WO2023246979A1 - Verfahren zum betreiben einer strömungsmaschine - Google Patents

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WO2023246979A1
WO2023246979A1 PCT/DE2023/100434 DE2023100434W WO2023246979A1 WO 2023246979 A1 WO2023246979 A1 WO 2023246979A1 DE 2023100434 W DE2023100434 W DE 2023100434W WO 2023246979 A1 WO2023246979 A1 WO 2023246979A1
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heat exchanger
turbine
turbomachine
steam
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PCT/DE2023/100434
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Hermann Klingels
Sascha Kaiser
Petra Kufner
Simon Schuldt
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MTU Aero Engines AG
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    • 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
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    • F05D2260/00—Function
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    • F05D2260/213—Heat transfer, e.g. cooling by the provision of a heat exchanger within the cooling circuit

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a turbomachine for an aircraft drive with a compressor, combustion chamber, turbine through which a gas flow flows in a flow direction and a heat exchanger downstream of the turbine, wherein the heat exchanger generates steam from water using energy from the gas flow, which corresponds to the gas flow for burning with fuel and thus ultimately or directly fed to the combustion chamber.
  • the invention also relates to a turbomachine which is set up to carry out such a method.
  • a method for operating a turbomachine for an aircraft drive with a compressor, combustion chamber, turbine and a heat exchanger downstream of the turbine through which a gas flow flows in one flow direction is proposed, the heat exchanger generating steam from water using energy from the gas flow, which of the gas flow is ultimately or directly fed to the combustion chamber for burning with fuel.
  • the gas flow when exiting the turbine in particular when exiting a low-pressure turbine, has a temperature between 700 and 980 K, preferably between 800 and 980 K, in order to provide the energy to generate the steam.
  • This increases the gas flow temperature at a turbine outlet, particularly compared to known turbomachines, whereby a larger temperature difference between the gas flow and the water to be evaporated in the heat exchanger can be achieved.
  • This heat exchanger can therefore be dimensioned smaller and lighter, whereby a weight reduction of the heat exchanger and thus of the turbomachine can be achieved. Overall, this can improve the efficiency of the turbomachine.
  • a temperature of the gas flow when exiting a low-pressure turbine in the range of 980 K represents a particularly hottest temperature during a hot-day takeoff.
  • a turbomachine for an aircraft drive is proposed with a compressor, combustion chamber, turbine through which a gas flow flows in a flow direction and a heat exchanger downstream of the turbine, the heat exchanger being set up to generate steam from water using energy from the gas flow, which can be supplied with fuel to the gas flow for burning in the combustion chamber.
  • the fuel for the method according to the invention is, for example, kerosene or sustainable air fuels (SAFs); in particular, hydrogen can also be used as fuel.
  • SAFs sustainable air fuels
  • the turbomachine is set up to carry out a method according to one or more of the aspects described herein.
  • Such a turbomachine for aircraft propulsion has a compressor, a combustion chamber and a turbine.
  • air is compressed in the compressor, mixed with fuel in front of or in the combustion chamber and ignited to drive the turbine.
  • the turbomachine can have a fuel preparation system for preparing the fuel before it is burned in the combustion chamber, which in particular uses the steam generated in the heat exchanger.
  • the proposed turbomachine also has a heat exchanger arranged downstream of the turbine. In the heat exchanger, steam is generated from water, which is extracted in particular from the gas flow or the exhaust gas of the turbomachine and fed to the heat exchanger, using the energy of the gas flow.
  • the gas flow after exiting the turbine is also referred to in particular as exhaust gas or exhaust gas flow.
  • An aircraft drive can have such an axial turbomachine, which in particular has an exhaust gas treatment device which is usually arranged downstream of the turbine of the turbomachine.
  • the exhaust gas treatment device can have a heat exchanger, a cooling device and a water separation device, which are arranged on an exhaust gas duct of the exhaust gas treatment device in the flow direction of the gas flow.
  • the gas flow after the turbine or an exhaust gas from the aircraft engine or the turbine can flow through the exhaust duct of the exhaust gas treatment device and be cooled by means of the heat exchanger to a temperature below the temperature when exiting the turbine or an original exhaust gas temperature.
  • the Energy is withdrawn from the gas flow of the heat exchanger to produce water vapor, which causes the temperature of the gas flow to drop.
  • the cooling device downstream of the heat exchanger in the flow direction can be designed as a condenser (condenser heat exchanger) or have one and use ambient air as a cooling fluid, which is conveyed, for example, by means of a blower or a fan of the aircraft engine.
  • a condenser heat exchanger can essentially have two areas, with cooling of the essentially gaseous exhaust gas flow taking place in a first area arranged upstream. In a second region downstream of the first region, the exhaust gas flow is further cooled, so that liquid water components are present in the exhaust gas flow, which can be separated from the exhaust gas flow.
  • the liquid water portion can be separated from the gas flow in the water separation device, provided to the heat exchanger for steam generation and thus returned to an operating process of the turbomachine.
  • a higher thermal efficiency can be achieved by using the exhaust gas energy and the formation of contrails caused by the exhaust gas flow can be reduced.
  • At least part of the steam generated in the heat exchanger can be directed, in particular via a steam line or steam supply, into a mixing chamber of a fuel preparation system - depending on the design of the fuel preparation.
  • Fuel can be introduced into such a mixing chamber and thus fed to the steam also introduced into it, whereby the fuel can evaporate.
