DE2715090A1 - Flugzeugklimaanlage - Google Patents
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Description
Menges & Prahl
■■rhn distr. 12 DOCOO München 5 l|, ΑρΓΪΐ 1977
UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION 1, Financial Plaza
Hartford, Connecticut 06101 Vereinigte Staate von Amerika
Hartford, Connecticut 06101 Vereinigte Staate von Amerika
Anwaltsakte: U
FLUGZEUGKLIMAANLAGE.
Die Erfindung betrifft eine Flugzeugklimaanlage mit einem Turbinen
- Verdichterluftkreislaufsystem, und insbesondere mit
einem Luftkreislaufsystem, wobei die einwellige Luftkreislaufmaschine
wahlweise entsprechend einem einfachen/Rezirkulationskreislauf oder einem einfachen/Bootstrapkreislauf arbeiten
kann.
Es ist bekannt die Luft für eine Flugzeugkabine aufzubereiten,
durch Hindurchleiten von Abzapfluft hoher Temperatur durch eine Turbine, um die Temperatur und den Druck der Abzapfluft vor dem
Eintritt in die Kabine herabzusetzen. Die Abzapfluft wird normalerweise von dem Auflader eines Kolbenmotors, von einem Hilfstriebwerk
oder Motor oder von einem Gasturbinentriebwerk geliefert. Zu verschiedenen Zeitpunkten kann der Druck der Abzapfluft
verschieden sein. Falls zum Beispiel die Flugzeugtriebwerke die Reiseflugleistung oder eine grössere Leistung abgeben,
oder falls das Flugzeug sich am Boden befindet und die Abzapfluft von einem Hochdruckhilfstriebwerk geliefert wird,
so kann der Druck der Abzapfluft verhältnismässig gross sein,
2
zum Beispiel 3,52 kg/cm . Falls dagegen die Flugzeugtriebwerke am Boden oder während dem Sinkflug leer laufen hat die Abzapfluft einen \erhältnismässig niedrigen Druck, von etwa 1,76 kg/
zum Beispiel 3,52 kg/cm . Falls dagegen die Flugzeugtriebwerke am Boden oder während dem Sinkflug leer laufen hat die Abzapfluft einen \erhältnismässig niedrigen Druck, von etwa 1,76 kg/
2
cm . Es wurden ahon Anlagen entwickelt, um die Wirksamkeit einer Hochdruckabzapfluftzuführung zu verbessern, durch Eingliederung der erforderlichen Bauteile für einen einfachen Kreislauf, das heisst ein Kreislauf wobei Abzapfluft mit verhältnismässig hohem Druck unmittelbar zur Leistungsabgabe in die Turbine geführt wird, um die Temperatur und den Druck der Luft herabzusetzen.
cm . Es wurden ahon Anlagen entwickelt, um die Wirksamkeit einer Hochdruckabzapfluftzuführung zu verbessern, durch Eingliederung der erforderlichen Bauteile für einen einfachen Kreislauf, das heisst ein Kreislauf wobei Abzapfluft mit verhältnismässig hohem Druck unmittelbar zur Leistungsabgabe in die Turbine geführt wird, um die Temperatur und den Druck der Luft herabzusetzen.
Bei dem einfachen tuftkreislauf dient die in der Turbine abgege-
j bene Leistung der Hochdruckluft zum Antrieb eines Gebläses, welches Stauluft oder Umgebungsluft durch einen Wärmetauscher
fördert und anschliessend über Bord ableitet. Die Abzapfluft
strömt durch den Wärmetauscher vor dem Eintritt in
.. ^ 2715Q90
1 die Turbine und dementsprechend dient die in der Turbine geleistete
Arbeit auch zum Erzeugen einer Kühlluftströmung in dem Wärmetauscher,
um die Abzapfluft weiter zu kühlen.
Es sind ebenfalls Anlagen bekannt, welche für den Betrieb mit Ab- j
zapfluft niedrigen Druckes ausgelegt sind, welche mit Mittel ver-i
sehen sind, um die Abzapf luft zuerst durch den Verdichter zu leiter^.
