EP4193049A1 - Wärmekraftmaschine mit dampfzufuhrvorrichtung - Google Patents

Wärmekraftmaschine mit dampfzufuhrvorrichtung

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EP4193049A1
EP4193049A1 EP21765831.9A EP21765831A EP4193049A1 EP 4193049 A1 EP4193049 A1 EP 4193049A1 EP 21765831 A EP21765831 A EP 21765831A EP 4193049 A1 EP4193049 A1 EP 4193049A1
Authority
EP
European Patent Office
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steam
compressor
heat engine
combustion chamber
turbine
Prior art date
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Pending
Application number
EP21765831.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Klingels
Oliver Schmitz
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a heat engine which has a first compressor for supplying at least one combustion chamber of the heat engine with air, a first turbine for driving the first compressor and a steam supply device for supplying steam to the combustion chamber, an aircraft, in particular an airplane, with the heat engine and a Method of operating the heat engine.
  • WO 2019/223823 A1 discloses an aircraft propulsion system that represents a combination of a gas turbine cycle and a steam turbine cycle in one machine.
  • a steam generator arranged downstream of the turbine, steam is generated by means of exhaust gas energy, which is then fed to the area of the combustion chamber of the machine.
  • the higher mass flow in the turbine due to the addition of steam results in an increase in output, and the efficiency of the gas turbine is improved by the heat recovery.
  • the moist exhaust gas passes through other components that serve to separate the water from the exhaust gas so that it is available for steam generation.
  • the The machine should therefore be able to be operated both as a pure gas turbine and as a combination of gas turbine and steam turbine.
  • the narrowest cross-section in the flow channel of an engine downstream of the combustion chamber is usually the guide vane in front of the high-pressure turbine (directly downstream of the combustion chamber).
  • the pressure gradient across the turbine cascade increases, its Ab flow number increases and finally reaches the supersonic range.
  • the reduced mass flow that is achieved in the blocking state is called capacity and is directly related to the narrowest flow area.
  • the capacity is therefore a fixed value that belongs to a turbine, which does not change between the operating points.
  • the flow through the high-pressure turbine is critical over almost the entire operating range. At a given total pressure p and total temperature T, the natural mass throughput m no longer changes. The turbine therefore determines the mass throughput.
  • the object of the invention is to improve a heat engine with steam supply and its operation.
  • a heat engine in particular an aircraft engine, has at least a first compressor for supplying a combustion chamber of the heat engine with air and one downstream of the Combustion chamber arranged first turbine or high-pressure turbine for driving the first compressor.
  • the heat engine has the typical main components of a gas turbine, namely a gas expansion turbine, an upstream first compressor and a combustion chamber in between, in which a fuel (e.g. kerosene or hydrogen) is burned.
  • the heat engine additionally has at least one steam supply line for supplying steam from a steam source into the combustion chamber and a steam supply device.
  • the steam supply device comprises a second compressor arranged downstream of the first compressor and is set up to further compress the air delivered by the first compressor at least temporarily as a function of a steam mass flow conducted through the steam supply line before it enters the combustion chamber.
  • the second compressor can be arranged upstream of the combustion chamber as the last/most downstream compressor stage ⁇ ).
  • the steam supply device can be designed to operate the second compressor in such a way that when the supply of steam into the combustion chamber is increased, the latter causes a higher compression of the air and vice versa. More preferably, the steam supply device can be designed not to operate or to shut down the second compressor when no steam is supplied to the combustion chamber.
  • the vapor supply device can preferably be set up to drive the second compressor in such a way that the throttling state of the first compressor does not change when vapor is supplied, i.e. the stationary working line in the compressor characteristic map remains unchanged.
  • the position of the working line is therefore independent of the amount of steam supplied. This means that if there is a change in mass flow at the outlet of the combustion chamber due to the supply of steam, the air pressure can be increased proportionally by the second compressor. For example, if no steam is supplied, there is no additional compression by the second compressor. With 10% steam supply into the combustion chamber (i.e. a mass flow
  • the second compressor can be driven in front of the combustion chamber in such a way that it achieves a pressure ratio of 1.1 with steam supply 30%, the second compressor can be operated to achieve a pressure ratio of 1.3, etc.
  • the engine can be operated in different operating states with different steam proportions in the mass flow from the combustion chamber.
  • the steam supply device can be set up and designed in such a way that it operates the second compressor in such a way that the working line or the respective working point in the first compressor between two different operating states (e.g. 0% steam proportion and 20% steam proportion) by a maximum of 10%, in particular deviates by a maximum of 5%, in one version by a maximum of 1%, of the assigned pressure ratio and is identical in one version.
  • the present invention is based on the following idea: compared to the (higher) supply of steam in a first operating state.
  • a second operating state the actual mass flow into and at the outlet of the combustion chamber or entry into at least one turbine is increased.
  • Appropriate design and operation of the steam supply device and in particular the second compressor can at least partially compensate for this higher mass flow in terms of design and operation or the heat engine can be designed for both operating states at the same time, i.e. equally well in both operating states, in particular with advantageous efficiencies , low risk of compressor pumps.
  • the second compressor Since the second compressor is not driven by a turbine downstream of the combustion chamber in the flow channel, its pressure increase can be decoupled from the engine core mass flow and the degree of compression can be flexibly adapted to the steam content and the external conditions.
  • the steam supply device can further have a steam turbine for driving the second compressor.
  • a steam turbine for driving the second compressor.
  • at least part of the steam from the steam supply line is preferably passed through the steam turbine and relaxed in this before it enters the Combustion chamber flows.
