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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Luftmassenstroms, der einen Stauluftkanal, insbesondere einen in eine Flugzeugklimaanlage integrierten Stauluftkanal durchströmt. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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In Verkehrsflugzeugen werden derzeit zur Klimatisierung der Flugzeugkabine üblicherweise sogenannte luftgestützte Klimaanlagen eingesetzt. Eine Flugzeugklimaanlage dient der Kühlung der Flugzeugkabine, die sonst durch Wärmelasten, wie z. B. Sonneneinstrahlung, Körperwärme der Passagiere und Abwärme von an Bord des Flugzeugs vorhandenen Geräten zu stark erwärmt würde. Darüber hinaus führt die Flugzeugklimaanlage ausreichend Frischluft in die Flugzeugkabine zu, um sicherzustellen, dass in der Flugzeugkabine ein vorgeschriebener Mindestanteil von Sauerstoff vorhanden ist.
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Luftgestützte Flugzeugklimaanlagen umfassen in der Regel ein Klimaaggregat, dem von den Triebwerken des Flugzeugs oder einem separaten Verdichter verdichtete Prozessluft zugeführt wird. Vor der Zufuhr in das Klimaaggregat wird die Prozessluft in einem Vorwärmetauscher durch Wärmeübertragung auf ebenfalls von den Triebwerken des Flugzeugs oder einem separaten Verdichter bereitgestellte Kühlluft vorgekühlt. Die Kühlleistung des Vorwärmetauschers wird durch eine entsprechende Steuerung des Kühlluftmassenstroms durch den Vorwärmetauscher gesteuert. In dem Klimaaggregat wird die Prozessluft beim Durchströmen einer Wärmetauschereinheit durch Wärmeübertragung auf einen Stauluftkanal durchströmende Umgebungsluft gekühlt. Der Umgebungsluftmassenstrom durch den Stauluftkanal und folglich die Kühlleistung der Wärmetauschereinheit des Klimaaggregats wird durch das Öffnen bzw. Schließen entsprechender Stauluftkanalklappen gesteuert.
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Der Aufbau eines beispielsweise in der
DE 10 2010 054.448 beschriebenen Klimaaggregats
100 ist
1 zu entnehmen. Das Klimaaggregat
100 umfasst eine Prozessluftzufuhrleitung
102, über die dem Klimaaggregat
100 von einer in Form eines Flugzeugtriebwerks oder eines separaten Verdichters ausgebildeten Prozessluftquelle
103 erzeugte heiße Prozessluft mit einem hohen Druck zugeführt wird. Zur Steuerung der Prozessluftströmung durch die Prozessluftzufuhrleitung
102 ist in der Prozessluftzufuhrleitung
102 ein Steuerventil
104 angeordnet. Die die Prozessluftzufuhrleitung
102 durchströmende Luft wird durch einen ersten Wärmetauscher
106 geleitet, dabei auf ca. 40°C bis 100°C gekühlt und anschließend einem Kompressor
108 zugeführt. In dem Kompressor
108 wird die Prozessluft verdichtet und dabei erwärmt. Um Beschädigungen des Kompressors
108 und/oder stromabwärts des Kompressors
108 angeordneter Komponenten des Klimaaggregats
100 zu vermeiden, muss die Erwärmung der Luft beim Durchströmen des Kompressors
108 auf Temperaturen von ca. 220°C und 260°C begrenzt werden. Die Abkühlung der dem Kompressor
108 zuzuführenden Prozessluft mittels des ersten Wärmetauschers
106 ermöglicht daher eine höhere Verdichtung der Prozessluft im Kompressor
108 und folglich die Realisierung einer höhere Kühlleistung des Klimaaggregats
100.
