DE102009017040B4

DE102009017040B4 - Widerstandsoptimierter Stauluftkanal und Verfahren zur Steuerung eines Umgebungsluftmassenstroms durch einen Stauluftkanal

Info

Publication number: DE102009017040B4
Application number: DE102009017040.5A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Scherer Thomas; Dipl.-Ing. Solntsev Alexander; Dipl.-Ing. Schmidt Rüdiger
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: US20100258675A1; DE102009017040A1; US8262018B2

Abstract

Stauluftkanal (10) zur Umgebungsluftzufuhr in einem Flugzeug mit: – einem Staulufteinlasskanal (20), – einem Stauluftauslasskanal (30), der stromabwärts des Staulufteinlasskanals (20) und in Fluidkommunikation mit dem Staulufteinlasskanal (20) angeordnet ist, – einem beweglichen Element, das an einem Einlass (22) des Staulufteinlasskanals (20) angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Einlassgröße (E) des Einlasses (22) einzustellen, wobei eine kleinere Einlassgröße (E) einem kleineren Einlassströmungsquerschnitt entspricht und eine größere Einlassgröße (E) einem größeren Einlassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei die Einlassgröße (E) in einem Steuerbereich von einer minimalen Einlassgröße (Emin) bis zu einer maximalen Einlassgröße (Emax) einstellbar ist, – einem beweglichen Element, das an einem Auslass (32) des Stauluftauslasskanals (30) angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Auslassgröße (A) des Auslasses (32) einzustellen, wobei eine kleinere Auslassgröße (A) einem kleineren Auslassströmungsquerschnitt entspricht und eine größere Auslassgröße (A) einem größeren Auslassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei die Auslassgröße (A) in einem Steuerbereich von einer minimalen Auslassgröße (Amin) bis zu einer zweiten, maximalen Auslassgröße (Amax) einstellbar ist, wobei die Auslassgröße (A) und die Einlassgröße (E) durch eine Funktion (f) miteinander verknüpft sind, so dass jeder Einlassgröße (E) eine einem Wert (f(E)) der Funktion entsprechende Auslassgröße (A) zugeordnet ist, und wobei eine lineare Funktion (L) so definiert ist, dass die Endwerte (Emin, Amin) der Einlassgröße (E) und der Auslassgröße (A) an den unteren Enden der jeweiligen Steuerbereiche mit den Endwerten (Emax, Amax) der Einlassgröße (E) und der Auslassgröße (A) an den oberen Enden der jeweiligen Steuerbereiche durch die lineare Funktion (L) miteinander verbunden sind, wobei (Bedingung 1) die Steigung (∂f(E)/∂E) der Funktion (f) bei der minimalen Einlassgröße (Emin) kleiner als die Steigung der linearen Funktion (L) und größer oder gleich Null ist, wobei das am Einlass (22) des Staulufteinlasskanals (20) angeordnete bewegliche Element und das am Auslass (32) des Stauluftauslasskanals (30) angeordnete bewegliche Element mittels eines gemeinsamen Aktuators oder jeweils mittels eines Aktuators (26, 46) verstellbar sind, und wobei eine zentrale Steuereinheit des Stauluftkanals (10) den Aktuator bzw. die Aktuatoren (26, 46) ansteuert, ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stauluftkanal zur Umgebungsluftzufuhr in einem Flugzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zur Steuerung eines Umgebungsluftmassenstroms durch einen Stauluftkanal nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Stauluftkanäle mit einem Lufteinlass und einem sich stromabwärts des Lufteinlasses erstreckenden Staulufteinlasskanal, einem sich stromabwärts des Einlasskanals erstreckenden Stauluftwirkabschnitt sowie einem sich stromabwärts von dem Stauluftwirkabschnitt erstreckenden Stauluftauslasskanal mit einem Luftauslass an dessen stromabwärtigen Ende werden in modernen Flugzeugen zur Versorgung verschiedener sich an Bord des Flugzeugs befindender Systeme, wie beispielsweise eines Klimatisierungssystems, mit Umgebungsluft eingesetzt. In dem Stauluftwirkabschnitt können beispielsweise von zugeführter kalter Umgebungsluft durchströmte Wärmetauscher einer Klimaanlage des Flugzeugs angeordnet sein. Während des Flugs strömt Umgebungsluft durch den Lufteinlass in den Staulufteinlasskanal und den Stauluftwirkabschnitt, wohingegen dann, wenn sich das Flugzeug am Boden befindet, mechanische Einrichtungen, wie beispielsweise im Stauluftkanal angeordnete Injektoren oder Ventilatoren zur Erzeugung einer Umgebungsluftströmung durch den Stauluftkanal genutzt werden.
Um eine Anpassung der durch den Stauluftkanal zugeführten Umgebungsluftströmung an die unterschiedlichen Anforderungen der mit der Umgebungsluft versorgten Systeme in Abhängigkeit davon, ob sich das Flugzeug in der Luft oder am Boden befindet und in Abhängigkeit vom Umgebungsluftströmungsbedarf zu ermöglichen, ist in einem Bereich des Lufteinlasses sowie in einem Bereich des Luftauslasses des Stauluftkanals üblicherweise ein bewegliches Element, wie etwa eine Klappe, vorgesehen, das eine Vergrößerung bzw. eine Verkleinerung oder gar ein vollständiges Verschließen des Strömungsquerschnitts des Lufteinlasses bzw. des Luftauslasses erlaubt. Ein jeweiliges bewegliches Element kann beispielsweise eine verstellbare Einlasskanal- oder Auslasskanalklappe sein, die in Abhängigkeit von ihrer Stellung einen jeweils gewünschten Strömungsquerschnitt des Lufteinlasses oder Luftauslasses freigibt.
In heutigen modernen Passagierflugzeugen weisen die meisten Stauluftkanäle einen ähnlichen Aufbau bzw. ähnliche Bestandteile auf. 1 zeigt einen Stauluftkanal, der dazu dient, eine Flugzeugklimaanlage mit Umgebungsluft zu versorgen. Der Staulufteinlasskanal ist mit einem NACA-Einlass (NACA: National Advisory Committee for Aeronautics) versehen und umfasst eine erste sowie eine zweite Klappe, die von einem gemeinsamen Aktuator verstellt werden können. Wenn im Flug durch Betätigen des Aktuators die erste und die zweite Klappe aus ihrer den Staulufteinlasskanal verschließenden Position (in 1 mit durchgezogenen Linien dargestellt) in eine geöffnete Position (in 1 mit gestrichelten Linien dargestellt) bewegt werden, strömt Umgebungsluft durch den Lufteinlass in den Staulufteinlasskanal. Aufgrund der Verlangsamung der Strömung in einem stromabwärts des Lufteinlasses angeordneten Diffusorbereich des Staulufteinlasskanals wandelt sich ein Teil des dynamischen Drucks der Strömung in statischen Druck um. Dadurch entsteht in dem Diffusorbereich sowie am Eingang von in dem Stauluftwirkabschnitt des Stauluftkanals angeordneten Wärmetauschern ein statischer Überdruck relativ zum Umgebungsdruck. Die beweglichen Staulufteinlasskanalklappen steuern den Durchfluss der Kühlungsluft durch den Staulufteinlasskanal zu den im Stauluftwirkabschnitt angeordneten Wärmetauschern.
Ein herkömmlicher Stauluftauslasskanal ist, wie in den 1 und 2 gezeigt, üblicherweise mit einer Auslasskanalklappe ausgestattet. Eine, wie in 2 gezeigt, aufgefahrene Auslasskanalklappe erzeugt im Flugbetrieb des Flugzeugs aufgrund der Umströmung durch die entlang der Flugzeugaußenhaut strömende Luft an einer Innenseite der Klappe, d. h. an einem Auslass des Stauluftauslasskanals, relativ zum Umgebungsdruck einen Unterdruck, der sich auch am Ausgang der im Stauluftwirkabschnitt angeordneten Wärmetauscher auswirkt. Der Differenzdruck zwischen dem Druck am Eingang und dem Druck am Ausgang der Wärmetauscher beeinflusst den Kühlungsluftmassenstrom durch die Wärmetauscher im Stauluftwirkabschnitt. Durch den Stauluftauslasskanal verlässt erwärmte Kühlungsluft den Stauluftkanal. Am Boden saugt ein Ventilator Kühlungsluft durch den Staulufteinlasskanal und die Wärmetauscher an und stößt die erwärmte Kühlungsluft durch den Stauluftauslasskanal aus.