  • the second compressor and the steam turbine can preferably be seated on a common shaft.
  • the steam source can comprise an evaporator or heat exchanger which is set up to evaporate water with the exhaust gas heat of the heat engine.
  • evaporator or heat exchanger which is set up to evaporate water with the exhaust gas heat of the heat engine.
  • a condenser can be used to recover water from the exhaust plume of the heat engine, which is then pumped into an evaporator where the water is vaporized, or supercritically heated, for delivery to the combustor (and steam turbine).
  • part of the steam can flow from the steam supply line through the steam turbine and another part of the steam can be guided past the steam turbine into the combustion chamber via a bypass line.
  • the power recovered from the exhaust heat during evaporation can significantly exceed the demand of the second compressor.
  • the steam supply device can, if designed appropriately, ensure that the pressure increase at the second compressor is proportional to the mass flow increase due to the steam supply.
  • the supply of steam into the steam turbine can be regulated by a steam control valve. This allows an even more flexible adjustment of the turbine output.
  • an operating mode can be desired in which the pressure change is temporarily not proportional to the change in mass flow due to the steam supply. If, for example, the heat engine is operated with increased temperature at the outlet of the combustion chamber when accelerating, it can be advantageous to increase the compressor output of the second compressor or its pressure ratio in order to lower the working line in the first compressor and thus reliably prevent dangerous compressor pumping.
  • the steam control valve can preferably control a mass flow ratio between the steam turbine and the bypass line.
  • the second compressor and/or the steam turbine can be arranged non-coaxially to the first compressor.
  • the compressor and the steam turbine can preferably run on their own shaft, which is offset from the shaft of the first compressor.
  • a staggered arrangement has the advantage that the compressor can be designed with a comparatively small hub ratio and thus with large blade heights.
  • the turbomachine part of the aircraft engine can be built axially shorter.
  • the heat engine can have at least one third compressor for supplying the combustion chamber and/or a fan (propulsor) and/or at least one further turbine, in particular for driving the third compressor and/or fans.
  • the fan can be connected to the shaft of the additional turbine via a (reduction) gear.
  • the heat engine described above can form the core engine of an aircraft engine and can be supplemented by a fan, a low-pressure turbine and possibly another compressor module.
  • the heat engine can have a second steam turbine through which steam from the steam supply line also flows.
  • the power of the second steam turbine can be fed into a shaft of the heat engine or into an auxiliary unit. The reason for this is that the power recovered from the heat of the exhaust gas during the evaporation can exceed the demand of the second compressor. In order to use this excess power, it can be used in a second (third, fourth..) steam turbine for other purposes.
  • FIG. 1 shows a heat engine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a heat engine according to a further embodiment of the present invention
  • Fig. 1 shows schematically a heat engine 1, which is based on the basic principle of the invention.
  • the problem of the large working point or working line shift in the compressor 10 when steam is supplied from a steam source 25 to the combustion chamber 11 is solved by the heat engine 1 with a steam supply device 2 .
  • the main components of the steam supply device 2 are a second compressor 20 which is driven by a steam turbine 21 .
  • Air that is conveyed by the compressor 10 of the heat engine 1 is routed to the compressor 20 of the vapor supply device 2 .
  • the steam turbine 21 feeds its power into the compressor 20 and this is designed in such a way that the pressure increase is proportional to the change in mass flow due to the steam.
  • the steam supply device 2 is designed such that when the mass flow in the turbine is 30% higher than the mass flow in the compressor, the second compressor 20 also increases the pressure in front of the combustion chamber by 30%.
  • the exhaust gas energy of the heat engine 1 is used to vaporize water, which is pumped by a feedwater pump 26 to the steam source 25, in this case to a steam generator (an evaporator/heat exchanger), and then passed through the steam line 24 to the steam turbine 21.
  • the steam is brought to a pressure which is much higher than the pressure in the combustion chamber 11 . This increases the usable heat gradient.
  • the pressure in the exhaust steam line 23 must be greater than or at least equal to the pressure in the combustion chamber 11 .
  • the energy flow in the steam supply line 24 is greater than the power requirement for driving the compressor 20. Therefore, the steam turbine 21 is only supplied with as much steam that the power is sufficient to achieve the desired pressure increase in the compressor 20. The remaining steam is routed directly to the combustion chamber 11 via a bypass line 22 .
  • FIG. 2 shows an exemplary aircraft engine 3 with the heat engine 1 shown in FIG. 1 with the steam supply device 2 and some useful extensions.
  • the heat engine 1 of FIG. 1 forms the core engine of the aircraft engine 3 (with some slight adjustments).
  • Elements with the same function have the same reference numbers as in Fig. 1.
  • a propulsor is added, in the example shown a fan 30, which is driven by a low-pressure turbine 13, optionally via an intermediate gearbox 31. Also optionally, a further compressor (low-pressure compressor or booster) 32 can be arranged in the direction of flow between the fan 30 and the first compressor 10 .
  • the steam supply device 2 is arranged in FIGS. 1 and 2 next to or offset from the main axis of the heat engine 1 or the aircraft engine 3 . It is basically irrelevant whether the arrangement is parallel, diagonal or transverse. In an alternative embodiment not shown here, a coaxial arrangement would also be conceivable. Since an engine with steam in the working gas achieves a very high specific power, the air mass flow for the compressors is low. With a coaxial arrangement of the steam supply device 2, this would result in very small blade heights in the compressor 20. This would result in high gap losses and the risk of pumping.
  • the offset arrangement has the great advantage that the compressor 20 can be designed with a small hub ratio and thus with large blade heights.
