WO2023237151A1 - Antriebssystem für ein luftfahrzeug - Google Patents

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WO2023237151A1
WO2023237151A1 PCT/DE2023/100404 DE2023100404W WO2023237151A1 WO 2023237151 A1 WO2023237151 A1 WO 2023237151A1 DE 2023100404 W DE2023100404 W DE 2023100404W WO 2023237151 A1 WO2023237151 A1 WO 2023237151A1
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WO
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outer housing
exhaust gas
gas turbine
drive system
flow
Prior art date
Application number
PCT/DE2023/100404
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Klingels
Sascha Kaiser
Petra Kufner
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/30—Adding water, steam or other fluids for influencing combustion, e.g. to obtain cleaner exhaust gases
    • F02C3/305—Increasing the power, speed, torque or efficiency of a gas turbine or the thrust of a turbojet engine by injecting or adding water, steam or other fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/14—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
    • F02C7/141—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K3/00—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan
    • F02K3/02—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber
    • F02K3/04—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber the plant including ducted fans, i.e. fans with high volume, low pressure outputs, for augmenting the jet thrust, e.g. of double-flow type
    • F02K3/06—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber the plant including ducted fans, i.e. fans with high volume, low pressure outputs, for augmenting the jet thrust, e.g. of double-flow type with front fan
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K3/00—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan
    • F02K3/08—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan with supplementary heating of the working fluid; Control thereof
    • F02K3/105—Heating the by-pass flow
    • F02K3/115—Heating the by-pass flow by means of indirect heat exchange
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/60—Application making use of surplus or waste energy

Definitions

  • the invention relates to a propulsion system for an aircraft, comprising a gas turbine with a main flow duct, a secondary flow duct, a water system and a steam system.
  • the water system comprises at least one water separation device and a condenser with at least one capacitor module, wherein the gas turbine has an outer housing that delimits the bypass channel on the outside.
  • the water obtained in the water separation device is fed to the steam system.
  • the water is evaporated in the steam system in a steam generator by exhaust heat and drives a steam turbine, which feeds additional power into the overall system.
  • the steam is then fed into the main stream and fed into the combustion chamber with the compressed air, which increases the mass flow and specific power and reduces the nitrogen oxide content in the exhaust gas.
  • WO2020/187345A1 a drive system for an aircraft is known which, due to its design, has the potential to reduce emissions that are harmful to the environment or the climate.
  • the propulsion system combines a gas turbine system with a water system and a steam system in one machine.
  • a steam generator arranged downstream of the turbine, steam is generated from the exhaust gas by releasing heat, which is then supplied to the area of the combustion chamber of the machine.
  • the moist exhaust gas passes through further components that serve to separate the water from the exhaust gas by cooling it.
  • the core exhaust gas flow of the gas turbine is guided radially outwards and at least in sections through an exhaust gas duct through the outer housing or along the outer housing.
  • the core exhaust gas flow of the gas turbine can be guided within the outer housing in at least one section, first axially forward and then axially backward, when viewed in the axial direction of the gas turbine. This makes it possible to further maximize the available distance.
  • At least one elbow can be installed in the outer housing in order to reverse the flow direction of the core flow by 180°.
  • at least one core outlet nozzle for jetting out the core exhaust gas stream can be arranged on the outer housing, in particular on its outer circumference.
  • four, six or eight core outlet nozzles can be arranged on the outer housing, in particular symmetrically.
  • the gas turbine can comprise at least one condenser with at least one capacitor module, through which the core exhaust gas flow is guided radially outwards, which is in particular arranged in the bypass flow channel and has exhaust gas channels which direct the core exhaust gas flow outwards in the radial direction of the gas turbine through the bypass flow channel and into the outer casing.
  • exhaust ducts of at least one, in particular two, capacitor modules can open into an exhaust duct in or on the outer housing.
  • exhaust gas ducts from three or four or from all capacitor modules installed in the gas turbine can open into an exhaust gas duct in or on the outer housing.
  • exhaust ducts from all capacitor modules can lead the core exhaust gas flow into a common annular space in or on the outer housing. From this annular space, the core exhaust gas stream can be distributed to various water separation devices and/or core outlet nozzles.
  • At least one water separation device can be arranged downstream of the exhaust gas duct in or on the outer housing, the water separation device in particular having an inlet channel, a bend, a swirl generator, an outlet channel and/or a core outlet nozzle.
  • the capacitor module is designed as a plate heat exchanger. This configuration allows particularly efficient heat transfer and can be easily integrated into the bypass channel.
  • an exhaust gas flow direction of the at least one capacitor module and an air bypass flow direction of the bypass flow duct are arranged in a cross flow to one another.
  • the cross-flow arrangement created in this way allows a particularly simple flow of the exhaust gas from the main flow channel into the outer housing of the gas turbine in order to be able to separate the water that is then present there in liquid form while it flows in the condenser and crosses the air side stream flowing essentially in the axial direction.
  • the drive system is particularly preferably further developed in that the at least one capacitor module has a side surface that at least partially faces the air bypass flow direction.
  • the capacitor module has an angle of attack relative to the air flow, which delays the air flow around the capacitor module and thus advantageously achieves a higher cooling effect due to a higher heat transfer flow from the exhaust gas in the capacitor module to the air flow in the bypass channel.
  • the at least one capacitor module has cooling channels which direct an air bypass flow of the bypass channel from the side surface that at least partially faces the air bypass flow direction to a side surface of the at least one capacitor module that faces away from the air bypass flow direction.
  • This advantageously increases the surface area of the capacitor modules exposed to flow, which further improves heat transfer.
  • a flow takes place on and along the back of the capacitor modules, that is to say the side surface facing away from the flow direction of the bypass channel, so that the heat transfer is advantageously further increased.
  • capacitor modules are arranged in groups, so that the at least one capacitor module is a first Capacitor module and additionally a second capacitor module are arranged in pairs as a capacitor module pair in the air bypass direction of the bypass duct, the capacitor modules of a capacitor module pair having a smaller internal distance from one another in the circumferential direction of the gas turbine than an external distance in the circumferential direction of the gas turbine from other capacitor modules.
  • the internal distance is smaller than the external distance, at least in the flow direction of the air bypass flow direction, in a first half of the capacitor module pair. This creates areas with a relatively hot side stream of air in the narrower spaces within the pairs of capacitor modules, which have an at least slightly increased specific power for generating thrust.
  • the cold spaces i.e. the bypass channel areas, which are arranged between two pairs of capacitor modules, are intended to be able to drain away impurities in the air bypass flow.
