DE102006042584A1

DE102006042584A1 - Luftzufuhrsystem eines Flugzeuges sowie Verfahren zum Vermischen zweier Luftströme in einem Luftzufuhrsystem

Info

Publication number: DE102006042584A1
Application number: DE102006042584A
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl.-Ing. Barkowsky
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-12
Also published as: EP2076437B1; BRPI0716627A2; RU2009110181A; US9211954B2; CN101511675A; EP2076437A1; US20110151762A1; DE102006042584B4; CN101511675B; WO2008031510A1; ATE512878T1; JP2010502501A; RU2434788C2; CA2661183A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftzufuhrsystem eines Flugzeuges, insbesondere eines Passagierflugzeuges, das ein Frischluftsystem, durch das Frischluft einer Flugzeugkabine zuführbar ist, ein mit dem Frischluftsystem gekoppeltes Umluftsystem, durch das verbrauchte Kabinenluft dem Frischluftsystem zuführbar ist, ein Kühlluftsystem zur Kühlung einer in dem Frischluftsystem angeordneten Klimaanlage des Flugzeuges und ein mit dem Kühlluftsystem gekoppeltes Ventilationssystem zum Ventilieren eines Einbauraumes der Klimaanlage umfasst. Das Luftzufuhrsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsmäßige Kopplung zwischen zwei Systemen des Luftzufuhrsystems derart innerhalb des Flugzeugrumpfes angeordnet und aufgebaut ist, dass die Luft in dem einen System durch die Luftströmung in dem anderen System antreibbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Vermischen zweier Luftströme in einem solchen Luftzufuhrsystem eines Flugzeuges.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftzufuhrsystem eines Flugzeuges, insbesondere eines Passagierflugzeuges, das ein Frischluftsystem, durch das einer Flugzeugkabine Frischluft zuführbar ist, ein mit dem Frischluftsystem gekoppeltes Umluftsystem, durch das dem Frischluftsystem verbrauchte Kabinenluft zuführbar ist, ein Kühlluftsystem zur Kühlung einer in dem Frischluftsystem angeordneten Klimaanlage des Flugzeuges und ein mit dem Kühlluftsystem gekoppeltes Ventilationssystem zum Ventilieren eines Einbauraumes der Klimaanlage umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Vermischen zweier Luftströme in einem solchen Luftzufuhrsystem.
Hintergrund der Erfindung
Luftzufuhrsysteme an Bord eines Passagierflugzeuges sind in den letzten Jahren zunehmend komplexer geworden, da unterschiedliche Klimabereiche in der Flugzeugkabine mit Frischluft versorgt werden müssen, um den Flug für die Passagiere so angenehm wie möglich zu gestalten. Ferner muss die Kabinenluft in kontinuierlichen Abständen aufbereitet werden. Dazu wird die verbrauchte Kabinenluft aus der Kabine abgeführt, mit Frischluft vermischt und der Kabine erneut zugeführt. Des Weiteren müssen bestimmte, an Bord installierte Bauteile, wie z.B. die Klimaanlage, mit Kühlluft versorgt werden. Der Einbauraum der Klimaanlage muss ventiliert werden, um eventuell austretende Kraftstoff- und/oder Öldämpfe abzuführen und Brandpotentiale auszuschließen.
Aus diesem Grund sind in den letzten Jahren Konzepte entwickelt worden, die Lösungen für die Frischluftzufuhr, Umluftzirkulation, Kühlluftzufuhr sowie Ventilation des Einbauraumes der Klimaanlage bereitstellen. Diese Lösungen werden im Anschluss unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben. Dabei werden lediglich die den einzelnen Lösungen zu Grunde liegenden Prinzipien beschrieben, ohne dass auf technische Detail eingegangen wird.
A) Frischluftsystem
1 zeigt eine herkömmliche Lösung 10a für die Frischluftventilation der Flugzeugkabine. Zu diesem Zweck wird die Frischluft während des Fluges als Zapfluft aus dem Primärkreis 12 (Hoch- und Mitteldruckverdichter) der Haupttriebwerke sowie am Boden aus der Hilfsturbine 18 bezogen. Aufgrund des hohen Temperaturniveaus muss die Zapfluft aus dem Primärkreis 12 der Haupttriebwerke vorgekühlt werden. Diese Vorkühlung geschieht durch Zapfluft aus dem Sekundärkreis 14 der Haupttriebwerke, die einen Wärmetauscher 16 durchströmt und dadurch die aus dem Primärkreis 12 der Haupttriebwerke bezogene Zapfluft vorkühlt. Zusätzlich wird die Klimaanlage 20 des Flugzeuges durch die Strömungsenergie der Zapfluft aus dem Primärkreis 12 der Haupttriebwerke angetrieben.
