WO2012097797A2 - Wärmetauscher und strahltriebwerk mit solchem - Google Patents

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Karl-Heinz Dusel
Roland Huttner
Hans-Christian Melzer
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Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular for a jet engine, and a jet engine with at least one heat exchanger.
  • the exhaust gas heat exchanger is a lancet frame temperature exchanger, as is known per se from the prior art. The installation of such heat exchangers in the
  • EP 1 589 204 A2 discloses an exhaust gas heat exchanger in the exhaust gas jet of a
  • FIGS. 3A and 3B show one end of a flower mixer, wherein FIG. 3A is a longitudinal sectional view and FIG.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view along an arrow indicated in FIG. 3A by a dashed and dotted line BB in the direction of view.
  • the prior art engine 110 includes a shell 111 within which a central main flow channel 112 and a shell-shaped bypass channel 114 extend.
  • a so-called flower mixer 117 is arranged in the rear region of the engine 1 10 .
  • the flower mixer is a tubular member, the downstream end is more and more curled, so that the tube end a
  • the pipe wall thus forms outer channels 117 a and
  • Inner channels 117b off.
  • main and sub-streams downstream of the pipe end in a mixing zone 150 mix more uniformly, and the guiding action of the inner channels 117b additionally causes a reduction in a twist of the core flow (the main stream).
  • Object of the present invention is an improved heat exchanger, in particular for use in a jet engine, an improved flow mixer and a
  • the present invention is based on the consideration that the manufacturing and
  • Assembly effort of a jet engine can be reduced if structural and / or fluid mechanical functions, ie functions of structural and or fluidmechani see elements with which a heat exchanger are combined, ie if a heat exchanger as a structural and / or fluid mechanical element or integral with a , Such is formed or vice versa, and at the same time, preferably, the entire component is produced generatively.
  • a heat exchanger in particular for a jet engine, as a structural and / or fluid mechanical element or integrally formed with such and produced at least partially generative.
  • Aspect of the invention is a structural and / or fluid mechanical element for a Turbomachine, in particular for a jet engine, as one or integrally formed with a heat exchanger and at least partially produced generatively.
  • a structural mechanical element is understood as meaning, in particular, a component which (also) contributes to the mechanical load bearing capacity of a structure which does not have to belong to the heat exchanger per se functionally.
  • a fluid-mechanical element is to be understood as meaning a component which (also) contributes to the flow-guiding property of a structure which is not functionally equivalent to the structure
  • Heat exchanger must belong to.
  • a heat exchanger structure fulfills a double or multiple function within an engine. Due to the
  • heat exchanger function and structural and / or fluid mechanical function within an engine, without having to add pipes or plates or other heat exchange elements. Therefore, the possibility of leaks, which may occur at joints, can be reduced or avoided altogether, which can also reduce the testing costs for such a component.
  • the heat exchanger can be easily adapted as an integrated component with optimal space utilization and location to a space present in a flow channel.
  • the heat exchanger is flowed through by a heat exchange medium and has at least one heat exchange section, which can be flowed around by a fluid flow, wherein the heat exchange section has one or more lamellae, lancets, tubes or plates. Further preferably, the heat exchanger is designed so that the
  • Heat exchange portion is flowed through by the heat exchange medium.
  • the heat exchanger is designed such that the heat exchange section has a surface topography, which is designed in terms of a high heat transfer and a low flow resistance, in particular with respect to the flowing around fluid stream.
  • the heat exchanger is configured such that the fluid flow is a secondary flow or a part of a secondary flow of a jet engine, wherein the heat exchange medium a Main stream of the jet engine between compressor stages, in particular between a low or medium pressure compressor stage and a medium or high pressure compressor stage of the jet engine, is taken, wherein preferably the entire main flow of
  • Jet engine optionally divided into partial streams, by the or
  • Heat exchange sections is conductive, and a next compressor stage is fed again.
  • a removal can be understood according to the above definition in particular the removal of a partial flow, but also a deflection of the total flow (each of the main flow).
  • an intercooler for a compressor of a jet engine can be advantageously realized.
  • the heat exchanger is configured such that the fluid flow is a main flow of a jet engine after a turbine stage, in particular a last turbine stage of
  • Jet engine, and the heat exchange medium is at least a partial flow of the main flow of the jet engine, after a compressor stage, in particular a last
  • High-pressure compressor stage of the jet engine is removed, and after flowing through the heat exchange portion, preferably the main stream before or in the region of
  • Removal can be understood as meaning both the removal of a partial flow and a deflection of the total flow (in each case of the main flow). With this configuration can also be a recuperative
  • Combustion air can be advantageously realized.
  • the heat exchanger is integrally formed with a mixer, which the
  • the mixer is designed as a flower mixer, wherein heat exchange sections are arranged in flowed through by the main stream of the jet engine areas.
  • the design as a flower mixer has proven to be a simple and effective interpretation possibility.
  • the heat exchanger is formed integrally with a support structure. This can improve the degree of integration, the design flexibility, the versatility and the ease of installation.
  • the heat exchanger is made in several sections, wherein flow-through cavities of heat exchange sections do not extend over a plurality of sections.
  • portions may be provided which are composable in the circumferential direction.
  • a jet engine with at least one heat exchanger or at least one structural and / or fluid mechanical element as described above is provided.
  • a flow mixing device for mixing a first gas flow with a second gas ström, wherein the flow mixing device comprises a plurality of first flow channels for guiding at least a partial flow of the first gas flow and a plurality of second
  • Flow channels for guiding at least a partial flow of the second gas stream, wherein at least in a part of the first flow channels and / or the second
  • Fig. 1 is a downstream portion of an engine with integrated mixer
  • FIG. 2 shows an upstream portion of an engine with integrated support web and heat exchanger in a schematic longitudinal sectional view of a secondstrasbei game of the present invention.
