DE3904851A1 - Lufteinlass fuer die vortriebsvorrichtung eines luftfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Einlaß für die Vortriebs­ vorrichtung eines Luftfahrzeuges und insbesondere auf einen Einlaß, der geeignet ist zur Benutzung in Verbindung mit Luft­ fahrzeug-Vortriebsvorrichtungen, wie diese in der Britischen Patentanmeldung 84 30 157 beschrieben sind.

Ein allgemein bekanntes Verfahren zur Verhinderung der Eisbil­ dung im Bereich des Einlasses eines Gasturbinentriebwerks be­ steht darin, heiße Luft von einer geeigneten Stufe des Trieb­ werkskompressors abzuzapfen und diese Luft zu benutzen, um die jeweiligen Bauteile im Einlaßbereich, d. h. die Streben und die Einlaßleitschaufeln vorzuheizen. Diese Technik wird bei Triebwerken in geringen Höhen benutzt, wo das das Eis bildende Wasser in Form supra gekühlter Tropfen oder in Form sehr kalten Dampfes vorliegt, was eine Koaleszenz verursacht.

In größeren Höhen trifft man Eis immer noch an, aber in weniger gefährlicher Form. Unter solchen Bedingungen ist die Kristalli­ sation bereits erfolgt und das Eis liegt in Form von Nebel in Gestalt sehr trockener, sehr kalter Kristalle vor. Die Kristalle können miteinander und mit den Metalloberflächen innerhalb des Lufteinlasses kollidieren, ohne daß eine Koaleszenz erfolgt und sie können demgemäß durch den Einlaßbereich des Trieb­ werks hindurchlaufen.

Bei einem herkömmlichen Gasturbinentriebwerkskompressor gibt es einen Punkt im Kompressionsverfahren, wo die Kristalle ver­ dampfen und Wasserdampf entsteht. So weit bekannt, ist dieser Prozeß für die Kompressorbauteile nicht schädlich.

In thermodynamischen Ausdrücken betrachtet ist dieser Prozeß nützlich, da die Wirkungen ähnlich sind wie jene eines Kompressor-Zwischenkühlers infolge des hiermit verknüpften latenten Wärmeübertragungsverfahrens. Wenn der Wasserdampf in feine trockene Eiskristalle umgewandelt werden kann, dann ist der Durchtritt dieser Kristalle durch ein Triebwerk möglich, ohne daß eine Ansammlung oder eine Koaleszenz entsteht.

Die Vortriebsvorrichtung, die in der Britischen Patentanmeldung 34 30 157 beschrieben ist, weist einen Niederdruckkompressor auf, der Luft über zwei Wärmeaustauscher empfängt, die in Reihe geschaltet sind. Beide Wärmeaustauscher empfangen ein Kühlmittel in Form von unter hohem Druck stehenden flüssigen Sauerstoff. Die Kühlmittelströme werden benutzt um die Niederdruckkompres­ sor-Einlaßluft auf eine Temperatur abzukühlen, die für eine wirksame Arbeitsweise des Triebwerks geeignet ist.

In gewissen Bereichen des Flugweges einer solchen Vortriebs­ vorrichtung unter geringer Höhe kann warme, mit Feuchtigkeit beladene Luft im Wärmeaustauscher auf einen Wert abgekühlt werden, bei dem eine beträchtliche Eisansammlung auf den Wärmeaustauschern auftritt, insbesondere auf dem stromaufwär­ tigen Wärmeaustauscher. Tatsächlich kann innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls die Eisansammlung so schwerwiegend wer­ den, daß eine wirksame Arbeitsweise der Vortriebsvorrichtung in Frage steht.

Das Luftverdichtungssystem einer Vortriebsvorrichtung kann nicht benutzt werden, um irgendeine Erwärmung zu bewirken, da selbst während des Kompressionsvorganges die Temperatur an­ steigt, aber diese Temperatur ist wahrscheinlich immer noch niedriger als 0°C und am Auslaß des Niederdruckkompressors liegt die Lufttemperatur beträchtlich unter 0°C.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lufteinlaß für eine Vortriebsvorrichtung eines Luftfahrzeuges zu schaffen, wobei der Einlaß wenigstens einen Wärmeaustauscher besitzt, in dem Mittel vorhanden sind, um die Ansammlung von Eis im Wärmeaustauscher zu verhindern.

