Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere ein Flugtriebwerk, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Triebwerke von Flugzeugen, sei es zivile Flugtriebwerke oder militärische Flugtriebwerke, erzeugen neben einem Vorschub zur Fortbewegung des Flugzeugs auch Energie zur Versorgung von Anbaueinrichtungen bzw. Nebenaggregaten der Gasturbine oder zur Versorgung flugzeugseitiger Systeme, wie z. B. der Klimaanlage. Bei den Anbaueinrichtungen, Nebenaggregaten oder auch flugzeugseitigen Systemen eines Flugtriebwerks kann es sich um hydraulisch, pneumatisch oder auch elektrisch bzw. elektromotorisch angetriebene Einrichtungen, Aggregate oder Systeme handeln.
Bei der Entwicklung von Flugzeugen ist ein eindeutiger Trend dahingehend festzustellen, dass zunehmend mehr elektrische Energie im Flugzeug benötigt wird. Dies liegt zum einen darin begründet, dass hydraulisch oder pneumatisch betriebene Anbaueinrichtungen oder Nebenaggregate der Gasturbinen durch elektromotorisch betriebene Anbaueinrichtungen oder Nebenaggregate ersetzt werden, und dass andererseits ein immer größerer Energiebedarf pro Sitzplatz im Flugzeug benötigt wird. Die Flugtriebwerke müssen daher immer größere elektrische Leistungen bzw. eine immer größere elektrische Energie bereitstellen. Derartige Flugtriebwerke werden auch als „More Electric Engine" (MEE) bezeichnet.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Versorgung der Anbaueinrichtuπgen oder Nebenaggregate der Gasturbine sowie der flugzeugseitigen Systeme ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, einem Kerntriebwerk der Gasturbine mechanische Energie zu entnehmen, die z. B. für den Antrieb von Pumpen und Generatoren verwendet wird. So zeigt z. B. die DE 41 31 713 C2 ein Flugtriebwerk, wobei einem Kerntriebwerk Wellenleistung entnommen wird und diese Wellenleistung Nebenaggregaten zugeführt wird.
Bei der Entwicklung von Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerken, mit zunehmend mehr elektromotorisch angetriebenen Anbaueinrichtungen bzw. Nebenaggregaten ist
zu beachten, dass die Elektromotoren und zugehörigen Leistungselektroniken der Anbaueinrichtungen bzw. Nebenaggregate sowie die Generatoren zur Erzeugung e- lektrischer Energie beträchtliche Verlustleistungen aufweisen und sich während des Betriebs merklich erhitzen. Weiterhin müssen die Anbaueinrichtungen bzw. Nebenaggregate der Gasturbine sowie die Generatoren an der Gasturbine in einer relativ heißen Umgebung arbeiten. Da die Lebensdauer elektrischer bzw. elektronischer Baugruppen von der Temperatur abhängt, der dieselben ausgesetzt sind, ist eine effektive Kühlung dieser Baugruppen erforderlich, um möglichst niedrige Betriebstemperaturen einhalten zu können.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Gasturbine, insbesondere ein neuartiges Flugtriebwerk, zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Gasturbine durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß sind zumindest einige der stromführenden und/oder spannungsführenden Leitungen treibstoffgekühlt.