Der Umgebungsluftmassenstrom durch den Stauluftkanal kann somit durch eine entsprechende Positionierung der Staulufteinlasskanalklappe(n) und/oder der Stauluftauslasskanalklappe gesteuert werden. Beispielsweise kann der Umgebungsluftmassenstrom durch den Stauluftkanal durch Öffnen der Staulufteinlasskanalklappe(n) und/oder der Stauluftauslasskanalklappe erhöht werden, wenn eine Regeltemperatur, beispielsweise eine mittels eines geeigneten Sensors erfasste Temperatur einer Komponente der Flugzeugklimaanlage, einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. In ähnlicher Weise kann der Umgebungsluftmassenstrom durch den Stauluftkanal durch Schließen der Staulufteinlasskanalklappe(n) und/oder der Stauluftauslasskanalklappe verringert werden, wenn die Regeltemperatur einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. In herkömmlichen Steuerungsverfahren werden die Stauluftkanalklappen am Staulufteinlass und am Stauluftauslass synchron miteinander auf- und zugefahren und es wird eine lineare Abhängigkeit zwischen einer Auslassgröße und einer Einlassgröße eingehalten.
Unter einer Einlassgröße wird hier eine Größe bzw. ein Parameter verstanden, die/der einen Einlassquerschnitt am Einlass des Stauluftkanals kennzeichnet, wie etwa die Position des beweglichen Elements am Einlass des Staulufteinlasskanals. Dabei kann die Position des beweglichen Elements als ein Öffnungswinkel des beweglichen Elements oder als ein Abstand eines Bereichs, insbesondere eines Endbereichs, des beweglichen Elements zu einem den Einlass umgebenden, feststehenden Bereich der Flugzeugaußenhaut angegeben werden.
Unter einer Auslassgröße wird hier eine Größe bzw. ein Parameter verstanden, die/der einen Auslassquerschnitt am Auslass des Stauluftauslasskanals kennzeichnet, wie etwa die Position des beweglichen Elements am Auslass des Stauluftauslasskanals. Dabei kann die Position des beweglichen Elements als ein Öffnungswinkel des beweglichen Elements oder als ein Abstand eines Bereichs, insbesondere eines Endbereichs, des beweglichen Elements zu einem den Auslass umgebenden, feststehenden Bereich der Flugzeugaußenhaut angegeben werden.
Da das Öffnen der Stauluftauslasskanalklappe aufgrund der Tatsache, dass die Klappe im geöffneten Zustand aus der Flugzeugaußenhaut herausragt, den Luftwiderstand und damit den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs erhöht, sollte bei der Steuerung des Umgebungsluftmassenstroms durch den Stauluftkanal stets eine möglichst geschlossene Position der Klappe angestrebt werden. Neuere aerodynamischen Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass eine geöffnete Stauluftauslasskanalklappe einen höheren zusätzlichen Luftwiderstand erzeugt als (eine) geöffnete Staulufteinlasskanalklappe(n). Um einen ausreichenden Umgebungsluftmassenstrom durch den Stauluftkanal zu gewährleisten, ist es im Normalbetrieb herkömmlich gestalteter Stauluftkanäle und bei Einhaltung einer linearen Beziehung zwischen der Auslassgröße und der Einlassgröße, wie in 3 gezeigt, in der Regel jedoch nicht vermeidbar, die Stauluftauslasskanalklappe relativ weit zu öffnen, d. h. in einem Winkel von > 10° relativ zu einem den Stauluftauslass umgebenden Flugzeugaußenhautabschnitt geneigt zu positionieren. Darüber hinaus verursachen die in die die Flugzeugaußenhaut im Flugbetrieb des Flugzeugs umströmende Umgebungsluftströmung ragende Stauluftauslasskanalklappe sowie Ablösungen der aus dem Stauluftauslass austretenden Luftströmung Verwirbelungen in der die Flugzeugaußenhaut im Flugbetrieb des Flugzeugs umströmenden Umgebungsluftströmung, die den durch den Stauluftkanal verursachten zusätzlichen Luftwiderstand des Flugzeugs weiter erhöhen.
Die WO 2009/064288 A1 beschreibt ein ECS für ein Flugzeug mit einem oder zwei Staulufteinlasskanälen, einem Klimaaggregat und einem zugehörigen Wärmetauscher. Im Flugbetrieb des Flugzeugs stellt der Staulufteinlasskanal einen ersten Anteil der eingesaugten Umgebungsluft dem Klimaaggregat zur Verfügung. Dieser erste Umgebungsluftanteil strömt von dem Klimaaggregat durch den Wärmetauscher und weiter in die Flugzeugkabine. Der Stauluftkanal stellt ferner einen zweiten Anteil angesaugter Umgebungsluft zur Verfügung, der den ersten Anteil in dem Wärmetauscher kühlt und das Flugzeug durch einen Strömungsauslasskanal wieder verlässt. Den bzw. die Staulufteinlasskanäle verschließende Einlassklappe(n) sowie eine den Strömungsauslasskanal verschließende Auslassklappe sind gemäß einer optimierten Steuerungsvorschrift zum Minimalisieren des Nettoluftwiderstands des Stauluftkanalsystems bezüglich ihrer Stellung veränderbar. Die Position der Auslassklappe wird in Abhängigkeit von der Position der Einlassklappe gesteuert und die Position der Einlassklappe in Abhängigkeit von dem benötigten Luftmassenstrom.
Aus der DE 101 19 433 C1 ist ein Stauluftkanal für eine Flugzeugklimaanlage mit einem durch eine Einlassklappe verschließbaren Einlasskanal, einem in einer Gebläsekammer angeordneten Gebläse sowie einem durch eine Auslassklappe verschließbaren Auslasskanal bekannt. In dem Einlasskanal ist mindestens ein Wärmetauscher angeordnet. Der Auslasskanal ist in zwei getrennt verlaufende Kanäle unterteilt, von denen einer als Gebläseauslasskanal bis zu dem Gebläse in die Gebläsekammer geführt ist und der andere als Bypass-Kanal ausgeführt ist. Die Auslassklappe verschließt im geschlossenen Zustand nur den Bypasskanal.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Stauluftkanal zur Umgebungsluftzufuhr in einem Flugzeug sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Umgebungsluftmassenstroms durch einen Stauluftkanal anzugeben, die eine Verringerung des von dem Stauluftkanal im Flugbetrieb des Flugzeugs verursachten zusätzlichen Luftwiderstands ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch einen Stauluftkanal mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Umgebungsluftmassenstroms durch einen Stauluftkanal mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Der Lösung der Aufgabe liegt erfindungsgemäß die Idee zugrunde, die herkömmliche, im Wesentlichen lineare Abhängigkeit zwischen der Einlassgröße, beispielsweise der Position der Staulufteinlasskanalklappen, und der Auslassgröße, beispielsweise der Position der Stauluftauslasskanalklappe, in der Umgebungsluftmassenstromregelung so anzupassen, dass der Stauluftauslass über einen möglichst großen bzw. weiten Steuerbereich nur minimal geöffnet wird und bei Bedarf eine Erhöhung der Kühlungsluftmenge durch eine entsprechende Steuerung der Staulufteinlasskanalklappen realisiert wird.
Ein erfindungsgemäßer Stauluftkanal umfasst einen Staulufteinlasskanal und einen Stauluftauslasskanal, der stromabwärts des Staulufteinlasskanals und in Fluidkommunikation mit dem Staulufteinlasskanal angeordnet ist. Der Stauluftkanal umfasst ferner ein bewegliches Element, das an einem Einlass des Staulufteinlasskanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Einlassgröße E des Einlasses einzustellen, wobei eine kleinere Einlassgröße einem kleineren Einlassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei eine größere Einlassgröße einem größeren Einlassströmungsquerschnitt entspricht. Die Einlassgröße ist in einem Steuerbereich von einer minimalen Einlassgröße bis zu einer maximalen Einlassgröße einstellbar. Der Stauluftkanal umfasst ferner ein bewegliches Element, das an einem Auslass des Stauluftauslasskanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Auslassgröße A des Auslasses einzustellen, wobei eine kleinere Auslassgröße einem kleineren Auslassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei eine größere Auslassgröße einem größeren Auslassströmungsquerschnitt entspricht. Die Auslassgröße ist in einem Steuerbereich von einer minimalen Auslassgröße bis zu einer maximalen Auslassgröße einstellbar.
Das am Einlass des Staulufteinlasskanals angeordnete bewegliche Element und das am Auslass des Stauluftauslasskanals angeordnete bewegliche Element sind mittels eines gemeinsamen Aktuators oder jeweils mittels eines Aktuators verstellbar. Eine zentrale Steuereinheit des Stauluftkanals steuert den Aktuator bzw. die Aktuatoren an.
