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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ölversorgung eines Flugzeugtriebwerks,
insbesondere einer Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Aus
dem Stand der Technik sind Ölversorgungsvorrichtungen
oder Systeme (OHMS) bekannt, bei welchen die Öltemperatur den Anforderungen entsprechend
geregelt oder gesteuert wird. Eine derartige Ausgestaltung wird
nachfolgend in Zusammenhang mit 1 beschrieben.
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Das
Grundprinzip besteht darin, die Wärme, die durch das Flugzeugtriebwerk
erzeugt wird, in geeigneter Weise abzuführen, sei es mittels dem Brennstoff
des Flugzeugtriebwerks oder mittels Kühlluft. Das Öl zirkuliert
mittels einer Ölpumpe,
wird durch einen Filter gereinigt und durch zumindest einen Kühler oder
Wärmetauscher
abgekühlt,
bevor es den einzelnen Lagerkammern oder Ähnlichem (Verbrauchern) zugeleitet
wird. Die Ölverteilung
auf die einzelnen Lagerkammern oder Verbraucher wird üblicherweise
durch Drosselelemente oder ähnliches eingestellt.
Die Eintrittstemperatur des Öls
oder Ölstrahls
in den Verbraucher (Lagerkammer) ist deshalb üblicherweise gleich der Auslasttemperatur
des Wärmetauschers.
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Die
unterschiedlichen Verbraucher (Lagerkammern) haben jedoch unterschiedliche
Anforderungen hinsichtlich der Schmierung und der Kühlung. Dies
ergibt sich aus der Lage der Verbraucher, der Anzahl der drehenden
Bauelemente sowie der jeweiligen Dichtungsanordnung.
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Die Ölzuführung zu
dem Verbraucher erfolgt in Abhängigkeit
der in dem Verbraucher erzeugten Wärme. Das Öl wird nach dem Stand der Technik
mit einer konstanten Temperatur zugeführt, wobei die Auslasttemperatur
des Verbrauchers mittels des durch diesen geförderten Ölvolumens so eingestellt wird,
dass die Temperatur unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts bleibt.
Dies bedeutet, dass umso mehr Öl
einem Verbraucher zugeführt
werden muss, je größer die
in diesem erzeugte Wärmemenge
ist. Diese Vorgehensweise stößt jedoch
an technische Grenzen.
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Weiterhin
ist es erforderlich, die Verweildauer des Öls in dem jeweiligen Verbraucher
(Lagerkammer etc.) zu minimieren, um eine übermäßige Ölbewegung zu vermeiden, welche
zu mehr Wärmeeintrag
in das Öl
führt.
Dabei muss darauf geachtet werden, das Öl effizient aus dem Verbraucher
(Lagerkammer) abzuführen.
Dies erfolgt durch eine entsprechende Dimensionierung der Rückführpumpe und
durch entsprechende Ausgestaltung der Lagerkammer etc., um die Ableitung
des Öls
durch Rückführauslässe zu erleichtern.
Abhängig
von der Dichtungsausgestaltung des Verbrauchers wird die Dichtung üblicherweise
mittels eines Ölabscheiders
zur Umgebung hin entlüftet.
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Bei
diesen Entlüftungen
ergeben sich jedoch technische Beschränkungen hinsichtlich der Entlüftung selbst
und der Dimensionierung der Rücklaufpumpe,
da diese die Größe und die
Komplexität
der gesamten Ölversorgungsvorrichtung
beeinflussen. Üblicherweise
treten bei Lagerkammern, die am heißen Endbereich des Flugzeugtriebwerks
angeordnet sind, hohe Rückführtemperaturen
auf. Diese sind üblicherweise
10 bis 20 % höher
als der gesamte Temperaturgrenzwert der Ölrückführleitung und werden durch
Mischen mit kälterem
Rückführöl von dem
kälteren,
vorderen Endbereich des Flugzeugtriebwerks auf einen geeigneten
Grenzwert des Öltyps
gesenkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ölversorgung
eines Flugzeugtriebwerks zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und
einfacher, kostengünstiger
und gewichtssparender Ausgestaltung eine Optimierung der Öltemperaturen
ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die
Unteransprüche
zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen, dass mittels des zumindest einen Ölkühlers die jeweilige Ölzuführtemperatur
zu dem jeweiligen Verbraucher so geregelt/gesteuert wird, dass sich
eine im Wesentlichen gleiche Ölaustrittstemperatur
der einzelnen Verbraucher ergibt.
