DE102007052818A1

DE102007052818A1 - Flugzeug mit einer in einem Einbauraum angeordneten Klimaanlage

Info

Publication number: DE102007052818A1
Application number: DE102007052818A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dipl.-Ing.(FH) Henkel; Frank Dipl.-Ing.(FH) Steinmaier
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2009-05-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flugzeug mit wenigstens einer in einem Einbauraum angeordneten Klimaanlage, die wenigstens einen Kompressor sowie wenigstens einen elektrischen Motor zum Antrieb des Kompressors aufweist, sowie mit einem Ventilationssystem zur Luftzirkulation innerhalb des Einbauraums, wobei sich von dem Ventilationssystem wenigstens eine Kühlluftleitung zu der Flugzeugklimaanlage derart erstreckt, dass die durch die Kühlluftleitung geführte Motorkühlluft dem Motor oder einem Bereich, in dem sich der Motor befindet, zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flugzeug mit wenigstens einer in einem Einbauraum angeordneten Klimaanlage, die wenigstens einen Kompressor sowie wenigstens einen elektrischen Motor zum Antrieb des Kompressors aufweist, sowie mit einem Ventilationssystem zur Luftzirkulation innerhalb des Einbauraumes.
Bei derartigen Flugzeugklimaanlagen besteht die Notwendigkeit, den den Kompressor antreibenden Motor zu kühlen, wozu bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ein Kühlluftmassenstrom durch Verwendung einer Strahlpumpe verwendet wird. 3 zeigt eine derartige Ausgestaltung einer bekannten Flugzeugklimaanlage, die in 3 mit „Air Conditioning Pack" gekennzeichnet ist. Wie dies aus 3 hervorgeht, wird die Prozessluft in einem Kompressor C verdichtet und gelangt dann zur Abkühlung in einen Wärmetauscher HX (Hauptwärmetauscher) und schließlich in die Passagierkabine. Der Hauptwärmetauscher HX wird durch Stau- bzw. Umgebungsluft gekühlt. Dazu ist eine Strahlpumpe JP vorgesehen, die mit einem Primärmassenstrom betrieben wird, der unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit in eine Mischkammer eingeblasen wird. Dieser Primär massenstrom ist erforderlich, um den Kühlluftstrom (Sekundärmassenstrom) über den Hauptwärmetauscher HX und auch über den Elektromotor M der Kompressoreinheit C zu erzeugen, wie dies aus 3 hervorgeht.
Die Motorkühlluft wird stromaufwärts des Kompressors C abgezweigt und dann nach Passieren des Motors M der Strahlpumpe JP zugeführt. Wie dies aus 3 hervorgeht, ist die Motorkühlung somit systemintern, d. h. innerhalb der Klimaanlage bzw. des Klimapacks ausgeführt. Dies ist insofern nachteilig, als dass dies Einfluß auf die Dimensionierung der Komponenten der Klimaanlage hat. So muß die Strahlpumpe JP beispielsweise so groß dimensioniert sein, dass die aus 3 ersichtlichen Kühlluftmassenströme über den oder die Hauptwärmetauscher HX und den oder die Elektromotoren M gewährleistet werden können. Dies kann insbesondere dann von Nachteil sein, wenn für die Integration der Klimaanlage in das Flugzeug nur ein sehr knapp bemessener Einbaurum zur Verfügung steht.
Insbesondere werden die Grenzen der Integrierbarkeit des Klimapacks schnell überschritten, wenn bei gegebenen Primär- und Sekundärmassenströmen die Strahipumpe aus physikalischen Gründen eine vergleichsweise große Baulänge aufweisen muss, der Einbauraum die Verwendung dieser großen Baulänge jedoch nicht zuläßt.
Ein weiterer Nachteil des in 3 dargestellten Systems besteht darin, dass die Strahipumpe den Motorkühlluftstrom nur dann erzeugen kann, wenn das Klimapack angeschaltet ist und somit der erforderliche Primärluftmassenstrom vorhanden ist. Ist dies nicht der Fall, d. h. wird die Strahipumpe JP gemäß 3 nicht betrieben, kann auch keine Motorkühlung erfolgen.
