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Die Erfindung betrifft ein Zapfluftsystem eines Flugtriebwerks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Bereitstellen von Zapfluft in einem Flugtriebwerk.
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Es ist bekannt, erwärmte Druckluft für die Klimaanlage der Flugkabine eines Flugzeugs mittels der Flugtriebwerke bereitzustellen, insbesondere zur Klimatisierung und Druckversorgung der Flugkabine. Die Druckluft wird dabei typischerweise als Zapfluft dem Hochdruckverdichter des Flugtriebwerks entnommen. Die entnommene Zapfluft wird vor ihrer Zuführung an die Klimaanlage der Flugkabine in einem Wärmetauscher gekühlt, um ihre Temperatur auf eine für die Klimaanlage geeignete Temperatur herunter zu kühlen. Die Kühlung im Wärmetauscher erfolgt durch den Luftstrom im Nebenstromkanal des Flugtriebwerks. Die der Zapfluft dabei entnommene Energie wird in den Nebenstromkanal oder in die Umgebung abgegeben. Dies ist mit dem Nachteil einer geringen Energieeffizienz verbunden, da erwärmte Luft ungenutzt abgeleitet wird. Darüber hinaus ist der für die Kühlung der Zapfluft erforderliche Wärmetauscher ein kostenintensives, komplexes und mit einem hohen Gewicht verbundenes Bauteil, das hohe Temperaturen und Drücke handhaben können muss.
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Es ist des Weiteren bekannt, einem Hochdruckverdichter entnommene Zapfluft in ein ringförmiges Verteilerrohr innerhalb der Einlauflippe der Triebwerksgondel zu leiten, um einen Vereisungsschutz für die Einlauflippe bereit zu stellen. Das Verteilerrohr ist dabei mit Sprühöffnungen ausgestattet, so dass die heiße Luft sich in der Einlauflippe verteilen und dort enteisend wirken kann. Die Luft wird dann in die Umgebung abgegeben. Ein solches Enteisungssystem ist beispielsweise in der
EP 2 617 979 B1 beschrieben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Zapfluftsystem und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, die in energieeffizienter Weise und mit geringem baulichen Aufwand Zapfluft für die Klimaanlage einer Flugkabine bereitstellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Zapfluftsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Bereitstellen von Zapfluft in einem Flugtriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die Erfindung ein Zapfluftsystem eines Flugtriebwerks, das eine Zapfluftquelle, eine Einlauflippe, eine Luft-Schnittstelle zu einer Klimaanlage einer Flugkabine und ein Verteilersystem zum Verteilen von Zapfluft umfasst. Die Zapfluftquelle wird dabei durch mindestens eine Verdichterstufe des Flugtriebwerk, beispielsweise durch ein oder mehrere Verdichterstufen des Hochdruckverdichters gebildet. Die Einlauflippe ist am stromaufwärtigen Ende der Triebwerksgondel des Flugtriebwerk ausgebildet.
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Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Erfindungsaspekt vor, dass die Einlauflippe und das Verteilersystem derart ausgebildet sind, dass von der Zapfluftquelle entnommene Zapfluft der Einlauflippe zugeführt, in dieser geführt und anschließend von der Einlauflippe zur Luft-Schnittstelle geführt wird.
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Die Erfindung beruht somit auf dem Gedanken, zumindest einen Teil der notwendigen Kühlung, die die Zapfluft erfahren muss, damit sie der Klimaanlage der Flugkabine zugeführt werden kann, in der Einlauflippe der Triebwerksgondel zu realisieren. Die Erfindung ist dabei mit mehreren Vorteilen verbunden.
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Die Realisierung einer Kühlung der Zapfluft an der Einlauflippe der Triebwerksgondel ermöglicht es, auf einen gesonderten Wärmetauscher ganz zu verzichten oder einen solchen deutlich kleiner und kostengünstiger auszugestalten, was für sich gesehen bereits ein Vorteil ist. Durch den Verzicht auf einen Wärmetauscher oder eine kleinere Ausführung eines Wärmetauschers wird gleichzeitig eine bessere Energieeffizienz erreicht, da das Ableiten von im Wärmetauscher der Zapfluft entnommener Energie in den Nebenstromkanal entfällt oder reduziert ist.