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Von dem Kompressor 108 wird die verdichtete Prozessluft über eine Leitung 110 einem zweiten Wärmetauscher 112 zugeführt, beim Durchströmen des zweiten Wärmetauschers 112 gekühlt und anschließend über eine Leitung 114 zu einer Turbine 124 geleitet. Falls gewünscht, kann die Prozessluft vor der Zufuhr in die Turbine 124 zur weiteren Abkühlung noch durch mindestens einen stromaufwärts der Turbine 124 angeordneten weiteren Wärmetauscher geleitet werden. In der Turbine 124 wird die Luft entspannt und dabei erneut abgekühlt. Der Kompressor 108 ist mit der Turbine 124 auf einer gemeinsamen Welle 125 angeordnet und wird durch die Turbine 124 angetrieben.
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Der erste und der zweite Wärmetauscher 106, 112 sind jeweils in einem Stauluftkanal 128 angeordnet, der im Flugbetrieb des Flugzeugs von kalter Umgebungsluft durchströmt wird. Im Bodenbetrieb des Flugzeugs dient dagegen eine in Form eines Gebläses ausgebildete Fördereinrichtung 130 dazu, Umgebungsluft zur Kühlung des ersten und des zweiten Wärmetauschers 106, 112 durch den Stauluftkanal 128 zu fördern. Im Flugbetrieb des Flugzeugs dreht sich die Fördereinrichtung 130 kontinuierlich mit, wenn im Flugbetrieb des Flugzeugs die Turbine 124 den Kompressor 108 antreibt und dadurch auch die mit der Kompressor/Turbinen-Anordnung auf der gemeinsamen Well 125 angeordnete Fördereinrichtung 130 in Rotation versetzt, die Fördereinrichtung 130 fördert dann jedoch keinen Umgebungsluftmassenstrom durch den Stauluftkanal 128.
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Sowohl im Flugbetrieb als auch im Bodenbetrieb des Flugzeugs wird die Umgebungsluftströmung durch den Stauluftkanal 128 durch entsprechende Positionierung von in einem Einlassbereich sowie einem Auslassbereich des Stauluftkanals 128 angeordneten Klappen 136, 138 gesteuert. Die Fördereinrichtung 130 ist mit dem Kompressor 108 und der Turbine 124 auf der gemeinsamen Welle 125 angeordnet, so dass durch die Turbine 124 nicht nur der Kompressor 108, sondern auch die Fördereinrichtung 130 angetrieben wird. Ein Drehzahlmesser 140 dient der Erfassung der Drehzahl der Welle 125. Eine die Turbine 124, den Kompressor 108 und die Fördereinrichtung 130 umfassende Baugruppe wird üblicherweise als Air Cycle Machine (ACM) bezeichnet, wobei die ACM, je nach Bedarf, auch mehrere Turbinen, mehrere Kompressoren und/oder mehrere Fördereinrichtungen umfassen kann.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik ein in 2 gezeigtes Klimaaggregat 100 bekannt, bei dem die in Form eines Gebläses ausgebildete Fördereinrichtung 130 von der Welle 125 der Kompressor/Turbinen-Anordnung entkoppelt, das heißt nicht gemeinsam mit dem Kompressor 108 und der Turbine 124 auf der Welle 125 angeordnet ist. Bei dem in 2 veranschaulichten Klimaaggregat 100 umfasst die ACM somit lediglich die Kompressor/Turbinen-Anordnung, nicht aber die Fördereinrichtung 130, die über eine Welle 142 von einem beispielsweise in Form eines Elektromotors ausgebildeten separaten Motor 144 angetrieben wird. Der Drehzahlmesser 140 ermittelt dann die Drehzahl der die Fördereinrichtung 130 antreibenden Welle 142.
