DE3509767A1

DE3509767A1 - Verfahren und einrichtung fuer die energie- und klimafrischlufterzeugung von flugzeugen

Info

Publication number: DE3509767A1
Application number: DE19853509767
Authority: DE
Inventors: Herfried Dipl.-Ing. Toulouse Krafka
Original assignee: Deutsche Aerospace AG; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1985-03-19
Publication date: 1986-01-02
Also published as: DE3509767C2

Description

Verfahren und Einrichtung für die Energie- und Klima-
frischlufterzeugung von Flugzeugen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für die Energie- und Klimafrischlufterzeugung von Flugzeugen, die mit Haupttriebwerken und mit einem einen Klimaluft-Kompressor antreibenden Hilfstriebwerk mit zugehörigem Lufteinlauf, Kompressor, Diffusor und einer zugehörigen Austrittsdüse sowie mit einem Wärmetauscher versehen sind und die über eine Vorrichtung zur Absaugung der Grenzschicht von den Flugzeugtragflächen verfügen.
Der Einbau eines Hilfstriebwerks im Rumpf heck von Flugzeugen zur Erzeugung von elektrischem Strom und zur Versorgung des Flugzeugs mit Klimafrischluft ist bekannt, wobei das Hilfstriebwerk die Aufgabe nur solange übernimmt, wie das Flugzeug während des Be- und Entladens oder während der Betankung am Boden steht und die Hauptstrahltriebwerke nicht in Betrieb sind. Nach bisheriger Praxis wird das Hilfstriebwerk im Flug abgestellt und die Hauptstrahltriebwerke übernehmen die Aufgabe der Energie- und Frischluftversorgung.
Aus der DE-OS 31 21 909 ist beispielsweise eine integrierte Hilfstriebwerks- und Klimaeinheit bekannt geworden, die über einen Kompressor variabler Geometrie verfügt, der einerseits durch die Abzapfluft des Haupttriebwerks des Flugzeugs und andererseits über eine Freilaufkupplung durch das Hilfstriebwerk für die Energie- und Klimafrischluftversorgung antreibbar ist.
Mit dieser Einrichtung ist der Nachteil verbunden, daß für deren Betrieb ein hoher Brennstoffverbrauch erforderlich ist, da dieser ohne zusätzliche Energiezufuhr stets propotional zur Leistung ist, die die Haupttriebwerke bezüglich der erforderlichen Abzapfluftmenge oder das Hilfstriebwerk hinsichtlich der mechanischen Leistung für die diesbezügliche Versorgung des Flugzeuges erbringen müssen. Außerdem sind die Verdichterstufen der Haupttriebwerke primär für die Erzeugung vom Vortriebsschub und nicht für die Erzeugung von Abzapf luft optimiert, wobei für diese zusätzliche Luftmenge das gesamte Haupttriebwerk vergrößert ausgelegt werden muß.
Darüberhinaus werden durch die Entnahme der Abzapfluft, insbesondere während der Startphase, die Haupttriebwerke sehr stark belastet und damit wird die Flugsicherheit des Flugzeugs gefährdet.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, mit denen der Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit der Energie- und Klimfrischluftversorgung von Flugzeugen und deren Flugsicherheit verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 niedergelegte Verfahren gelöst, dessen vorteilhafte Einrichtungen in den Ansprüchen 2 bis 11 aufgezeigt sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert und näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch die Einrichtung zur Energie- und Klimafrischlufterzeugung in schematischer Darstellung, Fig. 2 einen Schnitt durch den Klimaluft-Kompressor.
Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, ist im Lufteinlauf 4 ein mit einer Düse 8 versehenes Führungsrohr 5 angeordnet, an dessen anderen Ende ein Zulauf rohr 32 für die Abluft aus der Kabine und eine Rohrleitung 33 für die Abluft von der nicht dargestellten Vorrichtung zur Grenzschichtabsaugung von den ebenfalls nicht gezeigten Tragflächen des Flugzeuges vorgesehen ist. Mittels des Führungsrohres (5) wird diese Abluft zum mittleren Abschnitt des Einlaufs 4 durch die Düse 8 beschleunigt und anschließend im Sammelrohr 6 mit der vom Lufteinlauf 4 zuströmenden Frischluft zusammengeführt, wobei der am Einlaufhals 6a bzw. am Ausgang der Düse 8 auftretende Druckunterschied die Strömungsgeschwindigkeit verstärkt. Anschließend erfolgt im nachfolgend angeordneten Diffusor 7 die Mischung der Abluft mit der Frischluft. Diese bereits erwärmte sowie verdichtete und somit energiereiche Luftmischung wird dem Kompressor 17 des im Flugzeugheck 34 angeordneten Hilfstriebwerks für dessen effizienten Betrieb zugeführt. Zum Zwecke der dadurch erzielbaren Brennstoffeinsparung bei gleicher Leistung oder einer gesteigerten Leistung bei gleichem Brennstoffverbrauch, wird daher das Hilfstriebwerk während des Flugzeugeinsatzes sowohl am Boden als auch in der Luft ständig im Betrieb gehalten.
Gleichzeitig wird mittels des über eine weitere Kupplung 31 mit dem Kompressor 17 gekuppelten Klimaluft-Kompressors 2 ein Teil der Frischluft vom Lufteinlauf 4 über einen Zuführkanal 9 angesaugt und zur Erzeugung von Klimafrischluft vom Klimaluft-Kompressor 2 verdichtet.
Über eine am Führungsrohr 5 angeordnete weitere Düse 23 kann auch die gesamte oder nur ein Teil der Abluft von der Grenzschichtabsaugung - insbesondere wenn vom Kompressor 17 ein Teil der Abluft benötigt wird - durch den Zuführkanal 9 einem weiteren Diffusor 18 zugeführt und ggf. in diesem mit der Frischluft aus dem Lufteinlauf 4 vor deren Verdichtung im Klimaluft-Kompressor 2 vermischt werden.
Die aus dem Klimaluft-Kompressor 2 austretende Klimafrischluft, deren Verdichtung durch den Einbezug der energiereichen Grenzschichtluft ebenfalls wenig Kompressorleistung erfordert, wird je nach Bedarf bei 10 mittels eines thermostatgesteuerten Mischventils 14 entweder zur weiteren Erwärmung über ein Zuleitungsrohr 16 zum Wärmetauscher 11 oder direkt über ein Rohr 15 und einer Rohr leitung 13 zur nicht dargestellten Kabine geleitet. Die Klimafrischluft aus dem Rohr 15 kann anschließend mit der erwärmten Klimafrischluft vom Wärmetauscher 11 je nach Wärmebedarf an der Kreuzung vom Rohr 15 und einem Rückführrohr 12 gemischt und in die Kabine weitergeleitet werden.
Der Wärmetauscher 11 ist für die Aufnahme von Wärme aus den Austrittsgasen an der Wand der Austrittsdüse 3 des Hilfstriebwerks 1 angeordnet.
Bei einem besonders hohen Leistungsbedarf des Klimaluft-Kompressors 2, dem neben der Erzeugung von Klimafrischluft in nicht dargestellter Weise z.B. auch die elektrische Energieerzeugung obliegt, kann ein gesteuerter Anteil oder die Gesamtmenge der Abluft aus der Kabine und/oder von der Grenzschichtabsaugung vom Führungsrohr 5 über ein Zuführrohr 19 einer mittels einer Kupplung 29 mit dem Klimaluft-Kompressor 2 lösbar verbundenen Turbine 20 zugeführt werden. Die Abgase werden über ein nicht dargestelltes Abgasrohr abgeführt. Die Steuerung der Abluftmenge, die mittels einer weiteren Düse 24 am Führungsrohr 5 zur Turbine beschleunigt wird, erfolgt durch eine an diesem angeordneten Klappe 28.
Die Zufuhr der Abluft aus der Kabine und dieser von der Grenzschichtabsaugung kann jeweils oder zusammen mittels einer als Doppelverschluß ausgelegten weiteren Klappe 25 am Zulaufrohr 32 und an der Rohr leitung 33 ebenfalls gesteuert werden. Gleichfalls ist am Führungsrohr 5 eine weitere Klappe 26 zur Steuerung der Abluft zum Klimaluft-Kompressor 2 angeordnet.
