WO2023246980A1 - Propulsion system for an aircraft - Google Patents

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WO2023246980A1
WO2023246980A1 PCT/DE2023/100456 DE2023100456W WO2023246980A1 WO 2023246980 A1 WO2023246980 A1 WO 2023246980A1 DE 2023100456 W DE2023100456 W DE 2023100456W WO 2023246980 A1 WO2023246980 A1 WO 2023246980A1
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WO
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turbine
flow
water
exhaust gas
steam
Prior art date
Application number
PCT/DE2023/100456
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German (de)
French (fr)
Inventor
Hermann Klingels
Sascha Kaiser
Petra Kufner
Simon Schuldt
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Filing date
Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20Gas-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
    • F02C3/30Adding water, steam or other fluids for influencing combustion, e.g. to obtain cleaner exhaust gases
    • F02C3/305Increasing 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, 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
    • F02C7/12Cooling of plants
    • F02C7/14Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
    • F02C7/141Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K3/00Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan
    • F02K3/02Plants 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
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    • F02K3/06Plants 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
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    • F02K3/08Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan with supplementary heating of the working fluid; Control thereof
    • F02K3/105Heating the by-pass flow
    • F02K3/115Heating the by-pass flow by means of indirect heat exchange
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/60Application making use of surplus or waste energy

Definitions

  • the invention relates to a drive system for an aircraft.
  • the propulsion system has a gas turbine with a core flow channel and an exhaust gas treatment system.
  • a compressor, a combustion chamber, a first turbine for driving the compressor, and a second turbine for driving the fan are arranged in the core flow channel in the direction of flow.
  • a drive system for an aircraft comprising a gas turbine which has a core flow channel, wherein in the core flow channel in the direction of flow there is a compressor, a combustion chamber, a first turbine, in particular a high-pressure turbine, for driving the compressor, and a second turbine, in particular low-pressure turbines are arranged.
  • the drive system includes a water system for providing water that is recovered from a working gas from the gas turbine or exhaust gas from the core flow channel.
  • the gas turbine has at least one core flow channel or a main flow channel if it is a bypass engine with a bypass channel.
  • the water system is part of the exhaust gas treatment system, which in a preferred embodiment also has a steam system.
  • the water system comprises at least one water separation device and a condenser with preferably at least one capacitor module, wherein the gas turbine preferably has an outer housing that delimits the bypass flow channel radially on the outside.
  • the high-pressure turbine drives the compressor, in particular an entire high-pressure compressor, which preferably consists of the rear stages of the compressor that are axially separated from other stages via an intermediate compressor housing, preferably via a first shaft.
  • the low-pressure turbine drives a fan of the drive system, particularly preferably via a gear that is arranged between a second shaft and the fan.
  • the drive system also has a steam turbine that has a power, in particular via a Steam turbine gearbox on the second shaft, to the fan.
  • the steam turbine can be arranged on a third shaft.
  • an axial direction of a gas turbine runs parallel to an engine axis, that is to say a shaft axis of a drive shaft of the gas turbine.
  • a radial direction is perpendicular to the engine axis.
  • the formulation, radial direction 4 is not restricted to the geometric normal plane to the engine axis.
  • the gas turbine has a circumferential direction that describes a direction around the engine axis.
  • 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, in a preferred embodiment, drives a steam turbine, which feeds additional power into the overall system.
  • the steam is then fed to the core stream and passed into the combustion chamber with the compressed air, which increases the mass flow and specific power and brings about a reduction in the nitrogen oxide content in the exhaust gas.
  • the steam can be mixed with the working gas before being introduced into the combustion chamber and/or introduced directly into the combustion chamber. Furthermore, the steam can be used to cool components of the gas turbine.
  • a drive system for an aircraft comprising a gas turbine with a main flow duct, a bypass duct, a water system and a steam system, the water system comprising at least one water separation device and a condenser, in particular with at least one capacitor module, the gas turbine having an outer housing that surrounds the bypass duct on the outside , in particular limited, is improved according to the invention in that the water system and the steam system are arranged in and/or in the radial direction within the outer housing and/or the inner housing.
  • the water system and the steam system together have a total weight and at least 80%, preferably at least 90%, in particular 95%, of the total weight in and / or in the radial direction within at least one housing around the core stream and / or are arranged around the outer housing of a secondary flow engine.
  • the drive system according to the invention is preferably designed so that the total pressure ratio of the gas turbine is between 20 - 40, and preferably 22 - 35.
  • a propulsion system operating in this range has significantly reduced consumption, particularly in cruise flight.
  • the compressor in particular the high-pressure compressor, has a pressure ratio of 13 to 30, preferably 16 to 27.
  • a compressor operated in this way provides the combustion chamber with an ideally compressed gas. This is particularly advantageous if the gas has previously been mixed with a vapor in a mixing chamber, which increases the mass throughput and thus the specific power.
  • an ideal overall pressure ratio can be achieved together with a fan of the gas turbine.
  • a further developed drive system the gas turbine of which has a first drive shaft which is driven by the first turbine, in particular high-pressure turbine, and drives a compressor and has a second drive shaft which is driven by the second turbine, in particular low-pressure turbine, and in particular via a gearbox, drives a fan, is particularly preferably further developed in that the compressor is the only compressor driven via a drive shaft of the gas turbine.
  • the rotors of the compressor in the main flow channel can advantageously be driven without a low-pressure turbine or without the mechanical power component of a low-pressure turbine.
  • the gas turbine is designed as a bypass engine and has a bypass flow ratio that is greater than 30, or the gas turbine is designed as an open rotor and has a bypass flow ratio that is greater than 50, preferably greater than 60 and more preferably greater than 70.
  • Open rotor means that the rotor or rotors of the fan are arranged outside a housing or core housing surrounding a core flow channel and in particular are not surrounded by another outer housing.
  • a rotor tip of the fan represents an outermost point of the gas turbine.
  • mounting points for attaching the gas turbine to a pylon or wing of the aircraft are arranged on the core housing.
  • the gas turbine can be a gas turbine that can be operated with hydrogen.
  • the exhaust gas treatment system in particular the water system, preferably has a heat exchange device to support the recovery of water based on the cooling effect of the cryogenic hydrogen in particular.
  • the temperature difference between the working gas and the hydrogen is advantageously used to support the recovery of water.
  • the weight and installation space of the exhaust gas treatment system can thereby be reduced.
  • the drive system can advantageously be developed in such a way that a housing, in particular an outer housing or inner housing, surrounds the core flow channel and/or a secondary flow channel radially on the outside, and that the water system is at least partially arranged in and/or on the housing . This creates a system that is very compact.
  • the water system of the drive system according to the invention can comprise at least one water separation device and a heat exchanger, in particular designed as a condenser, for cooling the exhaust gas by means of a cooling fluid which has a lower temperature and/or a high flow rate relative to the exhaust gas.
  • a high flow velocity is understood to mean a flow velocity that typically occurs as an inflow velocity in the aviation sector. A speed of >50m/s can usually be assumed. If a heat exchanger is arranged in the sheath flow of an engine, significantly higher flow velocities can occur, in the range of Mach 0.4 to Mach 0.5.
  • the drive system according to the invention can be developed in such a way that the heat exchanger, which is designed in particular as a capacitor, comprises at least one capacitor module, and/or the water separation device is arranged in the housing, and/or that the at least one capacitor module is arranged in the bypass flow channel and has exhaust gas channels, which is an exhaust gas from the Lead the main flow channel primarily radially outwards through the secondary flow channel, particularly into the housing.
  • the heat exchanger which is designed in particular as a capacitor, comprises at least one capacitor module, and/or the water separation device is arranged in the housing, and/or that the at least one capacitor module is arranged in the bypass flow channel and has exhaust gas channels, which is an exhaust gas from the Lead the main flow channel primarily radially outwards through the secondary flow channel, particularly into the housing.
  • the drive system has a steam system for generating steam from the water provided from the water system, the steam being supplied to the working gas and/or being used to cool components.
  • This makes it possible to advantageously increase the mass flow of the working gas, i.e. the fluid flowing through the core flow, or to cool components such as the compressor, the combustion chamber or the turbine and in particular their casings, which allows the corresponding components to be operated at even higher temperatures.
  • higher convection and thus higher heat dissipation can be achieved.
  • the drive system according to the invention can advantageously be designed in such a way that a proportion of 5-40% by mass, preferably 15-35% by mass, of water in the working gas can be set during operation using the steam system.
  • a proportion of 5-40% by mass, preferably 15-35% by mass, of water in the working gas can be set during operation using the steam system.
  • an optimum of a working gas mixture can be achieved that is at least close to an optimum set in terms of power loss and mass flow. This can be achieved, for example, via valves or injection nozzles leading into a mixing chamber.
  • the steam system can be designed so that a proportion of 10-30% by mass, preferably 15-25% by mass, of water in the working gas can be adjusted during cruise flight using the steam system.
  • the water separation device is arranged in the outer housing, in particular in the cowling and/or an outer region or inner region of the outer housing, and/or that the at least one capacitor module is arranged in the bypass flow channel and exhaust gas channels which has an exhaust gas from the main flow channel to the outside, in particular in at least in the radial direction of the gas turbine, through the bypass channel and into the outer housing.
  • This design in which the exhaust channels guide the exhaust gas, particularly preferably predominantly in the radial direction, at least partially through the bypass channel and into the outer housing, allows the exhaust gas to be cooled in a simple manner in order to then separate the water contained therein.
  • the radial direction means that the course of the exhaust gas flow or the exhaust gas channels runs essentially in the radial direction, but can also follow directions that deviate from the radial direction.
  • the exhaust ducts can also extend only partially, in particular in at least a radial direction, at least in sections in a radial direction and/or partially parallel to a radial direction, through the bypass flow duct.
  • the outer housing can be integrally formed or have several outer housing parts. An integral or one-piece design of the outer housing has the advantage that fewer leaks occur and the overall system therefore has a higher efficiency.
  • fastening means for mounting the gas turbine on a pylon or a wing of an aircraft can be provided on or in the outer housing.
  • a compact and integrated design of the gas turbine including the water and steam system and thus the entire drive system can advantageously be achieved. It is advantageously no longer necessary to have to rely on components or the installation space of the wing or the pylon.
  • this drive system saves weight compared to the drive systems known in the prior art.
  • a further advantage over drive systems from the prior art is that the drive system as a whole can be mounted on a pylon of a wing without parts of the drive system having to be arranged in the pylon or the wing. In this way, maintenance can be limited to the drive system and maintenance costs can thus be profitably reduced.
  • the main flow channel which is also referred to as the core flow channel, is used to guide fluid through the gas turbine components, comprising a compressor, in particular a low-pressure and a high-pressure compressor, a combustion chamber and a turbine, in particular a high-pressure and a low-pressure turbine.
  • the exhaust gas from the main flow channel has a high temperature due to combustion in the combustion chamber.
  • the bypass duct which can also be referred to as a bypass, serves to guide a large part of the total air flow conveyed by the fan and is mainly used to generate thrust.
  • the air bypass flow in the bypass flow duct has a low temperature, which is in a temperature range slightly above the ambient temperature.
  • 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 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 condenser module has an angle of attack relative to the air flow, which promotes flow through the condenser and whereby pressure losses can be reduced.
  • 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 flow surface of the capacitor modules, which reduces the flow velocity through the at least one capacitor module, thereby further reducing pressure losses.
  • capacitor modules are arranged in groups, so that the at least one capacitor module is used as a first capacitor module and additionally a second capacitor module as a pair of capacitor modules
  • Air bypass flow direction of the bypass flow duct are arranged in pairs, 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.
  • the relatively 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 inner distance is larger than the outer 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.
  • the first capacitor module and the second capacitor module are connected to one another by an inlet panel arranged upstream, which divides an air bypass flow of the bypass flow duct and guides it along side surfaces of the first capacitor module and the second capacitor module facing the secondary air flow.
  • 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. In particular, at least one area with relatively undisturbed air flow in the bypass flow 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 arranged in the circumferential direction between two capacitor modules, in particular between two pairs of capacitor modules in a circumferential plane intersecting the outer housing. This allows the installation space in the cowling, i.e. in the outer housing, to be used advantageously better.
  • exhaust gas 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 adjacent 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.
  • the secondary air flow can be easily aligned in the desired direction of thrust with little loss.
  • a steam turbine is arranged, in particular concentrically, to the main drive shaft and their mechanical performance a steam turbine gearbox feeds the main drive shaft.
  • a heat exchanger for a drive system according to the invention for cooling a hot fluid by means of a cooling fluid which has a lower temperature relative to the hot fluid and has a high flow rate which comprises a high-temperature grid for guiding the hot fluid and a low-temperature grid for guiding the cooling fluid .
  • a diffuser region for delaying the inflowing fluid is arranged in at least one first low-temperature channel of the low-temperature grid through which the cooling fluid flows.
  • the diffuser area and a first high-temperature channel of the high-temperature grid through which the hot fluid flows have at least one common wall for heat transfer. Due to the common wall, the diffuser area is already involved in the heat transfer, so that valuable installation space can be used thermally and the size of the heat exchanger can be reduced.
  • the low-temperature channel can have a deflection area which is arranged upstream of the diffuser area and in which the cooling fluid is redirected but not yet delayed.
  • the cooling fluid can first be deflected with a substantially constant or decreasing cross-sectional area before it enters the diffuser region, in which the cross-sectional area of the low-temperature channel increases. This allows the cold flow to change direction from the angle of attack to the main angle of inclination Low temperature channel before entering the diffuser area.
  • the cooling fluid can preferably be accelerated in the deflection area, that is to say the cross-sectional area of the deflection area decreases in the direction of flow.
  • the diffuser area can have essentially flat side walls, since the deflection already occurs in the deflection area.
  • the heat exchanger can be designed as a condenser for separating liquids from a gas flowing through the condenser as the hot fluid.
  • the hot fluid can in particular be an exhaust gas from a turbomachine such as a gas turbine or an aircraft engine.
  • the hot fluid can also be a coolant of a fuel cell in order to preferably support the thermal management of a fuel cell and to be able to cool a fuel cell more efficiently.
  • compressed air is preferably provided as the cooling fluid.
  • the deceleration of the incoming cooling fluid represents a reduction in the flow velocity, so that a cooling fluid flowing in at high speed can advantageously be slowed down to a reduced speed in order to absorb as much heat as possible.
  • the high-temperature grid is in particular composed of a plurality of high-temperature channels, which include at least the first high-temperature channel.
  • the low-temperature grid is preferably formed by a plurality of low-temperature channels, which include at least the first low-temperature channel.
  • the high-temperature grid is arranged at least in sections in a cross-current and/or countercurrent configuration relative to the low-temperature grid.
  • the low-temperature channels and the high-temperature channels are arranged in a cross-flow configuration.
  • the diffuser area consists of one or more areas which have a flow-through cross-sectional area of the low-temperature grid in an inlet cross-section or a minimal cross-section, in particular a minimum inlet cross-section, of the diffuser area of the low-temperature channel, in particular the plurality of low-temperature channels, to a downstream cross-section that is larger than the inlet cross-section, in particular Expand the main cross section of the low temperature channel. This reduces the flow rate of the cooling fluid in each of these areas.
  • the high-temperature grid and the low-temperature grid each represent a flow space for a fluid
  • the two grids, the high-temperature grid and the low-temperature grid can preferably consist together of an integral grid body with common walls of the two grids or a grid body comprising common walls of the two grids, can have.
  • the high-temperature channels and the low-temperature channels are arranged in the grid body.
  • the common walls preferably have at least the smallest distance between the two flow spaces transversely to a respective travel extent of the walls. It can also be provided that the walls have a constant wall thickness at least in sections.
  • the common wall can be defined in that its first wall side surface forms a part of the low-temperature grid and its second wall side surface facing away from the first wall side surface forms a part of the high-temperature grid.
  • the first wall side surface extends into the diffuser area.
  • the heat exchanger is further developed such that the at least one common wall for forming the diffuser region in the first low-temperature channel has a convexly curved first diffuser section.
  • the common wall downstream in the low-temperature grid has an adjoining straight main section to form a main region of the first low-temperature channel with a constant cross-section.
  • a second common wall is arranged in the low-temperature channel opposite the first common wall, which adjoins a second high-temperature channel of the high-temperature grid in the diffuser area on the wall side facing away from the first low-temperature channel, it being provided that the second common Wall in the diffuser area has a flat or planar or concavely curved second diffuser section, a curvature of the convexly curved first diffuser section being smaller than a curvature of the second diffuser section.
  • the diffuser area and thus the diffuser sections begin in particular at a narrowest cross-sectional area of the low-temperature channel, if possible directly behind an inlet of the low-temperature channel.
  • an inlet for redirecting the cooling fluid into the diffuser area is arranged in front of the diffuser area in the flow direction of the cooling fluid.
  • the inlet serves to direct the fluid from the flow channel into the low-temperature channel.
  • an entry surface facing away from the wind in the flow channel is advantageously elongated, while an opposite entry surface facing the wind is bent by approximately 180 °.
  • the smallest cross-sectional area of the low-temperature channel is preferably located at the end of the bend of the entry surface facing the wind in the low-temperature channel. At the other end of the bend, the entry surface facing the wind merges into an entry surface of an adjacent low-temperature channel facing away from the wind.
  • the diffuser area ideally follows the inlet in order to delay the flow. As a result, the flow direction of the cooling fluid is advantageously aligned with the flow direction in the diffuser area and the air resistance is reduced.
  • an outlet area with an outlet nozzle for accelerating the cooling fluid is arranged in the heat exchanger downstream of the diffuser area.
  • a further aspect of the invention is a heat exchanger arrangement with a heat exchanger, in particular for a drive system according to the invention, in particular with a heat exchanger described above, comprising a flow channel for the cooling fluid to flow to the heat exchanger.
  • the heat exchanger is arranged in the flow channel for guiding the cooling fluid, and the low-temperature grid and the high-temperature grid form a first heat exchanger module of the heat exchanger.
  • a plurality of common walls together form a first inflow surface in the flow channel which delimits the first heat exchanger module and is spanned by the common walls, the inflow surface having an inflow angle between 0° and 45°, advantageously between 3° and 15°, to a main channel direction of the flow channel.
  • a particularly uniform flow through the heat exchanger and the individual low-temperature channels can be achieved, which leads to a homogeneous flow in each of the low-temperature channels and thus advantageously a homogeneous heat flow from the hot fluid to the cooling fluid.
  • the area of the flow channel in front of the heat exchanger can also be referred to as the inflow area, with the main channel direction in this inflow area and the inflow area forming the inflow angle.
  • the flow angle is constant along at least part of the extent of the flow surface.
  • the inflow surface can be curved or angled, in which case the inflow angle can then assume corresponding different values.
  • the inflow surface results from a surface spanned by the heat exchanger, that is to say an enveloping surface, the surface adjoining the flow channel upstream and is an auxiliary construction for describing the boundaries of the heat exchanger.
  • the inflow surface can be flat, curved and/or twisted, in particular in sections, depending on the arrangement of the common walls. Viewed in space, an inflow surface designed as a plane has line contact with every common wall. In a section through the heat exchanger, the contact is reduced to point contact with the common walls. If the inflow surface is curved, the contact expands accordingly.
  • the cross section of the flow channel decreases in the flow direction in front of the inflow surface along the area occupied by the heat exchanger module. It can be advantageously provided that at a design point of the heat exchanger, which can be determined, for example, by a travel speed of the turbomachine surrounding the heat exchanger, the cooling fluid is sucked into the low-temperature grid in layers from a low-temperature channel to a next low-temperature channel. This is achieved in particular because the inlet cross section of a first, in particular each, low-temperature channel is aligned with the main channel direction or is transverse to it.
  • a second inlet of a second low-temperature channel adjacent to the first low-temperature channel can be arranged offset.
  • a main area of the low-temperature channel with an extension axis borders the diffuser area downstream, in particular directly, the direction of the extension axis, in particular a direction of a traveling extension of the common Wall in the main area, to which the flow surface of the heat exchanger has a main inclination angle between 0° and 60°, preferably between 30° and 45°.
  • the extension axis of the main area is preferably a straight line and can in particular run parallel to an extension direction of the side surfaces of at least one of the common walls in the main area, in particular in the direction of flow.
  • the main region can preferably have a constant cross-sectional area normal to the extension axis along the extension axis.
  • a uniform heat exchanger can be formed and advantageously contributes to the fact that the walls of the heat exchanger can be designed to be at least largely identical and thus cost-saving.
  • This design has a positive synergistic effect, particularly in a heat exchanger arrangement comprising a heat exchanger with a grid matrix of low and high temperature grids, the low and high temperature channels of which are each designed uniformly at least along an extent of the heat exchanger.
  • calculations have shown that the formation of main areas oblique to the inflow surface, in particular oblique to the main channel direction, can lead to high flow losses. This is advantageously avoided according to the invention by the delay in the diffuser.
  • the heat exchanger arrangement can be developed in such a way that a plurality of common walls together form a first outflow surface in the flow channel which delimits the first heat exchanger module and is spanned by the common walls, the first outflow surface having a first outflow angle between 0° and 45° , advantageously between 3 ° and 15 °, to a main channel direction in the flow channel.
  • the outflow angle of a heat exchanger module corresponds to the inflow angle of this heat exchanger module.
  • the outflow angle is different from the inflow angle.
  • the outflow direction corresponds to the inflow direction and thus the main channel direction.
  • the cross section of the flow channel preferably increases in the flow direction behind the outflow surface along the area occupied by the heat exchanger module, in particular in the extent to which the cross section of the flow channel has decreased in the direction of flow in front of the inflow surface.
  • an embodiment of the heat exchanger arrangement can provide that the heat exchanger is formed from the first heat exchanger module and a further second heat exchanger module, that a further plurality of low-temperature channels form the second heat exchanger module and that a further plurality of common walls together delimit the second heat exchanger module and of form the second inflow surface spanned by the common walls in the flow channel, the second inflow surface forming a second inflow angle between 0° and -45°, advantageously between -3° and -15°, to a main channel direction of the flow channel.
  • the further plurality of common walls together form a second outflow surface in the flow channel which delimits the second heat exchanger module upstream, wherein the second outflow surface forms a second outflow angle between 0° and 45°, advantageously between 3° and 15° Main channel direction of the flow channel forms.
  • first heat exchanger module and the second heat exchanger module are designed to be surface-symmetrical to a common surface lying between the first and second heat exchanger modules, which runs parallel to a main channel direction of the flow channel.
  • the heat exchanger arrangement can be developed in such a way that part of the flow channel forms a cold channel running past the heat exchanger.
  • the flow channel (3) is a secondary flow channel and the low-temperature grid (20) is in fluid communication with the secondary flow channel and/or the high-temperature grid (30) is in fluid communication with the main flow channel.
  • the drive system has a gas turbine, which in particular has a main flow channel, at least one compressor, a combustion chamber, a high-pressure turbine for driving the compressor, a low-pressure turbine and a secondary flow channel, a water system and a steam system, by means of which Steam is supplied to the combustion chamber.
  • the drive system is improved according to the invention in that the high-pressure turbine is designed in one stage. Due to the steam supply in the combustion chamber, the energy content of the working gas is increased compared to conventional gas turbines and it has been shown that sufficient power can be implemented with a single high-pressure turbine stage to achieve the compression required in the compressor, in particular in the high-pressure compressor. In this way, axial installation space can be saved compared to classic two-stage high-pressure turbines.
  • Another advantage is the higher temperature of the working gas downstream of the high-pressure turbine, which promotes the evaporation process in the steam system.
  • At least the first stage of the low-pressure turbine in addition to the cooled high-pressure turbine, at least the first stage of the low-pressure turbine can also be designed to be cooled or, like at least parts of the high-pressure turbine, can be made at least partially from a ceramic fiber composite material (CMC). Due to the single-stage high-pressure turbine, the temperature in the front area of the low-pressure turbine is higher than in classically designed gas turbines for aircraft engines, which means that cooling the first stage or the use of high-temperature-resistant materials can bring advantages in terms of service life or fatigue strength. According to a further preferred embodiment of the invention, the low-pressure turbine and/or high-pressure turbine can be cooled using steam from the steam system.
  • CMC ceramic fiber composite material
  • the high-pressure turbine can be designed with an expansion ratio between 2.3 to 3.2, in particular 2.5 to 3.0. These areas have proven to be particularly advantageous in order to be able to provide the desired compressor performance through steam injection, taking into account the higher energy content in the working gas.
  • the steam content behind the combustion chamber can make up between 15% and 35% of the mass flow. These areas have proven to be particularly suitable for increasing the efficiency of the system.
  • a working gas flowing through the main flow channel of the gas turbine can have a temperature in the range from 1600 °K to 1900 °K, preferably from 1650 °K to 1750 °K, at the outlet of the combustion chamber. With a design in these areas, the formation of nitrogen oxides during combustion can be significantly reduced.
  • the high-pressure turbine can drive the high-pressure compressor via a high-pressure shaft and the low-pressure turbine can drive a fan via a low-pressure shaft, in particular via a gearbox.
  • a low-pressure compressor is provided on the low-pressure turbine shaft.
  • the drive system can be designed for a thrust in the range of 19 to 23 kN or can be set up to generate a thrust in the range of 19 to 23 kN in cruise operation.
  • the water system has at least one capacitor module, which is arranged in the bypass channel and can be designed as a plate heat exchanger. This configuration is particularly efficient.
  • a further improved propulsion system for an aircraft has a gas turbine having a main flow duct, a fan, at least one compressor, a combustion chamber, a high pressure turbine for driving the compressor, a low pressure turbine for driving the fan and a bypass duct, a water recovery system for recovering water from an exhaust gas from the gas turbine and a steam system by means of which steam is supplied to the combustion chamber.
  • the gas turbine is designed in such a way that during operation, in particular in cruising flight or cruise mode, a proportion of 15-30 mass% is achieved by means of the steam system. in particular 19-25 mass%, water is set in the working gas and the gas turbine has a bypass ratio of >30. Due to the high specific work in the core engine, steam injection makes it possible to achieve higher bypass flow ratios and thus better efficiencies than would be possible with conventional turbo aircraft engines.
  • the gas turbine can have a total pressure ratio (OPR) ⁇ 32, in particular ⁇ 30, preferably during operation, in particular in cruise flight or cruise mode. While the trend in conventional turbo aircraft engines is towards total pressure ratios >50, with the design according to the invention, a comparatively low compression is sufficient, which means that the axial length in the compressor and weight can be saved.
  • OCR total pressure ratio
  • the fan can be designed to achieve a compression ratio of 1.1 to 1.3, preferably 1.15 to 1.25, radially on the inside, i.e. on the main flow channel.
  • the high-pressure compressor can advantageously achieve a compression ratio of 23 to 32, in particular 25 to 30, particularly preferably 26 to 28, during operation, in particular in cruise or cruise mode.
  • Such a design makes it possible to design the gas turbine without an intermediate pressure compressor or booster module between the fan and high-pressure compressor, which saves additional space and weight.
  • the steam content behind the combustion chamber can make up between 15% and 35% of the mass flow. These areas have proven to be particularly suitable for increasing the efficiency of the system.
  • the fan can have a fan diameter between 1.90m and 2.30m.
  • the diameter can preferably be between 2.10 and 2.25m.
  • a working gas flowing through the main flow channel of the gas turbine can have a temperature in the range of 1600 ° K to 1900 ° K at the outlet of the combustion chamber, preferably from 1650 °K to 1750 °K. With a design in these areas, the formation of nitrogen oxides during combustion can be significantly reduced.
  • the drive system can be designed for a thrust in the range of 19 to 23 kN.
  • a drive system is further proposed, with an exhaust gas duct running through the water system and the steam system, through which an exhaust gas from the main flow duct or core flow duct of the gas turbine can flow,
  • the steam system being a first cooling device, preferably designed as a steam generator
  • the water system being preferably a first cooling device
  • Condenser-shaped second cooling device for cooling an exhaust gas flow flowing through the exhaust gas duct, the condenser being arranged downstream of the steam generator in relation to a direction of the exhaust gas flow.
  • Water system and steam system are part of the exhaust gas treatment system.
  • a feed device is arranged between the steam generator and the condenser and is designed to introduce water into the exhaust gas flow to cool the exhaust gas flow.
  • the exhaust gas flow can therefore be cooled in several sections or steps, in particular using different cooling processes or procedures, in order to improve the separation of water from the exhaust gas flow.
  • the steam system and the water system are part of an exhaust gas treatment system of the gas turbine and can be arranged downstream of the core flow channel of the drive system in the flow direction.
  • an exhaust gas from the drive system in particular from the turbine, can flow through the exhaust gas duct of the exhaust gas treatment system and be pre-cooled to a temperature below an original exhaust gas temperature by means of the steam generator serving as the first cooling device.
  • the first cooling device is located upstream of the condenser serving as the second cooling device. It goes without saying that a reverse order of the first and second cooling devices is also possible.
  • the exhaust gas can be pre-cooled with the steam generator, which can, for example, enable efficient operation of the downstream condenser.
  • the exhaust gas flow is supplied with energy by means of the steam generator, in particular for generation of water vapor, which reduces the temperature of the exhaust gas flow.
  • this temperature is in a range in which water present in the exhaust gas flow is, in particular, exclusively in gaseous form.
  • the exhaust gas flow is further cooled, for example with air from a side stream of the drive system, in particular until the exhaust gas flow reaches a dew point temperature and water can be separated in a liquid state.
  • the dew point temperature is the condensation point of the water in the exhaust gas flow or the temperature that must be fallen below at a predetermined pressure and a predetermined air or exhaust gas flow humidity so that water vapor can separate as liquid water.
  • the liquid water portion can be separated from the exhaust gas flow in a water separation device and, for example, returned to an exhaust gas treatment process of the exhaust gas treatment system and/or fed to an operating process of the aircraft engine.
  • the second cooling device which is preferably designed as a condenser
  • liquid water or water in a liquid state is introduced into the exhaust gas flow by means of the feed device.
  • the feed device is designed in particular to deliver the water into the exhaust gas flow or the exhaust gas duct, in particular to inject or inject it.
  • This additional cooling makes it possible to condense the water portion of the exhaust gas flow before further cooling using the second cooling device, which is preferably designed as a condenser.
  • the condensation can be improved by providing condensation nuclei in the exhaust gas flow using the water supplied in order to promote a condensation process in the exhaust gas flow. Overall, for example, a higher thermal efficiency can be achieved by using the exhaust gas energy and the formation of contrails can be minimized.
  • the aspect of the invention is based, among other things, on the consideration that the water present in the exhaust gas flow or the water vapor present in the exhaust gas flow must be cooled below the dew point or the dew point temperature in order to come into a liquid state. At the dew point, relative humidity increases to 100% and saturation is achieved. With further cooling below the dew point the saturation vapor pressure decreases faster than the water partial pressure, which leads to supersaturation and water droplets are formed on condensation nuclei. The lower the exhaust gas temperature, the less water that can be present in vapor form in the exhaust gas.