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Im Betrieb der aus dem Stand der Technik bekannte Klimaaggregate können Betriebssituationen auftreten, in denen ein Ist-Massenstrom der den Stauluftkanal durchströmenden, zu Kühlung der in dem Stauluftkanal angeordneten Wärmetauscher dienenden Umgebungsluft von einem Soll-Wert abweicht, das heißt zu hoch oder zu gering ist. Ursache für eine derartige Soll-Wertabweichung des Ist-Massenstroms der den Stauluftkanal durchströmenden Umgebungsluft können beispielsweise durch Beschädigungen des Stauluftkanals, durch Spalte zwischen einzelnen Stauluftkanalkomponenten oder durch spezielle zur Verhinderung von Überdrücken oder zu hohen Luftmassenströmen in dem Stauluftkanal eingesetzte Stauluftkanalklappen verursachte Leckagen in dem Stauluftkanal sein. Ferner kann eine Soll-Wertabweichung des Ist-Massenstroms der den Stauluftkanal durchströmenden Umgebungsluft durch mechanische oder elektrische Fehler im Betrieb der Stauluftkanalklappen oder durch Versperrungen innerhalb des Stauluftkanals verursacht werden.
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Eine Soll-Wertabweichung des Ist-Massenstroms der den Stauluftkanal durchströmenden Umgebungsluft kann in bekannten Klimaaggregaten durch Druckmessungen mittels entsprechender in dem Stauluftkanal angeordneter Drucksensoren oder indirekt mittels nicht unmittelbar in dem Stauluftkanal angeordneter Sensoren erfasst und durch eine entsprechende, beispielsweise in die Steuerungssoftware der Flugzeugklimaanlage integrierte Software-Logik ausgewertet werden. Diese Verfahren sind jedoch nicht nur vergleichsweise aufwendig, sondern unter Umständen auch ungenau, so dass mit einer Soll-Wertabweichung des Ist-Massenstroms der den Stauluftkanal durchströmenden Umgebungsluft verbundene Probleme gar nicht oder nur durch entsprechende Wartungsaktivitäten erkannt werden können. Eine routinemäßige Überprüfung des einen Stauluftkanal einen Flugzeugs durchströmenden Umgebungsluftmassenstroms im Rahmen regelmäßiger Wartungsintervalle ist jedoch aus Kostengründen nicht erwünscht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach durchführbares Verfahren zur Bestimmung eines einen insbesondere in eine Flugzeugklimaanlage integrierten Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstroms bereitzustellen. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bestimmung eines einen Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstroms. Bei dem Stauluftkanal kann es sich um einen in eine Flugzeugklimaanlage integrierten Stauluftkanal, aber auch um einen beliebigen anderen an Bord eines Flugzeugs vorgesehenen Stauluftkanal handeln. In dem Stauluftkanal ist eine Fördereinrichtung angeordnet, die beispielsweise in Form eines Gebläses ausgebildet sein kann. In einem ersten Betriebszustand des Stauluftkanals dient die Fördereinrichtung dazu, Luft durch den Stauluftkanal zu fördern. In einem zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals wird die Fördereinrichtung dagegen durch einen den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstrom in Rotation versetzt. Im Bodenbetrieb eines mit dem Stauluftkanal ausgestatteten Flugzeugs befindet sich der Stauluftkanal vorzugsweise in seinem ersten Betriebszustand, in dem die Fördereinrichtung dazu eingesetzt wird, Luft durch den Stauluftkanal zu fördern. Im Flugbetrieb eines mit dem Stauluftkanal ausgestatteten Flugzeugs befindet sich der Stauluftkanal dagegen vorzugsweise in seinem zweiten Betriebszustand, in dem die in dem Stauluftkanal angeordnete Fördereinrichtung durch die im Flugbetrieb des Flugzeugs in den Stauluftkanal gedrückte Umgebungsluft in Rotation versetzt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung erfasst, die im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals, d. h. dann, wenn die Fördereinrichtung durch einen den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstrom in Rotation versetzt wird, für den den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstrom charakteristisch ist. Zur Erfassung der Ist-Betriebkenngröße der Fördereinrichtung kann beispielsweise ein geeigneter Sensor oder dergleichen eingesetzt werden. Die Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung kann kontinuierlich erfasst werden, unabhängig davon, ob sich der Stauluftkanal in seinem ersten oder seinem zweiten Betriebszustand befindet. Wenn die Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals erfasst wird, wird zur Bestimmung des den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstroms vorzugsweise lediglich die im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals erfasste Ist-Betriebskenngröße zur Bestimmung des den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstroms genutzt.