Vorzugsweise sind nur solche stromführenden und/oder spannungsführenden Leitungen treibstoffgekühlt, die der Leitung merklicher elektrischer Ströme in der Größenordung von einigen Ampere (größer als 1 Ampere) und/oder der Leitung merklicher elektrischer Spannungen in der Größenordung von einigen Hundert Volt (größer als 100 Volt) dienen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind einerseits stromführende und/oder spannungsführende Leitungen innerhalb der oder jeder Anbaueinrichtung und innerhalb des oder jeden Generators und andererseits stromführende und/oder spannungsführende Leitungen zur Verbindung einer Anbaueinrichtung mit einem Generator als Hohlleiter ausgebildet und zur Kühlung von Treibstoff durchflössen. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach vorgeschlagen, die zur Stromverteilung an der Gasturbine ohnehin notwendigen stromführenden und/oder spannungsführenden Leitungen als Hohlleiter auszuführen und durch dieselben zur Küh-
lung Treibstoff zu leiten. Hierdurch ist eine besonders effektive Kühlung aller beteiligten Baugruppen möglich.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Dicke und der Innendurchmesser der stromführenden und/oder spannungsführenden Hohlleiter an den zur Kühlung benötigten Treibstoffvolumenstrom und an den benötigten elektrischen Stromfluss angepasst.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 : ein stark schematisiertes Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Treibstoffführung nach einer bevorzugten Ausführungsform der hier vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: ein weiteres stark schematisiertes Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Treibstoffführung nach einer bevorzugten Ausführungsform der hier vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3: ein weiteres stark schematisiertes Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Treibstoffführung einer bevorzugten Ausführungsform der hier vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend wird die hier vorliegend Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 in größerem Detail beschrieben.
Fig. 1 bis 3 verdeutlichen die hier vorliegende Erfindung anhand stark schematisierter Blockschaltbilder. So zeigt Fig. 1 eine Treibstoffpumpe 10, die über eine Treib- stoffleitung 1 1 an einen nicht-dargestellten Treibstofftank angeschlossen ist und mithilfe derer Treibstoff dem Treibstofftank entnommen werden kann. Weiterhin
zeigt Fig. 1 einen Antriebsmotor 12 der Treibstoffpumpe 10. In den Antriebsmotor 12 der Treibstoffpumpe 10 ist ein Leistungselektronikblock 13 integriert, welcher der Steuerung des Antriebsmotors 12 dient. Der Antriebsmotor 12 der Treibstoffpumpe 10 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Drehstrommotor in Synchrontechnik oder Ansynchrontechnik ausgeführt, wobei Fig. 1 die Wicklungen 14 der drei Phasen des Antriebsmotors 12 visualisiert. Bei den Wicklungen 14 des Antriebsmotors 12 handelt es sich um spannungsführende und/oder stromführende Leitungen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind die stromführenden und/oder spannungsführenden Wicklungen 14 des Antriebsmotors 12 als Hohlleiter ausgebildet und zur Kühlung des Antriebsmotors 12 von Treibstoff durchflössen. Der Treibstoff wird über die Treibstoffpumpe dem nicht-dargestellten Treibstofftank entnommen. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist zwischen die Treibstoffpumpe 10 und den Antriebsmotor 12 derselben eine Kühleinrichtung 15 geschaltet, wobei mithilfe der Kühleinrichtung 15 der dem nicht-dargestellten Treibstoff tank entnommene Treibstoff vor Weiterleitung an die Wicklungen 14 des Antriebsmotors 12 auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt wird.
Der abgekühlte Treibstoff wird bei einem als Drehstrommotor ausgebildeten Antriebsmotor 12 in Richtung auf den sogenannten Sternpunkt 27 des Antriebsmotors geleitet. Vom Sternpunkt 27 aus teilt sich der Treibstoff auf die Wicklungen 14 auf. Von den jeweiligen Enden der drei Wicklungen 14 wird der Treibstoff über Hohlschrauben 16 dem Leistungselektronikblock 13 zugeführt, wobei der Treibstoff zur Kühlung des Leistungselektronikblocks 13 durch denselben geleitet wird. Der Treibstoff ist dabei möglichst nahe bzw. direkt am Verlustwärme erzeugenden Silizium vorbeizuführen.
Fig. 3 zeigt eine mögliche Führung des Treibstoffs durch den Leistungselektronikblock 13 in größerem Detail. So wird der Treibstoff über die Wicklungen 14 und die Hohlschrauben 16 dem Leistungselektronikblock 13 zugeführt. Im Leistungselektronikblock 13 wird der Treibstoff direkt an den Verlustwärme erzeugenden, elektronischen Baugruppen 23 vorbeigeführt, wobei mit der Bezugsziffer 26 Bonddrähte der elektronischen Baugruppen 23 gekennzeichnet sind. Der Treibstoff wird durch einen
den elektronischen Baugruppen 23 zugeordneten Fächerkühlkörper 24 geführt. Die Strömungsrichtung des Treibstoffs durch den Leistungselektronikblock 13 ist in Fig. 3 durch den Pfeil 25 dargestellt.
