DE102006021436A1

DE102006021436A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102006021436A1
Application number: DE102006021436A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Donnerhack; Günter Dr. Ramm
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-11-15
Also published as: EP2016267A1; WO2007128280A1; US20090133380A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit mindestens einem Verdichter (11, 13, 14), mindestens einer Brennkammer (15) und mindestens einer Turbine (16, 17, 18) und mit einem Abgaswärmetauscher (23), welcher der Rückführung von Abwärme des Abgases in verdichtete Verbrennungsluft vor einem Eintritt derselben in eine Brennkammer (15) dient. Erfindungsgemäß dient der Abgaswärmetauscher (23) als Träger für Katalysatoren zu katalytischen Nachbehandlung des Abgases, um so den Schadstoffausstoß, insbesondere einen NOx-Ausstoß, des Gasturbinentriebwerks zu verringern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Praxis bekannte Gasturbinenflugtriebwerke verfügen über mindestens einen Verdichter, mindestens eine Brennkammer sowie mindestens eine Turbine, wobei mindestens ein Verdichter über jeweils eine Welle mit mindestens einer Turbine gekoppelt ist. So sind aus der Praxis als Dreiweller ausgebildete Gasturbinenflugtriebwerke bekannt, die einen als Fan ausgebildeten Niederdruckverdichter aufweisen, der über eine erste Welle mit einer Niederdruckturbine gekoppelt ist. Neben dem Niederdruckverdichter und der Niederdruckturbine, die über die erste Welle miteinander gekoppelt sind, verfügen Dreiweller weiterhin über einen Mitteldruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, eine Hochdruckturbine sowie eine Mitteldruckturbine, wobei der Mitteldruckverdichter mit der Mitteldruckturbine über eine zweite Welle und der Hochdruckverdichter mit der Hochdruckturbine über eine dritte Welle gekoppelt ist. Typischerweise sind diese drei Wellen konzentrisch ineinander verschachtelt.
Aus der Praxis bekannte Gasturbinenflugtriebwerke kommen dann, wenn es um die Reduzierung von Lärmemissionen und Schadstoffemissionen geht, an ihre konzeptionellen Grenzen. Zur Lärmreduzierung ist es aus der Praxis bereits bekannt, bei sogenannten Fan-Gasturbinenflugtriebwerken ein hohes Nebenstromverhältnis und eine geringe Fangeschwindigkeit einzustellen. Dies kann dadurch erzielt werden, dass der als Niederdruckverdichter dienende Fan eines Gasturbinenflugtriebwerks über ein Untersetzungsgetriebe mit einer schnelllaufenden Niederdruckturbine gekoppelt wird. Hierdurch können Lärmemissionen effektiv reduziert werden.
Zur Reduktion von Schadstoffemissionen wird bei aus der Praxis bekannten Gasturbinenflugtriebwerken versucht, deren Wirkungsgrad zu erhöhen. So ist es aus der Praxis bereits bekannt, bei einem als Dreiweller ausgebildeten Fan-Gasturbinenflugtriebwerk stromabwärts der Niederdruckturbine einen Wärmetauscher zu positionieren, der dem Abgas Abwärme entnimmt und dieselbe der im Hochdruckverdichter verdichteten Luft vor Eintritt in die Brennkammer zuführt. Hierdurch kann der Wirkungsgrad eines Gasturbinenflugtriebwerks erhöht werden, wodurch der Treibstoffverbrauch sinkt und damit letztendlich Schadstoffemissionen reduziert werden können.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Gasturbinentriebwerk zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Gasturbinentriebwerk gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß dient der Abgaswärmetauscher als Träger für Katalysatoren zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases, um so den Schadstoffausstoß, insbesondere einen NOx-Ausstoß, des Gasturbinentriebwerks zu verringern.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist der Abgaswärmetauscher mit einem katalytisch effektiven Werkstoff beschichtet, um im Gasturbinenflugtriebwerk eine katalytische Abgasnachbehandlung zu etablieren. Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals eine katalytische Abgasnachbehandlung an Gasturbinentriebwerken, wie Gasturbinenflugtriebwerken, vorgeschlagen. Eine solche Abgasnachbehandlung an Gasturbinenflugtriebwerken galt bislang als nicht realisierbar, weil in ein Gasturbinenflugtriebwerk nicht integrierbar. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, Katalysatoren zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases in den Abgaswärmetauscher zu integrieren. Hierdurch können Schadstoffemissionen, insbesondere NOx-Emissionen, deutlich reduziert werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerks.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 am Beispiel eines als Dreiweller ausgebildeten Gasturbinenflugtriebwerks 10 beschrieben. Das Gasturbinenflugtriebwerk 10 der 1 verfügt über einen als Niederdruckverdichter wirkenden Fan 11 sowie ein sich in Strömungsrichtung der zu verdichtenden Luft gesehen stromabwärts des Fans 11 anschließendes Kerntriebwerk 12, wobei das Kerntriebwerk 12 einen Mitteldruckverdichter 13, einen Hochdruckverdichter 14, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 umfasst. Der Fan 11 ist über eine erste Welle 19 mit der Niederdruckturbine 18 gekoppelt, nämlich unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes 20.
Der Mitteldruckverdichter 13 ist über eine zweite Welle 21 mit der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt. Der Hochdruckverdichter 14 ist über eine dritte Welle 22 mit der Hochdruckturbine 16 gekoppelt. Wie 1 entnom men werden kann, sind die drei Wellen 19, 21 und 22 konzentrisch ineinander verschachtelt.
Gemäß 1 ist stromabwärts der Niederdruckturbine 18 ein Abgaswärmetauscher 23 angeordnet. Der Abgaswärmetauscher 23 wird von dem heißen, die Niederdruckturbine 18 verlassenen Abgas durchströmt und überträgt Abwärme des Abgases auf die im Hochdruckverdichter 14 verdichtete Verbrennungsluft, nämlich vor Eintritt derselben in die Brennkammer 15. Zwischen den Mitteldruckverdichter 13 und den Hochdruckverdichter 14 ist ein Zwischenkühler 24 geschaltet, welcher der Abkühlung der im Mitteldruckverdichter 13 verdichteten Verbrennungsluft dient, und zwar bevor dieselbe in den Hochdruckverdichter 14 eintritt.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung dient der Abgaswärmetauscher 23 als Träger für Katalysatoren zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases, um so den Schadstoffausstoß, insbesondere NOx-Emissionen, des Gasturbinenflugtriebwerks 10 zu reduzieren. Der Abgaswärmetauscher 23 ist hierzu an abgasführenden Oberflächen mit einem katalytisch effektiven Werkstoff beschichtet. Erfindungsgemäß wird demnach vorgeschlagen, eine katalytische Abgasnachbehandlung an einem Gasturbinenflugtriebwerk in einen Abgaswärmetauscher desselben zu integrieren. Der Abgaswärmetauscher übernimmt demnach zwei Funktionen, nämlich erstens die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads des Gasturbinenflugtriebwerks durch Rücktransport von Abwärme in die der Brennkammer 15 zuzuführende Verbrennungsluft, und zweitens die Bereitstellung einer katalytischen Abgasnachbehandlung zur Reduktion von Schadstoffemissionen.
Vorzugsweise ist der Abgaswärmetauscher 23 an seinen abgasführenden Oberflächen mit einem katalytisch effektiven Metall oder einer katalytisch effektiven Metalllegierung beschichtet; es sind jedoch auch andere katalytisch effektive Materialien, wie z. B. Kunststoffe denkbar. Die katalytisch effektive Metalllegierung enthält zumindest Platin und/oder Palladium und/oder Rhenium sowie vorzugsweise auch mindestens ein Metall aus der Gruppe der seltenen Erden. Zu den Metallen der seltenen Erden gehören die chemischen Elemente der dritten Nebengruppe des Periodensystems, mit Ausnahme des Actiniums, und die Lanthanoide. Zu den Metallen der seltenen Erden gehören insbesondre Yttrium und Lanthan.
Der Abgaswärmetauscher 23 ist als Gas-Gas-Wärmetauscher mit einer relativ großen Oberfläche ausgeführt.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Abgaswärmetauscher 23 um einen Lanzettenmatrixwärmetauscher, wie er insbesondere aus der EP 0 328 043 B1 oder der EP 0 328 044 B1 oder der EP 0 313 038 B1 bekannt ist. Derartige Lanzettenmatrixwärmetauscher verfügen über große gasführende Oberflächen, nämlich einerseits über große abgasführende Oberflächen und andererseits große verbrennungsluftführende Oberflächen, um einen effektiven Wärmeübergang vom Abgas auf die im Hochdruckverdichter 14 verdichtete Verbrennungsluft zu ermöglichen. Demnach stellen dieselben auch eine große Oberfläche zur Beschichtung mit katalytisch effektiven Werkstoffen bereit.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals ein Gasturbinenflugtriebwerk mit einer in dieselben integrierten katalytischen Abgasnachbehandlung vorgeschlagen.