  • the turbomachine part of the aircraft engine can be built axially short.
  • the energy flow in the steam supply line 24 is greater than the power requirement for driving the compressor 20. For this reason, it can be advantageous to reduce the excess energy in an (optional) second steam turbine 28.
  • Fig. 2 a possible embodiment is shown schematically.
  • the second steam turbine 28 is arranged here coaxially to the engine axis and feeds its power into a shaft of the aircraft engine via an optional second gearbox 27 .
  • the steam turbine 28 is connected in series with the steam turbine 21, ie the steam from the steam source 25 (here the Steam generator) first flows through the second steam turbine 28 and then through the first steam turbine 21.
  • a parallel connection of the steam turbines 21, 28 (not shown) is also conceivable.
  • the steam turbine 28 could also be used to drive ancillary units or, for example, a generator.
  • the heat engine from FIG. 1 shows how the position of the working line of the working point in the compressor map can be kept constant by the steam supply device.
  • the steam supply device 2 can also be used to specifically influence the position of the operating point.
  • a steam control valve 29 is integrated into the steam supply line 24 for this purpose. With the steam control valve 29, the amount of steam of the steam turbine 21 can be varied. With an unchanged vapor mass flow to the combustion chamber, the pressure build-up in the compressor 20 can thus be regulated.
  • the greater the bypass quantity the lower the pressure build-up in the compressor 20, as a result of which the compressor 10 is throttled and its operating point moves in the direction of the surge limit. With a lower bypass quantity, exactly the opposite behavior.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine (1), insbesondere ein Flugtriebwerk (3), mit einem ersten Verdichter (10) zum Beliefern einer Brennkammer (11) der Wärmekraftmaschine (1) mit Luft und einer stromabwärts der Brennkammer (11) angeordneten ersten Turbine (12) zum Antreiben des ersten Verdichters (10), wobei die Wärmekraftmaschine ferner mindestens eine Dampfzufuhrleitung (24) zum Zuführen von Dampf aus einer Dampfquelle (25) in die Brennkammer (11) aufweist. Die Wärmekraftmaschine(l) weist zudem eine Dampfzufuhrvorrichtung (2) auf, welche einen zweiten Verdichter (20) aufweist und welche dazu eingerichtet ist, das Arbeitsgas mittels des zweiten Verdichters (20) in Abhängigkeit von einem durch die Dampfzufuhrleitung (24) geleiteten Massestrom weiter zu verdichten, bevor es in die Brennkammer (11) strömt.

Description

Wärmekraftmaschine mit Dampfzufuhrvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, die einen ersten Verdichter zum Beliefern wenigstes eines Brennraums der Wärmekraftmaschine mit Luft, eine erste Turbine zum Antreiben des ersten Verdichters und eine Dampfzufuhreinrichtung zur Dampfzufuhr zu dem Brennraum aufweist, ein Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, mit der Wärmekraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben der Wärmekraftmaschine.
Aus WO 2019/223823 Al ist ein Flugzeugantriebssystem bekannt, das eine Kombination aus einem Gasturbinenkreisprozess und einem Dampfturbinenprozess in einer Maschine darstellt. In einem stromabwärts der Turbine angeordneten Dampferzeuger wird mittels Abgasenergie Dampf erzeugt, der dann im Bereich der Brennkammer der Maschine zugeführt wird. Der durch die Dampfzugabe höhere Massenstrom in der Turbine bewirkt eine Leistungssteigerung, und durch die Wärmerückgewinnung wird der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert. Nach dem durchströmen des Dampferzeugers durchläuft das feuchte Abgas noch weitere Komponenten, die dazu dienen, das Wasser aus dem Abgas abzuscheiden, damit es für die Dampferzeugung zur Verfügung steht.
Mit zunehmendem Dampfanteil im Arbeitsgas der Gasturbine steigt deren spezifische Leistung und auch der thermische Wirkungsgrad. Speziell, wenn eine Gasturbine mit Dampfeinspritzung (wie in WO 2019/223823 Al) als Flugzeugantrieb vorgesehen wird, ist daher ein hoher Dampfanteil im Arbeitsgas anzustreben. Dadurch kann eine sehr hohe spezifische Leistung erzielt werden, wodurch die Größe und das Gewicht der vom Arbeitsgas durchströmten Komponenten klein gehalten werden kann.
Gleichzeitig soll auch ein stabiler Betrieb mit wenig Dampf und sogar ganz ohne Dampf möglich sein, z.B. beim Starten oder Abstellen der Maschine, bei sehr tiefer Teillast oder im Fehlerfall, wenn das Dampfsystem keinen Dampf liefert. Die Maschine soll also sowohl als reine Gasturbine als auch, als eine Kombination aus Gasturbine und Dampfturbine betrieben werden können.
In wichtigen Betriebspunkten (Start, Steigflug, Cruise) kann z.B. eine Zufuhr von ca. 30 Masse% Dampf angestrebt werden. Vernachlässigt man den für Kühlzwecke vom Verdichter abgezweigten Luftmassestrom und den in der Brennkammer zugeführten Kraftstoffmassestrom, dann ist in diesem Fall der Massestrom der Turbine um ca. 30% größer als der des Verdichters. Bei Betriebspunkten ohne Dampf ist der Massestrom der Turbine ähnlich dem des Verdichters. Der Turbinenmassestrom variiert wegen der Dampfzufuhr also erheblich.