Bei dem in 1 gezeigten herkömmlichen Frischluftsystem führt die Zapfluftentnahme aus dem Primärkreis der Haupttriebwerke zu einer Leistungseinbuße und zu einem erhöhten Kerosinverbrauch der Haupttriebwerke. Ferner ist ein erhöhter Bauaufwand aufgrund des hohen Temperatur- und Druckniveaus an den Zapfluftableitungen sowie eine Temperaturüberwachung zum Schutz umliegender Strukturen erforderlich. Des Weiteren muss der Volumenstrom sowie der Druck der entnommenen Zapfluft durch entsprechende Ventile geregelt werden. Dies führt zu weiteren Ausfallmöglichkeiten der elektromagnetisch gesteuerten Ventile, die durch Redundanzen kompensiert werden müssen, was wiederum den Bauaufwand erhöht. Des Weiteren kann die Frischluft durch Austreten von Öl an den Triebwerken sowie der Hilfsturbine kontaminiert werden.
Ein neueres Konzept 10b für die Frischluftzufuhr ist in 2 dargestellt, das für zukünftige Flugzeugobjekte vorgesehen ist. Dieses noch nicht im Einsatz befindliche Konzept 10b sieht die Zufuhr von Frischluft durch eine separate Staulufteinlassöffnung 22 von außerhalb des Flugzeugrumpfes vor. Die durch die Staulufteinlassöffnung 22 eingeleitete Stauluft wird mittels eines elektrisch angetriebenen Kompressors 24 verdichtet, um so die Strömungsenergie für den Betrieb der Klimaanlage 20 bereitzustellen. Die Antriebsenergie für den Kompressor wird während des Fluges von den Generatoren der Haupttriebwerke und am Boden von der Hilfsturbine bereitgestellt. Bei diesem Konzept entfällt eine Entnahme von Zapfluft aus dem Primärkreis der Haupttriebwerke sowie der Hilfsturbine.
Die in 2 dargestellte zapfluftlose Frischluftzufuhr erfordert die Bereitstellung einer homogenen Zuströmung, wodurch eine aufwändige Einlaufkanalgeometrie am Staulufteinlass 22 notwendig ist. Zusätzlich erhöht der Staulufteinlass 22 den Wider standsbeiwert des Flugzeuges. Die Komplexität und damit die Ausfallanfälligkeit des Systems erhöht sich durch die gesteuerten Aktuatoren zum Öffnen und/oder Schließen der Einlassklappen am Staulufteinlass 22. Bei einer Enteisung des Flugzeuges am Boden besteht zudem die Gefahr, dass Enteisungsflüssigkeit vom Rumpf in den Staulufteinlasskanal 22 gelangt und dadurch die Frischluft kontaminiert wird.
B) Umluftsystem
Hinsichtlich der Umluftzirkulation und deren Einspeisung in das Frischluftsystem des Flugzeuges sehen derzeitige Systemkonzepte 30, wie in 3 dargestellt, eine Einspeisung der rezirkulierten Umluft 36 in das Frischluftsystem stromabwärts der Klimaanlage 20 vor. Die Einspeisung und Vermischung der rezirkulierten Umluft 36 mit der von der Klimaanlage ausgegebenen Frischluft geschieht in einer Mischkammer 32. Von der Mischkammer 32 wird die mit der Umluft vermischte Frischluft in die Flugzeugkabine geleitet. Die Strömungsenergie für die Umluftventilation wird durch elektrische Gebläse 34 bereitgestellt.
Das in 3 gezeigte Umluftgebläse 34 zur Rezirkulation der Umluft 36 stellt in ihrer Bauart als rotierendes mechanisches Element eine potentielle Ausfallquelle dar, was sich nachhaltig auf die Ausfallsicherheit des Systems auswirkt und durch ausreichende Redundanzen mit entsprechendem Gewichtsnachteil ausgeglichen werden muss. Ferner ist eine Mischkammer 32 notwendig, um die von der Klimaanlage 20 ausgegebene Frischluft mit der rezirkulierten Umluft 36 zu vermischen.
C) Ventilations-/Kühlluftsystem
Wie bereits voranstehend erwähnt, muss der Einbauraum der Klimaanlage ventiliert werden, um eventuell austretende Kraftstoff- und/oder Öldämpfe abzuführen und Brandpotentiale auszuschließen. Eine herkömmliche Systemlösung 40a, wie in 4 dargestellt ist, sieht ein Ventilationssystem vor, bei dem die Ventilationsluft durch einen Staulufteinlass 42 in der Nähe der Klimaanlage von außerhalb des Flugzeugrumpfes zugeführt wird. Die Ventilation des Einbauraumes 44 der Klimaanlage während des Bodenbetriebs des Flugzeuges wird durch einen Kompressor 48 sichergestellt. Der Kompressor 48 bezieht seine Antriebsenergie aus dem flugzeugseitigen Hochdruck-Zapfluftsystem 52, das eine Turbine 50 antreibt. Die Abluftführung erfolgt über eine Auslassöffnung 46. Während des Fluges muss der Kompressor 48 wegen des Aufstaueffekts der Kühlluft am Staulufteinlass 42 nicht betrieben werden.
Das in 4 dargestellte Ventilationssystems erfordert einen separat von den anderen Systemen vorgesehenen Staulufteinlass 42, welcher wiederum den Widerstandsbeiwert des Flugzeuges nachhaltig beeinflusst. Der bei diesem System notwendige Kompressor 48 für den Bodenbetrieb, bei dem keine Stauluft zur Verfügung steht, sondern Luft mittels des Kompressors 48 durch den Staulufteinlass 42 von außen angesaugt wird, stellt zusätzlich zu den Aktuatoren und den Staulufteinlassklappen eine mögliche Ausfallquelle dar.
