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Die Erfindung betrifft eine Stauluftkanalanordnung zur Umgebungsluftzufuhr in ein Flugzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Stauluftkanalanordnung.
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Stauluftkanäle werden in modernen Flugzeugen zur Versorgung verschiedener sich an Bord des Flugzeugs befindender Systeme, wie beispielsweise eines Klimatisierungssystems, mit Umgebungsluft aus der Flugzeugumgebung eingesetzt. Derartige Stauluftkanäle umfassen einen Lufteinlass mit einem sich stromabwärts des Lufteinlasses erstreckenden Staulufteinlasskanal, einen sich stromabwärts des Einlasskanals erstreckenden Stauluftkanalwirkabschnitt sowie einen sich stromabwärts des Stauluftkanalwirkabschnitts erstreckenden Stauluftauslasskanal mit einem Luftauslass an dessen stromabwärtigem Ende. In dem Stauluftkanalwirkabschnitt kann beispielsweise ein Wärmetauscher einer Klimaanlage des Flugzeugs angeordnet sein, der durch die den Stauluftkanal durchströmende kalte Umgebungsluft gekühlt wird. Während des Flugs strömt aufgrund des sich in dem Stauluftkanal aufbauenden Staudrucks Umgebungsluft durch den Lufteinlass in den Staulufteinlasskanal und den Stauluftkanalwirkabschnitt, wohingegen dann, wenn sich das Flugzeug am Boden befindet, mechanische Einrichtungen, wie beispielsweise im Stauluftkanal angeordnete Injektoren oder Ventilatoren zur Erzeugung einer Umgebungsluftströmung durch den Stauluftkanal genutzt werden. Durch den Stauluftauslasskanal verlässt erwärmte Umgebungsluft den Stauluftkanal.
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Um eine Anpassung der durch den Stauluftkanal zugeführten Umgebungsluftströmung an den Umgebungsluftbedarf der mit der Umgebungsluft versorgten Systeme zu ermöglichen, ist in einem Bereich des Lufteinlasses sowie in einem Bereich des Luftauslasses des Stauluftkanals üblicherweise zumindest je ein bewegliches Element angeordnet, das eine Vergrößerung bzw. eine Verkleinerung oder ein vollständiges Verschließen des Strömungsquerschnitts des Lufteinlasses bzw. des Luftauslasses erlaubt.
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In heutigen modernen Passagierflugzeugen ist der Staulufteinlasskanal überwiegend mit einem im Bereich der Flugzeugaußenhaut angeordneten NACA(National Advisory Committee for Aeronautics)-Einlass versehen und umfasst eine erste und eine zweite Einlassklappe, die von einem gemeinsamen Aktuator verstellt werden können. Wenn im Flug durch Betätigung des Aktuators die erste und die zweite Einlassklappe aus einer den Staulufteinlasskanal verschließenden Position in eine geöffnete Position bewegt werden, strömt Umgebungsluft durch den Lufteinlass in den Staulufteinlasskanal. Ein herkömmlicher Stauluftauslasskanal ist mit einer verstellbaren Auslassklappe ausgestattet, durch welche die durch den Stauluftkanal strömende Umgebungsluft an die Flugzeugumgebung abgegeben wird. In Abhängigkeit der Position der Einlassklappen und der Auslassklappe, welche den Strömungsquerschnitt am Ein- und Auslass des Stauluftkanals freigeben, kann der Umgebungsluftmassenstrom durch den Stauluftkanal eingestellt werden.
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Aus der
DE 10 2009 017 040 A1 bzw. der
US 8,262,018 B2 ist ein Verfahren zur Steuerung der Einlassklappen und der Auslassklappen eines Stauluftkanals bekannt, das eine Minimierung der durch den Stauluftkanal verursachten aerodynamischen Verluste ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stauluftkanalanordnung zur Umgebungsluftzufuhr in ein Flugzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Stauluftkanalanordnung anzugeben, die eine Verringerung des durch den Stauluftkanal im Flugbetrieb des Flugzeugs verursachten zusätzlichen Luftwiderstands ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Stauluftkanalanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Stauluftkanalanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Eine Stauluftkanalanordnung zur Umgebungsluftzufuhr in ein Flugzeug umfasst einen Stauluftkanal, der einen Staulufteinlasskanal sowie einen stromabwärts des Staulufteinlasskanals und in Fluidkommunikation mit dem Staulufteinlasskanal angeordneten Stauluftauslasskanal aufweist. Der Begriff „stromabwärts” bezieht sich hier auf die Richtung der Umgebungsluftströmung durch den Stauluftkanal. Zwischen dem Staulufteinlasskanal und dem Stauluftauslasskanal kann ein Stauluftkanalwirkabschnitt vorgesehen sein. In dem Stauluftkanalwirkabschnitt kann beispielsweise ein Wärmetauscher einer Flugzeugklimaanlage angeordnet sein, der von einem durch die den Stauluftkanal durchströmende Umgebungsluft zu kühlenden Fluid durchströmt wird. Ferner kann in dem Stauluftkanal eine Fördereinrichtung vorgesehen sein, die dazu dient, im Bodenbetrieb des Flugzeugs Umgebungsluft durch den Stauluftkanal zu fördern.
