführt. Das nun erhitzte Wärmeübertragungsmedium 52 wird dann mittels des Wärmeaustauschers 28 dazu benutzt, den unter relativ hohem Druck stehenden Kraftstoff an einer Stelle im wesentlichen unmittelbar vor dessen Verbrauch durch das Triebwerk zu erhitzen. Mit einer Stelle im wesentlichen unmittelbar vor dem Verbrauch des Kraftstoffs durch das Triebwerk ist eine Stelle in dem Kraftstoffluß gemeint, an welcher der Kraftstoff in einem Zustand relativ hohen Druckes von 7 bis 83 bar (100 bis 1200 psig) ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Wärmerückgewinnungseinrichtung 20 der Figur 2 dazu dient, einen Teil der Energie zurückzugewinnen, die andernfalls verlorengehen würde, und diese Energie zum Heizen des Kraftstoffs unmittelbar vor dessen Verbrauch zu benutzen, so daß dadurch der Kraftstoff wirkungsgrad des Triebwerks erhöht wird.

Zur Steuerung der Temperatur der Luft und des Kraftstoffs ist es wünschenswert, gewisse Vorkehrungen für die Beschränkung der vorerwähnten Wärmeübertragung auf den Kraftstoff zu treffen. Eine solche Steuereinrichtung ist in Figur

2 gezeigt. Zum Beispiel wird der Nebenschluß 40 mittels einer Nebenschlußsteuereinrichtung 42 gesteuert, und er wirkt einfach dahingehend, daß er den Wärmeaustauscher 36 nebenschließt oder ihn teilweise nebenschließt. Die Nebenschlußsteuereinrichtung 42 kann beispielsweise auf die Temperatur des Kraft-

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Stoffs oder des Wärmeübertragungsmediums 52 ansprechen und wirken, d.h. den Nebenschluß öffnen, wenn der Kraftstoff und/ oder das Wärmeübertragungsmedium 52 ein unannehmbar hohes Temperaturniveau erreicht. Gewünschtenfalls kann die Nebenschlußsteuereinrichtung 42 auch in dem Zustand arbeiten, in dem die Triebwerksausströmungslufttemperaturen unerwünscht niedrig oder der Druckverlust durch den Wärmeaustauscher 36 unerwünscht hoch sind. Diese Art des Betriebs kann wünschenswert sein, damit eine angemessene pneumatische Energie, d.h. Temperatur und Druck, für die passenden ünterstützungs- bzw. Hilfssysteme sichergestellt wird. In entsprechender Weise kann für die Fälle, in denen die verfügbare pneumatische Energie noch unerwünscht groß ist, oder bei der Verwendung der Kompressorausströmung B₂ eine Energieabgabeeinrichtung 44 vorgesehen sein. Eine Ausführungsform einer solchen Energieabgabeeinrichtung 44 kann einen konventionellen Luft-zu-Luft-Wärmeaustauscher umfassen, in dem Triebwerksgebläseausströmung A verwendet wird. Die Enregieabgabeeinrichtung 44 kann einfach in der Weise arbeiten, daß sie überschüssige pneumatische Wärmeenergie in der normalen Weise abführt.

Besonders zu bevorzugen ist für den Betrieb der Wärmerückgewinnungseinrichtung 20 eine integrierte Steuer- bzw. Regeleinrichtung zum Maximalisieren der Verbesserung des Wirkungsgrades. Eine solche Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann die Form von konventionellen hydromechanischen und/oder elektronischen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen, einschließlich von digitalen und analogen Formen, haben.

Eine andere Ausführungsform einer Energierückgewinnungseinrichtung 60 der vorliegenden Erfindung ist in Figur 3 gezeigt. Die Energierückgewinnungseinrichtung 60 steht in Beziehung zu der Energierückgewinnungseinrichtung 20 der Figur 2, so daß an den Stellen, an denen das möglich war, gleiche Bezugszeichen zum Bezeichnen gleichartiger Elemente verwendet worden sind.