  • FIG. 3A is a schematic longitudinal sectional view of a downstream portion of a prior art flower mixer;
  • Fig. 3B is a cross-sectional view taken along a line B-B in Fig. 3A.
  • FIGS. 1 and 2 described two basic embodiments of the invention.
  • Fig. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a downstream portion of a jet engine 10 as a first embodiment of the present invention.
  • a main flow channel 12 extend with a main flow
  • the engine 10 in the upstream region of the main flow channel 12 as a core engine at least one compressor assembly, a
  • the main flow 13 is as exhaust gas flow of
  • the main flow channel 12 and the bypass channel 14 are through an insulating member
  • Partition wall 16 separated from each other.
  • a flow mixer 17 is connected to the insulating member 16.
  • the flow mixer 17 has a circular cross-section at an upstream end, which waves more and more like a flower in the downstream direction to form inner and outer channels similar or similar to those known per se in Fig. 3B. Furthermore, a centrally located
  • Deflection cone 18 is provided, which urges the core flow 13 in the region near the axis radially outward. Through the deflection cone 18 and the inner contour of the flow mixer 17, a flow cross section 19 for the core flow 13 is defined.
  • Heat exchanger 20 is arranged. In the figure, only a portion of the heat exchanger 20 is visible, which fits in an inner channel of the flow mixer 17 (see Fig. 17b in Fig. 3B). It should be noted that the heat exchanger 20 covers the entire area through which the core flow 13 flows.
  • the heat exchanger 20 is a so-called lancet heat exchanger in which a plurality of tubes 21 having a lancet-like (approximately elliptical) cross-section
  • the tubes (lancets) 21 are approximately horseshoe-shaped or U-shaped from the flow distributor to the return manifold.
  • the flow distributor 21a is connected to a supply line 22, and the return distributor 21b is connected to a return line 24; the connection is made via a common flange 20 a of the heat exchanger 20.
  • the lancets 21 are flowed around during operation by the (hot) core flow 13.
  • Supply line 22 leads from a point downstream of a last compressor stage (not shown) of the engine 10 branched compressor air 23 to the heat exchanger, and the return line 24 leads the heated in the lancets 21 by the hot core flow 13 air as combustion air 25 to the combustion chamber (not shown ) back.
  • the heat exchanger 20 is formed as an integral component with the flow mixer (flower mixer) 17.
  • the formation of this integral component (hereinafter referred to as
  • RM method is a collective term for stratified original form method in which a geometric, three-dimensional body in layers by means of
  • RM methods which are also known as stereo lithographic mastering, build-up welding, laser generation or
  • the integral design together with the generative manufacturing process, makes it possible to design the junctions of the manifolds (conduits) to the lancets 21, which are conventionally glued, soldered or welded, for example, as joint-free transitions Due to the layered structure, it is also possible to design the surface topography in such a way that on the one hand the heat transfer is optimized, without on the other side the
  • the flow mixer 17 may be formed integrally with the insulating member 16 or a part thereof, and the heat exchanger 20 may be formed integrally with the insulating member 16
  • Lines 22, 24 or a part thereof may be formed.
  • the heat exchanger 20 can be formed integrally with the deflection cone 18 instead of the flower mixer 17.
  • the mixer / heat exchanger 17, 20 is divided into segments circumferentially to facilitate assembly within the engine 10. This extend
  • a segment may comprise several flowers.
  • a mixer / heat exchanger 17, 20 may be divided into two halves, four quarters, or as many segments as there are flowers.
  • the parting planes are in the region of the outer channels of the flower mixer (compare 117a in Fig. 3B).
  • the portions of the heat exchanger 20 disposed within an internal passage of the flower mixer 17 may in turn be divided without conduits, channels or lancets. to cut; In this case, the dividing planes may be in the range of
  • Inner channels or in the region of the heat exchanger 20 are, which can give the joints of the segments higher stability.
  • FIG. 2 shows in a schematic longitudinal sectional view of an upstream portion of a jet engine 10 as a second Auasflihrungsbei game of the present invention.
  • a main flow channel 12 Within a drive gondola 1 1 run a main flow channel 12 with a main flow
  • the illustrated area comprises a compressor arrangement with a multi-stage
  • combustion chamber and a turbine assembly are provided downstream of the high-pressure compressor, as it in itself in literature and practice in manifold
  • Intercooler 30 is arranged.
  • the intercooler 30 has a flow channel 31, which extends in the region of the sheath flow 15 and a plurality of cooling fins (not shown), which extend into the secondary flow 15.
  • the flow channel 31 biases a transverse or diagonal to the flow direction of the sheath flow 15 lying
  • a support bar 34 connects the
  • the heat exchanger 30 is formed as an integral part with the support web 34.
  • the formation of this integral component (hereinafter referred to as mixer / heat exchanger) is carried out by the RM method explained above (for "rapid manufacturing").
  • the advantages of the integral, generative design correspond analogously to those mentioned in connection with the heat exchanger 20 of the first exemplary embodiment. Joints, joints and mounting points can be largely avoided. Leakage due to
  • Intercooler 30 to adapt to the geometry of the bypass channel and the main flow channel.
  • intercooler 30 and support bar 34 allows a
  • the resulting component performs a dual function as a heat exchanger and structural component or fluid mechanical component of the engine.
  • the intercooler 30 extracts heat from the compressor air.
  • the air from the low pressure compressor 26 is cooled and supplied to the high pressure compressor 28, which is the improves thermal efficiency and reduces the thermal load of the high-pressure compressor 28.
  • the Volunteerstromlufl 15 is preheated, which increases the efficiency of the mixer. Thus, a reduction of the noise and an increase in the overall efficiency can be achieved.
  • the ribs of the intercooler 30 are connected to a housing (not shown in detail).
  • the support structure is hollow, optionally thin-walled and / or profiled, which can also reduce the weight and can be realized advantageously with the RM method.