Eine Steuerverbindung 42 ist zwischen den Klappen 25, 26, 28 und einer am Lufteinlauf 4 befindlichen Einlaufklappe 30 vorgesehen, wobei erstere zu einer bekannten, daher nicht detailliert dargestellten Steuereinrichtung 43 führt, vermittels der die jeweils erforderliche Menge der Abluft und der Frischluft über die vorgenannten Klappen zusammenhängend steuerbar ist.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, kann einer ersten Stufe 21 des Klimaluft-Kompressors 2 eine Ringkammer 36 zugeordnet sein, die einerseits einen Schlitz 38 für den Eintritt der vom Klimaluft-Kompressor 2 bereits verdichteten Frischluft aus dem Statorkanal 37 und andererseits einen Ausgang 39 für deren Austritt zum Wärmetauscher 11 oder zu der Kabine aufweist. Für den hierfür erforderlichen hilfsweisen oder vollständigen Antrieb des Klimaluft-Kompressors 2, kann nun an diesem eine weitere Ringkammer 41 mit einem Eingang 40 für die vom Führungsrohr 5 zuströmende Abluft vorgesehen sein, die über einen Zugang 44 auf die weiteren Stufen 22 des Klimaluft-Kompressors 2 einwirkt, wodurch dieser für eine geringe Leistungsanforderung äußerst wirtschaftlich betrieben werden kann.
Anstatt des wie vorbeschrieben ausgestatteten Klimaluft-Kompressors 2 kann auch der gleichermaßen ausgebildete Kompressor 17 des Hilfstriebwerks 1 oder des nicht dargestellten Haupttriebwerks - der ebenso wie ersterer von radialer oder axialer Bauart sein kann -eingesetzt werden, dessen weitere Stufen 22 für den Triebwerksbetrieb jedoch mit einem Abluft-Frischluftgemisch oder nur mit Frischluft gespeist werden.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin begründe, daß für eine erhebliche Brennstoffeinsparung oder für eine wesentliche Leistungssteigerung bei gleichem Verbrauch, die Klimaabluft aus der Passagier-und/oder Pilotenkabine als energiereiche Verbrennungsluft für den effizienten Betrieb des Hilfstriebwerks verwendet wird. Diese Abluft hat in der Kabine nur einen geringen Teil ihres Sauerstoffgehalts eingebüßt, verfügt jedoch immer noch über einen großen Wärmegehalt und, aufgrund der allgemeinen Simulationserfordernisse, in großer Flughöhe mittels Luftdruck für die Passagiere eine relativ niedrige atmosphärische Höhe in der Kabine zu schaffen, über eine hohe Verdichtungsenergie. Diese energiebehaftete Abluft kann daher auch sowohl zum Antrieb einer mit dem Klimaluft-Kompressor gekuppelten Turbine für eine besonders hohe Leistungsanforderung, als auch zur Speisung des Kompressors des Hilfstriebwerks und zum hilfsweisen oder vollständigen Antrieb des Klimaluft-Kompressors über dessen hierfür vorgesehene Stufen eingesetzt werden, wobei für diesen im letzten Fall ein besonders wirtschaftlicher Betrieb bei einer geringen Leistungsanforderung möglich ist.
Zusätzlich oder alternativ zur Kabinenabluft kann auch die gleichfalls sehr energiereiche Abluft aus der Grenzschichtabsaugung zum Betrieb des Hilfstriebwerks oder der Turbine und/oder auch direkt zur wirtschaftlichen Erzeugung der Klimafrischluft in dem Klimaluft-Kompressor oder in der Vorrichtung zur Grenzschichtabsaugung herangezogen werden, da diese Abluft neben einer hohen Verdichtungsenergie insbesondere auch über einen hohen Sauerstoffgehalt verfügt. Außerdem ist durch die Steuerung oder Regelung der jeweils benötigten Menge der Abluft und der Frischluft mittels Klappen, die über eine Steuereinrichtung ansteuerbar sind sowie durch Auskuppeln nicht benötigter rotierender Einrichtungskomponenten wie z.B. der Turbine, stets eine optimale Anpassung der Einrichtung an die Betriebsanforderungen für eine leistungsfähige und wirtschaftliche Energie- und Klimalufterzeugung möglich.
Aufgrund des hohen erzielbaren Wirkungsgrades bei dieser Betriebsweise, kann auf die Abzapf luft von den Haupttriebwerken für den Antrieb des Klimaluft-Kompressors verzichtet werden. Damit erfahren diese zur Erhöhung der Flugsicherheit eine wesentliche Entlastung und können zusätzlich bei leichterem Gewicht für eine niedere Leistung ausgelegt werden.