Die Auslassgröße und die Einlassgröße sind durch eine Funktion f miteinander verknüpft, so dass jeder Einlassgröße eine einem Wert f(E) der Funktion f entsprechende Auslassgröße zugeordnet ist. Ferner ist eine im Wesentlichen lineare Funktion L so definiert, dass die Endwerte der Einlassgröße und der Auslassgröße an den unteren Enden der jeweiligen Steuerbereiche mit den Endwerten an den oberen Enden der jeweiligen Steuerbereiche durch diese lineare Funktion L miteinander verbunden sind.
Dabei ist die die Einlassgröße und die Auslassgröße miteinander verknüpfende Funktion f so gewählt, dass die Steigung dieser Funktion bei der minimalen Einlassgröße kleiner als die Steigung der vorgenannten linearen Funktion L und größer oder gleich Null ist (erste Bedingung).
In dem Einlassgrößenbereich, in dem die Steigung der Funktion f kleiner als die Steigung der linearen Funktion L ist, erfolgt die Steuerung der Kühlungsluftströmung durch den Stauluftkanal stärker durch eine Veränderung der Einlassgröße als durch eine Veränderung der Auslassgröße. Mit anderen Worten, das bewegliche Element am Auslass ist im Vergleich zu der herkömmlichen Steuerung gemäß der linearen Funktion vergleichsweise weiter eingefahren als das bewegliche Element am Einlass und die Steuerung der Kühlungsluftmenge geschieht im Wesentlichen mittels des beweglichen Elements am Einlass. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der in Bezug auf die herkömmliche Steuerung kleineren Auslassgröße, die Kühlungsluft aus dem Stauluftauslasskanal mit einer höheren Geschwindigkeit ausströmt, was einen zusätzlichen Schub erzeugt.
Als zweite weitere Bedingung kann der Wert der Funktion f für jede Einlassgröße in deren Steuerbereich kleiner als der Wert der linearen Funktion sein. Als dritte weitere Bedingung kann die Steigung der Funktion bei der maximalen Einlassgröße größer als die Steigung der linearen Funktion sein.
Das bewegliche Element am Einlass kann eine Staulufteinlasskanalklappe umfassen. Das bewegliche Element am Auslass kann eine Stauluftauslasskanalklappe umfassen.
Die Einlassgröße kann ein Strömungsquerschnitt des Einlasses oder eine die Position des beweglichen Elements am Einlass charakterisierende Größe sein. Die Einlassgröße kann insbesondere ein Einlasskanalklappenöffnungswinkel oder ein Abstand eines Bereichs, insbesondere eines Endbereichs, einer Staulufteinlasskanalklappe zu einem den Einlass umgebenden, feststehenden Bereich einer Flugzeugaußenhaut sein.
Die Auslassgröße kann ein Strömungsquerschnitt des Auslasses oder eine die Position des beweglichen Elements am Auslass charakterisierende Größe sein. Die Auslassgröße kann insbesondere ein Auslasskanalklappenöffnungswinkel oder ein Abstand eines Bereichs, insbesondere eines Endbereichs, einer Stauluftauslasskanalklappe zu einem den Auslass umgebenden, feststehenden Bereich der Flugzeugaußenhaut sein.
Erfindungsgemäß umfasst die Steuereinheit des Stauluftkanals ferner einen ersten Regelkreis mit einem Eingang und einem Ausgang zum Ansteuern des Aktuators des beweglichen Elements am Einlass sowie einen zweiten, vom ersten unabhängigen Regelkreis mit einem Eingang und einem Ausgang zum Ansteuern des Aktuators des beweglichen Elements am Auslass. Dabei ist die Steuereinheit des Stauluftkanals dazu ausgebildet, auf Grundlage der Funktion f am Ausgang des ersten Regelkreises ein Steuersignal zum Einstellen einer Position des beweglichen Elements am Einlass und ferner am Ausgang des zweiten Regelkreises ein Steuersignal zum Einstellen einer Position des beweglichen Elements am Auslass bereitzustellen. Schließlich wird dem Eingang des ersten Regelkreises und dem Eingang des zweiten Regelkreises eine beiden Regelkreisen gemeinsame Führungsgröße zugeführt. Diese Führungsgröße kann in Abhängigkeit von einer Regeltemperatur in dem Flugzeug ermittelt werden. Das bedeutet, dass die Positionen der beweglichen Elemente am Einlass und am Auslass nur von der Führungsgröße abhängig sind. Dies bringt als weiteren Vorteil, dass im Falle eines Fehlers, wie etwa dem Ausfall eines Aktuators, die beweglichen Elemente mit dem noch funktionierenden Aktuator den Kühlungsluftdurchsatz steuerungs- und regelungstechnisch problemlos weiterhin steuern können.
Ferner wird ein Verfahren zur Steuerung eines Umgebungsluftmassenstroms durch einen Stauluftkanal bereitgestellt. Der Stauluftkanal umfasst einen Staulufteinlasskanal und einen Stauluftauslasskanal, der stromabwärts des Staulufteinlasskanals und in Fluidkommunikation mit dem Staulufteinlasskanal angeordnet ist. Der Stauluftkanal umfasst ferner ein bewegliches Element, das an einem Einlass des Staulufteinlasskanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Einlassgröße des Einlasses einzustellen, wobei eine kleinere Einlassgröße einem kleineren Einlassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei eine größere Einlassgröße einem größeren Einlassströmungsquerschnitt entspricht. Die Einlassgröße E ist in einem Steuerbereich von einer minimalen Einlassgröße bis zu einer maximalen Einlassgröße einstellbar. Ferner ist ein bewegliches Element vorhanden, das an einem Auslass des Stauluftauslasskanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Auslassgröße A des Auslasses einzustellen, wobei eine kleinere Auslassgröße einem kleineren Auslassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei eine größere Auslassgröße einem größeren Auslassströmungsquerschnitt entspricht. Die Auslassgröße A ist in einem Steuerbereich von einer minimalen Auslassgröße bis zu einer maximalen Auslassgröße einstellbar.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Definieren eines Steuerbereichs für die Einlassgröße von einer minimalen Einlassgröße bis zu einer maximalen Einlassgröße,
b) Definieren eines Steuerbereichs für die Auslassgröße von einer minimalen Auslassgröße bis zu einer maximalen Auslassgröße,
c) Definieren einer im Wesentlichen linearen Funktion L derart, dass die Endwerte der Einlassgröße und der Auslassgröße an den unteren Enden der jeweiligen Steuerbereiche mit den Endpunkten der Einlassgröße und der Auslassgröße an den oberen Enden der jeweiligen Steuerbereiche durch die lineare Funktion miteinander verbunden werden,
d) Definieren einer Funktion f, die die Auslassgröße und die Einlassgröße miteinander verknüpft, so dass jeder Einlassgröße eine einem Wert f(E) der Funktion f entsprechende Auslassgröße zugeordnet ist.

Dabei wird die Funktion f so definiert, dass die Steigung der Funktion f bei der minimalen Einlassgröße kleiner als die Steigung der linearen Funktion L und größer oder gleich Null ist (erste Bedingung).
Erfindungsgemäß wird zum Steuern der Einlassgröße und der Auslassgröße eine gemeinsame Führungsgröße benutzt.
Das am Einlass des Staulufteinlasskanals angeordnete bewegliche Element und das am Auslass des Stauluftauslasskanals angeordnete bewegliche Element sind mittels eines gemeinsamen Aktuators oder jeweils mittels eines Aktuators verstellbar. Eine zentrale Steuereinheit des Stauluftkanals steuert den Aktuator bzw. die Aktuatoren an.
Dadurch werden dieselben Vorteile wie mit dem Stauluftkanal mit den erfindungsgemäßen Merkmalen erzielt.
In dem Schritt (d) kann die Funktion f so definiert werden, dass der Wert der Funktion f für jede Einlassgröße im Steuerbereich der Einlassgröße kleiner als der Wert der linearen Funktion L ist (zweite Bedingung).
Ferner kann im Schritt (d) die Funktion f so definiert werden, das die Steigung der Funktion f bei der maximalen Auslassgröße größer als die Steigung der linearen Funktion L ist (dritte Bedingung).
