DE102012015535A1

DE102012015535A1 - Flugzeug mit einem ein Klimaaggregat aufweisenden Klimatisierungssystem und Verfahren zum Abführen von Luft aus einem Überlauf eines Klimaaggregats

Info

Publication number: DE102012015535A1
Application number: DE201210015535
Authority: DE
Inventors: Paul Chen; Markus König
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2014-02-06

Abstract

Ein Flugzeug mit einem Flugzeugrumpf und einem Klimatisierungssystem mit mindestens einem Klimaaggregat (2) wird vorgeschlagen. Das Klimaaggregat (2) basiert auf einem Luftkreislaufprinzip und weist einen Wasserabscheider (16) auf, der einen Überlauf (42) besitzt. Der Überlauf (42) ist mit einer Luftabfuhrleitung (44) gekoppelt, die sich in einen druckbeaufschlagten Bereich (24) des Flugzeugs erstreckt, wobei das Klimaaggregat (2) in einem nicht-druckbeaufschlagten Bereich (46) des Flugzeugs angeordnet ist. Damit kann der Zapfluftbedarf des Flugzeugs reduziert werden, denn die üblicherweise aus dem Überlauf (42) austretende Luft wird direkt in einen Bereich des Flugzeugrumpfs geleitet, der mit druckbeaufschlagter Luft zu versorgen ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Flugzeug mit einem Klimatisierungssystem und ein Verfahren zum Abführen von Luft aus einem Überlauf eines Klimaaggregats eines Klimatisierungssystems eines Flugzeugs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Belüftung und Klimatisierung von Flugzeugkabinen erfolgt üblicherweise durch geregeltes Einleiten von aufbereiteter Luft und Abführen von verbrauchter Luft. Die eingesetzte Luft ist oftmals Zapfluft, die einer oder mehreren Verdichterstufen eines oder mehrerer Triebwerke des Flugzeugs entnommen wird. Da diese nicht mehr für den eigentlichen Verbrennungsprozess in dem jeweiligen Triebwerk zur Verfügung steht, muss unter Aufwand von zusätzlichem Treibstoff entsprechend mehr Luft verdichtet werden. Dies führt zu der Konsequenz, dass zum Einsparen von Treibstoff für den Betrieb eines Flugzeugs auch die Menge an entnommener Zapfluft möglichst zu minimieren ist.
DE 10 2004 039 667 A1 zeigt ein Klimatisierungssystem für ein Flugzeug, das Klimaaggregate zum Aufbereiten von Luft aufweist, die nach einem Luftkreislaufprinzip arbeiten. Derartige Klimaaggregate weisen neben den eigentlichen Kernkomponenten einen Wasserabscheider auf, der abgeschiedenes Wasser zu Einspritzdüsen leitet, die Wasser in einen Stauluftkanal einsprühen. Damit wird die Fluiddichte in dem Stauluftkanal erhöht und folglich wird eine Wärmeübertragung von in dem Stauluftkanal angeordneten Wärmeüberträgern an das durchströmende Fluid verbessert. Der Wasserabscheider weist einen in die Flugzeugumgebung ragenden Überlauf auf, so dass im Falle verstopfter Einspritzdüsen eine übermäßige Ansammlung von Wasser und eine damit verbundene Blockierung des Wasserabscheiders vermieden werden können. Im Falle nicht blockierter Einspritzdüsen tritt aus dem Überlauf stetig Luft aus und gelangt in die Umgebung des Flugzeugs.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Flugzeug mit einem ein Klimaaggregat aufweisenden Klimatisierungssystem vorzuschlagen, bei dem das Ausströmen von Luft aus dem Überlauf des Klimaaggregats minimiert wird, um den Zapfluftbedarf und damit den Kraftstoffverbrauch des Flugzeugs zu minimieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Flugzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Flugzeug mit einem Flugzeugrumpf und einem Klimatisierungssystem mit mindestens einem Klimaaggregat vorgeschlagen, das auf einem Luftkreislaufprinzip basiert und einen Wasserabscheider aufweist, der einen Überlauf besitzt. Der Überlauf ist mit einer Luftabfuhrleitung gekoppelt, die sich in einen druckbeaufschlagten Bereich des Flugzeugs erstreckt, wobei das Klimaaggregat in einem nicht-druckbeaufschlagten Bereich des Flugzeugs angeordnet ist.
Während der Überlauf im Stand der Technik üblicherweise Luft oder akkumuliertes Wasser außerhalb der Flugzeugstruktur leitet, wird im Sinne der Erfindung sämtliche abgeführte Luft in einen druckbeaufschlagten Teil des Flugzeugrumpfs geleitet, wo generell aufbereitete Luft einzuleiten ist. Die aus dem Überlauf tretende Luft geht daher in einer Gesamtbilanz der Druckerzeugung in der Flugzeugkabine nicht verloren, so dass der Zapfluftverbrauch insgesamt reduziert wird.
