DE3121909A1 - Integrierte hilfstriebwerks- und klimaeinheit - Google Patents

Description

1Α-3528
79R43

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California/ U.S.A.

Integrierte Hilfstriebwerks- und Klimaeinheit

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Turbomaschinen und insbesondere eine integrierte Hilfstriebwerks- und Klimaregelungseinheit für Flugzeuge oder dergleichen.

In großen Flugzeugen wird üblicherweise eine Hilfstriebwerkseinheit vorgesehen. Diese umfaßt eine Antriebsmaschine zum Antrieb eines Kompressors, dessen Druckluft zur Versorgung der Luftzirkulations-Klimaanlage des Flugzeugs dient sowie zur Versorgung der Luftanlaßeinrichtungen des Flugzeugs. Bei Passagierflugzeugen wird üblicherweise die Klimaanlage auch zur Kühlung, Heizung und Druckbeaufschlagung des Passagierabteils verwendet. Diese Einheit umfaßt eine Turbine, welche entweder angetrieben werden kann durch Abzapfluft dos Trieb-

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werks des Flugzeugs oder durch Druckluft einer gesonderten Antriebsmaschine (Hilfsantriebseinheit). Die Antriebsmaschine treibt dabei einen Kompressor mechanisch an. Hierdurch erhält man einen zusätzlichen Luftstrom zur Turbine
der Klimaanlage. Auf diese Weise kann die richtige Ventilationsrate des Flugzeugs eingestellt werden. Auf diese
Weise erhält man ferner einen Klimaregelzyklus mit niedrigem Energieverbrauch. Ferner kann die Luftströmung der
Klimaregelturbine der Passagierkabine auch mit der gewünschten Temperatur und dem gewünschten Druck zugeführt werden. Es ist bisher üblich gewesen, den Kompressor der Klimaanlage für maximale Ausgangsleistung anzutreiben, um einen maximalen Strömungsdurchsatz für die Grenzbedingungen des Heizens und Kühlens zu erhalten. Die gewünschte Temperatur in der Luftströmung wird dabei eingestellt durch Strömungsmischung mit Hilfe eines Temperatursteuerventils. Es ist üblich in großen Passagierflugzeugen, eine Vielzahl von unabhängigen Klimaanlagen vorzusehen. Im Falle einer solchen Vielzahl
von unabhängigen Klimaanlagen ist offensichtlich auch eine entsprechende Vielzahl von Sensoren und Steuereinrichtungen erforderlich. Ferner muß auch dabei der Kompressor einer
jeden dieser Klimaanlagen stets mit maximaler Ausgangsleistung betrieben werden, und zwar unabhängig von dem tatsächlichen Bedarf, so daß auf jeden Fall der gesamte in Frage
kommende Bedarfsbereich abgedeckt werden kann. Ein solches Verfahren ist natürlich nicht effizient in Bezug auf die
eingesetzte Energie.

Diese Nachteile des Standes der Technik werden durch die
vorliegende Erfindung überwunden. Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung geschaffen, welche sowohl die Funktion einer
Hilfstriebwerkseinheit erfüllt als auch die Funktion einer Vielzahl von Klimaanlagen. Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil einer verbesserten Energieeffizienz, einer

relativ geringen Komplexität, geringer Betriebs- und Wartungskosten sowie eines geringeren Gewichts und weniger teurer Anlagenteile.

Erfindungsgemäß wird eine Hilfsantriebseinheit geschaffen, welche eine primäre Antriebsmaschine umfaßt sowie einen Kompressor mit variabler Geometrie. Dieser kann angetrieben werden durch die Abzapfluft der Flugzeugtriebwerke,oder er kann über eine Freilaufkupplung antriebsmäßig mit der primären Antriebsmaschine verbunden werden. Der Kompressor ist über eine Welle mit einer Turbine mit geregelter Emission gekoppelt. Auf diese Weise erhält man eine Klimaregeleinheit. Wenn der Kompressor direkt mit der primären Antriebsmaschine angetrieben wird, so dient er zugleich als Hilfsantriebseinheit und als Klimaregeleinheit. Wenn andererseits das Flugzeug sich im Flug befindet, so kan.n der Kompressor von der Antriebseinheit mit Hilfe der Freilaufkupplung entkoppelt werden und durch Anzapfluft der Flugzeugtriebwerke angetrieben werden. In diesem Falle dient die Einrichtung als Klimaregeleinheit.