  • the internal distance is greater than the external distance, at least in the flow direction of the air bypass flow direction in a first half of the capacitor pair.
  • a first capacitor module and a second capacitor module are arranged in pairs as a pair of capacitor modules in the air bypass direction of the bypass channel, the first capacitor module having a first angle of attack relative to the flow direction in the bypass channel and the second capacitor module having a first angle of attack relative to the flow direction in the bypass channel has a second angle of attack that is different from the first angle of attack.
  • the first angle of attack and the second angle of attack have a different sign relative to the flow direction in the bypass flow channel.
  • the two angles of attack have the same absolute value.
  • first capacitor module and the second capacitor module are connected to one another by an inlet panel arranged upstream, which divides a side air flow of the side flow channel and along the side facing the air side flow Side surfaces of the first capacitor module and the second capacitor module conducts.
  • the inlet cover can advantageously contribute to generating or maintaining a favorable air flow and directing foreign objects away from the capacitor modules.
  • the first capacitor module and the second capacitor module are arranged in a V arrangement in the bypass channel. This advantageously creates nozzle-like areas for conducting the corresponding heated partial bypass flow between two capacitor modules, so that no additional partition walls have to be inserted into the bypass flow channel. Particularly in combination with the cooling channels described above, at least one area with relatively undisturbed air flow in the bypass channel can be achieved between two pairs of capacitor modules.
  • the at least one water separation device in particular a core outlet nozzle of the at least one water separation device or a swirl generator of the at least one water separation device, is in the circumferential direction between two capacitor modules in a circumferential plane intersecting the outer housing, in particular between two pairs of capacitor modules in a circumferential plane intersecting the outer housing, arranged. This allows the installation space in the cowling, i.e. in the outer housing, to be used advantageously better.
  • exhaust channels of at least one, in particular two, capacitor modules open into a water separation device, in particular into an inlet channel of the water separation device.
  • Exhaust gas channels from three or more capacitor modules can also flow into a water separation device. In particular, these can be neighboring capacitor modules. This allows the use of the installation space in the outer housing to be further improved.
  • the at least one capacitor module is delimited by an outlet panel arranged downstream.
  • a steam turbine is arranged concentrically to the main drive shaft and its mechanical power via a Steam turbine gearbox feeds the main drive shaft.
  • the invention also relates to an aircraft with a drive system according to the invention.
  • Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a drive system according to the invention with a gas turbine in a meridian section
  • Fig. 2 shows the exemplary embodiment of the drive system according to the invention in a circumferential view
  • Fig. 3 shows, based on the section of Fig. 1, the flow guidance of the core flow according to an exemplary embodiment
  • Fig. 4 shows an external view of a gas turbine according to an exemplary embodiment
  • FIGS. 1 and 2 An exemplary embodiment of a drive system according to the invention is described below with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the drive system 1 is shown in a meridian section, that is, in a plane spanned by the radial direction R and axial direction Ax.
  • the drive system is unrolled along the sections AA and BB shown on the side Representation of circumferential planes shown, that is, it is shown in a plane spanned by the axial direction Ax and circumferential direction U.
  • the drive system 1 includes a gas turbine 2 and is connected to a wing 4 of an aircraft via a pylon 3.
  • the gas turbine 2 has an inlet 7, which is arranged at the front in an outer housing 5, the so-called cowling, in the axial direction Ax of the gas turbine 2.
  • the gas turbine has an inner housing 6, which can also be referred to as a core housing.
  • a fan 8 is arranged behind the inlet 7 and is driven by a drive shaft 9 of the gas turbine mounted in the inner housing 6, sucks in air and promotes the total air flow into a main flow duct 10 and a secondary flow duct 20 of the gas turbine 2.
  • the fan 8 is coupled to the drive shaft 9 with a gear 11 also arranged in the inner housing 6.
  • the outer housing 5 surrounds the bypass channel 20 on the outside and delimits it at least in sections, while the inner housing 6 forms an inner channel wall for the bypass channel 20 and thus delimits it on the inside.
  • the exhaust gas from the main flow channel 10 is not ejected directly, but is after-treated in a water system 30 and a steam system 40.
  • the water system 30 and the steam system 40 are arranged in the gas turbine 2. Components of the water system 30 are arranged in the bypass channel 20 and partly in the inner housing 6 and the outer housing 5 of the gas turbine 2.
  • the water system 30 recovers water from the exhaust gas of the main air stream and feeds the steam system 40 with water.
  • the steam system 40 evaporates the water and supplies hot steam to the main air stream in order to increase its mass flow and thus the specific power of the gas turbine.
  • the flows of exhaust gas, water and steam are shown purely schematically in Fig. 1.
  • the main flow channel 10 has a compressor 12 in the direction of flow, a mixing chamber 48 downstream of the compressor 12 for mixing the compressed air and a hot steam, an adjoining combustion chamber 13 which supplies fuel to the air-steam mixture and burns it to form an exhaust gas High pressure turbine 14 and a low pressure turbine 15, which relax the exhaust gas and provide mechanical power for propulsion, and finally forward it to a turbine outlet housing 16.
  • the high-pressure turbine 14 drives a high-pressure compressor via a second shaft of the gas turbine 2.
  • the bypass flow channel 20 has a capacitor 21 designed as a plate heat exchanger downstream, which comprises a plurality of inlet panels 22, capacitor modules 23 connected to the inlet panels 22, and outlet panels 27 which terminate the capacitor modules 23 downstream.
  • the capacitor modules 23 are arranged in the so-called C channels of the gas turbine and inclined outwards in the direction of flow.
  • the capacitor modules 23 extend in the radial direction R from the inner housing 6 to the outer housing 5.
  • a large part of the air volume conveyed by the fan 8 is supplied as a bypass air flow to the bypass flow duct 20 and flows through the condenser 21 there before the air bypass flow reaches the gas turbine 2 to generate thrust leaves.
  • the air side stream is partially heated in the condenser 21, which works as a heat exchanger, and cools the exhaust gas flowing through the condenser 21.
  • a steam generator 41 of the steam system 40 is arranged downstream of the turbine outlet housing 16, through which the hot exhaust gas from the low-pressure turbine 15 flows outwards in the radial direction R.
  • the exhaust gas then flows further in the radial direction to the condenser 21 of the water system 30 and through this through exhaust gas channels 26, which also run in the radial direction.
  • the exhaust gas is further cooled in the condenser 21. During the cooling of the exhaust gas, water from the exhaust gas at least partially condenses, with the exhaust gas-water mixture continuing to flow radially outward into a water separation device 31.