  • the support structure is executed segmented.
  • the intercooler 30 may, if appropriate according to the number of segments, divided into several parts (rings), for example, from central, common flanges (not shown in detail) extend from. A segmented design can also simplify the assembly work and the adaptation to the geometry of the nacelle 11.
  • the intercooler 30 is as
  • Compressor medium pressure compressor
  • an intercooler between medium and high pressure compressor, between low and medium pressure compressor or both may be provided.
  • the heat exchanger 20 and the intercooler 30 are heat exchangers or
  • the flow mixer 17 and the Support web 34 are structural and / or fluid mechanical elements in the context of the invention.
  • the flow mixer 17 is also a flow mixing device according to the invention.
  • Exemplary embodiments are heat exchanger media in the sense of the invention.
  • the lancets 21 in the first embodiment and the shelves 32 with transverse ribs and the cooling fins, in part also the flow channel 31 itself, are heat exchange sections in the context of the invention.
  • the core flow 13 in the first embodiment and the secondary flow 15 in the second embodiment are flowing fluid flows in the sense of the invention.
  • the main flow 13 and the secondary flow 15 of the first embodiment are first and second gas streams according to the invention, and inner and outer channels of the flow mixer 17 are first and second flow channels in the context of the invention.

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Abstract

Ein Wärmetauscher, insbesondere für Strahltriebwerk, ist als struktur- und/oder fluidmechanisches Element oder integral mit einem solchen ausgebildet und wenigstens teilweise generativ hergestellt.

Description

Wärmetauscher und Strahltriebwerk mit solchem
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Strahltriebwerk, und ein Strahltriebwerk mit wenigstens einem Wärmetauscher.
Aus der DE 10 2006 021 436 AI ist bekannt, bei einem Gasturbinentriebwerk mit einem
Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine einen Abgaswärmetauscher im Abgas der Turbine vorzusehen, welcher der Rückführung von Abwärme des Abgases in verdichtete Verbrennungsluft vor einem Eintritt derselben in die Brennkammer dient. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Abgaswärmetauscher um einen Lanzettenrrratrixwännetauscher, wie er an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Einbau derartiger Wärmetauscher in dem
Abgaskanal einer Triebwerksturbine ist beispielsweise in Gmelin et al., "Zusammenfassende Darstellung der Effizienzpotenziale bei Flugzeugen unter besonderer Berücksichtigung der aktuellen Triebwerkstechnik sowie der absehbaren mittelfristigen Entwicklungen" (FKZ UM 07 06 602/01) im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, IG I 5, Berlin 2008, Seiten 37, 62 und 71 dargestellt.
Ebenfalls aus Gmelin et al., Seiten 36, 37 ist es bekannt, Verdichterluft zwischen Niederdruck- und Hochdruckverdichter durch einen einem Teilstrom des kalten Nebenstroms ausgesetzen Zwischenkühler zu leiten und diese mit einem Abgaswärmetauscher (Rekuperator) zu kombinieren, um zu noch höheren Gesamtwirkungsgraden zu gelangen.
Die EP 1 589 204 A2 offenbart einen Abgaswärmetauscher im Abgasstrahl eines
Gasturbinentriebwerks, wobei Verdichterluft durch sternförmig stromab der Turbinenstufen angeordnete Streben geleitet wird, wobei die Streben stromlinienförmige, beidseitig
rechenförmig angeordnete Flügel aufweisen. Durch Abgas Wärmetauscher ist es möglich, den thermischen Wirkungsgrad und damit den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen.
Unter anderem zur Lärmreduktion von Strahltriebwerken und Drallreduktion des Abgasstrahl s ist es z.B. aus der DE 39 03 713 AI, der DE 10 2007 004 741 AI oder der DE 10 2008 023 816 bekannt, Primär ström (Hauptstrom) und Sekundär ström (Nebenstrom) eines Strahltriebwerks in einer Mischdüse von gewelltem bzw. blütenförmigem Rohrende zu führen. Dabei sind Mischer von grundsätzlich rundem oder flachem Querschnitt gezeigt. Fig. 3A und Fig. 3B zeigen ein Ende eines Triebwerks mit Blütenmischer, wobei Fig. 3A eine Längsschnittansicht ist und Fig.
BESTÄTIGUNGSKOPIE 3B eine Querschnittsansicht entlang einer in Fig. 3A durch eine strichpunktierte Linie B-B angedeuteten Ebene in Blickrichtung zugehöriger Pfeile ist. Das Triebwerk 110 nach dem Stand der Technik weist eine Hülle 111 auf, innerhalb deren ein zentraler Hauptstromkanal 112 und ein mantelförmiger Nebenstromkanal 114 verlaufen. Im hinteren Bereich des Triebwerks 1 10 ist ein sogenannter Blütenmischer 117 angeordnet. Der Blütenmischer ist ein rohrförmiges Bauteil, dessen stromabwärtiges Ende mehr und mehr gewellt ist, sodass das Röhrende eine
blütenblattartige Form annimmt. Die Rohrwandung bildet somit Außenkanäle 117a und
Innenkanäle 117b aus. Hierdurch vermischen sich Haupt- und Nebenstrom stromabwärts des Rohrendes in einer Vermischungszone 150 gleichmäßiger, und die Leitwirkung der Innenkanäle 117b bewirkt zusätzlich eine Herabsetzung eines Dralls der Kernströmung (des Hauptstroms).