Gemäß der Erfindung ist ein Lufteinlaß vorgesehen, der für die Vortriebsvorrichtung eines Luftfahrzeuges geeignet ist und einen Kanal umfaßt, dessen stromoberseitiges Ende eine Luft­ strömung aufnimmt und dessen stromabwärtiges Ende die Luft­ strömung an die Vortriebsvorrichtung abgibt; der Kanal enthält wenigstens einen Wärmeaustauscher, der die Luftströmung durch den Kanal in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Strömungsmittel bringt, dessen Temperatur niedriger ist als die Temperatur der Luftströmung durch den Wärmeaustauscher hindurch; es ist ein Kühlmittelinjektor in dem Kanal stromauf des Wärmeaustauschers und stromab des stromaufwärtigen Kanalendes vorgesehen; dieser Kühlmittelinjektor injiziert betriebsmäßig ein Kühlmittel in die Luftströmung, das bei einer ersten Betriebsart die Tempera­ tur der Luftströmung auf einen Wert vermindert, bei dem irgend­ welches darin befindliche Wasser in Eiskristalle umgewandelt wird, die genügend klein und trocken sind, um durch den Wärme­ austauscher hindurchzutreten, ohne darin zu schmelzen, während bei einem zweiten Betrieb in größerer Höhe diese Temperatur der Luftströmung auf einen Wert gebracht wird, bei dem irgend­ eine Wärmebeschädigung des Wärmeaustauschers durch die Luft­ strömung im wesentlichen vermieden wird.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Schnittansicht einer Lufteinlaßvorrichtung einer Vorschubvorrichtung eines Luftfahrzeuges nach den Lehren der Erfindung.

Der Lufteinlaß (10) ist geeignet zur Benutzung in einer Vor­ triebsvorrichtung eines Luftfahrzeuges, wie dies in der Britischen Patentschrift 84 30 157 beschrieben ist. Der Einlaß (10) weist einen Kanal (11) mit einem stromaufwärtigen Ende (12) auf, wo ein Lufteinlaß (13) angeordnet ist. Ferner weist der Kanal ein stromabwärtiges Ende (14) auf, das die den Einlaß (10) durchströmende Luft einer nichtdargestellten Vortriebs­ vorrichtung eines Luftfahrzeuges zuführt.

Im Betrieb tritt in geringen Höhen Feuchtigkeit enthaltende Umgebungsluft über den Lufteinlaß (10) in den Kanal (11) ein, wie dies durch die Pfeile (15) gekennzeichnet ist, und diese Luft strömt über einen Kühlmittelinjektor (16). Der Kühlmittel­ injektor (16) dient dazu, flüssigen Sauerstoff in die Luft­ strömung durch den Kanal (11) einzuspritzen, so daß die Tempera­ tur der Luft auf minus 50°C oder weniger vermindert wird. Diese rapide Verminderung der Lufttemperatur bewirkt, daß das Wasser in der Luftströmung schnell in kleine trockene Eiskristalle kristallisiert.

Die Luftströmung, die die sich hieraus ergebenden kleinen trockenen Eiskristalle mit sich führt, tritt dann nacheinander durch die beiden Wärmeaustauscher (17 und 18) hindurch, die in dem Kanal (11) angeordnet sind. Die Wärmeaustauscher (17 und 18) entsprechen den beiden Wärmeaustauschern, die im Lufteinlaß der Vortriebsvorrichtung angeordnet sind, welche in der Briti­ schen Patentanmeldung 84 30 157 beschrieben sind. Jeder Wärme­ austauscher (17 und 18) ist mit einer Strömung von flüssigem Wasserstoff ausgestattet, um eine weitere Verminderung der Temperatur der Luftströmung durch den Kanal (11) zu bewirken.

Da die Wärmeaustauscher (17 und 18) kälter sind als die Luft­ strömung, die durch die Kühlmittelinjektoren (16) abgekühlt wurde, treten die trockenen Eiskristalle, die durch die Luft mitgeführt werden, geradeswegs durch die Wärmeaustauscher (17 und 18) hindurch und gelangen in den Lufteinlaß der nichtdarge­ stellten Vortriebsvorrichtung des Luftfahrzeuges, wobei wie oben beschrieben, keine schädliche Wirkung auf die Arbeitsweise des Triebwerks zu befürchten ist. Es erfolgt demgemäß kein unerwünschter Aufbau von Eis in den Wärmeaustauschern (17 und 18).