  • a mixture can thus be formed from the steam and the fuel, which can ultimately be fed to the combustion chamber of the turbomachine for combustion.
  • the steam can also be supplied to the gas flow before and/or in the combustion chamber.
  • the invention is based, among other things, on the idea of increasing a temperature difference between the gas flow used in the heat exchanger and provided by the turbine and the water to be evaporated in order to improve steam generation or superheating of steam by means of the heat exchanger and in particular to make it more efficient.
  • This can be achieved, for example, by a reduced expansion of the gas flow or the working fluid in the turbine and thus a reduced work extraction or energy absorption and thus an energy content or a temperature of the gas flow or the exhaust gas when exiting the turbine or is increased at a downstream turbine outlet.
  • the energy that can be provided in the heat exchanger or evaporator can be increased, which can result in a weight saving on the heat exchanger, especially in comparison to known turbomachines.
  • the gas flow has a temperature between 1600 and 1750 K, in particular 1650 K to 1700 K, when exiting the combustion chamber. Because water is supplied to the combustion chamber in addition to fuel and air, the combustion chamber outlet temperature is lower than known turbomachines due to the additional energy required to evaporate the water. Accordingly, a turbomachine that is set up to carry out the method proposed here can be designed with a particularly significantly lower expansion ratio than a classic turbomachine.
  • the gas flow has a temperature between 400 and 480 K when it exits the heat exchanger.
  • the difference between the outlet temperature at the turbine and the outlet temperature at the heat exchanger can be used as energy to generate steam by means of the heat exchanger, thereby promoting the generation of steam, in particular superheated steam.
  • superheated steam can be generated from the exhaust gas energy in the heat exchanger, which has a high energy density.
  • the heat exchanger heats the steam to a temperature between 600 and 900 K, in particular to 650 K to 750 K. At this temperature, superheated steam has a high energy density, so that undesirable condensation of the evaporated water occurs, for example in the area of the fuel processing system to burn the fuel contained in the mixture in the combustion chamber can be avoided.
  • the overall pressure ratio (OPR) of the turbomachine is 20 to 40, in particular from 22 to 35.
  • the overall pressure ratio of the turbomachine or the overall compression ratio between the fan and the combustion chamber is in particular the ratio of a dynamic pressure of the working fluid at a downstream outlet side of the compressor of the engine or an upstream inlet side of the combustion chamber to a dynamic pressure of the working fluid at an upstream inlet side of the fan or a ratio of a total pressure of the working fluid at an inlet to the combustion chamber to a total pressure of the working fluid at an inlet of the fan.
  • the total pressure here is in particular the pressure that arises in a flowing medium or the working fluid at a measuring point at which the flow velocity is reduced isentropically or without loss to almost a standstill.
  • a total pressure ratio of the turbomachine of 20 to 40 and in particular of 22 to 35 enables, within the framework of the proposed method, an optimal compromise between a high turbine outlet temperature and thus a high heat potential for the evaporator, a small number of stages of the compressor, in particular the low-pressure compressor, and even the elimination of a low-pressure compressor , using the simplest possible materials and achieving high cycle efficiency.
  • water and/or steam is provided to the heat exchanger by a water separation device downstream of the heat exchanger.
  • the water separation device can be arranged downstream of the cooling device or form part of it.
  • the separated water can be provided to the steam generator or the heat exchanger, for example by means of a feed device, whereby the water can optionally be fed via a water treatment system into a water reservoir, where it is stored in particular for further use.
  • the water to be supplied or supplied to the heat exchanger can be kept in a circuit, which means that an additional water supply for the combustion process can be eliminated.
  • the turbine of the turbomachine is set up on
  • Turbine outlet the gas flow having a temperature between 700 and 980 K, preferably between 800 K and 905 K.
  • the turbine outlet is the downstream exit side at which the gas flow leaves the turbine or the low-pressure turbine of the turbine.
  • the turbomachine has an exhaust gas treatment device downstream of the turbine in the flow direction, which comprises the heat exchanger, a cooling device and a water separation device.
  • the exhaust gas treatment device can have an exhaust gas channel through which the exhaust gas of the aircraft engine can flow and on which the heat exchanger, the cooling device and the water separation device are arranged in order to be flowed through by the gas flow. This makes it possible to separate water from the gas flow or exhaust gas flow and thus make water to be evaporated available to the heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary turbomachine according to the invention for an aircraft drive
  • Fig. 2 is a schematic representation of a flow chart of a method according to the invention for operating a turbomachine for an aircraft drive.
  • Fig. 1 shows a turbomachine 1 according to the invention for an aircraft drive, which is set up to carry out a method described herein, in a schematic representation.
  • the turbomachine 1 is designed, for example, as a turbofan engine and has a compressor 3, a combustion chamber 4 and a turbine 5 with a low-pressure turbine 51, through which a gas flow 6 can flow in one flow direction or through which the gas flow 6 flows when the turbomachine 1 is in operation become.
  • the gas flow 6 has a temperature Ti between 700 and 980 K, preferably between 800 and 980 K, when exiting the turbine 5 or when exiting the low-pressure turbine 51, in order to provide energy for generating the steam by means of a heat exchanger 8.
  • the turbomachine 1 Downstream of the turbine 5 in the direction of flow, the turbomachine 1 has the heat exchanger 8, which is set up to generate steam from water using energy from the gas flow 6.
  • This steam can be supplied via a steam supply 12, in particular with a fuel, into the gas flow for combustion in the combustion chamber 4.