Durch den Überlauf wird bei blockierten Einspritzdüsen neben Luft auch Wasser austreten, wobei die Wahrscheinlichkeit für dieses Ereignis relativ gering ist und typisch weniger als 5 × 10^–6 pro Flugstunde beträgt. Sollte es dennoch zu einem solchen Ereignis kommen, würde das abgeführte Wasser in den druckbeaufschlagten Bereich des Flugzeugrumpfs gelangen, um von dort der Schwerkraft folgend in einen Bilge-Bereich abzulaufen, wo es abgeführt wird. Einrichtungen zum Abführen von Kondensat aus einer Bilge sind in Verkehrsflugzeugen üblicherweise bereits vorhanden, so dass das eventuell aus dem Überlauf des Flugzeugrumpfs austretende Wasser stets auch abgeführt wird.
Ein nicht-druckbeaufschlagter Bereich kann von einem druckbeaufschlagten Bereich eines Flugzeugrumpfs mit Hilfe eines dazwischen liegenden Druckschotts separiert sein, welches eine ausreichende Festigkeit für die im Flug auftretende durch die Druckdifferenz hervorgerufene Druckkraft aufweist. Für die Erfindung ist etwa ein Druckschott im Bereich eines Flügel-Rumpf-Übergangs relevant, da dort üblicherweise ein Klimaaggregat angeordnet wird. Sollte das Klimaaggregat in einem Bereich der Heckspitze angeordnet sein, kann ein in Flugrichtung davor liegendes Druckschott von Interesse sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich das Klimaaggregat in einem Bereich nahe eines Flügelkastens bzw. eines Flügel-Rumpf-Übergangs unterhalb einer Passagierkabine. Die Abfuhrleitung kann sich hierbei insbesondere horizontal durch ein Druckschott in einen druckbeaufschlagten Bereich unterhalb der Kabine des Flugzeugs hinein erstrecken, so dass zwar die Gesamtbilanz für die Druckbeaufschlagung der Kabine verbessert wird, dennoch ein Wassereintritt in eine Passagierkabine zuverlässig verhindert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform befindet sich ein Druckschott in Flugrichtung vor dem Klimaaggregat unterhalb der Passagierkabine, so dass sich die Abfuhrleitung in Flugrichtung von dem Überlauf aus nach vorne erstreckt. Der durch die Abfuhrleitung zurückzulegende Weg ist damit recht kurz, so dass das Gewicht der Abfuhrleitung folglich relativ gering ist und den durch die Verbesserung der Luftbilanz erreichten Vorteil in Form der ermöglichten Kraftstoffeinsparung nicht wieder aufhebt.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Klimaaggregat in einem Heckbereich des Flugzeugrumpfs angeordnet, wobei sich die Abfuhrleitung in Flugrichtung von dem Überlauf aus nach vorne erstreckt.
Das jeweilige Druckschott kann eine dafür vorgesehene Öffnung mit einer Randverstärkung oder einen Flansch aufweisen, um die strukturelle Integrität des Druckschotts nicht zu gefährden und eine zuverlässige Separation des druckbeaufschlagten Bereichs von dem nicht druckbeaufschlagten Bereich gewährleisten zu können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Abfuhrleitung aus einem flexiblen Kunststoffmaterial, beispielsweise einem Silikon oder dergleichen, ausgeführt. Die Temperaturfestigkeit, Druckfestigkeit und Dichtheit der Abfuhrleitung ist für einen üblichen Anwendungszweck in einem Flugzeug mit den zu erwartenden Umgebungstemperaturen ausreichend.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abführen von Luft aus einem Wasserabscheider eines Klimaaggregats, das im Wesentlichen den Schritt des Leitens von an einem Überlauf anfallenden Fluiden über eine Abfuhrleitung von einem nicht druckbeaufschlagten Bereich eines Flugzeugrumpfs in einen druckbeaufschlagten Bereich eines Flugzeugrumpfs umfasst. Zusätzlich dazu kann, bei austretendem Wasser aus dem Überlauf nach schwerkraftgetriebener Ansammlung in einer Bilge des Flugzeugrumpfs ein Abführen aus der Bilge folgen. Die Fluide sind hierbei die austretende Luft sowie eventuell anfallendes Wasser.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Klimaaggregats in einem Ausschnitt aus einem Flugzeug.
2 zeigt ein Flugzeug in einer Seitendarstellung und einem Teilschnitt.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Kernkomponente eines Klimatisierungssystems eines Flugzeugs wird durch ein sogenanntes Klimaaggregat 2 (auch als „Pack” oder „Air Generation System”, AGS, bekannt) gebildet, welches in 1 dargestellt ist. Während des Betriebs des Klimaaggregats 2 tritt Zapfluft von einer oder mehreren Verdichterstufen eines nicht näher dargestellten Triebwerks durch ein Volumenstromregelventil 4 in einen Primärwärmetauscher 6 ein, der von Stauluft in einem Stauluftkanal 8 umströmt wird. Nach anschließender Druckerhöhung durch einen Kompressor 10 wird eine erneute Kühlung in einem Hauptwärmetauscher 12 in dem Stauluftkanal 8 durchgeführt, wobei der Hauptwärmetauscher 12 innerhalb des Stauluftkanals 8 stromaufwärts des