Weitere Nachteile des in 3 dargestellten Systems können darin bestehen, dass je nach Ausführung des Klimapacks ein vergleichsweise komplexes Rohrleitungssystem erforderlich ist und dass der Abgriff der Motorkühlungsluft von der Prozessluft stromaufwärts des Kompressors zumindest bei bestimmten Betriebszu ständen des Klimapacks negative Auswirkungen auf die Performance des Kompressors haben kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flugzeug der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine hinreichende Motorkühlung auch bei sehr knapp bemessenem Einbauraum möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Flugzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist vorgesehen, dass sich von dem Ventilationssystem wenigstens eine Kühlluftleitung zu der Klimaanlage derart erstreckt, dass die durch die Kühlluftleitung geführte Motorkühlluft dem Motor oder zumindest einem Bereich, in dem sich der Motor befindet, zugeführt wird.
Erfindungsgemäß wird somit das Ventilationssystem des Einbauraums „angezapft", um den oder die elektrischen Motoren zum Antrieb des/der Kompressoren der Klimaanlage zu kühlen.
Zwar sind Ventilationssysteme für die aktive Luftzirkulation innerhalb des Einbauraums einer Klimaanlage aus dem Stand der Technik bekannt. Jedoch ist es nicht bekannt, eine Kühlluftleitung von dem Ventilationssystem zu dem Motor oder beispielsweise zu einer den Motor umgebenden Kavität zu führen, um den Motor zu kühlen. Aus dem Stand der Technik bekannte Ventilationssysteme bestehen aus einem Rohrsystem, aus welchem an thermisch belasteten Steilen innerhalb des Einbauraums der Klimaanlage Kühlluft diffus ausgeblasen wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Abfuhr der Motorkühlluft eine Auslassleitung vorgesehen ist, die sich von dem Motor oder von dem Bereich, in dem sich der Motor befindet, erstreckt, dass die Klimaanlage einen Wärmetauscher zur Kühlung der in dem Kompressor verdichteten Luft aufweist, dass ein Kühlluftsystem zur Kühlung des Wärmetauschers vorgesehen ist, und dass die genannte Auslassleitung von dem Kühlluftsystem des Wärmetauschers getrennt ist. In diesem Fall ist das System zur Motorkühlung vollständig getrennt von dem Kühlluftsystem des oder der Wärmetauscher. Auch ist es denkbar, dass die Auslassleitung mit der Auslassleitung des Kühlluftsystems zusammengeführt ist bzw. dass ein gemeinsamer Auslass vorliegt.
Die Motorkühlung ist erfindungsgemäß unabhängig davon realisierbar ist, ob die Klimaanlage in Betrieb ist bzw. unabhängig davon, ob das Kühlluftsystem des oder der Wärmetauscher in Betrieb ist. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise die Elektromotoren nachkühlen, um einen lokalen Wärmestau zu vermeiden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die packseitige Verrohrung zur Kühlung des oder der Elektromotoren nunmehr nicht an eine bestimmte Zapfstelle innerhalb des Klimapacks gebunden ist. Vielmehr lassen sich die Kühlluftleitungen nun sehr flexibel und packunabhängig im Einbauraum verlegen und sind interfaceseitig lediglich an die Kühlungskavitäten der Elektromotoren anzuschließen.
Da die Motorkühlluft erfindungsgemäß von dem Ventilationssystem abgezapft wird, entfällt eine Wechselwirkung zwischen dem Prozessluftmassenstrom und dem Motorkühlungsmassenstrom, da nun beide Systeme getrennt voneinander arbeiten. Dies bedeutet, dass der Kompressor stets unter optimalen Betriebsbedingungen betrieben werden kann. Ein stromaufwärtiges oder stromabwärtiges Abzweigen von Luft zum Zwecke der Motorkühlung ist vorzugsweise somit nicht vorgesehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kühlluftsystem des Wärmetauschers eine Strahlpumpe oder ein Gebläse aufweist, dass zur Abfuhr der Motorkühlluft eine Auslassleitung vorgesehen ist, die sich von dem Motor bzw. von dem Bereich, in dem sich der Motor befindet, erstreckt und dass die Auslassleitung nicht unmittelbar oder mittelbar in der Strahlpumpe/dem Gebläse mündet. Die Strahlpumpe/das Gebläse kann somit kleiner dimensioniert werden, da sie/es nunmehr nur noch den Kühlluftmassenstrom für den Wärmetauscher generieren muss.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Klimapack in einen sehr kleinen, vom Flugzeughersteller vorgegebenen Einbauraum zu integrieren ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die genannte Auslassleitung unmittelbar oder mittelbar in der Flugzeugaußenhaut mündet. Die erwärmte Motorkühlluft kann somit nach außen abgeführt werden und eine thermische Abstrahlung der Elektromotoren in den Einbauraum der Klimaanlage kann deutlich reduziert werden. Dabei kann die Auslassleitung unmittelbar in der Flugzeugaußenhaut münden oder beispielsweise mit einer Leitung in Verbindung stehen, die ihrerseits in der Flugzeugaußenhaut mündet.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die genannte Auslassleitung derart verläuft, dass die nunmehr erwärmte Motorkühlluft weiteren Komponenten oder Systemen zugeführt wird.