  • the steam supply 12 can have a mixing chamber 2 of a fuel processing device, into which fuel can be introduced and thus fed to the steam flowing through it, whereby the fuel can evaporate.
  • the steam and fuel can thus be supplied to the combustion chamber 4 of the turbomachine 1 in the form of a mixture.
  • the steam and/or the fuel can also be supplied directly to the gas flow 6 before and/or in the combustion chamber 4.
  • the gas flow 6 After combustion in the combustion chamber 4 or upon exiting the combustion chamber 4, the gas flow 6 in particular has a temperature T4 between 1600 and 1750 K, in particular 1650 K to 1700 K.
  • the gas flow 6 first passes through the compressor 3, the combustion chamber 4 and the turbine 5 with the low-pressure turbine 51. After the turbine 5, the gas flow 6 can also be referred to as the exhaust gas flow of the turbomachine 1. This (exhaust) gas flow 6 flows from the turbine 5 into an exhaust duct 7, on which the heat exchanger 8, a cooling device 13 and a Water separation device 15 are arranged.
  • the heat exchanger 8 can have a steam generator 9 in order to generate and/or superheat the steam, the heat exchanger 8 being in particular set up to heat the steam to a temperature T3 between 600 and 900 K, preferably to 650 K to 750 K, particularly preferably to be heated to 700 to 740 K, in particular to around 720 K.
  • the cooling device 13 is arranged downstream of the heat exchanger 8 in relation to the flow direction of the gas flow 6 and can have a condenser 14 set up for cooling with ambient air in order to enable the separation of water vapor and/or water present in the gas flow 6.
  • a water separation device 15 is arranged downstream of the cooling device 13, which can be designed as a droplet separator.
  • the gas flow 6 in the water separation device 15 can be set in rotation, as a result of which water drops can be guided radially outwards by centrifugal force and the water can be collected.
  • the remaining gas flow 6 can leave the exhaust duct 7 via an outlet 18 and in particular be released into the environment.
  • the separated water can, for example, be fed into a water storage 17 via an optional water treatment system 16, where it can be available for further use.
  • a supply device 11 the water can be provided to the steam generator 9 or the heat exchanger 8 in order to generate water vapor, which can be supplied to the gas flow 6 in the area of the combustion chamber 4.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a method 100 for operating the exemplary turbomachine 1 from Fig. 1, wherein in a step a the turbomachine 1 or its compressor 3, the combustion chamber 4 and the turbine 5 with the low-pressure turbine 51 from one Gas flow 6 flows through.
  • the Gas flow 6 when exiting the turbine 5 or when exiting the low-pressure turbine 51 has a temperature Ti between 700 and 980 K, preferably 800 and 980 K, in order to provide energy for generating steam by means of the heat exchanger 8.
  • the gas flow 6 is generated by the heat exchanger 8 from water provided there, in particular from the gas flow 6 or the exhaust gas flow after the heat exchanger 8, using the energy of the gas flow 6, whereby the gas flow 6 cools down.
  • the gas flow 6 has a temperature T2 between 400 and 480 K when it exits the heat exchanger 8 or downstream of the heat exchanger 8.
  • the pre-cooled gas flow 6 is condensed by means of the cooling device 13.
  • the water 11 condensed in the second cooling device 13 is collected in a further step d, in particular by means of the water separation device 15.
  • the collected water is provided to the heat exchanger 8 for generating steam, in particular by means of a feed device 11, with steam being generated in step b by means of the heat exchanger 8 or its steam generator or evaporator 9.
  • the heat exchanger 8 heats the steam to a temperature T3 between 600 and 900 K, in particular to 650 K to 750 K, and particularly preferably between 700 and 740 K, in particular to approximately 720 K.
  • step f at least part of the steam generated in the heat exchanger 8 can be passed via a steam supply 12, for example, into a mixing chamber 2 of a fuel processing system, where a steam/fuel mixture can be generated, which is finally in a step g of the gas flow 6, is supplied for combustion in particular in the combustion chamber 4 of the turbomachine 1.
  • the gas flow 6 can have a temperature T4 between 1600 and 1750 K, in particular 1650 K to 1700 K, when exiting the combustion chamber 4.

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Abstract

Verfahren (100) zum Betreiben einer Strömungsmaschine (1) für einen Flugantrieb mit von einer Gasströmung (6) in einer Strömungsrichtung durchströmten Verdichter (3), Brennraum (4), Turbine (5) und einem der Turbine (5) nachgelagerten Wärmetauscher (8), wobei der Wärmetauscher (8) aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung (6) einen Dampf erzeugt, welcher, insbesondere mit Brennstoff, in die Gasströmung (6) zum Verbrennen im Brennraum (4) zugeführt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine für einen Flugantrieb mit von einer Gasströmung in einer Strömungsrichtung durchströmten Verdichter, Brennraum, Turbine und einem der Turbine nachgelagerten Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung einen Dampf erzeugt, welcher der Gasströmung zum Verbrennen mit Brennstoff und somit schlussendlich oder direkt dem Brennraum zugeführt wird. Zudem betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine, welche eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen.
In der Vergangenheit wurden für stationäre Gasturbinen und Flugtriebwerke viele Konzepte für eine schadstoffarme Verbrennung entwickelt. Dabei werden unterschiedliche Maßnahmen ergriffen, die alle das Ziel haben, hohe Spitzentemperaturen und die damit einhergehende Stickoxidbildung zu vermeiden und gleichzeitig die Emission von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen gering zu halten. Es ist bekannt, dass das Medium Wasser bzw. Wasserdampf bei Strömungsmaschinen zur Leistungssteigerung und zur Emissionssenkung eingesetzt werden kann.