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Zusätzlich zur Verwendung von zurückgewonnener pneumatischer Energie für die Erhitzung von zum Triebwerk zugeführtem Hochdruckkraftstoff weist die Energierückgewinnungseinrichtung 60 außerdem eine Einrichtung zum Erwärmen des Kraftstoffs in den Kraftstofftanks auf und ist besonders für die Anwendung in Flugzeugen geeignet. In dieser Beziehung sind exemplarische Kraftstofftanks 64, 76, 80 gezeigt. Der Kraftstofftank 64 möge den Kraftstofftank Nr. 1 für die Versorgung des Triebwerks Nr. 1 darstellen. Der Kraftstofftank 76 möge einen Kraftstofftank Nr. 3 für die Reserve darstellen, und der Kraftstofftank 80 möge einen Kraftstofftank Nr. 2 repräsentieren, der primär dafür vorgesehen ist, ein Triebwerk Nr. 2 (nicht gezeigt) zu versorgen. Der Kraftstoff vom Kraftstofftank 64 wird mittels einer Kraftstofftankpumpe 62 durch die Leitung 22 in die Hochdruckpumpe 24 gepumpt, deren Ausgang mittels des Steuerventils 26 gesteuert wird. Dieser Hochdruckkraftstoff geht dann durch den Wärmeaustauscher 2 8 hindurch und dann zur Verbrennungskammer des Triebwerks Nr. 1, wie oben in Verbindung mit der Energierückgewinnungseinrichtung 20 der Figur 2 beschrieben. Anstelle der Verwendung einer einzigen Ausströmung B-, wie in der Einrichtung 20, werden beide Triebwerksausströmungen B-, B~ durch den Wärmeaustauscher 36 hindurchgeführt und durch die Leitung 37 abgeführt, und zwar eventuell zu Unterstutζungs- bzw. Hilfssystemen, wie in Figur 2.

Die Leitung 51 dient dazu, die Wärmeaustauscher 28, 36 und einen konventionellen dritten Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Wärmeaustauscher 72, der im Flugzeugteil der Einrichtung angeordnet ist, zu verbinden. Im einzelnen verbindet die Leitung 51A den Wärmeaustauscher 28 mit dem Wärmeaustauscher 36. Die Leitung 51B verbindet den Wärmeaustauscher 36 mit dem Wärmeaustauscher 72. Die Leitung 51C verbindet den Wärmeaustauscher 52 mit der Leitung 51D und 51E. Zwischen die Leitung 51C und die Leitungen 51D, 51E "ist ein regulierendes Zweiwegsteuerventil 66 eingefügt. Unter einem regulierenden Zweiwegventil soll hier ein Ventil verstanden werden, das einen einzigen Eingang hat, der

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jede regulierte bzw. regulierende Kombination der beiden Ausgänge bilden kann. Das Steuerventil 66 wirkt in der Weise, daß es die Leitung 51C entweder mit der Leitung 51D und dann mit dem Wärmeaustauscher 2 8 verbinden kann, oder mit der Leitung 5TE und dann mit der Leitung 51A, so daß auf diese Weise der Wärmeaustauscher 2 8 nebengeschlossen wird. Im Flugzeugteil der Einrichtung ist die Kraftstoffleitung 22 mit einer Abzweigleitung 74 versehen. Die Abzweigleitung 74 ist mit dem Wärmeaustauscher 72 verbunden, geht durch diesen hindurch und dann durch Ventile 78 zurück zum Kraftstofftank 64 oder zurück zum Reservekraftstofftank 76 oder durch ein entsprechendes Ventil (nicht gezeigt) zurück zum Brennstofftank 80. Es können andere konventionelle Ventile 79 in geeigneter Weise vorgesehen sein.

Es sei nun die Betriebsweise der Energierückgewinnungseinrichtung 60 der Figur 3 beschrieben. Zusätzlich zu der Wärmeübertragungsschleife zwischen den Wärmeaustauschern 28 und 36, wie sie in der Energierückgewinnungseinrichtung 20 der Figur 2 vorgesehen ist, ist in der Energierückgewinnungseinrichtung 60 der erwähnte dritte Wärmeaustauscher 72 vorgesehen, der dahingehend wirkt, daß er einen Teil des Kraftstoffs in den Kraftstofftanks wahlweise erwärmt.

Im einzelnen verläuft, wenn sich die Steuerventile 66 und 70 in der Position befinden, die in Figur 3 durch ausgezogene Pfeile dargestellt ist, die Strömung des Wärmeübertragungsmediums 52 in der Leitung 50 wie folgt: ausgehend vom Wärmeaustauscher 2 8 geht das Wärmeübertragungsmedium 52 durch die Pumpe 68 und dann durch die Leitung 51A zum Wärmeaustauscher 36. Wie vorher erwähnt, überträgt der Wärmeaustauscher 36 pneumatische Wärmeenergie, die andernfalls verlorengehen würde, auf das Wärmeübertragungsmedium 52. Das nun erhitzte Wärmeübertragungsmedium 52 wird durch die Leitung 51B und durch das Ventil 70 dem dritten Wärmeaustauscher 72 zugeführt. Der dritte Wärmeaustauscher 72 arbeitet dahingehend, daß er einen Teil der Wärme vom Wärmeübertragungsmedium 52 auf den Kraftstoff 73 in der Abzweiglei-