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein erster Bereich für die Einlassgröße so definiert werden, dass letztere größer oder gleich der minimalen Einlassgröße und kleiner als die maximale Einlassgröße ist, wobei ein Wert der Auslassgröße vorbestimmt worden ist, der größer als die minimale Auslassgröße und kleiner oder gleich der maximalen Auslassgröße ist. Ferner kann die Funktion f so gewählt werden, dass sie für alle Werte der Einlassgröße in dem ersten Bereich größer oder gleich der minimalen Auslassgröße und kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert der Auslassgröße ist. Das bedeutet, dass in dem ersten Bereich die Auslassgröße nur zwischen der minimalen Auslassgröße und dem vorbestimmten Wert der Auslassgröße variiert bzw. gesteuert wird. Wenn die Einlassgröße die maximale Einlassgröße aufweist, kann die Auslassgröße in einem Bereich, der sich von dem vorbestimmten Wert der Auslassgröße zu der maximalen Auslassgröße erstreckt, gesteuert werden. Das bedeutet, dass ein Kühlungsluftmassenstrom durch den Stauluftkanal bei maximal geöffnetem Einlass mittels des beweglichen Elements am Auslass gesteuert wird. Wenn die Einlassgröße der maximalen Einlassgröße entspricht, wird die Auslassgröße bevorzugt in einem Bereich, der sich von dem vorbestimmten Wert der Auslassgröße bis zu der maximalen Auslassgröße erstreckt, eingestellt. In einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform kann der erste Bereich in einen ersten Unterbereich, der sich von der minimalen Einlassgröße bis zu einem relativ dazu größeren, vorbestimmten Wert der Einlassgröße erstreckt, und einen zweiten Unterbereich, der sich von dem vorbestimmten Wert der Einlassgröße bis zu der maximalen Einlassgröße erstreckt, unterteilt werden. Dabei kann die Funktion f in dem ersten Unterbereich als eine konstante Funktion festgelegt werden. In dem zweiten Unterbereich kann die Funktion f als eine lineare Funktion festgelegt werden. Das bedeutet, dass in dem ersten Unterbereich der Kühlungsluftmassenstrom nur mittels des beweglichen Elements am Einlass gesteuert und das bewegliche Element am Auslass auf der minimalen Auslassgröße gehalten wird, was einen maximalen zusätzlichen Schub und einen minimalen zusätzlichen Flugzeugwiderstand bewirkt.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann der erste Bereich wiederum in einen ersten Unterbereich, der sich von der minimalen Einlassgröße bis zu einem relativ dazu größeren, vorbestimmten Wert der Einlassgröße erstreckt, und in einen zweiten Unterbereich, der sich von dem vorbestimmten Wert der Einlassgröße bis zu der maximalen Einlassgröße erstreckt, unterteilt sein. Dabei wird die Einlassgröße im ersten und/oder im zweiten Unterbereich entweder in Abhängigkeit von einem stromabwärts in Bezug auf den Staulufteinlasskanal gemessenen Druck oder in Abhängigkeit von einem in dem Stauluftauslasskanal gemessenen Druck gesteuert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Stauluftkanals und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Stauluftkanals;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Stauluftauslasskanals mit einer Stauluftauslasskanalklappe;
3 ein Schaubild, in dem der lineare Zusammenhang L zwischen einer Einlassgröße E und einer Auslassgröße A nach dem herkömmlichen Steuerungsprinzip und die funktionelle Verknüpfung f gemäß der Erfindung dargestellt ist;
4 ein Schaubild, in dem ein Zusammenhang zwischen der Auslassgröße A und der Einlassgröße E nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist;
5 ein Schaubild, in dem ein Zusammenhang zwischen der Auslassgröße A und der Einlassgröße E nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist; und
6 ein Schaubild, in dem ein Zusammenhang zwischen der Auslassgröße A und der Einlassgröße E nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
1 zeigt beispielhaft einen Stauluftkanal 10 einer Flugzeugklimaanlage, wie er in modernen Passagierflugzeugen eingesetzt wird. Der Stauluftkanal 10 umfasst einen Staulufteinlasskanal 20, ein sich stromabwärts an diesen anschließendes Übergangsstück, genannt Stauluftkanalplenum 50, einen sich stromabwärts desselben anschließenden Stauluftwirkabschnitt 60, in dem die Wärmetauscher, insbesondere ein Hauptwärmetauscher 52 und ein Primärwärmetauscher 54, der Flugzeugklimaanlage angeordnet sind und der von der kalten Außenluft als Kühlmittel durchströmt wird, ein stromabwärts des Stauluftwirkabschnitts 60 angeordnetes Übergangsteil, genannt Packplenum 58, in dem insbesondere ein Ventilator (ACM-Fan) 56 angeordnet ist, sowie einen stromabwärts des Übergangsstücks angeordneten Stauluftauslasskanal 30.
Der Staulufteinlasskanal 20 weist an seinem stromaufwärtigen Ende einen in der Flugzeugaußenhaut 42 ausgesparten NACA-Einlass 22 auf. Ferner umfasst der Staulufteinlasskanal 20 eine Staulufteinlasskanalklappe, die insbesondere als zweiteilige Staulufteinlasskanalklappe ausgelegt ist und ein erstes bewegliches Element (erste Staulufteinlasskanalklappe) 24, ein zweites bewegliches Element (zweite Staulufteinlasskanalklappe) 24' sowie einen Aktuator 26 zum Einstellen der Positionen der ersten und zweiten Staulufteinlasskanalklappe 24, 24' umfasst. Ein Diffusor 29 ist stromabwärts von den Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' angeordnet, um die Strömung der durch den Einlass 22 in den Staulufteinlasskanal 20 zugeführten Umgebungsluft zu verlangsamen. Der Aktuator 26 wird von einer zentralen Steuereinheit (nicht gezeigt) angesteuert, d. h. er erhält ein Steuersignal, woraufhin der Aktuator die Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' simultan und synchron einstellt. Dabei können die Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' in einem Steuerbereich zwischen einer ersten bzw. Minimal-Position, bei der die Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' eine minimale Einlassgröße freigeben, und einer zweiten bzw. Maximal-Position, bei der die Einlasskanalklappen 24, 24' eine maximale Einlassgröße freigeben, positioniert werden. Der Begriff Einlassgröße wird hier als Sammelbegriff für jegliche Parameter verwendet, die geeignet sind, als charakteristische Größe für den Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals 20 zu dienen. Die Einlassgröße kann der Strömungsquerschnitt des Einlasses 22 selbst sein, oder auch eine Winkelposition einer Staulufteinlasskanalklappe 24, 24' oder ein Abstand, insbesondere der in 1 gezeigte Abstand 28 zwischen einem Bereich der beweglichen Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' und einem feststehenden Bereich des Staulufteinlasskanals 20.
In dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Einlassgröße der in 1 gezeigte Abstand 28 zwischen einem Bereich der Flugzeugaußenhaut 42 und einer Gelenkverbindung zwischen der ersten Staulufteinlasskanalklappe 24 und der zweiten Staulufteinlasskanalklappe 24'. Für die in 1 mit durchgezogenen Linien gezeigte geschlossene Positionen der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' ist der Abstand 28 und damit auch die minimale Einlassgröße Null. In der in 1 mit gestrichelten Linien dargestellten Position sind die Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' und damit auch der Einlass 22 des Staulufteinlasskanals 20 dagegen maximal geöffnet. Der Abstand 28, d. h. die Einlassgröße nimmt dann seine/ihren maximalen Wert an. Mittels des Aktuators 26 können die erste und zweite Staulufteinlasskanalklappe 24, 24' in eine beliebige Position zwischen den in 1 gezeigten minimalen und maximalen Einlassgrößen entsprechenden Positionen gesteuert werden.
Im Flug gelangt die Außenluftströmung durch den Einlass 22 und durch den von den Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' freigegebenen Einlassquerschnitt in den Staulufteinlasskanal 20. Aufgrund der Verlangsamung der Strömung in dem Diffusor 29 des Staulufteinlasskanals 20 wandelt sich ein Teil des dynamischen Drucks der Strömung in statischen Druck um. Dadurch entsteht in dem Diffusor 29 sowie am Eingang des Stauluftwirkabschnitts 60 bzw. am Eingang der Wärmetauscher 52, 54 ein auch als Staudruck bezeichneter statischer Überdruck relativ zum Umgebungsdruck.
Der Stauluftauslasskanal 30 weist an seinem stromabwärtigen Ende einen Auslass 32 auf, dessen Strömungsquerschnitt mittels eines beweglichen Elements, herkömmlicherweise in der Regel als Stauluftauslasskanalklappe 34 ausgebildet, in einem Steuerbereich zwischen einer minimalen Auslassgröße und einer maximalen Auslassgröße eingestellt werden kann. Ein ebenfalls von der zentralen Steuereinheit (nicht gezeigt) angesteuerter Aktuator 46 dient der Einstellung der Position der Stauluftauslasskanalklappe 34. Eine vergrößerte und schematisch weiter vereinfachte Darstellung des Stauluftauslasskanals 30 ist in 2 gezeigt.