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Die Stauluftkanalanordnung umfasst ferner eine Kabinenabluftleitung, die von aus einer Flugzeugkabine abgeführter Kabinenabluft durchströmbar ist. Bei der die Kabinenabluftleitung durchströmenden Kabinenabluft handelt es sich vorzugsweise um Luft, die eine Temperatur von ca. 30°C und einen dem Kabinendruck entsprechenden Druck aufweist. Die Kabinenabluft wird üblicherweise einer Passagierkabine des Flugzeugs entnommen, der sowohl im Flug- als auch im Bodenbetrieb des Flugzeugs von einer Flugzeugklimaanlage bereitgestellte Frischluft zugeführt wird. Alternativ dazu kann die Kabinenabluft, die die Kabinenabluftleitung der Stauluftkanalanordnung durchströmt, jedoch auch einem Frachtraum, einem Cockpit oder einem anderen bedruckten Flugzeugbereich entnommen werden.
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Die Kabinenabluftleitung ist mit dem Staulufteinlasskanal verbunden und dazu eingerichtet, die die Kabinenabluftleitung durchströmende Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal zu leiten. Üblicherweise wird die Kabinenabluft aus einer Flugzeugkabine über ein Kabinendrucksteuerungssystem in die Umgebung abgeführt. Im Gegensatz hierzu wird bei der hier beschriebenen Stauluftkanalanordnung zumindest ein Teil der aus der Flugzeugkabine abgeführten Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal des Stauluftkanals zugeführt. Folglich wird der Stauluftkanal von Mischluft, die Umgebungsluft aus der Flugzeugumgebung und Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung enthält, durchströmt.
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Bei gleichbleibendem Gesamtluftmassenstrom durch den Stauluftkanal kann somit zumindest ein Teil der durch den Staulufteinlasskanal in den Stauluftkanal eingespeisten Umgebungsluft durch die Kabinenabluft ersetzt werden, die über die Kabinenabluftleitung in den Staulufteinlasskanal geleitet wird. Folglich muss weniger Umgebungsluft aus der Flugzeugumgebung in den Stauluftkanal zugeführt werden. Dies ermöglicht es, die durch den Stauluftkanal im Flugbetrieb des Flugzeugs verursachten aerodynamischen Verluste zu verringern. Dadurch kann der Treibstoffverbrauch des Flugzeugs reduziert werden.
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Die erfindungsgemäße Stauluftkanalanordnung zeichnet sich durch ein einfaches und robustes Design aus. Ferner kann auch bei einer bestehenden und in einem Flugzeug verbauten Stauluftkanalanordnung der Stauluftkanal im Bereich seines Staulufteinlasskanals mit einer Kabinenabluftleitung verbunden und die Stauluftkanalanordnung damit auf vergleichsweise einfache Art und Weise in eine erfindungsgemäße Stauluftkanalanordnung umgerüstet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Stauluftkanalanordnung ferner eine in der Kabinenabluftleitung angeordnete Turbine auf. Die Turbine ist dazu eingerichtet, die die Kabinenabluftleitung durchströmende Kabinenabluft vor ihrer Zufuhr in den Staulufteinlasskanal zu expandieren. Dadurch kann ein Teil der inneren Energie der durch die Kabinenabluftleitung strömenden Kabinenabluft, z. B. die Druckenergie der Kabinenabluft, in Bewegungsenergie der Turbine umgewandelt werden. Indem die Kabinenabluft über die Turbine geleitet und dadurch expandiert wird, wird die Kabinenabluft vor dem Einleiten in den Staulufteinlasskanal gekühlt. Dadurch werden die Kühleigenschaften der den Stauluftkanal durchströmenden Mischluft verbessert.