Auch bei Flugtriebwerken ist es sinnvoll Wasserdampf zu nutzen, um die Umweltwirkung des Flugverkehrs zu verbessern. Beispielsweise setzt die „Water-Enhanced Turbofan (WET®)“- Technologie auf eine Wassereinspritzung in eine Brennkammer. Hierbei bietet Wasserdampf neue Möglichkeiten der Brennstoff aufbereitung und damit ein neues Konzept für eine schadstoffarme Verbrennung in einer Strömungsmaschine. Beispielsweise kann in einem stromabwärts einer Triebwerksturbine angeordneten Dampferzeuger mittels Abgasenergie Dampf erzeugt werden, der im Bereich der Brennkammer zugeführt wird. Nach einem Durchströmen des Dampferzeugers kann feuchtes Abgas weitere Komponenten durchströmen, die dazu dienen, Wasser aus dem Abgas abzuscheiden. Bei den bekannten Verfahren zum Betreiben von Flugtriebwerken benötigen die Dampferzeugungskonzepte allerdings große Dampferzeuger mit hohem Gewicht.
Darüber hinaus sind die klassischen Konzepte von Flugtriebwerken sehr ausgereift und versprechen zukünftig nur inkrementelle Verbesserungen im Wirkungsgrad. Somit werden Veränderungen am Kreisprozess der Gasturbine trotz steigernder Komplexität attraktiver, da sie deutliche Verbesserungen im Wirkungsgrad (SFC) versprechen.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine für einen Flugantrieb vorzuschlagen, bei welchem insbesondere ein Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessert ist. Ferner soll eine verbesserte Strömungsmaschine zur Verfügung gestellt werden, welche eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine für einen Flugantrieb mit von einer Gasströmung in einer Strömungsrichtung durchströmten Verdichter, Brennraum, Turbine und einem der Turbine nachgelagerten Wärmetauscher vorgeschlagen, wobei der Wärmetauscher aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung einen Dampf erzeugt, welcher der Gasströmung zum Verbrennen mit Brennstoff schlussendlich oder direkt dem Brennraum zugeführt wird. Hierbei weist die Gasströmung beim Austreten aus der Turbine, insbesondere beim Austreten aus einer Niederdruckturbine, eine Temperatur zwischen 700 und 980 K, vorzugsweise zwischen 800 und 980 K auf, um die Energie zum Erzeugen des Dampfs bereitzustellen.
Hierdurch ist, insbesondere gegenüber bekannten Strömungsmaschinen, die Gasströmungstemperatur an einem Turbinenausgang erhöht, wodurch ein größerer Temperaturunterschied zwischen der Gasströmung und dem zu verdampfenden Wasser in dem Wärmetauscher erzielbar ist. Dieser Wärmetauscher kann somit kleiner und leichter dimensioniert werden, wodurch eine Gewichtsreduktion des Wärmetauschers und somit der Strömungsmaschine erzielt werden kann. In der Gesamtbetrachtung kann hierdurch der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessert werden. Eine Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus einer Niederdruckturbine im Bereich von 980 K stellt dabei eine insbesondere heißeste Temperatur bei einem hot-day Takeoff dar. Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Strömungsmaschine für einen Flugantrieb mit von einer Gasströmung in einer Strömungsrichtung durchströmten Verdichter, Brennraum, Turbine und einem der Turbine nachgelagerten Wärmetauscher vorgeschlagen, wobei der Wärmetauscher eingerichtet ist, aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung einen Dampf zu erzeugen, welcher der Gasströmung zum Verbrennen im Brennraum mit Brennstoff zuführbar ist. Bei dem Brennstoff für das erfindungsgemäße Verfahren handelt es sich beispielsweise um Kerosin oder Sustainable Air Fuels (SAFs), insbesondere kann als Brennstoff auch Wasserstoff eingesetzt werden. Dabei ist die Strömungsmaschine eingerichtet, ein Verfahren gemäß einem oder mehreren der hierin beschriebenen Aspekte durchzuführen.
Eine solche Strömungsmaschine für einen Flugantrieb weist einen Verdichter, einen Brennraum und eine Turbine auf. Während dem Betrieb der Strömungsmaschine wird Luft in dem Verdichter komprimiert, vor oder im Brennraum mit einem Brennstoff vermischt und gezündet, um die Turbine anzutreiben. Entsprechend kann die Strömungsmaschine ein Brennstoffaufbereitungssystem zum Aufbereiten des Brennstoffs vor dessen Verbrennung im Brennraum aufweisen, welche insbesondere den im Wärmetauscher erzeugten Dampf nutzt. Die vorgeschlagene Strömungsmaschine weist zudem einen stromabwärts der Turbine angeordneten Wärmetauscher auf. Im Wärmetauscher wird aus einem Wasser, welches insbesondere aus der Gasströmung bzw. dem Abgas der Strömungsmaschine entzogen und dem Wärmetauscher zugeführt wird, mithilfe der Energie der Gasströmung Dampf erzeugt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird die Gasströmung nach dem Austritt aus der Turbine insbesondere auch als Abgas oder Abgasströmung bezeichnet.
