DE102022115587A1

DE102022115587A1 - Antriebssystem für ein Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022115587A1
Application number: DE102022115587.0A
Authority: DE
Inventors: Sascha Kaiser; Hermann Klingels; Petra Kufner; Sebastian Benke
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2022-06-06
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-12-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem (1) für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine (2), mit einem Hauptstromkanal (10) und einem Nebenstromkanal (20), einem Wassersystem (30) und einem Dampfsystem (40), wobei das Wassersystem (30) zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung (31) und einen Kondensator (21) mit mindestens einem Kondensatormodul (23) umfasst, wobei die Gasturbine (2) ein Gehäuse (5, 6), insbesondere ein Außengehäuse (5), das den Nebenstromkanal (20) außen begrenzt, und/oder ein Innengehäuse (6), das den Hauptstromkanal (10) umfasst, aufweist. Ein Antriebssystem, dessen Wasser- und Dampfsystem stärker in die Gasturbine integriert ist, wird erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass die Wasserabscheideeinrichtung (31) in und/oder an dem Außengehäuse (5), insbesondere in der Cowling, 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) durch den Nebenstromkanal (20) und in und/oder durch das Außengehäuse (5) leiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine mit einem Hauptstromkanal, einem Nebenstromkanal, einem Wassersystem und einem Dampfsystem. Das Wassersystem umfasst zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung und einen Kondensator mit mindestens einem Kondensatormodul, wobei die Gasturbine ein Außengehäuse aufweist, das den Nebenstromkanal außen begrenzt. Das in der Wasserabscheideeinrichtung gewonnene Wasser wird dem Dampfsystem zugeführt. Das Wasser wird in dem Dampfsystem in einem Dampferzeuger durch Abgaswärme verdampft und treibt eine Dampfturbine an, die zusätzliche Leistung in das Gesamtsystem einspeist. Anschließend wird der Dampf dem Hauptstrom zugeführt und mit der verdichteten Luft in die Brennkammer geleitet, wodurch der Massestrom und spezifische Leistung erhöht wird und eine Reduktion des Stickoxidanteils im Abgas bewirkt.
Aus WO2020/187345A1 ist ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug bekannt, das aufgrund seiner Konzeption das Potential zur Reduzierung von umwelt- bzw. klimaschädlichen Emissionen aufweist. Das Antriebssystem vereint ein Gasturbinensystem mit einem Wassersystem und einem Dampfsystem in einer Maschine. In einem stromabwärts der Turbine angeordneten Dampferzeuger wird mittels Wärmeabgabe aus dem Abgas Dampf erzeugt, der dann im Bereich der Brennkammer der Maschine zugeführt wird. Nach dem Durchströmen des Dampferzeugers durchläuft das feuchte Abgas noch weitere Komponenten, die dazu dienen, das Wasser aus dem Abgas durch Abkühlung abzuscheiden. Es handelt sich dabei um einen Kondensator und einer Wasserabscheideeinrichtung, die flugzeugseitig am Rumpf und im Flügel angeordnet sind.
Mit der WO2022/028653A1 ist ein weiteres Antriebssystem für ein Luftfahrzeug bekannt, das eine Weiterentwicklung des in WO2020/187345A1 beschrieben Systems darstellt. Abgaskanäle des Kondensators verlaufen dabei in Umfangsrichtung, um so den Kondensator innerhalb der Triebwerksgondel unterbringen zu können. Weiterhin ist eine Dampfturbine mit zusätzlichem Verdichter zur zusätzlichen Verdichtung des Kernstroms auf einer exzentrisch zu der Antriebswelle angeordneten dritten Welle vorgesehen. Der Kernstrom und der Dampf aus der Dampfturbine werden dann in einer Mischkammer vor der Brennkammer gemischt und in die Brennkammer eingespeist.
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. Schließlich weist die Gasturbine eine Umfangsrichtung auf, die eine Richtung um die Triebwerksachse beschreibt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug anzugeben, dessen Wasser- und Dampfsystem stärker in die Gasturbine integriert ist.