Das Ventilationssystem kann einlassseitig mit Umgebungsluft beaufschlagt werden. Es kann des Weiteren derart ausgeführt sein, dass die Abluft des Ventilationssystems der Umgebungsluft zugeführt wird.
Das Ventilationssystem kann ein Gebläse zur Luftförderung aufweisen, wobei das Gebläse derart angeordnet sein kann, dass es die Motorkühlluft zu dem Motor oder in den Bereich, in dem sich der Motor befindet, fördert oder aus von dort abzieht. Das Gebläse kann sich somit strömungsseitig stromaufwärts der Elektromotoren oder auch stromabwärts der Elektromotoren befinden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1, 2: schematische Darstellungen der Nutzung des Ventilationssytems zur Motorkühlung gemäß der vorliegenden Erfindung und
3: eine schematische Darstellung der Motorkühlung gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt mit dem Bezugszeichen 100 eine Klimaanlage (Air Conditioning Pack), die sich innerhalb eines Einbauraums 10 (Pack Bay) befindet. Wie dies aus 1 weiter hervorgeht, umfasst die Klimaanlage 100 einen Kompressor 110, der von einem elektrischen Motor M angetrieben wird. Das Bezugszeichen HX kennzeichnet einen Hauptwärmetauscher, der im Stauluftkanal eines Flugzeuges angeordnet ist und mit Umgebungs- bzw. Stauluft beaufschlagt wird.
Mit dem Bezugszeichen 20 ist ein Ventilationssystem gekennzeichnet, das zur Luftzirkulation innerhalb des Einbauraumes 10 dient. Wie dies aus 1 hervorgeht, fördert ein Gebläse 60 Luft, vorzugsweise Umgebungsluft in das Ventilationssystem 20, mittels dessen die Luft insbesondere an thermisch belasteten Stellen des Einbauraums 10 diffus ausgeblasen wird, wie dies durch die mehreren, nebeneinander angeordneten Pfeile in 1 angedeutet wird.
Erfindungsgemäß erstreckt sich von dem Ventilationssystem 20 eine Kühlluftleitung 30 zu dem Motor M bzw. zu einer den Motor umgebenden Kavität und dient zur Motorkühlung.
Das Bezugszeichen 32 kennzeichnet eine Auslassleitung, die sich vom Motor bzw. von der Kavität erstreckt und die die erwärmte Motorkühlluft abführt.
Das Bezugszeichen 40 kennzeichnet die RAM-Einlassleitung des Wärmetauschers HX, das Bezugszeichen 42 die RAM-Auslassleitung des Wärmetauschers HX und das Bezugszeichen 44 ein Gebläse oder eine Strahlpumpe zur Bewirkung des Luftstromes über den Wärmetauscher HX.
Während des Betriebes der Klimaanlage 100 gemäß 1 wird die Prozessluft (RAM Einlaß) in dem Kompressor 110 verdichtet und gelangt dann in den Hauptwärmetauscher HX und von dort zur Passagierkabine. Die Kühlung des Hauptwär metauschers HX erfolgt mit Stau- oder Umgebungsluft über die Leitung 40. Diese Luft wird mittels des Gebläses oder der Strahlpumpe 44 gefördert und gelangt über die Leitung 42 wieder an die Umgebung zurück.
Unabhängig von diesem Kühlluftsystem des Wärmetauschers HX gestaltet sich die Kühlung des Motors M des Kompressors 110. Solange das Ventilationssystem 20 in Betrieb ist, erfolgt die Kühlung des Motors M. Eine thermische Abstrahlung der Motorabwärme in den Einbauraum 10 kann verhindert werden.
Wie dies aus 2 hervorgeht, kann die Auslassleitung 32 in der Außenhaut 50 des Flugzeuges münden. Sie kann auch derart ausgeführt sein, dass die erwärmte Motorkühlluft anderen Systemkomponenten oder anderen Systemen zugeführt werden.
Wie dies weiter aus 2 hervorgeht, weist das Ventilationssystem 20 in der Flugzeugaußenhaut 50 einen Einlass zur Zufuhr der zu verteilenden Luft auf. Die Luftförderung wird mittels des Gebläses 60 bewerkstelligt, parallel zu dem ein Rückschlagventil angeordnet ist, wie dies aus 2 hervorgeht. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Luft nach Passieren des Einbauraumes 10 wieder an die Umgebung abgegeben.