Claims

Verfahren und Einrichtung für die Energie- und Klimafrischlufterzeugung von Flugzeugen Patentansprüche 1. Verfahren und Einrichtung für die Energie- und Klimafrischlufterzeugung von Flugzeugen, die mit Haupttriebwerken und mit einem einen Klimaluft-Kompressor antreibenden Hilfstriebwerk mit zugehörigem Lufteinlauf, Kompressor, Diffusor und einer zugehörigen Austrittsdüse sowie mit einem Wärmetauscher versehen sind und die über eine Vorrichtung zur Absaugung der Grenzschicht von den Flugzeugtragflächen verfügen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß a) die Abluft aus der Kabine und/oder von der Grenzschichtabsaugung über ein Führungsrohr (5) zu einem den mittleren Abschnitt des Lufteinlaufs (4) bildenden Sammelrohr (6) geführt und im nachfolgenden Diffusor (7) mit einem Teil der durch den Lufteinlauf (4) zuströmenden Frischluft vor deren Eintritt in den Kompressor (17) des am Boden und während des Fluges betriebenen Hilfstriebwerks (1) gemischt wird, b) daß durch den mittels des Hilfstriebwerks (1) angetriebenen Klimaluft-Kompressor (2) ein weiterer Teil der vom Lufteinlauf (4) strömenden Frischluft über einen Zuführkanal (9) angesaugt und zur Erzeugung von Klimafrischluft anschließend verdichtet wird-, c) daß zumindest ein Teil der Abluft von der Grenzschichtabsaugung über den Zuführkanal (9) einem weiteren Diffusor (18) zugeleitet und in diesem mit der vom Lufteinlauf (4) zugeführten Frischluft zur anschließenden Verdichtung im Klimaluft-Kompressor (2) gemischt wird, d) daß die aus dem Klimaluft-Kompressor (2) austretende verdichtete Klimafrischluft entweder direkt über ein Rohr (15) und eine Rohrleitung (13) zur Passagier- und/oder Pilotenkabine geleitet wird, oder da8 die Klimafrischluft bei Bedarf über ein Zuleitungsrohr (16) zum Wärmetauscher (11) und anschließend über ein Rückführrohr (12) und über die Rohrleitung (13) zu der bzw. den Kabinen geführt wird, e) daß dem Klimaluft-Kompressor (2), bzw. dem Kompressor (17) des Hilfstriebwerks (1) oder des Haupttriebwerks in dessen erster Stufe (21) Frischluft vom Lufteinlauf (4) zugeführt wird, die nach deren anschließender Verdichtung als Klimafrischluft verwendbar ist und daß die weiteren Stufen (22) des Klimaluft-Kompressors (2) für dessen vollständigen oder hilfsweisen Antrieb mit der Abluft beaufschlagt werden, bzw. mit einem Abluft-Frischluftgemisch oder mit Frischluft gespeist werden.

f) daß bei Bedarf ein steuerbarer Anteil oder die Gesamtmenge der Abluft über ein an dem Führungsrohr (5) angeschlossenes Zuführrohr (19) einer dem Klimaluft-Kompressor (2) zugeordneten Turbine (20) zugeleitet wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß zur Beschleunigung der Abluft dem Führungsrohr (5) Düsen (8, 23, 24) zugeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß zur Absperrung oder zur Abzweigung der Abluft aus der Kabine und/oder von der Grenzschithtabsaugung, am Führungsrohr (5) mechanisch oder elektrisch gesteuerte Klappen (25, 26, 28) angeordnet sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , da8 zwischen dem Klimaluft-Kompressor (2) und der diesem zugeordneten Turbine (20) eine Kupplung (29) vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß für die Umleitung der Klimafrischluft zum Wärmetauscher (11) oder zur Passagier- und/oder Pilotenkabine stromabwärts vom Klimaluft-Kompressor (2) ein thermostatgesteuertes Mischventil (14) am Eingang des Rohres (15) vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wärmetauscher (11) der Austrittsdüse (3) des Hilfstriebwerks (1) zugeordnet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß am Eingang des Lufteinlaufs (4) eine steuerbare Einlaufklappe (30) vorgesehen ist, die eine Steuerverbindung (42) zu den Klappen (25, 26, 28) und zu einer Steuereinrichtung (43) aufweist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z ßti c h n e t , daß zwischen dem Klimaluft-Kompressor (2) und dem Kompressor (17) des Hilfstriebwerks (1) eine weitere Kupplung (31) angeordnet ist.
9. einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der ersten Stufe (21) des Klimaluft-Kompressors (2) eine Ringkammer (36) zugeordnet ist, die einerseits einen Schlitz (38) zum Eintritt der verdichteten Frischluft aus dem Statorkanal (37) und andererseits einen Ausgang (39) für deren Austritt zum Wärmetauscher (11) oder direkt zu den Kabinen aufweist.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß an einer weiteren Ringkammer (41) des Klimaluft-Kompressors (2) ein Eingang (40) für die vom Führungsrohr (5) zuströmende Abluft vorgesehen ist, die über einen Zugang (44) auf die weiteren Stufen (22) des Klimaluft-Kompressors (2) einwirkbar ist.
11. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der anstatt des Klimaluft- Kompressors (2) einsetzbare Kompressor (17) des Hilfstriebwerks (1) oder des Haupttriebwerks mit der ersten Stufe (21) und der Ringkammer (36) ausgestattet ist, die den Schlitz (38) und den Ausgang (39) aufweist und daß an dem Kompressor (17) die weiteren Stufen (22) mit der weiteren Ringkammer (41) vorgesehen sind, die mit dem Eingang (40) und dem Zugang (44) versehen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Zuführkanal (9) und dem Eingang (40) zum Klimaluft-Kompressor (2) ein weiterer Diffusor (18) angeordnet ist.