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Die Turbine kann drehmomentübertragend mit einem Kompressor verbunden sein. Dadurch kann der Kompressor durch die Turbine angetrieben werden. Beispielsweise können die Turbinen und der Kompressor auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Der Kompressor ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Luft auf einen Druck zu verdichten, der ausreichend ist, um die Luft bei der Expansion auf den Umgebungsdruck auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigte Luft kann dann zur Schubrückgewinnung an die Flugzeugumgebung abgegeben werden.
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Zur Beschleunigung der mittels des Kompressors verdichteten Luft kann die Stauluftkanalanordnung eine Schubrückgewinnungsdüse aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die in dem Kompressor verdichtete Luft zu expandieren. Die Schubrückgewinnungsdüse ist vorzugsweise mit einem Auslass des Kompressors verbunden und dazu eingerichtet, die durch die Schubrückgewinnungsdüse strömende Luft an die Flugzeugumgebung abzugeben. Beispielsweise kann die Schubrückgewinnungsdüse in Form einer Lavaldüse ausgebildet und im Bereich einer Außenhaut des Flugzeugs angeordnet sein.
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Der Kompressor ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Luft aus einem belüfteten Flugzeugbereich, insbesondere einer Pack Bay des Flugzeugs anzusaugen und zu verdichten. Hierzu kann ein Einlass des Kompressors über eine entsprechende Leitung mit dem belüfteten Flugzeugbereich verbunden sein. Der Kompressor erfüllt dann die Funktion einer Fördereinrichtung zur Förderung von Abluft aus dem belüfteten Flugzeugbereich.
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Der Staulufteinlasskanal umfasst vorzugsweise einen Einlass zum Einleiten von Umgebungsluft aus der Flugzeugumgebung in den Stauluftkanal. Im Bereich dieses Einlasses ist vorzugsweise mindestens eine bewegliche Einlassklappe angeordnet, die dazu dient, einen Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals zu variieren. Bei geöffneter Einlassklappe strömt im Flugbetrieb des Flugzeugs Umgebungsluft durch den Einlass in den Staulufteinlasskanal. Beim Durchströmen des Staulufteinlasskanals wird ein Teil des dynamischen Drucks der Luftströmung in statischen Druck umwandelt. Um diesen Effekt zu verstärken, kann in dem Staulufteinlasskanal ein Diffusor angeordnet sein. Der Stauluftauslasskanal umfasst dagegen einen Auslass zur Abfuhr von Umgebungsluft in die Flugzeugumgebung. Im Bereich dieses Auslasses ist vorzugsweise mindestens eine bewegliche Auslassklappe vorgesehen, die dazu dient, einen Auslassströmungsquerschnitt des Stauluftauslasskanals zu variieren.
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Durch eine entsprechende Steuerung der Positionen der Einlassklappe und der Auslassklappe kann der Druck in dem Stauluftkanal und folglich der Massenstrom der den Stauluftkanal durchströmenden Luft wie gewünscht gesteuert werden. Die Stauluftkanalanordnung ist daher vorzugsweise mit einer Steuereinheit ausgestattet, die dazu eingerichtet ist, den Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal, der Umgebungsluft aus der Flugzeugumgebung und/oder Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung enthalten kann, zu steuern. Die Steuerung des Luftmassenstroms durch den Stauluftkanal mittels der Steuereinheit erfolgt vorzugsweise durch eine entsprechende Steuerung der beweglichen Einlassklappe, die im Bereich des Einlasses des Staulufteinlasskanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals einzustellen sowie durch eine entsprechende Steuerung der beweglichen Auslassklappe, die im Bereich des Auslasses des Stauluftauslasskanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Auslassströmungsquerschnitt des Stauluftauslasskanals einzustellen. Eine wesentliche Anpassung der in bisherigen Stauluftkanalanordnungen zur Steuerung der Umgebungsluftströmung durch den Stauluftkanal verwendeten Steuerlogik ist hierfür nicht erforderlich.
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Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal in Abhängigkeit eines dem Staulufteinlasskanal über die Kabinenabluftleitung zugeführten Kabinenabluftmassenstroms zu steuern. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Kabinenabluftstrom bei der Realisierung eines erforderlichen Luftmassenstroms durch den Stauluftkanal gegenüber einem aus der Flugzeugumgebung in den Staulufteinlasskanal zuzuführenden Umgebungsluftstroms zu priorisieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Stauluftkanalanordnung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, zu bestimmen, ob der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal höher als ein Sollwert ist. Der Sollwert kann beispielsweise einem aktuellen Luftmassenstrombedarf der mittels des Stauluftkanals mit Luft versorgten Systeme an Bord des Flugzeugs entsprechen. Wenn der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal höher als der Sollwert ist, wird unter der Steuerung der Steuereinheit vorzugsweise zuerst die Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal verringert. Erst dann, wenn bei vollständiger Unterbrechung der Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal immer noch höher als der Sollwert ist, kann die Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal verringert werden. Entsprechend kann, wenn der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal geringer als der Sollwert ist, unter der Steuerung der Steuereinheit zuerst die Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal erhöht werden, bevor, wenn bei einer Maximierung des Kabinenabluftmassenstroms in den Staulufteinlasskanal der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal immer noch geringer als der Sollwert ist, die Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal erhöht wird.