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Die
erfindungsgemäße Lösung besteht
somit darin, einen Wärmetauscher
als Regelungsmittels/Steuermittel einzusetzen, um die Wärmeverteilung/Wärmeabfuhr/Wärmebelastung
der einzelnen Verbraucher (Lagerkammern) zu steuern bzw. zu regeln.
Hierdurch wird eine gleichmäßigere Rückführtemperatur
des Öls
erzielt.
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Der
Wärmetauscher
kann erfindungsgemäß in einzelne
Teilbereiche aufgeteilt werden, um in wirksamer Weise Öl zu den
einzelnen Lagerkammern (Verbrauchern) zu unterschiedlichen Temperaturen zu
fördern,
welche sich jeweils aus den Auslasstemperaturen des Ölkühlers ergeben.
Das Öl
kann somit mit geeigneten Temperaturen rückgeführt werden, so dass sich optimierte
Temperaturverläufe
in dem gesamten System ergeben.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
resultiert in einer geringeren thermischen Belastung des Öls durch
Regelung/Steuerung der maximalen Öltemperatur in den einzelnen
Lagerkammern (Verbrauchern). Hierdurch wird die Abhängigkeit
der Regelung/Steuerung der Öltemperatur
von den hierfür eingesetzten Ölmengen
verringert, so wie dies als nachteilig aus dem Stand der Technik
bekannt ist. Erfindungsgemäß können somit
auch die Dimensionierungen der einzelnen Rückführelemente und der zugeordneten
Aggregate minimiert werden, da sich insgesamt ein geringeres Ölvolumen
ergibt. Dies reduziert auch die Abmessungen der Entlüftungen
der einzelnen Verbraucher, wodurch sich eine bessere Steuerung/Regelung
des Dichtungsdrucks der Öldichtungen
ergibt.
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Die
erfindungsgemäß erzielte
niedrigere Öltemperatur
vermindert weiterhin das Risiko einer Verkokung oder Verbrennung
von Öl
in dem Verbraucher (Lagerkammer). Diese Problematik ist bei modernen Gasturbinen
und deren Zertifizierung ein wichtiger Aspekt.
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Die
Regelung/Steuerung der gemeinsamen Rücklauftemperaturen ermöglicht es,
die gesamte Maximaltemperatur des Öls anzuheben, ohne dass sich
hierdurch die günstigen
Eigenschaften des Öls oder
der baulichen Ausgestaltungen verschlechtern. Der Wirkungsgrad des
Wärmetauschers
ist proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen den beiden
Fluiden Öl
und Brennstoff/Luft. Deshalb verbessert eine Erhöhung der Grenzwerte der Rücklauftemperaturen
den Wirkungsgrad des Wärmetauschers. Dies
wiederum beeinflusst in günstiger
Weise dessen Größe und Gewicht.
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Der
Wärmetauscher
kann auch für
sensitive Bauelemente verwendet werden, welche normalerweise mit
einem eigenen integrierten Ölsystem
versehen werden müssen,
beispielsweise dem Integratet Drive Generator. Hierdurch ermöglicht die
Erfindung, zwei Systeme zu kombinieren, wodurch sich das Gewicht
und die Komplexität
der Ölversorgungsvorrichtung
verbessern.
