DE3210199C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 2.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind bereits aus der US 41 51 710 bekannt, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird.

Axialgasturbinentriebwerke bestehen üblicherweise aus einem Verdichtungsabschnitt, einem Verbrennungsabschnitt und einem Turbinenabschnitt. Arbeitsgase werden in den Verdichtungsabschnitt gesaugt, in welchem sie durch mehrere Verdichtungsstufen hindurchgehen, was zur Folge hat, daß die Temperatur und der Druck der Arbeitsgase ansteigen. Die Arbeitsgase werden mit Brennstoff in dem Verbrennungsabschnitt vermischt und verbrannt, wodurch heiße, unter Druck stehende Arbeitsgase gebildet werden. Diese Arbeitsgase sind für das Triebwerk eine Energiequelle und expandieren in dem Turbinenabschnitt, um Arbeit zu leisten.

Bei Starrflüglern ist das Triebwerk in einem üblicherweise als Triebwerksgondel bezeichneten Gehäuse untergebracht, das an einer Tragfläche eines Flugzeuges befestigt ist. Die Triebwerksgondel trägt und positioniert das Triebwerk in bezug auf das Flugzeug. Ein durch das Triebwerk angetriebener elektrischer Generator, der das Flugzeug mit elektrischem Strom versorgt, ist innerhalb der Triebwerksgondel angeordnet. Die Erzeugung von elektrischem Strom ist von der Erzeugung von Wärme begleitet, die abgeführt werden muß, damit die Lebensdauer des Generators nicht beeinträchtigt wird. Diese Wärme kann durch Schmieröl abgeführt werden, das durch den Generator hindurchgeht.

Aus der US 41 51 710 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem das Schmieröl des Generators als Mittel zum Abführen von Wärme benutzt wird. Die Wärme wird hauptsächlich an einen Generatorkühlfluid/Fanluft-Wärmetauscher abgegeben, der sich in einen Fanmantelstromkanal des Triebwerks erstreckt, und in zweiter Linie an einen Wärmetauscher, der mit dem Brennstoff in Verbindung steht, welcher zu dem Verbrennungsabschnitt strömt.

Dieser Generatorkühlfluid/Fanluft-Wärmetauscher ist ein relativ großer Wärmetauscher und bringt, da er in dem Fanmantelstromkanal angeordnet ist, große Strömungsverluste mit sich, die den Triebwerkswirkungsgrad verschlechtern. Die Wärme des Schmieröls des Generators wird bei allen Betriebsbedingungen an Fanluft und an den dem Triebwerk zugeführten Brennstoff abgegeben.

Aus der US 41 63 366 ist es bekannt, einen den Verdichtungsabschnitt, den Verbrennungsabschnitt und den Turbinenabschnitt umgebenden Triebwerksinnenraum durch abgezweigte Fanluft zu belüften. Entzündbare Brennstoffdämpfe werden dadurch aus dem Triebwerk geblasen.

Aus der US 28 65 580 ist es weiter bekannt, bei einem Gasturbinentriebwerk ohne Turbofan einen Schmieröl/Kühlluft-Wärmetauscher in einer Bypassleitung vorzusehen. Die Bypassleistung und damit auch der Schmieröl/Kühlluft-Wärmetauscher werden erst bei hohen Geschwindigkeiten zugeschaltet. Dabei führt der in der Bypassleitung angeordnete Wärmetauscher zu Strömungsverlusten und damit zu einer Erniedrigung des Triebwerkswirkungsgrades.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 2 angegebenen Art so zu gestalten, daß durch das Kühlen des elektrischen Generators eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks dessen Wirkungsgrad insbesondere bei hohem Brennstoffdurchsatz zum Triebwerk verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Schritte bzw. Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei hoher Triebwerksleistung, d. h. bei hohem Brennstoffdurchsatz, Wärme vom Kühlfluid des Generators auf den dem Triebwerk zugeführten Brennstoff übertragen. Bei geringer Triebwerksleistung wird Wärme vom Kühlfluid des Generators zusätzlich auf Fanluft, die als Kühlluft wirkt, an eine außerhalb des Fanmantelstromkanals gelegenen Stelle übertragen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 2 liegt ein Generatorkühlfluid/Fanluft-Sekundärwärmetauscher fanluftseitig in einer vom Fanmantelstromkanal abzweigenden Fanluftleitung, in der ein in Abhängigkeit von der Generatorkühlfluidtemperatur gesteuertes Ventil vorgesehen ist.