Ein Flugantrieb kann eine solche insbesondere axiale Strömungsmaschine aufweisen, welche insbesondere eine Abgasbehandlungseinrichtung aufweist, die der Turbine der Strömungsmaschine gewöhnlich nachgelagert angeordnet ist. Die Abgasbehandlungseinrichtung kann einen Wärmetauscher, eine Kühleinrichtung und eine Wasserabscheideeinrichtung aufweisen, welche in Strömungsrichtung der Gasströmung an einem Abgaskanal der Abgasbehandlungseinrichtung angeordnet sind. Die Gasströmung nach der Turbine bzw. ein Abgas des Flugtriebwerks bzw. der Turbine kann den Abgaskanal der Abgasbehandlungsvorrichtung durchströmen und mittels des Wärmetauschers auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur beim Austreten aus der Turbine bzw. einer ursprünglichen Abgastemperatur abgekühlt werden. Hierbei wird der Gasströmung des Wärmetauschers Energie zum Erzeugen von Wasserdampf entzogen, wodurch die Temperatur der Gasströmung sinkt.
Die dem Wärmetauscher in Strömungsrichtung nachgelagerte Kühleinrichtung kann dabei als Kondensator (Kondensatorwärmetauscher) ausgebildet sein oder einen solchen aufweisen und Umgebungsluft als Kühlfluid nutzen, welche beispielsweise mittels eines Gebläses oder eines Fans des Flugtriebwerks gefördert wird. Ein solcher Kondensatorwärmetauscher kann im Wesentlichen zwei Bereiche aufweisen, wobei in einem stromaufwärts angeordneten ersten Bereich eine Abkühlung der im Wesentlichen gasförmigen Abgasströmung stattfindet. In einem dem ersten Bereich nachgelagerten zweiten Bereich wird die Abgasströmung weiter abgekühlt, sodass flüssige Wasseranteile in der Abgasströmung vorliegen, welche aus der Abgasströmung abgeschieden werden können. Der flüssige Wasseranteil kann in der Wasserabscheideeinrichtung von der Gasströmung getrennt werden, dem Wärmetauscher zur Dampferzeugung bereitgestellt und so zu einem Betriebsprozess der Strömungsmaschine zurückgeführt werden. Insgesamt kann hierdurch beispielsweise ein höherer thermischer Wirkungsgrad durch Nutzung der Abgasenergie erzielt und die Bildung von Kondensstreifen durch den Abgasstrom reduziert werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann wenigstens ein Teil des im Wärmetauscher erzeugten Dampfs insbesondere über eine Dampfleitung bzw. Dampfzuführung beispielsweise in eine - abhängig von der Ausführung der Brennstoffaufbereitung vorhandene - Mischkammer eines Brennstoffaufbereitungssystems geleitet werden. In eine solche Mischkammer kann Brennstoff eingebracht und so dem in diese ebenfalls eingebrachten Dampf zugeführt werden, wobei der Brennstoff verdampfen kann. Aus dem Dampf und dem Brennstoff kann somit ein Gemisch gebildet werden, welches schließlich dem Brennraum der Strömungsmaschine zur Verbrennung zugeführt werden kann. In anderen Ausführungsformen der Brennstoffaufbereitung kann der Dampf der Gasströmung auch vor und/ oder in dem Brennraum zugeführt werden.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Idee, einen Temperaturunterschied zwischen der im Wärmetauscher genutzten und durch die Turbine bereitgestellten Gasstrom und dem zu verdampfenden Wasser zu vergrößern, um eine Dampferzeugung bzw. eine Überhitzung eines Dampfs mittels des Wärmetauschers zu verbessern und insbesondere effizienter zu gestalten. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in der Turbine eine reduzierte Expansion der Gasströmung bzw. des Arbeitsfluids und somit eine verringerte Arbeitsentnahme bzw. Energieabsorption erfolgt und somit ein Energiegehalt bzw. eine Temperatur der Gasströmung bzw. des Abgases beim Austreten aus der Turbine bzw. an einem stromabwärtigen Turbinenausgang erhöht ist. Hierdurch kann die im Wärmetauscher bzw. Verdampfer bereitstellbare Energie vergrößert werden, was in einer Gewichtseinsparung an dem Wärmetauscher, insbesondere im Vergleich zu bekannten Strömungsmaschinen resultieren kann.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Gasströmung beim Austreten aus der Brennkammer eine Temperatur zwischen 1600 und 1750 K, insbesondere 1650 K bis 1700 K auf. Dadurch, dass der Brennkammer neben Brennstoff und der Luft, zusätzlich Wasser zugeführt wird, fällt die Brennkammeraustrittstemperatur aufgrund der zusätzlich zur Verdampfung des Wassers erforderlichen Energie gegenüber bekannten Strömungsmaschinen niedriger aus. Entsprechend kann eine Strömungsmaschine, welche eingerichtet ist, das hierin vorgeschlagene Verfahren auszuführen, mit einem insbesondere deutlich geringeren Expansionsverhältnis ausgelegt sein, als ein klassische Strömungsmaschine.
Bei einer Ausführungsform weist die Gasströmung beim Austreten aus dem Wärmetauscher eine Temperatur zwischen 400 und 480 K auf. Die Differenz zwischen der Austrittstemperatur an der Turbine und der Austrittstemperatur an dem Wärmetauscher kann als Energie zum Erzeugen von Dampf mittels dem Wärmetauscher genutzt werden, wodurch die Dampferzeugung, insbesondere von überhitztem Dampf, begünstigt wird. Somit kann im Wärmetauscher überhitzter Dampf aus der Abgasenergie erzeugt werden, welcher eine hohe Energiedichte aufweist.
