CN102007037B - 用于飞机的除冰系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于飞机的除冰系统，其具有至少一个热源(28)和至少一个用于将空气排放到飞机的待除冰的区域内的空气排放机构(23)。与现有技术相比，本发明的特征在于，空气排放机构通过空气加热装置(30)与用于排放来自飞机的客舱的空气的飞机空调设备(26)连接，其中用于加热来自飞机的客舱的空气的空气加热装置与至少一个热源连接。根据本发明的除冰系统能够在没有附加的能量消耗的情况下提供机翼除冰，所述机翼除冰不但是防冰功能，而且还是在地面的除冰功能。有利的是，根据本发明的除冰系统能够如下得到补充，也能够利用客舱废气来提高在机翼上部的流动能量，以便延缓边界层转换和边界层分离，并且通常提高升力或降低阻力。
Description
相关申请
本申请要求2008年4月16日提交的美国临时专利申请No.61／124,379和2008年4月16日提交的德国专利申请No.102008019146.9的优先权，所述两个专利申请的内容通过参引并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于飞机的除冰系统，其具有至少一个空气输送机构和热源。
背景技术
飞机，尤其是较大型的客机，基于多个原因必须在确定的飞行阶段和在地面进行除冰。襟翼和其它活动的部件的冰冻或冻结以及在翼型上的冰垢使空气动力学特性明显变差，并且增加了相应的飞机的重量，使得必须阻止在飞行中的冰形成，并且去除位于地面上的飞机的已经形成的冰。这两个过程通常称为“除冰”(去除冰)和“防冰”(阻止冰形成)。在下面，尤其涉及防冰，由此但是本发明不局限于防冰。
防冰系统的各种变形方案在现有技术中得以实现。此外，例如从发动机抽取的引气通过打孔的管道引入机翼前缘的内部，以便加热机翼前缘，并且阻止冷凝水滴的冻结。其它的系统借助于电动的加热设备加热机翼前缘或其它关键区域。在此，为了保护使用的材料，必须注意温度极限。这在地面操作时是特别关键的，因为电加热的表面不通过飞行迎面气流同时冷却。在前面已知的除冰方法中特别不利的是，必须为除冰系统提供发动机的引气和／或电流。引气的抽取降低了飞机的经济性，因为附加地从环境抽吸空气并且压缩，这使人注意到较高的燃料消耗。从发动机的发电机获得相对大量的电能增加了发动机的待产生的轴端功率，这同样表现出较高的燃料消耗。
发明内容
因此，本发明的目的是，提出一种除冰系统，所述除冰系统尽可能不需要附加的引气抽取，并且也尽可能在没有较大量的电能的情况下，能够提供可靠的除冰。
该目的通过一种用于飞机的除冰系统得以实现，具有-至少一个产生热量的热源；-至少一个空气加热装置，所述空气加热装置包括热交换器，所述空气加热装置设计成传输由至少一个热源产生的热量，以加热来自飞机的客舱的热空气，和-第一空气排放机构，所述第一空气排放机构用于将被加热的客舱空气排放到所述飞机的待除冰的区域内，其中，所述第一空气排放机构直接与管道系统连接，所述管道系统得到来自所述飞机的客舱的经由所述空气加热装置的所述空气。有利的改进形式可从下文获悉。
该目的还通过一种用于飞机除冰的方法得以实现，所述飞机包括至少一个第一空气排放机构，以用于将空气排放到所述飞机的待除冰的区域内，其中，所述第一空气排放机构与管道系统连接，所述方法包括：通过管道系统经由包括热交换器的空气加热装置排放来自飞机的客舱的空气，其中所述空气加热装置设计成传输由至少一个热源生成的热量，以加热来自所述客舱的所述空气；以及在所述空气加热装置中通过从至少一个热源传输热量来加热来自所述飞机的客舱的空气。
此外，该目的还通过一种具有除冰系统的飞机得以实现，所述除冰系统具有：至少一个产生热量的热源；至少一个空气加热装置，所述空气加热装置包括热交换器，所述空气加热装置设计成传输由至少一个热源产生的热量，以加热来自飞机的客舱的空气，和第一空气排放机构，所述第一空气排放机构用于将被加热的客舱空气排放到所述飞机的待除冰的区域内；其中，所述第一空气排放机构直接与管道系统连接，所述管道系统得到来自所述飞机的客舱的经由所述空气加热装置的空气。