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Eine derartige Steuerung der Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal in Abhängigkeit des dem Staulufteinlasskanal zugeführten Kabinenabluftmassenstroms ermöglicht die Minimierung der Umgebungsluftzufuhr in den Staulufteinlasskanal und damit die Minimierung der durch den Stauluftkanal verursachten aerodynamischen Verluste. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass der Luftbedarf der mittels des Stauluftkanals mit Luft versorgten Systeme an Bord des Flugzeugs gedeckt ist.
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Grundsätzlich bewirkt eine Vergrößerung des Einlassströmungsquerschnitts des Staulufteinlasskanals durch Öffnen der Einlassklappe eine Erhöhung des Drucks in dem Staulufteinlasskanal. Entsprechend wird durch eine Verringerung des Einlassströmungsquerschnitts des Staulufteinlasskanals durch Schließen der Einlassklappe der Druck in dem Staulufteinlasskanal verringert. Umgekehrt bewirkt eine Verringerung des Auslassströmungsquerschnitts des Stauluftauslasskanals durch Schließen der Auslassklappe eine Erhöhung des Drucks in dem Staulufteinlasskanal, wohingegen eine Vergrößerung des Auslassströmungsquerschnitts des Stauluftauslasskanals durch Öffnen der Auslassklappe eine Verringerung des Drucks in dem Staulufteinlasskanal zur Folge hat.
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Zur Verringerung der Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal kann die Steuereinheit die Einlassklappe daher so steuern, dass der Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals verringert wird. Ferner kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Auslassklappe so zu steuern, dass der Auslassströmungsquerschnitt des Stauluftauslasskanals verringert und damit der Druck in dem Staulufteinlasskanal erhöht wird, um die Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal zu verringern. Je weiter die Auslassklappe geschlossen ist, desto mehr Schubrückgewinnung ist durch die aus dem Auslass des Stauluftauslasskanals ausströmende Luft möglich. Zur Erhöhung der Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal kann die Steuereinheit ferner die Auslassklappe so steuern, dass der Auslassströmungsquerschnitt des Stauluftauslasskanals vergrößert und damit der Druck in dem Staulufteinlasskanal verringert wird. Schließlich kann die Steuereinheit zur Erhöhung der Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal die Einlassklappe so steuern, dass der Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals vergrößert wird.
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Eine Steuereinheit der Stauluftkanalanordnung, die integriert mit der Steuereinheit zur Steuerung des Luftmassenstroms durch den Stauluftkanal ausgebildet sein kann, kann dazu eingerichtet sein, den Kabinenabluftmassenstrom durch die Kabinenabluftleitung, d. h. den Kabinenabluftmassenstrom, der durch die Kabinenabluftleitung zu der Turbine geleitet wird, zu steuern. Hierzu kann die Steuereinheit beispielsweise ein Steuerventil steuern, das stromaufwärts der Turbine in der Kabinenabluftleitung angeordnet ist. Der Begriff „stromaufwärts” bezieht sich hier auf die Strömungsrichtung der Kabinenabluft durch die Kabinenabluftleitung. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, beispielsweise durch Schließen des Steuerventils, in einem Fehlerzustand der Turbine und/oder des mit der Turbine verbunden Kompressors, den Kabinenabluftmassenstrom zu der Turbine zu unterbrechen.
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Bei einer Unterbrechung der Kabinenabluftzufuhr zu der Turbine und folglich in den Staulufteinlasskanal steuert die Steuereinheit zur Steuerung des Luftmassenstroms durch den Stauluftkanal die Zufuhr von Umgebungsluft in den Stauluftkanal vorzugsweise wie in herkömmlichen Stauluftkanalanordnungen derart, dass der Luftbedarf der mittels des Stauluftkanals mit Luft versorgten Flugzeugssysteme ausschließlich durch den durch den Stauluftkanal geleiteten Umgebungsluftstrom gedeckt wird. Dadurch wird auch bei einer Fehlfunktion der Turbine und/oder des mit der Turbine verbunden Kompressors eine ordnungsgemäße Versorgung dieser Systeme mit Luft gewährleistet.