Engster Querschnitt im Strömungskanal eines Triebwerks stromabwärts der Brennkammer ist üblicherweise das Leitgitter vor der Hochdruckturbine (unmittelbar der Brennkammer nachgeordnet). Mit zunehmendem Druckgefälle über das Turbinengitter nimmt dessen Ab Strömmachzahl zu und gelangt schließlich in den Überschallbereich. In diesem Zustand wird im engsten Querschnitt der Beschaufelung die Schallgeschwindigkeit erreicht und das Gitter beginnt zu sperren. Das bedeutet, dass dessen maximaler reduzierter Massendurchsatz erreicht ist. Der reduzierte Massestrom, der im Sperrzustand erreicht wird, wird als Kapazität bezeichnet und steht in direktem Zusammenhang mit dem engsten Strömungsquerschnitt. Die Kapazität ist damit ein fester Wert der zu einer Turbine gehört, welcher sich zwischen den Betriebspunkten nicht ändert. In einem konventionellen Triebwerk wird fast über den gesamten Betriebsbereich die Hochdruckturbine kritisch durchströmt. Dabei ändert sich bei gegebenem Totaldruck p und Total temperatur T der natürliche Massedurchsatz m nicht mehr. Die Turbine bestimmt daher den Massedurchsatz.
Wie weiter oben beschrieben kann bei einem erfindungsgemäß vorgesehenen Antriebskonzept bspw. bis zu 30% zusätzlicher Massestrom an Dampf im Bereich der Brennkammer eingebracht werden. Das würde dazu führen, dass der Arbeitspunkt bzw. die Arbeitslinie, im Kennfeld des stromaufwärts liegenden Verdichters, starken Schwankungen ausgesetzt wäre. Bei großen Dampfmengen würde der Verdichter stark angedrosselt, dadurch bestünde die Gefahr, dass es zu einem instabilen Zustand, dem sogenannten „Pumpen" kommt. Umgekehrt, wenn kein Dampf zugeführt würde, würde der Verdichter entdrosselt, wodurch der Arbeitspunkt im Kennfeld absinken würde. In diesem Arbeitsbereich wäre der Druckaufbau dann niedriger und die Wirkungsgrade deutlich schlechter.
Eine Auslegung des Verdichters für diese Bedingungen nach konventionellen Methoden (bspw. durch variable Leitschaufeln im Verdichter) ist schwierig und mit vielen Nachteilen verbunden. Es wäre sehr viel variable Geometrie erforderlich und trotzdem bestünden die Schwierigkeiten des Betriebes nahe der Pumpgrenze oder des Betriebes bei niedrigem Druckaufbau und schlechtem Verdichterwirkungsgrad weiterhin.
Eine weitere Möglichkeit um die Lage der Arbeitslinie im Verdichterkennfeld konstant zu halten könnte durch die Einführung einer Turbine mit variabler Kapazität erzielt werden. Nachteilig dabei wäre die hohe Komplexität und der stark negative Einfluss auf den Turbinenwirkungsgrad.
Aufgabe der Erfindung ist vor diesem Hintergrund, eine Wärmekraftmaschine mit Dampfzufuhr bzw. deren Betrieb zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 12 und 13 stellen ein Luftfahrzeug mit einer hier beschriebenen Wärmekraftmaschine bzw. ein Verfahren zum Betreiben einer hier beschriebenen Wärmekraftmaschine unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist eine Wärmekraftmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, wenigstens einen ersten Verdichter zum Beliefern einer Brennkammer der Wärmekraftmaschine mit Luft und eine stromabwärts der Brennkammer angeordneten erste Turbine bzw. Hochdruckturbine zum Antreiben des ersten Verdichters auf. In anderen Worten weist die Wärmekraftmaschine die typischen Hautpkomponenten einer Gasturbine auf, nämlich eine Gasexpansionsturbine, einen vorgeschalteten ersten Verdichter und eine dazwischen liegende Brennkammer, in welcher ein Treibstoff (bspw. Kerosin oder Wasserstoff) verbrannt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Wärmekraftmaschine zusätzlich mindestens eine Dampfzufuhrleitung zum Zuführen von Dampf aus einer Dampfquelle in die Brennkammer sowie eine Dampfzufuhrvorrichtung auf. Die Dampfzufuhrvorrichtung umfasst einen stromabwärts des ersten Verdichters angeordneten zweiten Verdichter und ist dazu eingerichtet, die vom ersten Verdichter geförderte Luft zumindest temporär in Abhängigkeit von einem durch die Dampfzufuhrleitung geleiteten Dampf-Massestrom weiter zu verdichten, bevor sie in die Brennkammer eintritt. Insbesondere kann der zweite Verdichter als letzte/stromabwärtigste Verdichterstufe^) der Brennkammer vorgelagert angeordnet sein. Bevorzugt kann die Dampfzufuhreinrichtung dazu ausgebildete sein, dass sie den zweiten Verdichter derart betreibt, dass dieser bei einer Erhöhung der Dampfzufuhr in die Brennkammer eine höhere Verdichtung der Luft bewirkt und umgekehrt. Weiter bevorzugt kann die Dampfzufuhreinrichtung dazu ausgebildete sein, den zweiten Verdichter nicht zu betrieben bzw. stillzulegen, wenn der Brennkammer kein Dampf zugeführt wird.