Aus DE 197 40 502 AI oder US 2008/0149304 AI ist es bekannt, bestimmte Strukturen von Wärmetauschern durch Lasergenerieren, Lasersintern bzw. schichtweise Stereolithographie herzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Wärmetauscher, insbesondere zur Verwendung für ein Strahltriebwerk, einen verbesserten Strömungsmischer sowie ein
verbessertes Strahltriebwerk zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder ein struktur- und/oder fluidmechanisches Element nach Anspruch 11 gelöst. Ansprüche 12 und 13 stellen jeweils ein Strahltriebwerk unter Schutz.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, dass der Fertigungs- und
Montageaufwand eines Strahltriebwerks verringert werden kann, wenn struktur- und/oder fluidmechanische Funktionen, also Funktionen von struktur- und oder fluidmechani sehen Elementen, mit denen eines Wärmetauschers kombiniert werden, wenn also ein Wärmetauscher als struktur- und/oder fluidmechanisches Element oder integral mit einem, solchen ausgebildet ist oder umgekehrt, und gleichzeitig das, vorzugsweise gesamte, Bauteil generativ hergestellt wird.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung ist somit ein Wärmetauscher, insbesondere für ein Strahltriebwerk, als struktur- und/oder fluidmechanisches Element oder integral mit einem solchen ausgebildet und wenigstens teilweise generativ hergestellt. Nach einem anderen
Gesichtspunkt der Erfindung ist ein struktur- und/oder fluidmechanisches Element für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Strahltriebwerk, als ein oder integral mit einem Wärmetauscher ausgebildet und wenigstens teilweise generativ hergestellt.
Als strukturmechanisches Element wird im Sinne der Erfindung insbesondere ein Bauelement verstanden, welches (auch) zur mechanischen Tragfähigkeit einer Struktur beiträgt, die funktional nicht zu dem Wärmetauscher an sich gehören muss. Als fluidmechanisches Element wird im Sinne der Erfindung entsprechend ein Bauelement verstanden, welches (auch) zur Strömungsfuhrungseigenschaft einer Struktur beiträgt, die funktional nicht zu dem
Wärmetauscher an sich gehören muss.
Es kann somit die vorteilhafte Wirkung erzielt werden, dass eine Wärmetauscherstruktur eine doppelte oder mehrfache Funktion innerhalb eines Triebwerks erfüllt. Aufgrund der
erfindungsgemäßen generativen Herstellung ist es möglich, Baugruppen mit
Wärmetauscherfunktion und struktur- und/oder fluidmechanischer Funktion innerhalb eines Triebwerks bereitzustellen, ohne Rohre oder Platten oder sonstige Wärmeaustauschelemente fügen zu müssen. Daher kann auch die Möglichkeit von undichten Stellen, die an Fügestellen auftreten können, herabgesetzt oder gänzlich vermieden werden, was auch den Prüfaufwand für ein solches Bauteil reduzieren kann. Schließlich kann der Wärmetauscher als integriertes Bauteil einfach und mit optimaler Raumausnutzung und Lage an einen in einem Strömungskanal vorhandenen Raum angepasst werden.
Vorzugsweise ist der Wärmetauscher durch ein Wärmetauschermedium durchströmbar und weist wenigstens einen Wärmeaustauschabschnitt auf, der von einem Fluidstrom umströmbar ist, wobei der Wärmeaustauschabschnitt eine oder mehrere Lamellen, Lanzetten, Röhren oder Platten aufweist. Weiter vorzugsweise ist der Wärmetauscher so ausgestaltet, dass der
Wärmeaustauschabschnitt durch das Wärmetauschermedium durchströmbar ist.
Weiter vorzugsweise ist der Wärmetauscher so ausgestaltet, dass der Wärmeaustauschabschnitt eine Oberflächentopographie aufweist, die hinsichtlich eines hohen Wärmeübergangs und eines niedrigen Strömungswiderstands, insbesondere gegenüber dem umströmenden Fluidstrom, ausgelegt ist.
Bevorzugt ist der Wärmetauscher so ausgestaltet, dass der Fluidstrom ein Nebenstrom bzw. ein Teil eines Nebenstroms eines Strahltriebwerks ist, wobei das Wärmetauschermedium einem Hauptstrom des Strahltriebwerks zwischen Verdichterstufen, insbesondere zwischen einer Nieder- oder Mitteldruckverdichterstufe und einer Mittel- oder Hochdruckverdichterstufe des Strahltriebwerks, entnommen ist, wobei vorzugsweise der gesamte Hauptstrom des
Strahltriebwerks, gegebenenfalls in Teilströme aufgeteilt, durch den oder die
Wärmeaustauschabschnitte leitbar ist, und einer nächsten Verdichterstufe wieder zugeführt wird. Unter einem Entnehmen kann nach vorstehender Definition insbesondere die Entnahme eines Teilstroms, aber auch eine Umlenkung des Gesamtstroms (jeweils des Hauptstroms) verstanden werden. Mit dieser Ausgestaltung kann auch ein Zwischenkühler für einen Verdichter eines Strahltriebwerks vorteilhaft verwirklicht werden.
Vorzugsweise ist der Wärmetauscher so ausgestaltet, dass der Fluidstrom ein Hauptstrom eines Strahltriebwerks nach einer Turbinenstufe, insbesondere einer letzten Turbinenstufe des
Strahltriebwerks, ist und das Wärmetauschermedium wenigstens ein Teilstrom des Hauptstroms des Strahltriebwerks ist, der nach einer Verdichterstufe, insbesondere einer letzten
Hochdruckverdichterstufe des Strahltriebwerks entnommen ist, und nach Durchströmen des Wärmeaustauschabschnitts vorzugsweise dem Hauptstrom vor oder im Bereich einer
Brennkammer wieder zugeführt wird. Unter einem Entnehmen kann im Sinne der Erfindung sowohl die Entnahme eines Teilstroms als auch eine Umlenkung des Gesamtstroms (jeweils des Hauptstroms) verstanden werden. Mit dieser Ausgestaltung kann auch ein rekuperativer
Abgaswärmetauscher für eine Turbine eines Strahltriebwerks mit Vorwärmung der
Verbrennungsluft vorteilhaft verwirklicht werden.