Durch das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung wird ein besserer Wirkungsgrad des Turbofan-Gasturbinentriebwerks einerseits dadurch erreicht, daß ein relativ kleiner Generatorkühlfluid/Fanluft-Sekundärwärmetauscher ausreichend ist, wobei sich dieser Sekundärwärmetauscher nicht in dem Fanmantelstromkanal befindet und somit keine Strömungsverluste in diesem Kanal verursachen kann. Andererseits wird der Wirkungsgrad dadurch verbessert, daß bei mittlerer und hoher Triebwerksleistung dem Fanmantelstromkanal überhaupt keine Fanluft zur Kühlung des Kühlfluids des Generators entnommen wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bildet den Gegenstand des Anspruchs 3, gemäß dem Fanluft aus dem Sekundärwärmetauscher über einen Gondelkernraum abgegeben wird, um den Gondelkernraum bei einem Betrieb niedriger Leistung zu belüften.

Gemäß der Erfindung wird überschüssige Generatorwärme bei mäßigem und hohem Brennstoffdurchsatz an den Brennstoff und bei niedrigem Brennstoffdurchsatz an den Brennstoff und an die Arbeitsgase in einer Fanluftleitung abgegeben. Ein Primärwärmetauscher, der in einem Gondelkernraum angeordnet ist, stellt eine Wärmeübertragungsverbindung zwischen dem Kühlfluid eines Generatorkühlfluidkreislaufs und dem Brennstoff eines Brennstoffzufuhrsystems her. Der Sekundärwärmetauscher, der in dem Gondelkernraum entfernt von dem Fanmantelstromkanal angeordnet ist, überträgt Wärme von dem Kühlfluid des Generatorkühlfluidkreislaufs auf Kühlluft aus dem Fanmantelstromkanal.

Eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung ergibt sich erfindungsgemäß dadurch, daß bei hoher Leistung d. h. bei hohem Brennstoffdurchsatz, eine Strömungsverzerrung vermieden wird, die auftritt, wenn Luft aus einem Strömungsweg der Arbeitsgase entnommen wird. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß Fanluft nur bei niedriger Leistung entnommen wird. Die Wirksamkeit des Sekundärwärmetauschers kann vergrößert werden, indem das erwärmte Kühlfluid in dem Generatortkühlfluidkreislauf zuerst zu dem Sekundärwärmetauscher geleitet wird, um die größte Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlfluid und der Fanluft zu schaffen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines Axialgasturbinentriebwerks der Turbofanbauart, das in einer Triebwerksgondel untergebracht ist, wobei ein Teil eines Gondelfanraums und eines Gondelkernraums weggebrochen ist, um Teile des Triebwerks und einer Zubehörausrüstung sichtbar zu machen,

Fig. 2 schematisch einen Primärströmungsweg, einen Sekundärströmungsweg des Axialgasturbinentriebwerks und einen Teil der Zubehörausrüstung, die in dem Gondelkernraum um das Axialgasturbinentriebwerk herum angeordnet ist, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform von Fig. 2, die einen Teil der Zubehörausrüstung zeigt, welche sowohl in einem Gondelfanraum als auch in einem Gondelkernraum um das Axialgasturbinentriebwerk herum angeordnet ist.

Ein Turbofan-Axialgasturbinentriebwerk 10 ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Triebwerksgondel 12 umgibt das Triebwerk 10. Zur Unterbringung von Zubehörausrüstung enthält die Triebwerksgondel 12 einen Gondelfanraum 14 und einen Gondelkernraum 16. Die Triebwerksgondel 12 dient zum Haltern und Positionieren des Triebwerks 10 an einer Flugzeugtragfläche.

Das Triebwerk 10 besteht aus einem Fanabschnitt 20, einem Verdichterabschnitt 22, einem Verbrennungsabschnitt 24 und einem Turbinenabschnitt 26. Ein Primärströmungsweg 28 für Arbeitsgase erstreckt sich durch diese Abschnitte 22, 24 und 26 des Triebwerks 10 nach hinten. Der Gondelkernraum 16 erstreckt sich umfangsmäßig um das Triebwerk 10 und ist mit Abstand radial einwärts von dem Gondelfanraum 14 angeordnet, so daß zwischen ihnen ein Fanmantelstromkanal 30 vorhanden ist. Ein Sekundärströmungsweg 32 für Arbeitsgase erstreckt sich durch den Fanmantelstromkanal 30 nach hinten.

Gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 2 enthält ein Brennstoffzufuhrsystem 34 einen Brennstofftank 36, einen Brennstoffregler 38 zum Regeln des Durchsatzes oder der Durchflußleistung von Brennstoff und eine durch eine einzelne Brennstoffdüse 40 dargestellte Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in den Primärströmungsweg 28 des Triebwerks 10. Der Brennstofftank 36 ist üblicherweise in der Flugzeugtragfläche angeordnet, der Brennstoffregler 38 ist in dem Gondelkernraum 16 angeordnet und die Brennstoffdüsen 40 sind in dem Verbrennungsabschnitt 24 des Triebwerks 10 angeordnet.

Der Gondelkernraum 16 enthält außerdem einen elektrischen Generator 42, der das Flugzeug mit elektrischem Strom konstanter Frequenz versorgt. Der elektrische Generator 42 wird durch das Gasturbinentriebwerk 10 angetrieben. Ein Generatorkühlfluidkreislauf 44 enthält eine Vorrichtung in Form eines Generatorkühlfluid/Brennstoff-Primärwärmetauschers 46 zur Wärmeübertragung von Kühlfluid auf den Brennstoff in dem Brennstoffzufuhrsystem 34.

Der Generatorkühlfluidkreislauf 44 enthält außerdem einen Generatorkühlfluid/Fanluft-Sekundärwärmetauschers 48 zur Wärmeübertragung von dem Kühlfluid auf Fanluft, die als Kühlluft wirkt. Der Sekundärwärmetauscher 48 ist in dem Gondelkernraum 16 angeordnet. Eine Fanluftleitung 50 erstreckt sich zwischen dem Fanmantelstromkanal 30 und dem Sekundärwärmetauscher 48, um zwischen diesem und einer Kühlluftquelle, wie dem Sekundärströmungsweg 32 des Triebwerks 10, eine Gasverbindung herzustellen. Eine Vorrichtung in Form eines Ventils 52 zum Regulieren des Durchstroms von Fanluft durch die Fanluftleitung 50 spricht auf die Temperatur des Kühlfluids in dem Generatorkühlfluidkreislauf an der Stelle der Abgabe aus dem elektrischen Generator 42 an. Ein Auslaß einer Kühlluftseite des Sekundärwärmetauschers 48 ist außerdem in Gasverbindung mit dem Gondelkernraum 16. Der Gondelkernraum 16 ist seinerseits in Gasverbindung mit der Atmosphäre über einen sich zwischen dem Gondelkernraum 16 und dem Gondelfanraum 14 erstreckenden hohlen Holm 18 und über Auslässe 53 in dem Gondfelfanraum 14.

Eine Vorrichtung 54 zum Umwälzen des Kühlfluids in dem Generatorkühlfluidkreislauf 44 enthält eine Leitung 56 und eine nicht dargestellte Pumpe, die als Zahnradpumpe ausgebildet ist und die einen integralen Bestandteil mit dem elektrischen Generator 42 bildet und durch das Gasturbinentriebwerk 10 angetrieben wird. Die Vorrichtung 54 zum Umwälzen des Kühlfluids wird benutzt, um das Kühlfluid in Fluid- und Wärmeübertragungsverbindung mit dem Primärwärmetauscher 46, dem elektrischen Generator 42 und dem Sekundärwärmetauscher 48 zu bringen. Gemäß der Darstellung hat der elektrische Generator 42 einen Generatorkühlfluidauslaß 58 für das Kühlfluid, und der Sekundärwärmetauscher 48 hat einen Generatorkühlfluideinlaß 60. Ein Teil der Leitung 56, der sich zwischen dem elektrischen Generator 42 und dem Sekundärwärmetauscher 48 erstreckt, bringt den Einlaß 60 des Sekundärwärmetauschers 48 in Fluidverbindung mit dem Auslaß 58 des elektrischen Generators 42. Die Vorrichtung 54 zum Umwälzen des Kühlfluids enthält eine Umgehungsleitung 62, die eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung des Primärwärmetauschers 46 miteinander verbindet, um den Verlust von Wärme aus dem Kühlfluid während eines Niedertemperaturhochlaufes des Triebwerks 10 zu verhindern. Eine Vorrichtung in Form eines Ventils 66 zum Regulieren des Durchstroms von Kühlfluid durch die Umgehungsleitung 62 spricht auf die Temperatur des Kühlfluids an.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform von Fig. 2, bei der ein Generatorkühlfluid/Fanluft-Sekundärwärmetauscher 148 in dem Gondelfanraum 14 des Triebwerks 10 angeordnet ist. Eine Fanluftleitung 150 erstreckt sich zwischen dem Fanmantelstromkanal 30 und dem Sekundärwärmetauscher 148, um letzteren in Fluidverbindung mit der Kühlluftquelle, wie dem Sekundärströmungsweg 32, zu bringen. Die Kühlluft wird von dem Sekundärwärmetauscher 148 abgegeben, in den Gondelfanraum 14 ausgestoßen und schließlich in die Atmosphäre abgegeben.