Gemäß Fig. 1 und 2 steht der Antriebsmotor 12 der Treibstoffpumpe 10 bzw. der Leistungselektronikblock 13 desselben über spannungsführende und/oder stromführende Leitungen 17 und 18 mit einem weiteren Leistungselektronikblock 19 eines Generators 20 in Verbindung. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind die stromführenden und/oder spannungsführenden Leitungen 17 und 18 ebenfalls als Hohlleiter ausgebildet und von Treibstoff durchflössen. Demnach wird der als Kühlmedium dienende Treibstoff über stromführende und/oder spannungsführende Leitungen einerseits innerhalb der jeweiligen Baugruppen geführt und andererseits von einer Baugruppe zur anderen weitergeleitet. Über die Leitungen 17 und 18 gelangt demnach der Treibstoff von dem Leistungselektronikblock 13 des Antriebsmotors 12 der Treibstoffpumpe 10 in den Leistungselektronikblock 19 des Generators 20 zur Kühlung desselben.
Es liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, Wicklungen von in den Leistungselektronikblöcken 13 und 19 erforderlichen Schutzinduktivitäten, sogenannte EMC-Schutzinduktivitäten, als Hohlleiterwicklungen auszuführen. Auch durch diese Hohlleiterwicklungen ist dann zur Kühlung Treibstoff leitbar.
Vom Leistungselektronikblock 19 wird dann über Leitungen 21 der Treibstoff dem eigentlichen Generator 20 zugeführt. Ausgehend vom Generator 20 kann dann der Treibstoff über als Hohlleiter ausgebildete Leitungen 22 entweder unmittelbar einer nicht-dargestellten Einspritzdüse im Bereich einer Brennkammer der Gasturbine oder weiteren Anbaueinrichtungen bzw. Nebenaggregaten der Gasturbine zugeführt werden.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Führung des als Kühlmittel dienenden Treibstoffs durch eine Anbaueinrichtung (Antriebsmotor 12 der Treibstoffpumpe 10) und einen Generator der Gasturbine stellt lediglich eine mögliche Führung des Treibstoffs dar. Neben der gezeigten Führung des Treibstoffs sind selbstverständlich weitere Treib-
Stoffführungen möglich. Für die hier vorliegende Erfindung ist es jedoch von Bedeutung, dass zumindest einige der stromführenden und/oder spannungsführenden Leitungen, die innerhalb einer Anbaueinrichtung bzw. innerhalb eines Generators verlaufen, und die andererseits der Verbindung zwischen Anbauaggregaten bzw. Generatoren dienen, treibstoffgekühlt sind und insbesondere als Hohlleiter ausgebildet sind, wobei die Hohlleiter zur Kühlung der Anbaueinrichtungen bzw. Nebenaggregate sowie Generatoren von Treibstoff durchflössen bzw. durchströmt sind.
Die Hohlleiter sind vorzugsweise als Kupferhohlleiter ausgebildet. Ein Innenquerschnitt der Kupferhohlleiter ist dabei an den zur Kühlung benötigten Volumenstrom des Treibstoffs angepasst. Die Wanddicke der Hohlleiter ist an den benötigten Stromfluss angepasst. Hierdurch können die Hohlleiter im Hinblick an Kühlung und Stromführung optimal angepasst werden.
Die stromführenden und/oder spannungsführenden Hohlleiter sind entweder in Stromführungsrichtung oder entgegengesetzt zur Stromführungsrichtung von Treibstoff durchflössen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden demnach ohnehin am Triebwerk vorhandene stromführende bzw. spannungsführende Leitungen zum Transport des als Kühlmedium dienenden Treibstoffs verwendet. Hierdurch ergibt sich ein vereinfachter Aufbau der Gasturbine. Das erfindungsgemäße Konzept kann bei nahezu allen Abbauaggregaten bzw. Generatoren an einer Gasturbine Verwendung finden.