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Eine Steuereinheit der Stauluftkanalanordnung, die integriert mit der Steuereinheit zur Steuerung des Luftmassenstroms durch den Stauluftkanal und/oder integriert mit der Steuereinheit zur Steuerung des Kabinenabluftmassenstroms durch die Kabinenabluftleitung ausgebildet sein kann, kann dazu eingerichtet sein, den Kabinenabluftmassenstrom durch die Kabinenabluftleitung und insbesondere den Kabinenabluftmassenstrom zu der Turbine, beispielsweise durch entsprechende Steuerung des stromaufwärts der Turbine in der Kabinenabluftleitung angeordneten Steuerventils, in Abhängigkeit einer Differenz zwischen einem Druck in der Flugzeugkabine und dem Umgebungsdruck in der Flugzeugumgebung zu steuern. Vorzugsweise lässt die Steuereinheit nur dann einen Kabinenabluftmassenstrom zu der Turbine zu, wenn die Differenz zwischen dem Druck in der Flugzeugkabine und dem Umgebungsdruck in der Flugzeugumgebung einen Schwellwert überschreitet. Durch eine derartige druckdifferenzabhängige Steuerung der Kabinenabluftzufuhr zu der Turbine können die Lager der Turbine bzw. der Kompressor/Turbinen-Anordnung vor Beschädigungen geschützt werden.
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In einem Verfahren zum Betreiben einer Stauluftkanalanordnung zur Umgebungsluftzufuhr in ein Flugzeug, die einen Stauluftkanal mit einem Staulufteinlasskanal und einem stromabwärts des Staulufteinlasskanals und in Fluidkommunikation mit dem Staulufteinlasskanal angeordneten Stauluftauslasskanal aufweist wird aus einer Flugzeugkabine abgeführte Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal geleitet.
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Die Kabinenabluft wird vor ihrer Zufuhr in den Staulufteinlasskanal vorzugsweise in einer Turbine expandiert, wobei die Turbine vorzugsweise drehmomentübertragend mit einem Kompressor verbunden ist. Der Kompressor kann dazu eingerichtet sein, Luft auf einen Druck zu verdichten, der ausreichend ist, um die Luft auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen.
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Von dem Kompressor verdichtete Luft kann durch eine mit dem Kompressor verbundene Schubrückgewinnnungsdüse expandiert und an die Flugzeugumgebung abgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Kompressor Abluft aus einem belüfteten Flugzeugbereich, insbesondere einer Pack Bay des Flugzeugs, ansaugen und verdichten.
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In einer Weiterentwicklung des Verfahrens, kann ein Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal durch entsprechende Steuerung einer bewegliche Einlassklappe, die im Bereich eines Einlasses des Staulufteinlasskanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, einen Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals einzustellen, und/oder einer bewegliche Auslassklappe, die im Bereich eines Auslasses des Stauluftauslasskanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, einen Auslassströmungsquerschnitt des Stauluftauslasskanals einzustellen, gesteuert werden.
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Die Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal kann in Abhängigkeit eines dem Staulufteinlasskanal über die Kabinenabluftleitung zugeführten Kabinenabluftmassenstroms gesteuert werden. Insbesondere kann bestimmt werden, ob der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal höher als ein Sollwert ist. Wenn der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal höher als der Sollwert ist, kann zuerst die Zufuhr von Umgebungsluft in Staulufteinlasskanal verringert werden. Die Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal wird vorzugsweise erst dann verringert, wenn bei vollständiger Unterbrechung der Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal immer noch höher als der Sollwert ist. Wenn der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal geringer als der Sollwert ist, kann zuerst die Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal erhöht werden. Die Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal wird vorzugsweise erst dann erhöht, wenn bei einer Maximierung des Kabinenabluftmassenstroms in den Staulufteinlasskanal der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal immer noch geringer als der Sollwert ist.
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Zur Verringerung der Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal kann die Einlassklappe so gesteuert werden, dass der Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals verringert wird. Zur Verringerung der Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal kann die Auslassklappe so gesteuert werden, dass der Auslassströmungsquerschnitt des Stauluftauslasskanals verringert wird. Zur Erhöhung der Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal kann die Auslassklappe so gesteuert werden, dass der Auslassströmungsquerschnitt des Stauluftauslasskanals vergrößert wird. Zur Erhöhung der Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal kann die Einlassklappe so gesteuert werden, dass der Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals vergrößert wird.