Ein anderes Konzept 40b hinsichtlich der Kühlluftzufuhr für die Klimaanlage sowie der Ventilation des Einbauraumes der Klimaanlage ist in 5 dargestellt. Dieses Konzept 40b sieht vor, dass die Ventilationsluft für den Einbauraum der Klimaanlage 44 aus dem Staulufteinlass 42 des Kühlluftgebläses 54 entnommen wird. Die Ventilationsluft wird aufgrund der Strömungsverhältnisse an der Grenzschicht des Flugzeugrumpfes, d.h. durch Unterdruck im Nachlaufgebiet des Kühlluftauslasses 46, abgeführt.
Bei dem in 5 dargestellten System muss die Auslassgeometrie im Nachlauf des Kühlluftauslasses 46 aufwändig ausgelegt werden, um so das Absaugen der Ventilationsluft sicherzustellen. Die Strömungsverhältnisse im Nachlauf des Kühlluftauslasses, d.h. in der Grenzschicht des Flugzeugrumpfes, sind weder vorhersehbar noch steuerbar. Dieser Umstand stellt somit einen weiteren Unsicherheitsfaktor dar, der im Hinblick auf einen möglicherweise auftretenden Kraftstoffaustritt oder Verdampfen von Öl im Einbauraum der Klimaanlage zu Sicherheitsgefahren führt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Luftzufuhrsystem für ein Flugzeug, insbesondere für ein Passagierflugzeug, mit erhöhter Ausfallsicherheit vorzusehen, bei dem die Anzahl ausfallunsicherer Bauteile, wie z.B. Gebläse und Kompressoren, minimiert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Luftzufuhrsystem eines Flugzeuges, insbesondere eines Passagierflugzeuges, gelöst, das ein Frischluftsystem, durch das Frischluft einer Flugzeugkabine zuführbar ist, ein mit dem Frischluftsystem gekoppeltes Umluftsystem, durch das verbrauchte Kabinenluft dem Frischluftsystem zuführbar ist, ein Kühlluftsystem zur Kühlung einer in dem Frischluftsystem angeordneten Klimaanlage des Flugzeuges und ein mit dem Kühlluftsystem gekoppeltes Ventilationssystem zum Ventilieren eines Einbauraumes der Klimaanlage umfasst. Das erfindungsgemäße Luftzufuhrsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsmäßige Kopplung zwischen zwei Systemen des Luftzufuhrsystems derart an Bord des Flugzeuges angeordnet und aufgebaut ist, dass die Luft in dem einen System durch die Luftströmung in dem anderen System antreibbar ist.
Dadurch, dass die Luft in dem einen System durch die Luftströmung in dem anderen System angetrieben und mit Energie beaufschlagt wird, wird eine strömungsmäßige Kopplung zweier Systeme erreicht. Dies betrifft die Kopplung des Frischluftsystems mit dem Umluftsystem und/oder die Kopplung des Kühlluftsystems mit dem Ventilationssystem. Gleichzeitig ist die Anzahl ausfallunsicherer mechanischer Bauelemente, wie beispielsweise Gebläse oder Kompressoren, die bei den herkömmlichen Lösungskonzepten notwendig sind, in dem erfindungsgemäßen Luftzufuhrsystem minimiert. Im Gegensatz zu dem in 5 gezeigten Lösungskonzept wird die strömungsmäßige Kopplung zweier Systeme an Bord des Flugzeuges erreicht, wodurch die Kopplung von den Strömungsverhältnissen in der Grenzschicht des Flugzeugrumpfes unabhängig ist.
Vorzugsweise ist die strömungsmäßige Kopplung derart an Bord des Flugzeuges angeordnet und aufgebaut, dass die Luft in dem einen System durch eine von der Luftströmung in dem anderen System bewirkte Sogwirkung antreibbar ist.
Durch die von der Luftströmung in einem System verursachte Sogwirkung kann die Luft in dem anderen System bewegt werden, was zu einer Vermischung der beiden Luftströmungen im Bereich der strömungsmäßigen Kopplung führt. Die von der Luftströmung verursachte Sogwirkung kann durch geeignete Wahl des Strömungsquerschnittes beeinflusst werden. Dadurch kann die Sogwirkung und somit die Vermischungsrate, mit der die Luft aus dem einen System mit der Luftströmung in dem anderen System vermischt wird, ohne ausfallunsichere mechanische Bauteile variiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bewirkt eine Ejektor-Mischstufe die strömungsmäßige Kopplung zweier Systeme des Luftzufuhrsystems. Derartige Ejektor-Mischstufen stellen ausfallsichere Bauteile dar, da sie keine beweglichen oder rotierenden Bauelemente enthalten, die die Zuverlässigkeit des Systems nachhaltig beeinflussen können.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Umluftsystem und das Frischluftsystem durch eine erste Ejektor-Mischstufe strömungsmäßig miteinander gekoppelt. Somit kann die rezirkulierte Umluft in dem Umluftsystem durch die Frischluftströmung in dem Frischluftsystem mit Hilfe der Ejektor-Mischstufe angesaugt und vermischt werden. Es ist somit in dem Umluftsystem kein Gebläse notwendig, das die Umluft in das Frischluftsystem fördert. Ferner muss keine separate Mischkammer zur Vermischung der Frischluft mit der Umluft vorgesehen werden.