Hier wird der Begriff Auslassgröße als Sammelbegriff für jegliche Parameter verwendet, die für die Größe des Strömungsquerschnitts des Auslasses 32 repräsentativ sein können. Als Auslassgröße kann beispielsweise der Strömungsquerschnitt des Auslasses 32 selbst, aber auch eine den Strömungsquerschnitt des Auslasses 32 bestimmende Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 herangezogen werden. Beispielsweise kann als Auslassgröße der in 2 gezeigte Abstand 38 zwischen einem Endbereich der Stauluftauslasskanalklappe 34 und einem feststehenden Bereich 44 der Flugzeugaußenhaut 40 oder der ebenfalls in 2 gezeigte Öffnungswinkel 36 der Stauluftauslasskanalklappe 34 verwendet werden.
Die aufgefahrene bzw. geöffnete Stauluftauslasskanalklappe 34 erzeugt aufgrund der Umströmung durch die Außenluft im Stauluftauslasskanal relativ zum Umgebungsdruck einen Unterdruck, der sich am Ausgang der Wärmetauscher 52, 54, insbesondere am Ausgang des Wärmetauschers 54, auswirkt. Der Differenzdruck zwischen dem Druck am Eingang des Wärmetauschers 52 und dem Druck am Ausgang des Wärmetauschers 54 beeinflusst den Kühlungsluftmassenstrom durch die Wärmetauscher 52, 54. Die Druckverhältnisse werden durch die Einlassgröße, insbesondere die Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24', und die Auslassgröße, insbesondere die Position der Stauluftauslasskanalklappe 34, beeinflusst, und können folglich durch den Aktuator 26 zum Einstellen der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' und den Aktuator 46 zum Einstellen der Stauluftauslasskanalklappe 34 im Prinzip unabhängig voneinander eingestellt werden.
Herkömmlich werden die Einlassgröße, insbesondere die Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24', und die Auslassgröße, insbesondere die Position der Stauluftauslasskanalklappe 34, gleichzeitig und synchron in einer linearen Abhängigkeit zueinander eingestellt. 3 zeigt den in herkömmlichen Steuerungsalgorithmen zur Steuerung der Umgebungsluftzufuhr zur Klimaanlage eines Flugzeugs benutzten linearen Zusammenhang zwischen der Auslassgröße A und der Einlassgröße E. Die Einlassgröße E ist in einem Steuerbereich von einer ersten, minimalen Einlassgröße E_min bis zu einer zweiten, maximalen Einlassgröße E_max einstellbar. Die Einlassgröße E wird durch die Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' charakterisiert und ist in dem in 1 gezeigten Beispiel des Staulufteinlasskanals 20 der Abstand 28 der Gelenkverbindung zwischen der ersten und der zweiten Staulufteinlasskanalklappe 24, 24' und einem feststehenden, den Einlass 22 umgebenden Bereich der Flugzeugaußenhaut 40, mit anderen Worten der Abstand 28 eines Endbereichs einer jeweiligen Staulufteinlasskanalklappe 24, 24' und dem feststehenden, den Einlass 22 umgebenden Bereich.
Die Auslassgröße A wird durch die Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 charakterisiert und ist in dem in den 1 und 2 gezeigten Beispiel der Öffnungs- bzw. Ausstellwinkel 36 der Stauluftauslasskanalklappe 34 in Bezug auf die feststehende Flugzeugaußenhaut 40. Die Auslassgröße A ist in einem Steuerbereich von einer ersten, minimalen Auslassgröße A_min bis zu einer zweiten, maximalen Auslassgröße A_max einstellbar.
Herkömmlich werden lineare Aktuatoren am Stauluftkanaleingang und -ausgang eingesetzt und der in 3 gezeigte, lineare Zusammenhang L zwischen der Auslassgröße A bzw. der Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 und der Einlassgröße E bzw. der Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24', entspricht einem linearen Zusammenhang im Fahrbereich der Linearmotoren der Aktuatoren 26, 46. Der Aufbau des Stauluftauslasskanals 20 und das Prinzip der linearen Abhängigkeit zwischen der Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' und der Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 hat zur Folge, dass die Stauluftauslasskanalklappe 34 im Normalflugbetrieb relativ weit, d. h. mit einem Öffnungswinkel von größer als etwa 10° zur Flugzeugaußenhaut 40 geöffnet sein muss, um die Anforderungen an die zuzuführende Kühlungsluftmenge zu erfüllen. Diese relativ große Öffnung verursacht einen hohen zusätzlichen Flugzeugwiderstand.
Daher wird die herkömmliche, lineare Abhängigkeit zwischen der Einlassgröße bzw. der Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' und der Auslassgröße bzw. der Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 in der Stauluftkanalklappensteuerung so abgeändert, dass die Stauluftauslasskanalklappe 34 ab der minimalen Einlassgröße A_min über einen möglichst langen Steuerbereich möglichst wenig, d. h. minimal, geöffnet wird und dass dabei die Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' über einen möglichst langen Steuerbereich ab der Einlassgröße E_min bzw. der minimalen Einlasskanalklappenposition über einen möglichst langen Steuerbereich die Steuerung der Umgebungskühlungsluftmenge übernehmen.
Im Vergleich zu der herkömmlichen Stauluftkanalklappensteuerung mit dem linearen Zusammenhang gemäß der Kurve L in 3 ist zum Festlegen des Zusammenhangs zwischen der Auslassgröße A (Position der Stauluftauslasskanalklappe 34) und der Einlassgröße E (Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24') jeder funktionelle Zusammenhang bzw. jede Funktion f geeignet, die in dem Schaubild der 3 die Endwerte am unteren Ende der jeweiligen Steuerbereiche, d. h. für minimale Einlass- und Auslassgrößen E_min, A_min, mit anderen Worten minimal aufgefahrene Klappen 24, 24', 34, und die Endwerte am oberen Ende der jeweiligen Steuerbereiche, d. h. für maximale Einlass- und Auslassgrößen E_max, A_max, mit anderen Worten für maximal geöffnete Einlass- und Auslasskanalklappen 24, 24', 34, miteinander verbindet und die unterhalb der linearen Abhängigkeit (bzw. der Geraden) L verläuft. Mit anderen Worten und wie in 3 unmittelbar ersichtlich ist, erfüllt die Stauluftkanalklappensteuerung folgende Bedingungen:

i) die Steigung der Funktion f, die den Zusammenhang zwischen der Auslassgröße und der Einlassgröße gemäß der Gleichung A = f(E) angibt, ist bei der minimalen Einlassgröße E_min und vorzugsweise auch in einem sich an die minimale Einlassgröße E_min anschließenden ersten Einlassgrößenbereich (in 3 rechts der minimalen Einlassgröße E_min) kleiner als die Steigung der linearen Funktion L, die die Endwerte (E_min, A_min) und (E_max, A_max) miteinander verbindet und die den herkömmlichen linearen Zusammenhang zwischen der Auslassgröße und der Einlassgröße beschreibt.
ii) Die Werte der Funktion f sind im gesamten Steuerbereich, d. h. im gesamten Bereich der Einlassgröße zwischen der minimalen Einlassgröße E_min und der maximalen Einlassgröße E_max, kleiner als der Wert der linearen Funktion L. Mit anderen Worten, die zu einer jeweiligen Einlassgröße bzw. Position der Einlasskanalklappen 24, 24' gehörige Auslassgröße bzw. Position der Auslasskanalklappe 34 ist im gesamten Steuerbereich nach der Erfindung kleiner als die Auslassgröße, die nach dem herkömmlichen Steuerungsalgorithmus, d. h. dem linearen Zusammenhang L, eingestellt wurde.
iii) Die Steigung der Funktion f bei der maximalen Einlassgröße E_max und vorzugsweise auch in einem sich von der maximalen Einlassgröße E_max zu kleineren Einlassgrößen hin erstreckende zweiten Einlassgrößenbereich, ist größer als die Steigung der Funktion L, die die Endwerte (E_min, A_min) und (E_max, A_max) miteinander verbindet und die den herkömmlichen linearen Zusammenhang zwischen der Auslassgröße und der Einlassgröße beschreibt.