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Eine Korrelation zwischen der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung und dem den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstrom kann in einem Speicher einer Rechnereinheit in Form entsprechender Gleichungen oder Look-up-Tabellen hinterlegt sein und die Fördereinrichtung sowie den Stauluftkanal betreffende Parameter berücksichtigen. Beispielsweise kann eine den Zusammenhang zwischen der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung und dem den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstrom beschreibende Gleichung oder Look-up-Tabelle Parameter enthalten, die Dimensionen und/oder spezifische Betriebskenngrößen der Fördereinrichtung und/oder des Stauluftkanals betreffen. Der Speicher und/oder die Rechnereinheit kann/können als separate Einrichtung(en) ausgeführt oder in die Steuerung eines übergeordneten Systems, beispielsweise eine Flugzeugklimaanlagensteuerung integriert sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Erkenntnis genutzt, dass eine Ist-Betriebskenngröße einer in einem Stauluftkanal angeordneten Fördereinrichtung im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals Rückschlüsse auf den den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmenden Luftmassenstrom erlaubt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher nicht erforderlich, den Stauluftkanal mit zusätzlichen Komponenten, wie z. B. zusätzlichen Sensoren oder elektronischen Komponenten zur Verarbeitung der Sensorsignale auszustatten. Vielmehr nutzt das erfindungsgemäße Verfahren bestehende Komponenten des Stauluftkanals zur zuverlässigen und genauen Bestimmung des den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmenden Luftmassenstroms.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines einen Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmenden Luftmassenstroms ist besonders gut zur Anwendung in einem Stauluftkanal geeignet, bei dem die in dem Stauluftkanal angeordnete Fördereinrichtung, wie in 2 gezeigt, nicht mit einer Kompressor/Turbinen-Anordnung auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist, sondern von einem separaten Motor angetrieben wird.
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Grundsätzlich ist es denkbar, verschiedene Ist-Betriebskenngrößen der Fördereinrichtung, beispielsweise einen im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals auf die Fördereinrichtung wirkenden Luftdruck oder dergleichen mit dem den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmenden Luftmassenstrom zu korrelieren und somit als Maß für den den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmenden Luftmassenstrom zu nutzen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines einen Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstroms wird als Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung jedoch eine Drehzahl der Fördereinrichtung erfasst. Zur Erfassung der Drehzahl der Fördereinrichtung kann beispielsweise ein Drehzahlsensor verwendet werden, der die Drehzahl einer mit der Fördereinrichtung verbundenen Welle erfasst.
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Während die Drehzahl der Fördereinrichtung im ersten Betriebszustand des Stauluftkanals durch den die Fördereinrichtung antreibenden Motor bzw. die die Fördereinrichtung antreibende Kompressor/Turbinen-Anordnung bestimmt wird, hängt die Drehzahl der Fördereinrichtung im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals unmittelbar von dem den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmenden Luftmassenstrom ab. Daher kann die Drehzahl der Fördereinrichtung im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals unmittelbar mit dem den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstrom korreliert, d. h. als Maß für den den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmenden Luftmassenstrom herangezogen werden. Folglich kann ein zur Steuerung der Fördereinrichtung im ersten Betriebszustand des Stauluftkanals eingesetzter Drehzahlsensor im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals zur Bestimmung des den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstroms genutzt werden. Auf die Ausstattung des Stauluftkanals mit zusätzlichen Komponenten kann daher in vorteilhafter Weise verzichtet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erfasste Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit einer Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung verglichen. Anhand des Vergleichs der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung wird dann ermittelt, ob der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmende Luftmassenstrom einem gewünschten Soll-Luftmassenstrom entspricht. Beispielsweise kann die mittels eines geeigneten Drehzahlsensors im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals erfasste Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung mit einer Soll-Drehzahl der Fördereinrichtung im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals verglichen werden. Die Sollwerte der Betriebskenngröße der Fördereinrichtung können in einem Speicher einer Rechnereinheit in Form entsprechender Gleichungen oder Look-up-Tabellen hinterlegt sein, wobei der Speicher und/oder die Rechnereinheit als separate Einrichtung(en) ausgeführt oder in die Steuerung eines übergeordneten Systems, beispielsweise eine Flugzeugklimaanlagensteuerung integriert sein kann/können.