Bevorzugt ist der Wärmetauscher integral mit einem Mischer ausgebildet, welcher den
Hauptstrom des Strahltriebwerks mit einem Nebenstrom oder einer Mantelströmung des Strahltriebwerks mischt. Mit dieser Ausgestaltung kann auch eine unter Umständen schwierige Montage des Wärmetauschers im Bereich eines Mischers vermieden werden, da Wärmetauscher und Mischer miteinander integriert sind.
Vorzugsweise ist der Mischer als Blütenmischer ausgebildet, wobei Wärmeaustauschabschnitte in von dem Hauptstrom des Strahltriebwerks durchströmten Bereichen angeordnet sind. Die Bauform als Blütenmischer hat sich als einfache und wirksame Auslegungsmöglichkeit herausgestellt. Bevorzugt ist der Wärmetauscher integral mit einer Tragstruktur ausgebildet. Hierdurch können der Integrationsgrad, die Auslegungsflexibilität, die Versatilität und die Montagefreundlichkeit verbessert werden. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher in mehreren Teilstücken hergestellt, wobei durchströmbare Hohlräume von Wärmeaustauschabschnitten sich nicht über mehrere Teilstücke erstrecken. Im Sinne der Erfindung können beispielsweise Teilstücke vorgesehen sein, die in Umfangsrichtung zusammensetzbar sind. Mit einer derartigen modularen Bauweise kann auch eine Montage des Bauteils weiter vereinfacht werden.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Strahltriebwerk mit wenigstens einem Wärmetauscher oder wenigstens einem struktur- und/oder fluidmechanischen Element wie vorstehend beschrieben vorgesehen. Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Strahltriebwerk mit einer
Strömungsmischeinrichtung zum Mischen eines ersten Gasstroms mit einem zweiten Gas ström, wobei die Strömungsmischeinrichtung eine Mehrzahl von ersten Strömungskanälen zum Führen wenigstens eines Teilstroms des ersten Gasstroms und eine Mehrzahl von zweiten
Strömungskanälen zum Führen wenigstens eines Teilstroms des zweiten Gasstroms aufweist, wobei wenigstens in einem Teil der ersten Strömungskanäle und/oder der zweiten
Strömungskanäle eine Wärmetauschereiiirichtung angeordnet ist, die vorzugsweise generativ hergestellt ist, vorgeschlagen.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und den
Ausfuhrungsbeispielen. Hierzu zeigt:
Fig. 1 einen stromabwärtigen Bereich eines Triebwerks mit integriertem Mischer und
Wärmetauscher in schematisierter. Längs scnnittansicht nach einem ersten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen stromaufwärtigen Bereich eines Triebwerks mit integriertem Tragsteg und Wärmetauscher in schematisierter Längsschnittansicht nach einem zweiten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3A einen stromabwärtigen Bereich eines Triebwerks mit Blütenmischer nach dem Stand der Technik in schematisierter Längsschnittansicht; und
Fig. 3B eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B in Fig. 3A.
Nachstehend werden anhand der Fign. 1 und 2 zwei grundlegende Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt in einer schematisierten Längsschnittansicht einen stromabwärtigen Bereich eines Strahltriebwerks 10 als ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Innerhalb einer Triebwerksgondel 11 verlaufen ein Hauptstromkanal 12 mit einer Hauptströmung
(Kernströmung) 13 und ein Nebenstromkanal 14 mit einer Nebenströmung (Mantelströmung) 15. Obschon nicht näher dargestellt, weist das Triebwerk 10 im stromaufwärtigen Bereich des Hauptstromkanals 12 als Kerntriebwerk wenigstens eine Verdichteranordnung, eine
Bremikammer und eine Turbinenanordnung auf, wie es an sich in Literatur und Praxis in vielfältiger Abwandlung bekannt ist. Die Hauptströmung 13 ist als Abgasströmung von
Turbinenstufen des Triebwerks 10 (des Kerntriebwerks desselben) zu verstehen.
Der Hauptstromkanal 12 und der Nebenstromkanal 14 sind durch ein Isolationsbauteil
(Trennwand) 16 voneinander getrennt. Im stromabwärtigen Bereich ist ein Strömungsmischer 17 mit dem Isolationsbauteil 16 verbunden. Der Strömungsmischer 17 weist einen an einem stromaufwärtigen Ende kreisförmigen Querschnitt auf, der sich stromabwärts mehr und mehr blütenförmig wellt, um Innenkanäle und Außenkanäle ähnlich oder gleich der in Fig. 3B dargestellten, an sich bekannten Weise auszubilden. Ferner ist ein zentral angeordneter
Umlenkkegel 18 vorgesehen, welcher die Kernströmung 13 im achsennahen Bereich radial nach außen drängt. Durch den Umlenkkegel 18 und die Innenkontur des Strömungsmischers 17 wird ein Strömungsquerschnitt 19 für die Kernströmung 13 definiert.
In dem Strömungsquerschnitt 19 und davor ist innerhalb des Strömungsmischers 17 ein
Wärmetauscher 20 angeordnet. In der Figur ist nur ein Abschnitt des Wärmetauschers 20 sichtbar, der in einem Innenkanal des Strömungsmischers 17 (vgl. 1 17b in Fig. 3B) Platz findet. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Wärmetauscher 20 den gesamten von der Kernströmung 13 durchströmten Bereich abdeckt. Der Wärmetauscher 20 ist ein sogenannter Lanzettenwärmetauscher, bei welchem eine Vielzahl von Röhrchen 21 mit lanzettartigem (in etwa elliptischem) Querschnitt einen
Vorlaufsammelkanal (Vorlaufverteiler) 21a und einen Rücklaufsammelkanal (Rücklaufverteiler) 21b miteinander verbinden. Die Röhrchen (Lanzetten) 21 verlaufen in etwa hufeisenförmig oder U-förmig von dem Vorlaufverteiler zu dem Rücklaufverteiler. Der Vorlaufverteiler 21a ist mit einer Vorlaufleitung 22 verbunden, und der Rücklaufverteiler 21b ist mit einer Rücklaufleitung 24 verbunden; die Verbindung erfolgt über einen gemeinsamen Flansch 20a des Wärmetauschers 20.