Ein Ventil (19) regelt die Strömung von flüssigem Sauerstoff nach dem Kühlmittelinjektor (16), so daß gewährleistet wird, daß die Luftströmungstemperatur immer auf einem Wert von minus 50°C oder weniger gehalten wird. Dies wiederum gewährleistet, daß die Eiskristalle, die durch das Einspritzen des flüssigen Sauerstoffs erzeugt werden, genügend klein und genügend trocken sind, um durch die Wärmeaustauscher (17 und 18) strömen zu können, ohne daß sie beim Auftreffen auf die Wärmeaustauscher (17 und 18) schmelzen. Das Schmelzen bei Aufprall wird mit "Regelation" bezeichnet und es tritt ein, wenn die kinetische Energie der Eiskristalle größer ist als die Wärme, die erforder­ lich ist, um die Temperatur des Eises auf 0°C anzuheben, und außerdem ein gewisses Schmelzen an den Aufprallpunkten der Eiskristalle verursacht. Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn die Lufttemperatur, die von der Einspritzung flüssigen Sauer­ stoffs herrührt, über minus 50°C liegt, eine gewisse Regelation noch möglich ist und daher die Gefahr besteht, daß insbesondere im stromaufwärtigen Wärmeaustauscher (17) eine Blockierung durch Eis erfolgen kann. Bei Temperaturen unter minus 50°C besteht eine zufriedenstellende Formation der kleinen trockenen Eis­ kristalle.

Flüssiger Sauerstoff ist das bevorzugte Kühlmittel zum Ein­ spritzen in die Luftströmung, die durch den Kanal (11) strömt, im Hinblick auf die Anreicherung der Luftzuführung nach dem Vortrieb des Luftfahrzeuges. Es ist jedoch klar, daß andere geeignete Kühlmittel erforderlichenfalls benutzt werden können.

Es ist unvermeidbar, daß einige der kleinen trockenen Eis­ kristalle, die die Wärmeaustauscher (17 und 18) durchströmen, in Stagnationszonen der Wärmeaustauscher eintreten. Solange die Wärmeaustauscher (17 und 18) jedoch normal funktionieren, d. h. mit flüssigem Sauerstoff, der durchströmt, so lange sind die Eiskristalle, die sich innerhalb der Wärmeaustauscher (17 und 18) absetzen, einer solchen thermischen Beanspruchung und einem solchen aerodynamischen Sog ausgesetzt, daß sie schließ­ lich periodisch ausgeschieden werden.

Wie oben erwähnt, werden beide Wärmeaustauscher (17 und 18) mit flüssigem Wasserstoff gespeist. Es ist jedoch klar, daß auch andere Kühlmittel, z. B. flüssiges Metan, benutzt werden können. Die Wärmeaustauscher werden gemäß der vorstehenden Beschreibung getrennt mit flüssigem Wasserstoff versorgt. Es kann unter gewissen Umständen jedoch zweckmäßig sein, den Wasserstoff, der vom stromabwärtigen Wärmeaustauscher (18) aus­ geblasen wird, in den Einlaß des stromaufwärtigen Wärmeaus­ tauschers (18) zu führen, da der stromabwärtige Wärmeaustauscher (18) normalerweise bei einer tieferen Temperatur als der strom­ aufwärtige Wärmeaustauscher (17) arbeitet.

Wenn die Vortriebsvorrichtung des Luftfahrzeuges eine große Höhe erreicht, wo die Atmosphäre sehr trocken ist, dann ist keine Einspritzung von flüssigem Sauerstoff mehr notwendig, um eine weitere Trocknung der Luft durchzuführen. In großen Höhen ist die Temperatur, die in den Einlaß der Vortriebsvorrichtung eintritt, jedoch sehr hoch, wenn die Vortriebsvorrichtung mit sehr hoher Geschwindigkeit arbeitet. Tatsächlich kann die Luft­ temperatur so hoch sein, daß eine Hitzebeschädigung wenigstens des oberen Wärmeaustauschers (17) erfolgt. Um eine solche Hitze­ beschädigung unter diesen Bedingungen zu vermeiden, wird die Einspritzung flüssigen Sauerstoffs mit einer Rate fortgesetzt, die ausreicht um die Temperatur der Luftströmung auf einen Pegel zu erniedrigen, bei dem keine Hitzebeschädigung mehr zu befürchten ist.