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Erfindungsgemäß ist es
besonders vorteilhaft, luftgekühlte
Wärmetauscher
und brennstoffgekühlte
Wärmetauscher
zu kombinieren, um die Gesamtenergie des Systems abzuführen. Die
beiden Wärmetauscher
können
parallel zueinander angeordnet sein, um eine Spitzenwärmeentwicklung
zu kompensieren. Da die Wärmekapazität des Brennstoffs
durch das Strömungsvolumen
begrenzt wird, welches dem Flugzeugtriebwerk (Turbine) zugeführt wird,
ergibt sich erfindungsgemäß eine Optimierung des
Wärmeaustauschers
mit dem Brennstoff. Somit kann erfindungsgemäß eine Maximierung der Wärmeübertragung
auf den Brennstoff und die SFC unter allen Betriebsbedingungen geregelt/gesteuert
werden. Durch Aufrechterhaltung der Brennstofftemperatur in einem
engeren Temperaturbereich oder auf einem speziellen Wert verbessert
auch die Genauigkeit der Brennstoffzumesseinheit (FMU). Der Luftwärmetauscher
kann entweder thermostatisch geregelt/gesteuert sein oder mit einer
Lufteinlassklappe und einem NACA-Einlass versehen sein. Die modulierte
Lufteinlassklappe und der NACA-Einlass führen weiterhin zu geringeren
Strömungsverlusten.
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Erfindungsgemäß wird somit
ein Wärmetauscher
verwendet, um das Wärmemanagement
der Verbraucher (Lagerkammern) zu steuern/regeln, um eine gleichmäßigere Rücklauftemperatur
des Öls
zu erzielen. Der Wärmetauscher
kann dabei, wie ausgeführt,
mit einer Kammer oder mit mehreren Kammern ausgebildet sein, um
das Öl,
welches den Verbrauchern zuzuführen
ist, in Abhängigkeit
von der Auslasstemperatur des Wärmetauschers
in wirksamer Weise zu regeln/steuern. Der Ölfluss kann sowohl über sein
Volumen als auch hinsichtlich seiner Temperatur geregelt/gesteuert
werden, um ein ausgeglichenes Wärmemanagementsystem
zu erzielen.
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Erfindungsgemäß ist es
auch möglich,
mehrere einzelne Wärmetauscher
oder Mehrkammer-Wärmetauscher
oder komplexere Systeme einzusetzen. Dabei ist es beispielsweise
möglich,
das durch den Wärmetauscher
durchgeleitete Ölvolumen durch
Steuerventile oder Ähnliches
zu steuern/regeln, welche die Einlass- bzw. Auslasstemperaturen des Öls berücksichtigen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ölversorgungssystems
nach dem Stand der Technik,
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2 eine
schematische Darstellung, analog 1, eines
Ausführungsbeispiels
der Erfindung, und
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3 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäß zu verwendenden Ölkühlers.
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In
den Ausführungsbeispielen
sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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Die 1 zeigt
eine Ölversorgungsvorrichtung
für ein
Flugzeugtriebwerk in schematischer Darstellung, wobei lediglich
die für
die Beschreibung der Erfindung notwendigen Teile und Bauelemente
beschrieben sind.
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Die Ölversorgungsvorrichtung
umfasst eine Zuführleitung 1,
welche aus einer nicht dargestellten Ölquelle zu einer nicht dargestellten
weiteren Versorgungseinrichtung, beispielsweise Lagern oder Ähnlichem,
führt.
In der Zuführleitung 1 sind
eine Zuführpumpe 2 angeordnet,
sowie ein Rückschlagventil 28 und
ein Hauptfilter 27.
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Mit
dem Bezugszeichen 9 sind jeweils Filter gekennzeichnet.
Das Bezugszeichen 11 kennzeichnet jeweils ein Druckbegrenzungsventil,
so wie es beispielsweise in einer Bypassleitung 10 bzw. 12 vorgesehen
ist. Dieser Aufbau entspricht dem Stand der Technik und den üblichen
Anforderungen.
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Die 1 zeigt
weiterhin eine Rückführleitung 4,
welche mit einer Rückführpumpe
versehen sein kann. Die Rückführleitung 4 dient
dazu, Öl
von einem Ölabscheider 22 oder
Entgaser abzuführen und
das Öl über die
Rückführleitung 4 in
einen Ölvorratsbehälter 17 zu
pumpen, aus welchem beispielsweise auch die Zuführleitung 1 gespeist
werden kann. Die Rückführleitung 4 ist
ebenfalls mit einem Filter 9 versehen.
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Aus
der Gesamtdarstellung der 1 ist im Einzelnen
der Vorratsbehälter 17 (Öltank) sowie
ein zugeordneter Öltankentlüfter 18 dargestellt.