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Gleichzeitig kann auch die notwendige Kühlung der Einlauflippe in effizienter Weise erfolgen, da Zapfluft hoher Temperatur unmittelbar von der Zapfluftquelle der Einlauflippe zugeführt werden kann. Ein nachteiliger Druckabfall an einem Wärmetauscher, der erfolgen würde, wenn die zum Kühlen der Einlauflippe erforderliche Zapfluft erst hinter einem Wärmetauscher vom Zapfluftstrom abgezweigt würde, entfällt dabei bzw. fällt geringer aus. Ein Druckabfall wird lediglich durch die Rohrleitungen erzeugt, die die Zapfluft leiten. Hierdurch ist es möglich, die Zapfluft einer vergleichsweisen niedrigen Stufe eines Verdichters, insbesondere des Hochdruckverdichters zu entnehmen und dadurch die Effizienz des Triebwerks insgesamt zu steigern.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einlauflippe und das Verteilersystem derart ausgebildet sind, dass von der Zapfluftquelle entnommene Zapfluft direkt, d.h. ohne Durchlaufen eines Wärmetauschers, der Einlauflippe zugeführt, in dieser geführt und anschließend von der Einlauflippe zur Luft-Schnittstelle geführt wird. Der Einlauflippe zugeführte Luft wird also nicht zunächst in einem Wärmetauscher gekühlt.
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Dabei wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zwar vorsehen, auf einen Wärmetauscher vollständig zu verzichten, für welchen Fall eine Kühlung der der Zapfluftquelle entnommenen Zapfluft allein in der Einlauflippe erfolgt. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann durchaus ein Wärmetauscher vorgesehen sein. Hierzu bestehen zwei Varianten. Gemäß der einen Variante kühlt ein Wärmetauscher einen Teil der der Zapfluftquelle entnommenen Zapfluft, während ein anderer Teil gemäß der erfindungsgemäßen Lösung an der Einlauflippe gekühlt wird. Da ein solcher Wärmetauscher nur einen Teil der der Zapfluftquelle entnommenen Zapfluft kühlt, kann er leichter und kostengünstiger ausgebildet sein. Gemäß der anderen Variante wird die gesamte von der Zapfluftquelle entnommene Zapfluft in einem Wärmetauscher gekühlt und anschließend oder zuvor zur Einlauflippe geführt. Da die Luft zusätzlich an der Einlauflippe gekühlt wird, kann auch bei dieser Variante der Wärmetauscher leichter und kostengünstiger ausgebildet sein.
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Das Verteilersystem zum Verteilen von Zapfluft im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung neben einem Rohrleitungssystem, das eine Vielzahl von Rohrleitungen zwischen den einzelnen Komponenten aufweist, auch ein Steuersystem und Regelungseinrichtungen wie z.B. Ventile, Drosseln und Sensoren, wie noch ausgeführt werden wird. Es umfasst die Komponenten, die für eine definierte und gesteuerte Zapfluftentnahme und Zapfluftleitung erforderlich sind. Soweit in der vorliegenden Anmeldung von einer Steuerung gesprochen wird, soll dies auch den Fall der Regelung (unter Realisierung eines Regelkreises) mit umfassen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass eine Luft-Schnittstelle im Sinne der vorliegenden Erfindung jede beliebige Komponente sein kann, die dazu geeignet und vorgesehen ist, Luft an eine Klimaanlage bzw. ein zu einer Klimaanlage führendes Rohrleitungssystem zu leiten. Eine solche Luft-Schnittstelle kann zum Beispiel das Ende einer Rohrleitung oder der Ausgang eines Ventils, einer Drossel oder eines Mischers sein.
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Weiter wird darauf hingewiesen, dass eine Rohrleitung im Sinne vorliegenden Erfindung jedes Mittel sein kann, das geeignet ist, Luft zu leiten. Eine Rohrleitung kann damit beispielsweise auf starrwandigen Rohren oder Kanälen oder aus biegsamen Schläuchen gebildet sein.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Einlauflippe derart ausgebildet und Zapfluft der Einlauflippe derart zugeführt wird, dass die Zapfluft sich in der Einlauflippe kreisförmig in Umfangsrichtung bewegt, d.h. in der Einlauflippe zirkuliert (sogenanntes „swirl system“). Dabei verliert die Zapfluft thermische Energie und wird anschließend gekühlt zur Klimaanlage oder einer dieser vorgelagerten Komponente geführt. Der Begriff „in Umfangsrichtung“ umfasst dabei beide möglichen Bewegungsrichtungen innerhalb der Einlauflippe, da es für die Kühlung der Zapfluft naturgemäß nicht darauf ankommt, ob diese in positiver oder in negativer Richtung in der Einlauflippe zirkuliert.