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 werden die Arbeitsgase in Form von Luft in das Gasturbinentriebwerk 10 eingesaugt. Die Arbeitsgase werden in dem Verdichterabschnitt 22 verdichtet, was zur Folge hat, daß die Temperatur und der Druck der Arbeitsgase ansteigen. Die Arbeitsgase strömen zu dem Verbrennungsabschnitt 24, wo Brennstoff aus dem Brennstofftank 36 durch die Brennstoffdüse 40 in den Verbrennungsabschnitt 24 eingespritzt wird. Der Brennstoff und die Arbeitsgase werden vermischt und verbrannt, um die Temperatur der Arbeitsgase zu erhöhen, welche in dem Turbinenabschnitt 26 des Triebwerks 10 expandieren, um das Flugzeug anzutreiben. Das Triebwerk 10 wird außerdem benutzt, um den elektrischen Generator 42 entweder über ein hydromechanisches oder über ein mechanisches System anzutreiben, damit dieser für das Flugzeug elektrischen Strom mit konstanter Frequenz erzeugt.

Die Erzeugung von elektrischem Strom durch den elektrischen Generator 42 führt außerdem zur Erzeugung von Wärme. Diese Wärme rührt hauptsächlich von der Widerstandserwärmung von Generatorelementen und in zweiter Linie von mechanischer Reibung und von Flüssigkeitsreibung her, die auf den Betrieb des elektrischen Generators 42 und das Pumpen des Kühlfluids zurückzuführen sind. Wärme wird auf das Kühlfluid übertragen, das durch den Generatorkühlfluidkreislauf 44 strömt. Das Kühlfluid ist Schmieröl für den elektrischen Generator 42. Nachdem das Kühlfluid den elektrischen Generator 42 durchströmt hat, wird die Wärme bei einem Betrieb mit hoher Leistung von dem Kühlfluid an den Brennstoff in dem Brennstoffzufuhrsystem 34, der zu den Brennstoffdüsen 40 fließt, abgegeben. Es ist klar, daß Brennstoffdurchsätze, die bei einem Betrieb mit hoher Leistung auftreten, mehrfach größer sind als Brennstoffdurchsätze, die bei einem Betrieb mit niedriger Leistung auftreten.