  • the water collected in the water separation device 31 is conveyed to a water reservoir 38 via water pipes 37. From there, the water, now referred to as feed water, is supplied to the steam generator 41 of the steam system 40 by means of a water pump 39.
  • the water pump 39 is preferably controllable and can supply feed water to the steam generator according to the required steam output.
  • the water reservoir 38 and the water pump 39 are located in the inner housing 6 of the gas turbine.
  • the steam generator 41 is preferably designed as a so-called tube bundle heat exchanger in a cross-countercurrent arrangement to the exhaust gas with several passages. It is preferably accommodated rotationally symmetrically and concentrically to the engine axis within the inner housing of the gas turbine, that is, the core engine cowling.
  • the steam generator 41 includes a preheater 42 for heating the feed water, an evaporator 43 for converting the feed water into steam, and a superheater 44 for superheating the steam.
  • the arrangement within the steam generator is only shown schematically in FIG. Other configurations with more or fewer elements of the steam generator 41 are also possible.
  • the preheater 42, the evaporator 43 and the superheater 44 can be designed as pipes that cross one another in a spiral shape.
  • the particularly superheated steam is fed through a steam line 45 to a steam turbine 46 and drives it.
  • the steam expanded in the steam turbine 46 is then passed into the mixing chamber 48 for use in the combustion chamber 13. It can be provided that part of the steam is passed directly into the combustion chamber or is diverted for cooling purposes.
  • the steam turbine 46 is coupled to the drive shaft 9 of the gas turbine through a steam turbine gearbox 47.
  • the transmission ratio of the steam turbine transmission 47 is in the range 1:5 to 1:10, since the steam turbine 46 achieves significantly higher speeds than the low-pressure turbine 15 and thus the drive shaft 9.
  • the mechanical one obtained in this way in the steam turbine 46 Power is supplied to the drive shaft 9 and the exhaust gas heat is made available again to the cycle of the gas turbine 2.
  • FIG. 2 sectional planes along the lines AA and BB are drawn into the gas turbine shown in the meridian section on the left side, the associated schematically illustrated circumferential planes of which are shown unrolled.
  • a capacitor 21 is shown to the side of the pylon 3, which is arranged in the C channel and consists of several capacitor modules 23, 23 '.
  • the capacitor modules 23, 23 ' are arranged in pairs as capacitor module pairs 25 and these capacitor module pairs 25 are connected to one another in an upstream area of the bypass channel 20 by an inlet cover 22.
  • Each of the capacitor modules 23, 23' is delimited in the direction of flow by an outlet cover 27, 27'.
  • the capacitor module pairs 25 therefore consist of a first capacitor module 23 and a second capacitor module 23 '.
  • the two capacitor modules 23, 23' have an angle of attack a, a' relative to the bypass flow direction in the bypass flow channel, in particular an axial direction Ax of the gas turbine.
  • the first capacitor module 23 has a first angle of attack a, which corresponds in magnitude, that is to say an absolute value, to a second angle of attack a' of the second capacitor module 23', but has a different sign. This results in a V arrangement for the capacitor module pairs 25.
  • An internal distance i in the circumferential direction U is provided between the first capacitor module 23 and the second capacitor module 23 'of a capacitor module pair 25, which in the present exemplary embodiment is smaller everywhere along the axial extent of the capacitor is an external distance a in the circumferential direction U between two pairs of capacitor modules 25.
  • the air conveyed by the fan 8 is divided by the inlet panels 22 and then flows along the outer side surfaces 24a of the capacitor modules 23, 23 ', that is, facing the air bypass flow direction. Part of this air flows through cooling channels 24c between the ribs of the capacitor modules 23, 23 ' on the side surfaces 24b of the capacitor modules 23, 23 'facing away from the air bypass flow direction.
  • the air that flows through the capacitor modules 23 is passed into an interior of the capacitor module pairs 25, heated and blown out between two outlet covers 27, 27 'of a capacitor module pair 25. In this way, the two adjacent outlet covers 27, 27' of a pair of capacitor modules 25 form a hot bypass nozzle 29.
  • This arrangement also has the advantage that foreign bodies that may be present in the bypass flow at high speed are guided along the condenser side surfaces into the cold bypass nozzle 28. This means that possible damage and contamination can be avoided or at least reduced.
  • the exhaust gas As the air flows through the capacitor modules, exhaust heat is transferred to the air, causing its temperature to rise.
  • the exhaust gas cools until the water it contains is at least partially condensed and is in liquid form.
  • the exhaust gas is passed through exhaust channels 26 inside the condenser 21.
  • the exhaust channels 26 are located in each of the capacitor modules 23, 23 '.
  • the exhaust gas is guided radially outwards through the exhaust channels 26 into the inlet channels 32 of the water separation devices 31, which are arranged in the outer housing 5, which is also referred to as a cowling or nacelle.
  • the water separation devices 31 are connecting channels between the capacitor modules 23, 23 'and the core outlet nozzles 36.
  • the exhaust gas streams are combined from the two capacitor modules 23, 23' of a capacitor module pair 24.
  • the exhaust gas After exiting the capacitor modules 23, 23 ', the exhaust gas first flows forward in an inlet channel 32 of the water separation device 31 in the direction of the engine inlet and then, after a 180 ° turn in a manifold 33 in the outlet channel 35 in the direction of the core engine nozzle 36.
  • a water separation device 31 in addition to the above-mentioned swirl generator 34, other elements that serve to separate water can be accommodated.

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Abstract

Antriebssystem (1) für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine (2), mit einem Hauptstromkanal (10) und einem Nebenstromkanal (20), wobei die Gasturbine (2) ein Außengehäuse (5) aufweist, das den Nebenstromkanal (20) außen umgibt. Der Kernstrom der Gasturbine (2) wird radial nach außen und zumindest abschnittsweise durch das Außengehäuse (5) hindurch oder an dem Außengehäuse (5) entlang geführt.

Description

Antriebssystem für ein Luftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine mit einem Hauptstromkanal, einem Nebenstromkanal, einem Wassersystem und einem Dampfsystem. Das Wassersystem umfasst zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung und einen Kondensator mit mindestens einem Kondensatormodul, wobei die Gasturbine ein Außengehäuse aufweist, das den Nebenstromkanal außen begrenzt. Das in der Wasserabscheideeinrichtung gewonnene Wasser wird dem Dampfsystem zugeführt. Das Wasser wird in dem Dampfsystem in einem Dampferzeuger durch Abgaswärme verdampft und treibt eine Dampfturbine an, die zusätzliche Leistung in das Gesamtsystem einspeist. Anschließend wird der Dampf dem Hauptstrom zugeführt und mit der verdichteten Luft in die Brennkammer geleitet, wodurch der Massestrom und spezifische Leistung erhöht wird und eine Reduktion des Stickoxidanteils im Abgas bewirkt.