10: Gasturbinenflugtriebwerk
11: Fan/Niederdruckverdichter
12: Kerntriebwerk
13: Mitteldruckverdichter
14: Hochdruckverdichter
15: Brennkammer
16: Hochdruckturbine
17: Mitteldruckturbine
18: Niederdruckturbine
19: erste Welle
20: Untersetzungsgetriebe
21: zweite Welle
22: dritte Welle
23: Abgaswärmetauscher
24: Zwischenkühler

Claims

Gasturbinentriebwerk, mit mindestens einem Verdichter (11, 13, 14), mindestens einer Brennkammer (15) und mindestens einer Turbine (16, 17, 18), und mit einem Abgaswärmetauscher (23), welcher der Rückführung von Abwärme des Abgases in verdichtete Verbrennungsluft vor einem Eintritt derselben in eine Brennkammer (15) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (23) als Träger für Katalysatoren zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases dient, um so den Schadstoffausstoß, insbesondre einen NOx-Ausstoß, des Gasturbinentriebwerks zu verringern.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (23) an abgasführenden Oberflächen mit einem katalytisch effektiven Metall oder einer katalytisch effektiven Metalllegierung beschichtet ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch effektiven Metalllegierung zumindest Platin und/oder Palladium und/oder Rhenium enthält.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch effektiven Metalllegierung weiterhin mindestens ein Metall aus der Gruppe der seltenen Erden enthält.
Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (23) stromabwärts der oder jeder Turbine (16, 17, 18) angeordnet ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe als Dreiweller mit einem über eine erste Welle (19) und ein Getriebe (20) mit einer Niederdruckturbine (16) gekoppelten Fan (11), mit einem über eine zweite Welle (21) mit einer Mitteldruckturbine (17) gekoppelten Mitteldruckverdichter (13) und mit einem über eine dritte Welle (22) mit einer Hochdruckturbine (18) gekoppelten Hochdruckverdichter (14) ausgebildet ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mitteldruckverdichter (13) und den Hochdruckverdichter (14) ein Zwischenkühler (24) geschaltet ist, um im Mitteldruckverdichter (13) verdichtete Luft vor Eintritt in den Hochdruckverdichter (14) abzukühlen.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (23) stromabwärts der Niederdruckturbine (18) angeordnet ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (23) als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (23) als Lanzettenmatrixwärmetauscher ausgebildet ist.