Vorzugsweise ist die erste Ejektor-Mischstufe in dem Frischluftsystem stromaufwärts der Klimaanlage angeordnet. Bei dem in 3 gezeigten System muss die Abluft der Klimaanlage eine derart niedrige Temperatur besitzen, dass die von dem Gebläse in dem Umluftsystem verursachte erhöhte Mischlufttemperatur kompensiert werden kann. Dadurch können Vereisungsprobleme am Auslass der Klimaanlage auftreten. Ferner ist bei dem in 3 gezeigten System die Temperatur der Mischluft und somit die Kabinentemperatur nur mit Hilfe einer eigenen, permanent gesteuerten Regelung einstellbar. Diese Probleme werden bei dem Luftzufuhrsystem der Erfindung vermieden, indem die Frischluft mit der Umluft stromaufwärts der Klimaanlage durch die Ejektor-Mischstufe vermischt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine Vielzahl von ersten Ejektor-Mischstufen parallel zueinander in dem Frischluftsystem angeordnet, wobei jeweils eine der Vielzahl der ersten Ejektor-Mischstufen mit einer Umluftleitung des Umluftsystems gekoppelt ist. Durch die Vielzahl der parallel zueinander in dem Frischluftsystem angeordneten Ejektor-Mischstufen kann eine größere Menge an Frischluft mit einer größeren Menge an Umluft an verschiedenen Orten innerhalb des Flugzeugrumpfes vermischt werden, was zu einer höheren Effizienz der Einspeisung von Umluft führt.
Vorzugsweise ist das Frischluftsystem durch zwei Zapfluftleitungen mit einem Sekundärluftstromkreis von zwei oder mehr Triebwerken des Flugzeuges strömungsmäßig gekoppelt. Die Frischluft wird also als Zapfluft dem Sekundärluftstromkreis der Triebwerke des Flugzeuges entnommen, wodurch keine separate Staulufteinlassklappe für die Bereitstellung der Frischluft notwendig ist. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Widerstandsbeiwert des Flugzeuges aus.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung münden die beiden Zapfluftleitungen in eine Frischluftleitung im Rumpf des Flugzeuges. Dadurch steht selbst bei Ausfall eines Triebwerks eine ausreichende Menge an Frischluft zur Verfügung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der Frischluftleitung stromaufwärts der ersten Ejektor-Mischstufe ein Frischluftgebläse angeordnet. Dieses Frischluftgebläse wird lediglich im Bodenbetrieb des Flugzeuges eingesetzt, um Frischluft durch die Zapfluftleitungen anzusaugen und Frischluft durch die Frischluftleitung der ersten Ejektor-Mischstufe zuzuführen. Somit ist eine ausreichende Frischluftversorgung auch bei nicht laufenden Haupttriebwerken gewährleistet.
Vorzugsweise ist stromaufwärts der Klimaanlage mindestens ein Kabinenluftkompressor angeordnet, der verdichtete Mischluft der Klimaanlage zuführt. Dieser Kabinenluftkompressor erzeugt ausreichend verdichtete Mischluft, die für den Betrieb der Klimaanlage notwendig ist. Dadurch kann die Funktionalität der Klimaanlage auch bei geringen Mengen an Mischluft sichergestellt werden, da der Kompressor auf eine verringerte Menge an Mischluft eingestellt werden kann.
Vorzugsweise sind das Kühlluftsystem und das Ventilationssystem durch eine zweite Ejektor-Mischstufe strömungsmäßig miteinander gekoppelt. Da sich diese zweite Ejektor-Mischstufe an Bord des Flugzeuges befindet, ist die Ableitung der Ventilationsluft nicht von den Strömungsverhältnissen im Nachlauf des Kühlluftauslasses an der Außenhaut des Flugzeugrumpfes abhängig, wie dies in 5 der Fall ist. Somit bedarf es keiner aufwändigen Strömungsgeometrie am Kühlluftauslass, um die Ventilationsluft zusammen mit der Kühlluft aus dem Luftzufuhrsystem abzuführen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das Kühlluftsystem und das Ventilationssystem durch eine einzige Staulufteinlassklappe mit Luft beaufschlagbar. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer zweiten separaten Staulufteinlassklappe, die sich nachhaltig auf den Widerstandsbeiwert des Flugzeuges auswirken würde.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Kühlluftsystem stromabwärts der Staulufteinlassklappe ein Kühlluftgebläse angeordnet. Dieses Kühlluftgebläse saugt im Bodenbetrieb des Flugzeuges Kühlluft durch die Staulufteinlassklappe an, mit der der Wärmetauscher der Klimaanlage gekühlt wird. Somit kann eine hinreichende Kühlung des Wärmetauschers auch im Bodenbetrieb des Flugzeuges sichergestellt werden.