Primärwärmetauschers 6 angeordnet sein könnte. Nach Durchlaufen eines dritten und als „Reheater” bekannten Wärmetauschers 18 sowie eines stromabwärts gelegenen Kondensators 14 und eines nachgeschalteten Wasserabscheiders 16 wird eine Turbine 20 erreicht. Dort wird die Luft entspannt und erfährt damit ein deutlich niedrigeres Temperaturniveau als die ursprünglich eingeleitete Zapfluft. Die bei der Entspannung durch die Turbine 20 gewonnene mechanische Leistung wird an den Kompressor 10 zu dessen Antrieb weitergeleitet. Die gekühlte Luft wird über den Kondensator 14 zu einem Rückschlagventil 22 geleitet, über das eine Verbindung mit einem druckbeaufschlagten Bereich 24 eines in dieser Darstellung nicht explizit gezeigten Flugzeugrumpfs erreicht wird.
Zur Regelung der Temperatur der gekühlten Luft kann ein Temperaturregelventil 26 vorgesehen sein, um in den Strom kalter Luft aus der Turbine 20 zusätzlich wärmere Luft aus dem ersten Wärmetauscher 6 zu mischen. Wie anhand einer gestrichelten Linie dargestellt, kann stromabwärts des Volumenstromregelventils 4 eine Trimmluftleitung 28 vorhanden sein, die in einzelnen Temperaturzonen einer Passagierkabine innerhalb des Flugzeugrumpfs eine individuelle Erhöhung der Temperatur ermöglicht.
Der Wasserabscheider 16 weist einen Wasseranschluss 30 auf, der über eine Wasserleitung 32 mit Einspritzdüsen 34 gekoppelt ist, die sich in dem Stauluftkanal 8 befinden. Durch das Einleiten von Wasser aus dem Wasserabscheider 16 kann die Dichte des in dem Stauluftkanal 8 strömenden Fluids erhöht werden, so dass der Wärmeübergang an den Wärmetauschern 6 und 12 verbessert wird. Damit können diese mit etwas kleineren Dimensionen ausgelegt werden, um Gewicht zu sparen.
Zusätzlich werden in 1 eine Einlassklappe 36 und eine Auslassklappe 38 an dem Stauluftkanal 8 gezeigt, ferner eine Turbine 40, die unter Ausnutzung der Energie des in dem Stauluftkanal 8 strömenden Fluids einen Teil der für den Antrieb des Kompressors 10 erforerlichen Leistung aufbringt, was zu einer Teilentlastung der Turbine 20 führt.
In wenigen und unwahrscheinlichen Fällen kann es zu einer Verstopfung der Einspritzdüsen 34 kommen, so dass das in dem Wasserabscheider 16 gewonnene Wasser nicht mehr über die Wasserleitung 32 abgeführt werden kann. Aus diesem Grunde befindet sich ein Überlauf 42 an dem Wasserabscheider 16, aus dem sich akkumulierendes Wasser abgeführt wird. Beispielhaft ist der Ablauf derart ausgeführt, dass sich ansammelndes Wasser ab Erreichen eines bestimmten Füllstands in dem Wasserabscheider 16 automatisch in den Überlauf 42 ergießt. Aufgrund einer damit verbundenen offenen Gestaltung des Überlauf 42 strömt stets ein gewisser Volumenstrom an Luft aus, so dass der Luftkreislauf in dem Klimaaggregat 2 entsprechend verlustbehaftet wäre. Erfindungsgemäß ist der Überlauf 42 jedoch mit einer Abfuhrleitung 44 verbunden, die von einem nicht-druckbeaufschlagten Bereich 46 in den durch ein Druckschott 48 davon getrennten druckbeaufschlagten Bereich 24 reicht, so dass in der Gesamtbilanz für die Druckbeaufschlagung und Belüftung der Kabine keine Luft aus dem Luftkreislauf entnommen wird.
Sollte es dennoch zu einem Austritt von Wasser aus dem Überlauf 42 kommen, kann sich dies in dem druckbeaufschlagten Bereich schwerkraftgetrieben zu einem Drainageventil in der Bilge des Flugzeugs bewegen.
2 zeigt ein Flugzeug 50 mit einem Flugzeugrumpf 52 und einem unterhalb einer darin angeordneten Passagierkabine 54 angeordneten Klimaaggregat 2, welches der Einfachheit halber als Block dargestellt wird. Lediglich beispielhaft wird das Druckschott 48 als in Flugrichtung 56 vor dem Klimaaggregat 2 angeordnet gezeigt.
Ein Überlauf des Klimaaggregats 2 ist mit der Abfuhrleitung 44 verbunden, die sich durch das Druckschott 48 in den davor liegenden druckbeaufschlagten Bereich 24 unterhalb der Passagierkabine 54 erstreckt. Lediglich beispielhaft wird eine ungefähre Begrenzung einer Bilge 55 dargestellt, welches ein Drainageventil 58 besitzt. Dort kann sich ansammelndes Wasser abgeführt werden, welches beispielsweise aus dem Überlauf 44 des Wasserabscheiders 16 stammt.
Damit wird eine mechanisch einfache, sehr zuverlässige, sichere und besonders Treibstoff sparende Möglichkeit geschaffen, den Zapfluftverbrauch eines Flugzeugs zu senken und dennoch einen funktionsfähigen Ablauf eines Wasserabscheiders eines Klimaaggregats zu ermöglichen.
Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „einer” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004039667 A1 [0003]