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Wenn die erfasste Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung die Soll-Drehzahl der Fördereinrichtung überschreitet, bedeutet dies, dass der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmende Luftmassenstrom höher ist als ein gewünschter Soll-Luftmassenstrom. Umgekehrt kann eine im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals erfasste Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung, die unterhalb einer Soll-Drehzahl der Fördereinrichtung liegt, als Indiz dafür gewertet werden, dass der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanal durchströmende Luftmassenstrom geringer ist als ein gewünschter Soll-Luftmassenstrom. Durch einen derartigen Ist-Soll-Wertvergleich können somit auf einfache und zuverlässige Weise Rückschlüsse auf den Betriebszustand des Stauluftkanals gezogen werden.
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Beispielsweise kann ein unterhalb eines gewünschten Soll-Luftmassenstroms liegender den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmender Ist-Luftmassenstrom als Indiz dafür gewertet werden, dass eine Leckage oder eine Versperrung in dem Stauluftkanal den Betrieb des Stauluftkanals stört. Ein Ist-Luftmassenstrom, der über einem gewünschten Soll-Luftmassenstrom liegt, deutet dagegen auf Fehler im Betrieb einer Stauluftkanaleinlassklappe, einer Stauluftkanalauslassklappe und/oder einer in eine Stauluftkanalwand integrierten Überdruckklappe hin. Der Soll-Ist-Wertvergleich ermöglicht folglich eine einfache Erkennung von Fehlern, die sonst nur durch aufwendige Messungen bzw. aufwendige Wartungsaktivitäten erfasst werden könnten.
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Die Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung wird vorzugsweise in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters eines mit dem Stauluftkanal ausgestatteten Flugzeugs ermittelt. Mit anderen Worten, bei der Ermittlung der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung wird berücksichtigt, dass die Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung vom Betriebszustand eines mit dem Stauluftkanal ausgestatteten Flugzeugs abhängt. Die Sollwerte der Betriebskenngröße der Fördereinrichtung können von einer Rechnereinheit jeweils in Abhängigkeit der der Rechnereinheit von entsprechenden Sensoren oder Steuerungssystemen übermittelten Betriebsparametern des mit dem Stauluftkanal ausgestatteten Flugzeugs neu berechnet oder einer gespeicherten Look-up-Tabelle entnommen werden.
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Beispielsweise kann/können als Betriebsparameter des mit dem Stauluftkanal ausgestatteten Flugzeugs die Flughöhe und/oder die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs herangezogen werden. Der oben beschriebene Soll-Ist-Wertvergleich der Betriebskenngröße der Fördereinrichtung kann dann im Flugbetrieb eines mit dem Stauluftkanal ausgestatteten Flugzeugs unabhängig von der Flughöhe und/oder der Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs dazu genutzt werden, um zu ermitteln, ob der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals, d. h. im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Luftmassenstrom einem gewünschten Soll-Luftmassenstrom entspricht.
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Das Ergebnis des Vergleichs der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung kann zur Erkennung eines Fehlbetriebs des Stauluftkanals genutzt werden. Insbesondere ist es möglich, das Ergebnis des Vergleichs der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung dazu zu nutzen, zur Erkennung eines Fehlbetriebs mindestens einer die Durchströmung des Stauluftkanals mit Umgebungsluft steuernden Klappe zu nutzen. Die die Durchströmung des Stauluftkanals mit Umgebungsluft steuernde Klappe kann eine Stauluftkanaleinlassklappe, eine Stauluftkanalauslassklappe und/oder eine in eine Stauluftkanalwand integrierte Überdruckklappe sein.