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Ein Kabinenabluftmassenstrom durch die Kabinenabluftleitung und insbesondere ein Kabinenabluftmassenstrom zu der Turbine kann durch entsprechende Steuerung eines, insbesondere stromaufwärts von der Turbine, in der Kabinenabluftleitung angeordneten Steuerventils gesteuert werden. In einem Fehlerzustand der Turbine und/oder des Kompressors, wird der Kabinenabluftmassenstrom zu der Turbine vorzugsweise unterbrochen.
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Der Kabinenabluftmassenstrom durch die Kabinenabluftleitung und insbesondere der Kabinenabluftmassenstrom zu der Turbine kann, insbesondere durch entsprechende Steuerung des in der Kabinenabluftleitung angeordneten Steuerventils, in Abhängigkeit einer Differenz zwischen einem Druck in der Flugzeugkabine und dem Umgebungsdruck in der Flugzeugumgebung gesteuert werden. Vorzugsweise wird nur dann ein Kabinenabluftmassenstrom zu der Turbine zugelassen, wenn die Differenz zwischen dem Druck in der Flugzeugkabine und dem Umgebungsdruck in der Flugzeugumgebung einen Schwellwert überschreitet.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei
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1 eine schematische Darstellung einer Stauluftanordnung zeigt.
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In 1 ist eine beispielhafte Stauluftkanalanordnung 10 zur Umgebungsluftzufuhr in ein Flugzeug gezeigt. Die Stauluftkanalanordnung 10 umfasst einen Stauluftkanal 12 mit einem Staulufteinlasskanal 16, der mit einem Einlass 18 zum Einleiten von Umgebungsluft aus der Flugzeugumgebung in den Staulufteinlasskanal 12 versehen ist. Im Bereich des Einlasses 18 des Staulufteinlasskanals 16 ist eine bewegliche Einlassklappe 20 angeordnet, die mittels eines nicht gezeigten Aktuators in ihrer Position verstellbar ist. Die Einlassklappe 20 dient dazu, einen Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals 16 einzustellen, der einen in den Stauluftkanal 12 einströmenden Umgebungsluftmassenstrom und einen in dem Staulufteinlasskanal 16 vorherrschenden Druck beeinflusst.
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Ein Öffnen der Einlassklappe 20 bewirkt eine Vergrößerung des Einlassströmungsquerschnitts des Staulufteinlasskanals 16 und einen Anstieg des Umgebungsluftmassenstroms durch den Stauluftkanal 12. Dies resultiert in einem Anstieg des in dem Staulufteinlasskanal 16 vorherrschenden Drucks. Demgegenüber bewirkt ein Schließen der Einlassklappe 20 eine Verringerung des Einlassströmungsquerschnitts des Staulufteinlasskanals 16 und folglich eine Verringerung des Umgebungsluftmassenstroms durch den Stauluftkanal 12. Dies resultiert in einer Verringerung des Drucks in dem Staulufteinlasskanal 12.
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Der Stauluftkanal 12 umfasst ferner einen stromabwärts des Staulufteinlasskanals 16 und in Fluidkommunikation mit dem Staulufteinlasskanal 16 angeordneten Stauluftauslasskanal 26. Der Der Begriff „stromabwärts” bezieht sich hier auf die Richtung der Umgebungsluftströmung durch den Stauluftkanal 12. Der Stauluftauslasskanal 26 ist mit einem Auslass 28 zum Ableiten von Luft aus dem Stauluftkanal 12 in die Flugzeugumgebung versehen. Im Bereich des Auslasses 28 ist eine bewegliche Auslassklappe 30 angeordnet, die mittels eines nicht gezeigten Aktuators in ihrer Position verstellbar ist. Die Auslassklappe 30 dient dazu, einen Auslassströmungsquerschnitt des Stauluftauslasskanals 26 einzustellen.
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Ein Öffnen der Auslassklappe 30 bewirkt eine Vergrößerung des Auslassströmungsquerschnitts des Stauluftauslasskanals 26 sowie eine Verringerung des in dem Stauluftauslasskanal 26 und dem Staulufteinlasskanal 16 vorherrschenden Drucks. Demgegenüber hat ein Schließen der Auslassklappe 30 eine Verkleinerung des Auslassströmungsquerschnitts des Stauluftauslasskanals 26 sowie eine Erhöhung des Drucks in dem Stauluftauslasskanal 26 und dem Staulufteinlasskanal 16 zur Folge.