Man erkennt, daß der einzige Kompressor der vorliegenden Erfindung zwei Kompressoren herkömmlicher Anlagen ersetzt. Dies führt zu einer wesentlichen Gewichtverringerung und zu Raumersparnis, was gleichbedeutend mit einer höheren Nutzlast ist oder mit geringeren Kosten zum Transport einer vorgegebenen Nutzlast. Der Kompressor mit variabler Geometrie hat variable Auslaßschaufeln, welche eingestellt werden können, um die Strömung zur Turbine auf im wesentlichen konstanten Druck zu regulieren. Auf diese Weise wird der Betrieb in der Nähe der maximalen Betriebseffizienz gehalten. Die Turbinenemission kann geregelt werden durch Aufteilung der StrömungsVersorgung im Sinne einer Strömungsanpassung an den Kompressor. Hierdurch wird die Druckdrosselung durch die Turbine auf ein

Minimum herabgesetzt, und man erhält einen nahezu konstanten Druck über einen weiten Strömungsbereich. Dies erlaubt ferner einen Teil der Austrittsluft des Kompressors von der Turbine für andere Zwecke, z.B. zum Antrieb eines Triebwerksstartmotors abzuzweigen. Ferner erlaubt diese Anordnung die Klimaregeleinheit über den größten Teil des Betriebsbereichs mit konstanter Geschwindigkeit in der Nähe maximaler Effizienz zu betreiben. Somit ist das erfindungsgemäße System in hohem Maße energieeffizient.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwirklichung der Funktion einer Hilfstriebwerksexnheit und einer Klimaregeleinheit mit einer einzigen Anlage zu erfüllen, welche kompakt ist, geringes Gewicht aufweist, äußerst energieeffizient ist und hinsichtlich Installation und Wartung wirtschaftlich ist.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine kombinierte HiIfsantriebs- und Klimaregeleinheit zu schaffen, welche über einen weiten Betriebsbereich mit konstanter Geschwindigkeit in der Nähe maximaler konstruktiver Effizienz betrieben werden kann.

Es ist speziell Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Hilfstriebwerks- und Klimaregeleinheit für ein Flugzeug zu schaffen. Diese umfaßt eine primäre Antriebsmaschine und einen Kompressor mit variabler Geometrie, welcher selektiv entweder durch Abzapfluft der Triebwerke des Flugzeugs getrieben werden kann oder über eine Freilaufkupplung mit der primären Antriebsmaschine gekoppelt werden kann. Ferner ist eine Turbine mit geregelter Emission vorgesehen, welche über die Welle mit dem Kompressor gekoppelt ist und mit diesem Kompressor zusammenwirkt und eine Klimaregeleinheit bildet. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der ein Teil der Ausgangsleistung des Kompressors für die Verwendung als Hilfsantriebseinheit abgezweigt werden kann.

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im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Hilfsantriebs- und Klimaregeleinheit.

Die Figur zeigt eine allgemein mit 2 bezeichnete integrierte Hilfsantriebs- und Klimaregeleinheit mit einer primären Antriebsmaschine 4, welche über ein Getriebe 6 eine Anzahl verschiedener Einrichtungen antreibt, z.B. einen Generator 8, ein Kühlgebläse 10, eine Treibstoffpumpe 12, eine Schmierpumpe 14 und Freilaufkupplungen 16 und 18. Die Kupplung 16 dient dem Antrieb durch einen Starter 20. Hierdurch wird die primäre Antriebsmaschine 4 über das Getriebe 6 in Drehung versetzt zum Zwecke des Starts der primären Antriebsmaschine. Die Kupplung 18 ist antriebsmäßig mit dem Kompressor 22 variabler Geometrie verbindbar und mit einer Turbine 24 mit gesteuerter Emission, welche mit einer gemeinsamen Antriebswelle 26 verbunden sind.