  • the aspect of the invention is now based on the idea of introducing water, in particular liquid water, into a region of the exhaust gas flow in which water present therein is in gaseous form in order to cool the exhaust gas flow in order to support condensation of the water vapor present therein and thus water recovery to improve the exhaust gas flow.
  • liquid components can be provided in the exhaust gas flow in order to improve a condensation process in the exhaust gas flow.
  • the supplied liquid components or water droplets can act as condensation nuclei to which further liquid water resulting from the water vapor in the exhaust gas flow attaches or can attach. This means that larger drops can be formed at the end of the condensation process, which can be more easily separated from the exhaust gas flow in a water separation device, for example.
  • the water to be introduced to cool the exhaust gas flow and into it has a lower temperature than the exhaust gas flow at the point of introduction.
  • water in a liquid state can be supplied to the exhaust gas flow in order to achieve cooling of the exhaust gas flow. Since water in its liquid state has a lower temperature under the same pressure than in its gaseous state, the exhaust gas flow can be cooled by supplying liquid water.
  • a degree of cooling of the exhaust gas flow can be specified. As a result, a temperature of the exhaust gas flow can be reduced as required, for example to make adjustments to changed environmental conditions.
  • the feed device is set up to introduce the water into the exhaust gas flow in atomized form.
  • the supply device can be set up to inject, inject and/or atomize the water into the exhaust gas flow and for this purpose in particular have an injection, nozzle and/or atomization device, with a degree of atomization or a droplet size of the water to be supplied being adjustable by means of the supply device can. This can result in a high degree of atomization of the water or a small droplet size of the water promotes the cooling of the exhaust gas flow, since a large number of water droplets and thus their surface area available for heat exchange can be increased.
  • supplying the smallest possible drops of water with the same supply quantity can increase the number of potential condensation nuclei for the accumulation of further water from the exhaust gas flow.
  • the atomized water can be distributed evenly in the exhaust gas flow in order to enable a cooling effect over the entire cross section of the exhaust gas flow.
  • the feed device is set up to introduce the water essentially homogeneously into the exhaust gas flow.
  • Homogeneous means in particular a uniform distribution of the water over a cross section, in particular a cross section at the point of introduction or a cross section of the exhaust gas flow spaced downstream from this point. This includes process-related deviations from a completely homogeneous mixing of exhaust gas flow and supplied water.
  • the feed device can be set up to introduce the water, in particular uniformly all around, under a predetermined pressure and/or over a predetermined distance into the exhaust gas flow in order to enable mixing of water and exhaust gas flow and thereby improve a temperature transition.
  • the water is provided to the feed device by means of a water separation device of the exhaust gas treatment system.
  • the water separation device can be arranged downstream of the second cooling device, which is preferably designed as a condenser, or can form part of the second cooling device, which is preferably designed as a capacitor.
  • the water separation device is in particular designed to be able to separate the additional amount of water that is intended for cooling the exhaust gas flow. Alternatively or additionally, it can also be provided that the water is provided from a water reservoir.
  • the feed device is set up to introduce water into the exhaust gas flow in such a way that the exhaust gas flow reaches a dew point temperature Exhaust gas flow is cooled before it reaches the second cooling device.
  • a condensation process of the water portion of the exhaust gas flow can begin before the second cooling device is reached.
  • heat transfer for example to channel walls of the second cooling device, can take place more effectively than is possible in a purely gaseous state. Due to the resulting liquid content in the exhaust gas flow, heat transfer in the exhaust gas flow can be improved, in particular in relation to a heat exchange surface of the second cooling device, whereby the second cooling device can in particular be designed to be more compact and have a reduced weight.
  • the first cooling device has a steam generator which is assigned to the exhaust gas duct and/or the second cooling device has a heat exchanger which is set up for cooling with air and is preferably designed as a condenser.
  • the steam generator can extract energy from the exhaust gas stream to produce water vapor, which can reduce the temperature of the exhaust gas stream.
  • the exhaust gas flow temperature achieved in this way is above the dew point temperature.
  • the heat exchanger of the second cooling device can be designed as a capacitor (condenser heat exchanger) and use air as a cooling fluid, which is conveyed, for example, by means of a fan or a fan of the drive system.
  • This heat exchanger can essentially have two areas, with the essentially gaseous exhaust gas flow being cooled down to its dew point temperature 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. Since, for example, the temperature of the air used for cooling can depend on a flight altitude and/or weather conditions, the additional cooling made possible by the supply device can support operational water recovery.
  • a method for operating a drive system described herein having an exhaust gas treatment device wherein the exhaust gas duct is flowed through with exhaust gas, the exhaust gas flow is pre-cooled by means of the first cooling device, the pre-cooled exhaust gas flow by means of the feed device by supplying water, in particular liquid water, into the Exhaust gas flow is further cooled, and the pre-cooled exhaust gas flow is condensed by means of the second cooling device.
  • the exhaust gas treatment device can have a control device that is set up to control the first and second cooling devices and the feed device.
  • a cooling capacity of the first cooling device, the second cooling device and/or the supply device can be changed by means of the control device.
  • the control device can specify a respective operating state or a respective cooling capacity, for example depending on an ambient temperature, an exhaust gas flow temperature and/or taking into account further operating parameters, for example of the drive system or an aircraft engine.
  • the water condensed by the second cooling device is collected.
  • the condensed water can be collected, for example, by means of a water separation device arranged in particular in, on or downstream of the second cooling device and in particular at least partially provided to the feed device.
  • a volume flow and/or a mass flow of the water to be introduced can be specified depending on at least one property of the exhaust gas flow.
  • a corresponding property of the exhaust gas flow can be, for example, a current temperature, a speed, a pressure, a composition and/or a specific gravity.
  • at least one operating parameter of the aircraft engine or an environment can also be taken into account when determining the volume flow to be supplied. This allows, for example, cooling of the exhaust gas flow and in particular water recovery from the exhaust gas flow to be carried out efficiently under varying conditions.
  • a degree of atomization of the water to be introduced can be varied or adjusted depending on at least one property of the exhaust gas flow.
  • a temperature of the exhaust gas flow can be kept constant before entering the second cooling device in order to enable smooth operation of the exhaust gas flow and thus continuous water recovery from the exhaust gas flow under varying conditions.
  • the invention also relates to an aircraft with a propulsion system according to the invention described above.
  • a method for operating a gas turbine for an aircraft engine with a compressor, combustion chamber, turbine and a heat exchanger downstream of the turbine, in particular designed as a steam generator, through which a gas flow flows in one flow direction is also proposed, the heat exchanger being made of water by means of a Energy of the gas flow generates a steam, which is fed to the gas flow for burning with fuel in the combustion chamber or the combustion chamber.
  • the heat exchanger may be part of the exhaust gas treatment system, wherein the exhaust gas treatment system may consist of a steam system and/or a water system.
  • the gas flow has a temperature between 700 and 980 K and preferably between 800 and 980 K when exiting the turbine, in particular when exiting a low-pressure turbine, in order to provide the energy to generate the steam.
  • This increases the gas flow temperature at a turbine outlet, particularly compared to known gas turbines, 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 gas turbine can be achieved. Overall, this can improve the efficiency of the gas turbine.
  • 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 gas turbine for an aircraft engine 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 gas turbine is set up to carry out a method according to one or more of the aspects described herein.
  • Such a gas turbine for an aircraft engine has a compressor, a combustion chamber and a turbine. During operation of the gas turbine, air is compressed in the compressor, mixed with a fuel before or in the combustion chamber and ignited to drive the turbine.
  • the gas turbine 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 gas turbine also has another heat exchanger arranged downstream of the turbine. In the other heat exchanger, steam is generated from water, which is extracted in particular from the gas flow or the exhaust gas of the gas turbine 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 gas turbine, which in particular has an exhaust gas treatment system, which is preferably arranged downstream of the turbine of the turbomachine.
  • the exhaust gas treatment system 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 system 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 system 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.
  • energy is removed from the gas flow of the heat exchanger to generate water vapor, which reduces the temperature of the gas flow.
  • 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 area downstream of the first area, the exhaust gas flow continues 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 gas turbine.
  • 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 gas turbine 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.
  • the gas flow has a temperature between 1600 and 1750 K, in particular 1650 K to 1750 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 gas turbines due to the additional energy required to evaporate the water. Accordingly, a gas turbine that is set up to carry out the method proposed here can be designed with a particularly significantly lower expansion ratio than a classic gas turbine.
  • 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 700 K to 740 K. At this temperature, superheated steam has a high energy density, so that undesirable condensation of the evaporated water, 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 gas turbine is 20 to 40, in particular from 22 to 35.
  • the overall pressure ratio of the gas turbine 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 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 loss-free until it almost comes to a standstill.
  • a total pressure ratio of the gas turbine of 20 to 40 and in particular of 22 to 35 makes it possible within the framework of the proposed method to achieve an optimal compromise between a high turbine outlet temperature and thus a high heat potential for the evaporator, a small number of stages, in particular of the low-pressure compressor, the simplest possible materials, and 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 gas turbine is set up to provide the gas flow at a temperature between 700 and 980 K at the turbine outlet.
  • 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 turbine is designed in such a way that it has a significantly reduced expansion ratio, in particular by more than 20%, compared to turbines of classic turbo aircraft engines.
  • the gas turbine has an exhaust gas treatment system 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 system can have an exhaust gas duct 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 allows water to be separated from the gas flow or Exhaust gas flow and thus a provision of water to be evaporated for the heat exchanger are made possible.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a first 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 is a schematic representation of a second exemplary drive system according to the invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of a flow chart of a method according to the invention for operating a turbomachine for the drive system according to Fig. 3
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a third exemplary drive system according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a flowchart of an exemplary method according to the invention for operating an exhaust gas treatment system.
  • Fig. 7 shows an exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement according to the principle of the prior art
  • FIG. 8a shows a first exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement for a drive system according to the invention in a sectional view of a circumferential plane of the gas turbine
  • Fig. 8b shows the first exemplary embodiment of the heat exchanger arrangement in a meridian section of the gas turbine
  • Fig. 9 shows an exemplary embodiment of a heat exchanger according to the invention in a detailed view A from Fig. 8a
  • FIG. 10 shows a second exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement according to the invention in a sectional view of a circumferential plane of a turbomachine
  • FIG. 11 shows a third exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement according to the invention in a sectional view of a circumferential plane of a turbomachine
  • Fig. 12 is a schematic representation of an embodiment of a gas turbine according to the invention
  • 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 of the gas turbine and the axial direction Ax of the gas turbine.
  • the drive system is shown along the laterally shown sections AA and BB using a rolled-up representation of circumferential planes, 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 2 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 fan 8 is designed with a diameter of 2.2m.
  • 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 stream and feeds the steam system 40 with water.
  • the steam system 40 evaporates the water and supplies hot steam to the main 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 expand the exhaust gas and provide mechanical power for the drive, and finally pass it on into a turbine outlet housing 16. It can be provided that 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. It is possible that the capacitor 21 only extends in a partial area between the outer housing 5 and the inner housing 6 or only forms a cross flow to the bypass flow channel in a partial area.
  • a large part of the air volume conveyed by the fan 8 is supplied as a bypass air flow to the bypass flow channel 20 and partially flows through the condenser 21 there before the air bypass flow leaves the gas turbine 2 to generate thrust.
  • 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 feed device preferably designed as 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 water pump 39 can also be in one Core flow 10 encasing inner housing 6, in particular in an inner housing closure 6 'which closes the inner housing 6 and is arranged in the axial direction Ax behind the turbine outlet housing 16.
  • the inner housing closure 6' also creates a flow deflection chamber for the hot exhaust gas emerging from the turbine 14, 15.
  • a central exit of the exhaust gas stream G from the main flow channel into an environment is no longer advantageous, but the highly heated exhaust gas can be post-treated.
  • the arrangement of the water pump in the inner housing closure 6 ' has the advantage that a weight distribution of the water pump is very balanced by an extension of the axis of rotation or the drive shaft 9 of the gas turbine 2.
  • the center of gravity of the gas turbine is shifted further back under the wing, which has a positive effect on the load distribution of a wing and the flight characteristics.
  • 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 power thus obtained in the steam turbine 46 is supplied to the drive shaft 9 and the exhaust gas heat is made available again to the cycle of the gas turbine 2.
  • the arrangement of the capacitor 21 is described below with reference to 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 extends everywhere along the axial extent of the capacitor
  • the external distance a in the circumferential direction U between two pairs of capacitor modules 25 is smaller.
  • the air conveyed by the fan 8 is divided by the inlet cover(s) 22 and then flows along the outer side surfaces 24a of the capacitor modules 23, 23 'facing the air bypass flow direction. Part of this air flows through cooling channels 24c between the plates of the capacitor modules 23, 23' onto 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 guided 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.
  • Water separation device 31 can be accommodated in addition to the above-mentioned swirl generator 34, other elements that serve to separate water.
  • Fig. 3 shows a turbomachine 2 according to the invention designed as a gas turbine for an aircraft, which is set up to carry out a method described herein, in a schematic representation.
  • the turbomachine designed as a gas turbine 2 is designed, for example, as a turbofan engine and has a compressor 12, a combustion chamber 13 and a turbine 14, 15 with a low-pressure turbine 15, through which a gas flow G can flow in a flow direction or during operation of the gas turbine 2 be flowed through by the gas flow G.
  • the gas flow G has a temperature Ti between 700 and 980 K when exiting the turbine 14, 15 or when exiting the low-pressure turbine 15 in order to provide energy for generating the steam by means of a steam generator 41.
  • the gas turbine 2 Downstream of the turbine 14, 15 in the flow direction, the gas turbine 2 has the steam generator 41, which is set up to generate steam from water using energy from the gas flow G.
  • This steam can be supplied via a steam line 45, in particular with a fuel, into the gas flow for combustion in the combustion chamber 13.
  • the steam supply in particular in the form of a steam line 45, can have a mixing chamber 48 of a fuel processing device, into which fuel can be introduced and thus supplied to the steam flowing through it, whereby the fuel can evaporate.
  • the steam and fuel can thus be supplied to the combustion chamber 13 of the gas turbine 2 in the form of a mixture.
  • the steam and/or the fuel can also be supplied directly to the gas flow G before and/or in the combustion chamber 13.
  • the gas flow G After combustion in the combustion chamber 13 or upon exiting the combustion chamber 13, the gas flow G in particular has a temperature T4 between 1650 and 1750 K, in particular approximately 1700 K.
  • the gas flow G first passes through the compressor 12, the combustion chamber 13 and the turbine 14, 15 with the low-pressure turbine 15. After the turbine 14, 15, the gas flow G can also be used as an exhaust gas flow from the gas turbine 2 be referred to.
  • This (exhaust) gas flow G flows from the turbine 14, 15 into an exhaust gas duct 17, on which the steam generator 41, a condenser 21 and a water separation device 31 are arranged downstream.
  • the Steam generator 41 can have a preheater 42, an evaporator 43 and a superheater 44 according to the exemplary embodiment in FIG and to heat it to 740 K, in particular to about 720 K.
  • the condenser 21 is arranged downstream of the steam generator 41 in relation to the flow direction of the gas flow G and can be provided for cooling with ambient air in order to enable the separation of water vapor and/or water present in the gas flow G.
  • a water separation device 31 is arranged downstream of the condenser 21, which can be designed as a droplet separator.
  • the gas flow G in the water separation device 31 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 G can leave the exhaust duct 17 via an outlet 28, 29 designed as a cold bypass nozzle 28 or a hot bypass nozzle 29 and, in particular, can be released into the environment.
  • the separated water can, for example, be fed into a water reservoir 38 via an optional water treatment system 38 ', where it can be available for further use.
  • the water can be provided to the steam generator 41 in order to generate water vapor, which can be supplied to the gas flow G in the area of the combustion chamber 13.
  • the gas flow G has a temperature Ti between 700 and 980 K when exiting the turbine 14, 15 or when exiting the low-pressure turbine 15 in order to provide energy for generating steam by means of the steam generator 41.
  • the gas flow G is generated by the steam generator 41 from water provided there, in particular from the gas flow G or the exhaust gas flow after the steam generator 41, using the energy of the gas flow G steam, whereby the gas flow G cools down.
  • the gas flow G has a temperature T2 between 400 and 480 K when it exits the steam generator 41 or downstream of the steam generator 41.
  • the pre-cooled gas flow G is condensed using the condenser 21.
  • the water condensed in the condenser 21 is collected in a further step d, in particular by means of the water separation device 31.
  • the collected water is provided in particular by means of a feed device 39 to the steam generator 41 for generating steam, with steam being generated in step b by means of the steam generator 41 or evaporator 43.
  • the steam generator 41 heats the steam to a temperature T3 between 600 and 900 K, preferably between 650 K and 750 K, in particular to approximately 720 K.
  • step f at least part of the steam generated in the steam generator 41 can be passed via a steam supply or steam line 45, for example, into a mixing chamber 48 of a fuel processing system, where a steam/fuel mixture can be generated, which is finally in a step g Gas flow G, in particular in the combustion chamber 13 of the gas turbine 2, is supplied for combustion.
  • the gas flow G can have a temperature T4 between 1650 and 1750 K, in particular approximately 1700 K, when exiting the combustion chamber 13.
  • Fig. 5 shows an exhaust gas treatment system 18 according to the invention, which is arranged downstream of a main flow channel 10, which is only indicated schematically in this exemplary embodiment.
  • the main flow channel 10 is arranged, for example, in a drive system 1 designed as a turbofan engine and has a compressor 12, a combustion chamber 13 and a turbine 14, 15.
  • an exhaust gas flow G flows from the turbine 14, 15 into an exhaust gas duct 17 of the exhaust gas treatment system 18, which consists of a water system 30 and a steam system 40.
  • Upstream of the main flow duct 10 is usually one not shown in this exemplary embodiment Fan 8 arranged, which feeds both the main flow channel 10 and a secondary flow channel 20.
  • the exhaust gas flow G first passes through a steam generator 41, which has a preheater 42, an evaporator 43 and a superheater 44.
  • the steam generator 41 is a first cooling device for the exhaust gas flow G.
  • a feed device 39a is arranged on the exhaust gas duct 17, which is set up to introduce water W into the exhaust gas flow G in order to cool the exhaust gas flow G.
  • the feed device 39a has an injection device 39b and is set up to introduce the water W in an atomized and homogeneous manner into the exhaust gas flow G in order to achieve a uniform distribution of the supplied water W in the exhaust gas flow G and thus to promote heat transfer between the water W and the exhaust gas flow G .
  • the water W at the point of introduction or in the area of the exhaust gas duct 17 on which the feed device 39a is arranged has a lower temperature than the exhaust gas flow G.
  • the feed device supplies the water W to the exhaust gas flow G in such a way that the exhaust gas flow G is cooled towards a dew point temperature of the exhaust gas flow G before it reaches a heat exchanger designed as a condenser 21.
  • the condenser 21 is a second cooling device for the exhaust gas flow G.
  • the condenser 21 is set up for cooling with ambient air and is arranged downstream of the feed device 39a in relation to the flow direction of the exhaust gas flow. Ambient air can flow through the condenser 21 in order to cool the exhaust gas flow in such a way that at least partial separation of the water W present in the exhaust gas flow G is made possible.
  • a water separation device 31 which can be designed as a droplet separator, is arranged downstream of the condenser 21.
  • the exhaust gas flow G can be set into rotation, as a result of which water drops are guided radially outwards under centrifugal force and the water W can be collected.
  • the remaining exhaust gas flow G can leave the exhaust gas duct 17 via an outlet 28, 29, which is preferably designed as a cold bypass nozzle 28 and/or a hot bypass nozzle 29, and in particular to the environment.
  • the separated water W can, for example, be fed into a water reservoir 38 via an optionally available water treatment system 38 ', where it can be available for further use and, for example, can be fed to the feed device 39a.
  • the water W can be provided for the steam generator 41, and in particular the evaporator 43, in order to generate water vapor, which can be supplied to the gas turbine 2 in the area of the combustion chamber 13.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a method 600 for operating the exemplary drive system 1 from FIG. 5, wherein in a step h the exhaust gas duct 17 is flowed through with exhaust gas from the main flow duct 10. In a second step i, the exhaust gas flow G is pre-cooled by means of the steam generator 41.
  • the pre-cooled exhaust gas flow G is further cooled by means of the feed device 39a by supplying, in particular, liquid water W into the exhaust gas flow G.
  • a volume flow and/or a degree of atomization of the water W to be introduced can be specified or varied depending on at least one property of the exhaust gas flow G.
  • the pre-cooled exhaust gas flow G is condensed by means of the second cooling device 13.
  • the water W condensed in the second cooling device 13 can be collected in an optional fifth step 1, in particular by means of the water separation device 31.
  • FIG. 7 shows a heat exchanger arrangement 21' from the prior art in a sectional view, which shows a heat exchanger 21 with a low-temperature grid 20 and a high-temperature grid 30.
  • the heat exchanger 21 is arranged in a flow channel 20, which is designed in particular as a bypass flow channel, between an inlet surface 20a and an outlet surface 20b of the flow channel 20.
  • the heat exchanger has low-temperature channels in the low-temperature grid 200, which are formed essentially parallel to the main channel direction, which leads to a very large inflow area.
  • the high-temperature channels run into the cutting plane.
  • the large inflow surface which is perpendicular to the direction of flow, also causes large air resistance, in particular pressure and shape resistance. The disadvantage is that such configurations are often too large to be effectively arranged in a real engine.
  • FIG. 8a shows a sectional view of a heat exchanger arrangement 21 'according to the invention with a flow channel 20 designed as a bypass channel 20 of a gas turbine 2 and a heat exchanger 21 designed in particular as a condenser 21 in the flow channel 20.
  • the flow channel 20 is arranged in a gas turbine 2.
  • a cooling fluid flows through the flow channel 20, the cooling fluid flowing into the flow channel 20 through an inlet surface 20a, flowing through the heat exchanger 21 and, after a further flow through the rear flow channel 20, exiting the flow channel 20 again at an outlet surface 20b.
  • a main channel direction S is marked by an arrow. It may be that the direction of flow in a wake of the heat exchanger 21 differs from the area in front of the heat exchanger.
  • the sections of the channels in front of and behind the heat exchanger must be considered, up to the corresponding inlet surface 20a or outlet surface 20b.
  • the flow channel 20 has a circle, ellipse or rectangular shape curved around an engine axis or axial direction Ax in the circumferential direction U, with the flow channel being laterally delimited by channel sides.
  • the arrangement of the flow channel 20 with the heat exchanger 21 can be repeated in the circumferential direction U, as shown for example in FIG. 2, in which case some common sides can then also be removed or omitted, so that a heat exchanger arrangement 21 'with several heat exchangers 21 results .
  • Such a heat exchanger arrangement 21 'can extend around a core of an engine in the circumferential direction U.
  • the heat exchanger 21 is formed from an inlet panel 22, a grid matrix consisting of a low-temperature grid 200 and a high-temperature grid 300 and an outlet panel 27.
  • the grid matrix is also referred to below as a heat exchanger module 23.
  • the low and high temperature grids 200, 300 described in more detail in FIG.
  • the low-temperature channels 201 largely run in the direction of the drawn extension axis E, while the high-temperature channels 301 run in a direction into the plane of the drawing.
  • FIG. 8b shows a side view of the heat exchanger arrangement 1 from FIG. 8a, in which the direction V of the high-temperature channels 301 is shown schematically with larger arrows.
  • the outlet cover 27 directs the flow of the cooling fluid in a wake downstream of the heat exchanger module 23.
  • the heat exchanger 21 generally has an inflow surface 24a, which is arranged inclined at an angle a.i to the main channel direction S. A more precise definition of the inflow area is described with reference to FIG. 9. Furthermore, the heat exchanger 21 has an outflow surface 24b which is inclined at an angle 012 to the further main channel direction S'. The inclination advantageously results in a large inflow area.
  • the low-temperature channels 201 in turn have a main angle of inclination ⁇ to the inflow surface 24a, which is different from the angle a.i. This minimizes the entire redirection of the cooling air as it flows through the heat exchanger, so that pressure losses are reduced.
  • the fluid flowing through the flow channel 20 is neither decelerated nor accelerated in the area of the inlet fairing, since - as can be seen together from FIGS. 8a and 8b - the cross-sectional area normal to an axial direction Ax remains the same in this area.
  • the flow channel 20 narrows in an axial direction Ax in FIG. 2a, since the inlet cover 22 already projects into the flow channel 20, however the flow channel 20 expands in a radial direction R, as can be seen from FIG. to create a jet flow.
  • Fig. 8b the first exemplary embodiment of the heat exchanger arrangement 21 'from Fig. 8a is shown in a side sectional view, in particular in a meridian section.
  • the already mentioned flow direction E of the high-temperature grid 300 is shown.
  • transverse ribs 207 are indicated in the low-temperature grid 200 and the high-temperature grid 300, which represent a measure to provide an enlarged surface for heat exchange.
  • the heat exchanger 21 includes the low-temperature grid 200, which consists of a plurality of low-temperature channels 201, and the high-temperature grid 300, which consists of a plurality of high-temperature channels 301.
  • the low-temperature channels 201 each have an inlet 202, which serves to introduce and first redirect the flow of the cooling fluid from the flow channel 20.
  • the inlet 202 ends at a downstream narrow point, which serves as an inlet cross section 203 into a downstream diffuser region 204 of the low-temperature channel 201.
  • the size of a cross-sectional area in the diffuser region 204 increases steadily along the longitudinal extent of the diffuser region 204 up to a maximum cross-sectional area 205 in the present exemplary embodiment.
  • Adjacent to the diffuser region 204 downstream is a main region 206, the cross section of which is constant along its longitudinal extent.
  • the maximum cross-sectional area is a constant cross-sectional area 205 in the main area 204.
  • a nozzle area 208 borders, the cross-sectional area of which reduces from the size of the constant cross-sectional area 205 to an outlet cross-sectional area 209, so that the flow of the cooling fluid is accelerated.
  • the speed of the flow of the cooling fluid increases along the flow through the low-temperature channel 201 due to the heat flow from the high-temperature channel 301, through which a hot fluid flows which has a higher temperature than the cooling fluid. This further accelerates the flow in the low-temperature channel 201.
  • a low-temperature channel 201 and a first high-temperature channel 301 each have a first common wall 400.
  • a high-temperature channel 301 is surrounded by a common wall, while a low-temperature channel 201 shares a common first wall 400 with a first adjacent high-temperature channel 301 and a further second common wall 400 with a second adjacent high-temperature channel 301.
  • first and second wall 400 in the sectional plane shown in FIG. 9 is initially described below with reference to the first wall 400:
  • the wall 400 has an inlet section 402 facing away from the wind in the inlet area 202.
  • the common wall 400 in the diffuser region 204 has a convex diffuser section 402.
  • a first planar main section 406 is arranged in the main area 206. Its traveling distance is used to determine the main angle of inclination ß.
  • the parallelism of the traveling extent in the main section 406 and the main extent E of the main region 206 of the low-temperature channel 201 is shown in FIG. 9 by parallel symbols.
  • Adjoining the main section 406 of the common wall is a concave exit section 408 which extends to the outflow surface 24b.
  • a further common wall section is arranged in the low-temperature channel 201, which has the following course:
  • the second common wall 400 has a wind-facing inlet section 403 in the inlet area 202, the wind-facing inlet section 403 being rounded and can extend to the point of the smallest cross-section.
  • a concave diffuser section 405 in the diffuser section 204 adjoins the wind-facing inlet section 403.
  • the curvature of the convex diffuser section 404 of the first common wall 400 is greater than the curvature of the concave diffuser section 405 of the second common wall 400, so that the diffuser region 204 expands and thus has a constantly increasing cross-sectional area along its longitudinal extent, whereby the flow is advantageous is delayed.
  • a second planar main section 407 adjoins the concave diffuser section 405 Main area 206, which runs parallel to the extent of the first main section 406 in the sectional view.
  • the second main section 407 is adjoined by a convex outlet section 409 in the outlet region 208, which extends to the outflow surface 24b.
  • a high-temperature channel 301 is surrounded by a single common wall 400 designed as a sheet metal, with the concave outlet section 408 and the convex outlet section 409 of the single common wall 400 abutting against one another and being welded or soldered and thus completely enclosing the high-temperature channel 301.
  • Fig. 10 shows a second exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement 21 ', wherein the circumferential extent of the flow channel 20, here corresponding to the circumferential extent of the inlet surface 20a, is larger than in the first exemplary embodiment, while the size of the heat exchanger 21 is identical to the size in the first exemplary embodiment .
  • the flow is divided, with part of the flow flowing into the heat exchanger 21 and a part being passed past the heat exchanger 21 as a cold stream.
  • FIG. 11 shows a third exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement 21 ', which in the exemplary embodiment represents a reflection of the heat exchanger arrangement 21 'on a mirror surface M, which is spanned by a radial direction R and an axial direction Ax.
  • the two heat exchanger modules 23, 23 ' are connected at the front in the direction of flow by a common inlet panel 22, but each has its own outlet panel 27.
  • the inflow and outflow angles of the inflow and outflow surfaces 24a, 24b can vary depending on the installation situation.
  • a first inflow angle ai of a first inflow surface 24a is smaller or larger than an inflow angle 012 of a second inflow surface 24a'.
  • the hot flow channel 29 originates at the two flow surfaces 24b and 24b' of the two heat exchanger modules 23, 23' and runs between them.
  • the heated cooling gas expands between the outlet panels 27.
  • the cold flow channel 7 is a channel section that is guided past the heat exchanger 21 on both sides.
  • the heat exchanger arrangement 1 described in FIGS. 10 and 11 can also be arranged in a repeating pattern, so that in particular a heat exchanger arrangement 21 'results with several alternating hot flow channels 29 and cold flow channels 28, as for example in FIG. 2 on the first Embodiment according to the invention is shown.
  • FIG. 1 An embodiment of the gas turbine according to the invention is shown schematically in FIG.
  • the high-pressure turbine shaft 9 is driven by the high-pressure turbine 14, via which the working gas from the combustion chamber 13 expands.
  • the high pressure turbine shaft 9 is driven by the high-pressure turbine 14, via which the working gas from the combustion chamber 13 expands.
  • the high pressure turbine shaft 9 is driven by the high-pressure turbine 14, via which the working gas from the combustion chamber 13 expands.

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Abstract

The invention relates to a propulsion system (1) for an aircraft, comprising a gas turbine (2) having a core flow channel (10), wherein a compressor (12), a combustion chamber (13), a first turbine, in particular a high-pressure turbine (14), for driving the compressor (12), and a second turbine, in particular a low-pressure turbine (15) are arranged in the core flow channel (10) in the flow direction, and comprising a water system (30) for providing water via recovery from an exhaust gas from the core flow channel (10).