Aus WO2020/187345A1 ist ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug bekannt, das aufgrund seiner Konzeption das Potential zur Reduzierung von umweit- bzw. klimaschädlichen Emissionen aufweist. Das Antriebssystem vereint ein Gasturbinensystem mit einem Wassersystem und einem Dampfsystem in einer Maschine. In einem stromabwärts der Turbine angeordneten Dampferzeuger wird mittels Wärmeabgabe aus dem Abgas Dampf erzeugt, der dann im Bereich der Brennkammer der Maschine zugeführt wird. Nach dem Durchströmen des Dampferzeugers durchläuft das feuchte Abgas noch weitere Komponenten, die dazu dienen, das Wasser aus dem Abgas durch Abkühlung abzuscheiden. Es handelt sich dabei um einen Kondensator und einer Wasserabscheideeinrichtung, die flugzeugseitig am Rumpf und im Flügel angeordnet sind.
Mit der WO2022/028653A1 ist ein weiteres Antriebssystem für ein Luftfahrzeug bekannt, das eine Weiterentwicklung des in WO2020/187345A1 beschrieben Systems darstellt. Abgaskanäle des Kondensators verlaufen dabei in Umfangsrichtung, um so den Kondensator innerhalb der Triebwerksgondel unterbringen zu können. Weiterhin ist eine Dampfturbine mit zusätzlichem Verdichter zur zusätzlichen Verdichtung des Kernstroms auf einer exzentrisch zu der Antriebswelle angeordneten dritten Welle vorgesehen. Der Kernstrom und der Dampf aus der Dampfturbine werden dann in einer Mischkammer vor der Brennkammer gemischt und in die Brennkammer eingespeist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug anzugeben, dessen Wasser- und Dampfsystem stärker in die Gasturbine integriert ist.
Diese Aufgabe wird von einem Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem für ein Luftfahrzeug umfasst eine Gasturbine mit einem Hauptstromkanal und einem Nebenstromkanal, wobei die Gasturbine ein Außengehäuse aufweist, das den Nebenstromkanal außen umgibt. Der Kernabgasstrom der Gasturbine wird dabei radial nach außen und zumindest abschnittsweise durch einen Abgaskanal durch das Außengehäuse hindurch oder an dem Außengehäuse entlang geführt wird. Diese spezielle Führung des Kernabgasstromes ermöglicht es, innerhalb der Triebwerksgondel eine große Abgasführungsstrecke zurückzulegen und somit verschiedene Wasserrückgewinnungsmodule integrieren zu können, wie z.B. Wärmetauscher, Abscheider etc.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Kernabgasstrom der Gasturbine innerhalb des Außengehäuses in Axialrichtung der Gasturbine gesehen in zumindest einem Abschnitt zunächst nach axial vorne und anschließend nach axial hinten geführt werden. Dies ermöglicht es, die zur Verfügung stehende Strecke weiter zu maximieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann in dem Außengehäuse zumindest ein Krümmer verbaut sein, um die Strömungsrichtung des Kernstroms um 180° umzukehren. Gemäß einer Ausführungsform kann an dem Außengehäuse, insbesondere an seinem Außenumfang, zumindest eine Kernaustrittsdüse zum Ausdüsen des Kernabgasstroms angeordnet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können vier, sechs oder acht Kernaustrittsdüsen am Außengehäuse, insbesondere symmetrisch, angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Gasturbine zumindest einen Kondensator mit mindestens einem Kondensatormodul umfassen, durch welches der Kernabgasstrom radial nach außen geführt wird, der insbesondere in dem Nebenstromkanal angeordnet ist und Abgaskanäle aufweist, die den Kernabgasstrom nach außen in radialer Richtung der Gasturbine durch den Nebenstromkanal und in das Außengehäuse leiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können Abgaskanäle von mindestens einem, insbesondere zwei, Kondensatormodulen in einen Abgaskanal in oder am Außengehäuse münden.
Gemäß einer Ausführungsform können Abgaskanäle von drei oder von vier oder von allen in der Gasturbine verbauten Kondensatormodulen in einen Abgaskanal in oder am Außengehäuse münden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann können Abgaskanäle von allen Kondensatormodulen den Kernabgasstrom in einen gemeinsamen Ringraum in oder am Außengehäuse führen. Von diesem Ringraum aus kann der Kernabgasstrom auf verschiedene Wasserabscheideeinrichtungen und/oder Kernaustrittsdüsen verteilt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung dem Abgaskanal nachfolgend in oder am Außengehäuse angeordnet sein, wobei die Wasserabscheideeinrichtung insbesondere einen Eintrittskanal, einen Krümmer, einen Drallerzeuger, einen Austrittskanal und/oder eine Kernaustrittsdüse aufweist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kondensatormodul als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Diese Konfiguration erlaubt eine besonders effiziente Wärmeübertragung und ist gut in den Nebenstromkanal integrierbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Antriebsystems sind eine Abgasströmungsrichtung des zumindest einen Kondensatormoduls und eine Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals in einem Kreuzstrom zueinander angeordnet. Die so geschaffene Kreuzstromanordnung erlaubt eine besonders einfache Strömung des Abgases aus dem Hauptstromkanal in das Außengehäuse der Gasturbine, um das dort dann in flüssiger Form vorliegende Wasser abscheiden zu können, während es in dem Kondensator strömend den im Wesentlichen in Axialrichtung strömenden Luftnebenstrom kreuzt.
Besonders bevorzugt ist das Antriebssystem dadurch weitergebildet, dass das mindestens eine Kondensatormodul eine der Luftnebenstrom richtung zumindest teilweise zugewandte Seitenfläche aufweist. Dadurch weist das Kondensatormodul einen Anstellwinkel gegenüber der Luftströmung auf, was die Luftströmung um das Kondensatormodul verzögert und so vorteilhaft eine höhere Kühlwirkung aufgrund eines höheren Wärmeübergangsstroms aus dem Abgases in dem Kondensatormodul an die Luftströmung in dem Nebenstromkanal erzielt.