Vorzugsweise sind das Kühlluftgebläse in dem Kühlluftsystem und das Frischluftgebläse in dem Frischluftsystem durch einen gemeinsamen Motor antreibbar. Da beide Gebläse durch einen gemeinsamen Motor angetrieben werden, führt dies zu einer weiteren Gewichtsersparnis.
Gemäß einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Vermischen zweier Luftströme in einem Luftzufuhrsystem eines Flugzeuges, insbesondere eines Passagierflugzeuges, vor. Das Luftzufuhrsystem des Flugzeuges umfasst ein Frischluftsystem, durch das Frischluft einer Flugzeugkabine zugeführt wird, ein mit dem Frischluftsystem gekoppeltes Umluftsystem, durch das verbrauchte Kabinenluft dem Frischluftsystem zugeführt wird, ein Kühlluftsystem zur Kühlung einer in dem Frischluftsystem angeordneten Klimaanlage des Flugzeuges, und ein mit dem Kühlluftsystem gekoppeltes Ventilationssystem zum Ventilieren eines Einbauraumes der Klimaanlage. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte: Bereitstellen einer Luftströmung in einem von zwei gekoppelten Systemen, und Antreiben einer Luft in dem anderen System durch die Luftströmung so, dass innerhalb des Flugzeugrumpfes eine strömungsmäßige Kopplung und eine Vermischung der Luftströme der beiden Systeme erzielt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung saugt die Luftströmung in dem einen System die Luft in dem anderen System an.
Vorzugsweise wird die Umluft aus dem Umluftsystem durch die durch das Frischluftsystem strömende Frischluft angesaugt und in das Frischluftsystem gefördert, wodurch die Frischluft mit der Umluft vermischt wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Mischluft durch die in dem Frischluftsystem angeordnete Klimaanlage auf eine vorbestimmte Temperatur geregelt und in die Flugzeugkabine geleitet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird während des Flugbetriebs des Flugzeuges die Frischluft einem Sekundärkreis des Triebwerks des Flugzeuges entnommen. Diese Zapfluft wird danach einer ersten Ejektor-Mischstufe zugeführt, in der die Zapfluft mit der Umluft vermischt wird.
Vorzugsweise saugt die durch das Kühlluftsystem strömende Kühlluft die Ventilationsluft aus dem Ventilationssystem an und fördert die Ventilationsluft in das Kühlluftsystem, wodurch die Kühlluft mit der Ventilationsluft vermischt wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Kühlluft und die Ventilationsluft durch eine Staulufteinlassklappe in das Kühlluftsystem und das Ventilationssystem eingeleitet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Kühlluft einen Wärmetauscher der Klimaanlage zur Kühlung der der Flugzeugkabine zuzuführenden Mischluft durchströmt, und danach die Kühlluft einer zweiten Ejektor-Mischstufe zugeführt wird, in der die Kühlluft mit der Ventilationsluft vermischt wird. Im Anschluss wird die mit der Ventilationsluft vermischte Kühlluft durch einen Luftauslass im Flugzeugrumpf ausgelassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Anschluss beispielhaft anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:
1 eine erste Variante eines herkömmlichen Frischluftsystems, bei dem Frischluft im Flugbetrieb als Zapfluft dem Primärkreis eines Triebwerkes und im Bodenbetrieb der Hilfsturbine des Flugzeuges entnommen wird;
2 eine zweite Variante eines herkömmlichen Frischluftsystems, bei dem Frischluft durch einen Staulufteinlass dem Frischluftsystem zugeführt wird;
3 ein herkömmliches Umluftsystem;
4 eine erste Variante eines herkömmlichen Kühlluftsystems;
5 eine zweite Variante eines herkömmlichen Kühlluftsystems;
6 ein Luftzufuhrsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das ein Frischluft-, Umluft-, Kühlluft- sowie Ventilationssystem umfasst.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Luftzufuhrsystems eines Flugzeuges, insbesondere eines Passagierflugzeuges, dargestellt.
Das Luftzufuhrsystem umfasst vier Teilsysteme, die jeweils unterschiedliche Aufgaben an Bord des Flugzeuges erfüllen. Das Luftzufuhrsystem umfasst ein Frischluftsystem 110, das für die Frischluftversorgung des Kabinenraums verantwortlich ist, ein Umluftsystem, das verbrauchte Kabinenluft aus dem Kabinenraum abführt, wobei die verbrauchte Kabinenluft nach entsprechender Aufbereitung rezirkuliert und dem Frischluftsystem zugeführt wird. Ein weiteres Teilsystem des in 6 dargestellten Luftzufuhrsystems stellt das Kühlluftsystem dar, das Kühlluft für die Klimaanlage bereitstellt, um dort die noch relativ warme, als Zapfluft entnommene Frischluft auf eine für die Passagiere angenehme Kabinentemperatur zu temperieren. Des Weiteren umfasst das Luftzufuhrsystem ein Ventilationssystem, das der Ventilation des Einbauraumes der Klimaanlage dient. Die Ventilation des Einbauraumes der Klimaanlage ist notwendig, da eventuell aus der Klimaanlage austretende Kraftstoff- und/oder Öldämpfe abgeführt werden müssen, um mögliche Brandpotentiale auszuschließen.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass im Sinne der Erfindung kein inhaltlicher Unterschied zwischen dem Begriff "innerhalb des Flugzeugrumpfes" und dem Begriff "an Bord des Flugzeuges" besteht.