Claims

Flugzeug (50) mit einem Flugzeugrumpf (52) und einem Klimatisierungssystem mit mindestens einem Klimaaggregat (2), das auf einem Luftkreislaufprinzip basiert und einen Wasserabscheider (16) aufweist, der einen Überlauf (42) besitzt, wobei der Überlauf (42) mit einer Luftabfuhrleitung (44) gekoppelt ist, die sich in einen druckbeaufschlagten Bereich (24) des Flugzeugs (50) erstreckt, wobei das Klimaaggregat (2) in einem nicht-druckbeaufschlagten Bereich (46) des Flugzeugs (50) angeordnet ist.
Flugzeug (50) nach Anspruch 1, wobei sich das Klimaaggregat (2) in einem Bereich nahe eines Flügel-Rumpf-Übergangs in dem Flugzeugrumpf (52) unterhalb einer Passagierkabine (54) befindet.
Flugzeug (50) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich ein Druckschott (48) in Flugrichtung (56) vor dem Klimaaggregat (2) unterhalb der Passagierkabine (54) befindet, so dass sich die Abfuhrleitung (44) in Flugrichtung (56) von dem Überlauf (42) aus nach vorne erstreckt.
Flugzeug (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abfuhrleitung (44) aus einem flexiblen Kunststoffmaterial ausgeführt ist.
Verfahren zum Abführen von Luft aus einem Wasserabscheider (16) eines Klimaaggregats (2), aufweisend den Schritt des Leitens von an einem Überlauf (42) anfallendem Fluid über eine Abfuhrleitung (44) von einem nicht druckbeaufschlagten Bereich (46) eines Flugzeugrumpfs (52) in einen druckbeaufschlagten Bereich (24) des Flugzeugrumpfs (52).
Verfahren nach Anspruch 5, ferner aufweisend den Schritt des Abführens von Wasser aus einer Bilge (55) des Flugzeugrumpfs (52) bei austretendem Wasser aus dem Überlauf (42) nach schwerkraftgetriebener Ansammlung in der Bilge (55).