Weiterhin kann in einer bevorzugten Weiterbildung des Antriebssystems vorgesehen sein, dass das mindestens eine Kondensatormodul Kühlkanäle aufweist, die einen Luftnebenstrom des Nebenstromkanals von der der Luftnebenstromrichtung zumindest teilweise zugewandten Seitenfläche auf eine der Luftnebenstromrichtung abgewandten Seitenfläche des mindestens einen Kondensatormoduls leiten. Hierdurch wird die angeströmte Oberfläche der Kondensatormodule vorteilhaft vergrößert, was die Wärmeübertragung weiter verbessert. Darüber hinaus findet eine Strömung auf und entlang der Rückseite der Kondensatormodule, das heißt der der Strömungsrichtung des Nebenstromkanals abgewandten Seitenfläche, statt, so dass die Wärmeübertragung vorteilhaft weiter erhöht wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Antriebssystem sind Kondensatormodule gruppiert angeordnet, so dass das mindestens eine Kondensatormodul als ein erstes Kondensatormodul und zusätzlich ein zweites Kondensatormodul als Kondensatormodulpaar in Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals paarweise angeordnet sind, wobei die Kondensatormodule eines Kondensatormodulpaares zueinander einen geringeren inneren Abstand in Umfangsrichtung der Gasturbine aufweisen, als einen äußeren Abstand in Umfangsrichtung der Gasturbine zu anderen Kondensatormodulen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der innere Abstand zumindest in Strömungsrichtung der Luftnebenstromrichtung in einer ersten Hälfte des Kondensatormodulpaares kleiner ist als der äußere Abstand. Hierdurch werden in den engeren Zwischenräumen innerhalb der Kondensatormodulpaare Bereiche mit einem relativ heißen Luftnebenstrom geschaffen, die eine zumindest geringfügig erhöhte spezifische Leistung zur Schuberzeugung aufweisen. Darüber hinaus sind die kalten Zwischenräume, das heißt die Nebenstromkanalbereich, die zwischen zwei Kondensatormodulpaaren angeordnet sind, dafür vorgesehen, Verunreinigungen im Luftnebenstrom ableiten zu können. Es kann aber alternativ auch vorgesehen sein, dass der innere Abstand zumindest in Strömungsrichtung der Luftnebenstromrichtung in einer ersten Hälfte des Kondensatorpaares größer ist als der äußere Abstand.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Antriebssystems sind ein erstes Kondensatormodul und ein zweites Kondensatormodul als Kondensatormodulpaar in Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals paarweise angeordnet sind, wobei das erste Kondensatormodul zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal einen ersten Anstellwinkel aufweist und das zweite Kondensatormodul zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal einen von dem ersten Anstellwinkel verschiedenen zweiten Anstellwinkel aufweist. In einer weitere Ausführungsform weisen der erste Anstellwinkel und der zweite Anstellwinkel ein unterschiedliches Vorzeichen zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal auf. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die beiden Anstellwinkel einen gleichen Absolutwert aufweisen.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das erste Kondensatormodul und das zweite Kondensatormodul durch eine stromaufwärts angeordnete Eintrittsverkleidung miteinander verbunden sind, die einen Luftnebenstrom des Nebenstromkanals teilt und entlang von der Luftnebenströmung zugewandten Seitenflächen des ersten Kondensatormoduls und des zweiten Kondensatormoduls leitet. Die Eintrittsverkleidung kann vorteilhaft zur Erzeugung oder Beibehaltung einer günstigen Luftströmung beitragen und Fremdkörper von den Kondensatormodulen wegleiten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind das erste Kondensatormodul und das zweite Kondensatormodul in einer V-Anordnung in dem Nebenstromkanal angeordnet. Hierdurch werden vorteilhaft düsenartige Bereiche zur Leitung des entsprechenden erhitzten Teilnebenstroms zwischen zwei Kondensatormodulen geschaffen, so dass keine zusätzlichen Trennwände in den Nebenstromkanal eingefügt werden müssen. Insbesondere in Kombination mit den oben beschriebenen Kühlkanälen, kann zwischen zwei Kondensatormodulpaaren zumindest ein Bereich mit relativ ungestörter Luftströmung in dem Nebenstromkanal erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Antriebssystems ist die zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung, insbesondere eine Kernaustrittsdüse der zumindest einen Wasserabscheideeinrichtung oder ein Drallerzeuger der zumindest einen Wasserabscheideeinrichtung, in Umfangsrichtung zwischen zwei Kondensatormodulen in einer das Außengehäuse schneidenden Umfangsebene, insbesondere zwischen zwei Kondensatormodulpaaren in einer das Außengehäuse schneidenden Umfangsebene, angeordnet. Dadurch kann der Bauraum in der Cowling, das heißt in dem Außengehäuse vorteilhaft besser genutzt werden.
In einer besonderen Verbesserung des Abgassystems münden Abgaskanäle von mindestens einem, insbesondere zwei Kondensatormodulen in eine Wasserabscheideeinrichtung, insbesondere in einen Eintrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung. Es können auch Abgaskanäle von drei oder mehr Kondensatormodulen in eine Wasserabscheideeinrichtung münden. Insbesondere kann es sich dabei um benachbarte Kondensatormodule handeln. Hierdurch kann die Nutzung des Bauraums in dem Außengehäuse weiter verbessert werden.
Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das zumindest ein Kondensatormodul von einer stromabwärts angeordneten Austrittsverkleidung begrenzt ist. Durch eine Austrittsverkleidung kann der Luftnebenstrom verlustarm auf einfache Weise in die gewünschte Schubrichtung ausgerichtet werden.
Als eine vorteilhafte Ausführungsform einer Gasturbine, die eine Hauptantriebswelle mit einer Drehachse aufweist, die von einer Turbine angetrieben wird und, insbesondere über ein Getriebe, einen Fan und einen Verdichter antreibt, dass eine Dampfturbine konzentrisch zu der Hauptantriebswelle angeordnet ist und ihre mechanische Leistung über ein Dampfturbinengetriebe an die Hauptantriebswelle speist. Hierdurch kann ein sehr kompaktes Antriebssystem geschaffen werden, das einen Wärmestrom aus dem Abgas zur zusätzlichen Leistungsgenerierung nutzen kann. Insbesondere gegenüber einer Ausführung mit einer exzentrisch angeordneten dritten Wellen ist der Turbomaschinenteil weiter vereinfacht und es ergeben sich geringere Verlustleistungen und eine verbesserte Bauraumausnutzung.