Bei dem Betrieb mit niedriger Leistung ist der Brennstoffdurchsatz, der durch den Primärwärmetauscher 46 in dem Brennstoffzufuhrsystem 34 hindurchgeht, viel geringer als bei dem Betrieb mit hoher Leistung. Die Wärmemenge, die durch den elektrischen Generator 42 bei niedriger Leistung errzeugt wird, nimmt nicht ab, weil die Wärmemenge eine Funktion der elektrischen Leistung ist, die von dem Flugzeug aufgenommen wird. Infolgedessen kann der Brennstoff nicht sämtliche Wärme abführen, die aus dem Kühlfluid in dem Generatorkühlfluidkreislauf 44 abgeführt werden, müßte. Das Ventil 52, das auf die ansteigende Temperatur des Kühlfluids anspricht, öffnet und gestattet Fanluft, aus dem Fanmantelstromkanal 30 durch den Sekundärwärmetauscher 48 zu strömen. Die als Kühlluft wirkende Fanluft führt Wärme aus dem Kühlfluid ab, was einen sicheren Betrieb des elektrischen Generators 42 ermöglicht. Weil der Sekundärwärmetauscher 48 nur diejenige Wärmemenge, die nicht durch den Primärwärmetauscher 46 abgeführt wird, bei niedriger Leistung abführt, ist die Größe des Sekundärwärmetauschers 48 geringer als in den Fällen, in denen ein Kühlluftwärmetauscher benutzt wird, um im wesentlichen sämtliche Wärme aus dem Kühlfluid abzuführen. Das führt zu einem Sekundärwärmetauscher 48, der so klein ist, daß er in dem Gondelkern- oder Gondelfanraum 16, 14 untergebracht werden kann, und demgemäß werden Strömungsverluste vermieden, die bei einem Wärmetauscher für den Generatorkühlfluidkreislauf 44 auftreten, der in den Sekundärströmungsweg 32 für Arbeitsgase hineinragt. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Sekundärwärmetauschers 48 dem Generatorkühlfluidkreislauf 44, eine ausreichende Wärmemenge bei einem Betrieb mit niedriger Leistung über den Sekundär- und den Primärwärmetauscher 48, 46 abzugeben, um die Verwendung des brennstoffgekühlten Primärwärmetauscher 46 zu ermöglichen. Ohne den Sekundärwärmetauscher 48, der bei geringen Brennstoffdurchsätzen ausreichend Wärme absorbiert, würde der Primärwärmetauscher 46 wesentlich größer ausfallen, so daß ein brennstoffgekühlter Primärwärmetauscher 46 nicht mehr praktikabel wäre.

Bei niedriger Leistung wird gemäß Fig. 2 Kühlluft aus dem Sekundärwärmetauscher 48 über den Gondelkernraum 16 abgegeben. Das ist am Boden im Leerlaufbetrieb zur Vorbereitung auf den Start besonders hilfreich. Die Kühlluft, die durch den Gondelkernraum hindurchgeleitet wird, belüftet ihn und führt jedwede giftigen oder brennbaren Dämpfe ab, die während des Triebwerksbetriebes entstehen können. Diese Dämpfe werden durch die Kühlluft hinaus- und über Bord geblasen. Im Flugbetrieb des Flugzeuges sind diese giftigen Dämpfe von geringerer Bedeutung, und zwar wegen der Infiltration von Luft, die sich ergibt, weil das Flugzeug die Atmosphäre durchquert.

Claims (3)

1. Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Generators (42) in einem Turbofan-Gasturbinentriebwerk (10) mit einem Fanmantelstromkanal (30), wobei Fanluft und dem Triebwerk zugeführter Brennstoff zur Kühlung eines Generatorkühlfluids herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei hohem Brennstoffdurchsatz zum Triebwerk Wärme vom Generatorkühlfluid nur auf den Brennstoff und bei geringem Brennstoffdurchsatz zum Triebwerk Wärme vom Generatorkühlkfluid an einer vom Fanmantelstromkanal (30) entfernten Stelle zusätzlich auf entnommene Fanluft übertragen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Generatorkühlfluidkreislauf (44), einem Generatorkühlfluid/Brennstoff-Primärwärmetauscher (46) sowie einem Generatorkühlfluid/Fanluft-Sekundärwärmetauscher (48; 148) in dem Generatorkühlfluidkreislauf (44), wobei der Generatorkühlfluidkreislauf (44) einen Generatorkühlfluidauslaß (58) am elektrischen Generator (42) mit einem Generatorkühlfluideinlaß (60) am Sekundärwärmetauscher (48) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärwärmetauscher (48; 148) in einer stromabwärts des Fan vom Fanmantelstromkanal (30) abzweigenden Fanluftleitung (50; 150) liegt, in der ein in Abhängigkeit von der Generatorkühlfluidtemperatur gesteuertes Ventil (52) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fanluftleitung (50; 150) auslaßseitig mit einem den Verdichter-, den Verbrennungs- und den Turbinenabschnitt (22, 24, 26) des Triebwerks (10) umgebenden Hohlraum einer Triebwerksgondel (12) in Verbindung steht, der über einen Auslaß (53) entlüftet wird.