Universität Stuttgart
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Item Open Access Untersuchungen zum Einsatz von Wärmetauschern in zivilen Turboflugtriebwerken(2008) Gonser, Henrik; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)Aktuelle Prognosen deuten darauf hin, dass die geflogenen Passagierkilometer in den nächsten Jahren kontinuierlich ansteigen werden. Bei unverändertem Entwicklungsstand der verwendeten Triebwerke steigen die emittierten Schadstoffe in selbem Maße. Dazu zählen u.a. der Ausstoß der toxischen Gase NOx und CO, das Treibhausgas CO2 und kanzerogene Rußpartikel. Des Weiteren ist zu beachten, dass der nicht erneuerbare Energierohstoff Erdöl eine limitierte Ressource darstellt. Aus diesen Gründen stehen heute im Hinblick auf die prognostizierte kontinuierliche Steigerung des Luftverkehrs vermehrt ökologische Aspekte im Vordergrund der Entwicklung. Zu diesen Aspekten zählen niedrigere Schadstoffemissionen und eine geringere Lärmentwicklung im Vergleich zu derzeit eingesetzten Systemen und damit eine bessere Umweltverträglichkeit von Turboflugtriebwerken. Die Entwicklung hat zum Ziel, den Ressourcenverbrauch vom Anstieg des Flugaufkommens zu entkoppeln. Ohne neue Konzepte bieten jedoch die heutigen Turbofantriebwerke kaum noch Möglichkeiten den spezifischen Treibstoffverbrauch deutlich zu verringern. Deshalb kann die Entkoppelung des Ressourcenverbrauches vom Anstieg des Flugaufkommens nur wirkungsvoll durch den Einsatz neuer Technologien realisiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden die thermodynamischen Kreisprozesse verschiedener Triebwerkskonfigurationen in der Schubklasse eines Mittelstreckenflugzeuges untersucht. Die untersuchten Triebwerke sind als Ersatz des Triebwerkes "V2500" des Mittelstreckenflugzeuges A320 der Firma Airbus gedacht. Die unterschiedlichen Konfigurationen werden auf den geringsten spezifischen Treibstoffverbrauch hin optimiert. Die untersuchten Konfigurationen umfassen den Einsatz von Wärmetauschern als Zwischenkühler und Rekuperatoren mit dem Ziel eine bessere Umweltverträglichkeit als heutige, konventionelle Luftfahrtantriebe zu erreichen. Im Weiteren wird eine Lebenskostenabschätzung der untersuchten Triebwerke durchgeführt. Verglichen werden dabei die Konfigurationen mit dem Einsatz von Wärmetauschern jeweils mit dem Referenztriebwerk konventioneller Bauart. Überprüft wird hierbei, ob die Konfigurationen mit Wärmetauschern, abgesehen von ihren ökologischen Vorteilen, auch wirtschaftlich im zivilen Luftverkehr eingesetzt werden können. Dafür wird eine ökonomische Betrachtung des Einsatzes von Wärmetauschern in Turboflugtriebwerken aus der Sicht einer Fluglinie durchgeführt. Berücksichtigt werden dabei die zusätzlich anfallenden Kosten für Entwicklung und Produktion der Wärmetauscher sowie die Kosten für Wartung und Instandhaltung der Triebwerke mit Wärmetauschern. Nicht nur die zusätzlichen Kosten, die durch die Wärmetauscher entstehen, und die erreichte Treibstoffersparnis wird in der Lebenskostenabschätzung berücksichtigt. Alle zusätzlichen Bauteile zum Einsatz der Wärmetauscher im Turboflugtriebwerk werden anhand der Kreisprozessgrößen ausgelegt. Mit der Dimensionierung steht das Gewicht der Bauteile fest. Dieses Mehrgewicht wird bei der Lebenskostenabschätzung ebenfalls berücksichtigt. Diese Arbeit zeigt auf, dass der zwischengekühlte, rekuperative Kreisprozess bei gegebener Schubanforderung im Vergleich zu den untersuchten Konfigurationen den geringsten spezifischen Treibstoffverbrauch besitzt. Diese Konfiguration besitzt jedoch eine größere Komplexität im Vergleich zu einem konventionellen Triebwerk. Die dabei anfallenden zusätzlichen Kosten sowie das Mehrgewicht der Wärmetauscher müssen von der Fluglinie getragen werden oder durch die Treibstoffeinsparung kompensiert werden. Somit ist der Einsatz von Wärmetauschern im zivilen Luftverkehr vom Kerosinpreis abhängig. Der Einsatz ist erst ab einem Grenzkerosinpreis kostenneutral oder sogar gewinnbringend möglich.