Bevorzugt kann die Dampfzufuhrvorrichtung dazu eingerichtet sein, den zweiten Verdichter derart anzutreiben, dass sich der Drosselzustand des ersten Verdichters bei Dampfzufuhr nicht verändert, d.h., die stationären Arbeitslinie im Verdichterkennfeld unverändert bleibt. Die Lage der Arbeitslinie ist damit unabhängig von der zugeführten Dampfmenge. D.h. bei einer Massestromänderung am Austritt der Brennkammer aufgrund einer Dampfzufuhr kann eine dazu proportionale Druckerhöhung der Luft durch den zweiten Verdichter erfolgen. So findet bspw. wenn kein Dampf zugeführt wird auch keine zusätzliche Verdichtung durch den zweiten Verdichter statt. Bei 10% Dampfzufuhr in die Brennkammer (also einem Massestrom-
. ... . rhnach Brennkammer . .. , . > ... .. . . . .
Verhältnis — - « 1,1) kann der zweite Verdichter entsprechend so be- mvor Brennkammer trieben werden, dass er ein Druckverhältnis von 1,1 erzielt, bei einer Dampfzufuhr von 30% kann der zweite Verdichter so betrieben werden, dass er ein Druckverhältnis von 1,3 erzielt, usw.
In anderen Worten kann nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung das Triebwerk in verschiedenen Betriebszuständen mit unterschiedlichen Dampfanteilen im Massestrom ab der Brennkammer betrieben werden. Dabei kann die Dampfzufuhrvorrichtung so eingerichtet und ausgelegt sein, dass sie den zweiten Verdichter derart betreibt, dass die Arbeitslinie bzw. der jeweilige Arbeitspunkt im ersten Verdichter zwischen zwei unterschiedlichen Betriebszuständen (bspw. 0% Dampfanteil und 20% Dampfanteil) um maximal 10%, insbesondere höchstens um 5%, in einer Ausführung höchstens um 1%, des zugeordneten Druckverhältnisses abweicht und in einer Ausführung identisch ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die folgende Idee zugrunde: durch die (höhere) Dampfzufuhr in einem ersten Betriebszustand ggü. einem zweiten Betriebszustand wird der tatsächliche Massenstrom in den und am Austritt des Brennraums bzw. Eintritt in zumindest eine Turbine erhöht. Durch eine entsprechende Auslegung bzw. einen entsprechenden Betrieb der Dampfzufuhrvorrichtung und insbesondere des zweiten Verdichters kann dieser höhere Massenstrom auslegungs- bzw. betriebstechnisch wenigstens teilweise kompensiert bzw. die Wärmekraftmaschine zugleich für beide Betriebszustände ausgelegt werden, d.h. in beiden Betriebszuständen gleichermaßen gut, insbesondere mit vorteilhaften Wirkungsgraden, geringer Gefahr von Verdichterpumpen betrieben werden.
Indem der zweite Verdichter nicht von einer der Brennkammer im Strömungskanal nachgelagerten Turbine angetrieben wird, kann dessen Druckerhöhung vom Triebwerkskernmassenstrom entkoppelt und der Verdichtungsgrad flexibel an den Dampfanteil und die äußeren Rahmenbedingungen angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Dampfzufuhrvorrichtung ferner eine Dampfturbine zum Antreiben des zweiten Verdichters aufweisen. Dabei wird bevorzugt zumindest ein Teil des Dampfes aus der Dampfzufuhrleitung durch die Dampfturbine geleitet und in dieser entspannt, bevor er in die Brennkammer strömt. Dabei können der zweite Verdichter und die Dampfturbine bevorzugt auf einer gemeinsamen Welle sitzen. Es ist aber ebenso möglich, die Leistung der Dampfturbine anderweitig, bspw. über ein Getriebe, in den zweiten Verdichter einzuspeisen.
Durch das Antreiben des zweiten Verdichters durch die Dampfturbine bzw. deren Antriebsleistung ergibt sich ein selbst regelndes System, da mit höherem Dampfmassestrom die Turbine stärker angetrieben wird, was wiederum eine höhere Verdichtung bewirkt und somit den Drosselzustand des stromaufwärtigen ersten Verdichters niveliert.
Gemäß einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Dampfquelle einen Verdampfer bzw. Wärmetauscher umfassen, der dazu eingerichtet ist, mit der Abgaswärme der Wärmekraftmaschine Wasser zu verdampfen. Entsprechende Systeme sind bspw. aus der WO2019/223823 A oder der W02020187345 Al bekannt, die hiermit per Referenz in die Beschreibung eingebunden sein sollen. Kurz zusammengefasst kann mittels eines Kondensators Wasser aus dem Abgasstrahl der Wärmekraftmaschine rückgewonnen werden, das dann in einen Verdampfer gepumpt wird, wo das Wasser verdampft bzw. überkritisch erhitzt wird, um der Brennkammer (und der Dampfturbine) zugeführt zu werden.
Gemäß einem weiter bevorzugten Aspekt der Erfindung kann ein Teil des Dampfes aus der Dampfzufuhrleitung durch die Dampfturbine fließen und ein anderer Teil des Dampfes über eine Bypassleitung an der Dampfturbine vorbei in die Brennkammer geleitet werden. Die bei der Verdampfung aus der Abgaswärme rückgewonnene Leistung kann den Bedarf des zweiten Verdichters deutlich übersteigen. Durch Abzweigen eines Teils des Dampfstroms für die Dampfturbine (während der restliche Dampf an der Turbine vorbei in die Brennkammer geleitet wird) kann die Dampfzufuhrvorrichtung bei entsprechender Auslegung bewerkstelligen, dass der Druckanstieg am zweiten Verdichter proportional zum Massestromanstieg durch die Dampfzufuhr geschieht. Gemäß einem weiter bevorzugten Aspekt der Erfindung kann durch ein Dampfregelventil die Dampfzufuhr in die Dampfturbine geregelt werden. Dies erlaubt ein noch flexibleres Anpassen der Turbinenleistung. Unter Umständen kann ein Betriebsmodus gewollt sein, bei dem sich die Druckänderung zeitweise nicht proportional zur Massestromänderung durch die Dampfzufuhr verhält. Wenn beispielsweise die Wärmekraftmaschine beim Beschleunigen mit erhöhter Temperatur am Austritt der Brennkammer betrieben wird, kann es von Vorteil sein die Verdichterleistung des zweiten Verdichters bzw. dessen Druckverhältnis zu erhöhen, um die Arbeitslinie im ersten Verdichter abzusenken und damit das gefährliche Verdichterpumpen sicher zu verhindern. Bevorzugt kann das Dampfregelventil ein Massestromverhältnis zwischen Dampfturbine und der Bypassleitung regeln.