Für die in 5 dargestellte Anordnung wurde der Begriff „Luftzufuhrsystem" gewählt. Dieser Begriff sollte allerdings nicht im engeren Sinne ausgelegt werden. Ebenso könnte die in 5 gezeigte Anordnung als "Klima- oder Belüftungssystem" bezeichnet werden.
Das Frischluftsystem 110 des in 6 dargestellten Luftzufuhrsystems 100 dient zur Frischluftversorgung der Flugzeugkabine. Zu diesem Zweck wird Zapfluft aus den Sekundärkreisen 112a, 112b der Haupttriebwerke entnommen. Die Zapfluftableitungen 114a, 114b münden in eine einzelne Frischluftleitung 116. Dies hat den Vorteil, dass auch bei Ausfall eines Haupttriebwerks weiterhin eine hinreichende Frischluftzufuhr in das Frischluftsystem 110 sichergestellt ist.
Da im Bodenbetrieb des Flugzeuges keine Zapfluft zur Verfügung steht, ist ein Frischluftgebläse 118 in der Frischluftleitung 116 angeordnet. Dieses Frischluftgebläse 118 saugt im Bodenbetrieb des Flugzeuges durch die Frischluftleitung 116 und die Zapfluftleitungen 114a, 114b Frischluft von außerhalb des Flugzeuges an. Das Frischluftgebläse 118 wird über einen Motor 119 angetrieben. Die Frischluftleitung 116 führt zu einer Ejektor-Mischstufe 120. Von der Ejektor-Mischstufe 120 führt die Frischluftleitung 116 weiter zu einem Kabinenluftkompressor 124, der mittels eines Motors 126 angetrieben wird und die Frischluft soweit verdichtet, dass dessen Strömungsenergie ausreicht, um den Betrieb der Klimaanlage 130 sicherzustellen. Zwischen der Klimaanlage 130 und dem Kabinenluftkompressor 124 ist ein Ozon-Konverter 128 angeordnet, der einem herkömmlichen Katalysator entspricht und Ozon in Sauerstoff umwandelt. Die Klimaanlage 130 umfasst einen Wärmetauscher 132, in dem die von dem Kompressor 124 verdichtete und an dieser Stelle noch relativ warme Luft durch die Kühlluft des im Anschluss beschriebenen Kühlluftsystems 150 temperiert wird.
Verbrauchte Kabinenluft (Rezirkulationsluft) 142 wird in einem Umluftsystem 140 des Luftzufuhrsystems 100 rezirkuliert und durch eine Umluftleitung 144 der Ejektor-Mischstufe 120 zugeführt. Die Ejektor-Mischstufe 120 bewirkt eine Vermischung der Umluft 142 mit der durch das Frischluftsystem 110 strömenden Frischluft. In der Ejektor-Mischstufe 120 wird die Strömungsenergie der Frischluft genutzt, um die Umluft 142 aus dem Umluftsystem 140 in die mit der Ejektor-Mischstufe 120 verbundenen Frischluftleitung 116 zu saugen. Die strömungsmäßige Kopplung sowie Vermischung der Frischluft mit der Umluft geschieht lediglich durch die Strömungsenergie der Frischluft. Die Strömungsenergie wird einerseits durch das Druckniveau der den Sekundärkreisen 112a, 112b der Haupttriebwerke entnommenen Zapfluft bestimmt. Andererseits kann die Strömungsenergie der Frischluft auch über die Geometrie der Frischluftleitung 116 beeinflusst werden. Im Bodenbetrieb kann die Strömungsenergie der Frischluft durch das Frischluftgebläse 118 eingestellt werden, wodurch die von der Frischluft auf die Umluft augeübte Sogwirkung entsprechend variiert werden kann.
Da die Zapfluft den Sekundärkreisen 112a, 112b der Haupttriebwerke entnommen wird und das Druck- und Temperaturniveau dieser Zapfluft im Vergleich zu Zapfluft, die den Primärkreisen der Haupttriebwerke entnommen wird, deutlich niedriger ist, sind keine weiteren Regelventile sowie Überwachungselemente für Hochtemperaturluftleitungen notwendig, wodurch die Anzahl der für die fehlerfreie Funktionsweise des Frischluftsystems 110 notwendigen Bauelemente verringert ist.
Das in 6 dargestellte Luftzufuhrsystem 100 umfasst des Weiteren ein Kühlluftsystem 150 zur Kühlung der durch den Wärmetauscher 132 der Klimaanlage 130 strömenden Frischluft, sowie ein Ventilationssystem 170, welches den Einbauraum 170 der Klimaanlage ventiliert.