Bei einer Ausführungsform erhitzt der Wärmetauscher den Dampf auf eine Temperatur zwischen 600 und 900 K, insbesondere auf 650 K bis 750 K. Bei dieser Temperatur weist überhitzter Dampf eine hohe Energiedichte auf, so dass eine unerwünschte Kondensation des verdampften Wassers beispielsweise im Bereich des Brennstoffaufbereitungssystems bis zur Verbrennung des im Gemisch enthaltenen Brennstoffs im Brennraum vermeidbar ist. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt das Gesamtdruckverhältnis (OPR: overall pressure ratio) der Strömungsmaschine 20 bis 40, insbesondere von 22 bis 35. Das Gesamtdruckverhältnis der Strömungsmaschine bzw. das Gesamtkompressionsverhältnis zwischen Fan und Brennkammer ist hierbei insbesondere das Verhältnis eines Staudrucks des Arbeitsfluids an einer stromabwärtigen Austrittsseite des Verdichters des Triebwerks oder einer stromaufwärtigen Eintrittsseite der Brennkammer zu einem eines Staudruck des Arbeitsfluids an einer stromaufwärtigen Eintrittsseite des Fans bzw. ein Verhältnis eines Totaldrucks des Arbeitsfluids an einem Eintritt in die Brennkammer zu einem Totaldruck des Arbeitsfluids an einem Eintritt des Fans. Der Totaldruck ist hierbei insbesondere der Druck, der sich in einem strömenden Medium bzw. dem Arbeitsfluid an einem Messpunkt einstellt, an dem die Strömungsgeschwindigkeit isentrop bzw. verlustfrei bis nahezu zum Stillstand verringert wird.
Ein Gesamtdruckverhältnis der Strömungsmaschine von 20 bis 40 und insbesondere von 22 bis 35 ermöglicht im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens einen optimalen Kompromiss aus hoher Turbinenaustrittstemperatur und damit hohem Wärmepotenzial für den Verdampfer, eine geringe Stufenanzahl des Verdichters, insbesondere des Niederdruckverdichters bis hin zum Verzicht auf einen Niederdruckverdichter, möglichst einfachen Materialien, und hohem Kreisprozesswirkungsgrad zu erreichen.
Bei einer Ausführungsform wird dem Wärmetauscher Wasser und/oder Dampf von einer dem Wärmtauscher nachgelagerten Wasserabscheideeinrichtung bereitgestellt. Die Wasserabscheideeinrichtung kann dabei der Kühleinrichtung nachgelagert angeordnet sein oder einen Teil dieser bilden. Das abgeschiedene Wasser kann beispielsweise mittels einer Zuführeinrichtung dem Dampferzeuger bzw. dem Wärmetauscher bereitgestellt werden, wobei das Wasser optional über ein Wasseraufbereitungssystem in einen Wasserspeicher geführt werden kann, wo es insbesondere für eine weitere Verwendung zur Verfügung gespeichert wird. So kann das dem Wärmetauscher zuzuführende bzw. zugeführte Wasser in einem Kreislauf gehalten werden, wodurch eine zusätzliche Wasserversorgung für den Verbrennungsprozess entfallen kann.
Bei einer Ausführungsform ist die Turbine der Strömungsmaschine eingerichtet, am
Turbinenausgang die Gasströmung aufweisend eine Temperatur zwischen 700 und 980 K, vorzugsweise zwischen 800 K und 905 K bereitzustellen. Der Turbinenausgang ist hierbei die stromabwärtige Austrittseite, an welcher die Gasströmung die Turbine bzw. die Niederdruckturbine der Turbine verlässt.
Bei einer Ausführungsform weist die Strömungsmaschine eine der Turbine in Strömungsrichtung nachgelagerte Abgasbehandlungseinrichtung auf, welche den Wärmetauscher, eine Kühleinrichtung und eine Wasserabscheideeinrichtung umfasst. Die Abgasbehandlungsvorrichtung kann einen Abgaskanal aufweisen, der vom Abgas des Flugtriebwerks durchströmbar ist und an welchem der Wärmetauscher, die Kühleinrichtung und die Wasserabscheideeinrichtung angeordnet sind, um von der Gasströmung durchströmt zu werden. Hierdurch kann eine Abscheidung von Wasser aus der Gasströmung bzw. Abgasströmung und damit eine Bereitstellung von zu verdampfenden Wasser für den Wärmetauscher ermöglicht werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Im Allgemeinen gilt, dass Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Aspekte und/oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern dies im Zusammenhang mit der Offenbarung nicht eindeutig ausgeschlossen ist.
Im folgenden Teil der Beschreibung wird auf die Figuren Bezug genommen, die zur Veranschaulichung spezifischer Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Es versteht sich, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen der illustrierten Ausführungsformen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende Beschreibung der Figuren ist daher nicht einschränkend zu verstehen. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Strömungsmaschine für einen Flugantrieb; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Strömungsmaschine für einen Flugantrieb. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine 1 für einen Flugantrieb, die eingerichtet ist, ein hierin beschriebenes Verfahren durchzuführen, in einer schematischen Darstellung.