In diesen mündet
eine gemeinsame Rückführleitung 19,
welche sich an die Rückführleitung 4 anschließt.
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In
gestrichelter Linie ist weiterhin eine Öltankentlüftungsleitung 21 dargestellt,
welche in den Ölabscheider
oder Entgaser 22 (Breather) mündet.
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Weiterhin
zeigt die 1, dass das durch die Zuführpumpe 2 geförderte Öl von der
Zuführleitung 1 in
einen Ölkühler 20 mündet und
von diesem aus an Baugeräten 23 (AGB,
Excessory Gear Box), einer Getriebelagerkammer 24 (IGB,
Internal Gear Box) und/oder einer hinteren Lagerkammer 25 (RBC,
Rear Bearing Chamber) zugeführt
wird. Die jeweiligen Entlüftungsleitungen 26 sind,
ebenso wie die Öltankentlüftungsleitung 21,
gepunktet dargestellt.
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Die 1 zeigt
weitere, parallele Leitungen, die jeweils ebenfalls mit einer Pumpe 13 sowie
einem Filter 9 versehen sind und in die gemeinsame Rückführleitung 19 münden. Über diese
Leitungen wird Öl von
Anbaugeräten,
einer Getriebelagerkammer und/oder einer hinteren Lagerkammer rückgeführt.
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In 1 sind
Entlüftungsleitungen
als gepunktete Linien dargestellt, während die gestrichelte Linie
des Ölkreislaufes um
den Wärmetauscher 3 eine Ölströmung mit
höherer
Temperatur darstellt.
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Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Verwendung
des Wärmetauschers 20 in
dem Gesamtsystem in Verwendung mit einem zusätzlichen luftgekühlten Wärmetauscher 3 vorgesehen.
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Die 3 zeigt
in schematischer Weise einen erfindungsgemäß zu verwendenden, brennstoffgekühlten Wärmetauscher
mit einer Brennstoffeinlassleitung 5, einer Öleinlassleitung 6,
einer Brennstoffauslassleitung 7 sowie einer Ölauslassleitung 8. Die Ölauslassleitung 8 dient
zur Zuführung
von Öl
mit höherer
Temperatur zu dem kühleren
Bereich des Flugzeugstriebwerks, während eine Ölauslassleitung 14 zur
Zuführung
von Öl
mit niedrigerer Temperatur zu dem heißen Endbereich und zu sensitiven
Verbrauchern dient. Die Richtung der Ölströmung ist mit dem mit Bezugszeichen 15 versehenen
Pfeil dargestellt. Erfindungsgemäß versteht
es sich, dass der Wärmetauscher
mehrere Kammern (mehr als die zwei in dem Ausführungsbeispiel gezeigten) aufweisen
kann oder mit mehreren Ölauslässen versehen sein
kann, die auch unterschiedliche Strömungsquerschnitte haben können, um
auf diese Weise sowohl die Öltemperatur
als auch das Ölvolumen
zu steuern/regeln.
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- 1
- Zuführleitung
- 2
- Zuführpumpe
- 3
- Ölkühler/Wärmetauscher
- 4
- Rückführleitung
- 5
- Brennstoffeinlassleitung
- 6
- Öleinlassleitung
- 7
- Brennstoffauslassleitung
- 8
- Ölauslassleitung
- 9
- Filter
- 10
- Bypassleitung
- 11
- Druckbegrenzungsventil
- 12
- Druckbegrenzungsleitung
- 13
- Pumpe
- 14
- Ölauslass
- 15
- Ölströmungsrichtung
- 16
- IDS
- 17
- Öltank/Ölvorratsbehälter
- 18
- Öltankentlüfter
- 19
- Gemeinsame
Rückführleitung
- 20
- Ölkühler/Wärmetauscher
- 21
- Öltankentlüftungsleitung
- 22
- Ölabscheider
(Breather)
- 23
- Anbaugerät
- 24
- Getriebelagerkammer
- 25
- Hintere
Lagerkammer
- 26
- Entlüftungsleitung
- 27
- Hauptfilter
- 28
- Rückschlagventil