Diese Aufgabe wird von einem Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein 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 mit mindestens einem Kondensatormodul umfasst, wobei die Gasturbine ein Gehäuse, insbesondere ein Außengehäuse, das den Nebenstromkanal außen umgibt, insbesondere begrenzt, und/oder ein Innengehäuse, das den Hauptstromkanal bzw. Kernstromkanal umfasst, aufweist, ist erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass die Wasserabscheideeinrichtung in und/oder an dem Gehäuse, insbesondere in der Cowling und/oder dem Außengehäuse, besonders bevorzugt einem äußeren Bereich und/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 und/oder durch das Außengehäuse leiten. Durch diese Bauweise, in der das Abgas bzw. die Abgaskanäle das Abgas, besonders bevorzugt vorwiegend in radialer Richtung, zumindest teilweise durch den Nebenstromkanal und in und/oder durch 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. Das Außengehäuse kann ferner die Gasturbine gegenüber der Umwelt abgrenzen. Insbesondere können an oder in dem Außengehäuse Befestigungsmittel zur Montage der Gasturbine an einem Pylon oder einem Flügel eines Luftfahrzeugs vorgesehen sein. Darüber hinaus lässt sich vorteilhaft eine kompakte und integrierte Bauform der Gasturbine inklusive des Wasser- und Dampfsystems und damit des gesamten Antriebsystems 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 Kernstromkanal bezeichnet werden kann, dient der Fluidführung durch die Gasturbinenkomponenten umfassend einen Verdichter, insbesondere einen Niederdruck- und einen Hochdruckverdichter, einer Brennkammer und einer 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. Es kann vorgesehen sein, dass Rotorblätter eines Fans der Gasturbine eine radiale Erstreckung aufweisen, die größer ist als eine radiale Erstreckung des Wassersystems an dem Gehäuse. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Antriebssystem ein Open-Rotor-System ist, bei dem kein Außengehäuse einen Nebenstrom umgibt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kondensatormodul als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Diese Konfiguration erlaubt eine besonders effiziente Wärmeübertragung und ist gut in den Nebenstromkanal integrierbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Antriebsystems sind eine Abgasströmungsrichtung des zumindest einen Kondensatormoduls und eine Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals in einem Kreuzstrom zueinander angeordnet. Die so geschaffene Kreuzstromanordnung erlaubt eine besonders einfache Strömung des Abgases aus dem Hauptstromkanal in das Außengehäuse der Gasturbine, um das dort dann in flüssiger Form vorliegende Wasser abscheiden zu können, während es in dem Kondensator strömend den im Wesentlichen in axialer Richtung strömenden Luftnebenstrom kreuzt.
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, was das Strömen durch den Kondensator begünstigt und wodurch Druckverluste reduziert werden können.
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.
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 kalten Zwischenräume, das heißt die Nebenstromkanalbereich, die zwischen zwei Kondensatormodulpaaren angeordnet sind, dafür vorgesehen, Verunreinigungen im Luftnebenstrom ableiten zu können. Es kann aber alternativ auch vorgesehen sein, dass der innere Abstand zumindest in Strömungsrichtung der Luftnebenstromrichtung in einer ersten Hälfte des Kondensatorpaares größer ist als der äußere Abstand.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Antriebssystems sind ein erstes Kondensatormodul und ein zweites Kondensatormodul als Kondensatormodulpaar in Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals paarweise angeordnet sind, wobei das erste Kondensatormodul zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal einen ersten Anstellwinkel aufweist und das zweite Kondensatormodul zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal einen von dem ersten Anstellwinkel verschiedenen zweiten Anstellwinkel aufweist. In einer weitere Ausführungsform weisen der erste Anstellwinkel und der zweite Anstellwinkel ein unterschiedliches Vorzeichen zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal auf. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die beiden Anstellwinkel einen gleichen Absolutwert aufweisen.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das erste Kondensatormodul und das zweite Kondensatormodul durch eine stromaufwärts angeordnete Eintrittsverkleidung miteinander verbunden sind, die einen Luftnebenstrom des Nebenstromkanals teilt und entlang von der Luftnebenströmung zugewandten Seitenflächen des ersten Kondensatormoduls und des zweiten Kondensatormoduls leitet. Die Eintrittsverkleidung kann vorteilhaft zur Erzeugung oder Beibehaltung einer günstigen Luftströmung beitragen und Fremdkörper von den Kondensatormodulen wegleiten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind das erste Kondensatormodul und das zweite Kondensatormodul in einer V-Anordnung in dem Nebenstromkanal angeordnet. Hierdurch werden vorteilhaft düsenartige Bereiche zur Leitung des entsprechenden erhitzten Teilnebenstroms zwischen zwei Kondensatormodulen geschaffen, so dass keine zusätzlichen Trennwände in den Nebenstromkanal eingefügt werden müssen. Insbesondere kann zwischen zwei Kondensatormodulpaaren zumindest ein Bereich mit relativ ungestörter Luftströmung in dem Nebenstromkanal erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Antriebssystems ist die zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung, insbesondere eine Kernaustrittsdüse der zumindest einen Wasserabscheideeinrichtung oder ein Drallerzeuger der zumindest einen Wasserabscheideeinrichtung, in Umfangsrichtung zwischen zwei Kondensatormodulen in einer das Außengehäuse schneidenden Umfangsebene, insbesondere zwischen zwei Kondensatormodulpaaren, angeordnet. Dadurch kann der Bauraum in der Cowling, das heißt in dem Außengehäuse vorteilhaft besser genutzt werden.