Die Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einer Gasturbine in einem Meridianschnitt
Fig. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer Umfangsansicht
Fig. 3 zeigt eine ausgehend vom Schnitt der Fig. 1 die Strömungsführung des Kernstroms nach einem Ausführungsbeispiel
Fig. 4 zeigt eine Außenansicht einer Gasturbine nach einem Ausführungsbeispiel
Anhand der Fig. 1 und 2 wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystem beschrieben. In Fig. 1 ist das Antriebssystem 1 in einem Meridianschnitt, das heißt in einer von der Radialrichtung R und Axialrichtung Ax aufgespannten Ebene, dargestellt. In Fig. 2 ist das Antriebssystem entlang der seitlich gezeigten Schnitte A-A und B-B anhand einer abgerollten Darstellung von Umfangsebenen gezeigt, das heißt es ist in einer von der Axialrichtung Ax und Umfangsrichtung U aufgespannten Ebene dargestellt.
Das Antriebssystem 1 umfasst eine Gasturbine 2 und ist über einen Pylon 3 mit einem Flügel 4 eines Luftfahrzeugs verbunden. Die Gasturbine 2 weist einen Einlass 7, der in Axialrichtung Ax der Gasturbine 2 vorne in einem Außengehäuse 5, der sogenannten Cowling angeordnet ist, auf. Die Gasturbine weist innen ein Innengehäuse 6 auf, das auch als Kerngehäuse bezeichnet werden kann. Hinter dem Einlass 7 ist ein Fan 8 angeordnet, der von einer in dem Innengehäuse 6 gelagerten Antriebswelle 9 der Gasturbine angetrieben wird, Luft ansaugt und den Luftgesamtstrom in einen Hauptstromkanal 10 und einen Nebenstromkanal 20 der Gasturbine 2 fördert. Der Fan 8 ist mit einem ebenfalls in dem Innengehäuse 6 angeordneten Getriebe 11 mit der Antriebswelle 9 gekoppelt. Das Außengehäuse 5 umgibt den Nebenstromkanal 20 außen und begrenzt ihn zumindest abschnittsweise, während das Innengehäuse 6 eine Innenkanalwand für den Nebenstromkanal 20 bildet und diesen so innen begrenzt.
Das Abgas aus dem Hauptstromkanal 10 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht direkt ausgestoßen, sondern in einem Wassersystem 30 und einem Dampfsystem 40 nachbehandelt. Das Wassersystem 30 und das Dampfsystem 40 sind in der Gasturbine 2 angeordnet. Komponenten des Wassersystems 30 sind dabei in dem Nebenstromkanal 20 und teilweise in dem Innengehäuse 6 sowie dem Außengehäuse 5 der Gasturbine 2 angeordnet. Das Wassersystem 30 gewinnt Wasser aus dem Abgas des Lufthauptstroms und speist das Dampfsystem 40 mit Wasser. Das Dampfsystem 40 verdampft das Wasser und führt dem Lufthauptstrom heißen Dampf zu, um dessen Massenstrom und damit die spezifische Leistung der Gasturbine zu erhöhen. Die Ströme des Abgases, des Wassers und Dampfes sind dabei rein schematisch in Fig. 1 eingezeichnet.
Der Hauptstromkanal 10 weist in Strömungsrichtung einen Verdichter 12, eine dem Verdichter 12 nachgeschaltete Mischkammer 48 zur Mischung der verdichteten Luft und eines heißen Dampfes, eine daran anschließende Brennkammer 13, die dem Luft-Dampf-Gemisch einen Brennstoff zuführt und zu einem Abgas verbrennt, eine Hochdruckturbine 14 und eine Niederdruckturbine 15 auf, die das Abgas entspannen und mechanische Leistung zum Antrieb bereitstellen, und es schließlich in ein Turbinenaustrittsgehäuse 16 weiterleiten. Es kann vorgesehen sein, dass die Hochdruckturbine 14 über eine zweite Welle der Gasturbine 2 einen Hochdruckverdichter antreibt.
Der Nebenstromkanal 20 weist stromabwärts einen als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Kondensator 21 auf, der mehrere Eintrittsverkleidungen 22, mit den Eintrittsverkleidungen 22 verbundene Kondensatormodule 23, und die Kondensatormodule 23 stromabwärts abschließende Austrittsverkleidungen 27 umfasst. Die Kondensatormodule 23 sind in den sogenannten C-Kanälen der Gasturbine angeordnet und nach außen hin in Strömungsrichtung geneigt. Die Kondensatormodule 23 erstrecken sich in radialer Richtung R von dem Innengehäuse 6 bis zu dem Außengehäuse 5. Ein Großteil des von dem Fan 8 geförderten Luftvolumens wird als Luftnebenstrom dem Nebenstromkanal 20 zugeführt und durchströmt dort den Kondensator 21 , bevor der Luftnebenstrom die Gasturbine 2 zur Schuberzeugung verlässt. Der Luftnebenstrom wird dabei in dem in dem als Wärmetauscher arbeitenden Kondensator 21 teilweise erhitzt und kühlt das durch den Kondensator 21 strömende Abgas.
Stromabwärts des Turbinenaustrittsgehäuses 16 ist ein Dampferzeuger 41 des Dampfsystems 40 angeordnet, der von dem heißen Abgas aus der Niederdruckturbine 15 in radialer Richtung R nach außen hin durchströmt wird. Anschließend strömt das Abgas weiter in radialer Richtung zu dem Kondensator 21 des Wassersystems 30 und durch diesen durch ebenfalls in radialer Richtung verlaufende Abgaskanäle 26. In dem Kondensator 21 wird das Abgas weiter abgekühlt. Während der Abkühlung des Abgases kondensiert Wasser aus dem Abgas zumindest teilweise, wobei das Abgas-Wasser-Gemisch weiter radial nach außen in eine Wasserabscheidevorrichtung 31 strömt. Dort wird es zunächst in axialer Richtung Ax der Gasturbine 2 in einem Eintrittskanal 32 nach vorne geleitet, um etwa 180° in einem Krümmer 33 umgelenkt und einem Drallerzeuger 34 in einem Austrittskanal 35 zugeführt, der das Abgas zentrifugiert. Dadurch wird das Wasser in dem Abgas-Wasser-Gemisch ausgeschieden und kann in flüssiger Form in das weitere Wassersystem 30 geleitet werden. Das entfeuchtete und gekühlte Abgas wird über eine Kernaustrittsdüse 36 freigesetzt und entspannt und dient zusätzlich der Schuberzeugung. Die Komponenten des Wassersystems 30 sind in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 1 sind lediglich Pfeile eingezeichnet, die die Richtung des Abgases schematisch verdeutlichen sollen.