Alternativ zu der in 2 dargestellten Ausführung eines stromaufwärts des oder der Motoren M angeordneten Gebläses 60 besteht ebenfalls die Möglichkeit, das Gebläse 60 stromabwärts der Motoren M anzuordnen, d. h. die Motorkühlluft durch die Motoren M bzw. die diese umgebenden Kavitäten zu saugen.
Wie dies aus einem Vergleich der 1 und 3 hervorgeht, besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ein Vorteil daran, dass keine Wechselwirkung zwischen dem Prozessluftmassenstrom und dem Motorkühlungsmassenstrom besteht, da beide System getrennt sind. Des Weiteren ist die Motorkühlung völlig unabhängig von einem Luftmassenstrom durch den Wärmetauscher. In anderen Wor ten bedeutet dies, dass eine Kühlung des Motors auch dann möglich ist, wenn das Klimapack nicht bzw. nicht mehr in Betrieb ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Falle einer Verwendung einer Strahlpumpe zum Bewirken einer Luftströmung über den Hauptwärmetauscher diese vergleichsweise klein ausgeführt werden kann, da sie im Gegensatz zu dem in 3 dargestellten System nur noch zur Erzeugung einer Luftströmung über den Hauptwärmetauscher, nicht jedoch über den Motor dient.

Claims

Flugzeug mit wenigstens einer in einem Einbauraum (10) angeordneten Klimaanlage (100), die wenigstens einen Kompressor (110) sowie wenigstens einen elektrischen Motor (M) zum Antrieb des Kompressors (110) aufweist, sowie mit einem Ventilationssystem (20) zur Luftzirkulation innerhalb des Einbauraums (10), dadurch gekennzeichnet, dass sich von dem Ventilationssystem (20) wenigstens eine Kühlluftleitung (30) zu der Klimaanlage (100) derart erstreckt, dass die durch die Kühlluftleitung (30) geführte Motorkühlluft dem Motor (M) oder einem Bereich, in dem sich der Motor (M) befindet, zugeführt wird.
Flugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abfuhr der Motorkühlluft eine Auslassleitung (32) vorgesehen ist, die sich von dem Motor (M) oder von dem Bereich, in dem sich der Motor (M) befindet, erstreckt, dass die Klimaanlage (100) einen Wärmetauscher (HX) zur Kühlung der in dem Kompressor (110) verdichteten Luft aufweist, dass ein Kühlluftsystem (40, 42, 44) zur Kühlung des Wärmetauschers (HX) vorgesehen ist und dass die Auslassleitung (32) von dem Kühlluftssystem (40, 42, 44) des Wärmetauschers (HX) getrennt ist oder alternativ mit dem Kühlluftsystem (40, 42, 44) einen gemeinsamen Auslass aufweist.
Flugzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlluftsystem (40, 42, 44) des Wärmetauschers (HX) eine Strahlpumpe oder Gebläse (44) aufweist, dass zur Abfuhr der Motorkühlluft eine Auslassleitung (32) vorgesehen ist, die sich von dem Motor (M) oder von dem Bereich, in dem sich der Motor (M) befindet, erstreckt und dass die Auslassleitung (32) nicht in der Strahlpumpe bzw. in dem Gebläse (44) mündet.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abfuhr der Motorkühlluft eine Auslassleitung (32) vorgesehen ist, die sich von dem Motor (M) oder von dem Bereich, in dem sich der Motor (M) befindet, erstreckt und die unmittelbar oder mittelbar in der Flugzeugaußenhaut (50) mündet.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abfuhr der Motorkühlluft eine Auslassleitung (32) vorgesehen ist, die sich von dem Motor (M) oder von dem Bereich, in dem sich der Motor (M) befindet, erstreckt und die derart verläuft, dass die erwärmte Motorkühlluft weiteren Komponenten oder Systemen zugeführt wird.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilationssystem (20) einlassseitig mit Umgebungsluft beaufschlagt wird.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventillationssystem (20) derart ausgeführt ist, dass die Abluft des Ventilationssystems (20) der Umgebungsluft zugeführt wird.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilationsystem (20) ein Gebläse, einen Turbofan oder eine Strahlpumpe (60) zur Luftförderung aufweist, wobei das Gebläse, der Turbofan oder die Strahlpumpe derart angeordnet ist, dass es die Motorkühlluft zu dem Motor (M) oder in den Bereich, in dem sich der Motor (M) befindet, fördert oder von dort abzieht.