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Zwischen dem Staulufteinlasskanal 16 und dem Stauluftauslasskanal 26 ist in dem Stauluftkanal 12 ein Wärmetauscher 32 angeordnet, der von einem zu kühlenden Fluid durchströmt wird. In dem Wärmetauscher 32 wird das zu kühlende Fluid in Wärmekontakt mit der den Stauluftkanal 12 durchströmenden Luft gebracht und dadurch gekühlt. Bei dem Wärmetauscher 32 kann es sich beispielsweise um ein Bauteil einer Flugzeugklimaanlage handeln.
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Die Stauluftkanalanordnung 10 umfasst ferner eine Kabinenabluftleitung 24. Die Kabinenabluftleitung 24 ist mit dem Staulufteinlasskanal 16 verbunden und von aus einer Flugzeugkabine 22 abgeführter Kabinenabluft durchströmbar. Die Kabinenabluftleitung 24 ist somit dazu eingerichtet ist, aus der Flugzeugkabine 22 abgeführte Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal 16 zu leiten. Bei gleichbleibendem Gesamtluftmassenstrom durch den Stauluftkanal 12 kann somit zumindest ein Teil der durch den Staulufteinlasskanal 16 in den Stauluftkanal 12 eingespeisten Umgebungsluft durch die Kabinenabluft ersetzt werden, die über die Kabinenabluftleitung 24 in den Staulufteinlasskanal 16 geleitet wird.
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Die Stauluftkanalanordnung 10 umfasst ferner eine Turbinen-/Kompressor-Anordnung 14. Die Turbinen-/Kompressor-Anordnung 14 weist eine Turbine 34 und einen Kompressor 36 auf, die drehmomentübertragend miteinander verbunden sind, so dass in der Turbine 34 freigesetzte mechanische Energie als Antriebsenergie an den Kompressor 36 übertragen wird. Die Turbine 34 ist in der Kabinenabluftleitung 24 angeordnet und dazu eingerichtet, die die Kabinenabluftleitung 24 durchströmende Kabinenabluft vor ihrer Zufuhr in den Staulufteinlasskanal 16 zu expandieren und dadurch abzukühlen. Die Zufuhr von Kabinenabluft zu der Turbine 34 wird mittels Steuerventils 38 eines gesteuert, das stromaufwärts der Turbine 34 in der Kabinenabluftleitung 24 angeordnet ist. Der Begriff „stromaufwärts” bezieht sich hier auf die Richtung der Kabinenabluft Strömung durch die Kabinenabluftleitung.
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Der durch die Turbine 34 angetriebene Kompressor 36 ist eingangsseitig über eine erste Abluftleitung 40 mit einem zu belüftenden Flugzeugbereich 42 verbunden. Bei dem zu belüftenden Flugzeugbereich 42 kann es sich beispielsweise um eine Pack Bay des Flugzeugs handeln. Der Kompressor 36 ist dazu eingerichtet, Abluft aus dem Flugzeugbereich 42 anzusaugen und auf einen Druck zu verdichten, der ausreichend ist, um die Abluft bei der Expansion auf den Umgebungsdruck auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Ein Ausgang des Kompressors 36 ist über eine zweite Abluftleitung 41 mit einer Schubrückgewinnungsdüse 44 verbunden, welche in einer Außenhaut des Flugzeugs angeordnet ist. Die Schubrückgewinnungsdüse 44 ist in Form einer Lavaldüse ausgebildet, die die von dem Kompressor 36 verdichtete Abluft expandiert und dadurch auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Die derart beschleunigte Abluft wird über die Schubrückgewinnungsdüse 44 an die Flugzeugumgebung abgegeben, wodurch eine Vortriebskraft auf das Flugzeug wirkt.
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Die Stauluftkanalanordnung 10 umfasst ferner eine Steuereinheit 46, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Einlassklappe 20, den Betrieb der Auslassklappe 30 und den Betrieb des Steuerventils 38 zu steuern. Insbesondere steuert die Steuereinheit 46 durch entsprechende Steuerung der Einlassklappe 20 sowie der Auslassklappe 30 einen Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal 12, wobei die den Stauluftkanal 12 durchströmende Luft entweder ausschließlich Umgebungsluft, ausschließlich Kabinenabluft oder Mischluft, die sowohl Umgebungsluft als auch Kabinenabluft enthält, sein kann.