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tung 74 der Kraftstoffleitung überträgt. Die Leitung 51C leitet das Wärmeübertragungsmedium 52 zum Ventil 66 und dann, zum Wärmeaustauscher 28, worin der Kraftstoff, der in die Triebwerksverbrennungskammer eintritt, erhitzt wird. Infolgedessen ist es ersichtlich, daß die sonst verlorengehende Energie durch den Wärmeaustauscher 36 zurückgewonnen und dazu verwendet wird, den Kraftstoff im Kraftstofftank und/oder den unter relativ hohem Druck stehenden Kraftstoff unmittelbar vor dessen Verbrauch durch das Triebwerk zu erhitzen. Bei Anwendung in Flugzeugen ist diese Erhitzungswirkung besonders bei Unterschallgeschwindigkeiten wünschenswert.

Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn das Steuerventil 70 in einer anderen Stellung ist, — wie es die eine Position ist, welche durch den gestrichelten Pfeil dargestellt ist, die Wirkungsweise des Erwärmens des Brennstofftanks vollständig aufgehoben und alle zurückgewonnene Energie dazu verwendet werden kann, den Kraftstoff unmittelbar vor dessen Verbrauch durch das Triebwerk zu erhitzen, so daß der Kraftstoffnutzeffekt des Triebwerks maximalisiert wird. In entsprechender Weise wird, wenn das Steuerventil 66 in einer anderen Position angeordnet ist, wie es beispielsweise die eine Position ist, welche durch einen gestrichelten Pfeil veranschaulicht ist, alle zurückgewonnene Energie im Wärmeaustauscher 36 dazu verwendet , jetzt den Kraftstoff im Kraftstofftank zu erhitzen, wodurch die Tankerhitzung maximalisiert wird. Weiter sind die Steuerventile 66 und 70 vorzugsweise vom regulierenden Typ, aufgrunddessen verschiedene Grade des Verhältnisses zwischen Triebwerkskraftstofferhitzung und Kraftstofftankerhitzung erzielt werden können. In dem Fall, in dem ein merklicher Betrag an Kraftstofftankerhitzung erwünscht ist, während normalerweise Ausströmungen B-, B^ ^von relativ niedriger Temperatur verwendet werden, kann das Ausströmungsluftventil 32¹ geöffnet werden. In diesem Falle wird die Ausströmung B₂ von höherer Temperatur für die Erhitzung des Brennstofftanks verfügbar gemacht. Wie in der Wärmerückgewinnungseinrichtung 20 der Figur 2 ist eine inte-

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grierte Steuerung bzw. Regelung der Energierückgewinnungseinrichtung 60 allgemein wünschenswert. Eine solche integrierte Steuerung bzw. Regelung kann von digitaler oder analoger Art sein.

In Figur 3 ist in gestrichelten Linien ein weiterer Luft-zuFlüssigkeit-Wärmeaustauscher 100 dargestellt, der für gewisse Anwendungsfälle brauchbar sein kann. Beispielsweise kann ein soldier Wärmeaustauscher 100 in der Leitung 51B angeordnet und so angeschlossen sein, daß er Geh läseausströmung A erhält, im einzelnen kann der Wärmeaustauscher 100 unter Bedingungen vorteilhaft sein, in denen überschüssige Wärme vorhanden und/oder zu wenig Brennstoff im Tank enthalten ist. Unter diesen Bedingungen kann der Wärmeaustauscher 100 in einer der Energieabgabeeinrichtung 44 der Figur 2 entsprechenden Weise angewandt werden. Tatsächlich können der Wärmeaustauscher 100 und/oder die Abgabeeinrichtung 44 angewandt werden, wo das angemessen ist. Weiter kann der Wärmeaustauscher 100 nachfolgend auf Anwendungsfälle von überschalIflug vorteilhaft sein, in denen Gebläse aus trömungs luft A dazu verwendet werden kann, Triebwerkskompressorausströmungsluft und/oder Tankkraftshoff zu kühlen.