Von dem Verdichter strömt die Luft dann durch die Turbine zur Lei- ι
stungsabgage , wie dies in dem bekannten "Bootstrap" Luftkreislauf j der Fall ist. Der Ausdruck "Bootstrap" wird benutzt, da die Luft :
vom Verdichterauslass in die Turbine geleitet wird, wodurch natür-!
lieh die Turbinenleistung gesteigert wird und die Turbine treibt ihrerseits den Verdichter an.
Ein Beispiel für ein "Bootstrap" Luftkreislaufsystem ist aus der
U.S. Patentschrift 3,428,242 zu entnehmen. Entsprechend dieser Patentschrift hat die einwellige, Dreiläufermaschine eine gemeinsame
Welle, eine Turbine , einen Verdichter und ein Gebläse. Die Abzapfluft strömt in den Verdichter, und anschliessend durch einen
Wärmetauscher in die Turbine zum Antrieb derselben, welche wiederum zum Antrieb des Verdichters dient. Die Turbine treibt auch das
Gebläse an, welches Stauluft oder Umgebungsluft durch den Wärmetauscher fördert. Da die Gebläseleistung wie bei einem einfachen
Kreislauf und die Verdichterleistung wie in einem "Bootstrap" Kreislauf abgeleitet wird, bezeichnet man diese Anlage als einfaches/'Bootstrap"Kreislaufsystem.
Die aus der Turbine entweichende Luft ist die aufbereitete Luft für die Flugzeugkabine. Entsprechend
einem Merkmal der erwähnten U.S. Patentschrift wird die aufbereitete
Luft über die Lager der Maschine geleitet, um dieselben bis auf Temperaturen zu kühlen, welche die Schmierung der Welle nicht
in Frage stellen.
Trotzdem man die Brauchbarkeit von Abzapfluft mit hohem Druck und
mit niedrigem Druck erkannt hat und Anlagen geschaffen hat zum
Betrieb mit hohem oder niederigem Druck, besteht jedoch nach wie [
vor die Notwendigkeit für eine einzige Anlage,welche in einfacher ,
und wirksamer Weise mit hohem Druck und mit niedrigem Druck arbeiten
kann.
Die Aufgabe der Erfindunu liegt darin ein kombiniertes Kreislaufsystem
in einer einwelJ j.uen Luftkreislaufmaschine zu schaffen, wel-
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ches wirksam mit Hochdruckabzapfluft und Niederdruckabzapfluft ar-;
beiten kann. I
Entsprechend der Erfindung benutzt eine einwellige Qreiläuferma- ,
schine, wobei die Turbine einen Verdichter und auch ein Gebläse | antreibt, in geregelter Weise sowohl Abzapfluft als auch Rezirku- !
lationsluft für den Betrieb entsprechend einem kombiniertem einfa-;
chen/Rezirkulationskreislauf oder einem kombinierten einfachen/ j "Bootstrap"Kreislauf. Die erfindungsgemässe Flugzeugklimaanlage J
hat Mittel zur unmittelbaren Zuführung von Abzapfluft in die Tür- ;
bine, einstellbare Mittel zur Zuführung eines Teiles der Abzapfluft in den Verdichter sowie Mittel zur Zuführung von verbrauchter
Kabinenluft zu dem Verdichter. Zur Veränderung der Abzapfluftströmung
in den Verdichter kann ein in Abhängigleit des Druckes zu betätigendes
Ventil vorgesehen sein, um einen wirksamen Betrieb zu gewährleisten je nachdem ob Hochdruckabzapfluft oder Niederdruckabzapfluft
zur Verfügung steht. Bei Hochdruckabzapfluft wird die
Strömung in den Verdichter vorzugsweise unterbrochen, damit die Anlage entsprechend dem kombinierten einfachen/Rezirkulationskreislauf
arbeiten kann während bei Niederdruckabzapfluft, ein Teil der
Strömung in den Verdichter eintreten kann, damit die Anlage entsprechend dem kombinierten einfachen/"Bootstrap"Kreislauf arbeitet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden ausführlicher beschrieben, es zeigen
:
Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Flug+
zeugklimaanlage.