Das in der Wasserabscheidevorrichtung 31 gesammelte Wasser wird über Wasserleitungen 37 an ein Wasserreservoir 38 gefördert. Von dort wird das nunmehr als Speisewasser bezeichnete Wasser mittels einer Wasserpumpe 39 dem Dampferzeuger 41 des Dampfsystems 40 zugeführt wird. Die Wasserpumpe 39 ist vorzugsweise regelbar und kann entsprechend einer benötigten Dampfleistung dem Dampferzeuger Speisewasser zuführen. Das Wasserreservoir 38 und die Wasserpumpe 39 befinden sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem Innengehäuse 6 der Gasturbine.
Der Dampferzeuger 41 ist vorzugsweise als sogenannter Rohrbündelwärmetauscher in Kreuz-Gegenstromanordnung zu dem Abgas mit mehreren Passagen ausgeführt. Er wird vorzugsweise rotationssymmetrisch und konzentrisch zur Triebwerksachse innerhalb des Innengehäuses der Gasturbine, das heißt der Kerntriebwerksverkleidung, untergebracht. Der Dampferzeuger 41 umfasst einen Vorheizer 42, um das Speisewasser zu erhitzen, einen Verdampfer 43, der das Speisewasser in Dampf umwandelt und einen Überhitzer 44, der den Dampf überhitzt. Die Anordnung innerhalb des Dampferzeugers ist in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellt. Andere Konfigurationen mit mehr oder weniger Elementen des Dampferzeugers 41 sind auch möglich. So können der Vorheizer 42, der Verdampfer 43 und der Überhitzer 44 als einander spiralförmig überkreuzende Rohrleitungen ausgebildet sein. Der insbesondere überhitzte Dampf wird durch eine Dampfleitung 45 einer Dampfturbine 46 zugeführt und treibt diese an. Der in der Dampfturbine 46 entspannte Dampf wird dann in die Mischkammer 48 zur Nutzung in der Brennkammer 13 geleitet. Es kann vorgesehen sein, dass ein Teil des Dampfes direkt in die Brennkammer geleitet oder zu Kühlzwecken abgeleitet wird. Die Dampfturbine 46 ist an die Antriebswelle 9 der Gasturbine durch ein Dampfturbinengetriebe 47 gekoppelt. Im Einsatz liegt das Übersetzungsverhältnis des Dampfturbinengetriebes 47 im Bereich 1 :5 bis 1 :10, da die Dampfturbine 46 deutlich höhere Umdrehungszahlen als die Niederdruckturbine 15 und damit die Antriebswelle 9 erreicht. Die so in der Dampfturbine 46 gewonnene mechanische Leistung wird entsprechend der Antriebswelle 9 zugeführt und so die Abgaswärme dem Kreisprozess der Gasturbine 2 wieder zur Verfügung gestellt.
Der Aufbau des Kondensators 21 wird im Folgenden anhand der Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 sind in die seitlich links im Meridianschnitt dargestellte Gasturbine Schnittebenen entlang der Linien A-A und B-B eingezeichnet, deren zugehörige schematisch dargestellte Umfangsebenen abgewickelt gezeigt sind.
Im Schnitt A-A ist seitlich zu dem Pylon 3 ein im C-Kanal angeordneter und aus mehreren Kondensatormodulen 23, 23' bestehender Kondensator 21 gezeigt. Die Kondensatormodule 23, 23' sind paarweise als Kondensatormodulpaare 25 angeordnet und diese Kondensatormodulpaare 25 durch jeweils eine Eintrittsverkleidung 22 miteinander in einem stromaufwärts gelegenen Bereich des Nebenstromkanals 20 verbunden. Jedes der Kondensatormodule 23, 23' wird in Strömungsrichtung von einer Austrittsverkleidung 27, 27' begrenzt. Die Kondensatormodulpaare 25 bestehen also aus einem ersten Kondensatormodul 23 und einem zweiten Kondensatormodul 23‘. Die beiden Kondensatormodule 23, 23' weisen gegenüber der Nebenstromrichtung in dem Nebenstromkanal, insbesondere einer Axialrichtung Ax der Gasturbine, einen Anstellwinkel a, a' auf. Das erste Kondensatormodul 23 weist einen ersten Anstellwinkel a auf, der vom Betrag, das heißt von einem Absolutwert, einem zweiten Anstellwinkel a' des zweiten Kondensatormoduls 23' entspricht, aber ein anderes Vorzeichen aufweist. Auf diese Weise ergibt sich eine V-Anordnung für die Kondensatormodulpaare 25. Zwischen dem ersten Kondensatormodul 23 und dem zweiten Kondensatormodul 23' eines Kondensatormodulpaares 25 ist ein innerer Abstand i in Umfangsrichtung U vorgesehen, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entlang der Axialerstreckung des Kondensators überall kleiner ist eine äußerer Abstand a in Umfangsrichtung U zwischen zwei Kondensatormodulpaaren 25.
Die vom Fan 8 geförderte Luft wird durch die Eintrittsverkleidungn 22 aufgeteilt und fließt dann entlang der äußeren, das heißt entlang der Luftnebenstromrichtung zugewandten Seitenflächen 24a der Kondensatormodule 23, 23‘. Ein Teil dieser Luft strömt durch Kühlkanäle 24c zwischen den Rippen der Kondensatormodule 23, 23' auf die der Luftnebenstromrichtung abgewandten Seitenflächen 24b der Kondensatormodule 23, 23‘.
Der Teil des Luftnebenstroms, der nicht durch die Kondensatormodule 23 strömt, sondern im Wesentlichen gerade an den Kondensatormodulen 23 vorbeiströmt, verlässt die Gasturbine 2 zur Schuberzeugung zwischen zwei benachbarten Austrittsverkleidungen 27, 27' zweier benachbarter Kondensatormodulpaare 25. Diese benachbarten Austrittsverkleidungen 27 zweier benachbarter Kondensatormodulpaare 25 bilden eine kalte Nebenstromdüse 28.
Die Luft, die durch die Kondensatormodule 23 strömt wird in einen Innenraum der Kondensatormodulpaare 25 geleitet, erhitzt und zwischen zwei Austrittsverkleidungen 27, 27' eines Kondensatormodulpaares 25 ausgeblasen. Die beiden benachbarten Austrittsverkleidungen 27, 27' eines Kondensatormodulpaares 25 bilden auf diese Weise eine heiße Nebenstromdüse 29.