In den 4 bis 6 werden bevorzugte Ausführungsformen der den funktionellen Zusammenhang zwischen der Auslassgröße A und der Einlassgröße E beschreibenden Funktion f graphisch veranschaulicht. Bei den Ausführungsformen in den 4 bis 6 werden jeweils zwei Bereiche B1 und B2 in der Abhängigkeit der Auslass- und Einlasskanalklappenposition unterschieden. Im Bereich B1 werden die Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' bei steigendem Kühlungsluftmengenbedarf von ihrer minimalen Position E_min, d. h. der Position, der ein minimaler Einlassquerschnitt entspricht, bis zur maximalen Position, d. h. der Position, der ein maximal möglicher Einlassquerschnitt entspricht, gesteuert. Synchron dazu wird die Stauluftauslasskanalklappe 34 von ihrer minimalen Position A_min, d. h. der Position, der ein minimaler Auslassquerschnitt entspricht, nur bis zu einer vorbestimmten Position A_vorbest geöffnet, bei der die Auslasskanalklappe 34 nur teilweise geöffnet ist. Im Bereich B2 ist die Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' konstant, und zwar auf der Position, die der maximalen Einlassgröße E_max entspricht. Bei steigendem Bedarf an Kühlungsluft wird die Stauluftauslasskanalklappe 34 von der vorbestimmten Auslassgröße A_vorbest bis zu ihrer maximalen Auslassgröße A_max, die dem maximal einstellbaren Auslassquerschnitt entspricht, geöffnet.
Ein Vorteil des hier vorbeschriebenen Steuerungsprinzips besteht darin, dass im Normalbetrieb eines fliegenden Flugzeugs die Steuerung der Kühlungsluftmenge im Bereich B1 stattfindet. Das bedeutet, dass sich die Stauluftauslasskanalklappe 34 im Normalbetrieb des Flugzeugs in einer Position mit einem geringeren Öffnungswinkel zur Flugzeugoberfläche befindet als bei einer herkömmlichen Klappensteuerung. Dies trägt deutlich zu einer Reduzierung des zusätzlichen Flugzeugwiderstands bei. Zusätzlich wird noch ein Schub erzeugt, der den durch den Stauluftkanal 10 erzeugten, zusätzlichen Widerstand zumindest teilweise kompensiert. In den Steuerungsbereich B2 werden die Stauluftkanalklappen 24, 24', 34 nur gebracht, wenn ein extrem hoher Kühlungsluftdurchsatz erforderlich ist, d. h. wenn die Klimaanlage eine besonders große Kühlungsleistung vollbringen muss und/oder wärmere Umgebungstemperaturen vorherrschen. Die Positionen der Stauluftkanalklappen 24, 24', 34 für die Übergänge zwischen den Bereichen B1 und B2, d. h. insbesondere die maximale Einlassgröße E_max, die vorbestimmte Auslassgröße A_vorbest und die maximale Auslassgröße A_max werden für jedes Flugzeug und jedes System gesondert bestimmt und festgelegt.
Insbesondere wird im Bereich B1 die Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 von der minimalen Position A_min bis zu der vorbestimmten Position A_vorbest als Mastervorgabe eingestellt und die Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' werden als Slave-Steuerung von der minimalen bis zur maximalen Einlassgröße mittels der durch die Funktion f vorgegebenen Gesetzmäßigkeit geöffnet, so dass der Druck im Stauluftauslasskanal 30 möglichst hoch gehalten, die Auslasskanalklappe 34 möglichst weit geschlossen und die Geschwindigkeit der ausströmenden Luft maximiert wird. Bei der Festlegung der Gesetzmäßigkeit (der Funktion f) wird darauf geachtet, dass die Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' nicht ohne Bedarf (Kühlungsluftbedarf) bzw. Nutzen (Kühlleistung) weiter geöffnet werden, so dass der zusätzliche Flugzeugwiderstand dadurch nicht unnötig erhöht wird. Die Gesetzmäßigkeit wird für jedes Flugzeug und jedes System gesondert bestimmt, optimiert und festgelegt. Es sind mindestens die folgenden drei Möglichkeiten zur Festlegung einer derartigen geeigneten Gesetzmäßigkeit denkbar:

1. Gemäß einer festgelegten Gesetzmäßigkeit wird zu jeder Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 eine Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' festgelegt, d. h. es wird eine Funktion f, die die Einlasskanalklappen- und die Auslasskanalklappenposition miteinander verknüpft, festgelegt.
2. Für eine jeweilige als Mastersteuerungsgröße vorgegebene Stauluftauslasskanalklappenposition wird die Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' in Abhängigkeit des Drucks hinter dem Staulufteinlasskanal 20 gesteuert. Dazu wird ein Drucksensor hinter, d. h. stromabwärts des Staulufteinlasskanal 20, angeordnet. Der Steuerwert für den Druck wird in Abhängigkeit von der Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 bestimmt und kann zusätzlich von den Flug- und Umgebungsbedingungen, wie etwa Flughöhe, Fluggeschwindigkeit und Umgebungstemperatur bestimmt werden.
3. Für eine jeweilige Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 als Mastervorgabe wird die Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' in Abhängigkeit des Drucks im Stauluftauslasskanal 30 gesteuert. Dazu wird ein Drucksensor im Stauluftauslasskanal 30 positioniert. Der Steuerdruckwert für den Druck wird in Abhängigkeit von der Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 bestimmt und kann zusätzlich noch von den Flug- und Umgebungsbedingungen, wie etwa Flughöhe, Fluggeschwindigkeit und Umgebungstemperatur, bestimmt werden.

Als feste Gesetzmäßigkeit sind insbesondere folgende Möglichkeiten zum Festlegen der Funktion f im Bereich B1 denkbar und steuerungstechnisch besonders leicht zu implementieren:

A) Im gesamten Bereich B1, d. h. im Steuerbereich der Auslassgröße zwischen der minimalen Auslassgröße A_min und der vorbestimmten Auslassgröße A_vorbest sowie dem Steuerbereich der Einlassgröße von E_min bis E_max, wird eine lineare Gesetzmäßigkeit lin1 wie in 4 gezeigt, benutzt.
B) Im gesamten Bereich B1, d. h. im Steuerbereich der Auslassgröße zwischen A_min und A_vorbest und im Steuerbereich der Einlassgröße zwischen E_min und E_max, wird eine quadratische Gesetzmäßigkeit quad, wie in 5 gezeigt, benutzt. Danach ist die Zunahme der Auslassgröße eine quadratische Funktion der Zunahme der Einlassgröße.
C) Im Bereich B1 wird eine abschnittsweise lineare Gesetzmäßigkeit implementiert, wie in 6 gezeigt. Dazu wird der Bereich B1 unterteilt in einen ersten Unterbereich B1.1 und in einen zweiten Unterbereich B1.2, der bei einer vorbestimmten Einlassgröße E_vorbest an den Bereich B1.1 anschließt. Im Bereich B1.1 ist die Position der Stauluftauslasskanalklappe 34 konstant und entspricht insbesondere dem minimalen Auslassquerschnitt bzw. der Auslassgröße A_min. Dabei sollte der Neigungswinkel der Stauluftauslasskanalklappe 34 deutlich unter 10° relativ zur Flugzeugaußenhaut 40 liegen. In dem Bereich B1.1 wird der Kühlungsluftmassenstrom nur mit den Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' und nur bis zu der vorbestimmten Einlassgröße E_vorbest gesteuert. Im Bereich B1.2 besteht ein linearer Zusammenhang lin2 (siehe 6) zwischen der Auslassgröße und der Einlassgröße, d. h. sowohl die Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' als auch die Stauluftauslasskanalklappe 34 steuern den Kühlungsluftmassenstrom durch Änderung ihrer Position. Bei wachsendem Kühlungsluftbedarf werden die Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' bis zu der der maximalen Einlassgröße E_max entsprechenden, maximal geöffneten Position aufgefahren und synchron dazu wird die Stauluftauslasskanalklappe 34 von ihrer der minimalen Auslassgröße A_min entsprechenden Position bis zu einer einer vorbestimmten Auslassgröße A_vorbest entsprechenden Position geöffnet. Im Bereich B2 ist die Position der Staulufteinlasskanalklappen 24, 24' konstant auf der der maximalen Einlassgröße E_max entsprechenden Position und bei steigendem Kühlungsluftbedarf wird die Stauluftauslasskanalklappe 34 von der der vorbestimmten Auslassgröße entsprechenden Position bis zu der der maximalen Auslassgröße A_max entsprechenden Position geöffnet.
D) In Abänderung der oben unter B) beschriebenen quadratischen Gesetzmäßigkeit ist jede andere funktionelle Gesetzmäßigkeit denkbar, die steuer- und regelungstechnisch zu implementieren ist und die eine Funktion f mit zu hohen Einlassgrößen hin zunehmender Steigung vorgibt, wie etwa eine kubische oder eine exponentielle Gesetzmäßigkeit.