In einer besonderen Verbesserung des Abgassystems münden Abgaskanäle von mindestens einem, insbesondere zwei Kondensatormodulen in eine Wasserabscheideeinrichtung, insbesondere in einen Eintrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung. Es können auch Abgaskanäle von drei oder mehr Kondensatormodulen in eine Wasserabscheideeinrichtung münden. Insbesondere kann es sich dabei um benachbarte Kondensatormodule handeln. Hierdurch kann die Nutzung des Bauraums in dem Außengehäuse weiter verbessert werden.
Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das zumindest ein Kondensatormodul von einer stromabwärts angeordneten Austrittsverkleidung begrenzt ist. Durch eine Austrittsverkleidung kann der Luftnebenstrom verlustarm auf einfache Weise in die gewünschte Schubrichtung ausgerichtet werden.
Als eine vorteilhafte Ausführungsform einer Gasturbine, die eine Hauptantriebswelle mit einer Drehachse aufweist, die von einer Turbine angetrieben wird und, insbesondere über ein Getriebe, einen Fan und/oder einen Verdichter antreibt, dass eine Dampfturbine konzentrisch zu der Hauptantriebswelle angeordnet ist und ihre mechanische Leistung über ein Dampfturbinengetriebe an die Hauptantriebswelle speist. Hierdurch kann ein sehr kompaktes Antriebssystem geschaffen werden, das einen Wärmestrom aus dem Abgas zur zusätzlichen Leistungsgenerierung nutzen kann. Insbesondere gegenüber einer Ausführung mit einer exzentrisch angeordneten dritten Wellen ist der Turbomaschinenteil weiter vereinfacht und es ergeben sich geringere Verlustleistungen und eine verbesserte Bauraumausnutzung.
Die Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einer Gasturbine in einem Meridianschnitt
2 zeigt das Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer Umfangsansicht

Anhand der 1 und 2 wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystem beschrieben. In 1 ist das Antriebssystem 1 in einem Meridianschnitt, das heißt in einer von der radialen Richtung R und axialen Richtung Ax der Gasturbine aufgespannten Ebene, dargestellt. In 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 axialer Richtung Ax und Umfangsrichtung U aufgespannten Ebene dargestellt.
Das Antriebssystem 1 umfasst eine Gasturbine 2 und ist über einen Pylon 3 mit einem Flügel 4 eines Luftfahrzeugs verbunden. Die Gasturbine 2 weist einen Einlass 7, der in 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. Zumindest Teile des Außengehäuses 5 und/oder Teile des Innengehäuses 6 bilden ein Gehäuse 5, 6. Hinter dem Einlass 7 ist ein Fan 8 angeordnet, der von einer in dem Innengehäuse 6 gelagerten Antriebswelle 9 der Gasturbine angetrieben wird, Luft ansaugt und den Luftgesamtstrom in einen Hauptstromkanal 10 und einen Nebenstromkanal 20 der Gasturbine 2 fördert. Der Fan 8 ist mit einem ebenfalls in dem Innengehäuse 6 angeordneten Getriebe 11 mit der Antriebswelle 9 gekoppelt. Das Außengehäuse 5 umgibt den Nebenstromkanal 20 außen und begrenzt ihn zumindest abschnittsweise, während das Innengehäuse 6 eine Innenkanalwand für den Nebenstromkanal 20 bildet und diesen so innen begrenzt.