Description

Antriebssystem für ein Luftfahrzeug Propulsion system for an aircraft
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug. Das Antriebssystem weist eine Gasturbine mit einem Kernstromkanal und ein Abgasbehandlungssystem auf. Dabei ist in dem Kemstromkanal in Strömungsrichtung ein Verdichter, eine Brennkammer, eine erste Turbine zum Antreiben des Verdichters, und eine zweite Turbine zum Antreiben des Fans angeordnet. The invention relates to a drive system for an aircraft. The propulsion system has a gas turbine with a core flow channel and an exhaust gas treatment system. A compressor, a combustion chamber, a first turbine for driving the compressor, and a second turbine for driving the fan are arranged in the core flow channel in the direction of flow.
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. In the past, many concepts for low-emission combustion were developed for stationary gas turbines and aircraft engines. Various measures are taken, all of which aim to avoid high peak temperatures and the associated formation of nitrogen oxides while at the same time keeping emissions of carbon monoxide and unburned hydrocarbons low. It is known that the medium water or water vapor can be used in turbomachines to increase performance and reduce emissions.
Auch bei Flugtriebwerken ist es sinnvoll Wasserdampf zu nutzen, um die Umweltwirkung des Flugverkehrs zu verbessern. Hierbei bietet Wasserdampf neue Möglichkeiten der Brennstoffaufbereitung und damit ein neues Konzept für eine Schadstoff arme 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 Dampferzeugungskonzepte benötigen allerdings große Dampferzeuger mit hohem Gewicht. It also makes sense to use water vapor in aircraft engines to improve the environmental impact of air traffic. Steam offers new options for fuel preparation and thus a new concept for low-pollutant combustion in a turbomachine. For example, in a steam generator arranged downstream of an engine turbine, steam can be generated using exhaust gas energy and supplied in the area of the combustion chamber. After flowing through the steam generator, moist exhaust gas can flow through other components that serve to separate water from the exhaust gas. However, in the known methods for operating aircraft engines, steam generation concepts require large, heavy steam generators.
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 Erfindung, ein verbessertes Antriebssystem für ein Luftfahrzeug und ein Luftfahrzeug anzugeben. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine für ein Luftfahrzeug vorzuschlagen, bei welchem insbesondere der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessert ist. In addition, the classic concepts of aircraft engines are very mature and only promise incremental improvements in efficiency in the future. Thus, despite increasing complexity, changes to the gas turbine cycle become more attractive because they promise significant improvements in efficiency (SFC). Proceeding from this, it is an object of the invention to provide an improved propulsion system for an aircraft and an aircraft. It is also an object of the present invention to propose an improved method for operating a turbomachine for an aircraft, in which in particular the efficiency of the turbomachine is improved.
Diese Aufgabe wird von einem Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 19 gelöst. Die weitere Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. This task is solved by a drive system with the features of claim 1 and claim 19. The further task is solved using a method with the features of claim 20. Further advantageous refinements are the subject of the subclaims.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine Gasturbine, die einen Kemstromkanal aufweist, wobei in dem Kernstromkanal in Strömungsrichtung ein Verdichter, eine Brennkammer, eine erste Turbine, insbesondere Hochdruckturbine, zum Antreiben des Verdichters, und eine zweite Turbine, insbesondere Niederdruckturbine angeordnet sind. Ferner umfasst das Antriebssystem ein Wassersystem zum Bereitstellen von Wasser, das aus einem Arbeitsgas aus der Gasturbine bzw. Abgas aus dem Kemstromkanal rückgewonnen wird. To solve the problem, a drive system for an aircraft is proposed, comprising a gas turbine which has a core flow channel, wherein in the core flow channel in the direction of flow there is a compressor, a combustion chamber, a first turbine, in particular a high-pressure turbine, for driving the compressor, and a second turbine, in particular low-pressure turbines are arranged. Furthermore, the drive system includes a water system for providing water that is recovered from a working gas from the gas turbine or exhaust gas from the core flow channel.
Die Gasturbine hat mindestens einen Kernstromkanal bzw. einen Hauptstromkanal wenn es sich um ein Nebenstromtriebwerk mit einem Nebenstromkanal handelt. Das Wassersystem ist Teil des Abgasbehandlungssystems, das in einer bevorzugten Ausführungsform auch ein Dampfsystem aufweist. Das Wassersystem umfasst zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung und einen Kondensator mit vorzugsweise mindestens einem Kondensatormodul, wobei die Gasturbine bevorzugt ein Außengehäuse aufweist, das den Nebenstromkanal radial außen begrenzt. Die Hochdruckturbine treibt den Verdichter, insbesondere einen gesamten Hochdruckverdichter, der vorzugsweise aus den hinteren, über ein Verdichterzwischengehäuse von anderen Stufen axial abgetrennten Stufen des Verdichters, besteht, vorzugweise über eine erste Welle an. Die Niederdruckturbine treibt einen Fan des Antriebssystems an, besonders bevorzugt über ein Getriebe, das zwischen einer zweiten Welle und dem Fan angeordnet ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Antriebssystem ferner eine Dampfturbine aufweist, die eine Leistung, insbesondere über ein Dampfturbinengetriebe auf die zweite Welle, an den Fan abgibt. Die Dampfturbine kann auf einer dritten Welle angeordnet sein. The gas turbine has at least one core flow channel or a main flow channel if it is a bypass engine with a bypass channel. The water system is part of the exhaust gas treatment system, which in a preferred embodiment also has a steam system. The water system comprises at least one water separation device and a condenser with preferably at least one capacitor module, wherein the gas turbine preferably has an outer housing that delimits the bypass flow channel radially on the outside. The high-pressure turbine drives the compressor, in particular an entire high-pressure compressor, which preferably consists of the rear stages of the compressor that are axially separated from other stages via an intermediate compressor housing, preferably via a first shaft. The low-pressure turbine drives a fan of the drive system, particularly preferably via a gear that is arranged between a second shaft and the fan. In particular, it can be provided that the drive system also has a steam turbine that has a power, in particular via a Steam turbine gearbox on the second shaft, to the fan. The steam turbine can be arranged on a third shaft.
Im Folgenden verläuft eine axiale Richtung einer Gasturbine parallel zu einer Triebwerksachse, das heißt einer Wellenachse einer Antriebswelle der Gasturbine. Eine radiale Richtung verläuft senkrecht zu der Triebwerksachse. Die Formulierung , radiale Richtung4 ist nicht auf die geometrische Normalenebene zur Triebwerksachse eingeschränkt. Schließlich weist die Gasturbine eine Umfangsrichtung auf, die eine Richtung um die Triebwerksachse beschreibt. In the following, an axial direction of a gas turbine runs parallel to an engine axis, that is to say a shaft axis of a drive shaft of the gas turbine. A radial direction is perpendicular to the engine axis. The formulation, radial direction 4 , is not restricted to the geometric normal plane to the engine axis. Finally, the gas turbine has a circumferential direction that describes a direction around the engine axis.
In einer Ausführungsform wird das in der Wasserabscheideeinrichtung gewonnene Wasser dem Dampfsystem zugeführt. Das Wasser wird in dem Dampfsystem in einem Dampferzeuger durch Abgaswärme verdampft und treibt in einer bevorzugten Ausführungsform eine Dampfturbine an, die zusätzliche Leistung in das Gesamtsystem einspeist. Anschließend wird der Dampf in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dem Kernstrom zugeführt und mit der verdichteten Luft in die Brennkammer geleitet, wodurch Massestrom und spezifische Leistung erhöht wird und eine Reduktion des Stickoxidanteils im Abgas bewirkt wird. Der Dampf kann in einer Ausführungsform vor dem Einbringen in die Brennkammer mit dem Arbeitsgas vermischt werden und/oder direkt in die Brennkammer eingebracht werden. Ferner kann der Dampf zum Kühlen von Bauteilen der Gasturbine verwendet werden. In one embodiment, 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, in a preferred embodiment, drives a steam turbine, which feeds additional power into the overall system. In a further preferred embodiment, the steam is then fed to the core stream and passed into the combustion chamber with the compressed air, which increases the mass flow and specific power and brings about a reduction in the nitrogen oxide content in the exhaust gas. In one embodiment, the steam can be mixed with the working gas before being introduced into the combustion chamber and/or introduced directly into the combustion chamber. Furthermore, the steam can be used to cool components of the gas turbine.
Ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine mit einem Hauptstromkanal, einem Nebenstromkanal, einem Wassersystem und einem Dampfsystem, wobei das Wassersystem zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung und einen Kondensator insbesondere mit mindestens einem Kondensatormodul umfasst, wobei die Gasturbine ein Außengehäuse aufweist, das den Nebenstromkanal außen umgibt, insbesondere begrenzt, ist erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass das Wassersystem und das Dampfsystem in und/oder in radialer Richtung innerhalb des Außengehäuses und/oder des Innengehäuses angeordnet sind. Es kann vorteilhaft ferner vorgesehen sein, dass das Wassersystem und das Dampfsystem zusammen ein Gesamtgewicht aufweisen und zumindest 80%, vorzugsweise zumindest 90%, insbesondere 95%, des Gesamtgewichts in und/oder in radialer Richtung innerhalb zumindest eines Gehäuses um den Kernstrom und/oder um das Außengehäuse bei einem Nebenstromtriebwerk angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das Gesamtdruckverhältnis der Gasturbine zwischen 20 - 40, und vorzugsweise 22 - 35 liegt. Ein in diesem Bereich arbeitendes Antriebssystem weist insbesondere im Reiseflug einen deutlich reduzierten Verbrauch auf. A drive system for an aircraft, comprising a gas turbine with a main flow duct, a bypass duct, a water system and a steam system, the water system comprising at least one water separation device and a condenser, in particular with at least one capacitor module, the gas turbine having an outer housing that surrounds the bypass duct on the outside , in particular limited, is improved according to the invention in that the water system and the steam system are arranged in and/or in the radial direction within the outer housing and/or the inner housing. It can advantageously also be provided that the water system and the steam system together have a total weight and at least 80%, preferably at least 90%, in particular 95%, of the total weight in and / or in the radial direction within at least one housing around the core stream and / or are arranged around the outer housing of a secondary flow engine. The drive system according to the invention is preferably designed so that the total pressure ratio of the gas turbine is between 20 - 40, and preferably 22 - 35. A propulsion system operating in this range has significantly reduced consumption, particularly in cruise flight.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Antriebssystems weist der Verdichter, insbesondere der Hochdruckverdichter, ein Druckverhältnis von 13 bis 30, vorzugsweise 16 bis 27, auf. Ein derart betriebener Verdichter stellt der Brennkammer ein ideal komprimiertes Gas zur Verfügung. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Gas zuvor in einer Mischkammer mit einem Dampf gemischt wurde, wodurch sich der Massendurchsatz und somit die spezifische Leistung erhöht. Besonders vorteilhaft kann so zusammen mit einem Fan der Gasturbine ein ideales Gesamtdruckverhältnis erzielt werden. In a preferred embodiment of the drive system according to the invention, the compressor, in particular the high-pressure compressor, has a pressure ratio of 13 to 30, preferably 16 to 27. A compressor operated in this way provides the combustion chamber with an ideally compressed gas. This is particularly advantageous if the gas has previously been mixed with a vapor in a mixing chamber, which increases the mass throughput and thus the specific power. Particularly advantageously, an ideal overall pressure ratio can be achieved together with a fan of the gas turbine.
Ein weiterentwickeltes erfindungsgemäßes Antriebssystem, dessen Gasturbine eine erste Antriebswelle aufweist, die von der ersten Turbine, insbesondere Hochdruckturbine, angetrieben wird und einen Verdichter antreibt und eine zweite Antriebswelle aufweist, die von der zweiten Turbine, insbesondere Niederdruckturbine, angetrieben wird und insbesondere über ein Getriebe, einen Fan antreibt, ist besonders bevorzugt dadurch weitergebildet, dass der Verdichter der einzige über eine Antriebswelle der Gasturbine angetriebene Verdichter ist. Hierdurch können die Rotoren des Verdichters im Hauptstromkanal vorteilhaft ohne eine Niederdruckturbine oder ohne mechanischen Leistungsanteil einer Niederdruckturbine angetrieben werden. A further developed drive system according to the invention, the gas turbine of which has a first drive shaft which is driven by the first turbine, in particular high-pressure turbine, and drives a compressor and has a second drive shaft which is driven by the second turbine, in particular low-pressure turbine, and in particular via a gearbox, drives a fan, is particularly preferably further developed in that the compressor is the only compressor driven via a drive shaft of the gas turbine. As a result, the rotors of the compressor in the main flow channel can advantageously be driven without a low-pressure turbine or without the mechanical power component of a low-pressure turbine.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Antriebssystems ist die Gasturbine als Nebenstromtriebwerk ausgebildet und weist ein Nebenstromverhältnis auf, das größer als 30 ist, oder die Gasturbine ist als Open-Rotor ausgebildet und weist ein Neben Stromverhältnis auf, das größer als 50, bevorzugt größer als 60 und weiter bevorzugt größer als 70 ist. Open- Rotor heißt, dass der Rotor oder die Rotoren des Fans außerhalb eines einen Kemstromkanal umgebenden Gehäuses bzw. Kerngehäuses angeordnet sind und insbesondere nicht von einem weiteren Außengehäuse umgeben sind. Eine Rotorspitze des Fans stellt bei einer Open -Rotor- Gasturbine einen äußersten Punkt der Gasturbine dar. Ferner sind dabei Montagepunkte für die Befestigung der Gasturbine an einem Pylon oder Flügel des Luftfahrzeugs an dem Kerngehäuse angeordnet. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Antriebssystems kann es sich bei der Gasturbine um eine mit Wasserstoff betreibbare Gasturbine handeln. Bevorzugt weist das Abgasbehandlungssystem, insbesondere das Wassersystem eine Wärmetauscheinrichtung zur Unterstützung der Rückgewinnung von Wasser auf Basis der Kühlwirkung des insbesondere kryogenen Wasserstoffs auf. Vorteilhaft wird dabei die Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsgas und dem Wasserstoff genutzt, um dadurch die Rückgewinnung von Wasser zu unterstützen. Gewicht und Bauraum der Abgasbehandlungssystem können dadurch reduziert werden. In a particularly preferred development of the drive system, the gas turbine is designed as a bypass engine and has a bypass flow ratio that is greater than 30, or the gas turbine is designed as an open rotor and has a bypass flow ratio that is greater than 50, preferably greater than 60 and more preferably greater than 70. Open rotor means that the rotor or rotors of the fan are arranged outside a housing or core housing surrounding a core flow channel and in particular are not surrounded by another outer housing. In an open-rotor gas turbine, a rotor tip of the fan represents an outermost point of the gas turbine. Furthermore, mounting points for attaching the gas turbine to a pylon or wing of the aircraft are arranged on the core housing. In an advantageous embodiment of the drive system, the gas turbine can be a gas turbine that can be operated with hydrogen. The exhaust gas treatment system, in particular the water system, preferably has a heat exchange device to support the recovery of water based on the cooling effect of the cryogenic hydrogen in particular. The temperature difference between the working gas and the hydrogen is advantageously used to support the recovery of water. The weight and installation space of the exhaust gas treatment system can thereby be reduced.
Wassersystem Water system
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Antriebssystem vorteilhaft so weitergebildet sein, dass ein Gehäuse, insbesondere Außengehäuse oder Innengehäuse, den Kernstromkanal und/oder einen Nebenstromkanal radial außen umgibt, und dass das Wassersystem zumindest zum Teil in und/oder an dem Gehäuse angeordnet ist. Hierdurch wird ein System geschaffen, das sehr kompakt ausgebildet ist. In a further aspect of the invention, the drive system can advantageously be developed in such a way that a housing, in particular an outer housing or inner housing, surrounds the core flow channel and/or a secondary flow channel radially on the outside, and that the water system is at least partially arranged in and/or on the housing . This creates a system that is very compact.
Ferner kann das Wassersystem des erfindungsgemäßen Antriebssystems zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung und einen, insbesondere als Kondensator ausgebildeten, Wärmetauscher zur Kühlung des Abgases, mittels eines relativ zum Abgas eine niedrigere Temperatur aufweisenden und/oder eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Kühlfluids, umfassen. Unter einer hohen Strömungsgeschwindigkeit wird vorliegend eine Strömungsgeschwindigkeit verstanden, wie sie typischerweise als Anströmgeschwindigkeit im Luftfahrtbereich auftaucht. Es kann also üblicherweise von einer Geschwindigkeit >50m/s ausgegangen werden. Ist ein Wärmetauscher im Mantelstrom eines Triebwerks angeordnet, können noch deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, im Bereich von Mach 0,4 bis Mach 0,5. Furthermore, the water system of the drive system according to the invention can comprise at least one water separation device and a heat exchanger, in particular designed as a condenser, for cooling the exhaust gas by means of a cooling fluid which has a lower temperature and/or a high flow rate relative to the exhaust gas. In the present case, a high flow velocity is understood to mean a flow velocity that typically occurs as an inflow velocity in the aviation sector. A speed of >50m/s can usually be assumed. If a heat exchanger is arranged in the sheath flow of an engine, significantly higher flow velocities can occur, in the range of Mach 0.4 to Mach 0.5.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Antriebssystem so weitergebildet sein, dass der insbesondere als Kondensator ausgebildete Wärmetauscher mindestens ein Kondensatormodul umfasst, und/oder die Wasserabscheideeinrichtung in dem Gehäuse angeordnet ist, und/oder dass das mindestens eine Kondensatormodul in dem Nebenstromkanal angeordnet ist und Abgaskanäle aufweist, die ein Abgas aus dem Hauptstromkanal vorwiegend nach radial außen durch den Nebenstromkanal insbesondere in das Gehäuse leiten. In addition, the drive system according to the invention can be developed in such a way that the heat exchanger, which is designed in particular as a capacitor, comprises at least one capacitor module, and/or the water separation device is arranged in the housing, and/or that the at least one capacitor module is arranged in the bypass flow channel and has exhaust gas channels, which is an exhaust gas from the Lead the main flow channel primarily radially outwards through the secondary flow channel, particularly into the housing.
Dampfsystem Steam system
Eine äußerst vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebssystems sieht vor, dass das Antriebssystem ein Dampfsystem zur Erzeugung von Dampf aus dem bereitgestellten Wasser aus dem Wassersystem aufweist, wobei der Dampf dem Arbeitsgas zugeführt wird und/oder zur Kühlung von Bauteilen verwendet wird. Hierdurch lässt sich vorteilhaft der Massenstrom des Arbeitsgases, also des den Kernstrom durchströmenden Fluids, erhöhen bzw. Komponenten wie der Verdichter, die Brennkammer oder die Turbine sowie insbesondere deren Ummantelungen abkühlen, was es erlaubt, die entsprechenden Komponenten bei noch höheren Temperaturen zu betreiben. Insbesondere gegenüber rein durch Luft gekühlten Komponenten lässt sich so vorteilhaft eine höhere Konvektion und damit ein höherer Wärmeabtransport erzielen. An extremely advantageous development of the drive system according to the invention provides that the drive system has a steam system for generating steam from the water provided from the water system, the steam being supplied to the working gas and/or being used to cool components. This makes it possible to advantageously increase the mass flow of the working gas, i.e. the fluid flowing through the core flow, or to cool components such as the compressor, the combustion chamber or the turbine and in particular their casings, which allows the corresponding components to be operated at even higher temperatures. In particular, compared to components cooled purely by air, higher convection and thus higher heat dissipation can be achieved.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem kann vorteilhaft so ausgebildet sein, dass im Betrieb mittels des Dampfsystems ein Anteil von 5-40 Massen%, vorzugsweise 15-35 Massen% Wasser im Arbeitsgas einstellbar ist. Hierdurch kann ein zumindest nahe einem bezüglich Verlustleistung und Massenstrom eingestelltes Optimum eines Arbeitsgasgemisches erreicht werden. Dies lässt sich beispielsweise über in eine Mischkammer führende Ventile oder Einspritzdüsen erzielen. The drive system according to the invention can advantageously be designed in such a way that a proportion of 5-40% by mass, preferably 15-35% by mass, of water in the working gas can be set during operation using the steam system. In this way, an optimum of a working gas mixture can be achieved that is at least close to an optimum set in terms of power loss and mass flow. This can be achieved, for example, via valves or injection nozzles leading into a mixing chamber.
Besonders bevorzugt kann das Dampfsystem dazu ausgebildet sein, dass im Reiseflug mittels des Dampfsystems ein Anteil von 10-30 Massen%, vorzugsweise 15-25 Massen% Wasser im Arbeitsgas einstellbar ist. Particularly preferably, the steam system can be designed so that a proportion of 10-30% by mass, preferably 15-25% by mass, of water in the working gas can be adjusted during cruise flight using the steam system.
Fluidführung Fluid guidance
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wasserabscheideeinrichtung in dem Außengehäuse, insbesondere in der Cowling und/oder einem äußeren Bereich oder inneren Bereich des Außengehäuses, angeordnet ist, und/oder dass das mindestens eine Kondensatormodul in dem Nebenstromkanal angeordnet ist und Abgaskanäle aufweist, die ein Abgas aus dem Hauptstromkanal nach außen, insbesondere in zumindest radialer Richtung der Gasturbine, durch den Nebenstromkanal und in das Außengehäuse leiten. Durch diese Bauweise, in der die Abgaskanäle das Abgas, besonders bevorzugt vorwiegend in radialer Richtung, zumindest teilweise durch den Nebenstromkanal und in das Außengehäuse leiten, lässt sich auf einfache Weise das Abgas abkühlen, um anschließend das darin enthaltene Wasser abzuscheiden. In zumindest radialer Richtung heißt, dass der Verlauf der Abgasströmung oder der Abgaskanäle im Wesentlich in radialer Richtung verläuft, aber auch von der radialen Richtung abweichenden Richtungen folgen kann. Die Abgaskanäle können sich auch nur teilweise, insbesondere in zumindest radialer Richtung, zumindest abschnittsweise in radialer Richtung und/oder teilweise parallel zu einer radialen Richtung, durch den Nebenstromkanal erstrecken. Das Außengehäuse kann integral ausgebildet sein oder mehrere Außengehäuseteile aufweisen. Eine integrale oder einstückige Ausbildung des Außengehäuses hat den Vorteil, das weniger Leckagen auftreten und somit das Gesamtsystem einen höheren Wirkungsgrad aufweist. In an advantageous development of the invention it is provided that the water separation device is arranged in the outer housing, in particular in the cowling and/or an outer region or inner region of the outer housing, and/or that the at least one capacitor module is arranged in the bypass flow channel and exhaust gas channels which has an exhaust gas from the main flow channel to the outside, in particular in at least in the radial direction of the gas turbine, through the bypass channel and into the outer housing. This design, in which the exhaust channels guide the exhaust gas, particularly preferably predominantly in the radial direction, at least partially through the bypass channel and into the outer housing, allows the exhaust gas to be cooled in a simple manner in order to then separate the water contained therein. In at least the radial direction means that the course of the exhaust gas flow or the exhaust gas channels runs essentially in the radial direction, but can also follow directions that deviate from the radial direction. The exhaust ducts can also extend only partially, in particular in at least a radial direction, at least in sections in a radial direction and/or partially parallel to a radial direction, through the bypass flow duct. The outer housing can be integrally formed or have several outer housing parts. An integral or one-piece design of the outer housing has the advantage that fewer leaks occur and the overall system therefore has a higher efficiency.
Insbesondere können an oder in dem Außengehäuse Befestigungsmittel zur Montage der Gasturbine an einem Pylon oder einem Flügel einer Luftfahrzeugs vorgesehen sein. Darüber hinaus lässt sich vorteilhaft eine kompakte und integrierte Bauform der Gasturbine inklusive des Wasser- und Dampfsystems und damit des gesamten Antriebssystems realisieren. Es ist vorteilhaft nicht mehr nötig, auf Komponenten oder den Bauraum des Flügels oder des Pylons zurückgreifen zu müssen. Weiterhin spart dieses Antriebssystem Gewicht gegenüber den im Stand der Technik bekannten Antriebssystemen. Ein weiterer Vorteil gegenüber Antriebssystemen aus dem Stand der Technik ist, dass das Antriebssystem als Ganzes an einem Pylon eines Flügels montiert werden kann, ohne dass Teile des Antriebssystem in dem Pylon oder dem Flügel angeordnet werden müssen. Auf diese Weise kann die Wartung auf das Antriebssystem beschränkt und somit die Wartungskosten gewinnbringend reduziert werden. Der Hauptstromkanal, der auch als Kemstromkanal bezeichnet wird, dient der Fluidführung durch die Gasturbinenkomponenten umfassend einen Verdichter, insbesondere einen Niederdruck- und einen Hochdruckverdichter, eine Brennkammer und eine Turbine, insbesondere einer Hochdruck- und einer Niederdruckturbine. Das Abgas aus dem Hauptstromkanal hat aufgrund der Verbrennung in der Brennkammer eine hohe Temperatur. Der Nebenstromkanal, der auch als Bypass bezeichnet werden kann, dient der Luftführung eines Großteils des vom Fan geförderten Luftgesamtstroms und dient hauptsächlich der Schuberzeugung. Der Luftnebenstrom im Nebenstromkanal weist eine niedrige Temperatur auf, die in einem Temperaturbereich leicht oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. 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 particular, fastening means for mounting the gas turbine on a pylon or a wing of an aircraft can be provided on or in the outer housing. In addition, a compact and integrated design of the gas turbine including the water and steam system and thus the entire drive system can advantageously be achieved. It is advantageously no longer necessary to have to rely on components or the installation space of the wing or the pylon. Furthermore, this drive system saves weight compared to the drive systems known in the prior art. A further advantage over drive systems from the prior art is that the drive system as a whole can be mounted on a pylon of a wing without parts of the drive system having to be arranged in the pylon or the wing. In this way, maintenance can be limited to the drive system and maintenance costs can thus be profitably reduced. The main flow channel, which is also referred to as the core flow channel, is used to guide fluid through the gas turbine components, comprising a compressor, in particular a low-pressure and a high-pressure compressor, a combustion chamber and a turbine, in particular a high-pressure and a low-pressure turbine. The exhaust gas from the main flow channel has a high temperature due to combustion in the combustion chamber. The bypass duct, which can also be referred to as a bypass, serves to guide a large part of the total air flow conveyed by the fan and is mainly used to generate thrust. The air bypass flow in the bypass flow duct has a low temperature, which is in a temperature range slightly above the ambient temperature. In an advantageous embodiment, 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.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Antriebssystems 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 axialer Richtung strömenden Luftnebenstrom kreuzt. In a preferred development of the drive system, 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 present there in liquid form while it flows in the condenser and crosses the air side stream flowing essentially in the axial direction.
Besonders bevorzugt ist das Antriebssystem dadurch weitergebildet, dass das mindestens eine Kondensatormodul eine der Luftnebenstromrichtung zumindest teilweise zugewandte Seitenfläche aufweist. Das Kondensatormodul weist einen Anstellwinkel gegenüber der Luftströmung auf, das Strömen durch den Kondensator begünstigt und wodurch Druckverluste reduziert werden können. 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 condenser module has an angle of attack relative to the air flow, which promotes flow through the condenser and whereby pressure losses can be reduced.
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 Strömungsgeschwindigkeit durch das mindestens eine Kondensatormodul verringert, wodurch Druckverluste weiter reduziert werden.. 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. Furthermore, in a preferred development of the drive system, it can be provided that 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 flow surface of the capacitor modules, which reduces the flow velocity through the at least one capacitor module, thereby further reducing pressure losses. In addition, there is a flow on and along the back of the capacitor modules, i.e. the side surface facing away from the flow direction of the bypass channel. instead, so that the heat transfer is advantageously further increased.
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 Enthalpie zur Schuberzeugung aufweisen. Darüber hinaus sind die relativ 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 Ab stand. In an advantageous development of the drive system, capacitor modules are arranged in groups, so that the at least one capacitor module is used as a first capacitor module and additionally a second capacitor module as a pair of capacitor modules Air bypass flow direction of the bypass flow duct are arranged in pairs, 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. In particular, it can be provided that 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 enthalpy for generating thrust. In addition, the relatively 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. Alternatively, it can also be provided that the inner distance is larger than the outer distance, at least in the flow direction of the air bypass flow direction, in a first half of the capacitor pair.
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. In an advantageous development of the drive system, 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. In a further embodiment, 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. Furthermore, it can be provided that the two angles of attack have the same absolute value.
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 kann zwischen zwei Kondensatormodulpaaren zumindest ein Bereich mit relativ ungestörter Luftströmung in dem Nebenstromkanal erreicht werden. Furthermore, it can advantageously be provided that the first capacitor module and the second capacitor module are connected to one another by an inlet panel arranged upstream, which divides an air bypass flow of the bypass flow duct and guides it along side surfaces of the first capacitor module and the second capacitor module facing the secondary air flow. The inlet cover can advantageously contribute to generating or maintaining a favorable air flow and directing foreign objects away from the capacitor modules. In an advantageous development, 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. In particular, at least one area with relatively undisturbed air flow in the bypass flow channel can be achieved between two pairs of capacitor modules.
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, 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 an advantageous embodiment of the drive system, 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 arranged in the circumferential direction between two capacitor modules, in particular between two pairs of capacitor modules in a circumferential plane intersecting the outer housing. This allows the installation space in the cowling, i.e. in the outer housing, to be used advantageously better.
In einer besonderen Verbesserung des Abgasbehandlungssystems 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. In a particular improvement of the exhaust gas treatment system, exhaust gas 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 adjacent capacitor modules. This allows the use of the installation space in the outer housing to be further improved.
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. Furthermore, it can advantageously be provided that the at least one capacitor module is delimited by an outlet panel arranged downstream. With an outlet cover, the secondary air flow can be easily aligned in the desired direction of thrust with little loss.
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/oder einen Verdichter antreibt, dass eine Dampfturbine, insbesondere 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. As an advantageous embodiment of a gas turbine, which has a main drive shaft with a rotation axis, which is driven by a turbine and, in particular via a gearbox, drives a fan and / or a compressor, a steam turbine is arranged, in particular concentrically, to the main drive shaft and their mechanical performance a steam turbine gearbox feeds the main drive shaft. This makes it possible to create a very compact drive system that can use a heat flow from the exhaust gas to generate additional power. In particular, compared to an embodiment with an eccentrically arranged third shaft, the turbomachine part is further simplified and this results in lower power losses and improved utilization of installation space.