Die Lanzetten 21 werden im Betrieb von der (heißen) Kernströmung 13 umströmt. Die
Vorlaufleitung 22 fuhrt von einer Stelle stromabwärts einer letzten Verdichterstufe (nicht dargestellt) des Triebwerks 10 abgezweigte Verdichterluft 23 dem Wärmetauscher zu, und die Rücklaufleitung 24 führt die in den Lanzetten 21 durch die heiße Kernströmung 13 erwärmte Luft als Brennluft 25 zur Brennkammer (nicht näher dargestellt) zurück.
Der Wärmetauscher 20 ist als ein integrales Bauteil mit dem Strömungsmischer (Blütenmischer) 17 ausgebildet. Die Ausbildung dieses integralen Bauteils (nachstehend als
Mischer/Wärmetauscher bezeichnet) erfolgt durch ein sogenannte RM- Verfahren (engl. "Rapid Manufacturing"). RM- Verfahren ist ein Sammelbegriff für schichtweise Urform verfahren, bei welchen ein geometrischer, dreidimensionaler Körper schichtweise anhand von
zweidimensionalen Daten für jede Schicht durch Aufbringen, beispielsweise Aufschmelzen, von Material schichten erzeugt wird. Das Aufbringen bzw. -schmelzen erfolgt beispielsweise, aber nicht nur, durch Energiestrahlen wie etwa Laserstrahlen. Verschiedene RM- Verfahren, die auch als Stereo lithographisches Urformen, Auftragsschweißgenerieren, Lasergenerieren oder
Laser sintern bezeichnet werden, sind in der Literatur beschrieben und allgemein bekannt.
Die integrale Bauart erlaubt es zusammen mit dem generativen Herstellungsverfahren, die Übergänge der Verteiler (Sarnmelkanäle^lla, ,2Lb zu.den Lanzetten 21, die bei herkömmlicher Bauweise beispielsweise geklebt, gelötet oder geschweißt sind, als fugenlose Übergänge auszugestalten. Undichte Stellen aufgrund von Fügestellen können nicht auftreten. Durch den lagenweisen Aufbau ist es auch möglich, die Oberflächentopographie so auszulegen, dass auf der einen Seite der Wärmeübergang optimiert wird, ohne auf der anderen Seite den
Strömungswiderstand deutlich zu erhöhen, und den Wärmetauscher 20 an die Geometrie des Blütenmischers anzupassen. Zudem erlaubt die Integration von Wärmetauscher 20 und Strömungsmischer 17 eine Vereinfachung der Herstellungs- und Montageschritte. Das so entstandene Bauteil erfüllt eine Doppelfunktion als Wärmetauscher und Strukturbauteil bzw. strömungsmechanisches Bauteil des Triebwerks. Der Wärmetauscher entzieht dem Abgas Wärme. Die Luft 23 aus dem Hochdruckverdichter, die über die Vorlaufleitung 22 zugeführt wird, wird erwärmt und die erwärmte Luft 25 über die Rücklaufleitung 24 zurück zu der Brennkammer geführt. Das abgekühlte Abgas 13 mischt sich mit dem Nebenstrom 15 und ist über den Blütenmischer weitgehend entdrallt. Die Effizienz des Mischers wird erhöht, da durch den Rekuperator (Wärmetauscher) 20 dem heißen Kerntriebwerks- Abgas strahl 13 Wärme entzogen wird, bevor das Abgas 13 in dem Mischer Wärmetauscher vermischt wird. Damit kann auch eine Absenkung des Lärms und eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erzielt werden.
In einer Abwandlung kann der Strömungsmischer 17 integral mit dem Isolationsbauteil 16 oder einem Teil desselben ausgebildet sein und kann der Wärmetauscher 20 integral mit den
Leitungen 22, 24 oder einem Teil derselben ausgebildet sein. In einer weiteren Abwandlung kann der Wärmetauscher 20 integral mit dem Umlenkkegel 18 anstelle des Blütenmischers 17 ausgebildet sein. In einer weiteren Abwandlung sind der Wärmetauscher 20 und seine
Zuleitungen wenigstens teilweise nicht zur Erwärmung von Verdichterluft, sondern Erwärmung eines Brenn- bzw. Treibstoffs durch die umströmende Kernströmung 13 ausgelegt. In einer weiteren Abwandlung ist der Mischer/Wärmetauscher 17, 20 in Umfangsrichtung in Segmente geteilt, um die Montage innerhalb des Triebwerks 10 zu erleichtern. Dabei erstrecken sich
Leitungen, Kanäle oder Lanzetten jeweils vollständig innerhalb eines Segments, liegen also an Trennebenen der Segmente nicht offen. Ein Segment kann mehrere Blüten umfassen.
Beispielsweise, aber nicht nur, kann ein Mischer/Wärmetauscher 17, 20 in zwei Hälften, vier Viertel oder so viele Segmente wie Blüten vorhanden sind, geteilt sein. Vorteilhaft liegen die Trennebenen im Bereich der Außenkanäle des Blütenmischers (vgl. 117a in Fig. 3B). Es können jedoch die innerhalb eines Innenkanals des Blütenmischers 17 (vgl. 117b in Fig. 3B) angeordneten Abschnitte des Wärmetauschers 20 ihrerseits geteilt sein, ohne Leitungen, Kanäle oder Lanzetten zu. schneiden; iridiesem Eall können die Trennebenen i Bereich der
Innenkanäle bzw. im Bereich der Wärmetauscher 20 liegen, was den Verbindungsstellen der Segmente höhere Stabilität verleihen kann.