在根据本发明的除冰系统中，来自飞机客舱的废气借助于热源加热，并且被引到飞机的待除冰的区域。在排放被加热的空气时在受危害的区域上的且因此包含着的热流有效地阻止冰积聚。但是基本上可使用这样的系统替代附加的设备作为热源，所述系统总归已经产生废热，所述废热否则必须借助于冷却系统排放到环境中。在较新型的飞机中存在的或设有的燃料电池例如能够用作许多可设想的示例中的一个，所述燃料电池产生电流并且在此持续放热。这样的燃料电池的温度没有达到待除冰的表面的使用的材料的极限温度。作为冷源的机翼也能够有助于来自燃料电池的水的冷凝。
为了将该废热输送到飞机的待除冰的区域，通过废热加热的客舱废气能够作为热载体。在这种情况下，有利的是，也同时冷却产生废热的系统，即例如燃料电池。除了燃料电池外，也可设想产生足够量的废热的许多其它的系统。特别也包括处理器、计算机、控制设备(总称为“航空电子设备”)，所述设备通常安置在飞机内的一处且安置在支架上，并且产生集中的废热流。在客舱空气的使用中的另一个优点是，能够连续使用客舱的压力。现今，压力能通过外流阀送至机外，其中压力能的至少一部分转换为推力。可选地，能够使用附加的用于根据本发明的除冰系统的鼓风机或压缩机。
因此，根据本发明的除冰系统特别有利的是，既不需要从发动机的附加的引气抽取，也不需用于除冰的高的电能消耗。这导致发动机能够比在现有技术中更有效地且以更少的燃料消耗工作。作为另一个优点特别是，产生废气的不同的系统在除冰时自动冷却，从而通常设有的冷却系统能够具有相当细长的尺寸，这再次降低飞机的燃料消耗和重量。
根据本发明的除冰系统的另一个优点例如是，能够省去或者明显减少在地面上的耗时且昂贵的除冰程序，并且因此改善用于相关的航空公司的运营，也提高飞机的准时性，并且通过节省除冰液减少环境污染。这基于目前使用的在飞机方面的除冰只是能够在飞机内使用，因为发动机引气以大约200℃的温度流过机翼，并且在地面上，在没有来自环境的冷空气的冷却作用的情况下，导致超过允许的机翼结构温度。通过根据本发明的除冰系统提出的解决方案优选以较低的温度工作，并且因此在地面上也不导致临界温度，使得能够确保该系统在地面上的原则上的可使用性。另一个优点是，也在巡航期间和／或在起飞和降落时能够减少机翼阻力，或者能够提高升力。因此这允许，通过废气合适地且持久地流过机翼实现阻力减少的和／或升力提高的边界层控制。
在根据本发明的除冰系统的有利的改进形式中，积聚的客舱废气的至少一大部分通过废热加热且引入机翼内，以便在那里用于除冰，并且最后分别在机翼的端部区域内通过排出阀离开飞机。在此，排出阀优选设置成，使得也能够由流出的客舱废气产生推进力。因此，相反能够至少局部地在机身下侧节省客舱空气排出阀。
附图说明
下面借助于附图详细阐述本发明。在附图中，相同的附图标记表示相同的对象。附图示出：
图1a至b示出现有技术中的除冰系统；
图2示出根据本发明的除冰系统的示意图。
具体实施方式
在图1a中示意地示出现有技术中的用于飞机机翼除冰的流行的系统。打孔的管道4(也称为“皮科洛管”)处于机翼前缘2内，热空气通过所述管道流出，并且撞到机翼前缘2的内侧6上，以便通过热量输入在那里阻止冰积聚。在图1a中所示的示例中，机翼前缘2为机翼前缘襟翼的前缘(也称为“缝翼”)。在该机翼前缘襟翼内，排放到前缘2的热空气也能够通过不同的通道8流入相对于飞行方向后面的且继续指向机翼上侧的区域内，并且因此保持配合密封件10免于结冰。在热空气切向流出时，优选在分离层后面实现排气。
在图1b中说明打孔的管道4和气源之间的相互关系，如其应用于现有技术中。沿着机翼前缘2存在多个打孔的管道4，所述管道与管道系统12连接，所述管道系统另一方面与至少一个发动机连接，以用于抽取引气。在此，对于每个发动机而言，优选具有一个引气抽取位置14，所述引气抽取位置定位在飞机的两个机翼16上，并且通过所谓的“交叉引气阀”18将其空气分开地或共同地输送到管道系统12内。此外，存在的可能性是，空气从辅助发电机通过供入位置20引入管道系统12内。同样在每个机翼16内存在阀22，所述阀能够打开、截止或调节除冰气流。