Gemäß einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann/können- der zweite Verdichter und/oder die Dampfturbine nicht koaxial zu dem ersten Verdichter angeordnet sein. Bevorzugt können Verdichter und Dampfturbine auf einer eigenen Welle laufen, die Versetzt zu der Welle des ersten Verdichters angeordnet ist. Eine versetzte Anordnung hat den Vorteil, dass der Verdichter mit vergleichsweise kleinem Nabenverhältnis und dadurch mit großen Schaufelhöhen ausgelegt werden kann. Zudem kann der Turbomaschinenteil des Flugtriebwerks axial kürzer gebaut werden.
Gemäß einem weiter bevorzugten Aspekt der Erfindung kann die Wärmekraftmaschine wenigstens einen dritten Verdichter zum Beliefern des Brennraums und/oder einen Fan (Propulsor) und/oder wenigstens eine weitere Turbine, insbesondere zum Antreiben des dritten Verdichters und/oder Fans aufweisen. Weiter bevorzugt kann der Fan über ein (Untersetzungs-)Getriebe mit der Welle der weiteren Turbine verbunden sein. In anderen Worten kann die obenstehend beschriebene Wärmekraftmaschine das Kemtriebwerk eines Flugtriebwerks bilden und durch einen Fan, eine Niederdruckturbine und ggf ein weiteres Verdichtermodul ergänzt werden.
Gemäß einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Wärmekraftmaschine eine zweite Dampfturbine aufweisen, die ebenfalls von Dampf der Dampfzufuhrleitung durchströmt wird. Die Leistung der zweiten Dampfturbine kann bspw. in eine Welle der Wärmekraftmaschine oder in ein Nebenaggregat einspeist werden. Dies hat den Hintergrund, dass die bei der Verdampfung aus der Abgaswärme rückgewonnene Leistung den Bedarf des zweiten Verdichters übersteigen kann. Um diese überschüssige Leistung zu nutzen kann sie in einer zweiten (dritten, vierten..) Dampfturbine für andere Zwecke genutzt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 eine Wärmekraftmaschine nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Wärmekraftmaschine nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1 zeigt schematisch eine Wärmekraftmaschine 1, die auf dem Grundprinzip der Erfindung beruht. Das Problem der großen Arbeitspunkt- bzw. Arbeitslinienverschiebung im Verdichter 10 bei Dampfzuführung aus einer Dampfquelle 25 zur Brennkammer 11, wird durch die Wärmekraftmaschine 1 mit einer Dampfzufuhrvorrichtung 2 gelöst. Die Dampfzufuhrvorrichtung 2 hat als Hauptkomponenten einen zweiten Verdichter 20, der von einer Dampfturbine 21 angetrieben wird.
Luft die vom Verdichter 10 der Wärmekraftmaschine 1 gefördert wird, wird zum Verdichter 20 der Dampfzufuhrvorrichtung 2 geleitet. Die Dampfturbine 21 speist ihre Leistung in den Verdichter 20 ein und dieser ist so ausgelegt, dass die Druckerhöhung proportional zur Massestromänderung durch den Dampf ist. Damit ist ein sich selbst regelnder Mechanismus vorhanden der sicherstellt, dass sich die Lage der Arbeitslinie in den stromaufwärts liegenden Verdichtern, bei Dampfzuführung in die Brennkammer 11, nicht bzw. nicht wesentlich ändern. D.h. ohne Dampfzufuhr zur Dampfturbine wird der Verdichter 20 nicht angetrieben und bewirkt auch keine Druckerhöhung. Bei Dampfzufuhr von z.B. 30% des Luftmassenstroms wird so viel Leistung eingespeist, dass der Verdichter ein Druckverhältnis von Pi=l ,3 erzielt. In anderen Worten ist die Dampfzufuhrvorrichtung 2 derart ausgelegt, dass, wenn der Massestrom in der Turbine 30% höher ist als der Massestrom im Verdichter, der zweite Verdichter 20 auch den Druck vor der Brennkammer um 30% erhöht.
Dabei wird im dargestellten Beispiel in Kauf genommen, dass im dampflosen Betriebsfall der Verdichter 20 von der durch den ersten Verdichter 10 geförderten Luft durchströmt wird. Das verursacht Druckverluste, die aber nicht relevant sind, da es sich bei diesen Betriebspunkten um tiefe Teillastpunkt handelt.
Mit der Abgasenergie der Wärmekraftmaschine 1 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel Wasser, das von einer Speisewasserpumpe 26 zur Dampfquelle 25, in diesem Fall zu einem Dampferzeuger (einem Verdampfer/Wärmetauscher), gepumpt wird, verdampft und anschließend durch die Dampfleitung 24 zur Dampfturbine 21 geleitet. Dabei wird der Dampf auf einen Druck der sehr viel höher als der Druck in der Brennkammer 11 ist gebracht. Dadurch vergrößert sich das nutzbare Wärmegefälle. Nach der Expansion des Dampfes in der Dampfturbine 21 muss der Druck in der Abdampfleitung 23 größer oder mindesten gleich dem Druck in der Brennkammer 11 sein.