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Ferner können das Ergebnis des Vergleichs der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung und die sich daraus ergebenden Erkenntnisse bezüglich des den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmenden Luftmassenstroms zur Steuerung des Betriebs des Stauluftkanals genutzt werden. Insbesondere kann das Ergebnis des Vergleichs der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung dazu genutzt werden, den Betrieb mindestens einer die Durchströmung des Stauluftkanals mit Umgebungsluft steuernden Klappen zu steuern. Mit anderen Worten, falls gewünscht, kann der der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmende Luftmassenstrom in Abhängigkeit des Soll-Ist-Wertvergleich der Betriebskenngröße der Fördereinrichtung gesteuert werden.
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Beispielsweise kann der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmende Luftmassenstrom durch entsprechende Steuerung der Stauluftkanalklappen, d. h. der Stauluftkanaleinlassklappe, der Stauluftkanalauslassklappe und/oder einer in eine Stauluftkanalwand integrierten Überdruckklappe, reduziert werden, wenn der Soll-Ist-Wertvergleich der Betriebskenngröße der Fördereinrichtung anzeigt, dass der der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmende Luftmassenstrom größer ist als gewünscht. In ähnlicher Weise kann der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmende Luftmassenstrom durch entsprechende Steuerung der Stauluftkanalklappen erhöht werden, wenn der Soll-Ist-Wertvergleich der Betriebskenngröße der Fördereinrichtung anzeigt, dass der der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmende Luftmassenstrom geringer ist als gewünscht.
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Ferner ist die Ausgabe eines Warnsignals und/oder eine automatische Unterbrechung des Betriebs des Stauluftkanals denkbar, wenn eine Abweichung zwischen dem Ist- und dem Soll-Wert der Betriebskenngröße der Fördereinrichtung und folglich eine Abweichung zwischen dem Ist- und dem Soll-Wert des den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmenden Luftmassenstroms einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Die Verarbeitung der Ergebnisse des Soll-Ist-Wertvergleich der Betriebskenngröße der Fördereinrichtung kann in einer separaten Rechnereinheit erfolgen, die mit entsprechenden übergeordneten Steuerungssystemen in Verbindung steht. Alternativ dazu kann der Soll-Ist-Wertvergleich der Betriebskenngröße der Fördereinrichtung und die Verarbeitung der Ergebnisse desselben jedoch in einem übergeordneten Steuerungssystem, beispielsweise einer Flugzeugklimaanlagensteuerung erfolgen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Bestimmung eines einen Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstroms. In dem Stauluftkanal ist eine Fördereinrichtung angeordnet, die dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand des Stauluftkanals Luft durch den Stauluftkanal zu fördern und die ferner dazu eingerichtet ist, in einem zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durch eine einen den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstrom in Rotation versetzt zu werden. Die Vorrichtung umfasst eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung, die im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals für den den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstrom charakteristisch ist. Ferner ist eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen des den Stauluftkanal durchströmenden Luftmassenstroms anhand der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung vorhanden.
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Die Erfassungseinrichtung, die beispielsweise in Form eines geeigneten Sensors ausgebildet sein kann, ist vorzugsweise dazu eingerichtet, als Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung eine Drehzahl der Fördereinrichtung zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise auf einer mit der Fördereinrichtung verbundenen Welle angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise ferner eine Ermittlungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die erfasste Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit einer Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung zu vergleichen und anhand des Vergleichs der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung zu ermitteln, ob der den Stauluftkanal im zweiten Betriebszustand des Stauluftkanals durchströmende Luftmassenstrom einem gewünschten Soll-Luftmassenstrom entspricht.
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Die Ermittlungseinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters eines mit dem Stauluftkanal ausgestatteten Flugzeugs zu ermitteln.
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Die Ermittlungseinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, als Betriebsparameter des mit dem Stauluftkanal ausgestatteten Flugzeugs die Flughöhe und/oder die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs heranzuziehen.
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Die Ermittlungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, das Ergebnis des Vergleichs der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung zur Erkennung eines Fehlbetriebs des Stauluftkanals, insbesondere eines Fehlbetriebs mindestens einer die Durchströmung des Stauluftkanals mit Umgebungsluft steuernden Klappe zu nutzen.