In einer weiteren Abwandlung weist der Blütenmischer 17 anstelle eines runden
Grundquerschnitts einem rechteckigen Grundquerschnitt auf. Fig. 2 zeigt in einer schematisierten Längsschnittansicht einen stromaufwärtigen Bereich eines Strahltriebwerks 10 als ein zweites Auasflihrungsbei spiel der vorliegenden Erfindung. Innerhalb einer Trieb werksgondel 1 1 verlaufen ein Hauptstrornkanal 12 mit einer Hauptströmung
( ernströmung) 13 und ein Nebenstromkanal 14 mit einer Nebenströmung (Mantelströmung) 15. Der dargestellte Bereich umfasst eine Verdichteranordnung mit einem mehrstufigen
Niederdruckverdichter 26 und einem mehrstufigen Hochdruckverdichter 28. Obschon nicht näher dargestellt, sind stromabwärts des Hochdruckverdichters eine Brennkammer und eine Turbinenanordnung vorgesehen, wie es an sich in Literatur und Praxis in vielfältiger
Abwandlung bekannt ist.
Zwischen dem Niederdruckverdichter 26 und dem Hochdruckverdichter 28 ist ein
Zwischenkühler 30 angeordnet. Der Zwischenkühler 30 weist einen Strömungskanal 31 auf, welcher sich in den Bereich der Mantelströmung 15 erstreckt und mehrere Kühlrippen (nicht dargestellt) aufweist, die sich in die Nebenströmung 15 erstrecken. Der Strömungskanal 31 spannt einen quer bzw. diagonal zur Strömungsrichtung der Mantelströmung 15 liegenden
Querschnitt auf, in welchem sich mehrere Zwischenböden 32 mit Querrippen (nicht dargestellt) erstrecken, welche die Kühlfläche weiter vergrößern. Ein Tragsteg 34 verbindet den
Zwischenkühler 30 mit der Gondel 11. Der Wärmetauscher 30 ist als ein integrales Bauteil mit dem Tragsteg 34 ausgebildet. Die Ausbildung dieses integralen Bauteils (nachstehend als Mischer/Wärmetauscher bezeichnet) erfolgt durch das oben erläuterte RM- Verfahren (für engl. "Rapid Manufacturing"). Die Vorteile der integralen, generativen Bauweise entsprechen analog den im Zusammenhang mit dem Wärmetauscher 20 des ersten Ausfuhrungsbeispiels genannten. Fugen, Verbindungsstellen und Montagepunkte können weitgehend vermieden werden. Undichte Stellen aufgrund von
Fügestellen können nicht auftreten. Durch den lagenweisen Aufbau ist es auch möglich, die Oberflächentopographie so auszulegen, dass auf der einen Seite der Wärmeübergang optimiert wird, ohne auf der anderen Seite, den. Luftwiderstand deutlich zu erhöhen,, und dert
Zwischenkühler 30 an die Geometrie des Nebenstromkanals und des Hauptstromkanals anzupassen. Zudem erlaubt die Integration von Zwischenkühler 30 und Tragsteg 34 eine
Vereinfachung der Herstellungs- und Montageschritte. Das so entstandene Bauteil erfüllt eine Doppelfunktion als Wärmetauscher und Strukturbauteil bzw. strömungsmechanisches Bauteil des Triebwerks. Der Zwischenkühler 30 entzieht der Verdichterluft Wärme. Die Luft aus dem Niederdruckverdichter 26 wird gekühlt und dem Hochdruckverdichter 28 zugeführt, was den thermischen Wirkungsgrad verbessert und die thermische Belastung des Hochdruckverdichters 28 vermindert. Die Nebenstromlufl 15 wird vorgewärmt, was die Effizienz des Mischers erhöht. Damit kann auch eine Absenkung des Lärms und eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erzielt werden.
In einer Abwandlung sind die Rippen des Zwischenkühlers 30 zu einem Gehäuse (nicht näher dargestellt) verbunden. In einer weiteren Abwandlung ist die Tragstruktur hohl, gegebenenfalls dünnwandig und/oder profiliert ausgebildet, was auch das Gewicht vermindern kann und mit dem RM- Verfahren vorteilhaft verwirklicht werden kann. In einer weiteren Abwandlung ist die Tragstruktur segmentiert ausgeführt. Auch der Zwischenkühler 30 kann, ggf. entsprechend der Anzahl der Segmente, in mehrere Teile (Ringe) aufgeteilt sein, die sich beispielsweise von zentralen, gemeinsamen Flanschen (nicht näher dargestellt) aus erstrecken. Eine segmentierte Bauweise kann auch den Montageaufwand und die Anpassung an die Geometrie der Gondel 11 vereinfachen. In einer weiteren Abwandlung ist der Zwischenkühler 30 als
Lanzettenwärmetauscher ausgeführt. In einer weiteren Abwandlung erstreckt sich der
Zwischenkühler 30 nicht über den gesamten Nebenstromkanal 14, sondern nur über einen Teilquerschnitt desselben, und ist der Tragsteg 34 nicht mit der Gondel 11 direkt, sondern mit einer Isolierung (nicht näher dargestellt), welche Teilströme der Nebenströmung 15 abtrennt, verbunden. In einer weiteren Abwandlung weist die Verdichteranordnung einen dritten
Verdichter (Mitteldruckverdichter) auf. In diesem Fall kann ein Zwischenkühler zwischen Mittel- und Hochdruckverdichter, zwischen Nieder- und Mitteldruckverdichter oder beiden vorgesehen sein.