Figur 2 eins Ansicht im Schnitt eines Ausführungsbeispieles des Verdichter 'und Turbinenteiles der Dreirotorkreislaufmaschine nach
der Erfindung.
Figur 3 ein abgeändertes Ausführungsbeispiel des Turbinenteiles der
Maschine nach Figur 2.
Die Figur 1 zeigt eine Dreirotorluftkreislaufmaschine 10, entsprechend
der Ausführung nach der U.S. Patentschrift 3,428,242, mit
einem Verdichter 12, einer Turbine 14 und einem Gebläse 16, welche alle auf einer gemeinsamen Welle 18 sitzen. Das Gebläse 16 befindet
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sich in einer Rohrleitung 20 zum Ansaugen von frischer Umgebungsluft
an einem Ende der Rohrleitung. Diese Luft wird durch einen ersten und einen zweiten Wärmetauscher 22 und 24 gefördert und
dann über Bord abgeleitet. Der Einlass der Rohrleitung 20 kann mit einem Klappe ventil 26 versehen sein, das von einem elektrischen
Motor 28 zu betätigen ist, um, zusammen mit dem Gebläse 16,
die Luftströmung in der Rohrleitung zu regeln.
i Eine Abzapf luftquel Ie 30, z.B. ein Verdichter eines Flugzeuggastur- \
binentriebwerkes oder ein Hilfstriebwerk, fördert Luft mit hoher !
Temperatur in eine Leitung 32, die durch den ersten Wärmetauscher
eine
24 führt und liber/Abzwe ig leitung 34 an den Einlass einer Turbine 40 mit axialem Auslass angeschlossen ist. Die Leitung 32 ist über eine weitere Abzweigleitung 36 und eine Rezirkulationsleitung 38 an den axialen Einlass des Verdichters 12 angeschlossen. Die Strömung der Abzapfluft zu dem Verdichter 12 wird durch ein Ventil 40 geregelt. Das Ventil 40 wird in Abhängigkeit des Druckes der Abzapfluft verstellt, um die Strömung in den Verdichter abzusperren falls der Druck hoch ist, z.B. bei 3,52 kg/cm , und um die Strömung in den Verdichter bei abfallendem Druck zu steigern.
24 führt und liber/Abzwe ig leitung 34 an den Einlass einer Turbine 40 mit axialem Auslass angeschlossen ist. Die Leitung 32 ist über eine weitere Abzweigleitung 36 und eine Rezirkulationsleitung 38 an den axialen Einlass des Verdichters 12 angeschlossen. Die Strömung der Abzapfluft zu dem Verdichter 12 wird durch ein Ventil 40 geregelt. Das Ventil 40 wird in Abhängigkeit des Druckes der Abzapfluft verstellt, um die Strömung in den Verdichter abzusperren falls der Druck hoch ist, z.B. bei 3,52 kg/cm , und um die Strömung in den Verdichter bei abfallendem Druck zu steigern.