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Ferner kann die Ermittlungseinrichtung dazu eingerichtet sein, das Ergebnis des Vergleichs der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung mit der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung zur Steuerung des Betriebs des Stauluftkanals, insbesondere des Betriebs mindestens einer die Durchströmung des Stauluftkanals mit Umgebungsluft steuernden Klappe zu nutzen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines aus dem Stand der Technik bekannten Klimaaggregats mit einem Stauluftkanal zeigt,
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines aus dem Stand der Technik bekannten Klimaaggregats mit einem Stauluftkanal zeigt,
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3 eine Detaildarstellung des Klimaaggregats gemäß 2 zeigt, und
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4 eine Detaildarstellung einer Modifikation des Klimaaggregats gemäß 2 zeigt.
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Wie vorstehend erwähnt, dient eine Fördereinrichtung 130, die in einem Stauluftkanal 128 eines in eine Flugzeugklimaanlage integrierten Klimaaggregats 100 angeordnet ist, dazu, im Bodenbetrieb eines mit dem Stauluftkanal 128 ausgestatteten Flugzeugs Umgebungsluft in und durch den Stauluftkanal 128 zu fördern. Im Flugbetrieb des Flugzeugs wird dagegen Umgebungsluft in den Stauluftkanal 128 gedrückt,. Wenn die Fördereinrichtung, wie in 2 gezeigt, mechanisch von der Kompressor/Turbinen-Anordnung entkoppelt, d. h. nicht mit der Kompressor/Turbinen-Anordnung auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist, wird die Fördereinrichtung 130 durch die den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Umgebungsluft in Rotation versetzt wird, ohne selbst Luft durch den Stauluftkanal 128 zu fördern. Die Drehzahl der Fördereinrichtung 130 ist dabei umso höher, je höher der den Stauluftkanal 128 durchströmende Luftmassenstrom ist. Folglich kann die Drehzahl der Fördereinrichtung 130 im Flugbetrieb des Flugzeugs als Maß für den den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmenden Luftmassenstrom genutzt werden.
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Bei den in den 3 und 4 detailliert veranschaulichten Anordnungen ist die Fördereinrichtung 130 jeweils über eine Welle 142 mit einem die Fördereinrichtung 130 antreibenden Motor 144 verbunden. Ein auf der Welle 142 angeordneter Drehzahlsensor 140 ermittelt die Drehzahl der Welle 142 und folglich der Fördereinrichtung 130. Im Bodenbetrieb des Flugzeugs kann die von dem Drehzahlsensor 140 ermittelt die Drehzahl der Welle 142 zur Steuerung des die Welle 142 und damit die Fördereinrichtung 130 antreibenden Motors 144 genutzt werden. Im Flugbetrieb des Flugzeugs stellt die Drehzahl der Fördereinrichtung 130 und damit der Welle 142 dagegen ein Maß für den den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmenden Luftmassenstrom dar.
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Der Drehzahlsensor 140 stellt in den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen somit eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer Ist-Betriebskenngröße (Drehzahl) der Fördereinrichtung 130 dar. Eine Korrelation zwischen der Drehzahl der Fördereinrichtung 130 und dem den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmenden Luftmassenstrom ist in einem Speicher einer Rechnereinheit 146 hinterlegt, der die von dem Drehzahlsensor 140 ausgegebenen Signale zugeleitet werden. Anhand der ihr von dem Drehzahlsensor 140 übermittelten Signale kann die Rechnereinheit 146 somit jedem gemessenen Drehzahlwert einen Luftmassenstromwert zuordnen. Die Rechnereinheit 146 bildet somit eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen des den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmenden Luftmassenstroms anhand einer erfassten Ist-Betriebskenngröße (Drehzahl) der Fördereinrichtung 130.