如在图1a和1b中说明的现有技术中的除冰系统由于来自发动机的引气的在经济上不利的抽取，只是应用于易结冰的飞行阶段，也就是说，尤其是在起飞和降落阶段。在巡航飞行期间和在地面上，除冰系统主要保持关闭。因为从发动机抽取的引气达到相对高的温度，所以除冰系统在地面上的运行也没有意义，因为与正常的巡航飞行相比，飞机处于相对热的环境中，使得具有高的温度的除冰空气容易超过经除冰的结构的容许的温度极限。但是，在飞行时，通过绕流机翼的冷的环境空气冷却待除冰的结构，使得具有高的温度的除冰空气的影响不导致超过容许的结构温度。
在图2中详细地示出的根据本发明的除冰系统解决了这个问题。在机翼16内设置有多个第一空气排放机构23，所述第一空气排放机构例如能够与在现有技术中一样，构成为打孔的空气管道(“皮科洛管”)，所述空气管道尤其将经加热的空气引入机翼前缘2内。管道系统24用作气源，所述管道系统得到来自飞机的客舱的废气。为了保持恒定的空气质量从客舱抽取的废气由空调系统26提供，并且附加地通过设置在下游的热源28加热。该加热通过空气加热装置30完成，所述空气加热装置例如能够通过热交换器实现，所述热交换器一方面在一个管路分支中由来自空调设备26的客舱废气流过的，另一方面在另一个管路分支中也例如通过来自作为热源28的产生热量的系统的废气流过。热源28例如能够作为燃料电池实现，所述燃料电池能够总归已经集成在飞机上，以便例如完成辅助发动机的目的，或者用于产生在巡航飞行期间的电能的一部分。在通过来自空调设备26的较冷的废气中的热交换从燃料电池抽取废热时，燃料电池同时被冷却。这意味着，能够根据放热的系统的冷却和除冰空气的所需的热量输入，共同地且协同地结合必要性，以便总体上提高飞机的经济性。
除了燃料电池外，也可使用其它的能够提供足够量的废热的系统作为热源28。例如这能够为航空电子设备，所述航空电子设备集中在支架上，例如设置在飞机的驾驶舱的下方或设置在另一个合适的位置上，并且在那里完成一系列数据处理的任务。通常，航空电子设备的废热大到使得允许通过客舱废气冷却航空电子设备，并且同时允许加热客舱飞机，以用于飞机的除冰。同样，也能够结合航空电子设备的、燃料电池的和／或产生热量的其它系统的废热，以用于除冰。
根据本发明的除冰系统的温度水平明显低于现有技术中的气动的工作方式的标准除冰系统的温度水平，因为作为燃料电池，例如也能够优选使用低温燃料电池，所述低温燃料电池达到例如80℃的废热温度。在需要冷却航空电子设备的情况下，能够达到大约50至80℃的温度。如果相当大的空气体积流能够用于除冰，那么这个低的温度水平足够用于飞机除冰。因为较大型的客机的客舱加载有相对大量的空气，例如每个乘客每秒导入多升新鲜空气，并且从容舱排出同样的量，所以在新型客机中使用根据本发明的除冰系统时假设，能够使用足够的空气用于除冰的相对低的温度的系统废热的使用。
本发明不局限于从燃料电池和航空电子设备中抽取废热，而可设想的是，考虑用于提供用于加热客舱废气的足够的热量的任何连续工作的设备。
在根据本发明的除冰过程中，优选进行空气的沿机翼前缘2的方向的连续的输送。因为空气的该输送不需要在发动机上的附加的能量，并且附加地在某种程度上可以说，有意义地利用总归产生能量损失的不同的已安装的系统，所以机翼上侧排出的空气也能够用于持久地提高升力，或者用于通过在机翼上侧的空气的有针对性的排放转移在机翼上侧的层流边界层的转换点。为此能够使用另外的且在图中未示出的管路，所述管路在机翼上侧的特别合适的区域内通过最细小的孔有针对性地将空气引入机翼绕流内，使得尤其是在起飞和降落时，但是也在巡航飞行期间增加所述管路的能量。因此能够实现机翼16的较小的迎角和／或较有利的轮廓，这导致较低的阻力并且因此导致较低的燃料消耗。
在有必要使用用于在低的温度水平时除冰的大的空气量时，也可设想，将积聚的客舱废气的全部或至少一大部分引入机翼16内，并且在那里通过未详细示出的阀构造分布在第一空气排放机构23和排出阀32上。在此，排出阀32(也已知作为“出流阀”)定位成，使得排出的客舱废气在飞机上施加推进作用。出流向量反向于飞行方向以或多或少明显垂直于地面定向的分量延伸，那么例如是这种情况。