Die Strömungsmaschine 1 ist beispielsweise als Mantelstromtriebwerk ausgebildet und weist einen Verdichter 3, einen Brennraum 4 und eine Turbine 5 mit einer Niederdruckturbine 51 auf, die von einer Gasströmung 6 in einer Strömungsrichtung durchströmbar sind bzw. in einem Betrieb der Strömungsmaschine 1 von der Gasströmung 6 durchströmt werden. Die Gasströmung 6 weist beim Austreten aus der Turbine 5 bzw. beim Austreten aus der Niederdruckturbine 51 eine Temperatur Ti zwischen 700 und 980 K, vorzugsweise zwischen 800 und 980 K auf, um Energie zum Erzeugen des Dampfs mittels eines Wärmetauschers 8 bereitzustellen.
Der Turbine 5 in Strömungsrichtung nachgelagert weist die Strömungsmaschine 1 den Wärmetauscher 8 auf, der eingerichtet ist, aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung 6 einen Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf kann über eine Dampfzuführung 12, insbesondere mit einem Brennstoff in die Gasströmung zum Verbrennen im Brennraum 4 zugeführt werden. Die Dampfzuführung 12 kann eine Mischkammer 2 einer Brennstoffaufbereitungseinrichtung aufweisen, in welche Brennstoff eingebracht und damit dem diese durchströmenden Dampf zugeführt werden kann, wobei der Brennstoff verdampfen kann. Der Dampf und der Brennstoff kann so in Form eines Gemischs dem Brennraum 4 der Strömungsmaschine 1 zugeführt werden. In anderen Ausführungsformen kann der Dampf und/ oder der Brennstoff auch vor und/ oder in dem Brennraum 4 unmittelbar der Gasströmung 6 zugeführt werden. Nach der Verbrennung im Brennraum 4 bzw. beim Austreten aus dem Brennraum 4 weist die Gasströmung 6 insbesondere eine Temperatur T4 zwischen 1600 und 1750 K, insbesondere 1650 K bis 1700 K, auf.
Bezogen auf eine mittels des Pfeils illustrierte Strömungsrichtung der Gasströmung 6 passiert die Gasströmung 6 zunächst den Verdichter 3, den Brennraum 4 und die Turbine 5 mit der Niederdruckturbine 51. Nach der Turbine 5 kann die Gasströmung 6 auch als Abgasströmung der Strömungsmaschine 1 bezeichnet werden. Diese (Ab -)Gas Strömung 6 strömt von der Turbine 5 in einen Abgaskanal 7, an welchem der Wärmetauscher 8, eine Kühleinrichtung 13 und eine Wasserabscheideeinrichtung 15 angeordnet sind. Der Wärmetauscher 8 kann einen Dampferzeuger 9 aufweisen, um den Dampf zu erzeugen und/ oder zu überhitzen, wobei der Wärmetauscher 8 insbesondere eingerichtet ist, den Dampf auf eine Temperatur T3 zwischen 600 und 900 K, vorzugsweise auf 650 K bis 750 K, besonders bevorzugt auf 700 bis 740 K, insbesondere auf etwa 720 K, zu erhitzen.
Hierbei wird der Gasströmung 6 zur Verdampfung des Wassers Energie entzogen und diese beim Austreten aus dem Wärmetauscher bzw. stromabwärts des Wärmetauschers 8 eine Temperatur T2 zwischen 400 und 480 K aufweist. Die Kühleinrichtung 13 ist bezogen auf die Strömungsrichtung der Gasströmung 6 dem Wärmetauscher 8 nachgelagert angeordnet und kann einen zur Kühlung mit Umgebungsluft eingerichteten Kondensator 14 aufweisen, um ein Abscheiden eines in der Gasströmung 6 vorliegenden Wasserdampfs und/ oder Wassers zu ermöglichen.
Der Kühleinrichtung 13 nachgelagert ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Wasserabscheideeinrichtung 15 angeordnet, die als Tropfenabscheider ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Gasströmung 6 in der Wasserabscheideeinrichtung 15 in Rotation versetzt werden, infolge derer Wassertropfen fliehkraftgetrieben radial nach außen geführt und das Wasser gesammelt werden kann. Die verbleibende Gasströmung 6 kann den Abgaskanal 7 über einen Auslass 18 verlassen und insbesondere an die Umgebung abgegeben werden.
Das abgeschiedene Wasser kann beispielsweise über ein optional vorhandenes Wasseraufbereitungssystem 16 in einen Wasserspeicher 17 geführt werden, wo es für eine weitere Verwendung zur Verfügung stehen kann. Mittels einer Zuführeinrichtung 11 kann das Wasser dem Dampferzeuger 9 bzw. dem Wärmetauscher 8 bereitgestellt werden, um Wasserdampf zu erzeugen, der im Bereich des Brennraums 4 der Gasströmung 6 zugeführt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 100 zum Betreiben der beispielhaften Strömungsmaschine 1 aus Fig. 1, wobei in einem Schritt a die Strömungsmaschine 1 bzw. deren Verdichter 3, den Brennraum 4 und die Turbine 5 mit der Niederdruckturbine 51 von einer Gasströmung 6 durchströmt wird. Hierbei weist die Gasströmung 6 beim Austreten aus der Turbine 5 bzw. beim Austreten aus der Niederdruckturbine 51 eine Temperatur Ti zwischen 700 und 980 K, bevorzugt 800 und 980 K auf, um Energie zum Erzeugen von Dampf mittels dem Wärmetauscher 8 bereitzustellen.