Der Energiestrom in der Dampfzufuhrleitung 24 ist größer als der Leistungsbedarf für den Antrieb des Verdichters 20. Deshalb wird die Dampfturbine 21 nur mit so viel Dampf versorgt, dass die Leistung ausreicht um die gewünschte Druckerhöhung im Verdichter 20 zu erzielen. Der restliche Dampf wird über eine Bypassleitung 22 direkt zu Brennkammer 11 geleitet.
Die Luft aus dem Verdichter 20 und der Abdampf aus der Dampfturbine 21 können direkt der Brennkammer 11 zugeführt werden, es ist auch möglich beide Ströme vorher ganz oder teilweise zu mischen. In der Brennkammer werden die ankommende Luft und der Dampf mit Kraftstoff (K) vermischt. Das durch die Verbrennung entstehende energiereiche Arbeitsgas wird in den Turbinen 12 und 13 entspannt. Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes Flugtriebwerk 3 mit der in Fig. 1 gezeigten Wärmekraftmaschine 1 mit der Dampfzufuhrvorrichtung 2, sowie einigen sinnvollen Erweiterungen. Man könnte auch sagen, die Wärmekraftmaschine 1 aus Fig. 1 bildet das Kerntriebwerk des Flugtriebwerks 3 (mit einigen leichten Anpassungen). Funktionsgleiche Elemente haben dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1.
Ergänzt sind ein Propulsor, im gezeigten Beispiel ein Fan 30, der von einer Niederdruckturbine 13 angetrieben wird, optional über ein zwischengeschaltetes Getriebe 31. Ebenfalls optional kann ein weiterer Verdichter (Niederdruckverdichter oder Booster) 32 in Strömungsrichtung zwischen Fan 30 und erstem Verdichter 10 angeordnet sein.
Die Dampfzufuhrvorrichtung 2 ist in Fig. 1 und Fig. 2 neben der bzw. versetzt zur Hauptachse der Wärmekraftmaschine 1 bzw. des Flugtriebwerks 3 angeordnet. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, ob die Anordnung parallel, schräg oder quer gewählt wird. Denkbar wäre in einem alternativen hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel auch eine koaxiale Anordnung. Da ein Triebwerk mit Dampf im Arbeitsgas eine sehr hohe spezifische Leistung erzielt, ergibt sich ein geringer Luftmassestrom für die Verdichter. Bei einer koaxialen Anordnung der Dampfzufuhrvorrichtung 2 würden sich hieraus sehr kleine Schaufelhöhen beim Verdichter 20 ergeben. Hohe Spaltverluste und die Gefahr des Pumpens wäre die Folge. Die versetzte Anordnung hat den großen Vorteil, dass der Verdichter 20 mit kleinem Nabenverhältnis und dadurch mit großen Schaufelhöhen ausgelegt werden kann. Zudem kann der Turbomaschinenteil des Flugtriebwerks axial kurz gebaut werden.
Wie weiter oben beschrieben ist der Energiestrom in der Dampfzufuhrleitung 24 größer als der Leistungsbedarf für den Antrieb des Verdichters 20. Aus diesem Grund kann es Vorteilhaft sein die überschüssige Energie in einer (optionalen) zweiten Dampfturbine 28 abzubauen. In Fig. 2 ist eine mögliche Ausführung schematisch dargestellt. Die zweite Dampfturbine 28 ist hier koaxial zur Triebwerksachse angeordnet und speist ihre Leistung über ein optionales zweites Getriebe 27 in eine Welle des Flugtriebwerks ein. In der Darstellung ist die Dampfturbine 28 mit der Dampfturbine 21 in Reihe geschaltet, d.h. der Dampf aus der Dampfquelle 25 (hier dem Dampferzeuger) durchströmt zuerst die zweite Dampfturbine 28 und danach die erste Dampfturbine 21. Auch eine Parallelschaltung der Dampfturbinen 21, 28 (nicht dargestellt) ist denkbar. Anstatt der Leistungseinspeisung in eine Triebwerkswelle könnten mit der Dampfturbine 28 auch Nebenaggregate oder beispielsweise ein Generator angetrieben werden.
Anhand der Wärmekraftmaschine aus Fig. 1 wird gezeigt, wie durch die Dampfzufuhrvorrichtung die Lage der Arbeitslinie der Arbeitspunkt im Verdichterkennfeld konstant gehalten werden kann. Bei entsprechender Auslegung kann die Dampfzufuhrvorrichtung 2, aber auch dazu genutzt werden, um die Lage des Arbeitspunktes gezielt zu beeinflussen. Hierzu wird ein Dampfregelventil 29 in die Dampfzufuhrleitung 24 integriert. Mit dem Dampfregelventil 29 kann die Dampfmenge der Dampfturbine 21 variiert werden. Bei unverändertem Dampfmassestrom zur Brennkammer, kann damit der Druckaufbau im Verdichter 20 geregelt werden. Je größer die Bypassmenge je geringer der Druckaufbau im Verdichter 20, dadurch wird der Verdichter 10 angedrosselt und dessen Arbeitspunkt bewegt sich in Richtung der Pumpgrenze. Bei geringerer Bypassmenge, genau das umgekehrte verhalten.