Die Rezirkulationsleitung 38 ist an die Flugzeugkabine angeschlossen
und falls das Einwegventil 42 offen ist kann Luft aus der Kabine in den Verdichter 12 strömen, infolge des niedrigen Ansaugdruckes
des Verdichters. In dem Verdichter 12 wird die Luft komprimiert und durch den Verdichterauslass in eine Leitung 44 gefördert,
welche durch den Rezirkulationswarmetauscher 22 führt.Von;
dem Wärmetauscher 22 gelangt die verdichtete Luft durch eine Leitung 46 zu einem zweiten Einlass der Turbine 14.Vom Auslass der
Turbine 14 gelangt die Luft in eine Leitung 48, die zu einem Wasserabscheider 50 führt und von diesem strömt die Luft durch eine
Leitung 52 in die Kabine. Eine Umgehungsleitung 54 zwischen den Leitungen 46 und 48 ist mit einem Ventil 56 versehen, um die Strömung
von Niederdruckluft zu dem zweiten Einlass der Turbine zu re-j
geln. Das sich in dem Wasserabscheider 50 ansammelnde Wasser wird :
in üblicher Weise zu einem Ansauger (nicht dargestellt) gefördert,; der in der Luftleitung 20 angeordnet ist, um die Luft durch das
Wasser zusätzlich zu kühlen. Zur Modulation der Lufttemperatur in der Turbinenauslassleitung 48 ist eine aufheizende Umgehungsleitung
48 vorgesehen, um Umgehungsluft von der Abzapfluftquelle stromauf-
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'wärts des ersten Wärmetauschers 24 unmittelbar in die Turbinenaus-ι
lassleitung 48 über ein Ventil 60 einzuleiten. In Zusammenhang mit dieser Umgehungsleitung ist eine temperaturgesteuerte Umgehungsleitung
62 vorgesehen, um Abzapfluft von einer Stelle stromabwärts j des Hauptwärmetauschers 24 über ein Ventil 64 in die Turbinenaus- ;
lassleitung 48 einzuführen. Die Ventile 60 und 64 sind vorzugsweise
Klappenventile, welche an einem gemeinsamen Gestänge 66 vorgesehen
sind, das durch einen elektrischen Motor zu betätigen ist, so dass
ι zu jedem Zeitpunkt jeweils nur ein Ventil offen ist. |
In der Figur 2 sind der Verdichter 12 und die Turbine 14 ausführlicher
dargestellt. Der Verdichter erhöht den Druck und die Tempe-' ratur der Luft, welche durch die Leitungen 36 und/oder 38 zugeführt
wird. Die verdichtete Luft strömt durch die Leitung 44 ab und gelangt in den Rezirkulationswärmetauscher 22 und von demselben zurück
in die Turbine 14 durch die Leitung 46, welche an die Einlasskammer 68 mit den Düsen 70 angeschlossen ist. Gleichzeitig gelangt die
Abzapfluft aus den Leitungen 32 und 34 in die Turbine 14 über die Zuführkammer 72 mit den Düsen 74. Die Düsen 70 und 74 sind um den
gesamten Umfang des Turbinenrotors angeordnet. In Folge der Zufuhrkammern 68 und 72 mit den Turbinendüsen 70 und 72, die durch
eine Membran 76 voneinander getrennt sind, hat die Turbine einen doppelten Einlass. Dementsprechend gelangen zwei getrennte Luftströmungen
in die Turbine, deren Vermischung vor dem Turbinenrotor beginnt und am Turbinenauslass beendigt ist.
An Stelle der Anordnung der beiden Zufuhrkammern um den gesamten Umfang des Turbinenrotors kann man aber auch eine Düsenserie 70
; nur um einen Teil des Umfanges des Turbinenrotors anordnen und die
Düsenserie 74 um den restlichen Teil des Umfanges des Turbinenrotors vorsehen. Die Kammern 68 und 72 können als Beruhigungskammernr
Spiralkammern oder Schneckenkammern ausgebildet sein. Jede Kammer hat seine eigene Einlassöffnung zum Einleiten von Hochdruckluft ;
bzw. Niederdruckluft.
Entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel, welches besser an :
verschiedene Einlassdrucke angepasst ist, können, wie in Figur 3 '
dargestellt ist, die Düsen 70* und 74' sowie auch der Turbinenrotor
abgestuft sein. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad verbessert durch Ausgleichen der Reaktionsdrucke. Wie in Figur 3 dargestellt
ist haben die ;·,.-ρη 70' einen grössere Sehnenlänge als die
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Düsen 74'. Durch die erfindungsgemässe Ausführung der Anlage erhält
man eine aussergewöhnlich flexible Anlage für einen wirksamen Betrieb mit Niederdruckabzapfluft und mit Hochdruckabzapfluft.