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In dem Speicher der Rechnereinheit 146 sind vorzugsweise ferner Soll-Werte für die Drehzahl der Fördereinrichtung 130 in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter eines mit dem Stauluftkanal 128 ausgestatteten Flugzeugs hinterlegt. Als bei der Bestimmung der Soll-Werte für die Drehzahl der Fördereinrichtung 130 relevante Betriebsparameter eines mit dem Stauluftkanal 128 ausgestatteten Flugzeugs werden insbesondere die Flughöhe und/oder die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs herangezogen. Der Rechnereinheit 146 werden daher für die Flughöhe und/oder die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs charakteristische Signale übermittelt, die die Rechnereinheit 146 dann bei der Bestimmung der Soll-Werte für die Drehzahl der Fördereinrichtung 130 berücksichtigt.
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Für jeden von dem Drehzahlsensor 140 erfassten Ist-Drehzahlwert führt die Rechnereinheit 146 einen Soll-Ist-Wertvergleich durch, das heißt die Rechnereinheit 146 vergleicht jeden gemessen Ist-Drehzahlwert mit einem für die aktuelle Flughöhe und/oder die aktuelle Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs ermittelten Soll-Drehzahlwert. Anhand des Vergleichs der erfassten Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung 130 mit der Soll-Drehzahl der Fördereinrichtung 130 ermittelt die Rechnereinheit 146 dann, ob der den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Luftmassenstrom einem gewünschten Soll-Luftmassenstrom entspricht. Die Rechnereinheit 146 bildet somit auch eine Ermittlungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine erfasste Ist-Betriebskenngröße (Drehzahl) der Fördereinrichtung 130 mit einer Soll-Betriebskenngröße (Drehzahl) der Fördereinrichtung 130 zu vergleichen und anhand des Vergleichs der erfassten Ist-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung 130 mit der Soll-Betriebskenngröße der Fördereinrichtung 130 zu ermitteln, ob der den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Luftmassenstrom einem gewünschten Soll-Luftmassenstrom entspricht.
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Wenn die erfasste Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung 130 die Soll-Drehzahl der Fördereinrichtung 130 überschreitet, bedeutet dies, dass der den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Luftmassenstrom höher ist als ein gewünschter Soll-Luftmassenstrom. Umgekehrt kann eine im Flugbetrieb des Flugzeugs erfasste Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung 130, die unterhalb einer Soll-Drehzahl der Fördereinrichtung 130 liegt, als Indiz dafür gewertet werden, dass der den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Luftmassenstrom geringer ist als ein gewünschter Soll-Luftmassenstrom.
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Das Ergebnis des Soll-Ist-Wertvergleich der Drehzahl der Fördereinrichtung 130 und die sich daraus ergebenden Erkenntnisse bezüglich des den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmenden Luftmassenstroms werden zur Steuerung des Betriebs des Stauluftkanals 128 genutzt. Hierzu übermittelt die Rechnereinheit 146 entsprechende Signale an eine in den Figuren nicht veranschaulichte Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs des Stauluftkanals 128. Die Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs des Stauluftkanals 128 kann als separate Steuereinheit ausgebildet oder in ein übergeordnetes Steuerungssystem, beispielsweise eine Flugzeugklimaanlagensteuerung integriert sein.
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Der den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Luftmassenstrom kann beispielsweise durch entsprechende Steuerung der Stauluftkanalklappen 136, 138, 148, d. h. der Stauluftkanaleinlassklappe 136, der Stauluftkanalauslassklappe 138 und/oder einer in eine Stauluftkanalwand integrierten Überdruckklappe 148, reduziert werden, wenn der Soll-Ist-Wertvergleich der Drehzahl der Fördereinrichtung 130 anzeigt, dass der der den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Luftmassenstrom größer ist als gewünscht. In ähnlicher Weise kann der den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Luftmassenstrom durch entsprechende Steuerung der Stauluftkanalklappen 136, 138, 148 erhöht werden, wenn der Soll-Ist-Wertvergleich der Drehzahl der Fördereinrichtung 130 anzeigt, dass der den Stauluftkanal 128 im Flugbetrieb des Flugzeugs durchströmende Luftmassenstrom geringer ist als gewünscht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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