Untersuchungen zum Einsatz von Wärmetauschern in zivilen Turboflugtriebwerken

Abstract

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.

Current forecasts indicate that the flown passenger-kilometres within the next years will rise continuously. If the stage of development of the used jet engines is unchanged, the issued pollutants will increase in the same degree. The expulsion of the toxic gases NOx and CO, the greenhouse gas CO2 and carcinogenic soot particles are part of it among others. Furthermore, it should be noted that the non-renewable energy raw material mineral oil represents a limited resource. For these reasons, with regard to the anticipated continuous increase of the air traffic, more and more ecological aspects are in the foreground of the development today. These aspects include lower pollutant emissions and lower noise emissions in comparison with systems used at present, and thus a better environmental compatibility of jet engines.

The development aims to decouple the resource consumption of the increase in the air traffic. Without new concepts today's turbo fan jet engines offer almost no possibilities to reduce the specific fuel consumption significantly. Therefore the decoupling of the resource consumption of the increase in the air traffic can only effectively be realized by the use of new technologies.

In the present work, the thermodynamic cycles of different engine configurations in the thrust class of a medium-haul aircraft are examined. The studied engines are conceived as a replacement of the engine "V2500" of the medium-range aircraft A320 of the company Airbus. The different engine configurations are optimized to reach the lowest specific fuel consumption possible. The examined configurations cover the use of heat exchangers as inter-cooler and recuperators with the aim of reaching a better environmental compatibility than today's conventional propulsion systems.

In addition, a life cost estimation of the examined jet engines is carried out. The configurations with the use of heat exchangers are compared with the reference jet engine of conventional design. It is checked whether the configurations with heat exchangers, apart from their ecological advantages, can also be used economically within the civil air traffic. For this, an economic analysis of the use of heat exchangers in jet engines is carried out from the perspective of an airline. The additional costs for development and production of the heat exchangers as well as the costs for maintenance, repair and overhaul of the jet engines with heat exchangers are taken into account.

Not only the additional costs that are caused and the fuel savings that are achieved by the use of heat exchangers are taken into account in the life cycle cost estimation. All additional parts needed for the use of heat exchangers in jet engine are designed based on the cycle parameters. With the dimensioning of these components the corresponding weight is fixed. This additional weight is also taken into account for the life cycle cost estimation.

This work shows that the inter-cooled and recuperative cycle process has the lowest specific fuel consumption at a given thrust level compared with the other examined configurations. However, this configuration has a greater complexity compared with a conventional jet engine. The additional costs arising as well as the additional weight of the heat exchangers have to be accepted by the airline or be compensated by the fuel saving. The use of heat exchangers in the civil air traffic is therefore dependent on the kerosene price. The use is cost-neutral or even profitably possible only beginning at a limit kerosene price.