Das Abgas aus dem Hauptstromkanal 10 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht direkt ausgestoßen, sondern in einem Wassersystem 30 und einem Dampfsystem 40 nachbehandelt. Das Wassersystem 30 und das Dampfsystem 40 sind in der Gasturbine 2 angeordnet. Komponenten des Wassersystems 30 sind dabei in dem Nebenstromkanal 20 und teilweise in dem Innengehäuse 6 sowie dem Außengehäuse 5 der Gasturbine 2 angeordnet. Das Wassersystem 30 gewinnt Wasser aus dem Abgas des 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 1 eingezeichnet.
Der Hauptstromkanal 10 weist in Strömungsrichtung einen Verdichter 12, eine dem Verdichter 12 nachgeschaltete Mischkammer 48 zur Mischung der verdichteten Luft und eines heißen Dampfes, eine daran anschließende Brennkammer 13, die dem Luft-Dampf-Gemisch einen Brennstoff zuführt und zu einem Abgas verbrennt, eine Hochdruckturbine 14 und eine Niederdruckturbine 15 auf, die das Abgas entspannen und mechanische Leistung zum Antrieb bereitstellen, und es schließlich in ein Turbinenaustrittsgehäuse 16 weiterleiten. Es kann vorgesehen sein, dass die Hochdruckturbine 14 über eine zweite Welle der Gasturbine 2 einen Hochdruckverdichter antreibt.
Der Nebenstromkanal 20 weist stromabwärts einen als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Kondensator 21 auf, der mehrere Eintrittsverkleidungen 22, mit den Eintrittsverkleidungen 22 verbundene Kondensatormodule 23, und die Kondensatormodule 23 stromabwärts abschließende Austrittsverkleidungen 27 umfasst. Die Kondensatormodule 23 sind in den sogenannten C-Kanälen der Gasturbine angeordnet und nach außen hin in Strömungsrichtung geneigt. Die Kondensatormodule 23 erstrecken sich in radialer Richtung R von dem Innengehäuse 6 bis zu dem Außengehäuse 5. Ein Großteil des von dem Fan 8 geförderten Luftvolumens wird als Luftnebenstrom dem Nebenstromkanal 20 zugeführt und durchströmt dort 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.
Stromabwärts des Turbinenaustrittsgehäuses 16 ist ein Dampferzeuger 41 des Dampfsystems 40 angeordnet, der von dem heißen Abgas aus der Niederdruckturbine 15 in radialer Richtung R nach außen hin durchströmt wird. Anschließend strömt das Abgas weiter in radialer Richtung zu dem Kondensator 21 des Wassersystems 30 und durch diesen durch ebenfalls in radialer Richtung verlaufende Abgaskanäle 26. In dem Kondensator 21 wird das Abgas weiter abgekühlt. Während der Abkühlung des Abgases kondensiert Wasser aus dem Abgas zumindest teilweise, wobei das Abgas-Wasser-Gemisch weiter radial nach außen in eine Wasserabscheidevorrichtung 31 strömt. Dort wird es zunächst in axialer Richtung Ax der Gasturbine 2 in einem Eintrittskanal 32 nach vorne geleitet, um etwa 180° in einem Krümmer 33 umgelenkt und einem Drallerzeuger 34 in einem Austrittskanal 35 zugeführt, der das Abgas zentrifugiert. Dadurch wird das Wasser in dem Abgas-Wasser-Gemisch ausgeschieden und kann in flüssiger Form in das weitere Wassersystem 30 geleitet werden. Das entfeuchtete und gekühlte Abgas wird über eine Kernaustrittsdüse 36 freigesetzt und entspannt und dient zusätzlich der Schuberzeugung. Die Komponenten des Wassersystems 30 sind in 2 dargestellt. In 1 sind lediglich Pfeile eingezeichnet, die die Richtung des Abgases schematisch verdeutlichen sollen.