Es kann besonders vorteilhaft sein, die Positionen der Stauluftkanalklappen 24, 24', 34 gemäß der oben beschriebenen Gesetzmäßigkeiten nicht kontinuierlich, sondern abschnittweise bzw. schrittweise zu steuern. Dabei werden die Einlasskanalklappen 24, 24' und die Auslasskanalklappe 34 nur auf jeweilige diskrete Positionen eingestellt. Einer jeweiligen diskreten Position A_i der Stauluftauslasskanalklappe 34 ist über die Gesetzmäßigkeit (beispielsweise die Funktion f) eine diskrete Position E_i der Einlasskanalklappen 24, 24' zugeordnet. Die Stauluftkanalklappen 24, 24', 34 werden in eine solche Position gebracht, dass der Kühlungsluftdurchsatz minimal bleibt. Dabei kann sich die Regeltemperatur einer Klimaanlage in einem Bereich zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert befinden. Wenn der Istwert der Regeltemperatur den maximalen Wert übersteigt, werden die Stauluftkanalklappen 24, 24', 34 um einen Schritt auf die jeweilige nächste diskrete Position weiter aufgefahren. Wenn der Istwert der Regeltemperatur den minimalen Wert unterschreitet, werden die Stauluftkanalklappen 24, 24', 34 um einen jeweiligen Schritt auf die nächst kleinere diskrete Position eingefahren.
Ein Vorteil dieser schrittweisen Steuerung besteht darin, dass die Stauluftkanalklappen 24, 24', 34 weniger häufig bewegt bzw. gefahren werden, was einen geringeren Verschleiß und eine geringere Abnutzung bringt sowie die Zuverlässigkeit der Klimaanlage erhöhen und die Wartungskosten bei Kunden verringern kann. Die Größe und die Lage des Bereichs bzw. die Bereiche der Regeltemperatur der Anlage werden in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Klimaanlage bestimmt und optimiert.
In den oben mit Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen wurde angenommen, dass die Einlassgröße in direkter Abhängigkeit von der Auslassgröße unter Einhaltung der funktionellen Verknüpfung durch die Funktion f mit A = f(E) eingestellt wird. Zudem steuern die beweglichen Elemente am Einlass und am Auslass, insbesondere die Staulufteinlasskanalklappen und die Stauluftauslasskanalklappe, den Kühlungsluftdurchsatz mittels einer gemeinsamen Führungsgröße. Bevorzugt wird die gemeinsame Führungsgröße in Abhängigkeit von der Regeltemperatur der Klimaanlage ermittelt. Dabei werden die Abhängigkeit der Einlassgröße von der gemeinsamen Führungsgröße und die Abhängigkeit der Auslassgröße von der gemeinsamen Führungsgröße so gewählt, dass zwischen der Einlassgröße und der Auslassgröße ein Zusammenhang besteht, wie er in 3 durch die Kurve f veranschaulicht ist, d. h. dass der Zusammenhang zwischen der Einlassgröße und der Auslassgröße die oben erläuterten Bedingungen erfüllt. Erfindungsgemäß werden voneinander unabhängige Regelkreise für das bewegliche Element am Einlass und das bewegliche Element am Auslass, d. h. für die Staulufteinlasskanalklappen und für die Stauluftauslasskanalklappe in Abhängigkeit von den Gegebenheiten der zu regelnden Klimaanlage und der Ausführung des Stauluftkanals entwickelt. Folglich sind die Positionen der beweglichen Elemente, d. h. der Staulufteinlasskanalklappen und der Stauluftauslasskanalklappe, nur von der Führungsgröße abhängig. Dies bringt einen weiteren Vorteil, nämlich dass im Falle eines Ausfalls von einem der Aktuatoren am Einlass und am Auslass der andere, noch funktionierende Aktuator das entsprechende bewegliche Element ansteuern und damit den Kühlungsluftdurchsatz steuer- und regelungstechnisch problemlos weiterhin steuern kann. Das Prinzip der Ansteuerung durch die gemeinsame Führungsgröße ist auch für Stauluftkanäle mit nur einem Aktuator anwendbar. Zur Bestimmung der Führungsgröße können neben der Regeltemperatur der Klimaanlage auch weitere Parameter, wie etwa die Anlageregeltemperatur oder ein charakteristischer Druck im Stauluftkanal verwendet werden.
Die oben beschriebene Stauluftkanalklappensteuerung trägt dazu bei, den Gesamtwiderstand und dadurch den Treibstoffverbrauch eines Flugzeugs zu verringern und dadurch die Reichweite des Flugzeugs zu vergrößern.

Claims

Stauluftkanal (10) zur Umgebungsluftzufuhr in einem Flugzeug mit: – einem Staulufteinlasskanal (20), – einem Stauluftauslasskanal (30), der stromabwärts des Staulufteinlasskanals (20) und in Fluidkommunikation mit dem Staulufteinlasskanal (20) angeordnet ist, – einem beweglichen Element, das an einem Einlass (22) des Staulufteinlasskanals (20) angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Einlassgröße (E) des Einlasses (22) einzustellen, wobei eine kleinere Einlassgröße (E) einem kleineren Einlassströmungsquerschnitt entspricht und eine größere Einlassgröße (E) einem größeren Einlassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei die Einlassgröße (E) in einem Steuerbereich von einer minimalen Einlassgröße (E_min) bis zu einer maximalen Einlassgröße (E_max) einstellbar ist, – einem beweglichen Element, das an einem Auslass (32) des Stauluftauslasskanals (30) angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Auslassgröße (A) des Auslasses (32) einzustellen, wobei eine kleinere Auslassgröße (A) einem kleineren Auslassströmungsquerschnitt entspricht und eine größere Auslassgröße (A) einem größeren Auslassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei die Auslassgröße (A) in einem Steuerbereich von einer minimalen Auslassgröße (A_min) bis zu einer zweiten, maximalen Auslassgröße (A_max) einstellbar ist, wobei die Auslassgröße (A) und die Einlassgröße (E) durch eine Funktion (f) miteinander verknüpft sind, so dass jeder Einlassgröße (E) eine einem Wert (f(E)) der Funktion entsprechende Auslassgröße (A) zugeordnet ist, und wobei eine lineare Funktion (L) so definiert ist, dass die Endwerte (E_min, A_min) der Einlassgröße (E) und der Auslassgröße (A) an den unteren Enden der jeweiligen Steuerbereiche mit den Endwerten (E_max, A_max) der Einlassgröße (E) und der Auslassgröße (A) an den oberen Enden der jeweiligen Steuerbereiche durch die lineare Funktion (L) miteinander verbunden sind, wobei (Bedingung 1) die Steigung (∂f(E)/∂E) der Funktion (f) bei der minimalen Einlassgröße (E_min) kleiner als die Steigung der linearen Funktion (L) und größer oder gleich Null ist, wobei das am Einlass (22) des Staulufteinlasskanals (20) angeordnete bewegliche Element und das am Auslass (32) des Stauluftauslasskanals (30) angeordnete bewegliche Element mittels eines gemeinsamen Aktuators oder jeweils mittels eines Aktuators (26, 46) verstellbar sind, und wobei eine zentrale Steuereinheit des Stauluftkanals (10) den Aktuator bzw. die Aktuatoren (26, 46) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit des Stauluftkanals (10) einen ersten Regelkreis mit einem Eingang und einem Ausgang zum Ansteuern des Aktuators (26) des beweglichen Elements am Einlass (22) und einen zweiten, vom ersten unabhängigen Regelkreis mit einem Eingang und einem Ausgang zum Ansteuern des Aktuators (46) des beweglichen Elements am Auslass (32) umfasst, wobei die Steuereinheit des Stauluftkanals (10) dazu ausgebildet ist, auf Grundlage der Funktion (f) am Ausgang des ersten Regelkreises ein Steuersignal zum Einstellen einer Position des beweglichen Elements am Einlass (22) und am Ausgang des zweiten Regelkreises ein Steuersignal zum Einstellen einer Position des beweglichen Elements am Auslass (32) bereitzustellen, und dem Eingang des ersten Regelkreises und dem Eingang des zweiten Regelkreises eine beiden Regelkreisen gemeinsame Führungsgröße zuzuführen.
Stauluftkanal (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauluftkanal dazu ausgebildet ist, die gemeinsame Führungsgröße in Abhängigkeit von der Regeltemperatur in dem Flugzeug zu ermitteln.
Stauluftkanal (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass (Bedingung 2) der Wert (f(E)) der Funktion (f) für jede Einlassgröße (E) zwischen der minimalen Einlassgröße (E_min) und der maximalen Einlassgröße (E_max) kleiner als der Wert der linearen Funktion (L) für diese Einlassgröße (E) ist.