Ein zusätzlicher Vorteil der Einspritzung flüssigen Sauerstoffs bei sehr großen Höhen ergibt sich durch die Anreicherung der Luftzuführung nach dem Triebwerk. Eine solche Anreicherung ist insbesondere bei großen Höhen vorteilhaft, wo eine zusätzliche Geschwindigkeit erforderlich sein kann, um einen Austritt aus der Atmosphäre zu gewährleisten.

Claims (9)

1. Lufteinlaß für die Vortriebsvorrichtung eines Luftfahrzeuges mit einem Kanal, der am stromaufwärtigen Ende eine Luft­ strömung empfängt und am stromabwärtigen Ende diese Luft­ strömung an die Vortriebsvorrichtung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal wenigstens einen Wärmeaustauscher aufweist, der die durch den Kanal strömende Luft in Wärmeaustausch mit einem Strömungsmittel bringt, dessen Temperatur niedriger ist als die der Luftströmung, die in den Wärmeaustauscher eintritt, daß ein Kühlmittel­ injektor in dem Kanal stromauf des Wärmeaustauschers und stromab des stromaufwärtigen Kanalendes angeordnet ist, daß der Kühlmittelinjektor betriebsmäßig ein Kühlmittel in die Luftströmung einspritzt, welches Kühlmittel in einer ersten Betriebsart bei geringer Höhe die Temperatur der Luftströmung auf einen Wert erniedrigt, bei dem darin befindliches Wasser in Eiskristalle umgewandelt wird, die genügend klein und trocken sind, um durch den Wärmeaustauscher strömen zu können, ohne darin zu schmelzen, während in einer zweiten Betriebsart bei großer Höhe die Temperatur der Luftströmung auf einen Wert erniedrigt wird, bei dem irgendeine Beschädigung des Wärme­ austauschers durch Hitze in der Luftströmung im wesentlichen vermieden wird.

2. Lufteinlaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der ersten Arbeitsweise in geringer Höhe das Kühlmittel derart in die Luftströmung in­ jiziert wird, daß die Temperatur der Luftströmung auf minus 50°C oder weniger reduziert wird.

3. Lufteinlaß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal zwei Wärmeaustauscher enthält, die in Reihe innerhalb des Kanals und stromab des Kühlmittelinjektors angeordnet sind.

4. Lufteinlaß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher in Strömungs­ richtung hintereinander derart geschaltet sind, daß das Strömungsmittel mit niedriger Temperatur, das vom stromabwärti­ gen Wärmeaustauscher ausgeblasen wird, in den Einlaß des strom­ aufwärtigen Wärmeaustauschers gerichtet wird, so daß das Strömungsmittel mit niedriger Temperatur zweimal in Wärme­ austausch mit der betriebsmäßig den Kanal durchströmenden Luft gelangt.

5. Lufteinlaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Kühlmittelströmung nach dem Kühlmittelinjektor zu modulieren.

6. Lufteinlaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel, welches betriebs­ mäßig in die Luftströmung eingespritzt wird, flüssiger Sauer­ stoff ist.

7. Lufteinlaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauscher-Strömungs­ mittel Wasserstoff ist.

8. Verfahren zur Verhinderung der Ansammlung von Eis im Einlaß einer Vortriebsvorrichtung eines Luftfahrzeuges, die wenigstens einen Wärmeaustauscher aufweist, um die Temperatur der Luftströmung unmittelbar stromauf des Wärmeaustauschers zu verringern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmittel in die Luft­ strömung stromauf des Wärmeaustauschers eingespritzt wird, um die Lufttemperatur auf einen Wert zu verringern, bei dem irgendwelches Wasser in der Luftströmung in Eiskristalle umgewandelt wird, die genügend klein und trocken sind, um durch den Wärmeaustauscher hindurchzutreten ohne darin zu schmelzen.

9. Verfahren zum Betrieb einer Vorschubeinrichtung eines Luftfahrzeuges in großer Höhe und bei großer Geschwindigkeit, wobei die Vortriebsvorrichtung einen Einlaß besitzt, der wenigstens einen Wärmeaustauscher aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmittel in die Luftströmung stromauf des Wärmeaustauschers eingespritzt wird, um die Luft­ temperatur auf einen Wert zu verringern, bei dem eine Beschädi­ gung des Wärmeaustauschers durch die der Luft innewohnende Hitze im wesentlichen vermieden wird.