Wärmetauscher Heat exchanger
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wärmetauscher für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem zur Kühlung eines Heißfluids mittels einem relativ zu dem Heißfluid eine niedrigere Temperatur aufweisenden und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Kühlfluids vorgeschlagen, der ein Hochtemperaturgitter zur Führung des Heißfluids sowie ein Niedertemperaturgitter zur Führung des Kühlfluids umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in wenigstens einem von dem Kühlfluid durchströmten ersten Niedertemperaturkanal des Niedertemperaturgitters ein Diffusorbereich zur Verzögerung des anströmenden Fluids angeordnet ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Diffusorbereich und ein von dem Heißfluid durchströmter erster Hochtemperaturkanal des Hochtemperaturgitters zumindest eine gemeinsame Wand zur Wärmeübertragung aufweisen. Durch die gemeinsame Wand ist bereits der Diffusorbereich an der Wärmeübertragung beteiligt, so dass vorteilhaft wertvoller Bauraum thermisch genutzt werden kann und so die Größe des Wärmetauschers reduziert werden kann. In a further aspect of the invention, a heat exchanger for a drive system according to the invention for cooling a hot fluid by means of a cooling fluid which has a lower temperature relative to the hot fluid and has a high flow rate is proposed, which comprises a high-temperature grid for guiding the hot fluid and a low-temperature grid for guiding the cooling fluid . According to the invention, it is provided that a diffuser region for delaying the inflowing fluid is arranged in at least one first low-temperature channel of the low-temperature grid through which the cooling fluid flows. Furthermore, it is provided according to the invention that the diffuser area and a first high-temperature channel of the high-temperature grid through which the hot fluid flows have at least one common wall for heat transfer. Due to the common wall, the diffuser area is already involved in the heat transfer, so that valuable installation space can be used thermally and the size of the heat exchanger can be reduced.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen des Wärmetauschers und Details des Wärmetauschers beschrieben, der in einem erfindungsgemäßen Antriebssystem eingesetzt werden können. Further embodiments of the heat exchanger and details of the heat exchanger that can be used in a drive system according to the invention are described below.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Niedertemperaturkanal einen Umlenkbereich aufweisen der stromaufwärts des Diffusorbereichs angeordnet ist und in welchem das Kühlfluid umgelenkt, aber noch nicht verzögert wird. In anderen Worten kann das Kühlfluid zunächst mit im Wesentlichen gleichbleibender oder sich verringernder Querschnittsfläche umgelenkt werden, bevor es in den Diffusorbereich eintritt, in welchem sich die Querschnittsfläche des Niedertemperaturkanals vergrößert. Dies ermöglicht eine Richtungsänderung der Kaltströmung vom Anströmwinkel zum Hauptneigungswinkel des Niedertemperaturkanals schon vor dem Eintritt in den Diffusorbereich. Bevorzugt kann das Kühlfluid im Umlenkbereich beschleunigt werden, das heißt die Querschnittsfläche des Umlenkbereichs verringert sich in Strömungsrichtung. In einer bevorzugten Weiterbildung kann der Diffusorbereich im Wesentlichen plane Seitenwände aufweisen, da die Umlenkung bereits im Umlenkbereich geschieht. According to one embodiment of the invention, the low-temperature channel can have a deflection area which is arranged upstream of the diffuser area and in which the cooling fluid is redirected but not yet delayed. In other words, the cooling fluid can first be deflected with a substantially constant or decreasing cross-sectional area before it enters the diffuser region, in which the cross-sectional area of the low-temperature channel increases. This allows the cold flow to change direction from the angle of attack to the main angle of inclination Low temperature channel before entering the diffuser area. The cooling fluid can preferably be accelerated in the deflection area, that is to say the cross-sectional area of the deflection area decreases in the direction of flow. In a preferred development, the diffuser area can have essentially flat side walls, since the deflection already occurs in the deflection area.
Der Wärmetauscher kann als Kondensator zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus einem als das Heißfluid den Kondensator durchströmenden Gases ausgebildet sein. Das Heißfluid kann insbesondere ein Abgas aus einer Strömungsmaschine wie einer Gasturbine oder einem Flugtriebwerk sein. Das Heißfluid kann auch ein Kühlmittel einer Brennstoffzelle sein, um vorzugsweise das Thermomanagement einer Brennstoffzelle zu unterstützen und eine Brennstoffzelle effizienter kühlen zu können. Als Kühlfluid insbesondere ist dabei vorzugsweise komprimierte Luft vorgesehen. Die Verzögerung des anströmenden Kühlfluids stellt eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit dar, so dass vorteilhaft ein mit hoher Geschwindigkeit anströmendes Kühlfluid auf eine zur möglichst hohen Aufnahme von Wärme reduzierte Geschwindigkeit verlangsamt werden kann. Das Hochtemperaturgitter wird dabei insbesondere von einer Vielzahl an Hochtemperaturkanälen, die zumindest den ersten Hochtemperaturkanal umfassen. Ferner wird das Niedertemperaturgitter vorzugsweise von einer Vielzahl von Niedertemperaturkanälen gebildet, die zumindest den ersten Niedertemperaturkanal umfassen. Vorzugsweise ist das Hochtemperaturgitter zu dem Niedertemperaturgitter zumindest Abschnittsweise in einer Kreuz- und/oder Gegenstromkonfiguration angeordnet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Niedertemperaturkanäle und die Hochtemperaturkanäle in einer Kreuzstromkonfiguration angeordnet. The heat exchanger can be designed as a condenser for separating liquids from a gas flowing through the condenser as the hot fluid. The hot fluid can in particular be an exhaust gas from a turbomachine such as a gas turbine or an aircraft engine. The hot fluid can also be a coolant of a fuel cell in order to preferably support the thermal management of a fuel cell and to be able to cool a fuel cell more efficiently. In particular, compressed air is preferably provided as the cooling fluid. The deceleration of the incoming cooling fluid represents a reduction in the flow velocity, so that a cooling fluid flowing in at high speed can advantageously be slowed down to a reduced speed in order to absorb as much heat as possible. The high-temperature grid is in particular composed of a plurality of high-temperature channels, which include at least the first high-temperature channel. Furthermore, the low-temperature grid is preferably formed by a plurality of low-temperature channels, which include at least the first low-temperature channel. Preferably, the high-temperature grid is arranged at least in sections in a cross-current and/or countercurrent configuration relative to the low-temperature grid. In a particularly preferred embodiment, the low-temperature channels and the high-temperature channels are arranged in a cross-flow configuration.
Der Diffusorbereich besteht aus einem oder mehreren Bereichen, die eine durchströmte Querschnittsfläche des Niedertemperaturgitters in einem Einlaufquerschnitt oder einem minimalen Querschnitt, insbesondere einem minimalen Einlaufquerschnitt, des Diffusorbereichs des Niedertemperaturkanals, insbesondere der Vielzahl von Niedertemperaturkanälen, auf einen stromabwärts liegenden gegenüber dem Einlaufquerschnitt größeren Querschnitt, insbesondere Hauptquerschnitt, des Niedertemperaturkanals erweitern. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids in jedem dieser Bereiche reduziert. Das Hochtemperaturgitter und das Niedertemperaturgitter stellen jeweils einen Strömungsraum für ein Fluid dar, wobei die beiden Gitter, das Hochtemperaturgitter und das Niedertemperaturgitter, vorzugsweise gemeinsam aus einem integralen Gitterkörper mit gemeinsamen Wänden der beiden Gitter bestehen können oder einen Gitterkörper, umfassend gemeinsame Wände der beiden Gitter, aufweisen können. In dem Gitterkörper sind die Hochtemperaturkanäle und die Niedertemperaturkanäle angeordnet. Die gemeinsamen Wände weisen dabei vorzugsweise quer zu einer jeweiligen Wanderstreckung der Wände zumindest einen geringsten Abstand zwischen den beiden Strömungsräumen auf. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Wände zumindest abschnittsweise eine konstante Wanddicke aufweisen. The diffuser area consists of one or more areas which have a flow-through cross-sectional area of the low-temperature grid in an inlet cross-section or a minimal cross-section, in particular a minimum inlet cross-section, of the diffuser area of the low-temperature channel, in particular the plurality of low-temperature channels, to a downstream cross-section that is larger than the inlet cross-section, in particular Expand the main cross section of the low temperature channel. This reduces the flow rate of the cooling fluid in each of these areas. The high-temperature grid and the low-temperature grid each represent a flow space for a fluid, wherein the two grids, the high-temperature grid and the low-temperature grid, can preferably consist together of an integral grid body with common walls of the two grids or a grid body comprising common walls of the two grids, can have. The high-temperature channels and the low-temperature channels are arranged in the grid body. The common walls preferably have at least the smallest distance between the two flow spaces transversely to a respective travel extent of the walls. It can also be provided that the walls have a constant wall thickness at least in sections.
Die gemeinsame Wand kann dadurch definiert sein, dass ihre erste Wandseitenfläche einen Teil des Niedertemperaturgitters bildet und ihre der ersten Wandseitenfläche abgewandte zweite Wandseitenfläche einen Teil des Hochtemperaturgitters bildet. Dabei erstreckt sich die erste Wandseitenfläche in den Diffusorbereich hinein. The common wall can be defined in that its first wall side surface forms a part of the low-temperature grid and its second wall side surface facing away from the first wall side surface forms a part of the high-temperature grid. The first wall side surface extends into the diffuser area.
In einer ersten Ausführungsform ist der Wärmetauscher derart weitergebildet, dass die mindestens eine gemeinsame Wand zur Bildung des Diffusorbereichs in dem ersten Niedertemperaturkanal einen konvex gekrümmten, ersten Diffusorabschnitt aufweist. Dies erhöht vorteilhaft den Wärmestrom. Vorzugsweise weist die gemeinsame Wand stromabwärts in dem Niedertemperaturgitter einen daran anschließenden geraden Hauptabschnitt zur Bildung eines Hauptbereichs des ersten Niedertemperaturkanals mit konstantem Querschnitt auf. In a first embodiment, the heat exchanger is further developed such that the at least one common wall for forming the diffuser region in the first low-temperature channel has a convexly curved first diffuser section. This advantageously increases the heat flow. Preferably, the common wall downstream in the low-temperature grid has an adjoining straight main section to form a main region of the first low-temperature channel with a constant cross-section.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wobei in dem Niedertemperaturkanal gegenüber der ersten gemeinsamen Wand eine zweite gemeinsame Wand angeordnet ist, die auf der von dem ersten Niedertemperaturkanal abgewandten Wandseite an einen zweiten Hochtemperaturkanal des Hochtemperaturgitters in dem Diffusorbereich angrenzt, wobei vorgesehen ist, dass die zweite gemeinsame Wand in dem Diffusorbereich einen ebenen bzw. planaren oder konkav gekrümmten, zweiten Diffusorabschnitt aufweist, wobei eine Krümmung des konvex gekrümmten, ersten Diffusorabschnitts kleiner ist als eine Krümmung des zweiten Diffusorabschnitts. Der Diffusorbereich und damit die Diffusorabschnitte beginnen insbesondere an einer engsten Querschnittsfläche des Niedertemperaturkanals, möglichst direkt hinter einem Einlauf des Niedertemperaturkanals. Entsprechend kann in einer bevorzugten, weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Diffusorbereich ein Einlauf zur Umlenkung des Kühlfluids in den Diffusorbereichs angeordnet ist. Der Einlauf dient dazu das Fluid aus dem Strömungskanal in den Niedertemperaturkanal zu lenken. Dabei ist vorteilhaft eine dem Wind in dem Strömungskanal abgewandte Eintrittsfläche langgezogen, während eine dem Wind zugewandte gegenüberliegende Eintrittsfläche um etwa 180° gebogen ist. An ihrem Ende der Biegung der dem Wind zugewandten Eintrittsfläche in dem Niedertemperaturkanal befindet sich vorzugsweise die kleinste Querschnittsfläche des Niedertemperaturkanals. An ihrem anderen Ende der Biegung geht die dem Wind zugewandte Eintrittsfläche in eine dem Wind abgewandte Eintrittsfläche eines angrenzenden Niedertemperaturkanals über. In Strömungsrichtung in dem Niederdruckkanal folgt an den Einlauf idealerweise der Diffusorbereich, um die Strömung zu verzögern. Dadurch wird die Strömungsrichtung des Kühlfluids vorteilhaft an die Strömungsrichtung in dem Diffusorbereich angeglichen und der Luftwiderstand reduziert. In a further preferred embodiment, a second common wall is arranged in the low-temperature channel opposite the first common wall, which adjoins a second high-temperature channel of the high-temperature grid in the diffuser area on the wall side facing away from the first low-temperature channel, it being provided that the second common Wall in the diffuser area has a flat or planar or concavely curved second diffuser section, a curvature of the convexly curved first diffuser section being smaller than a curvature of the second diffuser section. The diffuser area and thus the diffuser sections begin in particular at a narrowest cross-sectional area of the low-temperature channel, if possible directly behind an inlet of the low-temperature channel. Accordingly, in a preferred, further embodiment it can be provided that an inlet for redirecting the cooling fluid into the diffuser area is arranged in front of the diffuser area in the flow direction of the cooling fluid. The inlet serves to direct the fluid from the flow channel into the low-temperature channel. In this case, an entry surface facing away from the wind in the flow channel is advantageously elongated, while an opposite entry surface facing the wind is bent by approximately 180 °. The smallest cross-sectional area of the low-temperature channel is preferably located at the end of the bend of the entry surface facing the wind in the low-temperature channel. At the other end of the bend, the entry surface facing the wind merges into an entry surface of an adjacent low-temperature channel facing away from the wind. In the direction of flow in the low-pressure channel, the diffuser area ideally follows the inlet in order to delay the flow. As a result, the flow direction of the cooling fluid is advantageously aligned with the flow direction in the diffuser area and the air resistance is reduced.
Um einen möglichst idealen Durchfluss durch den Niederdruckkanal zu erzielen, ist in dem Wärmetauscher in einer weiteren Ausführungsform stromabwärts des Diffusorbereichs ein Austrittsbereich mit einer Austrittsdüse zur Beschleunigung des Kühlfluids angeordnet. In order to achieve the most ideal flow possible through the low-pressure channel, in a further embodiment an outlet area with an outlet nozzle for accelerating the cooling fluid is arranged in the heat exchanger downstream of the diffuser area.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Wärmetauscheranordnung mit einem Wärmetauscher, insbesondere für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem, insbesondere mit einem oben beschriebenen Wärmetauscher, umfassend einen Strömungskanal zur Anströmung des Kühlfluids an den Wärmetauscher. Dabei ist der Wärmetauscher in dem Strömungskanal zur Führung des Kühlfluids angeordnet, und das Niedertemperaturgitter und das Hochtemperaturgitter bilden ein erstes Wärmetauschermodul des Wärmetauschers. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Vielzahl an gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das erste Wärmetauschermodul begrenzende und von den gemeinsamen Wänden aufgespannte, erste Anströmfläche in dem Strömungskanal bilden, wobei die Anströmfläche einen Anströmwinkel zwischen 0° und 45°, vorteilhaft zwischen 3° und 15°, zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals aufweist. Vorteilhaft kann so eine besonders gleichmäßige Anströmung des Wärmetauschers und der einzelnen Niedertemperaturkanäle erzielt werden, was zu einer homogenen Strömung in jedem der Niedertemperaturkanäle und damit vorteilhaft einem homogenen Wärmestrom von dem Heißfluid auf das Kühlfluid führt. Man kann den Bereich des Strömungskanals vor dem Wärmetauscher auch als Anströmbereich bezeichnen, wobei die Kanalhauptrichtung in diesem Anströmbereich und die Anströmfläche den Anströmwinkel bilden. Bevorzugt ist der Anströmwinkel entlang zumindest eines Teils der Erstreckung der Anströmfläche konstant. In einer ergänzenden oder alternativen Ausführungsform kann die Anströmfläche gekrümmt oder abgewinkelt sein, wobei der Anströmwinkel dann entsprechende unterschiedliche Werte annehmen kann. Die Anströmfläche ergibt sich aus einer von dem Wärmetauscher aufgespannten, das heißt umhüllenden Fläche, wobei die Fläche stromaufwärts an den Strömungskanal angrenzt und ist eine Hilfskonstruktion zur Beschreibung der Grenzen des Wärmetauschers. Die Anströmfläche kann, insbesondere Abschnittsweise, eben, gekrümmt und/oder verdreht sein, Abhängig von der Anordnung der gemeinsamen Wände. Im Raum betrachtet hat eine als Ebene ausgebildete Anströmfläche zu jeder gemeinsamen Wand einen Linienkontakt. In einem Schnitt durch den Wärmetauscher reduziert sich der Kontakt auf Punktkontakte zu den gemeinsamen Wänden. Bei einer Krümmung der Anströmfläche erweitert sich der Kontakt entsprechend. A further aspect of the invention is a heat exchanger arrangement with a heat exchanger, in particular for a drive system according to the invention, in particular with a heat exchanger described above, comprising a flow channel for the cooling fluid to flow to the heat exchanger. The heat exchanger is arranged in the flow channel for guiding the cooling fluid, and the low-temperature grid and the high-temperature grid form a first heat exchanger module of the heat exchanger. According to the invention, it is provided that a plurality of common walls together form a first inflow surface in the flow channel which delimits the first heat exchanger module and is spanned by the common walls, the inflow surface having an inflow angle between 0° and 45°, advantageously between 3° and 15°, to a main channel direction of the flow channel. Advantageously, a particularly uniform flow through the heat exchanger and the individual low-temperature channels can be achieved, which leads to a homogeneous flow in each of the low-temperature channels and thus advantageously a homogeneous heat flow from the hot fluid to the cooling fluid. The area of the flow channel in front of the heat exchanger can also be referred to as the inflow area, with the main channel direction in this inflow area and the inflow area forming the inflow angle. Preferably, the flow angle is constant along at least part of the extent of the flow surface. In a supplementary or alternative embodiment, the inflow surface can be curved or angled, in which case the inflow angle can then assume corresponding different values. The inflow surface results from a surface spanned by the heat exchanger, that is to say an enveloping surface, the surface adjoining the flow channel upstream and is an auxiliary construction for describing the boundaries of the heat exchanger. The inflow surface can be flat, curved and/or twisted, in particular in sections, depending on the arrangement of the common walls. Viewed in space, an inflow surface designed as a plane has line contact with every common wall. In a section through the heat exchanger, the contact is reduced to point contact with the common walls. If the inflow surface is curved, the contact expands accordingly.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Strömungskanals nimmt der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung vor der Anströmfläche entlang des von dem Wärmetauschermodul eingenommenen Bereichs ab. Es kann so vorteilhaft vorgesehen sein, dass in einem Auslegungspunkt des Wärmetauschers, der beispielsweise durch eine Reisegeschwindigkeit der die Wärmetauscher umgebende Strömungsmaschine festgelegt sein kann, das Kühlfluid schichtweise von einem Niedertemperaturkanal zu einem nächsten Niedertemperaturkanal in das Niedertemperaturgitter eingesogen wird. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass der Einlaufquerschnitt eines ersten, insbesondere jeden, Niedertemperaturkanals auf die Kanalhauptrichtung ausgerichtet ist bzw. quer zu dieser steht. Bevorzugt kann ein zweiter Einlauf eines zu dem ersten Niedertemperaturkanal benachbarten zweiten Niedertemperaturkanals versetzt angeordnet sein. Dadurch entstehen entlang der Strömung in dem Strömungskanal kaum räumliche Strömungen, so dass die Wärmetauscheranordnung besonders effizient arbeitet. In a particularly preferred embodiment of the flow channel, the cross section of the flow channel decreases in the flow direction in front of the inflow surface along the area occupied by the heat exchanger module. It can be advantageously provided that at a design point of the heat exchanger, which can be determined, for example, by a travel speed of the turbomachine surrounding the heat exchanger, the cooling fluid is sucked into the low-temperature grid in layers from a low-temperature channel to a next low-temperature channel. This is achieved in particular because the inlet cross section of a first, in particular each, low-temperature channel is aligned with the main channel direction or is transverse to it. Preferably, a second inlet of a second low-temperature channel adjacent to the first low-temperature channel can be arranged offset. As a result, hardly any spatial flows arise along the flow in the flow channel, so that the heat exchanger arrangement works particularly efficiently.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Wärmetauscheranordnung grenzt an den Diffusorbereich stromabwärts, insbesondere unmittelbar, ein Hauptbereich des Niedertemperaturkanals mit einer Erstreckungsachse an, wobei die Richtung der Erstreckungsachse, insbesondere eine Richtung einer Wanderstreckung der gemeinsamen Wand in dem Hauptbereich, zu der Anströmungsfläche des Wärmetauschers einen Hauptneigungswinkel zwischen 0° und 60°, vorzugsweise zwischen 30° und 45°, aufweist. Die Erstreckungsachse des Hauptbereichs ist vorzugsweise eine Gerade und kann insbesondere parallel zu einer Erstreckungsrichtung der Seitenflächen zumindest einer der gemeinsamen Wände in dem Hauptbereich verlaufen, insbesondere in Strömungsrichtung. Der Hauptbereich kann vorzugsweise entlang der Erstreckungsachse eine konstante Querschnittsfläche normal zu der Erstreckungsachse aufweisen. In dem Hauptbereich findet ein Großteil der Wärmeübertragung zwischen dem Niedertemperaturgitter und dem Hochtemperaturgitter statt. Dadurch, dass die Querschnittsfläche konstant entlang der Längserstreckung ausgebildet ist, kann ein gleichmäßiger Wärmetauscher gebildet werden und trägt vorteilhaft dazu bei, dass die Wände des Wärmetauschers zumindest größtenteils identisch und damit kostensparend ausgebildet werden können. Einen positiven synergistischen Effekt hat diese Ausbildung insbesondere in einer Wärmetauscheranordnung umfassend einen Wärmetauscher mit einer Gittermatrix aus Nieder- und Hochtemperaturgittem, deren Nieder- und Hochtemperaturkanäle zumindest entlang einer Erstreckung des Wärmetauschers jeweils gleichförmig ausgebildet sind. Weiterhin haben Berechnungen gezeigt, dass die Ausbildung von schräg zu der Anströmfläche, insbesondere schräg zu der Kanalhauptrichtung ausgebildeten Hauptbereichen zu hohen Strömungsverlusten führen kann. Dies wird erfindungsgemäß und vorteilhaft durch die Verzögerung in dem Diffusor vermieden. In a preferred development of the heat exchanger arrangement, a main area of the low-temperature channel with an extension axis borders the diffuser area downstream, in particular directly, the direction of the extension axis, in particular a direction of a traveling extension of the common Wall in the main area, to which the flow surface of the heat exchanger has a main inclination angle between 0° and 60°, preferably between 30° and 45°. The extension axis of the main area is preferably a straight line and can in particular run parallel to an extension direction of the side surfaces of at least one of the common walls in the main area, in particular in the direction of flow. The main region can preferably have a constant cross-sectional area normal to the extension axis along the extension axis. In the main area, a large part of the heat transfer takes place between the low-temperature grid and the high-temperature grid. Because the cross-sectional area is designed to be constant along the longitudinal extent, a uniform heat exchanger can be formed and advantageously contributes to the fact that the walls of the heat exchanger can be designed to be at least largely identical and thus cost-saving. This design has a positive synergistic effect, particularly in a heat exchanger arrangement comprising a heat exchanger with a grid matrix of low and high temperature grids, the low and high temperature channels of which are each designed uniformly at least along an extent of the heat exchanger. Furthermore, calculations have shown that the formation of main areas oblique to the inflow surface, in particular oblique to the main channel direction, can lead to high flow losses. This is advantageously avoided according to the invention by the delay in the diffuser.
Die Wärmetauscheranordnung kann in einer weiteren Ausführungsform so weitergebildet sein, dass eine Vielzahl an gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das erste Wärmetauschermodul begrenzende und von den gemeinsamen Wänden aufgespannte, erste Abströmfläche in dem Strömungskanal bilden, wobei die erste Abströmfläche einen ersten Abströmwinkel zwischen 0° und 45°, vorteilhaft zwischen 3° und 15°, zu einer Kanalhauptrichtung in dem Strömungskanal bildet. Dabei entspricht der Abströmwinkel eines Wärmetauschermoduls in einer vorteilhaften Ausführungsform dem Anströmwinkel dieses Wärmetauschermoduls. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Abströmwinkel zu dem Anströmwinkel verschieden ist. Die Abströmungsrichtung entspricht in einer vorteilhaften Ausführungsform der Anströmungsrichtung und damit der Hauptkanalrichtung. Bevorzugt nimmt der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung hinter der Abströmfläche entlang des von dem Wärmetauschermoduls eingenommenen Bereichs zu, insbesondere in dem Maß, in dem der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung vor der Anströmfläche abgenommen hat. In a further embodiment, the heat exchanger arrangement can be developed in such a way that a plurality of common walls together form a first outflow surface in the flow channel which delimits the first heat exchanger module and is spanned by the common walls, the first outflow surface having a first outflow angle between 0° and 45° , advantageously between 3 ° and 15 °, to a main channel direction in the flow channel. In an advantageous embodiment, the outflow angle of a heat exchanger module corresponds to the inflow angle of this heat exchanger module. However, it can also be provided that the outflow angle is different from the inflow angle. In an advantageous embodiment, the outflow direction corresponds to the inflow direction and thus the main channel direction. The cross section of the flow channel preferably increases in the flow direction behind the outflow surface along the area occupied by the heat exchanger module, in particular in the extent to which the cross section of the flow channel has decreased in the direction of flow in front of the inflow surface.
Darüber hinaus kann eine Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung vorsehen, dass der Wärmetauscher aus dem ersten Wärmetauschermodul und einem weiteren zweiten Wärmetauschermodul ausgebildet ist, dass eine weitere Vielzahl an Niedertemperaturkanälen das zweite Wärmetauschermodul bilden und dass eine weitere Vielzahl an gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das zweite Wärmetauschermodul begrenzende und von den gemeinsamen Wänden aufgespannte zweite Anströmfläche in dem Strömungskanal bilden, wobei die zweite Anströmfläche einen zweiten Anströmwinkel zwischen 0° und -45°, vorteilhaft zwischen -3° und -15°, zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals bildet. In addition, an embodiment of the heat exchanger arrangement can provide that the heat exchanger is formed from the first heat exchanger module and a further second heat exchanger module, that a further plurality of low-temperature channels form the second heat exchanger module and that a further plurality of common walls together delimit the second heat exchanger module and of form the second inflow surface spanned by the common walls in the flow channel, the second inflow surface forming a second inflow angle between 0° and -45°, advantageously between -3° and -15°, to a main channel direction of the flow channel.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung bilden die weitere Vielzahl von gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das zweite Wärmetauschermodul stromaufwärts begrenzende zweite Abströmfläche in dem Strömungskanal, wobei die zweite Abströmfläche einen zweiten Abströmwinkel zwischen 0° und 45°, vorteilhaft zwischen 3° und 15°, zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals bildet. In a preferred embodiment of the heat exchanger arrangement, the further plurality of common walls together form a second outflow surface in the flow channel which delimits the second heat exchanger module upstream, wherein the second outflow surface forms a second outflow angle between 0° and 45°, advantageously between 3° and 15° Main channel direction of the flow channel forms.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung ist vorgesehen, dass das erste Wärmetauschermodul und das zweite Wärmetauschermodul flächensymmetrisch zu einer gemeinsamen zwischen den ersten und zweiten Wärmetauschermodulen liegenden Fläche ausgebildet sind, die parallel zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals verläuft. In a particularly preferred embodiment of the heat exchanger arrangement, it is provided that the first heat exchanger module and the second heat exchanger module are designed to be surface-symmetrical to a common surface lying between the first and second heat exchanger modules, which runs parallel to a main channel direction of the flow channel.
Weiterhin kann die Wärmetauscheranordnung in einer bevorzugten Ausführungsform derart weitergebildet sein, dass ein Teil des Strömungskanals einen an dem Wärmetauscher vorbei verlaufenden Kaltkanal bildet. Hierdurch kann vorteilhaft lediglich ein Teil des zur Verfügung stehenden Kühlfluids zur Kühlung verwendet werden. Insbesondere in einem Triebwerk kann die übrige Luft so unverzögert zur Schuberzeugung genutzt werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Strömungskanal (3) ein Nebenstromkanal ist und das Niedertemperaturgitter (20) in Fluidverbindung mit dem Nebenstromkanal steht und/oder das Hochtemperaturgitter (30) in Fluidverbindung mit dem Hauptstromkanal steht. Furthermore, in a preferred embodiment, the heat exchanger arrangement can be developed in such a way that part of the flow channel forms a cold channel running past the heat exchanger. As a result, only a portion of the available cooling fluid can advantageously be used for cooling. In an engine in particular, the remaining air can be used immediately to generate thrust. Furthermore, it can be provided that the flow channel (3) is a secondary flow channel and the low-temperature grid (20) is in fluid communication with the secondary flow channel and/or the high-temperature grid (30) is in fluid communication with the main flow channel.