Stauluftkanal (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (Bedingung 3) die Steigung (∂f(E)/∂E) der Funktion (f) bei der maximalen Einlassgröße (E_max) größer als die Steigung der linearen Funktion (L) ist.
Stauluftkanal (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element am Einlass (22) mindestens eine Staulufteinlasskanalklappe (24, 24') und das bewegliche Element am Auslass (32) mindestens eine Stauluftauslasskanalklappe (34) umfasst.
Stauluftkanal (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassgröße (E) der Strömungsquerschnitt des Einlasses (22) oder eine die Position des beweglichen Elements (24) am Einlass (22) charakterisierende Größe, insbesondere ein Einlasskanalklappenöffnungswinkel oder ein Abstand (28) eines Bereichs, insbesondere eines Endbereichs, einer Staulufteinlasskanalklappe (24) zu einem den Einlass (22) umgebenden, feststehenden Bereich (42) einer Flugzeugaußenhaut (40) ist, und/oder dass die Auslassgröße (A) ein Strömungsquerschnitt des Auslasses (32) oder eine die Position des beweglichen Elements am Auslass (32) charakterisierende Größe, insbesondere ein Auslasskanalklappenöffnungswinkel (36) oder ein Abstand (38) eines Bereichs, insbesondere eines Endbereichs, einer Stauluftauslasskanalklappe (34) zu einem den Auslass (32) umgebenden, feststehenden Bereich (44) der Flugzeugaußenhaut (40) ist.
Verfahren zur Steuerung eines Umgebungsluftmassenstroms durch einen Stauluftkanal (10), wobei der Stauluftkanal (10) umfasst: – einen Staulufteinlasskanal (20), – einen Stauluftauslasskanal (30), der stromabwärts des Staulufteinlasskanals (20) und in Fluidkommunikation mit dem Staulufteinlasskanal (20) angeordnet ist, – ein bewegliches Element, das an einem Einlass (22) des Staulufteinlasskanals (20) angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Einlassgröße (E) des Einlasses (22) einzustellen, wobei eine kleinere Einlassgröße (E) einem kleineren Einlassströmungsquerschnitt entspricht und eine größere Einlassgröße (E) einem größeren Einlassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei die Einlassgröße (E) in einem Steuerbereich von einer minimalen Einlassgröße (E_min) bis zu einer maximalen Einlassgröße (E_max) einstellbar ist, – ein bewegliches Element, das an einem Auslass (32) des Stauluftauslasskanals (30) angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Auslassgröße (A) des Auslasses (32) einzustellen, wobei eine kleinere Auslassgröße (A) einem kleineren Auslassströmungsquerschnitt entspricht und eine größere Auslassgröße (A) einem größeren Auslassströmungsquerschnitt entspricht, und wobei die Auslassgröße (A) in einem Steuerbereich von einer minimalen Auslassgröße (A_min) bis zu einer zweiten, maximalen Auslassgröße (A_max) einstellbar ist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Definieren eines Steuerbereichs für die Einlassgröße (E) von einer minimalen Einlassgröße (E_min) bis zu einer maximalen Einlassgröße (E_max), (b) Definieren eines Steuerbereichs für die Auslassgröße (A) von einer minimalen Auslassgröße (A_min) bis zu einer maximalen Auslassgröße (A_max), (c) Definieren einer linearen Funktion (L) derart, dass die Endwerte (E_min, A_min) der Einlassgröße (E) und der Auslassgröße (A) an den unteren Enden der jeweiligen Steuerbereiche mit den Endwerten (E_max, A_max) der Einlassgröße (E) und der Auslassgröße (A) an den oberen Enden der jeweiligen Steuerbereiche durch die lineare Funktion (L) miteinander verbunden sind, und (d) Definieren einer eine Funktion (f), die die Auslassgröße (A) und die Einlassgröße (E) miteinander verknüpft, so dass jeder Einlassgröße (E) eine einem Wert (f(E)) der Funktion entsprechende Auslassgröße (A) zugeordnet ist, wobei (Bedingung 1) die Steigung (∂f(E)/∂E) der Funktion (f) bei der minimalen Einlassgröße (E_min) kleiner als die Steigung der linearen Funktion (L) und größer oder gleich Null ist, wobei das am Einlass (22) des Staulufteinlasskanals (20) angeordnete bewegliche Element und das am Auslass (32) des Stauluftauslasskanals (30) angeordnete bewegliche Element mittels eines gemeinsamen Aktuators oder jeweils mittels eines Aktuators (26, 46) verstellbar sind, und wobei eine zentrale Steuereinheit des Stauluftkanals (10) den Aktuator bzw. die Aktuatoren (26, 46) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ansteuern des Aktuators (26) des beweglichen Elements am Einlass (22) ein erster Regelkreis mit einem Eingang und einem Ausgang und zum Ansteuern des Aktuators (46) des beweglichen Elements am Auslass (32) ein zweiter, vom ersten unabhängiger Regelkreis mit einem Eingang und einem Ausgang vorgesehen ist, wobei auf Grundlage der Funktion (f) am Ausgang des ersten Regelkreises ein Steuersignal zum Einstellen einer Position des beweglichen Elements am Einlass (22) und am Ausgang des zweiten Regelkreises ein Steuersignal zum Einstellen einer Position des beweglichen Elements am Auslass (32) bereitgestellt wird, und wobei zum Einstellen der Einlassgröße (E) und der Auslassgröße (A) eine gemeinsame Führungsgröße benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Führungsgröße in Abhängigkeit von einer Regeltemperatur in dem Flugzeug ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei im Schritt (d) die Funktion (f) so definiert wird, dass (Bedingung 2) der Wert der Funktion (f(E)) für jede Einlassgröße (E) im Regelbereich der Einlassgröße (E) kleiner als der Wert der linearen Funktion (L) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei im Schritt (d) die Funktion (f) so definiert wird, dass (Bedingung 3) die Steigung (∂f(E)/∂E) der Funktion (f) bei der maximalen Auslassgröße (E_min) größer als die Steigung der linearen Funktion (L) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei ein erster Bereich (B1) für die Einlassgröße (E) so definiert wird, dass die Einlassgröße (E) größer oder gleich der minimalen Einlassgröße (E_min) und kleiner als die maximale Einlassgröße (E_max) ist, wobei ein Wert (A_vorbest) der Auslassgröße (A) vorbestimmt worden ist, der größer als die minimale Auslassgröße (A_min) und kleiner oder gleich der maximalen Auslassgröße (A_max) ist, und wobei die Funktion (f) so gewählt wird, dass ihre Werte (F(E)) für alle Werte der Einlassgröße (E) in dem ersten Bereich (B1) größer oder gleich der minimalen Auslassgröße (A_min) und kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert (A_vorbest) der Auslassgröße (A) sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei, wenn die Einlassgröße (E) der maximalen Einlassgröße (E_max) entspricht, die Auslassgröße (A) in einem Bereich (B2), der sich von dem vorbestimmten Wert (A_vorbest) der Auslassgröße (A) bis zu der maximalen Auslassgröße (A_max) erstreckt, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Bereich (B1) in einen ersten Unterbereich (B1.1), der sich von der minimalen Einlassgröße (E_min) bis zu einem relativ dazu größeren, vorbestimmten Wert (E_vorbest) der Einlassgröße (E) erstreckt, und einen zweiten Unterbereich (B1.2), der sich von dem vorbestimmten Wert (E_vorbest) der Einlassgröße (E) bis zu der maximalen Einlassgröße (E_max) erstreckt, unterteilt wird, und wobei die Funktion (f) in dem ersten Unterbereich (B1.1) als eine konstante Funktion (const, 6) und in dem zweiten Unterbereich (B1.2) als eine lineare Funktion (lin2, 6) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Bereich (B1) in einen ersten Unterbereich (B1.1), der sich von der minimalen Einlassgröße (E_min) bis zu einem relativ dazu größeren, vorbestimmten Wert (E_vorbest) der Einlassgröße (E) erstreckt, und in einen zweiten Unterbereich (B1.2), der sich von dem vorbestimmten Wert (E_vorbest) der Einlassgröße (E) bis zu der maximalen Einlassgröße (E_max) erstreckt, unterteilt wird, und wobei die Einlassgröße (E) in dem ersten Unterbereich (B1.1) und/oder in dem zweiten Unterbereich (B1.2) entweder in Abhängigkeit von einem stromabwärts in Bezug auf den Staulufteinlasskanal (20) gemessenen Druck oder in Abhängigkeit von einem in dem Stauluftauslasskanal (30) gemessenen Druck gesteuert wird.