Das in der Wasserabscheidevorrichtung 31 gesammelte Wasser wird über Wasserleitungen 37 an ein Wasserreservoir 38 gefördert. Von dort wird das nunmehr als Speisewasser bezeichnete Wasser mittels einer Wasserpumpe 39 dem Dampferzeuger 41 des Dampfsystems 40 zugeführt wird. Die Wasserpumpe 39 ist vorzugsweise regelbar und kann entsprechend einer benötigten Dampfleistung dem Dampferzeuger Speisewasser zuführen. Das Wasserreservoir 38 und die Wasserpumpe 39 befinden sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem Innengehäuse 6 der Gasturbine.
Der Dampferzeuger 41 ist vorzugsweise als sogenannter Rohrbündelwärmetauscher in Kreuz-Gegenstromanordnung zu dem Abgas mit mehreren Passagen ausgeführt. Er wird vorzugsweise rotationssymmetrisch und konzentrisch zur Triebwerksachse innerhalb des Innengehäuses der Gasturbine, das heißt der Kerntriebwerksverkleidung, untergebracht. Der Dampferzeuger 41 umfasst einen Vorheizer 42, um das Speisewasser zu erhitzen, einen Verdampfer 43, der das Speisewasser in Dampf umwandelt und einen Überhitzer 44, der den Dampf überhitzt. Die Anordnung innerhalb des Dampferzeugers ist in 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 2 beschrieben. In 2 sind in die seitlich links im Meridianschnitt dargestellte Gasturbine Schnittebenen entlang der Linien A-A und B-B eingezeichnet, deren zugehörige schematisch dargestellte Umfangsebenen abgewickelt gezeigt sind.
Im Schnitt A-A ist seitlich zu dem Pylon 3 ein im C-Kanal angeordneter und aus mehreren Kondensatormodulen 23, 23' bestehender Kondensator 21 gezeigt. Die Kondensatormodule 23, 23' sind paarweise als Kondensatormodulpaare 25 angeordnet und diese Kondensatormodulpaare 25 durch jeweils eine Eintrittsverkleidung 22 miteinander in einem stromaufwärts gelegenen Bereich des Nebenstromkanals 20 verbunden. Jedes der Kondensatormodule 23, 23' wird in Strömungsrichtung von einer Austrittsverkleidung 27, 27' begrenzt. Die Kondensatormodulpaare 25 bestehen also aus einem ersten Kondensatormodul 23 und einem zweiten Kondensatormodul 23'. Die beiden Kondensatormodule 23, 23' weisen gegenüber der Nebenstromrichtung in dem Nebenstromkanal, insbesondere einer axialen Richtung Ax der Gasturbine, einen Anstellwinkel α, α' auf. Das erste Kondensatormodul 23 weist einen ersten Anstellwinkel α auf, der vom Betrag, das heißt von einem Absolutwert, einem zweiten Anstellwinkel α' des zweiten Kondensatormoduls 23' entspricht, aber ein anderes Vorzeichen aufweist. Auf diese Weise ergibt sich eine V-Anordnung für die Kondensatormodulpaare 25. Zwischen dem ersten Kondensatormodul 23 und dem zweiten Kondensatormodul 23' eines Kondensatormodulpaares 25 ist ein innerer Abstand i in Umfangsrichtung U vorgesehen, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entlang der Axialerstreckung des Kondensators überall kleiner ist eine äußerer Abstand a in Umfangsrichtung U zwischen zwei Kondensatormodulpaaren 25.
Die vom Fan 8 geförderte Luft wird durch die Eintrittsverkleidung 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'.
Der Teil des Luftnebenstroms, der nicht durch die Kondensatormodule 23 strömt, sondern im Wesentlichen gerade an den Kondensatormodulen 23 vorbeiströmt, verlässt die Gasturbine 2 zur Schuberzeugung zwischen zwei benachbarten Austrittsverkleidungen 27, 27' zweier benachbarter Kondensatormodulpaare 25. Diese benachbarten Austrittsverkleidungen 27 zweier benachbarter Kondensatormodulpaare 25 bilden eine kalte Nebenstromdüse 28.
Die Luft, die durch die Kondensatormodule 23 strömt wird in einen Innenraum der Kondensatormodulpaare 25 geleitet, erhitzt und zwischen zwei Austrittsverkleidungen 27, 27' eines Kondensatormodulpaares 25 ausgeblasen. Die beiden benachbarten Austrittsverkleidungen 27, 27' eines Kondensatormodulpaares 25 bilden auf diese Weise eine heiße Nebenstromdüse 29.