Einstufige Hochdruckturbine In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Antriebssystems für ein Luftfahrzeug weist das Antriebssystem eine Gasturbine, die insbesondere einen Hauptstromkanal, zumindest einen Verdichter, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine zum Antreiben des Verdichters, eine Niederdruckturbine und einen Nebenstromkanal hat, ein Wassersystem und ein Dampfsystem, mittels welchem der Brennkammer Dampf zugeführt wird, auf. Das Antriebssystem ist erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass die Hochdruckturbine einstufig ausgeführt ist. Durch die Dampfzufuhr in der Brennkammer ist der Energiegehalt des Arbeitsgases gegenüber konventionellen Gasturbinen erhöht und es hat sich gezeigt, dass bereits mit einer einzigen Hochdruckturbinenstufe genügend Leistung umgesetzt werden kann, um die im Verdichter, insbesondere Hochdruckverdichter benötigte Verdichtung zu bewerkstelligen. Auf diese Weise kann gegenüber klassischen zweistufigen Hochdruckturbinen axialer Bauraum eingespart werden. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Temperatur des Arbeitsgases stromab der Hochdruckturbine, was den Verdampfungsprozess im Dampfsystem begünstigt. Single-stage high-pressure turbine In a further advantageous embodiment of the drive system for an aircraft, the drive system has a gas turbine, which in particular has a main flow channel, at least one compressor, a combustion chamber, a high-pressure turbine for driving the compressor, a low-pressure turbine and a secondary flow channel, a water system and a steam system, by means of which Steam is supplied to the combustion chamber. The drive system is improved according to the invention in that the high-pressure turbine is designed in one stage. Due to the steam supply in the combustion chamber, the energy content of the working gas is increased compared to conventional gas turbines and it has been shown that sufficient power can be implemented with a single high-pressure turbine stage to achieve the compression required in the compressor, in particular in the high-pressure compressor. In this way, axial installation space can be saved compared to classic two-stage high-pressure turbines. Another advantage is the higher temperature of the working gas downstream of the high-pressure turbine, which promotes the evaporation process in the steam system.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann neben der gekühlten Hochdruckturbine zumindest auch die erste Stufe der Niederdruckturbine gekühlt ausgeführt oder wie auch zumindest Teile der Hochdruckturbine zumindest teilweise aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff (CMC) gefertigt sein. Durch die einstufig ausgeführte Hochdruckturbine ist die Temperatur im vorderen Bereich der Niederdruckturbine höher als bei klassisch ausgelegten Gasturbinen für Flugantriebe, wodurch eine Kühlung der ersten Stufe derselben oder die Verwendung von hochtemperaturbeständigen Werkstoffen Vorteile in der Lebensdauer bzw. Dauerfestigkeit bringen kann. Gemäß einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Niederdruckturbine und/ oder Hochdruckturbine mittels Dampf aus dem Dampfsystem gekühlt werden. According to a preferred development of the invention, in addition to the cooled high-pressure turbine, at least the first stage of the low-pressure turbine can also be designed to be cooled or, like at least parts of the high-pressure turbine, can be made at least partially from a ceramic fiber composite material (CMC). Due to the single-stage high-pressure turbine, the temperature in the front area of the low-pressure turbine is higher than in classically designed gas turbines for aircraft engines, which means that cooling the first stage or the use of high-temperature-resistant materials can bring advantages in terms of service life or fatigue strength. According to a further preferred embodiment of the invention, the low-pressure turbine and/or high-pressure turbine can be cooled using steam from the steam system.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Hochdruckturbine mit einem Expansionsverhältnis zwischen 2.3 bis 3.2, insbesondere 2.5 bis 3.0 ausgeführt sein. Diese Bereiche haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um unter Berücksichtigung des höheren Energiegehalts im Arbeitsgas durch die Dampfeinspritzung die angestrebten Verdichterleistungen bereitstellen zu können. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Dampfanteil hinter der Brennkammer zwischen 15% und 35% des Massenstroms ausmachen. Diese Bereiche haben sich als besonders geeignet erwiesen, um den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen. According to a preferred embodiment of the invention, the high-pressure turbine can be designed with an expansion ratio between 2.3 to 3.2, in particular 2.5 to 3.0. These areas have proven to be particularly advantageous in order to be able to provide the desired compressor performance through steam injection, taking into account the higher energy content in the working gas. According to a preferred embodiment, the steam content behind the combustion chamber can make up between 15% and 35% of the mass flow. These areas have proven to be particularly suitable for increasing the efficiency of the system.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann (unter Cruise-Betriebsbedingungen mit Dampfeinspritzung) ein den Hauptstromkanal der Gasturbine durchströmendes Arbeitsgas am Austritt der Brennkammer eine Temperatur im Bereich von 1600 °K bis 1900 °K, bevorzugt von 1650 °K bis 1750 °K haben. Mit einer Auslegung in diesen Bereichen lässt sich die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung deutlich verringern. According to a further embodiment of the invention (under cruise operating conditions with steam injection), a working gas flowing through the main flow channel of the gas turbine can have a temperature in the range from 1600 °K to 1900 °K, preferably from 1650 °K to 1750 °K, at the outlet of the combustion chamber. With a design in these areas, the formation of nitrogen oxides during combustion can be significantly reduced.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Hochdruckturbine über eine Hochdruckwelle den Hochdruckverdichter antreiben und die Niederdruckturbine über ein Niederdruckwelle, insbesondere über ein Getriebe, einen Fan antreiben. In einer alternativen Ausführungsform ist auf der Niederdruckturbinenwelle eine Niederdruckverdichter vorgesehen. According to a further preferred embodiment, the high-pressure turbine can drive the high-pressure compressor via a high-pressure shaft and the low-pressure turbine can drive a fan via a low-pressure shaft, in particular via a gearbox. In an alternative embodiment, a low-pressure compressor is provided on the low-pressure turbine shaft.
Vorteilhafterweise kann das Antriebssystem für einen Schub im Bereich von 19 bis 23 kN ausgelegt sein bzw. dazu eingerichtet sein, im Cruise-Betrieb einen Schub im Bereich von 19 bis 23 kN zu erzeugen. Advantageously, the drive system can be designed for a thrust in the range of 19 to 23 kN or can be set up to generate a thrust in the range of 19 to 23 kN in cruise operation.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat das Wassersystem zumindest ein Kondensatormodul, das im Nebenstromkanal angeordnet und als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein kann. Diese Konfiguration ist besonders effizient. In an advantageous embodiment, the water system has at least one capacitor module, which is arranged in the bypass channel and can be designed as a plate heat exchanger. This configuration is particularly efficient.
Brennkammerdampfzuführung Combustion chamber steam supply
Ein weiter verbessertes erfindungsgemäßes Antriebssystem für ein Luftfahrzeug hat eine Gasturbine, die einen Hauptstromkanal, einen Fan, zumindest einen Verdichter, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine zum Antreiben des Verdichters, eine Niederdruckturbine zum Antreiben des Fans und einen Nebenstromkanal aufweist, ein Wasserrückgewinnungssystem zum Rückgewinnen von Wasser aus einem Abgas der Gasturbine und ein Dampfsystem mittels welchem der Brennkammer Wasserdampf zugeführt wird. Gemäß der Erfindung ist die Gasturbine so ausgelegt, dass im Betrieb, insbesondere im Reiseflug bzw. Cruise-Modus, mittels des Dampfsystems ein Anteil von 15-30 Massen%, insbesondere 19-25 Massen%, Wasser im Arbeitsgas eingestellt wird und die Gasturbine ein Nebenstromverhältnis von >30 aufweist. Die Dampfeinspritzung ermöglicht es aufgrund der hohen spezifischen Arbeit im Kemtriebwerk höhere Nebenstromverhältnisse und damit bessere Wirkungsgrade zu erreichen, als das mit konventionellen Turboflugtriebwerken möglich wäre. A further improved propulsion system for an aircraft according to the invention has a gas turbine having a main flow duct, a fan, at least one compressor, a combustion chamber, a high pressure turbine for driving the compressor, a low pressure turbine for driving the fan and a bypass duct, a water recovery system for recovering water from an exhaust gas from the gas turbine and a steam system by means of which steam is supplied to the combustion chamber. According to the invention, the gas turbine is designed in such a way that during operation, in particular in cruising flight or cruise mode, a proportion of 15-30 mass% is achieved by means of the steam system. in particular 19-25 mass%, water is set in the working gas and the gas turbine has a bypass ratio of >30. Due to the high specific work in the core engine, steam injection makes it possible to achieve higher bypass flow ratios and thus better efficiencies than would be possible with conventional turbo aircraft engines.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann die Gasturbine ein Gesamtdruckverhältnis (OPR) <32, insbesondere <30, vorzugsweise im Betrieb, insbesondere im Reiseflug bzw. Cruise-Modus, aufweisen. Während der Trend in konventionellen Turboflugtriebwerken hin zu Gesamtdruckverhältnissen >50 geht, genügt bei erfindungsgemäßer Auslegung bereits eine vergleichsweise geringe Verdichtung, wodurch axiale Baulänge im Verdichter sowie Gewicht gespart werden kann. According to a preferred development, the gas turbine can have a total pressure ratio (OPR) <32, in particular <30, preferably during operation, in particular in cruise flight or cruise mode. While the trend in conventional turbo aircraft engines is towards total pressure ratios >50, with the design according to the invention, a comparatively low compression is sufficient, which means that the axial length in the compressor and weight can be saved.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Fan dazu ausgelegt sein, radial innen, d.h. am Hauptstromkanal, ein Verdichtungsverhältnis von 1,1 bis 1,3 bevorzugt von 1,15 bis 1,25 erzielen. Bei einer solchen Ausführung kann der Hochdruckverdichter im Betrieb, insbesondere im Reiseflug bzw. Cruise-Modus, vorteilhafterweise ein Verdichtungsverhältnis von 23 bis 32, insbesondere 25 bis 30, besonders bevorzugt von 26 bis 28 erzielen. Eine solche Auslegung ermöglicht es, die Gasturbine ohne Intermediate Pressure Compressor bzw. Boostermodul zwischen Fan und Hochdruckverdichter auszuführen, was weiteren Bauraum und Gewicht spart. According to a preferred embodiment of the invention, the fan can be designed to achieve a compression ratio of 1.1 to 1.3, preferably 1.15 to 1.25, radially on the inside, i.e. on the main flow channel. With such an embodiment, the high-pressure compressor can advantageously achieve a compression ratio of 23 to 32, in particular 25 to 30, particularly preferably 26 to 28, during operation, in particular in cruise or cruise mode. Such a design makes it possible to design the gas turbine without an intermediate pressure compressor or booster module between the fan and high-pressure compressor, which saves additional space and weight.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Dampfanteil hinter der Brennkammer zwischen 15% und 35% des Massenstroms ausmachen. Diese Bereiche haben sich als besonders geeignet erwiesen, um den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen. According to a preferred embodiment, the steam content behind the combustion chamber can make up between 15% and 35% of the mass flow. These areas have proven to be particularly suitable for increasing the efficiency of the system.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Fan einen Fandurchmesser zwischen 1,90m und 2,30m haben. Bevorzugt kann der Durchmesser zwischen 2,10 und 2,25m sein. Die Auslegung mit Dampfeinspritzung ermöglicht sehr hohe Nebenstromverhältnisse auch mit vergleichsweise kleinen Fandurchmessem, die für mittelgroße Flugzeuge geeignet sind. According to one embodiment, the fan can have a fan diameter between 1.90m and 2.30m. The diameter can preferably be between 2.10 and 2.25m. The design with steam injection enables very high bypass flow ratios, even with comparatively small fan diameters, which are suitable for medium-sized aircraft.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann (unter Cruise-Betriebsbedingungen mit Dampfeinspritzung) ein den Hauptstromkanal der Gasturbine durchströmendes Arbeitsgas am Austritt der Brennkammer eine Temperatur im Bereich von 1600 °K bis 1900 °K, bevorzugt von 1650 °K bis 1750 °K haben. Mit einer Auslegung in diesen Bereichen lässt sich die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung deutlich verringern. According to a further embodiment of the invention (under cruise operating conditions with steam injection), a working gas flowing through the main flow channel of the gas turbine can have a temperature in the range of 1600 ° K to 1900 ° K at the outlet of the combustion chamber, preferably from 1650 °K to 1750 °K. With a design in these areas, the formation of nitrogen oxides during combustion can be significantly reduced.
Vorteilhafterweise kann das Antriebssystem für einen Schub im Bereich von 19 bis 23 kN ausgelegt sein. Advantageously, the drive system can be designed for a thrust in the range of 19 to 23 kN.
Abgaswassereinspritzung Exhaust water injection
Es wird erfindungsgemäß ferner ein Antriebssystem vorgeschlagen, mit einem das Wassersystem und das Dampfsystem durchlaufenden Abgaskanal, der mit einem Abgas aus dem Hauptstromkanal bzw. Kemstromkanal der Gasturbine durchströmbar ist, wobei das Dampfsystem eine vorzugsweise als ein Dampferzeuger ausgebildete erste Kühleinrichtung und das Wassersystem eine vorzugsweise als Kondensator ausgebildete zweite Kühleinrichtung zur Kühlung einer den Abgaskanal durchströmenden Abgasströmung aufweisen, wobei der Kondensator bezogen auf eine Richtung der Abgasströmung dem Dampferzeuger nachgelagert angeordnet ist. Wassersystem und Dampfsystem sind Teil des Abgasbehandlungssystems. Dabei ist zwischen dem Dampferzeuger und dem Kondensator eine Zuführeinrichtung angeordnet, die dazu eingerichtet ist, zum Kühlen der Abgasströmung Wasser in die Abgasströmung einzubringen. Somit kann eine Abkühlung der Abgasströmung in mehreren Abschnitten bzw. Schritten, insbesondere unter Anwendung verschiedener Kühlprozesse bzw. -Vorgänge stattfinden, um eine Abscheidung von Wasser aus der Abgasströmung zu verbessern. According to the invention, a drive system is further proposed, with an exhaust gas duct running through the water system and the steam system, through which an exhaust gas from the main flow duct or core flow duct of the gas turbine can flow, the steam system being a first cooling device, preferably designed as a steam generator, and the water system being preferably a first cooling device Condenser-shaped second cooling device for cooling an exhaust gas flow flowing through the exhaust gas duct, the condenser being arranged downstream of the steam generator in relation to a direction of the exhaust gas flow. Water system and steam system are part of the exhaust gas treatment system. A feed device is arranged between the steam generator and the condenser and is designed to introduce water into the exhaust gas flow to cool the exhaust gas flow. The exhaust gas flow can therefore be cooled in several sections or steps, in particular using different cooling processes or procedures, in order to improve the separation of water from the exhaust gas flow.
Das Dampfsystem und das Wassersystem sind Teil eines Abgasbehandlungssystems der Gasturbine und kann dem Kernstromkanal des Antriebssystems in Strömungsrichtung nachgelagert angeordnet sein. Somit kann ein Abgas des Antriebssystems insbesondere der Turbine den Abgaskanal des Abgasbehandlungssystems durchströmen und mittels des als ersten Kühleinrichtung dienenden Dampferzeugers auf eine Temperatur unterhalb einer ursprünglichen Abgastemperatur vorgekühlt werden. Die erste Kühleinrichtung ist dabei dem als zweite Kühleinrichtung dienenden Kondensator vorgelagert. Es versteht sich, dass auch eine umgekehrte Reihenfolge der ersten und zweiten Kühleinrichtung möglich ist. Im Betrieb kann das Abgas mit dem Dampferzeuger vorgekühlt werden, was beispielsweise einen effizienten Betrieb dem nachgelagerten Kondensator ermöglichen kann. Insbesondere wird der Abgasströmung mittels des Dampferzeugers Energie, insbesondere für eine Erzeugung von Wasserdampf, entzogen, wodurch die Temperatur der Abgasströmung sinkt.The steam system and the water system are part of an exhaust gas treatment system of the gas turbine and can be arranged downstream of the core flow channel of the drive system in the flow direction. Thus, an exhaust gas from the drive system, in particular from the turbine, can flow through the exhaust gas duct of the exhaust gas treatment system and be pre-cooled to a temperature below an original exhaust gas temperature by means of the steam generator serving as the first cooling device. The first cooling device is located upstream of the condenser serving as the second cooling device. It goes without saying that a reverse order of the first and second cooling devices is also possible. During operation, the exhaust gas can be pre-cooled with the steam generator, which can, for example, enable efficient operation of the downstream condenser. In particular, the exhaust gas flow is supplied with energy by means of the steam generator, in particular for generation of water vapor, which reduces the temperature of the exhaust gas flow.
Typischerweise liegt diese Temperatur in einem Bereich, in welchem in der Abgasströmung vorhandenes Wasser, insbesondere ausschließlich, gasförmig vorliegt. Typically, this temperature is in a range in which water present in the exhaust gas flow is, in particular, exclusively in gaseous form.
In dem Kondensator wird die Abgasströmung, beispielsweise mit Luft aus einem Nebenstrom des Antriebssystems weiter abgekühlt, insbesondere bis die Abgasströmung eine Taupunkttemperatur erreicht und Wasser in flüssigem Zustand abgeschieden werden kann. Die Taupunkttemperatur ist dabei der Kondensationspunkt des Wassers in der Abgasströmung bzw. diejenige Temperatur, die bei einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Luft- bzw. Abgasströmungsfeuchtigkeit, unterschritten werden muss, damit sich Wasserdampf als flüssiges Wasser abscheiden kann. Der flüssige Wasseranteil kann in einer Wasserabscheideeinrichtung von der Abgasströmung getrennt werden und beispielsweise in einen Abgasbehandlungsprozess des Abgasbehandlungssystems rückgeführt und/oder einem Betriebsprozess des Flugtriebwerks zugeführt werden. In the condenser, the exhaust gas flow is further cooled, for example with air from a side stream of the drive system, in particular until the exhaust gas flow reaches a dew point temperature and water can be separated in a liquid state. The dew point temperature is the condensation point of the water in the exhaust gas flow or the temperature that must be fallen below at a predetermined pressure and a predetermined air or exhaust gas flow humidity so that water vapor can separate as liquid water. The liquid water portion can be separated from the exhaust gas flow in a water separation device and, for example, returned to an exhaust gas treatment process of the exhaust gas treatment system and/or fed to an operating process of the aircraft engine.
Um die Abgasströmung bereits vor Erreichen der vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten zweiten Kühleinrichtung weiter abzukühlen wird mittels der Zuführeinrichtung insbesondere flüssiges Wasser bzw. Wasser in flüssigem Aggregatszustand in die Abgasströmung eingebracht. Hierzu ist die Zuführeinrichtung insbesondere ausgebildet, das Wasser in die Abgasströmung bzw. den Abgaskanal abzugeben, insbesondere einzuspritzen oder einzudüsen. Durch dieses zusätzliche Abkühlung kann bereits vor einer weiteren Kühlung mittels der vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten zweiten Kühleinrichtung, eine Kondensation des Wasseranteils der Abgasströmung ermöglicht werden. Insbesondere kann die Kondensation dadurch verbessert werden, dass mittels des zugeführten Wassers Kondensationskeime in der Abgasströmung bereitgestellt werden, um einen Kondensationsprozess in der Abgasströmung zu fördern. Insgesamt kann hierdurch beispielsweise ein höherer thermischer Wirkungsgrad durch Nutzung der Abgasenergie erzielt und die Bildung von Kondensstreifen minimiert werden. In order to further cool the exhaust gas flow before it reaches the second cooling device, which is preferably designed as a condenser, in particular liquid water or water in a liquid state is introduced into the exhaust gas flow by means of the feed device. For this purpose, the feed device is designed in particular to deliver the water into the exhaust gas flow or the exhaust gas duct, in particular to inject or inject it. This additional cooling makes it possible to condense the water portion of the exhaust gas flow before further cooling using the second cooling device, which is preferably designed as a condenser. In particular, the condensation can be improved by providing condensation nuclei in the exhaust gas flow using the water supplied in order to promote a condensation process in the exhaust gas flow. Overall, for example, a higher thermal efficiency can be achieved by using the exhaust gas energy and the formation of contrails can be minimized.
Der Aspekt der Erfindung basiert unter anderem auf der Überlegung, dass das in der Abgasströmung vorhandene Wasser bzw. der in der Abgasströmung vorliegende Wasserdampf, unter den Taupunkt bzw. die Taupunkttemperatur abgekühlt werden muss, um in einen flüssigen Aggregatszustand zu kommen. Am Taupunkt wächst eine relative Feuchte auf 100% an und eine Sättigung wird erreicht. Bei weiterer Abkühlung unter den Taupunkt nimmt der Sättigungsdampfdruck schneller ab als der Wasserpartialdruck, wodurch es zur Übersättigung kommt und an Kondensationskeimen Wassertropfen gebildet werden. Je tiefer die Abgastemperatur, umso weniger Wasser kann dampfförmig im Abgas vorhanden sein. The aspect of the invention is based, among other things, on the consideration that the water present in the exhaust gas flow or the water vapor present in the exhaust gas flow must be cooled below the dew point or the dew point temperature in order to come into a liquid state. At the dew point, relative humidity increases to 100% and saturation is achieved. With further cooling below the dew point the saturation vapor pressure decreases faster than the water partial pressure, which leads to supersaturation and water droplets are formed on condensation nuclei. The lower the exhaust gas temperature, the less water that can be present in vapor form in the exhaust gas.
Der Aspekt der Erfindung beruht nunmehr auf der Idee, Wasser, insbesondere flüssiges Wasser, in einen Bereich der Abgasströmung einzubringen, in welchem darin vorhandenes Wasser gasförmig vorliegt, um die Abgasströmung abzukühlen, um eine Kondensation des darin vorhandenen Wasserdampfs zu unterstützen und somit eine Wasserrückgewinnung aus der Abgasströmung verbessern zu können. Gleichzeitig können so flüssige Bestandteile in der Abgasströmung bereitgestellt werden, um einen Kondensationsprozess in der Abgasströmung zu verbessern. Die zugeführten flüssigen Bestandteile bzw. Wassertröpfchen können dabei als Kondensationskeime wirken, an die sich weiteres aus dem Wasserdampf der Abgasströmung entstehendes flüssiges Wasser anlagert bzw. anlagem kann. Somit können am Ende des Kondensationsprozesses größere Tropfen entstehen, die sich beispielsweise in einer Wasserabscheidevorrichtung, einfacher von der Abgasströmung trennen lassen. The aspect of the invention is now based on the idea of introducing water, in particular liquid water, into a region of the exhaust gas flow in which water present therein is in gaseous form in order to cool the exhaust gas flow in order to support condensation of the water vapor present therein and thus water recovery to improve the exhaust gas flow. At the same time, liquid components can be provided in the exhaust gas flow in order to improve a condensation process in the exhaust gas flow. The supplied liquid components or water droplets can act as condensation nuclei to which further liquid water resulting from the water vapor in the exhaust gas flow attaches or can attach. This means that larger drops can be formed at the end of the condensation process, which can be more easily separated from the exhaust gas flow in a water separation device, for example.
Bei einer Ausführungsform weist das zum Kühlen der Abgasströmung und in diese einzubringende Wasser eine niedrigere Temperatur auf, als die Abgasströmung an der Stelle der Einbringung. Hierbei kann der Abgasströmung Wasser in flüssigem Zustand zugeführt werden, um eine Abkühlung der Abgasströmung zu erzielen. Da Wasser in seinem flüssigen Aggregatszustand unter gleichem Druck eine geringere Temperatur aufweist als in seinem gasförmigen Zustand, kann durch das Zuführen von flüssigen Wasser eine Abkühlung der Abgasströmung erreicht werden. Je nach Temperaturunterschied zwischen Abgasströmungstemperatur und der Temperatur des zuzuführenden bzw. zugeführten Wassers kann ein Grad der Abkühlung der Abgasströmung vorgegeben werden. Hierdurch kann eine Temperatur der Abgasströmung bedarfsgemäß verringert werden, um beispielsweise Anpassungen an veränderte Umgebungsbedingungen vorzunehmen. In one embodiment, the water to be introduced to cool the exhaust gas flow and into it has a lower temperature than the exhaust gas flow at the point of introduction. Here, water in a liquid state can be supplied to the exhaust gas flow in order to achieve cooling of the exhaust gas flow. Since water in its liquid state has a lower temperature under the same pressure than in its gaseous state, the exhaust gas flow can be cooled by supplying liquid water. Depending on the temperature difference between the exhaust gas flow temperature and the temperature of the water to be supplied or supplied, a degree of cooling of the exhaust gas flow can be specified. As a result, a temperature of the exhaust gas flow can be reduced as required, for example to make adjustments to changed environmental conditions.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung eingerichtet, das Wasser zerstäubt in die Abgasströmung einzubringen. Hierbei kann die Zuführeinrichtung eingerichtet sein, das Wasser in die Abgasströmung einzuspritzen, einzudüsen und/ oder zu zerstäuben und hierfür insbesondere eine Einspritz-, Düsen- und/ oder Zerstäubungseinrichtung aufweisen, wobei ein Zerstäubungsgrad bzw. eine Tröpfchengröße des zuzuführenden Wassers mittels der Zuführeinrichtung einstellbar sein kann. Dabei kann ein hoher Zerstäubungsgrad des Wassers bzw. eine kleine Tröpfchengröße des Wassers die Abkühlung der Abgasströmung fördern, da eine hohe Anzahl an Wassertropfen und somit deren zum Wärmetausch zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert sein kann. Zudem kann ein Zuführen möglichst kleiner Wassertropfen bei gleicher Zuführmenge die Anzahl der potentiellen Kondensationskeime zur Anlagerung weiteren Wassers aus der Abgasströmung erhöhen. Ferner kann sich das zerstäubte Wasser gleichmäßig(er) in der Abgasströmung verteilen, um eine Kühlwirkung über den gesamten Querschnitt der Abgasströmung zu ermöglichen. In one embodiment, the feed device is set up to introduce the water into the exhaust gas flow in atomized form. Here, the supply device can be set up to inject, inject and/or atomize the water into the exhaust gas flow and for this purpose in particular have an injection, nozzle and/or atomization device, with a degree of atomization or a droplet size of the water to be supplied being adjustable by means of the supply device can. This can result in a high degree of atomization of the water or a small droplet size of the water promotes the cooling of the exhaust gas flow, since a large number of water droplets and thus their surface area available for heat exchange can be increased. In addition, supplying the smallest possible drops of water with the same supply quantity can increase the number of potential condensation nuclei for the accumulation of further water from the exhaust gas flow. Furthermore, the atomized water can be distributed evenly in the exhaust gas flow in order to enable a cooling effect over the entire cross section of the exhaust gas flow.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung eingerichtet, das Wasser im Wesentlichen homogen in die Abgasströmung einzubringen. Unter homogen ist insbesondere eine gleichmäßige Verteilung des Wassers über einen Querschnitt, insbesondere einen Querschnitt an der Stelle der Einbringung oder einen stromabwärts von dieser Stelle beabstandeten Querschnitt der Abgasströmung zu verstehen. Dabei sind prozessbedingte Abweichungen einer vollständig homogenen Vermischung von Abgasströmung und zugeführtem Wasser umfasst. Hierbei kann die Zuführeinrichtung eingerichtet sein, das Wasser, insbesondere umlaufend gleichmäßig, unter einem vorbestimmten Druck und/ oder über eine vorbestimmte Strecke in die Abgasströmung einzubringen, um eine Durchmischung von Wasser und Abgasströmung zu ermöglichen und einen Temperaturübergang hierdurch zu verbessern. In one embodiment, the feed device is set up to introduce the water essentially homogeneously into the exhaust gas flow. Homogeneous means in particular a uniform distribution of the water over a cross section, in particular a cross section at the point of introduction or a cross section of the exhaust gas flow spaced downstream from this point. This includes process-related deviations from a completely homogeneous mixing of exhaust gas flow and supplied water. Here, the feed device can be set up to introduce the water, in particular uniformly all around, under a predetermined pressure and/or over a predetermined distance into the exhaust gas flow in order to enable mixing of water and exhaust gas flow and thereby improve a temperature transition.
Bei einer Ausführungsform wird das Wasser der Zuführeinrichtung mittels einer Wasserabscheideeinrichtung des Abgasbehandlungssystems bereitgestellt. Die Wasserabscheideeinrichtung kann dabei der vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten zweiten Kühleinrichtung nachgelagert angeordnet sein oder einen Teil der vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten zweiten Kühleinrichtung bilden. Damit kann das zuzuführende bzw. zugeführte Wasser in einem Kreislauf bzw. dem Kühlprozess gehalten werden, wodurch eine zusätzliche Wasserversorgung für das Abgasbehandlungssystem insbesondere entfallen oder zumindest kleiner dimensioniert werden kann. Die Wasserabscheideeinrichtung ist hierbei insbesondere eingerichtet, die insbesondere zusätzliche Wassermenge, welche für die Kühlung der Abgasströmung vorgesehen ist, abscheiden zu können. Es kann auch alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass das Wasser aus einem Wasserreservoir bereitgestellt ist. In one embodiment, the water is provided to the feed device by means of a water separation device of the exhaust gas treatment system. The water separation device can be arranged downstream of the second cooling device, which is preferably designed as a condenser, or can form part of the second cooling device, which is preferably designed as a capacitor. This means that the water to be supplied or supplied can be kept in a circuit or the cooling process, whereby an additional water supply for the exhaust gas treatment system in particular can be eliminated or at least made smaller. The water separation device is in particular designed to be able to separate the additional amount of water that is intended for cooling the exhaust gas flow. Alternatively or additionally, it can also be provided that the water is provided from a water reservoir.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung eingerichtet, Wasser derart in die Abgasströmung einzubringen, dass die Abgasströmung auf eine Taupunkttemperatur der Abgasströmung abgekühlt wird, bevor diese die zweite Kühleinrichtung erreicht. Hierdurch kann ein Kondensationsprozess des Wasseranteils der Abgasströmung bereits beginnen, bevor die zweite Kühleinrichtung erreicht wird. Nach einem Einsetzen der Kondensation des Wassers in der Abgasströmung kann ein Wärmeübergang, beispielsweise zu Kanalwänden der zweiten Kühleinrichtung, effektiver erfolgen als es in rein gasförmigem Zustand möglich ist. Durch den erwirkten Flüssigkeitsanteil in der Abgasströmung kann, insbesondere bezogen auf eine Wärmetauschfläche der zweiten Kühleinrichtung, ein Wärmeübergang in der Abgasströmung verbessert werden, wodurch die zweite Kühleinrichtung insbesondere kompakter ausgelegt und ein reduziertes Gewicht aufweisen kann. In one embodiment, the feed device is set up to introduce water into the exhaust gas flow in such a way that the exhaust gas flow reaches a dew point temperature Exhaust gas flow is cooled before it reaches the second cooling device. As a result, a condensation process of the water portion of the exhaust gas flow can begin before the second cooling device is reached. After the condensation of the water in the exhaust gas flow begins, heat transfer, for example to channel walls of the second cooling device, can take place more effectively than is possible in a purely gaseous state. Due to the resulting liquid content in the exhaust gas flow, heat transfer in the exhaust gas flow can be improved, in particular in relation to a heat exchange surface of the second cooling device, whereby the second cooling device can in particular be designed to be more compact and have a reduced weight.
Bei einer Ausführungsform weist die erste Kühleinrichtung einen Dampferzeuger auf, der dem Abgaskanal zugeordnet ist und/oder die zweite Kühleinrichtung weist einen zur Kühlung mit Luft eingerichteten vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher auf. Hierbei kann der Dampferzeuger dem Abgasstrom Energie für die Erzeugung von Wasserdampf entziehen, wodurch die Temperatur des Abgasstroms sinken kann. Typischerweise liegt die hierdurch erreichte Abgasströmungstemperatur über der Taupunkttemperatur. Der Wärmetauscher der zweiten Kühleinrichtung kann dabei als Kondensator (Kondensatorwärmetauscher) ausgebildet sein und Luft als Kühlfluid nutzen, welche beispielsweise mittels eines Lüfters oder eines Fans des Antriebssystems gefördert wird. Dieser Wärmetauscher kann im Wesentlichen zwei Bereiche aufweisen, wobei in einem stromaufwärts angeordneten ersten Bereich eine Abkühlung der im Wesentlichen gasförmigen Abgasströmung bis zu deren Taupunkttemperatur 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. Da beispielsweise die Temperatur der zur Kühlung genutzten Luft von einer Flughöhe und/ oder Wetterbedingungen abhängen kann, kann die mittels der Zuführeinrichtung ermöglichte zusätzliche Abkühlung eine betriebsmäßige Wasserrückgewinnung unterstützen. In one embodiment, the first cooling device has a steam generator which is assigned to the exhaust gas duct and/or the second cooling device has a heat exchanger which is set up for cooling with air and is preferably designed as a condenser. Here, the steam generator can extract energy from the exhaust gas stream to produce water vapor, which can reduce the temperature of the exhaust gas stream. Typically, the exhaust gas flow temperature achieved in this way is above the dew point temperature. The heat exchanger of the second cooling device can be designed as a capacitor (condenser heat exchanger) and use air as a cooling fluid, which is conveyed, for example, by means of a fan or a fan of the drive system. This heat exchanger can essentially have two areas, with the essentially gaseous exhaust gas flow being cooled down to its dew point temperature 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. Since, for example, the temperature of the air used for cooling can depend on a flight altitude and/or weather conditions, the additional cooling made possible by the supply device can support operational water recovery.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines hierin beschriebenen eine Abgasbehandlungsvorrichtung aufweisenden Antriebssystems vorgeschlagen, wobei der Abgaskanal mit Abgas durchströmt wird, die Abgasströmung mittels der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird, die vorgekühlte Abgasströmung mittels der Zuführeinrichtung durch Zuführen von, insbesondere flüssigen Wasser in die Abgasströmung weiter abgekühlt wird, und die vorgekühlte Abgasströmung mittels der zweiten Kühleinrichtung kondensiert wird. According to a further aspect, a method for operating a drive system described herein having an exhaust gas treatment device is proposed, wherein the exhaust gas duct is flowed through with exhaust gas, the exhaust gas flow is pre-cooled by means of the first cooling device, the pre-cooled exhaust gas flow by means of the feed device by supplying water, in particular liquid water, into the Exhaust gas flow is further cooled, and the pre-cooled exhaust gas flow is condensed by means of the second cooling device.