总体上，根据本发明的除冰系统能够在没有附加的能量消耗的情况下提供机翼除冰，所述机翼除冰不但是防冰功能，而且还是在地面的除冰功能。有利的是，能够如下补充根据本发明的除冰系统的功能，也能够利用客舱废气来提高在机翼上侧上的流动能量，以便延缓边界层转换和边界层分离，并且通常提高升力或降低阻力。
补充地指出，“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一个”不排除多个。此外指出，借助参考上述实施例中的一个说明的特征或步骤也能够以与其它的上述实施例的其它的特征或步骤组合地使用。在权利要求中的附图标记不看作为限制。
附图标记列表
2 机翼前缘
4 打孔的管道(皮科洛管)
6 机翼前缘的内侧
8 缝隙
10 配合密封件
12 管道系统
14 引气供入位置
16 机翼
18 交叉引气阀
20 APU空气供入位置
22 (供给)阀
23 第一空气排放机构
24 管道系统
26 空调设备
28 热源
30 空气加热装置
32 排出阀(出流阀)
Claims (11)
1.一种用于飞机的除冰系统，具有
-至少一个产生热量的热源(28)；
-至少一个空气加热装置(30)，所述空气加热装置包括热交换器，所述空气加热装置设计成传输由至少一个热源产生的热量，以加热来自飞机的客舱的热空气，和
-第一空气排放机构(23)，所述第一空气排放机构用于将被加热的客舱空气排放到所述飞机的待除冰的区域内，
其中，所述第一空气排放机构(23)直接与管道系统(24)连接，所述管道系统(24)得到来自所述飞机的客舱的经由所述空气加热装置(30)的所述空气。
2.如权利要求1所述的除冰系统，其特征在于，所述至少一个热源(28)为安装在所述飞机内的燃料电池。
3.如权利要求1所述的除冰系统，其特征在于，所述至少一个热源(28)为安装在所述飞机内的电子设备。
4.如权利要求3所述的除冰系统，其特征在于，所述电子设备为计算单元。
5.如前述权利要求中任一项所述的除冰系统，其特征在于，所述至少一个热源(28)为多个不同的或相同的热源(28)的组合。
6.如权利要求1至4中任一项所述的除冰系统，其特征在于，所述空气加热装置(30)为热交换器。
7.如权利要求1至4中任一项所述的除冰系统，其特征在于，在所述飞机的至少一个机翼(16)的端部上设置有用于排放来自所述飞机的所述客舱的废气的空气排出阀(32)。
8.如权利要求7所述的除冰系统，其特征在于，所述除冰系统此外包括第二空气排放机构，所述第二空气排放机构设计成，用于排放在所述飞机的所述机翼(16)的上侧上的空气，用于提供升力和／或用于减少空气动力学阻力。
9.一种用于飞机除冰的方法，所述飞机包括至少一个第一空气排放机构(23)，以用于将空气排放到所述飞机的待除冰的区域内，其中，所述第一空气排放机构(23)与管道系统(24)连接，所述方法包括：通过管道系统经由包括热交换器的空气加热装置(30)排放来自飞机的客舱的空气，其中所述空气加热装置(30)设计成传输由至少一个热源生成的热量，以加热来自所述客舱的所述空气；以及在所述空气加热装置中通过从至少一个热源传输热量来加热来自所述飞机的客舱的空气。
10.如权利要求1至8中任一项所述的除冰系统在飞机中的应用。
11.一种具有除冰系统的飞机，所述除冰系统具有：
-至少一个产生热量的热源(28)；
-至少一个空气加热装置(30)，所述空气加热装置包括热交换器，所述空气加热装置设计成传输由至少一个热源产生的热量，以加热来自飞机的客舱的空气，和
-第一空气排放机构(23)，所述第一空气排放机构用于将被加热的客舱空气排放到所述飞机的待除冰的区域内；
其中，所述第一空气排放机构(23)直接与管道系统(24)连接，所述管道系统(24)得到来自所述飞机的客舱的经由所述空气加热装置(30)的空气。
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