Der Kompressor 22 mit variabler Geometrie ist mit variablen Auslaßdiffusorschaufeln ausgerüstet. Diese sind einstellbar zum Zwecke der Steuerung der Strömungsfläche und zur Steuerung des Drucks der in den Kompressor 22 einströmenden Luft und der aus dem Kompressor 22 ausströmenden Luft. Dies erlaubt den Betrieb des Kompressors 22 mit nahezu konstantem Druck und in der Nähe maximaler Effizienz unter Verbrauch geringer Energie, wobei die primäre Antriebsmaschine 4 nur eine minimale Antriebsleistung zu erbringen hat. Falls die primäre Antriebsmaschine 4 inaktiv ist, so wird der Kompressor 22 durch eine minimale Menge Abzapfluft der Flugzeugtriebwerke (minimaler Triebwerksleistungsverlust) betrieben, wie dies in der Figur bei 28 dargestellt ist. Falls erwünscht, kann auch ein variabler Satz von Einlaßschaufeln des Kompressors vorgesehen sein, um den Energieverbrauch der Klimaregeleinheit noch weiter herabzusetzen. Solche Kompressoren sind

Komponenten in den Lycoming T55-L11 Flugzeugtriebwerken, hergestellt durch AVCO Lycoming Corporation, Stratford, Connecticut. Ferner handelt es sich dabei um Komponenten der Flugzeugtriebwerke , welche von der National Aeronautics and Space Administration entwickelt wurden.

Die Turbine 24 mit gesteuerter Emission weist steuerbare Einlaßkanäle auf zum Zwecke der Aufteilung der Menge der Luftströmung, welche in die Turbine eintritt, so daß ein im wesentlichen konstanter Druck aufrechterhalten werden kann und die Turbine 24 somit in der Nähe maximaler Effizienz betrieben werden kann. Auf diese Weise kann man die Emission der Turbine 24 zum Zwecke der Anpassung an die Luftströmung vom Kompressor 22 einstellen. Hierdurch kann die Druckdrosselung durch die Turbine auf ein Minimum herabgesetzt werden, und man kann innerhalb eines weiten Bereichs der Betriebsströmung einen konstanten Druck aufrechterhalten. Das integrierte System der vorliegenden Erfindung kann mit wesentlich geringerem Energieaufwand betrieben werden als eine gesonderte Klimaregeleinheit und eine gesonderte Hilfsantriebseinheit, und zwar über die Gesamtdauer eines Flugzeugbetriebs. Erfindungsgemäß sind in einer einzigen integrierten Einheit eine Hilfsantriebseinheit sowie eine Kreislauf-Klimaregeleinheit mit Lastkompressor vorgesehen. Hierdurch erzielt man erhebliche Energieeinsparungen. Durch die Kombinierung der Klimaregeleinheit und der Hilfsantriebseinheit kann man einen Kompressor eliminieren unter Einsparung von Gewicht, Raumbedarf, Installationskosten und Betriebskosten. Darüberhinaus zeigt die Kopplung des Kompressors mit der Turbine übrr eine Welle einen Wirkungsgrad von etwa 98%, während die herkömmliche Luftkopplung nur einen Wirkungsgrad von etwa 80% aufweist.

Leerseite

Claims (1)

Patentanspruch

1. Integrierte Klimaregel- und Hilfsantriebseinheit für ein Fahrzeug mit einem Triebwerk, gekennzeichnet durch

eine primäre Antriebsmaschine (4), einen Kompressor variabler Geometrie (22), eine Freilaufkupplung (18) zur antriebsmäßigen Kopplung der primären Antriebsmaschine (4) mit dem Kompressor (22), eine Einrichtung zur Zufuhr von Abzapfluft vom Triebwerk zum Kompressor (22), wenn die primäre Antriebsmaschine (4) nicht läuft, eine Turbine (24) mit gesteuerter Emission, einer gemeinsamen Antriebswelle (26) zur Kopplung des Kompressors (22) mit der Turbine (24), so daß diese simultan rotieren können und

eine Einrichtung zur unabhängigen Nutzung der Auslaßströmung des Kompressors (22) und der Turbine (24).