Das kann ein großer operationeller Vorteil sein, z.B. kann damit beim Beschleunigen des Triebwerks die Arbeitslinie im Verdichterkennfeld abgesenkt und damit „Pumpen" verhindert werden. Das erfindungsgemäße Triebwerkskonzept ermöglicht auf diese Weise einen sehr großen Arbeitsbereich, da neben der Turbineneintrittstemperatur auch der Massedurchsatz zur Leistungsanpassung genutzt werden kann. Durch die Beeinflussung des Arbeitspunkte im Verdichterkennfeld kann das dynamische Verhalten verbessert werden.
Bezugszeichenliste
1 Wärmekraftmaschine
2 Dampfzufuhrvorrichutng
3 Flugtriebwerk
10 erster Verdichter (Hochdruckverdichter)
11 Brennkammer
12 erste Turbine (Hochdruckturbine / HDT)
13 weitere Turbine (Niederdruckturbine / NDT)
20 zweiter Verdichter
21 Dampfturbine
22 Bypassleitung
23 Abdampfleitung
24 Dampfzufuhrleitung
25 Dampfquelle / Dampferzeuger
26 Spei sewasserpumpe
27 zweites Getriebe
28 zweite Dampfturbine
29 Dampfregelventil
30 Fan
31 Getriebe
32 Niederdruckverdichter (NDV)
K Kraftstoff

Claims

Patentansprüche
1. Wärmekraftmaschine (1), insbesondere Flugtriebwerk (3), mit einem ersten Verdichter (10) zum Beliefern einer Brennkammer (11) der Wärmekraftmaschine (1) mit Luft und einer stromabwärts der Brennkammer (11) angeordneten ersten Turbine (12) zum Antreiben des ersten Verdichters (10), wobei die Wärmekraftmaschine ferner mindestens eine Dampfzufuhrleitung (24) zum Zuführen von Dampf aus einer Dampfquelle (25) in die Brennkammer (11) aufweist, gekennzeichnet durch eine Dampfzufuhrvorrichtung (2), welche einen stromabwärts des ersten Verdichters (10) angeordneten zweiten Verdichter (20) aufweist und welche dazu eingerichtet ist, den zweiten Verdichter (20) derart zu betreiben, dass dieser die Luft zumindest temporär, in Abhängigkeit von einem durch die Dampfzufuhrleitung (24) geleiteten Massestrom, weiter verdichtet, bevor es in die Brennkammer (11) strömt.
2. Wärmekraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzufuhrvorrichtung (2) zumindest in einem ersten Betriebsmodus dazu eingerichtet ist, den zweiten Verdichter (20) so zu betreiben, dass die Druckerhöhung der Luft proportional zur Massestromänderung durch den in die Brennkammer (11) eingespeisten Dampf ist.
3. Wärmekraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzufuhrvorrichtung (2) zumindest in einem zweiten Betriebsmodus dazu eingerichtet ist, den zweiten Verdichter (20) so zu betreiben, dass die Druckerhöhung der Luft nicht proportional zur Massestromänderung durch den in die Brennkammer (11) eingespeisten Dampf ist, insbesondere sich der Druck stärker erhöht als eine Zunahme des Massestroms.
4. Wärmekraftmaschine (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzufuhrvorrichtung (2) ferner eine Dampfturbine (21) zum Antreiben des zweiten Verdichters (20) aufweist und zumindest ein Teil des Dampfes aus der Dampfzufuhrleitung (24) durch die Dampfturbine (21) geleitet und in dieser entspannt wird, bevor er in die Brennkammer (11) strömt.
5. Wärmekraftmaschine (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfquelle (25) einen Verdampfer bzw. Wärmetauscher (25) umfasst, der dazu eingerichtet ist, mit der Abgaswärme der Wärmekraftmaschine (1) Wasser zu verdampfen und/oder überkritisch zu erhitzen.
6. Wärmekraftmaschine (1) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Wasserrückgewinnungsanlage zur Rückgewinnung von Kondenswasser aus dem Abgas der Wärmekraftmaschine mit zumindest einem zweiten Wärmetauscher.
7. Wärmekraftmaschine (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Dampfes aus der Dampfzufuhrleitung (24) durch die Dampfturbine (21) fließt und ein anderer Teil des Dampfes über eine Bypassleitung (22) an der Dampfturbine (21) vorbei in die Brennkammer (11) geleitet wird.
8. Wärmekraftmaschine (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Dampfregelventil (29), welches die Dampfzufuhr in die Dampfturbine (21), insbesondere ein Massestromverhältnis zwischen Dampfturbine (21) und Bypassleitung (22), regelt.
9. Wärmekraftmaschine (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (20) und/oder die Dampfturbine (21) nicht koaxial zu dem ersten Verdichter (10) angeordnet ist/sind.
10. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen dritten Verdichter (32) und/oder Fan (30) zum Beliefern des Brennraums und/oder durch wenigstens eine weiteren Turbine (13), insbesondere zum Antreiben des weiteren Verdichters und/oder Fans, insbesondere über ein Getriebe (10).
11. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 10, gekennzeichnet durch eine zweite Dampfturbine (28), die von Dampf der Dampfzufuhrleitung (24) durchströmt wird und die Leistung in eine Welle der Wärmekraftmaschine oder in ein Nebenaggregat einspeist. 15
12. Luftfahrzeug, gekennzeichnet durch zumindest eine Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei wenigstens temporär Dampf über die Dampfzufuhrleitung (24) in die Brennkammer (11) geleitet wird und der zweite Verdichter (20) in Abhängigkeit von dem zugeführten Dampfmassestrom betrieben wird, um die Luft weiter zu verdichten.
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