Diese Anordnung hat auch den Vorteil, dass Fremdkörper die mit hoher Geschwindigkeit im Nebenstrom vorhanden sein können, entlang der Kondensatorseitenflächen in die kalte Nebenstromdüse 28 geleitet werden. Dadurch können mögliche Beschädigungen und auch Verschmutzungen vermieden oder zumindest verringert werden.
Bei der Durchströmung der Kondensatormodule wird Abgaswärme auf die Luft übertragen, wodurch deren Temperatur steigt. Das Abgas kühlt dabei soweit ab bis das darin enthaltene Wasser, zumindest teilweise kondensiert und in flüssiger Form vorliegt. Wie weiter oben beschrieben, wird das Abgas durch Abgaskanäle 26 im Inneren des Kondensators 21 geleitet. Die Abgaskanäle 26 befinden sich in jedem der Kondensatormodule 23, 23'. Das Abgas wird durch die Abgaskanäle 26 radial nach außen in die Eintrittskanäle 32 der Wasserabscheidevorrichtungen 31 geleitet, welche in dem Außengehäuse 5, das auch als Cowling oder Gondel bezeichnet wird, angeordnet sind. Die Wasserabscheidevorrichtungen 31 sind Verbindungskanäle zwischen den Kondensatormodulen 23. 23' und den Kernaustrittsdüsen 36. In der gezeigten Ausführung werden die Abgasströme jeweils aus den beiden Kondensatormodulen 23, 23' eines Kondensatormodulpaares 24 zusammengefasst. Das Abgas strömt zunächst nach dem Austritt aus den Kondensatormodulen 23, 23' in einem Eintrittskanal 32 der Wasserabscheidevorrichtung 31 nach vorne in Richtung Triebwerkseinlauf und dann nach einer 180° Kehre in einem Krümmer 33 in dem Austrittskanal 35 in Richtung der Kerntriebwerksdüse 36. In einer Wasserabscheidevorrichtung 31 können neben dem oben erwähnten Drallerzeuger 34 weitere Elemente, die zur Wasserabscheidung dienen, untergebracht sein.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Gasturbine
3: Pylon
4: Flügel
5: Außengehäuse der Gasturbine
6: Innengehäuse der Gasturbine
7: Einlauf
8: Fan
9: Antriebswelle
10: Hauptstromkanal (Kernstromkanal)
11: Getriebe
12: Verdichter
13: Brennkammer
14: Hochdruckturbine
15: Niederdruckturbine
16: Turbinenaustrittsgehäuse
20: Nebenstromkanal (Bypass)
21: Kondensator
22: Eintrittsverkleidung
23: (erstes) Kondensatormodul (eines Kondensatormodulpaares)
23`: zweites Kondensatormodul eines Kondensatormodulpaares
24a: Luftnebenstromrichtung zugewandte Seitenfläche eines Kondensatormoduls
24b: Luftnebenstromrichtung abgewandte Seitenfläche eines Kondensatormoduls
24c: Kühlkanäle
25: Kondensatormodulpaar
26: Abgaskanal
27: Austrittsverkleidung des (ersten) Kondensatormoduls
27': Austrittsverkleidung des zweiten Kondensatormoduls
28: kalte Nebenstromdüse
29: heiße Nebenstromdüse
30: Wassersystem
31: Wasserabscheideeinrichtung
32: Eintrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung
33: Krümmer
34: Drallerzeuger
35: Austrittskanal der Wasserabscheideeinrichtung
36: Kernaustrittsdüse
37: Wasserleitung
38: Wasserreservoir
39: Wasserpumpe
40: Dampfsystem
41: Dampferzeuger
42: Vorheizer
43: Verdampfer
44: Überhitzer
45: Dampfleitung
46: Dampfturbine
47: Dampfturbinengetriebe
48: Mischkammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2020187345 A1 [0002, 0003]
WO 2022028653 A1 [0003]

Claims

Antriebssystem (1) für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Gasturbine (2), mit einem Hauptstromkanal (10) und einem Nebenstromkanal (20), einem Wassersystem (30) und einem Dampfsystem (40), wobei das Wassersystem (30) zumindest eine Wasserabscheideeinrichtung (31) und einen Kondensator (21) mit mindestens einem Kondensatormodul (23) umfasst, wobei die Gasturbine (2) ein Gehäuse (5, 6), insbesondere ein Außengehäuse (5), das den Nebenstromkanal (20) außen umgibt, und/oder ein Innengehäuse (6), das den Hauptstromkanal (10) umfasst, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserabscheideeinrichtung (31) in und/oder an dem Gehäuse (5, 6) 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) nach außen durch den Nebenstromkanal (20) und in und/oder durch das Außengehäuse (5) leiten.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensatormodul (23) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasströmungsrichtung des zumindest einen Kondensatormoduls (23) und eine Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals (20) in einem Kreuzstrom zueinander angeordnet sind.
Antriebssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kondensatormodul (23) als ein erstes Kondensatormodul (23) und zusätzlich ein zweites Kondensatormodul (23') als Kondensatormodulpaar (25) in Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals (20) paarweise angeordnet sind, wobei die Kondensatormodule (23, 23') eines Kondensatormodulpaares (25) zueinander einen geringeren inneren Abstand (i) in Umfangsrichtung (U) der Gasturbine (2) aufweisen, als einen äußeren Abstand (a) in Umfangsrichtung (U) der Gasturbine (2) zu anderen Kondensatormodulen (23), insbesondere, dass der innere Abstand (i) zumindest in Strömungsrichtung der Luftnebenstromrichtung in einer ersten Hälfte des Kondensatormodulpaares (25) kleiner ist als der äußere Abstand (a).
Antriebssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kondensatormodul (23) und ein zweites Kondensatormodul (23') als Kondensatormodulpaar (25) in Luftnebenstromrichtung des Nebenstromkanals (20) paarweise angeordnet sind, wobei das erste Kondensatormodul (23) zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal (20) einen ersten Anstellwinkel (α) aufweist und das zweite Kondensatormodul (23') zu der Strömungsrichtung in dem Nebenstromkanal (20) einen von dem ersten Anstellwinkel (α) verschiedenen zweiten Anstellwinkel (α') aufweist, insbesondere, dass der erste Anstellwinkel (α) und der zweite Anstellwinkel (α') ein unterschiedliches Vorzeichen, und insbesondere einen gleichen Absolutwert, aufweisen.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kondensatormodul (23) und das zweite Kondensatormodul (23') durch eine stromaufwärts angeordnete Eintrittsverkleidung (22) miteinander verbunden sind, die einen Luftnebenstrom des Nebenstromkanals (20) teilt und entlang von der Luftnebenströmung zugewandten Seitenflächen (24a) des ersten Kondensatormoduls (23) und des zweiten Kondensatormoduls (23') leitet.
Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kondensatormodul (23) und das zweite Kondensatormodul (23') in einer V-Anordnung in dem Nebenstromkanal (20) angeordnet sind.
Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Element der zumindest einen Wasserabscheideeinrichtung (31), insbesondere ein Eintrittskanal (32), ein Krümmer (33), ein Drallerzeuger (34), ein Austrittskanal (35) und/oder eine Kernaustrittsdüse (36), in Umfangsrichtung (U) zwischen zwei Kondensatormodulen (23) in einer das Außengehäuse (5) schneidenden Umfangsebene (B-B), insbesondere zwischen zwei Kondensatormodulpaaren (25) in einer das Außengehäuse (5) schneidenden Umfangsebene (B-B), angeordnet ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abgaskanäle (26) von mindestens einem, insbesondere zwei, Kondensatormodulen (23) in eine Wasserabscheideeinrichtung (31), insbesondere in einen Eintrittskanal (32) der Wasserabscheideeinrichtung (31), münden.
Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kondensatormodul (23) von einer stromabwärts angeordneten Austrittsverkleidung (27) begrenzt ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasturbine (2) eine Hauptantriebswelle (9) mit einer Drehachse aufweist, die von einer Turbine (15) angetrieben wird und, insbesondere über ein Getriebe (11), einen Fan (8) und/oder einen Verdichter (12) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dampfturbine (46), insbesondere konzentrisch, zu der Hauptantriebswelle (9) angeordnet ist und ihre mechanische Leistung über ein Dampfturbinengetriebe (47) an die Hauptantriebswelle (9) speist.
Luftfahrzeug mit mindestens einem Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.