Diese Anordnung hat auch den Vorteil, dass Fremdkörper die mit hoher Geschwindigkeit im Nebenstrom vorhanden sein können, entlang der Kondensatorseitenflächen in die kalte Nebenstromdüse 28 geleitet werden. Dadurch können mögliche Beschädigungen und auch Verschmutzungen vermieden oder zumindest verringert werden.
Bei der Durchströmung der Kondensatormodule wird Abgaswärme auf die Luft übertragen, wodurch deren Temperatur steigt. Das Abgas kühlt dabei soweit ab bis das darin enthaltene Wasser, zumindest teilweise kondensiert und in flüssiger Form vorliegt. Wie weiter oben beschrieben, wird das Abgas durch Abgaskanäle 26 im Inneren des Kondensators 21 geleitet. Die Abgaskanäle 26 befinden sich in jedem der Kondensatormodule 23, 23‘. Das Abgas wird durch die Abgaskanäle 26 radial nach außen in die Eintrittskanäle 32 der Wasserabscheidevorrichtungen 31 geleitet, welche in dem Außengehäuse 5, das auch als Cowling oder Gondel bezeichnet wird, angeordnet sind. Die Wasserabscheidevorrichtungen 31 sind Verbindungskanäle zwischen den Kondensatormodulen 23. 23' und den Kernaustrittsdüsen 36. In der gezeigten Ausführung werden die Abgasströme jeweils aus den beiden Kondensatormodulen 23, 23' eines Kondensatormodulpaares 24 zusammengefasst. Das Abgas strömt zunächst nach dem Austritt aus den Kondensatormodulen 23, 23' in einem Eintrittskanal 32 der Wasserabscheidevorrichtung 31 nach vorne in Richtung Triebwerkseinlauf und dann nach einer 180° Kehre in einem Krümmer 33 in dem Austrittskanal 35 in Richtung der Kerntriebwerksdüse 36. In einer Wasserabscheidevorrichtung 31 können neben dem oben erwähnten Drallerzeuger 34 weitere Elemente, die zur Wasserabscheidung dienen, untergebracht sein.
Bezugszeichenliste
1 Antriebssystem
2 Gasturbine
3 Pylon
4 Flügel
5 Außengehäuse der Gasturbine
6 Innengehäuse der Gasturbine
7 Einlauf
8 Fan
9 Antriebswelle
10 Hauptstromkanal (Kernstromkanal)
11 Getriebe
12 Verdichter
13 Brennkammer
14 Hochdruckturbine
15 Niederdruckturbine
16 Turbinenaustrittsgehäuse
20 Nebenstromkanal (Bypass)
21 Kondensator
22 Eintrittsverkleidung
23 (erstes) Kondensatormodul (eines Kondensatormodulpaares)
23' zweites Kondensatormodul eines Kondensatormodulpaares
24a Luftnebenstromrichtung zugewandte Seitenfläche eines Kondensatormoduls
24b Luftnebenstromrichtung abgewandte Seitenfläche eines Kondensatormoduls
24c Kühlkanäle
25 Kondensatormodulpaar
26 Abgaskanal
27 Austrittsverkleidung des (ersten) Kondensatormoduls
27' Austrittsverkleidung des zweiten Kondensatormoduls
28 kalte Nebenstromdüse
29 heiße Nebenstromdüse 30 Wassersystem
31 Wasserabscheideeinrichtung
32 Eintrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung
33 Krümmer
34 Drallerzeuger
35 Austrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung
36 Kernaustrittsdüse
37 Wasserleitung
38 Wasserreservoir
39 Wasserpumpe
40 Dampfsystem
41 Dampferzeuger
42 Vorheizer
43 Verdampfer
44 Überhitzer
45 Dampfleitung
46 Dampfturbine
47 Dampfturbinengetriebe
48 Mischkammer

Claims

Patentansprüche
1 . Antriebssystem (1 ) für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine (2), mit einem Hauptstromkanal (10) und einem Nebenstromkanal (20), wobei die Gasturbine (2) ein Außengehäuse (5) aufweist, das den Nebenstromkanal (20) außen umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernabgasstrom der Gasturbine (2) radial nach außen und zumindest abschnittsweise durch einen Abgaskanal (32) durch das Außengehäuse (5) hindurch oder an dem Außengehäuse (5) entlang geführt wird.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kernabgasstrom der Gasturbine (2) innerhalb des Außengehäuses (5) in Axialrichtung der Gasturbine gesehen in zumindest einem Abschnitt zunächst nach axial vorne und anschließend nach axial hinten geführt wird.
3. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Außengehäuse (5) zumindest ein Krümmer (33) verbaut ist, um die Strömungsrichtung des Kernstroms um 180° umzukehren.
4. Antriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Außengehäuse (5), insbesondere an seinem Außenumfang, zumindest eine Kernaustrittsdüse (36) zum Ausdüsen des Kernabgasstroms angeordnet ist.
5. Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vier, sechs oder acht Kernaustrittsdüsen (36) am Außengehäuse (5), insbesondere symmetrisch, angeordnet sind.
6. Antriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Gasturbine (2) zumindest einen Kondensator (21 ) mit mindestens einem Kondensatormodul (23) umfasst, durch welches der Kernabgasstrom radial nach außen geführt wird, der insbesondere in dem Nebenstromkanal (20) angeordnet ist und Abgaskanäle (26) aufweist, die ein den Kernabgasstrom (10) nach außen in radialer Richtung (R) der Gasturbine (2) durch den Nebenstromkanal (20) und in das Außengehäuse (5) leiten.
7. Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Abgaskanäle (26) von mindestens einem, insbesondere zwei, Kondensatormodulen (23) in einen Abgaskanal (32) in oder am Außengehäuse münden.
8. Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Abgaskanäle (26) von drei oder von vier oder von allen in der Gasturbine (2) verbauten Kondensatormodulen (23) in einen Abgaskanal (32) in oder am Außengehäuse münden.
9. Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Abgaskanäle (26) von allen Kondensatormodulen (23) den Kernabgasstrom in einen gemeinsamen Ringraum in oder am Außengehäuse führen.
10. Antriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung (31 ) dem Abgaskanal (32) nachfolgend in oder am Außengehäuse (5) angeordnet ist, wobei die Wasserabscheideeinrichtung (31 ) insbesondere einen Eintrittskanal (32), einen Krümmer (33), einen Drallerzeuger (34), einen Austrittskanal (35) und/oder eine Kernaustrittsdüse (36) aufweist.
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