Hierbei kann die Abgasbehandlungsvorrichtung eine Steuereinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die erste und zweite Kühleinrichtung, sowie die Zuführeinrichtung zu steuern. Insbesondere kann eine Kühlleistung der ersten Kühleinrichtung, der zweiten Kühleinrichtung und/ oder der Zuführ einrichtung mittels der Steuereinrichtung veränderbar sein. Dabei kann die Steuereinrichtung einen jeweiligen Betriebszustand bzw. eine jeweilige Kühlleistung beispielsweise in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur, einer Abgasströmungstemperatur und/oder unter Berücksichtigung weiterer Betriebsparameter, beispielsweise des Antriebssystems bzw. eines Flugtriebwerks, vorgeben. Here, the exhaust gas treatment device can have a control device that is set up to control the first and second cooling devices and the feed device. In particular, a cooling capacity of the first cooling device, the second cooling device and/or the supply device can be changed by means of the control device. The control device can specify a respective operating state or a respective cooling capacity, for example depending on an ambient temperature, an exhaust gas flow temperature and/or taking into account further operating parameters, for example of the drive system or an aircraft engine.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird das von der zweiten Kühl einrichtung kondensierte Wasser gesammelt. Das kondensierte Wasser kann dabei beispielsweise mittels einer insbesondere in, an oder nachgelagert zur zweiten Kühleinrichtung angeordneten Wasserabscheidevorrichtung gesammelt werden und insbesondere wenigstens teilweise der Zuführeinrichtung bereitgestellt werden. In one embodiment of the method, the water condensed by the second cooling device is collected. The condensed water can be collected, for example, by means of a water separation device arranged in particular in, on or downstream of the second cooling device and in particular at least partially provided to the feed device.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Volumenstrom und/ oder ein Massenstrom des einzubringenden Wassers abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung vorgebbar. Eine entsprechende Eigenschaft der Abgasströmung kann hierbei beispielsweise eine aktuelle Temperatur, eine Geschwindigkeit, ein Druck, eine Zusammensetzung und/ oder ein spezifisches Gewicht sein. Zudem kann auch wenigstens ein Betriebsparameter des Flugtriebwerks oder einer Umgebung bei einem Bestimmen des zuzuführenden Volumenstroms berücksichtigt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein Abkühlen der Abgasströmung und insbesondere eine Wasserrückgewinnung aus der Abgasströmung unter variierenden Bedingungen effizient betrieben werden. In one embodiment of the method, a volume flow and/or a mass flow of the water to be introduced can be specified depending on at least one property of the exhaust gas flow. A corresponding property of the exhaust gas flow can be, for example, a current temperature, a speed, a pressure, a composition and/or a specific gravity. In addition, at least one operating parameter of the aircraft engine or an environment can also be taken into account when determining the volume flow to be supplied. This allows, for example, cooling of the exhaust gas flow and in particular water recovery from the exhaust gas flow to be carried out efficiently under varying conditions.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung variierbar bzw. einstellbar. Hierdurch kann beispielsweise eine Temperatur der Abgasströmung vor dem Eintritt in die zweite Kühleinrichtung konstant gehalten werden, um einen reibungslosen Betrieb dessen und somit eine kontinuierliche Wasserrückgewinnung aus der Abgasströmung unter variierenden Bedingungen zu ermöglichen. Die Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug mit einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Antriebssystem. In one embodiment of the method, a degree of atomization of the water to be introduced can be varied or adjusted depending on at least one property of the exhaust gas flow. In this way, for example, a temperature of the exhaust gas flow can be kept constant before entering the second cooling device in order to enable smooth operation of the exhaust gas flow and thus continuous water recovery from the exhaust gas flow under varying conditions. The invention also relates to an aircraft with a propulsion system according to the invention described above.
Betrieb der Gasturbine Operation of the gas turbine
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine für einen Flugantrieb mit von einer Gasströmung in einer Strömungsrichtung durchströmten Verdichter, Brennraum, Turbine und einem der Turbine nachgelagerten, insbesondere als Dampferzeuger ausgebildeten, Wärmetauscher vorgeschlagen, wobei der Wärmetauscher aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung einen Dampf erzeugt, welcher der Gasströmung zum Verbrennen mit Brennstoff der Brennkammer bzw. dem Brennraum zugeführt wird. Der Wärmetauscher kann Teil des Abgasbehandlungssystems sein, wobei das Abgasbehandlungssystem aus einem Dampfsystem und/oder einem Wassersystem bestehen kann. Die Gasströmung weist beim Austreten aus der Turbine, insbesondere beim Austreten aus einer Niederdruckturbine, eine Temperatur zwischen 700 und 980 K und vorzugsweise zwischen 800 und 980 K auf, um die Energie zum Erzeugen des Dampfs bereitzustellen. To solve the problem, a method for operating a gas turbine for an aircraft engine with a compressor, combustion chamber, turbine and a heat exchanger downstream of the turbine, in particular designed as a steam generator, through which a gas flow flows in one flow direction is also proposed, the heat exchanger being made of water by means of a Energy of the gas flow generates a steam, which is fed to the gas flow for burning with fuel in the combustion chamber or the combustion chamber. The heat exchanger may be part of the exhaust gas treatment system, wherein the exhaust gas treatment system may consist of a steam system and/or a water system. The gas flow has a temperature between 700 and 980 K and preferably between 800 and 980 K when exiting the turbine, in particular when exiting a low-pressure turbine, in order to provide the energy to generate the steam.
Hierdurch ist, insbesondere gegenüber bekannten Gasturbinen, 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 Gasturbine erzielt werden kann. In der Gesamtbetrachtung kann hierdurch der Wirkungsgrad der Gasturbine 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. This increases the gas flow temperature at a turbine outlet, particularly compared to known gas turbines, 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 gas turbine can be achieved. Overall, this can improve the efficiency of the gas turbine. 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.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Gasturbine 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. Dabei ist die Gasturbine eingerichtet, ein Verfahren gemäß einem oder mehreren der hierin beschriebenen Aspekte durchzuführen. Eine solche Gasturbine für einen Flugantrieb weist einen Verdichter, einen Brennraum und eine Turbine auf. Während dem Betrieb der Gasturbine wird Luft in dem Verdichter komprimiert, vor oder im Brennraum mit einem Brennstoff vermischt und gezündet, um die Turbine anzutreiben. Entsprechend kann die Gasturbine ein Brennstoffaufbereitungssystem zum Aufbereiten des Brennstoffs vor dessen Verbrennung im Brennraum aufweisen, welche insbesondere den im Wärmetauscher erzeugten Dampf nutzt. Die vorgeschlagene Gasturbine weist zudem einen stromabwärts der Turbine angeordneten anderen Wärmetauscher auf. Im anderen Wärmetauscher wird aus einem Wasser, welches insbesondere aus der Gasströmung bzw. dem Abgas der Gasturbine 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. According to a further aspect, a gas turbine for an aircraft engine 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 gas turbine is set up to carry out a method according to one or more of the aspects described herein. Such a gas turbine for an aircraft engine has a compressor, a combustion chamber and a turbine. During operation of the gas turbine, air is compressed in the compressor, mixed with a fuel before or in the combustion chamber and ignited to drive the turbine. Accordingly, the gas turbine 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 gas turbine also has another heat exchanger arranged downstream of the turbine. In the other heat exchanger, steam is generated from water, which is extracted in particular from the gas flow or the exhaust gas of the gas turbine and fed to the heat exchanger, using the energy of the gas flow. In the context of the present disclosure, the gas flow after exiting the turbine is also referred to in particular as exhaust gas or exhaust gas flow.
Ein Flugantrieb kann eine solche insbesondere axiale Gasturbine aufweisen, welche insbesondere ein Abgasbehandlungssystem aufweist, die der Turbine der Strömungsmaschine vorzugsweise nachgelagert angeordnet ist. Das Abgasbehandlungssystem kann einen Wärmetauscher, eine Kühleinrichtung und eine Wasserabscheideeinrichtung aufweisen, welche in Strömungsrichtung der Gasströmung an einem Abgaskanal des Abgasbehandlungssystems angeordnet sind. Die Gasströmung nach der Turbine bzw. ein Abgas des Flugtriebwerks bzw. der Turbine kann den Abgaskanal des Abgasbehandlungssystems 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 Gas Strömung sinkt. An aircraft drive can have such an axial gas turbine, which in particular has an exhaust gas treatment system, which is preferably arranged downstream of the turbine of the turbomachine. The exhaust gas treatment system 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 system 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 system 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. Here, energy is removed from the gas flow of the heat exchanger to generate water vapor, which reduces the temperature of the gas flow.
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 Gasturbine 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. 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. Such 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 area downstream of the first area, the exhaust gas flow continues 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 gas turbine. Overall, for example, 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.
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 Gasturbine zur Verbrennung zugeführt werden kann. In anderen Ausführungsformen der Brennstoffaufbereitung kann der Dampf der Gasströmung auch vor und/ oder in dem Brennraum zugeführt werden. In the proposed method, 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 gas turbine for combustion. In other embodiments of fuel preparation, the steam can also be supplied to the gas flow before and/or in the combustion chamber.
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. 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.
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 Turbinen-ausgang 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 Gasturbinen 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 1750 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 Gasturbinen niedriger aus. Entsprechend kann eine Gasturbine, welche eingerichtet ist, das hierin vorgeschlagene Verfahren auszuführen, mit einem insbesondere deutlich geringeren Expansionsverhältnis ausgelegt sein, als ein klassische Gasturbine. 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. As a result, 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 gas turbines. In one embodiment of the method, the gas flow has a temperature between 1600 and 1750 K, in particular 1650 K to 1750 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 gas turbines due to the additional energy required to evaporate the water. Accordingly, a gas turbine that is set up to carry out the method proposed here can be designed with a particularly significantly lower expansion ratio than a classic gas turbine.
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. In one embodiment, 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. This means that superheated steam can be generated from the exhaust gas energy in the heat exchanger, which has a high energy density.
Bei einer Ausführungsform erhitzt der Wärmetauscher den Dampf auf eine Temperatur zwischen 600 und 900 K, insbesondere auf 700 K bis 740 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. In one embodiment, the heat exchanger heats the steam to a temperature between 600 and 900 K, in particular to 700 K to 740 K. At this temperature, superheated steam has a high energy density, so that undesirable condensation of the evaporated water, 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.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt das Gesamtdruckverhältnis (OPR: overall pressure ratio) der Gasturbine 20 bis 40, insbesondere von 22 bis 35. Das Gesamtdruckverhältnis der Gasturbine 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. In one embodiment of the method, the overall pressure ratio (OPR) of the gas turbine is 20 to 40, in particular from 22 to 35. The overall pressure ratio of the gas turbine 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 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 loss-free until it almost comes to a standstill.
Ein Gesamtdruckverhältnis der Gasturbine 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 insbesondere des Niederdruckverdichters, möglichst einfachen Materialien, und hohem Kreisprozesswirkungsgrad zu erreichen. A total pressure ratio of the gas turbine of 20 to 40 and in particular of 22 to 35 makes it possible within the framework of the proposed method to achieve an optimal compromise between a high turbine outlet temperature and thus a high heat potential for the evaporator, a small number of stages, in particular of the low-pressure compressor, the simplest possible materials, and high cycle efficiency .
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. In one embodiment, 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. In this way, 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.
Bei einer Ausführungsform ist die Turbine der Gasturbine eingerichtet, am Turbinenausgang die Gasströmung aufweisend eine Temperatur zwischen 700 und 980 K bereitzustellen. Der Turbinenausgang ist hierbei die stromabwärtige Austrittseite, an welcher die Gasströmung die Turbine bzw. die Niederdruckturbine der Turbine verlässt. Insbesondere ist die Turbine derart ausgebildet, dass sie gegenüber Turbinen klassischer Turboflugtriebwerke ein deutlich, insbesondere um mehr als 20% reduziertes Expansionsverhältnis aufweist. In one embodiment, the turbine of the gas turbine is set up to provide the gas flow at a temperature between 700 and 980 K at the turbine outlet. The turbine outlet is the downstream exit side at which the gas flow leaves the turbine or the low-pressure turbine of the turbine. In particular, the turbine is designed in such a way that it has a significantly reduced expansion ratio, in particular by more than 20%, compared to turbines of classic turbo aircraft engines.
Bei einer Ausführungsform weist die Gasturbine eine der Turbine in Strömungs-richtung nachgelagertes Abgasbehandlungssystem auf, welche den Wärmetauscher, eine Kühleinrichtung und eine Wasserabscheideeinrichtung umfasst. Das Abgasbehandlungssystem 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. In one embodiment, the gas turbine has an exhaust gas treatment system 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 system can have an exhaust gas duct 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 allows water to be separated from the gas flow or Exhaust gas flow and thus a provision of water to be evaporated for the heat exchanger are made possible.
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. Further features, advantages and possible applications of the invention result from the following description in connection with the figures. In general, features of the various exemplary aspects and/or embodiments described herein may be combined with one another unless clearly excluded in the context of the disclosure.
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 In the following portion of the description, reference is made to the figures shown to illustrate specific aspects and embodiments of the present invention. It is to be understood that other aspects may be used and structural or logical changes to the illustrated embodiments are possible without departing from the scope of the present invention. The following description of the figures is therefore not to be understood as limiting. It shows
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines ersten erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einer Gasturbine in einem Meridianschnitt Fig. 1 shows an embodiment of a first drive system according to the invention with a gas turbine in a meridian section
Fig. 2 das Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer Umfangsansicht Fig. 2 shows the exemplary embodiment of the drive system according to the invention in a circumferential view
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten beispielhaften erfindungsgemäßen Antriebssystems Fig. 3 is a schematic representation of a second exemplary drive system according to the invention
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Strömungsmaschine für das Antriebssystem gemäß Fig. 3 Fig. 4 is a schematic representation of a flow chart of a method according to the invention for operating a turbomachine for the drive system according to Fig. 3
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines dritten beispielhaften erfindungsgemäßen Antriebssystems; und 5 shows a schematic representation of a third exemplary drive system according to the invention; and
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Abgasbehandlungssystems.6 shows a schematic representation of a flowchart of an exemplary method according to the invention for operating an exhaust gas treatment system.
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung nach dem Prinzip des Standes der Technik Fig. 7 shows an exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement according to the principle of the prior art
Fig. 8a ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem in einer Schnittansicht einer Umfangsebene der Gasturbine Fig. 8b das erste Ausführungsbeispiel der Wärmetauscheranordnung in einem Meridianschnitt der Gasturbine 8a shows a first exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement for a drive system according to the invention in a sectional view of a circumferential plane of the gas turbine Fig. 8b shows the first exemplary embodiment of the heat exchanger arrangement in a meridian section of the gas turbine
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer Detailansicht A aus Fig. 8a Fig. 9 shows an exemplary embodiment of a heat exchanger according to the invention in a detailed view A from Fig. 8a
Fig. 10 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfmdungsgemäßen Wärmetauscheranordnung in einer Schnittansicht einer Umfangsebene einer Strömungsmaschine 10 shows a second exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement according to the invention in a sectional view of a circumferential plane of a turbomachine
Fig. 11 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfmdungsgemäßen Wärmetauscheranordnung in einer Schnittansicht einer Umfangsebene einer Strömungsmaschine 11 shows a third exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement according to the invention in a sectional view of a circumferential plane of a turbomachine
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Gasturbine Fig. 12 is a schematic representation of an embodiment of a gas turbine according to the invention
Anhand der Fig. 1 und 2 wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines erfmdungsgemäßen Antriebssystem beschrieben. In Fig. 1 ist das Antriebssystem 1 in einem Meridianschnitt, das heißt in einer von der radialen Richtung R der Gasturbine und axialen Richtung Ax der Gasturbine 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 axialen Richtung Ax und Umfangsrichtung U aufgespannten Ebene dargestellt. An exemplary embodiment of a drive system according to the invention is described below with reference to FIGS. 1 and 2. In Fig. 1, the drive system 1 is shown in a meridian section, that is, in a plane spanned by the radial direction R of the gas turbine and the axial direction Ax of the gas turbine. In Fig. 2, the drive system is shown along the laterally shown sections AA and BB using a rolled-up representation of circumferential planes, that is, it is shown in a plane spanned by the axial direction Ax and circumferential direction U.
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 axialen Richtung 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 2 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. Der Fan 8 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Durchmesser von 2,2m ausgeführt. Die durch Dampfeinspritzung von ca. 19-21 Massen% erhöhte spezifische Arbeit in der Dampfturbine ermöglicht es, selbst bei einem relativ kleinen Fandurchmesser ein hohes Nebenstromverhältnis von ca. 34 zu erzielen, was sehr gute Wirkungsgrade ermöglicht, bei Triebwerksdurchmessem, die auch für mittelgroße Flugzeuge, bspw. im Narrowbody-Bereich geeignet sind. 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 2 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. In the exemplary embodiment shown, the fan 8 is designed with a diameter of 2.2m. The specific work in the steam turbine, which is increased by approx. 19-21% by mass through steam injection, makes it possible to achieve a high bypass flow ratio of approx. 34 even with a relatively small fan diameter, which enables very good efficiencies with engine diameters that are also suitable for medium-sized aircraft , for example in the narrowbody area.
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 Hauptstroms und speist das Dampfsystem 40 mit Wasser. Das Dampfsystem 40 verdampft das Wasser und führt dem Hauptstrom 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. In the present exemplary embodiment, 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 stream and feeds the steam system 40 with water. The steam system 40 evaporates the water and supplies hot steam to the main 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.
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. 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 expand the exhaust gas and provide mechanical power for the drive, and finally pass it on into a turbine outlet housing 16. It can be provided that the high-pressure turbine 14 drives a high-pressure compressor via a second shaft of the gas turbine 2.
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. Es ist möglich, dass sich der Kondensator 21 nur in einem Teilbereich zwischen dem Außengehäuse 5 und dem Innengehäuse 6 erstreckt oder nur in einem Teilbereich eine Kreuzströmung zu dem Nebenstromkanal ausbildet. Ein Großteil des von dem Fan 8 geförderten Luftvolumens wird als Luftnebenstrom dem Nebenstromkanal 20 zugeführt und durchströmt dort teilweise 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. 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. It is possible that the capacitor 21 only extends in a partial area between the outer housing 5 and the inner housing 6 or only forms a cross flow to the bypass flow channel in a partial area. A large part of the air volume conveyed by the fan 8 is supplied as a bypass air flow to the bypass flow channel 20 and partially flows through the condenser 21 there before the air bypass flow leaves the gas turbine 2 to generate thrust. 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.
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 frei gesetzt 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. 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. There it is first guided forward in the axial direction Ax of the gas turbine 2 in an inlet channel 32, deflected by approximately 180 ° in a manifold 33 and fed to a swirl generator 34 in an outlet channel 35, which centrifuges the exhaust gas. As a result, the water in the exhaust gas-water mixture is eliminated and can be passed into the further water system 30 in liquid form. The dehumidified and cooled exhaust gas is released and expanded via a core outlet nozzle 36 and also serves to generate thrust. The components of the water system 30 are shown in FIG. 2. Only arrows are shown in FIG. 1, which are intended to schematically illustrate the direction of the exhaust gas.
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 vorzugsweise als Wasserpumpe 39 ausgebildeten Zuführeinrichtung 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. Insbesondere kann die Wasserpumpe 39 auch in einem den Kernstrom 10 ummantelnden Innengehäuse 6, insbesondere in einem das Innengehäuse 6 abschließenden und in axialer Richtung Ax hinter dem Turbinenaustrittsgehäuse 16 angeordneten Innengehäuseabschluss 6‘, angeordnet sein. Der Innengehäuseabschluss 6‘ schafft zugleich eine Strömungsumlenkungskammer für das aus der Turbine 14, 15 austretende heiße Abgas. Ein zentraler Austritt des Abgasstroms G aus dem Hauptstromkanal in eine Umwelt ist vorteilhaft nicht mehr vorteilhaft, sondern das stark erhitzte Abgas kann nachbehandelt werden. Die Anordnung der Wasserpumpe in dem Innengehäuseabschluss 6‘ hat den Vorteil, dass eine Gewichtsverteilung der Wasserpumpe um eine Verlängerung der Drehachse bzw. der Antriebswelle 9 der Gasturbine 2 sehr ausgeglichen ist. Gleichzeitig wird der Schwerpunkt der Gasturbine weiter nach hinten unter den Flügel verlagert, was sich günstig auf die Lastverteilung eines Flügels und die Flugeigenschaften auswirkt. 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 feed device preferably designed as 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. In the present exemplary embodiment, the water reservoir 38 and the water pump 39 are located in the inner housing 6 of the gas turbine. In particular, the water pump 39 can also be in one Core flow 10 encasing inner housing 6, in particular in an inner housing closure 6 'which closes the inner housing 6 and is arranged in the axial direction Ax behind the turbine outlet housing 16. The inner housing closure 6' also creates a flow deflection chamber for the hot exhaust gas emerging from the turbine 14, 15. A central exit of the exhaust gas stream G from the main flow channel into an environment is no longer advantageous, but the highly heated exhaust gas can be post-treated. The arrangement of the water pump in the inner housing closure 6 'has the advantage that a weight distribution of the water pump is very balanced by an extension of the axis of rotation or the drive shaft 9 of the gas turbine 2. At the same time, the center of gravity of the gas turbine is shifted further back under the wing, which has a positive effect on the load distribution of a wing and the flight characteristics.
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. Die Anordnung 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. 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. In use, 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 power thus obtained in the steam turbine 46 is supplied to the drive shaft 9 and the exhaust gas heat is made available again to the cycle of the gas turbine 2. The arrangement of the capacitor 21 is described below with reference to FIG. 2. In 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.
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 axialen Richtung 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 Axial erstreckung des Kondensators überall kleiner ist eine äußerer Abstand a in Umfangsrichtung U zwischen zwei Kondensatormodulpaaren 25. In section AA, 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 extends everywhere along the axial extent of the capacitor The external distance a in the circumferential direction U between two pairs of capacitor modules 25 is smaller.
Die vom Fan 8 geförderte Luft wird durch die Eintrittsverkleidung(en) 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 Platten der Kondensatormodule 23, 23 ‘ auf die der Luftnebenstromrichtung abgewandten Seitenflächen 24b der Kondensatormodule 23, 23‘. The air conveyed by the fan 8 is divided by the inlet cover(s) 22 and then flows along the outer side surfaces 24a of the capacitor modules 23, 23 'facing the air bypass flow direction. Part of this air flows through cooling channels 24c between the plates of the capacitor modules 23, 23' onto the side surfaces 24b of the capacitor modules 23, 23' facing away from the air bypass flow direction.
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. The part of the air bypass flow that does not flow through the capacitor modules 23, but essentially flows straight past the capacitor modules 23, leaves the gas turbine 2 to generate thrust between two adjacent outlet covers 27, 27 'of two adjacent capacitor module pairs 25. These adjacent outlet covers 27 of two adjacent capacitor module pairs 25 form a cold bypass nozzle 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. The air that flows through the capacitor modules 23 is guided 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.
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. 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.
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 einerAs 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. As described above, 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. In the embodiment shown, the exhaust gas streams are combined from the two capacitor modules 23, 23 ' of a capacitor module pair 24. 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. In one
Wasserabscheidevorrichtung 31 können neben dem oben erwähnten Drallerzeuger 34 weitere Elemente, die zur Was serab Scheidung dienen, untergebracht sein. Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße als Gasturbine ausgebildete Strömungsmaschine 2 für eine Luftfahrzeug, die eingerichtet ist, ein hierin beschriebenes Verfahren durchzuführen, in einer schematischen Darstellung. Water separation device 31 can be accommodated in addition to the above-mentioned swirl generator 34, other elements that serve to separate water. Fig. 3 shows a turbomachine 2 according to the invention designed as a gas turbine for an aircraft, which is set up to carry out a method described herein, in a schematic representation.
Die als Gasturbine 2 ausgebildete Strömungsmaschine ist beispielsweise als Mantelstromtriebwerk ausgebildet und weist einen Verdichter 12, eine Brennkammer 13 und eine Turbine 14, 15 mit einer Niederdruckturbine 15 auf, die von einer Gasströmung G in einer Strömungsrichtung durchströmbar sind bzw. in einem Betrieb der Gasturbine 2 von der Gasströmung G durchströmt werden. Die Gasströmung G weist beim Austreten aus der Turbine 14, 15 bzw. beim Austreten aus der Niederdruckturbine 15 eine Temperatur Ti zwischen 700 und 980 K auf, um Energie zum Erzeugen des Dampfs mittels eines Dampferzeugers 41 bereitzustellen. The turbomachine designed as a gas turbine 2 is designed, for example, as a turbofan engine and has a compressor 12, a combustion chamber 13 and a turbine 14, 15 with a low-pressure turbine 15, through which a gas flow G can flow in a flow direction or during operation of the gas turbine 2 be flowed through by the gas flow G. The gas flow G has a temperature Ti between 700 and 980 K when exiting the turbine 14, 15 or when exiting the low-pressure turbine 15 in order to provide energy for generating the steam by means of a steam generator 41.
Der Turbine 14, 15 in Strömungsrichtung nachgelagert weist die Gasturbine 2 den Dampferzeuger 41 auf, der eingerichtet ist, aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung G einen Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf kann über eine Dampfleitung 45, insbesondere mit einem Brennstoff in die Gasströmung zum Verbrennen in der Brennkammer 13 zugeführt werden. Die Dampfzuführung, insbesondere in der Form einer Dampfleitung 45 kann eine Mischkammer 48 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 der Brennkammer 13 der Gasturbine 2 zugeführt werden. In anderen Ausführungsformen kann der Dampf und/ oder der Brennstoff auch vor und/ oder in der Brennkammer 13 unmittelbar der Gasströmung G zugeführt werden. Nach der Verbrennung in der Brennkammer 13 bzw. beim Austreten aus der Brennkammer 13 weist die Gasströmung G insbesondere eine Temperatur T4 zwischen 1650 und 1750 K, insbesondere etwa 1700 K, auf. Downstream of the turbine 14, 15 in the flow direction, the gas turbine 2 has the steam generator 41, which is set up to generate steam from water using energy from the gas flow G. This steam can be supplied via a steam line 45, in particular with a fuel, into the gas flow for combustion in the combustion chamber 13. The steam supply, in particular in the form of a steam line 45, can have a mixing chamber 48 of a fuel processing device, into which fuel can be introduced and thus supplied to the steam flowing through it, whereby the fuel can evaporate. The steam and fuel can thus be supplied to the combustion chamber 13 of the gas turbine 2 in the form of a mixture. In other embodiments, the steam and/or the fuel can also be supplied directly to the gas flow G before and/or in the combustion chamber 13. After combustion in the combustion chamber 13 or upon exiting the combustion chamber 13, the gas flow G in particular has a temperature T4 between 1650 and 1750 K, in particular approximately 1700 K.
Bezogen auf eine mittels des Pfeils illustrierte Strömungsrichtung der Gasströmung G passiert die Gasströmung G zunächst den Verdichter 12, die Brennkammer 13 und die Turbine 14, 15 mit der Niederdruckturbine 15. Nach der Turbine 14, 15 kann die Gasströmung G auch als Abgasströmung der Gasturbine 2 bezeichnet werden. Diese (Ab-)Gasströmung G strömt von der Turbine 14, 15 in einen Abgaskanal 17, an welchem der Dampferzeuger 41, ein Kondensator 21 und eine Wasserabscheideeinrichtung 31 nachgeordnet angeordnet sind. Der Dampferzeuger 41 kann einen Vorheizer 42, einen Verdampfer 43 und einen Überhitzer 44 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 aufweisen, um den Dampf zu erzeugen und/ oder zu überhitzen, wobei der Dampferzeuger 41 insbesondere eingerichtet ist, den Dampf auf eine Temperatur T3 zwischen 700 und 740 K, insbesondere auf etwa 720 K, zu erhitzen. Based on a flow direction of the gas flow G illustrated by the arrow, the gas flow G first passes through the compressor 12, the combustion chamber 13 and the turbine 14, 15 with the low-pressure turbine 15. After the turbine 14, 15, the gas flow G can also be used as an exhaust gas flow from the gas turbine 2 be referred to. This (exhaust) gas flow G flows from the turbine 14, 15 into an exhaust gas duct 17, on which the steam generator 41, a condenser 21 and a water separation device 31 are arranged downstream. The Steam generator 41 can have a preheater 42, an evaporator 43 and a superheater 44 according to the exemplary embodiment in FIG and to heat it to 740 K, in particular to about 720 K.
Hierbei wird der Gasströmung G zur Verdampfung des Wassers Energie entzogen und diese beim Austreten aus dem Dampferzeuger bzw. stromabwärts des Dampferzeugers 41 eine Temperatur T2 zwischen 400 und 480 K aufweist. Der Kondensator 21 ist bezogen auf die Strömungsrichtung der Gasströmung G dem Dampferzeuger 41 nachgelagert angeordnet und kann zur Kühlung mit Umgebungsluft vorgesehen sein, um ein Abscheiden eines in der Gasströmung G vorliegenden Wasserdampfs und/ oder Wassers zu ermöglichen. Here, energy is removed from the gas flow G to evaporate the water and this has a temperature T2 between 400 and 480 K when it emerges from the steam generator or downstream of the steam generator 41. The condenser 21 is arranged downstream of the steam generator 41 in relation to the flow direction of the gas flow G and can be provided for cooling with ambient air in order to enable the separation of water vapor and/or water present in the gas flow G.
Dem Kondensator 21 nachgelagert ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Wasserabscheideeinrichtung 31 angeordnet, die als Tropfenabscheider ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Gasströmung G in der Wasserabscheideeinrichtung 31 in Rotation versetzt werden, infolge derer Wassertropfen fliehkraftgetrieben radial nach außen geführt und das Wasser gesammelt werden kann. Die verbleibende Gasströmung G kann den Abgaskanal 17 über einen als kalte Nebenstromdüse 28 oder heiße Nebenstromdüse 29 ausgebildeten Auslass 28, 29 verlassen und insbesondere an die Umgebung abgegeben werden. In the present exemplary embodiment, a water separation device 31 is arranged downstream of the condenser 21, which can be designed as a droplet separator. For example, the gas flow G in the water separation device 31 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 G can leave the exhaust duct 17 via an outlet 28, 29 designed as a cold bypass nozzle 28 or a hot bypass nozzle 29 and, in particular, can be released into the environment.