Falls der Druck der Abzapfluft gering ist reieht eine Anlage mit einfachem Kreislauf nicht aus,um geringe Auslasstemperaturen zu
erreichen und entsprechend der Erfindung wird dann die Abzapf- I luft auf die Turbine und den Verdichter aufgeteilt. Bei hohem Ab- ;
zapfdruck, z.B. falls ein Hochdruckhilfstriebwerk in Betrieb ist ι
und grössere Luftmengen für die Kabine erwünscht sind wird das \
Ventil 40 geschlossen und die gesamte Abzapfluftströmung gelangt in die Turbine 14, während der Verdichter nur verbrauchte Kabinen-'
luft (oder z.B. frische Umgebungsluft) ansaugt zwecks zusätzlicher Kühlung durch verstärkte Anwendung der von der Abzapfluft geliefer
ten spezifischen Energie.
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Claims (8)
1. 'Flugzeugklimaanlage, wobei Aussenluft benutzt wird zum Kühlen von Abzapfluft, die nacheinander zu einem Verdichter und einer
• Turbine und anschliessend in die Flugzeugkabine zu leiten ist, ge-
; kennzeichnet durch Mittel um wenigstens einen Teil der Abzapfluft
unmittelbar in die Turbine zu leiten, durch Mittel zur Veränderung der in den Verdichter eingeführten Abzapfluftmenge, und durch
Mittel zum Einleiten von verbrauchter Luft aus der Kabine in den ι Verdichter. I
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Mittel
zur Veränderung der Strömung die Abzapfluftströmung in den Verdichter
unterbrechen falls der Druck der Abzapfluft hoch ist, damit die Anlage entsprechend einem kombinierten einfachen/Rezirkulationskreislauf
arbeitet.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel
zur Veränderung der Strömung das Einströmen von Abzapfluft in den Verdichter erlauben, falls der Druck der Abzapfluft niedrig ist,
damit die Anlage entsprechend einem kombinierten einfachen/"Boot-
strap"Kreislauf arbeitet. j
4. Flugzeugklimaanlage wobei Aussenluft benutzt wird zum Kühlen der Abzapfluft, die nach Aufbereitung in die Kabine einzuleiten
ist, gekennzeichnet durch ein doppeltes Kreislaufsystem für einen i
kombinierten einfachen/"Bootstrap" und einen einfachen/Rezirkulationskreislauf,
mit einer Abzapfluftquelle, einer Rohrleitung zur Aufnahme
der Aussenluft, einer einwelligen Dreiläufermaschine mit einer Welle, einem Gebläse an einem Ende der Welle in der Rohrleitung,
einem Verdichter am anderen Ende der Welle und einer Turbine auf der Welle zwischen dem Gebläse und dem Verdichter,
einem Wärmetauscher in der Rohrleitung, einer ersten Leitung zum Zuführen von Abzapfluft durch den Wärmetauscher in die Turbine,
einer zweiten Leitung zur Zuführung von verbrauchter Kabinenluft aus der Kabine in den Verdichter, einer dritten Leitung zwischen
der ersten Leitung und der zweiten Leitung zum Einleiten eines Teiles der Abzapfluft in den Verdichter, einem Ventil in der dritten Leitung zur Regelung der Strömung in derselben, einer vierten
Leitung zum Zuführen von verdichteter Luft aus dem Verdichter durch den Wärmetauscher in die Turbine, und einer fünften Leitung
zur Zuführung von Luft aus der Turbine in die Kabine.
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ORIGINAL INSPECTED
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,dass die Turbin
ein Turbinengehäuse und einen Turbinenrotor hat, dass die erste j Leitung eine erste Kammer in dem Turbinengehäuse und erste Düsen I
zwischen der ersten Kammer und dem Turbinenrotor aufweist und dass!
die vierte Leitung eine zweite Kammer in dem Turbinengehäuse und I
zweite Düsen zwischen der zweiten Kammer und dem Turbinenrotor j
ι aufweist.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass die ersten;
und die zweiten Düsen durch eine Membran voneinander getrennt sine?
und um den gesamten Umfang des Turbinenrotors angeordnet sind. j
7. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten
Düsen um einen Teil des Umfanges des Turbinenrotors angeordnet sind und dass die zweiten Düsen um den restlichen Teil des Umfanges
des Turbinenrotors angeordnet sind,
8. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten
Düsen eine andere Sehnenlänge als die zweiten Düsen aufweisen.
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