Vorstehend wurde die vorliegende Erfindung anhand zweier grundlegender
Ausfuhrungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die Ausfuttrungsbeispiele sind freilich nicht so zu verstehen, dass sie die in den Ansprüchen definierte Erfindung in irgend einer Weise beschränken. Vielmehr sind von den hier
beschriebenen Ausf ii ingshei spielen viel tige AbwandlmgenvmögUch, die gleichwohl von dem Schutzbereich und dem Erfindungsgedanken der Ansprüche umfasst sind. Insbesondere ist die Erfindung auf alle Arten von Wärmetauschern anwendbar, unabhängig davon, ob Lanzetten, Röhrchen, Platten, Lamellen oder andere Wärmeaustauschelemente verwendet werden.
Der Wärmetauscher 20 und der Zwischenkühler 30 sind Wärmetauscher bzw.
Wärmetauschereinrichtungen in Sinne der Erfindung. Der Strömungsmischer 17 und der Tragsteg 34 sind struktur- und/oder fluidmechanische Elemente im Sinne der Erfindung. Der Strömungsmischer 17 ist auch eine Strömungsmischeinrichtung im Sinne der Erfindung. Die Verdichterluft 23 im ersten Ausführungsbeispiel und die Kernströmung 13 im zweiten
Ausfuhrungsbeispiel sind Wärmetauschermedien im Sinne der Erfindung. Die Lanzetten 21 im ersten Ausführungsbeispiel und die Zwischenböden 32 mit Querrippen sowie die Kühlrippen, zum Teil auch der Strömungskanal 31 selbst, sind Wärmeaustauschabschnitte im Sinne der Erfindung. Die Kernströmung 13 im ersten Ausführungsbeispiel und die Nebenströmung 15 im zweiten Ausführungsbeispiel sind umströmende Fluidströme im Sinne der Erfindung. Die Hauptströmung 13 und die Nebenströmung 15 des ersten Ausführungsbeispiels sind erste und zweite Gasströme im Sinne der Erfindung, und Innen- und Außenkanäle des Strömungsmischers 17 sind erste und zweite Strömungskanäle im Sinne der Erfindung.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher, insbesondere für ein Strahltriebwerk, der als struktur- und oder
fluidmechanisches Element oder integral mit einem solchen ausgebildet und wenigstens teilweise generativ hergestellt ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens einen
Wärmeaustauschabschnitt aufweist, der zur Umströmung eines Fluidstroms ausgebildet ist, wobei der Wärmeaustauschabschnitt eine oder mehrere Lamellen, Lanzetten, Röhren oder Platten aufweist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmeaustauschabschnitt zur Durchströmung eines Wärmetauschermediums ausgebildet ist.
4. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher integral mit einer Tragstruktur ausgebildet ist
5. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher in mehreren Teilstücken hergestellt ist, wobei durchströmbare Hohlräume von Wärmeaustauschabschnitten sich vorzugsweise nicht über mehrere Teilstücke erstrecken.
6. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeaustauschabschnitt eine Oberflächentopographie aufweist, die hinsichtlich eines hohen Wärmeübergangs und eines niedrigen Strömungswiderstands, insbesondere gegenüber einem umströmenden Fluidstrom, ausgelegt ist.
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Fluidstrom ein Nebenstrom bzw. ein Teil eines Nebenstroms eines Strahltriebwerks ist, wobei das Wärmetauschermedium einem Hauptstrom des Strahltriebwerks zwischen Verdichterstufen, insbesondere zwischen einer Nieder- oder Mitteldruckverdichterstufe und einer Mittel- oder Hochdruckverdichter stufe des Strahltriebwerks, entnommen ist, wobei vorzugsweise der gesamte Hauptstrom des Strahltriebwerks, gegebenenfalls in Teilströme aufgeteilt, durch den oder die Warmeaustauschabschnitte leitbar ist, und einer nächsten Verdichterstufe wieder zugeführt wird.
8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Fluidstrom ein Hauptstrom eines Strahltriebwerks nach einer Turbinenstufe, insbesondere einer letzten Turbinenstufe des Strahltriebwerks, ist und das Wärmetauschermedium wenigstens ein Teil ström des Hauptstroms des Strahltriebwerks ist, der nach einer
Verdichterstufe, insbesondere einer letzten Hochdruckverdichterstufe des Strahltriebwerks entnommen ist, und nach Durchströmen des Wärmeaustauschabschnitts vorzugsweise dem Hauptstrom vor oder im Bereich einer Brennkammer wieder zugeführt wird.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher integral mit einem Mischer ausgebildet ist, welcher den Hauptstrom des Strahltriebwerks mit einem Nebenstrom oder einer Mantelströmung des Strahltriebwerks mischt.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer als
Blütenmischer ausgebildet ist, wobei Wärmeaustauschabschnitte in von dem Hauptstrom des Strahltriebwerks durchströmten Bereichen angeordnet sind.
11. Struktur- und/oder fluidmechanisches Element für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Strahltriebwerk, das als oder integral mit einem Wärmetauscher ausgebildet und wenigstens teilweise generativ hergestellt ist, wobei das struktur- und/oder fluidmechanische Element vorzugsweise eine Tragstruktur oder ein Mischer, insbesondere Blütenmischer ist.
12. Strahltriebwerk mit wenigstens einem Wärmetauscher nach einem der vorstehenden
Ansprüche 1 bis 10 oder wenigstens einem struktur- und/oder fluidmechani sehen Element nach Anspruch 1 1.
13. Strahltriebwerk mit einer Strömungsmischeinrichtung zum Mischen eines ersten Gasstroms mit einem zweiten Gasstrom, wobei die Strömungsmischeinrichtung eine Mehrzahl von ersten Strömungskanälen zum Führen wenigstens eines Teilstroms des ersten Gasstroms und eine Mehrzahl von zweiten Strömungskanälen zum Führen wenigstens eines Teil Stroms des zweiten Gas Stroms aufweist, wobei wenigstens in einem Teil der ersten Strömungskanäle und/oder der zweiten Strömungskanäle eine Wärmetauschereinrichtung angeordnet ist, die vorzugsweise generativ hergestellt ist.
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