Das abgeschiedene Wasser kann beispielsweise über ein optional vorhandenes Wasseraufbereitungssystem 38‘ in ein Wasserreservoir 38 geführt werden, wo es für eine weitere Verwendung zur Verfügung stehen kann. Mittels einer Zuführeinrichtung 39 kann das Wasser dem Dampferzeuger 41 bereitgestellt werden, um Wasserdampf zu erzeugen, der im Bereich der Brennkammer 13 der Gas Strömung G zugeführt werden kann. The separated water can, for example, be fed into a water reservoir 38 via an optional water treatment system 38 ', where it can be available for further use. By means of a supply device 39, the water can be provided to the steam generator 41 in order to generate water vapor, which can be supplied to the gas flow G in the area of the combustion chamber 13.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Betreiben der beispielhaften Gasturbine 2 aus Fig. 3, wobei in einem Schritt a die Gasturbine 2 bzw. deren Verdichter 12, den Brennkammer 13 und die Turbine 14, 15 mit der Niederdruckturbine 15 von einer Gasströmung G durchströmt wird. Hierbei weist die Gasströmung G beim Austreten aus der Turbine 14, 15 bzw. beim Austreten aus der Niederdruckturbine 15 eine Temperatur Ti zwischen 700 und 980 K auf, um Energie zum Erzeugen von Dampf mittels dem Dampferzeuger 41 bereitzustellen. In einem weiteren Schritt b wird die Gasströmung G durch den Dampferzeuger 41 aus dort bereitgestelltem, insbesondere der Gasströmung G bzw. der Abgasströmung nach dem Dampferzeuger 41 entnommenem Wasser mittels der Energie der Gasströmung G Dampf erzeugt, wobei sich die Gasströmung G abkühlt. Hierbei weist die Gasströmung G beim Austreten aus dem Dampferzeuger 41 bzw. stromabwärts des Dampferzeugers 41 eine Temperatur T2 zwischen 400 und 480 K auf. 4 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a method 500 for operating the exemplary gas turbine 2 from FIG is flowed through by a gas flow G. Here, the gas flow G has a temperature Ti between 700 and 980 K when exiting the turbine 14, 15 or when exiting the low-pressure turbine 15 in order to provide energy for generating steam by means of the steam generator 41. In a further step b, the gas flow G is generated by the steam generator 41 from water provided there, in particular from the gas flow G or the exhaust gas flow after the steam generator 41, using the energy of the gas flow G steam, whereby the gas flow G cools down. Here, the gas flow G has a temperature T2 between 400 and 480 K when it exits the steam generator 41 or downstream of the steam generator 41.
In einem weiteren Schritt c wird die vorgekühlte Gasströmung G mittels des Kondensators 21 kondensiert. Das in dem Kondensator 21 kondensierte Wasser wird in einem weiteren Schritt d, insbesondere mittels der Wasserabscheideeinrichtung 31 gesammelt. In einem weiteren Schritt e, wird das gesammelte Wasser insbesondere mittels einer Zuführeinrichtung 39 an dem Dampferzeuger 41 zum Erzeugen von Dampf bereitgestellt, wobei in dem Schritt b Dampf mittels des Dampferzeugers 41 bzw. Verdampfers 43 erzeugt wird. Hierbei erhitzt der Dampferzeuger 41 den Dampf auf eine Temperatur T3 zwischen 600 und 900 K, vorzugsweise zwischen 650 K und 750 K, insbesondere auf etwa 720 K. In a further step c, the pre-cooled gas flow G is condensed using the condenser 21. The water condensed in the condenser 21 is collected in a further step d, in particular by means of the water separation device 31. In a further step e, the collected water is provided in particular by means of a feed device 39 to the steam generator 41 for generating steam, with steam being generated in step b by means of the steam generator 41 or evaporator 43. Here, the steam generator 41 heats the steam to a temperature T3 between 600 and 900 K, preferably between 650 K and 750 K, in particular to approximately 720 K.
In einem weiteren Schritt f kann wenigstens ein Teil des im Dampferzeuger 41 erzeugten Dampfs über eine Dampfzuführung bzw. Dampfleitung 45 beispielsweise in eine Mischkammer 48 eines Brennstoffaufbereitungssystems geleitet werden, wo ein Dampf-/ Brennstoff-Gemisch erzeugbar ist, welches schließlich in einem Schritt g der Gasströmung G, insbesondere in der Brennkammer 13 der Gasturbine 2 zur Verbrennung zugeführt wird.In a further step f, at least part of the steam generated in the steam generator 41 can be passed via a steam supply or steam line 45, for example, into a mixing chamber 48 of a fuel processing system, where a steam/fuel mixture can be generated, which is finally in a step g Gas flow G, in particular in the combustion chamber 13 of the gas turbine 2, is supplied for combustion.
Dabei kann die Gasströmung G beim Austreten aus dem Brennkammer 13 eine Temperatur T4 zwischen 1650 und 1750 K, insbesondere etwa 1700 K, aufweisen. The gas flow G can have a temperature T4 between 1650 and 1750 K, in particular approximately 1700 K, when exiting the combustion chamber 13.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäßes Abgasbehandlungssystem 18, das einem in diesem Ausführungsbeispiel nur schematisch angedeuteten Hauptstromkanal 10 nachgelagert angeordnet ist. Der Hauptstromkanal 10 ist beispielsweise in einem als Mantelstromtriebwerk ausgebildeten Antriebssystem 1 angeordnet und weist einen Verdichter 12, eine Brennkammer 13 und eine Turbine 14, 15 auf. Von der Turbine 14, 15 strömt im Betrieb eine Abgasströmung G in einen Abgaskanal 17 des aus einem Wassersystem 30 und einem Dampfsystem 40 bestehenden Abgasbehandlungssystems 18. Stromaufwärts der Hauptstromkanals 10 ist üblicherweise ein in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellter Fan 8 angeordnet, der sowohl den Hauptstromkanal 10 als auch einen Nebenstromkanal 20 speist. Fig. 5 shows an exhaust gas treatment system 18 according to the invention, which is arranged downstream of a main flow channel 10, which is only indicated schematically in this exemplary embodiment. The main flow channel 10 is arranged, for example, in a drive system 1 designed as a turbofan engine and has a compressor 12, a combustion chamber 13 and a turbine 14, 15. During operation, an exhaust gas flow G flows from the turbine 14, 15 into an exhaust gas duct 17 of the exhaust gas treatment system 18, which consists of a water system 30 and a steam system 40. Upstream of the main flow duct 10 is usually one not shown in this exemplary embodiment Fan 8 arranged, which feeds both the main flow channel 10 and a secondary flow channel 20.
Bezogen auf eine Strömungsrichtung der Abgasströmung G passiert die Abgasströmung G zunächst einen Dampferzeuger 41, der einen Vorheizer 42, einen Verdampfer 43 und einen Überhitzer 44 aufweist. Der Dampferzeuger 41 ist eine erste Kühleinrichtung für die Abgasströmung G. Dem Dampferzeuger 41 nachgelagert ist an dem Abgaskanal 17 eine Zuführeinrichtung 39a angeordnet, die eingerichtet ist, zum Kühlen der Abgasströmung G Wasser W in die Abgasströmung G einzubringen. Based on a flow direction of the exhaust gas flow G, the exhaust gas flow G first passes through a steam generator 41, which has a preheater 42, an evaporator 43 and a superheater 44. The steam generator 41 is a first cooling device for the exhaust gas flow G. Downstream of the steam generator 41, a feed device 39a is arranged on the exhaust gas duct 17, which is set up to introduce water W into the exhaust gas flow G in order to cool the exhaust gas flow G.
Hierzu weist die Zuführeinrichtung 39a eine Einspritzeinrichtung 39b auf und ist eingerichtet das Wasser W zerstäubt und homogen in die Abgasströmung G einzubringen, um eine gleichmäßige Verteilung des zugeführten Wassers W in der Abgasströmung G zu erreichen und somit einen Wärmeübergang zwischen Wasser W und Abgasströmung G zu begünstigen. Dabei weist das Wasser W an der Stelle der Einbringung bzw. im Bereich des Abgaskanals 17 an welchem die Zuführeinrichtung 39a angeordnet ist, eine niedrigere Temperatur auf, als die Abgasströmung G. Die Zuführeinrichtung führt das Wasser W der Abgasströmung G derart zu, dass die Abgasströmung G in Richtung hin zu einer Taupunkttemperatur der Abgasströmung G abgekühlt wird, bevor diese einen als Kondensator 21 ausgebildeten Wärmetauscher erreicht. Der Kondensator 21 ist eine zweite Kühleinrichtung für die Abgasströmung G. For this purpose, the feed device 39a has an injection device 39b and is set up to introduce the water W in an atomized and homogeneous manner into the exhaust gas flow G in order to achieve a uniform distribution of the supplied water W in the exhaust gas flow G and thus to promote heat transfer between the water W and the exhaust gas flow G . The water W at the point of introduction or in the area of the exhaust gas duct 17 on which the feed device 39a is arranged has a lower temperature than the exhaust gas flow G. The feed device supplies the water W to the exhaust gas flow G in such a way that the exhaust gas flow G is cooled towards a dew point temperature of the exhaust gas flow G before it reaches a heat exchanger designed as a condenser 21. The condenser 21 is a second cooling device for the exhaust gas flow G.
Der Kondensator 21 ist zur Kühlung mit Umgebungsluft eingerichtet und ist bezogen auf die Strömungsrichtung der Abgasströmung der Zuführeinrichtung 39a nachgelagert angeordnet. Der Kondensator 21 kann von Umgebungsluft durchströmbar sein, um die Abgasströmung derart zu kühlen, dass eine wenigstens teilweise Abscheidung des in der Abgasströmung G vorliegenden Wassers W ermöglicht ist. The condenser 21 is set up for cooling with ambient air and is arranged downstream of the feed device 39a in relation to the flow direction of the exhaust gas flow. Ambient air can flow through the condenser 21 in order to cool the exhaust gas flow in such a way that at least partial separation of the water W present in the exhaust gas flow G is made possible.
Dem Kondensator 21 nachgelagert ist eine Wasserabscheideeinrichtung 31 angeordnet, die als Tropfenabscheider ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Abgasströmung G in eine Rotation versetzt werden, infolge derer Wassertropfen fliehkraftgetrieben radial nach außen geführt werden und das Wasser W gesammelt werden kann. Die verbleibende Abgasströmung G kann den Abgaskanal 17 über einen vorzugsweise als kalte Nebenstromdüse 28 und/oder heiße Nebenstromdüse 29 ausgebildeten Auslass 28, 29 verlassen und insbesondere an die Umgebung abgegeben werden. Das abgeschiedene Wasser W kann beispielsweise über ein optional vorhandenes Wasseraufbereitungssystem 38‘ in ein Wasserreservoir 38 geführt werden, wo es für eine weitere Verwendung zur Verfügung stehen kann und beispielsweise der Zuführeinrichtung 39a zugeführt werden kann. Zudem kann das Wasser W für den Dampferzeuger 41, und insbesondere den Verdampfer 43, bereitgestellt werden, um Wasserdampf zu erzeugen, der im Bereich der Brennkammer 13 der Gasturbine 2 zugeführt werden kann. A water separation device 31, which can be designed as a droplet separator, is arranged downstream of the condenser 21. For example, the exhaust gas flow G can be set into rotation, as a result of which water drops are guided radially outwards under centrifugal force and the water W can be collected. The remaining exhaust gas flow G can leave the exhaust gas duct 17 via an outlet 28, 29, which is preferably designed as a cold bypass nozzle 28 and/or a hot bypass nozzle 29, and in particular to the environment. The separated water W can, for example, be fed into a water reservoir 38 via an optionally available water treatment system 38 ', where it can be available for further use and, for example, can be fed to the feed device 39a. In addition, the water W can be provided for the steam generator 41, and in particular the evaporator 43, in order to generate water vapor, which can be supplied to the gas turbine 2 in the area of the combustion chamber 13.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 600 zum Betreiben des beispielhaften Antriebssystems 1 aus Fig. 5, wobei in einem Schritt h der Abgaskanal 17 mit Abgas des Hauptstromkanals 10 durchströmt wird. In einem zweiten Schritt i wird die Abgasströmung G mittels des Dampferzeugers 41 vorgekühlt. 6 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a method 600 for operating the exemplary drive system 1 from FIG. 5, wherein in a step h the exhaust gas duct 17 is flowed through with exhaust gas from the main flow duct 10. In a second step i, the exhaust gas flow G is pre-cooled by means of the steam generator 41.
In einem dritten Schritt j wird die vorgekühlte Abgasströmung G mittels der Zuführeinrichtung 39a durch Zuführen von insbesondere flüssigem Wasser W in die Abgasströmung G weiter abgekühlt. Hierbei ist, insbesondere mittels einer Steuereinrichtung des Abgasbehandlungssystems 18, ein Volumenstrom und/oder ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers W abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung G vorgebbar bzw. variierbar. In einem vierten Schritt k wird die vorgekühlte Abgasströmung G mittels der zweiten Kühleinrichtung 13 kondensiert. Das in der zweiten Kühleinrichtung 13 kondensierte Wasser W kann in einem optionalen fünften Schritt 1, insbesondere mittels der Wasserabscheideeinrichtung 31 gesammelt werden. Hierdurch kann ein Kondensationsprozess des in der Abgasströmung G vorliegenden Wassers W verbessert werden, da ein Abkühlen der Abgasströmung G bereits vor dem Kondensator 21 erfolgen kann und zudem Kondensationskeime in Form von mittels der Zuführeinrichtung 39a eingebrachten Wassertropfen in der Abgasströmung G vorhanden sein können. In a third step j, the pre-cooled exhaust gas flow G is further cooled by means of the feed device 39a by supplying, in particular, liquid water W into the exhaust gas flow G. Here, in particular by means of a control device of the exhaust gas treatment system 18, a volume flow and/or a degree of atomization of the water W to be introduced can be specified or varied depending on at least one property of the exhaust gas flow G. In a fourth step k, the pre-cooled exhaust gas flow G is condensed by means of the second cooling device 13. The water W condensed in the second cooling device 13 can be collected in an optional fifth step 1, in particular by means of the water separation device 31. As a result, a condensation process of the water W present in the exhaust gas flow G can be improved, since the exhaust gas flow G can be cooled before the condenser 21 and condensation nuclei in the form of water drops introduced by means of the feed device 39a can also be present in the exhaust gas flow G.
In Fig. 7 ist eine Wärmetauscheranordnung 21‘ aus dem Stand der Technik in einer Schnittansicht gezeigt, die einen Wärmetauscher 21 mit einem Niedertemperaturgitter 20 und einem Hochtemperaturgitter 30 gezeigt. Der Wärmetauscher 21 ist in einem insbesondere als Nebenstromkanal ausgebildeten Strömungskanal 20 zwischen einer Eintrittsfläche 20a und einer Austrittsfläche 20b des Strömungskanals 20 angeordnet. Der Wärmetauscher weist Niedertemperaturkanäle in dem Niedertemperaturgitter 200 auf, die im Wesentlichen parallel zu der Kanalhauptrichtung ausgebildet sind, was zu einer sehr großen Anströmfläche führt. Die Hochtemperaturkanäle verlaufen in die Schnittebene hinein. Die große, senkrecht zu der Strömungsrichtung ausgebildete Anströmfläche bewirkt ferner einen großen Luftwiderstand, insbesondere einen Druck- und Form widerstand. Nachteilig sind derartige Konfiguration regelmäßig zu groß, um effektiv in einem realen Triebwerk angeordnet zu werden. 7 shows a heat exchanger arrangement 21' from the prior art in a sectional view, which shows a heat exchanger 21 with a low-temperature grid 20 and a high-temperature grid 30. The heat exchanger 21 is arranged in a flow channel 20, which is designed in particular as a bypass flow channel, between an inlet surface 20a and an outlet surface 20b of the flow channel 20. The heat exchanger has low-temperature channels in the low-temperature grid 200, which are formed essentially parallel to the main channel direction, which leads to a very large inflow area. The high-temperature channels run into the cutting plane. The large inflow surface, which is perpendicular to the direction of flow, also causes large air resistance, in particular pressure and shape resistance. The disadvantage is that such configurations are often too large to be effectively arranged in a real engine.
Es folgen nun die Beschreibungen der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele. Der Einfachheit halber werden bei der Beschreibung der nun folgenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele dieselben Bezugszeichen wie bei der Beschreibung des Standes der Technik verwendet, da es sich um die gleichen Komponentenbezeichnungen handelt. The descriptions of the exemplary embodiments according to the invention now follow. For the sake of simplicity, the same reference numbers are used in the description of the following exemplary embodiments according to the invention as in the description of the prior art, since they are the same component names.
Fig. 8a zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung 21 ‘ mit einem als Nebenstromkanal 20 einer Gasturbine 2 ausgebildeten Strömungskanal 20 und einem insbesondere als Kondensator 21 ausgebildeten Wärmetauscher 21 in dem Strömungskanal 20. Der Strömungskanal 20 ist dabei in einer Gasturbine 2 angeordnet. Der Strömungskanal 20 wird von einem Kühlfluid durchströmt, wobei das Kühlfluid durch eine Eintrittsfläche 20a in den Strömungskanal 20 einströmt, den Wärmetauscher 21 durchströmt und nach einer weiteren Durchströmung des hinteren Strömungskanals 20, wieder aus dem Strömungskanal 20 an einer Austrittsfläche 20b austritt. Eine Kanalhauptrichtung S ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Es kann sein, dass sich die Strömungsrichtung in einem Nachlauf des Wärmetauschers 21 von dem Bereich vor dem Wärmetauscher unterscheidet. In diesem Fall sind zur Bestimmung der jeweiligen Kanalhauptrichtung S im Vorlauf bzw. Kanalnachlaufrichtung S‘ die Abschnitte der Kanäle vor bzw. hinter dem Wärmetauscher zu betrachten, und zwar bis zu der entsprechenden Eintrittsfläche 20a bzw. Austrittsfläche 20b. Räumlich betrachtet weist der Strömungskanal 20 eine um eine Triebwerksachse oder axiale Richtung Ax in Umfangsrichtung U gekrümmte Kreis, Ellipsen oder mit abgerundeten Ecken versehene Rechteckform auf, wobei der Strömungskanal von Kanalseiten seitlich begrenzt ist. Die Anordnung des Strömungskanals 20 mit dem Wärmetauscher 21 kann in Umfangsrichtung U wiederholt werden, wie dies beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist, wobei dann auch einige gemeinsame Seiten entfernt oder weggelassen werden können, so dass sich eine Wärmetauscheranordnung 21 ‘ mit mehreren Wärmetauschern 21 ergibt. Beispielsweise kann sich eine solche Wärmetauscheranordnung 21 ‘ um einen Kem eines Triebwerks in Umfangsrichtung U erstrecken. 8a shows a sectional view of a heat exchanger arrangement 21 'according to the invention with a flow channel 20 designed as a bypass channel 20 of a gas turbine 2 and a heat exchanger 21 designed in particular as a condenser 21 in the flow channel 20. The flow channel 20 is arranged in a gas turbine 2. A cooling fluid flows through the flow channel 20, the cooling fluid flowing into the flow channel 20 through an inlet surface 20a, flowing through the heat exchanger 21 and, after a further flow through the rear flow channel 20, exiting the flow channel 20 again at an outlet surface 20b. A main channel direction S is marked by an arrow. It may be that the direction of flow in a wake of the heat exchanger 21 differs from the area in front of the heat exchanger. In this case, to determine the respective main channel direction S in the leading or trailing channel direction S', the sections of the channels in front of and behind the heat exchanger must be considered, up to the corresponding inlet surface 20a or outlet surface 20b. Viewed spatially, the flow channel 20 has a circle, ellipse or rectangular shape curved around an engine axis or axial direction Ax in the circumferential direction U, with the flow channel being laterally delimited by channel sides. The arrangement of the flow channel 20 with the heat exchanger 21 can be repeated in the circumferential direction U, as shown for example in FIG. 2, in which case some common sides can then also be removed or omitted, so that a heat exchanger arrangement 21 'with several heat exchangers 21 results . For example Such a heat exchanger arrangement 21 'can extend around a core of an engine in the circumferential direction U.
Der Wärmetauscher 21 wird aus einer Eintrittsverkleidung 22, einer Gittermatrix bestehend aus einem Niedertemperaturgitter 200 und einem Hochtemperaturgitter 300 sowie einer Austrittsverkleidung 27 gebildet. Die Gittermatrix wird im Folgenden auch als ein Wärmetauschermodul 23 bezeichnet. Die in Fig. 9 genauer beschriebenen Nieder- und Hochtemperaturgitter 200, 300 stehen dabei in einer Kreuzstromkonfiguration zueinander, das heißt, eine Vielzahl an Niedertemperaturkanälen 201 des Niedertemperaturgitters 200 und eine Vielzahl an Hochtemperaturkanälen 301 verlaufen senkrecht zueinander. Dabei verlaufen die Niedertemperaturkanäle 201 größtenteils in Richtung der eingezeichneten Erstreckungsachse E, während die Hochtemperaturkanäle 301 in eine Richtung in die Zeichenebene hinein verlaufen. The heat exchanger 21 is formed from an inlet panel 22, a grid matrix consisting of a low-temperature grid 200 and a high-temperature grid 300 and an outlet panel 27. The grid matrix is also referred to below as a heat exchanger module 23. The low and high temperature grids 200, 300, described in more detail in FIG. The low-temperature channels 201 largely run in the direction of the drawn extension axis E, while the high-temperature channels 301 run in a direction into the plane of the drawing.
In Fig. 8b ist eine Seitenansicht der Wärmetauscheranordnung 1 aus Fig. 8a dargestellt, in der mit größeren Pfeilen die Verlaufsrichtung V der Hochtemperaturkanäle 301 schematisch dargestellt ist. Die Austrittsverkleidung 27 richtet die Strömung des Kühlfluids in einem Nachlauf stromabwärts des Wärmetauschermoduls 23. 8b shows a side view of the heat exchanger arrangement 1 from FIG. 8a, in which the direction V of the high-temperature channels 301 is shown schematically with larger arrows. The outlet cover 27 directs the flow of the cooling fluid in a wake downstream of the heat exchanger module 23.
Der Wärmetauscher 21 weist ganz allgemein eine Anströmfläche 24a auf, die in einem Winkel a.i zu der Kanalhauptrichtung S geneigt angeordnet ist. Anhand der Fig. 9 wird eine genauere Definition der Anströmfläche beschrieben. Ferner weist der Wärmetauscher 21 eine Abströmfläche 24b auf, die in einem Winkel 012 zu der weiteren Kanalhauptrichtung S' geneigt ist. Durch die Neigung ergibt sich vorteilhaft eine große Anströmfläche. Innerhalb des Wärmetauschers 21 weisen die Niedertemperaturkanäle 201 ihrerseits einen Hauptneigungswinkel ß zu der Anströmfläche 24a auf, der von dem Winkel a.i verschieden ist. Dadurch wird die gesamte Umlenkung der Kühlluft beim Durchströmen des Wärmetauschers minimiert, so dass Druckverluste verringert werden. The heat exchanger 21 generally has an inflow surface 24a, which is arranged inclined at an angle a.i to the main channel direction S. A more precise definition of the inflow area is described with reference to FIG. 9. Furthermore, the heat exchanger 21 has an outflow surface 24b which is inclined at an angle 012 to the further main channel direction S'. The inclination advantageously results in a large inflow area. Within the heat exchanger 21, the low-temperature channels 201 in turn have a main angle of inclination β to the inflow surface 24a, which is different from the angle a.i. This minimizes the entire redirection of the cooling air as it flows through the heat exchanger, so that pressure losses are reduced.
Das durch den Strömungskanal 20 strömende Fluid wird in dem Bereich der Eintrittsverkleidung weder verzögert noch beschleunigt, da - wie gemeinsam aus den Fig. 8a und 8b ersichtlich ist - die Querschnittsfläche normal zu einer Axialrichtung Ax in diesem Bereich gleichbleibt. Zwar verengt sich der Strömungskanal 20 in eine Axialrichtung Ax in Fig. 2a, da bereits die Eintrittsverkleidung 22 in den Strömungskanal 20 hineinragt, allerdings erweitert sich der Strömungskanal 20 in einer Radialrichtung R, wie aus Fig. 8b ersichtlich ist, was zusammengenommen zu wesentlich konstanten Flächen der Querschnitte normal zu der Axialrichtung Ax durch die Wärmetauscheranordnung 21‘ führt, während die radialen Begrenzungs wände für eine Querschnittsverkleinerung genutzt werden können, um eine Düsenströmung zu erzeugen. The fluid flowing through the flow channel 20 is neither decelerated nor accelerated in the area of the inlet fairing, since - as can be seen together from FIGS. 8a and 8b - the cross-sectional area normal to an axial direction Ax remains the same in this area. Although the flow channel 20 narrows in an axial direction Ax in FIG. 2a, since the inlet cover 22 already projects into the flow channel 20, however the flow channel 20 expands in a radial direction R, as can be seen from FIG. to create a jet flow.
In Fig. 8b ist das erste Ausführungsbeispiel der Wärmetauscheranordnung 21‘ aus Fig. 8a in einer seitlichen Schnittansicht, insbesondere in einem Meridianschnitt gezeigt. Dargestellt ist die schon erwähnte Strömungsrichtung E des Hochtemperaturgitters 300. In einem hinteren Bereich des Wärmetauschers sind in dem Niedertemperaturgitter 200 und dem Hochtemperaturgitter 300 Querrippen 207 angedeutet, die eine Maßnahme darstellen, um eine vergrößerte Oberfläche für den Wärmetausch bereitzustellen. In Fig. 8b, the first exemplary embodiment of the heat exchanger arrangement 21 'from Fig. 8a is shown in a side sectional view, in particular in a meridian section. The already mentioned flow direction E of the high-temperature grid 300 is shown. In a rear area of the heat exchanger, transverse ribs 207 are indicated in the low-temperature grid 200 and the high-temperature grid 300, which represent a measure to provide an enlarged surface for heat exchange.
In Fig. 9 ist die in Fig. 8a eingezeichnete Detailansicht A vergrößert dargestellt, wobei die tatsächlichen Verläufe der Gittermatrix des Wärmetauschers 21 ersichtlich sind. Der Wärmetauscher 21 umfasst das Niedertemperaturgitter 200, das aus einer Vielzahl an Niedertemperaturkanälen 201 besteht sowie das Hochtemperaturgitter 300, das aus einer Vielzahl an Hochtemperaturkanälen 301 besteht. Die Niedertemperaturkanäle 201 weisen jeweils einen Einlauf 202 auf, der einer Einführung und ersten Umlenkung der Strömung des Kühlfluids aus dem Strömungskanal 20 dient. Der Einlauf 202 endet in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einer stromabwärtigen Engstelle, die als Eintrittsquerschnitt 203 in einen stromabwärts nachfolgenden Diffusorbereich 204 des Niedertemperaturkanals 201 dient. Die Größe einer Querschnittsfläche in dem Diffusorbereich 204 nimmt entlang der Längserstreckung des Diffusorbereichs 204 stetig bis zu einer in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel maximalen Querschnittsfläche 205 zu. An den Diffusorbereich 204 grenzt stromabwärts ein Hauptbereich 206, dessen Querschnitt entlang seiner Längserstreckung konstant ist. Somit ist die maximale Querschnittsfläche einer konstanten Querschnittsfläche 205 in dem Hauptbereich 204. Stromabwärts grenzt an den Hauptbereich 206 eine Düsenbereich 208, dessen Querschnittsfläche sich von der Größe der konstanten Querschnittsfläche 205 auf eine Austrittsquerschnittsfläche 209 verkleinert, so dass die Strömung des Kühlfluids beschleunigt wird. Die Geschwindigkeit der Strömung des Kühlfluids erhöht sich entlang der Durchströmung des Niedertemperaturkanals 201 aufgrund des Wärmestroms aus dem Hochtemperaturkanals 301, der von einem Heißfluid durchströmt wird, das eine höhere Temperatur als das Kühlfluid aufweist. Dadurch wird die Strömung in dem Niedertemperaturkanal 201 weiter beschleunigt. In Fig. 9, the detailed view A shown in Fig. 8a is shown enlarged, whereby the actual courses of the grid matrix of the heat exchanger 21 can be seen. The heat exchanger 21 includes the low-temperature grid 200, which consists of a plurality of low-temperature channels 201, and the high-temperature grid 300, which consists of a plurality of high-temperature channels 301. The low-temperature channels 201 each have an inlet 202, which serves to introduce and first redirect the flow of the cooling fluid from the flow channel 20. In the present exemplary embodiment, the inlet 202 ends at a downstream narrow point, which serves as an inlet cross section 203 into a downstream diffuser region 204 of the low-temperature channel 201. The size of a cross-sectional area in the diffuser region 204 increases steadily along the longitudinal extent of the diffuser region 204 up to a maximum cross-sectional area 205 in the present exemplary embodiment. Adjacent to the diffuser region 204 downstream is a main region 206, the cross section of which is constant along its longitudinal extent. Thus, the maximum cross-sectional area is a constant cross-sectional area 205 in the main area 204. Downstream of the main area 206, a nozzle area 208 borders, the cross-sectional area of which reduces from the size of the constant cross-sectional area 205 to an outlet cross-sectional area 209, so that the flow of the cooling fluid is accelerated. The speed of the flow of the cooling fluid increases along the flow through the low-temperature channel 201 due to the heat flow from the high-temperature channel 301, through which a hot fluid flows which has a higher temperature than the cooling fluid. This further accelerates the flow in the low-temperature channel 201.
Ein Niedertemperaturkanal 201 und ein erster Hochtemperaturkanal 301 weisen jeweils eine erste gemeinsame Wand 400 auf. Ein Hochtemperaturkanal 301 wird dabei von eine gemeinsamen Wand umlaufen, während ein Niedertemperaturkanal 201 eine gemeinsamen erste Wand 400 mit einem ersten benachbarten Hochtemperaturkanal 301 und eine weitere zweite gemeinsame Wand 400 mit einem zweiten benachbarten Hochtemperaturkanal 301 teilt. A low-temperature channel 201 and a first high-temperature channel 301 each have a first common wall 400. A high-temperature channel 301 is surrounded by a common wall, while a low-temperature channel 201 shares a common first wall 400 with a first adjacent high-temperature channel 301 and a further second common wall 400 with a second adjacent high-temperature channel 301.