Die Kühlluft gelangt durch einen Staulufteinlass 152, der sich gewöhnlich in der Außenhaut am Rumpf des Flugzeuges befindet, in die Kühlluftleitung 154 des Kühlluftsystems 150. Für den Bodenbetrieb des Flugzeuges ist ein Kühlluftgebläse 156 in dem Kühlluftsystem 150 stromabwärts des Staulufteinlasses 152 angeordnet, das mittels des gleichen Motors 190 angetrieben wird, der bereits für den Antrieb des Frischluftgebläses 118 des Frischluftsystems 110 verwendet wird. Das Kühlluftgebläse 150 saugt kalte Außenluft durch den Staulufteinlass 152 an und fördert die Außenluft in das Kühlluftsystem 150. Stromabwärts des Kühlluftgebläses 156 durchströmt die Kühlluft den Wärmetauscher 132 der Klimaanlage 130. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 132 wird die durch das Frischluftsystem 110 und die Klimaanlage 130 strömende Frischluft auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt, die für den erforderlichen Passagierkomfort in der Flugzeugkabine sorgt. Von dem Wärmetauscher 132 gelangt die Kühlluft in eine Ejektor-Mischstufe 160 und von dort durch einen Kühlluftauslass 162 in die Atmosphäre. Der Kühlluftauslass 162 ist in der Außenhaut am Rumpf des Flugzeuges angeordnet.
Die zur Ventilierung des Einbauraumes 190 der Klimaanlage 130 erforderliche Ventilationsluft gelangt ebenso durch den Staulufteinlass 152 in das Ventilationssystem 170. Durch eine Ventilationsluftleitung 171 gelangt die Ventilationsluft 174 in den Einbauraum 190 der Klimaanlage 130 und wird beim Austritt aus dem Einbauraum 190 in die Ejektor-Mischstufe 160 eingeleitet. Um die Ventilationsluft nicht in Kontakt mit den heißen Oberflächen des Wärmetauschers 132 treten zu lassen, wird die Ventilationsluft mit der Kühlluft stromabwärts des Wärmetauschers 132 in der Ejektor-Mischstufe 160 vermischt. Die mit der Ventilationsluft vermischte Kühlluft wird durch den Kühlluftauslass 162 in die Atmosphäre abgegeben. In dem Ventilationssystem 170 ist stromabwärts des Staulufteinlasses 152 eine Rückschlagventil 172 angeordnet, das zur Vermeidung einer entgegengerichteten Ventilationsströmung dient.
Die Funktionsweise der Ejektor-Mischstufe 160 ist zumindest ähnlich oder gleich der Funktionsweise der Ejektor-Mischstufe 120. In der Ejektor-Mischstufe 160 wird die Strömungsenergie der Kühlluft genutzt, um die Ventilationsluft 174 aus dem Ventilationssystem 170 zu saugen, mit dieser zu vermischen und stromabwärts durch den Kühlluftauslass 162 auszugeben. Durch entsprechende Wahl der Geometrie der Kühlluftleitungen 154, 158 sowie entsprechender Einstellung des Kühlluftgebläses 156 im Bodenbetrieb des Flugzeuges kann die Strömungsenergie der Kühlluft verändert werden. Durch die Strömungsenergie der Kühlluft kann somit der Durchsatz der Ventilationsluft 174 durch den Einbauraum 190 der Klimaanlage 130 beeinflusst werden.
Der Fachmann erkennt, dass die in 6 dargestellte Anordnung eines Luftzufuhrsystems nicht auf Passagierflugzeuge beschränkt ist, sondern ebenso Anwendung finden kann bei Flugzeugen allgemeiner Art.
Zusätzlich können in den Ejektor-Mischstufen 120, 160 Membrane, Schleusen enthalten sein, die eine Rückströmung der Luft aus einem System in das andere System verhindern.
Ebenso ist die in 6 dargestellte Anordnung sowie das dieser zu Grunde liegende erfinderische Konzept auf Systeme anwendbar, die von anderen Gasen als Luft durchströmt werden.

Claims

Luftzufuhrsystem (100) eines Flugzeuges, insbesondere eines Passagierflugzeuges, umfassend: – ein Frischluftsystem (110), durch das Frischluft einer Flugzeugkabine zuführbar ist, – verbrauchte Kabinenluft dem Frischluftsystem zuführbar ist, – ein Kühlluftsystem (150) zur Kühlung einer in dem Frischluftsystem (110) angeordneten Klimaanlage (130) des Flugzeuges, und – ein mit dem Kühlluftsystem (150) gekoppeltes Ventilationssystem (170) zum Ventilieren eines Einbauraumes (190) der Klimaanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsmäßige Kopplung (120, 160) zwischen zwei Systemen (110, 140; 150, 170) des Luftzufuhrsystems (100) derart innerhalb des Flugzeugrumpfes angeordnet und aufgebaut ist, dass die Luft in dem einen System (140, 170) durch die Luftströmung in dem anderen System (110, 150) antreibbar ist.
Luftzufuhrsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsmäßige Koppelung (120, 160) derart innerhalb des Flugzeugrumpfes angeordnet und aufgebaut ist, dass die Luft in dem einen System (140, 170) durch eine von der Luftströmung in dem anderen System (110, 150) bewirkte Sogwirkung antreibbar ist.
Luftzufuhrsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ejektor-Mischstufe (120, 160) die strömungsmäßige Kopplung der beiden Systeme (110, 140; 150, 170) des Luftzufuhrsystems (100) bewirkt.
Luftzufuhrsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umluftsystem (140) und das Frischluftsystem (110) durch eine erste Ejektor-Mischstufe (120) strömungsmäßig gekoppelt sind.
Luftzufuhrsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ejektor-Mischstufe (120) in dem Frischluftsystem (110) stromaufwärts der Klimaanlage (130) angeordnet ist.
Luftzufuhrsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von ersten Ejektor-Mischstufen (120) parallel zueinander in dem Frischluftsystem (110) angeordnet sind, und dass jeweils eine der Vielzahl der ersten Ejektor-Mischstufen (120) mit einer Umluftleitung (144) des Umluftsystems (140) gekoppelt ist.
Luftzufuhrsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischluftsystem (110) durch zwei Zapfluftleitungen (114a, 114b) mit einem Sekundärluftstromkreis von zwei oder mehr Triebwerken (112a, 112b) des Flugzeuges strömungsmäßig gekoppelt ist.
Luftzufuhrsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zapfluftleitungen (114a, 114b) in eine Frischluftleitung (116) im Rumpf des Flugzeuges münden.
Luftzufuhrsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Frischluftleitung (116) stromaufwärts der ersten Ejektor-Mischstufe (120) ein Frischluftgebläse (118) angeordnet ist, das im Bodenbetrieb des Flugzeuges Frischluft durch die Zapfluftleitungen (114a, 114b) ansaugt und Frischluft durch die Frischluftleitung (116) der ersten Ejektor-Mischstufe (120) zuführt.
Luftzufuhrsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Klimaanlage (130) mindestens ein Kabinenluftkompressor (124) angeordnet ist, der verdichtete Mischluft der Klimaanlage zuführt.
Luftzufuhrsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlluftsystem (150) und das Ventilationssystem (170) durch eine zweite Ejektor-Mischstufe (160) strömungsmäßig gekoppelt sind.
Luftzufuhrsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlluftsystem (150) und das Ventilationssystem (170) durch einen einzigen Staulufteinlass (152) mit Luft beaufschlagbar sind.
Luftzufuhrsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlluftsystem (150) stromabwärts des Staulufteinlasses (152) ein Kühlluftgebläse (156) angeordnet ist, das im Bodenbetrieb des Flugzeuges Kühlluft durch den Staulufteinlass (152) ansaugt und der Klimaanlage (130) zuführt.
Luftzufuhrsystem nach Anspruch 13 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlluftgebläse (156) und das Frischluftgebläse (118) durch einen gemeinsamen Motor antreibbar sind.
Verfahren zum Vermischen zweier Luftströme in einem Luftzufuhrsystem (100) eines Flugzeuges, insbesondere eines Passagierflugzeuges, wobei das Luftzufuhrsystem (100) ein Frischluftsystem (110), durch das Frischluft einer Flugzeugkabine zugeführt wird, ein mit dem Frischluftsystem (110) gekoppeltes Umluftsystem (140), durch das verbrauchte Kabinenluft dem Frischluftsystem (110) zugeführt wird, ein Kühlluftsystem (150) zur Kühlung einer in dem Frischluftsystem (110) angeordneten Klimaanlage (130) des Flugzeuges, und ein mit dem Kühlluftsystem (150) gekoppeltes Ventilationssystem (170) zum Ventilieren eines Einbauraumes (190) der Klimaanlage (130) umfasst, gekennzeichnet durch die Schritte: Bereitstellen einer Luftströmung in einem (110, 150) von zwei gekoppelten Systemen (110, 140; 150, 170), und Antreiben einer Luft in dem anderen System (140, 170) durch die Luftströmung so, dass innerhalb des Flugzeugrumpfes eine strömungsmäßige Koppelung und eine Vermischung der Luftströme der beiden Systeme erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftströmung in dem einen System (110, 150) die Luft in dem anderen System (140, 170) ansaugt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Frischluftsystem (110) strömende Frischluft die Umluft aus dem Umluftsystem (140) ansaugt und in das Frischluftsystem (116) fördert, wodurch die Frischluft mit der Umluft vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Umluft vermischte Frischluft durch die in dem Frischluftsystem (110) angeordnete Klimaanlage (130) auf eine vorbestimmte Temperatur geregelt wird, und danach die Mischluft der Flugzeugkabine zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass während des Flugbetriebs des Flugzeuges die Frischluft aus einem Sekundärluftstromkreis eines oder mehr Triebwerke (112a, 112b) des Flugzeuges abgezapft wird, und die Zapfluft danach einer ersten Ejektor-Mischstufe (120) zugeführt wird, in der die Zapfluft mit der Umluft vermischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Kühlluftsystem (150) strömende Kühlluft die Ventilationsluft aus dem Ventilationssystem (170) ansaugt und in das Kühlluftsystem (150) fördert, wodurch die Kühlluft mit der Ventilationsluft vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft und die Ventilationsluft durch einen Staulufteinlass (152) in das Kühlluftsystem (150) und das Ventilationssystem (170) eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft einen Wärmetauscher (132) der Klimaanlage (130) durchströmt, und danach die Kühlluft einer zweiten Ejektor-Mischstufe zugeführt wird, in der die Kühlluft und die Ventilationsluft vermischt werden, bevor die mit der Ventilationsluft vermischte Kühlluft durch einen Luftauslass (162) im Flugzeugrumpf ausgelassen wird.