Wie vorstehend erwähnt, kann die Erfindung, obwohl sie allgemein in Verbindung mit einem einzigen Triebwerk erläutert worden ist, in besonders wünschenswerter Weise in Verbindung mit Mehrtriebwerks-Anwendungsfällen verwendet werden, in denen die Rückgewinnungseinrichtung diese Triebwerke und/oder Kraftstofftanks verbindet, so daß der Verlust an pneumatischer Energie vermindert wird, wodurch sich ein verbesserter Triebwerkswirkungsgrad ergibt. Weiter kann, wie aus den vorstehenden Ausführungen ohne weiteres erkennbar ist, die oben beschriebene Einrichtung dazu verwendet werden, TriebwerksausströmungsIuft B₁ und/oder B₂ in denjenigen Flugzeug-Anwendungsfällen zu kühlen, bei denen Überschallflug stattfindet, in welchem Triebwerksgebläseluftausströmung A wegen der hohen Temperatur der Gebläseluft normalerweise nicht verwendet werden kann. In die-

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sem Falle kann die Einrichtung dazu benutzt werden, eine Einrichtung zum Kühlen von Triebwerkskompressorausströmungsluft vorzusehen oder zu bilden, während sie gleichzeitig die anderen wünschenswerten Vorteile der Erfindung erbringt. Obwohl die Energierückgewinnungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung besonders bei Flugzeugen anwendbar ist, ist sie auch bei anderen Anwendungsfällen von Gasturbinen anwendbar, wie beispielsweise in Anwendungsfällen in der Industrie und der Schiffahrt.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß in einer Mehrzahl von Betriebsbedingungen die Notwendigkeit ausgeschaltet wird, Gebläseluft von dem Triebwerk abzuzapfen,

so daß infolgedessen der Betriebswirkungsgrad des Triebwerks erhöht wird. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Ausmaß an Stauluft, beispielsweise an Luft, die an Bord des Flugzeugs genommen und zur zusätzlichen Kühlung verwendet wird, vermindert wird. Das ist aufgrund der Tatsache der Fall, daß Gebläseausströmung A gewöhlich nicht verwendet wird, so daß die Temperatur der Luft zu den ünterstützungs- bzw. Hilfssystemen ohne einen proportionalen Verlust an Gebläseschub vermindert werden kann. Weiter erbringt diese Verminderung von verwendeter Stauluft einen zusätzlichen Flugzeugwirkungsgrad und infolgedessen einen zusätzlichen Triebwerksbetriebsnutzeffekt. Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Wärmeaustauscher konventionell in einer solchen Weise getrennt werden können, daß keine Leckströmung von Kraftstoff in das Luftsystem erfolgen kann, während die Installation und/oder die Wartung des Triebwerks und des Flugzeugs erleichtert wird.

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Leerseite

Claims

Dr. rer. nor. Horst Schüler όοοο Frankfurt/Mom ι, ie. 3.19Si

Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt-M.

Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

8620-13DV-7382

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Energierückgewinnungseinrichtung und -verfahren zum Verbessern des Kraftstoffwirkungsgrades eines Gasturbinentriebwerks

PATENTANSPRÜCHE

1J Energierückgewinnungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, das eine Einrichtung zum Zuführen einer Kraftstoffströmung zu demselben von wenigstens einem Kraftstofftank aufweist und wenigstens ein Unterstutzungs- bzw. Hilfssystem hat, wobei ein Teil der von dem Triebwerk entwickelten - —pneumatischen Energie für das Unterstützungs- bzw. Hilfssystem verfügbar gemacht ist, gekennzeichnet durch

(a) eine erste Einrichtung (36) zum Rückgewinnen von wenigstens einem Teil der für das Un te rs tützungs- bzw. Hilfssysteni verfügbar gemachten aber von dem Unterstützungs- bzw. Hilfssystem nicht verwendeten pneumatischen Wärmeenergie; sowie

(b) eine zweite Einrichtung (28) zum Verwenden von wenigstens einem Teil der durch die erste Einrichtung (36) zurückgewonnenen Energie zum Erhitzen des Kraftstoffs im wesentll-

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chen unmittelbar vor dem Verbrauch, des Kraftstoffs durch das Triebwerk (10); und

(c) eine dritte Einrichtung (72) zum Verwenden von wenigstens einem Teil der durch die erste Einrichtung (36) zurückgewonnenen Energie zum Erhitzen des Kraftstoffs in dem Kraftstofftank (64,76,80).
2. Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Einrichtungen (66,70) zum wahlweisen Benutzen der ersten und/ oder zweiten Einrichtung (2 8 bzw. 72) vorgesehen sind.
3. Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

einen ersten, Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Wärmeaustauscher (28), der so angeordnet ist, daß er die Strömung des Kraftstoffs im wesentlichen unmittelbar vor dessen Verbrauch durch das Triebwerk (10) aufnimmt;

einen zweiten, Luft-zu-Flüssigkelt-Wärmeaustauscher (36), der so angeordnet ist, daß er Triebwerksausströmungsluft von dem Triebwerk (10) aufnimmt und die Triebwerksausströmungsluft zum Unterstützungs- bzw. Hilfssystem durchläßt;

eine dritte, Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Wärmeaustauschereinrichtung (72), die so angeschlossen ist, daß sie Kraftstoff von dem Kraftstofftank (64,76,80) erhält und Kraftstoff hindurch sowie zurück zu dem Kraftstofftank (63,76,80) läßt;

eine Leitungseinrichtung (51,74) zum Verbinden des ersten, zweiten und dritten Wärmeaustauschers (28,36,72), wobei diese Leitungseinrichtung (51,74) eine erste kontinuierliche Schleife zwischen dem ersten und zweiten Wärmeaustauscher (28,36), eine zweite kontinuierliche Schleife zwischen dem ersten, zwei-