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Die Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal 16 wird von der Steuereinheit 46 in Abhängigkeit eines dem Staulufteinlasskanal 16 über die Kabinenabluftleitung 24 zugeführten Kabinenabluftmassenstroms gesteuert, wobei der Kabinenabluftstrom bei der Realisierung eines erforderlichen Luftmassenstroms durch den Stauluftkanal 12 gegenüber einem aus der Flugzeugumgebung in den Staulufteinlasskanal 16 zuzuführenden Umgebungsluftstroms priorisiert wird. Um eine derartige Steuerung der Umgebungsluftzufuhr in den Staulufteinlasskanal 16 zu realisieren, bestimmt die Steuereinheit 46, ob der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal 12 höher als ein Sollwert ist. Der Sollwert kann beispielsweise einem aktuellen Luftmassenstrombedarf des mittels des Stauluftkanals 12 mit Luft versorgten Wärmetauschers 32 entsprechen.
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Wenn der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal 12 höher als der Sollwert ist, wird unter der Steuerung der Steuereinheit 46 zuerst die Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal 16 verringert. Hierzu wird die Einlassklappe 20 von der Steuereinheit 46 so gesteuert, dass der Einlassströmungsquerschnitt Staulufteinlasskanal 16 verringert wird, d. h. die Einlassklappe 20 wird unter der Steuerung der Steuereinheit 46 zunehmend geschlossen. Erst dann, wenn bei vollständiger Unterbrechung der Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal 16 der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal 12 immer noch höher als der Sollwert ist, wird die Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal 16 verringert. D. h., erst wenn die Einlassklappe 20 vollständig geschlossen ist, der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal 12 den Sollwert aber immer noch übersteigt, verringert die Steuereinheit 46 die Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal 16. Hierzu steuert die Steuereinheit 46 die Auslassklappe 30 so, dass der Auslassströmungsquerschnitt Stauluftauslasskanals 26 verringert, d. h. die Auslassklappe 30 zunehmend geschlossen und folglich der Druck in dem Staulufteinlasskanal 16 erhöht wird.
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Entsprechend wird, wenn der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal 12 geringer als der Sollwert ist, unter der Steuerung der Steuereinheit 46 zuerst die Zufuhr von Kabinenabluft in den Staulufteinlasskanal 16 erhöht. Hierzu steuert die Steuereinheit 46 die Auslassklappe 30 derart, dass der Auslassströmungsquerschnitt des Stauluftauslasskanals 26 vergrößert, d. h. die Auslassklappe 30 zunehmend geöffnet und folglich der Druck in dem Staulufteinlasskanal 16 verringert wird. Erst wenn bei einer Maximierung des Kabinenabluftmassenstroms in den Staulufteinlasskanal 16 der Luftmassenstrom durch den Stauluftkanal 12 immer noch geringer als der Sollwert ist, erhöht die Steuereinheit 46 die Zufuhr von Umgebungsluft in den Staulufteinlasskanal 16. Hierzu steuert die Steuereinheit 46 die Einlassklappe 20 so, dass der Einlassströmungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals 16 vergrößert wird, d. h. die Einlassklappe 20 unter der Steuerung der Steuereinheit 46 zunehmend geöffnet wird.
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Der Kabinenabluftmassenstrom von der Flugzeugkabine 22 zu der Turbine 34 wird von der Steuereinheit 46 durch eine entsprechende Steuerung des Steuerventils 38 gesteuert. Insbesondere steuert die Steuereinheit 46 das Steuerventil 38 in einem Fehlerzustand der Turbine 34 und/oder des Kompressor 36 in seine Schließstellung, sodass dass der Kabinenabluftmassenstrom zu der Turbine 34 und dem Staulufteinlasskanal 16 unterbrochen wird. Die Steuerung des Steuerventils 38 erfolgt ferner in Abhängigkeit einer Differenz zwischen einem Druck in der Flugzeugkabine 22 und einem Umgebungsdruck in der Flugzeugumgebung. Wenn durch die Steuereinheit 46 ermittelt wird, dass die Differenz zwischen dem Druck in der Flugzeugkabine 22 und dem Umgebungsdruck in der Flugzeugumgebung einen Schwellwert unterschreitet, wird der Kabinenabluftmassenstrom zu der Turbine 34 unterbrochen.
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Bei einer Unterbrechung der Kabinenabluftzufuhr zu der Turbine 34 und folglich in den Staulufteinlasskanal 16 steuert die Steuereinheit 46 die Zufuhr von Umgebungsluft in den Stauluftkanal 12 wie in herkömmlichen Stauluftkanalanordnungen derart, dass der Luftbedarf des Wärmetauschers 32 ausschließlich durch den durch den Stauluftkanal 12 geleiteten Umgebungsluftstrom gedeckt wird
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009017040 A1 [0005]
- US 8262018 B2 [0005]