In einem weiteren Schritt b wird die Gasströmung 6 durch den Wärmetauscher 8 aus dort bereitgestelltem, insbesondere der Gasströmung 6 bzw. der Abgasströmung nach dem Wärmetauscher 8 entnommenem Wasser mittels der Energie der Gasströmung 6 Dampf erzeugt, wobei sich die Gasströmung 6 abkühlt. Hierbei weist die Gasströmung 6 beim Austreten aus dem Wärmetauscher 8 bzw. stromabwärts des Wärmetauschers 8 eine Temperatur T2 zwischen 400 und 480 K auf.
In einem weiteren Schritt c wird die vorgekühlte Gasströmung 6 mittels der Kühleinrichtung 13 kondensiert. Das in der zweiten Kühleinrichtung 13 kondensierte Wasser 11 wird in einem weiteren Schritt d, insbesondere mittels der Wasserabscheideeinrichtung 15 gesammelt. In einem weiteren Schritt e, wird das gesammelte Wasser insbesondere mittels einer Zuführeinrichtung 11 an dem Wärmetauscher 8 zum Erzeugen von Dampf bereitgestellt, wobei in dem Schritt b Dampf mittels des Wärmetauschers 8 bzw. dessen Dampferzeugers bzw. Verdampfers 9 erzeugt wird. Hierbei erhitzt der Wärmetauscher 8 den Dampf auf eine Temperatur T3 zwischen 600 und 900 K, insbesondere auf 650 K bis 750 K, und besonders bevorzugt zwischen 700 und 740 K, insbesondere auf etwa 720 K.
In einem weiteren Schritt f kann wenigstens ein Teil des im Wärmetauscher 8 erzeugten Dampfs über eine Dampfzuführung 12 beispielsweise in eine Mischkammer 2 eines Brennstoffaufbereitungssystems geleitet werden, wo ein Dampf-/ Brennstoff-Gemisch erzeugbar ist, welches schließlich in einem Schritt g der Gasströmung 6, insbesondere im Brennraum 4 der Strömungsmaschine 1 zur Verbrennung zugeführt wird. Dabei kann die Gasströmung 6 beim Austreten aus dem Brennraum 4 eine Temperatur T4 zwischen 1600 und 1750 K, insbesondere 1650 K bis 1700 K, auf. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Strömungsmaschine
2 Mischkammer
3 Verdichter
4 Brennkammer
5 Turbine
51 Niederdruckturbine
6 Gasströmung
7 Abgaskanal
8 Wärmetauscher
9 Dampferzeuger
11 Zuführeinrichtung
12 Dampfzuführung
13 Kühleinrichtung
14 Kondensator
15 Wasserabscheideeinrichtung
16 Wasseraufbereitungssystem
17 Wasserspeicher
18 Auslass
100 Verfahren a-g Verfahrensschritte
Ti Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus der (Niederdruck-)Turbine
T2 Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus dem Wärmetauscher
T3 Temperatur des Dampfs beim Austreten aus dem Wärmetauscher
T4 Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus dem Brennraum

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren (100) zum Betreiben einer Strömungsmaschine (1) für einen Flugantrieb mit von einer Gasströmung (6) in einer Strömungsrichtung durchströmten Verdichter (3), Brennraum (4), Turbine (5) und einem der Turbine (5) nachgelagerten Wärmetauscher (8), wobei der Wärmetauscher (8) aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung (6) einen Dampf erzeugt, welcher der Gasströmung (6) zum Verbrennen mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, dem Brennraum (4) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung (6) beim Austreten aus der Turbine (5), insbesondere beim Austreten aus einer Niederdruckturbine (51), eine Temperatur (Ti) zwischen 700 und 980 K, insbesondere zwischen 800 und 980 K, aufweist, um die Energie zum Erzeugen des Dampfs bereitzustellen.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Gasströmung (6) beim Austreten aus dem Brennraum (4) eine Temperatur (T4) zwischen 1600 und 1750 K, insbesondere zwischen 1650 und 1750, aufweist.
3. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasströmung (6) beim Austreten aus dem Wärmetauscher (8) eine Temperatur (T2) zwischen 400 und 480 K aufweist.
4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (8) den Dampf auf eine Temperatur (T3) zwischen 600 und 900 K, insbesondere zwischen 700 und 740 K, erhitzt.
5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gesamtdruckverhältnis der Strömungsmaschine 20 bis 40, insbesondere 22 bis 35 beträgt.
6. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Wärmetauscher (8) Wasser von einer dem Wärmetauscher (8) nachgelagerten Wasserabscheideeinrichtung (15) bereitgestellt wird. Strömungsmaschine (1) für einen Flugantrieb mit von einer Gasströmung (6) in einer Strömungsrichtung durchströmten Verdichter (3), Brennraum (4), Turbine (5) und einem der Turbine (5) nachgelagerten Wärmetauscher (8), wobei der Wärmetauscher (8) eingerichtet ist, aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung (6) einen Dampf zu erzeugen, welcher der Gasströmung (6) zum Verbrennen im Brennraum (4) mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (1) eingerichtet ist, ein Verfahren (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 7, wobei die Turbine (5) eingerichtet ist, am Turbinenausgang die Gasströmung (6) aufweisend eine Temperatur (Ti) zwischen 700 und 980 K, insbesondere zwischen 800 und 980 K bereitzustellen. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Strömungsmaschine (1) eine der Turbine (5) in Strömungsrichtung nachgelagerte Abgasbehandlungseinrichtung aufweist, welche den Wärmetauscher (8), eine Kühleinrichtung (13) und eine Wasserabscheideeinrichtung (15) umfasst.
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