DE3633090A1 - Hilfsgasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hilfsgasturbine zur Verwendung in einem Flugzeug gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Aus der DE-OS 23 25 592 ist eine Anordnung mit einer Hilfsgasturbine bekannt, die zum Anlassen von Flugzeug­ triebwerken und zum Betreiben von Flugzeughilfsgeräten be­ nutzt wird. Dabei wird die Anordnung während eines ge­ samten Fluges in Betrieb gehalten, um beispielsweise die Flugzeugkabine mit klimatisierter Luft zu versorgen. Die zum Betrieb der Hilfsgasturbine notwendige Luft wird dem Kompressor des Haupttriebwerkes entnommen. Dies hat den Nachteil, daß das Haupttriebwerk insbesondere in großen Flughöhen mit höherer Leistung als aus flugtechnischen Gründen notwendig, gefahren werden muß, um genügend Luft an die Hilfsgasturbine zu liefern. Dies gilt besonders dann, wenn nach Erreichen der Gipfelhöhe des Flugzeuges in der Sinkphase das oder die Haupttriebwerke nur wegen der Kabinenbelüftung auf eine höhere Leistung gefahren werden müssen, als aus flugtechnischen Gründen erforderlich wäre.

Weiterhin ist es bekannt, die Hilfsgasturbine ausschließ­ lich mit Umgebungsluft zu versorgen. Auch bei dieser Be­ triebsart muß die Hilfsgasturbine bei steigender Höhe mit stark zunehmender Leistung gefahren werden, da der Ka­ bineninnendruck konstant gehalten werden muß, die Lei­ stungsabgabe der Hilfsgasturbine aber wegen der abnehmen­ den Luftdichte abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungser­ zeugung einer Hilfsgasturbine in großen Flughöhen zu ver­ größern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Hilfsgasturbine Luft aus der Flugzeugkabine mit Kabinendruckniveau ansaugt und in die Atmosphäre entspannt. Durch diese Maßnahme wird die Leistungserzeugung der Hilfsgasturbine erheblich ge­ genüber einer Hilfsgasturbine vergrößert, die mit Luft aus der freien Atmosphäre versorgt wird. Will man die gleiche Höhenleistung mit einer aus der Atmosphäre ansaugenden Hilfsgasturbine bereitstellen, so müßte die Hilfsgas­ turbine je nach Betriebshöhe mit bis zu fünffacher Lei­ stung des Bodenbetriebsfalles dimensioniert werden. Abge­ sehen von dem damit verbundenen großen Turbinengewicht müßte die Turbine auch bei ungünstigen Verbräuchen ge­ fahren werden, da ein großer Betriebsbereich abgedeckt werden müßte. In Weiterbildung der Erfindung ist die Hilfsgasturbine als Zweiwellenanlage ausgebildet. Dabei wird die Gasgeneratorturbine vorteilhafter Weise in einem konstanten Betriebspunkt gefahren, was wegen des kon­ stanten Kabinenluftdrucks, mit dem der Verdichter der Gas­ generatorturbine versorgt wird, problemlos möglich ist. Die Anpassung an den Atmosphärendruck erfolgt erfindungs­ gemäß durch die Arbeitsturbine, die somit allein in unter­ schiedlichen Teillastbereichen arbeitet. Bei einer der­ artigen Steuerung wird die Gasgeneratorturbine immer in ihrem Betriebsbestpunkt gefahren.

Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Hilfsgastur­ bine ergeben sich aus der Zeichnungsbeschreibung, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben ist.

Es zeigen:

Fig. 1 bis Fig. 7 in Diagrammform verschiedene Einflüsse auf den Leistungsbedarf des Luftliefe­ rers sowie eine Leistungscharakteristik einer konventionell und einer erfindungs­ gemäß arbeitenden Hilfsgasturbine.

Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemäße Hilfsgasturbinen schaltung.

In Fig. 1 ist das auf Bodenniveau bezogene Leistungsver­ hältnis des Luftlieferers bezogen auf die Flughöhe darge­ stellt. Man erkennt, daß das Leistungsverhältnis mit zu­ nehmender Flughöhe stark ansteigt.

Fig. 2 zeigt das Verhältnis des Kabinenluftstroms bezogen auf Bodenniveau aufgetragen über der Flughöhe.

Fig. 3 zeigt das Druckverhältnis des Luftlieferers über der Flughöhe.

In Fig. 4 sind der "Load Compression-Druck" (Kurve 1), der Kabinendruck (Kurve 2) und der Umgebungsdruck (Kurve 3) Über der Flughöhe aufgetragen.

Fig. 5 zeigt die Umgebungstemperatur aufgetragen über der Flughöhe.