Der Verlauf der ersten und zweiten Wand 400 in der in Fig. 9 dargestellten Schnittebene wird im Folgenden zunächst anhand der ersten Wand 400 beschrieben: Beginnend an der Anströmfläche 24a weist die Wand 400 in dem Einlaufbereich 202 einen windabgewandten Einlaufabschnitt 402 auf. An den windabgewandten Einlaufabschnitt 402 weist die gemeinsamen Wand 400 in dem Diffusorbereich 204 einen konvexen Diffusorabschnitt 402 auf. An den Diffusorabschnitt 404 anschließend ist ein erster planer Hauptabschnitt 406 in dem Hauptbereich 206 angeordnet. Dessen Wanderstreckung wird für die Bestimmung des Hauptneigungswinkels ß herangezogen. Die Parallelität der Wanderstreckung in dem Hauptabschnitt 406 und der Haupterstreckung E des Hauptbereichs 206 des Niedertemperaturkanals 201 ist in Fig. 9 durch Parallelzeichen dargestellt. An den Hauptabschnitt 406 der gemeinsamen Wand anschließend ist ein konkaver Austrittsabschnitt 408 angeordnet, der sich bis zu der Abströmfläche 24b erstreckt. Gegenüber des ersten gemeinsamen Wandabschnitts ist in dem Niedertemperaturkanal 201 ein weiterer gemeinsamer Wandabschnitt angeordnet, der folgenden Verlauf aufweist: Beginnend an der Anströmfläche 24a weist die zweite gemeinsame Wand 400 einen windzugewandten Einlaufabschnitt 403 in dem Einlaufbereich 202 auf, wobei der windzugewandte Einlaufabschnitt 403 verrundet ist und bis zu der Stelle des geringsten Querschnitts verlaufen kann. An den windzugewandten Einlaufabschnitt 403 schließt ein konkaver Diffusorabschnitt 405 in dem Diffusorabschnitt 204 an. Dabei ist die Krümmung des konvexen Diffusorabschnitts 404 der ersten gemeinsamen Wand 400 größer als die Krümmung des konkaven Diffusorabschnitts 405 der zweiten gemeinsamen Wand 400, so dass sich der Diffusorbereich 204 aufweitet und somit entlang seiner Längserstreckung eine stetig größer werdende Querschnittfläche aufweist, wodurch die Strömung vorteilhaft verzögert wird. An den konkaven Diffusorabschnitt 405 schließt ein zweiter planarer Hauptabschnitt 407 in dem Hauptbereich 206 an, der in der Schnittansicht parallel zu der Erstreckung des ersten Hauptabschnitts 406 verläuft. An den zweiten Hauptabschnitt 407 schließt ein konvexer Austrittsabschnitt 409 in dem Austrittsbereich 208 an, der sich bis zu der Abströmfläche 24b erstreckt. Ein Hochtemperaturkanal 301 ist in dem Ausführungsbeispiel von einer als Blech ausgebildeten einzelnen gemeinsamen Wand 400 umgeben, wobei der konkave Austrittsabschnitt 408 und der konvexe Austrittsabschnitt 409 der einzelnen gemeinsamen Wand 400 aneinander anliegen und verschweißt oder verlötet sind und so den Hochtemperaturkanal 301 vollständig umschließen. The course of the first and second wall 400 in the sectional plane shown in FIG. 9 is initially described below with reference to the first wall 400: Starting at the inflow surface 24a, the wall 400 has an inlet section 402 facing away from the wind in the inlet area 202. At the inlet section 402 facing away from the wind, the common wall 400 in the diffuser region 204 has a convex diffuser section 402. Following the diffuser section 404, a first planar main section 406 is arranged in the main area 206. Its traveling distance is used to determine the main angle of inclination ß. The parallelism of the traveling extent in the main section 406 and the main extent E of the main region 206 of the low-temperature channel 201 is shown in FIG. 9 by parallel symbols. Adjoining the main section 406 of the common wall is a concave exit section 408 which extends to the outflow surface 24b. Opposite the first common wall section, a further common wall section is arranged in the low-temperature channel 201, which has the following course: Starting at the inflow surface 24a, the second common wall 400 has a wind-facing inlet section 403 in the inlet area 202, the wind-facing inlet section 403 being rounded and can extend to the point of the smallest cross-section. A concave diffuser section 405 in the diffuser section 204 adjoins the wind-facing inlet section 403. The curvature of the convex diffuser section 404 of the first common wall 400 is greater than the curvature of the concave diffuser section 405 of the second common wall 400, so that the diffuser region 204 expands and thus has a constantly increasing cross-sectional area along its longitudinal extent, whereby the flow is advantageous is delayed. A second planar main section 407 adjoins the concave diffuser section 405 Main area 206, which runs parallel to the extent of the first main section 406 in the sectional view. The second main section 407 is adjoined by a convex outlet section 409 in the outlet region 208, which extends to the outflow surface 24b. In the exemplary embodiment, a high-temperature channel 301 is surrounded by a single common wall 400 designed as a sheet metal, with the concave outlet section 408 and the convex outlet section 409 of the single common wall 400 abutting against one another and being welded or soldered and thus completely enclosing the high-temperature channel 301.
Fig. 10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung 21‘, wobei die Umfangserstreckung des Strömungskanals 20, hier entsprechend der Umfangserstreckung der Eintrittsfläche 20a, größer als in dem ersten Ausführungsbeispiel ist, während die Größe des Wärmetauschers 21 zu der Größe in dem ersten Ausführungsbeispiel identisch ist. Dadurch wird die Strömung geteilt, wobei ein Teil der Strömung in den Wärmetauscher 21 strömt und ein Teil als ein kalter Strom an dem Wärmetauscher 21 vorbei geleitet ist. Entsprechend ergibt sich ein Heißströmungskanal 29 hinter der Abströmfläche dem Wärmetauscher und ein Kaltströmungskanal 28 neben dem Wärmetauscher, deren Austrittsflächen entsprechend Anteilig zu einem Gesamtmassenstrom beitragen. Fig. 10 shows a second exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement 21 ', wherein the circumferential extent of the flow channel 20, here corresponding to the circumferential extent of the inlet surface 20a, is larger than in the first exemplary embodiment, while the size of the heat exchanger 21 is identical to the size in the first exemplary embodiment . As a result, the flow is divided, with part of the flow flowing into the heat exchanger 21 and a part being passed past the heat exchanger 21 as a cold stream. Accordingly, there is a hot flow channel 29 behind the outflow surface of the heat exchanger and a cold flow channel 28 next to the heat exchanger, the outlet surfaces of which contribute accordingly to a total mass flow.
In Fig. 11 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung 21 ‘ dargestellt, die in dem Ausführungsbeispiel eine Spiegelung der Wärmetauscheranordnung 21 ‘ an einer Spiegelfläche M darstellt, die von einer Radialrichtung R und einer Axialrichtung Ax aufgespannt wird. Dadurch wird eine V-Anordnung der Wärmetauscheranordnung 21 ‘ realisiert, wobei die Wärmetauscheranordnung 21 ‘ ein erstes Wärmetauschermodul 23 und ein zweites Wärmetauschermodul 23 ‘ aufweist. Die beiden Wärmetauschermodule 23, 23 ‘ sind in Strömungsrichtung vorne durch eine gemeinsame Eintrittsverkleidung 22 verbunden, weisen aber jeweils eine eigene Austrittsverkleidung 27 auf. Die An- und Abströmwinkel der An- und Abströmflächen 24a, 24b können aber je nach Einbausituation variieren. So kann vorgesehen sein, dass ein erster Anströmwinkel a.i einer ersten Anströmfläche 24a kleiner oder größer ist als ein Anströmwinkel 012 einer zweiten Anströmfläche 24a‘. Entsprechendes gilt für den ersten Abströmwinkel ai‘ der ersten Abströmfläche 24b und den ersten Abströmwinkel oU der zweiten Abströmfläche 24b‘. Der Heißströmungskanal 29 entspringt dabei an den beiden Ab Strömflächen 24b und 24b‘ der beiden Wärmetauschermodule 23, 23 ‘ und verläuft zwischen diesen. Zwischen den Austrittsverkleidungen 27 erfolgt eine Expansion des erwärmten Kühlgases. Der Kaltströmungskanal 7 ist ein Kanalabschnitt, der an dem Wärmetauscher 21 beidseitig vorbeigeleitet ist. 11 shows a third exemplary embodiment of a heat exchanger arrangement 21 ', which in the exemplary embodiment represents a reflection of the heat exchanger arrangement 21 'on a mirror surface M, which is spanned by a radial direction R and an axial direction Ax. This results in a V arrangement of the heat exchanger arrangement 21', with the heat exchanger arrangement 21' having a first heat exchanger module 23 and a second heat exchanger module 23'. The two heat exchanger modules 23, 23 'are connected at the front in the direction of flow by a common inlet panel 22, but each has its own outlet panel 27. However, the inflow and outflow angles of the inflow and outflow surfaces 24a, 24b can vary depending on the installation situation. It can thus be provided that a first inflow angle ai of a first inflow surface 24a is smaller or larger than an inflow angle 012 of a second inflow surface 24a'. The same applies to the first outflow angle ai' of the first outflow surface 24b and the first outflow angle oU of the second outflow surface 24b'. The hot flow channel 29 originates at the two flow surfaces 24b and 24b' of the two heat exchanger modules 23, 23' and runs between them. The heated cooling gas expands between the outlet panels 27. The cold flow channel 7 is a channel section that is guided past the heat exchanger 21 on both sides.
Auch die in den Fig. 10 und Fig. 11 beschriebene Wärmetauscheranordnung 1 kann in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sein, so dass sich insbesondere eine Wärmetauscheranordnung 21‘ mit mehrere abwechselnden Heißströmungskanälen 29 und Kaltströmungskanälen 28 ergibt, wie beispielsweise in Fig. 2 an dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt ist. The heat exchanger arrangement 1 described in FIGS. 10 and 11 can also be arranged in a repeating pattern, so that in particular a heat exchanger arrangement 21 'results with several alternating hot flow channels 29 and cold flow channels 28, as for example in FIG. 2 on the first Embodiment according to the invention is shown.
In Fig. 12 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbine schematisch dargestellt. Die Hochdruckturbinenwelle 9 wird von der Hochdruckturbine 14 angetrieben, über die sich das Arbeitsgas aus der Brennkammer 13 entspannt. Die HochdruckturbinenwelleAn embodiment of the gas turbine according to the invention is shown schematically in FIG. The high-pressure turbine shaft 9 is driven by the high-pressure turbine 14, via which the working gas from the combustion chamber 13 expands. The high pressure turbine shaft
9 treibt den einzigen mehrstufigen Verdichter dieser Ausführungsform an. Denn von der Niederdruckturbinenwelle 9‘, die von der Niederdruckturbine 15 angetrieben wird, wird ausschließlich der Fan über ein Getriebe angetrieben. In die Niederdruckturbine speist auch die Dampfturbine 46 ihre Leistung über ein Dampfturbinengetriebe 47 ein. 9 drives the single multistage compressor of this embodiment. Because only the fan is driven via a gearbox by the low-pressure turbine shaft 9 ', which is driven by the low-pressure turbine 15. The steam turbine 46 also feeds its power into the low-pressure turbine via a steam turbine gearbox 47.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
1 Antriebssystem 1 drive system
2 Gasturbine / Strömungsmaschine 2 gas turbine / turbomachine
3 Pylon 3 pylon
4 Flügel 4 wings
5 Außengehäuse der Gasturbine 5 outer casing of the gas turbine
6 Innengehäuse der Gasturbine 6 inner casing of the gas turbine
6‘ Innengehäuseabschluss 6' inner casing termination
7 Einlauf 7 enema
8 Fan 8 fan
9 Hochdruckturbinenwelle 9 high pressure turbine shaft
9‘ Niederdruckturbinenwelle 9' low pressure turbine shaft
10 Kemstromkanal bzw. Hauptstromkanal 10 core flow channel or main flow channel
11 Getriebe 11 gears
12 Verdichter 12 compressors
13 Brennkammer 13 combustion chamber
14 Hochdruckturbine 14 high pressure turbine
15 Niederdruckturbine 15 low pressure turbine
16 Turbinenaustrittsgehäuse 16 turbine outlet housing
17 Abgaskanal 17 exhaust duct
18 Abgasbehandlungssystem 18 Exhaust gas treatment system
20 Nebenstromkanal (Bypass) 20 bypass channel (bypass)
21 Kondensator 21 capacitor
22 Eintrittsverkleidung 22 Entrance fairing
23 (erstes) Kondensatormodul (eines Kondensatormodulpaares) 23 (first) capacitor module (of a pair of capacitor modules)
23 ‘ zweites Kondensatormodul eines Kondensatormodulpaares 23 ' second capacitor module of a pair of capacitor modules
24a Luftnebenstromrichtung zugewandte Seitenfläche eines Kondensatormoduls, erste24a side surface of a capacitor module facing the air bypass flow direction, first
Anströmfläche Flow surface
24a‘ zweite Anströmfläche 24a' second inflow surface
24b Luftnebenstromrichtung abgewandte Seitenfläche eines Kondensatormoduls, erste24b Side surface of a capacitor module facing away from the air bypass flow direction, first
Ab Strömfläche 24b ‘ zweite Ab strömfläche From flow surface 24b 'second outflow surface
24c Kühlkanäle 24c cooling channels
25 Kondensatormodulpaar 25 capacitor module pair
26 Abgaskanal 26 exhaust duct
27 Austrittsverkleidung des (ersten) Kondensatormoduls27 Exit panel of the (first) capacitor module
27‘ Austrittsverkleidung des zweiten Kondensatormoduls27' exit panel of the second capacitor module
28 kalte Nebenstromdüse 28 cold bypass nozzle
29 heiße Nebenstromdüse 29 hot bypass nozzle
30 Wassersystem 30 water system
31 Was serab schei deeinri chtung 31 Was serab sche deinstitution
32 Eintrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung 32 inlet channel of the water separation device
33 Krümmer 33 manifolds
34 Drallerzeuger 34 twist generators
35 Austrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung 35 outlet channel of the water separation device
36 Kemaustrittsdüse 36 core outlet nozzle
37 Wasserleitung 37 water pipe
38 Wasserreservoir 38 water reservoir
38‘ Wasseraufbereitungssystem 38' water purification system
39 Wasserpumpe 39 water pump
39a Zuführeinrichtung 39a feed device
39b Einspritzeinrichtung 39b injection device
40 Dampfsystem 40 steam system
41 Dampferzeuger 41 steam generators
42 Vorheizer 42 preheaters
43 Verdampfer 43 evaporators
44 Überhitzer 44 superheaters
45 Dampfleitung 45 steam pipe
46 Dampfturbine 46 steam turbine
47 Dampfturbinengetriebe 47 steam turbine gearboxes
48 Mischkammer 48 mixing chamber
200 Niedertemperaturgitter 201 Niedertemperaturkanal 200 low temperature grids 201 low temperature channel
202 Einlauf 202 enema
203 Eintrittsquerschnitt 203 entry cross section
204 Diffusorbereich 204 diffuser area
205 konstante Querschnittsfläche 205 constant cross-sectional area
206 Hauptbereich eines Niedertemperaturkanals 206 Main area of a low temperature channel
207 Querrippen 207 transverse ribs
208 Düsenbereich 208 nozzle area
209 Austrittsquerschnitt 209 exit cross section
300 Hochtemperaturgitter 300 high temperature grids
301 Hochtemperaturkanal 301 high temperature channel
400 gemeinsame Wand zur Wärmeübertragung 400 common wall for heat transfer
402 windabgewandter Einlaufabschnitt 402 inlet section facing away from the wind
403 windzugewandter Einlaufabschnitt 403 windward inlet section
404 konvexer Diffusorabschnitt der gemeinsamen Wand404 common wall convex diffuser section
405 konkaver Diffusorabschnitt der gemeinsamen Wand405 common wall concave diffuser section
406 gerader Hauptabschnitt der gemeinsamen Wand406 straight main section of common wall
408 konkaver Düsenabschnitt der gemeinsamen Wand408 concave nozzle section of the common wall
409 konkaver Düsenabschnitt der gemeinsamen Wand 409 concave nozzle section of the common wall
Ax axiale Richtung Ax axial direction
R radiale Richtung R radial direction
U Umfangsrichtung U circumferential direction
S Kanalhauptrichtung S channel main direction
S‘ Kanal ab strömri chtung S' channel from flow direction
E Erstreckungsachse E extension axis
M Spiegelfläche M mirror surface
G (Ab-)Gasströmung G (exhaust) gas flow
W Wasser W water
100 Strömungsmaschine ai erster Anströmwinkel a.2 zweiter Anströmwinkel ai‘ erster Ab ström winkel oi2 ‘ zweiter Ab ström winkel ß Hauptneigungswinkel 100 turbomachine ai first approach angle a.2 second approach angle ai' first outflow angle oi2 ' second outflow angle ß main inclination angle
Ti Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus der (Niederdruck-)TurbineTi temperature of the gas flow as it exits the (low-pressure) turbine
T2 Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus dem DampferzeugerT2 Temperature of the gas flow exiting the steam generator
T3 Temperatur des Dampfs beim Austreten aus dem Dampferzeuger T4 Temperatur der Gasströmung beim Austreten aus der Brennkammer T3 Temperature of the steam leaving the steam generator T4 Temperature of the gas flow leaving the combustion chamber
500 Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine a-g Verfahrensschritte 600 Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine h-1 Verfahrensschritte 500 method for operating a gas turbine a-g method steps 600 method for operating a gas turbine h-1 method steps

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Antriebssystem (1) für ein Luftfahrzeug, mit einer Gasturbine (2), die einen Kemstromkanal (10) aufweist, wobei in dem Kemstromkanal (10) in Strömungsrichtung ein Verdichter (12), eine Brennkammer (13), eine erste Turbine, insbesondere Hochdruckturbine (14), zum Antreiben des Verdichters (12), und eine zweite Turbine, insbesondere Niederdruckturbine (15), angeordnet sind, und einem Wassersystem (30) zum Bereitstellen von Wasser durch Rückgewinnung aus einem Abgas aus dem Kemstromkanal (10). 1. Drive system (1) for an aircraft, with a gas turbine (2) which has a core flow channel (10), wherein in the core flow channel (10) in the direction of flow a compressor (12), a combustion chamber (13), a first turbine, in particular high-pressure turbine (14), for driving the compressor (12), and a second turbine, in particular low-pressure turbine (15), are arranged, and a water system (30) for providing water by recovering an exhaust gas from the core flow channel (10).
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtdruckverhältnis der Gasturbine zwischen 20 bis 40, und vorzugsweise 22 bis 35 liegt. 2. Drive system according to claim 1, characterized in that the total pressure ratio of the gas turbine is between 20 to 40, and preferably 22 to 35.
3. Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (12), insbesondere Hochdruckverdichter, ein Druckverhältnis von 13 bis 30, vorzugsweise 16 bis 27, aufweist. 3. Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor (12), in particular high-pressure compressor, has a pressure ratio of 13 to 30, preferably 16 to 27.
4. Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gasturbine (2) eine erste Antriebswelle (9) aufweist, die von der ersten Turbine (14), insbesondere Hochdruckturbine, angetrieben wird und den Verdichter (12) antreibt und eine zweite Antriebswelle (9‘) aufweist, die von der zweiten Turbine (15), insbesondere Niederdruckturbine, angetrieben wird und insbesondere über ein Getriebe (11), einen Fan (8) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (12) der einzige über eine der Antriebswellen der Gasturbine (9, 9‘) angetriebene Verdichter (12) der Gasturbine (2) ist. 4. Drive system according to one of the preceding claims, wherein the gas turbine (2) has a first drive shaft (9), which is driven by the first turbine (14), in particular a high-pressure turbine, and drives the compressor (12) and a second drive shaft (9 '), which is driven by the second turbine (15), in particular low-pressure turbine, and in particular drives a fan (8) via a gearbox (11), characterized in that the compressor (12) is the only one via one of the drive shafts Gas turbine (9, 9 ') driven compressor (12) of the gas turbine (2).
5. Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (14) der Gasturbine einstufig ausgeführt ist. 5. Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the first turbine (14) of the gas turbine is designed in one stage.
6. Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsverhältnis der ersten Turbine (14) der Gasturbine 2.3 bis 3.2, insbesondere 2.5 bis 3.0, ist. 6. Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion ratio of the first turbine (14) of the gas turbine is 2.3 to 3.2, in particular 2.5 to 3.0.
7. Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine als Nebenstromtriebwerk ausgebildet ist und ein Nebenstromverhältnis aufweist, das größer als 30 ist, oder als Open-Rotor ausgebildet ist und ein Nebenstromverhältnis aufweist, das größer als 50, insbesondere größer als 60 und besonders bevorzugt größer als 70 ist. 7. Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the gas turbine is designed as a bypass engine and has a bypass ratio that is greater than 30, or is designed as an open rotor and has a bypass ratio that is greater than 50, in particular greater than 60 and particularly preferably greater than 70.
8. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Gasturbine um eine mit Wasserstoff betreibbare Gasturbine handelt und/oder ein Abgasbehandlungssystem, insbesondere das Wassersystem und/ oder ein Dampfsystem eine Wärmetauscheinrichtung zur Unterstützung der Rückgewinnung von Wasser auf Basis der Kühlwirkung des insbesondere kryogenen Wasserstoffs aufweist. 8. Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the gas turbine is a gas turbine that can be operated with hydrogen and / or an exhaust gas treatment system, in particular the water system and / or a steam system, a heat exchange device to support the recovery of water based on the Has cooling effect of the cryogenic hydrogen in particular.
9. Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (5, 6), insbesondere Außengehäuse oder Innengehäuse, den Kernstromkanal (10) und/oder einen Nebenstromkanal (20) radial außen umgibt, und dass das Wassersystem (30) zumindest zum Teil in und/oder an dem Gehäuse (5) angeordnet ist. 9. Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that a housing (5, 6), in particular outer housing or inner housing, surrounds the core flow channel (10) and / or a secondary flow channel (20) radially on the outside, and that the water system (30) is arranged at least partially in and/or on the housing (5).
10. Antriebssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassersystem (30) zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung (31) und einen, insbesondere als Kondensator ausgebildeten, Wärmetauscher (21) zur Kühlung des Abgases, mittels eines relativ zum Abgas eine niedrigere Temperatur aufweisenden und/oder eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Kühlfluids, umfasst. 10. Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the water system (30) has at least one water separation device (31) and a heat exchanger (21), in particular designed as a condenser, for cooling the exhaust gas by means of a lower temperature relative to the exhaust gas and/or cooling fluid having a high flow velocity.
11. Antriebssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (21) mindestens ein Kondensatormodul (23) umfasst, und/oder die Wasserabscheideeinrichtung (31) in dem Gehäuse (5) angeordnet ist, und/oder dass das mindestens eine Kondensatormodul (23) in dem Nebenstromkanal (20) angeordnet ist und Abgaskanäle (26) aufweist, die ein Abgas aus dem Hauptstromkanal (10) vorwiegend nach radial außen durch den Nebenstromkanal (20) insbesondere in das Gehäuse (5, 6) leiten. 11. Drive system according to claim 10, characterized in that the heat exchanger (21) comprises at least one capacitor module (23), and / or the water separation device (31) is arranged in the housing (5), and / or that the at least one capacitor module ( 23) arranged in the secondary flow channel (20). is and has exhaust channels (26) which direct an exhaust gas from the main flow channel (10) predominantly radially outwards through the secondary flow channel (20), in particular into the housing (5, 6).
12. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Wassersystem (20) einen, insbesondere als Kondensator (21) ausgebildeten, Wärmetauscher (21) mit einem Hochtemperaturgitter (300) zur Führung eines Heißfluids, insbesondere eines Abgases der Gasturbine (2), und mit einem Niedertemperaturgitter (200) zur Führung eines Kühlfluids, insbesondere eines Luftstroms aus einem Nebenstromkanal (20), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem von dem Kühlfluid durchströmten ersten Niedertemperaturkanal (201) des Niedertemperaturgitters (200) ein Diffusorbereich (204) zur Verzögerung des Kühlfluids angeordnet ist, und dass der Diffusorbereich (204) und ein von dem Heißfluid durchströmter erster Hochtemperaturkanal (301) des Hochtemperaturgitters (300) zumindest eine gemeinsame Wand (400) zur Wärmeübertragung aufweisen. 12. Drive system according to one of claims 10 or 11, wherein the water system (20) has a heat exchanger (21), in particular designed as a condenser (21), with a high-temperature grid (300) for guiding a hot fluid, in particular an exhaust gas from the gas turbine (2). , and with a low-temperature grid (200) for guiding a cooling fluid, in particular an air flow from a bypass channel (20), characterized in that in at least one first low-temperature channel (201) of the low-temperature grid (200) through which the cooling fluid flows, a diffuser region (204 ) is arranged to delay the cooling fluid, and that the diffuser area (204) and a first high-temperature channel (301) of the high-temperature grid (300) through which the hot fluid flows have at least one common wall (400) for heat transfer.
13. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Antriebssystem ein Dampfsystem (40) zur Erzeugung von Dampf aus dem bereitgestellten Wasser aus dem Wassersystem (30) aufweist, wobei der Dampf dem Arbeitsgas zugeführt wird und/oder zur Kühlung von Bauteilen verwendet wird. 13. Drive system according to one of the preceding claims, wherein the drive system has a steam system (40) for generating steam from the water provided from the water system (30), the steam being supplied to the working gas and / or being used to cool components.
14. Antriebssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb mittels des Dampfsystems (40) ein Anteil von 5-40 Massen%, vorzugsweise 15-35 Massen% Wasser im Arbeitsgas einstellbar ist. 14. Drive system according to claim 13, characterized in that a proportion of 5-40% by mass, preferably 15-35% by mass, of water in the working gas can be set during operation by means of the steam system (40).
15. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Reiseflug mittels des Dampfsystems (40) ein Anteil von 10-30 Massen%, vorzugsweise 15-25 Massen% Wasser im Arbeitsgas einstellbar ist. 15. Drive system according to one of claims 13 to 14, characterized in that in cruise flight by means of the steam system (40) a proportion of 10-30 mass%, preferably 15-25 mass%, of water in the working gas can be set.
16. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wassersystem (30) und/oder das Dampfsystem (40) zumindest zum Teil, vorzugsweise zum überwiegenden Teil in und/oder in radialer Richtung (R) innerhalb des Gehäuses (5, 6), insbesondere des Außengehäuses (5) angeordnet sind. Antriebssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 16, mit einem das Wassersystem (30) und das Dampfsystem (40) durchlaufenden Abgaskanal (17), der mit einem Abgas aus dem Hauptstromkanal (10) der Gasturbine (2) durchströmbar ist, wobei das Dampfsystem (40) einen Dampferzeuger (41) und das Wassersystem (30) einen Kondensator (21) zur Kühlung einer den Abgaskanal (17) durchströmenden Abgasströmung (G) aufweisen, wobei der Kondensator (21) bezogen auf eine Richtung der Abgasströmung (G) dem Dampferzeuger (41) nachgelagert angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dampferzeuger (41) und dem Kondensator (21) eine Zuführeinrichtung (39a) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, zum Kühlen der Abgasströmung (G) Wasser (39b) in die Abgasströmung (G) einzubringen. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels des Dampfs des Dampfsystems (40) betreibbare Dampfturbine (46) vorgesehen ist, die insbesondere konzentrisch zu einer Antriebswelle (9, 9‘) angeordnet ist und ihre mechanische Leistung, insbesondere über ein Dampfturbinengetriebe (47), an die Antriebswelle (9) speist. Luftfahrzeug, insbesondere Flächenflugzeug, mit mindestens einem Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren (500) zum Betreiben eines Antriebssystems (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18, für ein Luftfahrzeug mit von einer Gasströmung (G) in einem Hauptstromkanal (10) einer Gasturbine (2) durchströmten Verdichter (12), Brennkammer (13), Turbine (14, 15) und einem der Turbine (14, 15) nachgelagerten Dampferzeuger (41), wobei der Dampferzeuger (41) aus einem Wasser mittels einer Energie der Gasströmung (G) einen Dampf erzeugt, welcher der Gasströmung (G) zum Verbrennen mit Brennstoff der Brennkammer (13) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung (G) beim Austreten aus der Turbine (14, 15), insbesondere beim Austreten aus einer Niederdruckturbine (15), eine Temperatur (Ti) zwischen 700 und 980 K, insbesondere zwischen 800 und 980 K, aufweist, um die Energie zum Erzeugen des Dampfs bereitzustellen. 16. Drive system according to one of the preceding claims, wherein the water system (30) and / or the steam system (40) at least partially, preferably predominantly in and / or in the radial direction (R) within the housing (5, 6), in particular the outer housing (5) are arranged. Drive system (1) according to one of the preceding claims 13 to 16, with an exhaust gas duct (17) running through the water system (30) and the steam system (40), through which an exhaust gas from the main flow duct (10) of the gas turbine (2) can flow, wherein the steam system (40) has a steam generator (41) and the water system (30) has a condenser (21) for cooling an exhaust gas flow (G) flowing through the exhaust gas duct (17), the condenser (21) being related to a direction of the exhaust gas flow ( G) is arranged downstream of the steam generator (41), characterized in that a feed device (39a) is arranged between the steam generator (41) and the condenser (21), which is designed to supply water (39b) for cooling the exhaust gas flow (G). ) into the exhaust gas flow (G). Drive system according to one of claims 13 to 17, characterized in that a steam turbine (46) which can be operated by means of the steam from the steam system (40) is provided, which is arranged in particular concentrically to a drive shaft (9, 9 ') and its mechanical power, in particular via a steam turbine gearbox (47) to the drive shaft (9). Aircraft, in particular fixed-wing aircraft, with at least one drive system (1) according to one of the preceding claims. Method (500) for operating a drive system (1), in particular according to one of claims 1 to 18, for an aircraft with a compressor (12) through which a gas flow (G) flows in a main flow channel (10) of a gas turbine (2), a combustion chamber ( 13), turbine (14, 15) and a steam generator (41) downstream of the turbine (14, 15), the steam generator (41) generating steam from water using energy from the gas flow (G), which corresponds to the gas flow (G ) is supplied to the combustion chamber (13) for burning with fuel, characterized in that the gas flow (G) when exiting the turbine (14, 15), in particular when exiting a low-pressure turbine (15), has a temperature (Ti) between 700 and 980 K, in particular between 800 and 980 K, to provide the energy to generate the steam.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Gasströmung (G) beim Austreten aus der Brennkammer (13) eine Temperatur (T4) zwischen 1600K und 175 OK, insbesondere zwischen 1650 und 1750 K aufweist. 22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Gasströmung (G) beim Austreten aus dem Dampferzeuger (41) eine Temperatur (T2) zwischen 400 und 480 K aufweist. 21. The method according to claim 20, wherein the gas flow (G) has a temperature (T4) between 1600K and 175K, in particular between 1650 and 1750K, when exiting the combustion chamber (13). 22. The method according to claim 20 or 21, wherein the gas flow (G) has a temperature (T2) between 400 and 480 K when emerging from the steam generator (41).
23. Verfahren (500) nach einem Ansprüche 20 bis 22, wobei der Dampferzeuger (41) den Dampf auf eine Temperatur (T3) zwischen 600 und 900 K, insbesondere zwischen 700K und 740K erhitzt. 23. Method (500) according to one of claims 20 to 22, wherein the steam generator (41) heats the steam to a temperature (T3) between 600 and 900 K, in particular between 700K and 740K.
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