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ten und dritten Wärmeaustauscher (28,36,72), und eine dritte kontinuierliche Schleife zwischen dem zweiten und dritten Wärmeaustauscher (36,72) bildet;

eine Pump- und Unterdrucksetzungseinrichtung (6 8) zum Umwälzen eines Wärmeübertragungsmediums (52) durch die Leitungseinrichtung (51,74); und

eine Steuerventileinrichtung (70) zum Steuern der Strömung des Wärmeübertragungsmediums (52) zu dem dritten Wärmeaustauscher (72).
4. Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerventileinrichtung (70) weiter eine Einrichtung (66) zum Steuern der Strömung des Wärmeübertragungsmediums (52) zu dem ersten Wärnujaustauscher (2 8) umfaßt.
5. Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmeaustauscher (2 8) an einer Stelle vorgesehen ist, an welcher die Kraftstoffströmung im Bereich von 7 bis 83 bar (100 bis 1200 psig) ist.
6. Energierückgewinnungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Kombination mit einer Mehrzahl von Gasturbinentriebwerken, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (78,79) zum Verbinden der Triebwerke (10) derart vorgesehen ist, daß die von einem der Triebwerke (10) zurückgewonnene Energie durch ein anderes der Triebwerke (10) verwendet werden kann.
7. Energierückgewinnungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Kraftstofftanks (63,76,80) und eine Verbindungs- bzw. Kopplungseinrichtung (78,79) zum wahlweisen Zuführen von Kraftstoff

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-A-

von der dritten Wärmeaustauschereinrichtung (72) zu einem oder mehreren der Kraftstofftanks (64,76,80).
8. Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Verbindungs- bzw. Kopplungseinrichtung (79) zum wahlweisen überführen von Kraftstoff zwischen ausgewählten Kraftstofftanks (64,76,80) aus der Mehrzahl der Kraftstofftanks (64,76,80).
9. Energierückgewinnungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8/ dadurch gekennzeichnet, daß das Gasturbinentriebwerk (10) ein Flugzeugtriebwerk ist.
10. Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Energierückgewinnungseinrichtung (20,60) bei Unterschallgeschwindigkeiten betreibbar ist.
11. Energierüdkgewinnungseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Energierückgewinnungseinrichtung (20,60) bei Überschallgeschwindigkeiten betreibbar ist.
12. Energierückgewinnungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in Kombination mit einer Mehrzahl von Gasturbinentriebwerken, dadurch gekenn zei chne t , daß eine Einrichtung (78,79) zum Koppeln bzw. Verbinden der Triebwerke (10) derart vorgesehen ist, daß die von einem der Triebwerke (10) zurückgewonnene Energie von einem anderen der Triebwerke (10) verwendet werden kann.
13. Energierückgewinnungsverfahren zum Verbessern des Kraftstoffwirkungsgrades eines Gasturbinentriebwerks, welches eine Einrichtung zum Zuführen eines Kraftstofflusses zu demselben aufweist und wenigstens ein ünterstützungs- bzw. Hilfssystem hat, wobei ein Teil der durch das Triebwerk entwickelten

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pneumatischen Energie für das ünterstützungs- bzw. Hilfssystem verfügbar gemacht ist, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

(a) Zurückgewinnung von wenigstens einem Teil der pneumatischen Wärmeenergie, die für das ünterstützungs- bzw. Hilfssystem verfügbar gemacht ist, jedoch nicht von dem Unterstützungsbzw. Hilfssystem verwendet wird; sowie

(b) Verwendung von wenigstens einem Teil der zurückgewonnenen
pneumatischen Wärmeenergie zum Erhitzen des Kraftstoffs im wesentlichen unmittelbar vor dem Verbrauch des Kraftstoffs durch das Triebwerk (10); und

(c) Verwendung von wenigstens einem Teil der zurückgewonnenen
pneumatischen Wärmeenergie zum Erhitzen des Kraftstoffs in dem Kraftstofftank (64,76,80).

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