In Fig. 6 ist der spezifische Kraftstoffverbrauch für eine mit Luft aus der Atmosphäre betriebene Hilfsgasturbine (Kurve 1) und für eine Hilfsgasturbine, die entsprechend der Erfindung mit Kabinenluft betrieben wird, über der Flughöhe aufgetragen. Dabei sind beide Kraftstoffver­ brauchskurven bezogen auf eine Hilfsgasturbine mit einem Bodenbetriebs-Luftdrucksatz von einem Kilogramm pro Se­ kunde.

Die Leistungskurve 1 in Fig. 7 ist die vom Luftlieferer geforderte Leistung aufgetragen über der Flughöhe. Man er­ kennt, daß die vom Luftlieferer geforderte Leistung, die den Flugzeugkabinendruck bestimmt, mit zunehmender Flug­ höhe steigt. Dagegen ist die Leistungsabgabe einer kon­ ventionell mit Atmosphärendruck betriebenen Hilfsgastur­ bine bei steigender Flughöhe gemäß Kurve 2 stark fallend. Der Leistungspunkt bei Flughöhe Null - also bei Boden­ betrieb - ist bei der Kennlinie der konventionell be­ triebenen Hilfsgasturbine bei dem gleichen Leistungspunkt der erfindungsgemäß betriebenen Hilfsgasturbine, die durch die Leistungskurve 3 dargestellt ist, angenommen. Dem Lei­ stungsdiagramm ist zu entnehmen, daß die konventionell be­ triebene Hilfsgasturbine schon ab etwa einer Flughöhe von 6 km nicht mehr die geforderte Leistung erbringt. Um in einer maximalen Flughöhe von 45 000 Fuß noch eine ge­ nügende Leistung zu erbringen, müßte die konventionell be­ triebene Hilfsgasturbine am Boden etwa die 5fache Leistung gegenüber der erfindungsgemäß betriebenen Hilfsgasturbine leisten. Die Kennlinie 3 a zeigt den Leistungsverlauf der erfindungsgemäß betriebenen Hilfsgasturbine, wobei Ka­ binenleckverluste von ca. 30% angenommen werden. In einem derartigen Fall deckt die von der Hilfsgasturbine abge­ gebene Leistung gerade die vom Luftlieferer geforderte Leistung in der maximal angenommenen Flughöhe von 45 000 Fuß ab. Die ein Leistungspotential darstellende schraf­ fierte Fläche zwischen den Kennlinien 1 und 3 a kann bei der erfindungsgemäß betriebenen Hilfsgasturbine als zu­ sätzliche beispielsweise elektrische Leistung entnommen werden und zum Betrieb anderer Geräte verwertet werden.

In der Kabine 1 (Fig. 8) eines Flugzeuges herrscht ein Druck entsprechend der Kennlinie 2 in Fig. 4. Weiterhin wird angenommen, daß ein bestimmter Gasstrom als Leckmenge in die Umgebung - also in die freie Atmos­ phäre - entweicht. Diese Leckmenge ist durch den Pfeil 2 dargestellt. Der Kabine 1 wird zum Betrieb der Hilfs­ gasturbine 4 der mit Pfeil dargestellte Gasstrom 3 entzogen. Dieser Gasstrom 3 wird einem Verdichter 5 der Hilfsgasturbine 4 zugeführt und von dem Verdichter 5 in eine Brenkammer 6 geleitet. Von der Brennkammer 6 ge­ langt der Gasstrom 3 in eine Gasgeneratorturbine 7 und treibt diese an. Die Gasgeneratorturbine 7 ist mittels einer Welle 13 mit dem Verdichter 5 verbunden und treibt somit diesen an. Der aus der Gasgeneratorturbine 7 austretende Gasstrom 3′ wird in eine Arbeitsturbine 8 geleitet und treibt diese unabhängig von der Welle 13 angeordnete Arbeitsturbine 8 an. Der Austritt des Gas­ stroms 3′ aus der Arbeitsturbine 8 mündet in die freie Umgebung. Die Arbeitsturbine 8 treibt über eine Welle 9 einen Luftlieferer 10 an. Dabei ist der Luft­ lieferer 10 als Verdichter ausgebildet. Der Luftlieferer 10 saugt Luft von der freien Atmosphäre an und fördert den angesaugten Massenstrom 11 in eine Klimaanlage 12, von der der Massenstrom 11 in das Innere der Kabine 1 gelangt.

Claims (2)

1. Hilfsgasturbine (4) zur Verwendung in einem Flug­ zeug, deren Arbeitsturbine (8) zumindest einen Luft­ lieferer (10) antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgasturbine (4) Luft aus der Kabine (1) des Flugzeuges mit Kabinendruckniveau ansaugt und der aus der Arbeitsturbine (8) austretende Gasstrom (3) in die Umgebung abgeleitet ist.

2. Hilfgasturbine (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgasturbine (4) als Zweiwellenanlage ausgebildet ist.