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Die Einlauflippe kann gemäß einer Ausführungsvariante derart ausgestaltet sein, dass sie eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer aufweist, die eine Zuführungsöffnung und eine Entnahmeöffnung aufweist. Diese beiden Öffnungen können bezogen auf die Umfangsrichtung der Einlauflippe benachbart angeordnet sein. Die Zuführungsöffnung ist mit einer ersten Rohrleitung des Verteilersystems verbunden ist, die direkt mit der Zapfluftquelle gekoppelt ist, und die Entnahmeöffnung ist mit einer zweiten Rohrleitung des Verteilersystems verbunden ist, die direkt oder über weitere Komponenten mit der Luft-Schnittstelle verbunden ist. Von der Zapfluftquelle entnommene Luft wird somit über die erste Rohrleitung direkt zur Einlauflippe geführt und gekühlt über die zweite Rohrleitung in Richtung der Luft-Schnittstelle weitergeleitet.
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Die sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer kann beispielsweise durch die Außenwandung der Einlauflippe und eine Trennwand zur Gondel hin gebildet sein. Dabei sind gesonderte Strukturen zur Luftleitung wie z.B. Rohre nicht erforderlich, so dass eine einfache und kostengünstige Lösung vorliegt. Dabei kann vorgesehen sein, dass an der Innenwand der Einlauflippe Strukturen vorgesehen sind, die die effektive Oberfläche für eine Wärmeübertragung lokal erhöhen und somit die Wärmeübertragung in bestimmten gewünschten Regionen der Einlauflippe konzentrieren. Solche Strukturen können z.B. umlaufende Rippen sein, die einstückig mit der Innenwandung oder über Niet- oder Schweißverbindungen mit dieser verbunden sind.
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Um ein Zirkulieren der Zapfluft in der Kammer der Einlauflippe sicher zu realisieren, kann vorgesehen sein, dass die Zuführungsöffnung dazu ausgebildet ist, Zapfluft schräg in die sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer zu leiten. Die Einleitung kann beispielsweise über eine Dralldüse erfolgen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, zusätzlich einen Mischer bereitzustellen, der dazu vorgesehen und eingerichtet ist, gekühlte Zapfluft, die von der Einlauflippe stammt, und Zapfluft, die ohne Durchlaufen der Einlauflippe von der Zapfluftquelle stammt, miteinander zu mischen und die gemischte Zapfluft der Luft-Schnittstelle bereitzustellen, Der Mischer kann dabei als Strahlpumpe (Ejektor) ausgebildet sein. Durch die Verwendung eines solchen Mischers wird es ermöglicht, Zapfluft, die von der Einlauflippe stammt, in ihrer Temperatur zu ändern, indem im Mischer entweder wärmere oder kühlere Luft der von der Einlauflippe stammenden Zapfluft beigemischt wird. Wärmere Luft kann beigemischt werden, indem direkt von der Zapfluftquelle stammende Luft zugeführt wird. Kältere Luft kann beigemischt werden, indem ein Teil der von der Zapfluftquelle stammenden Zapfluft in einem Wärmetauscher gekühlt und anschließend der von der Einlauflippe stammenden Zapfluft beigemischt wird.
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Die Erfindung sieht gemäß einer Ausgestaltung den Einsatz einer Steuereinheit vor, die als elektrische und/oder pneumatische und/oder hydraulische Steuereinheit ausgebildet sein kann und die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, den Volumenstrom einzustellen, der der Einlauflippe zugeführt wird. Insbesondere kann eine solche Steuereinheit dazu vorgesehen und ausgebildet sein, den der Einlauflippe zugeführten Volumenstrom einzustellen, indem sie die Zapfluftentnahme an der Zapfluftquelle und/oder den Volumenstrom an einem stromabwärts der Zapfluftentnahme angeordneten Mehrwege-Ventil einstellt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zapfluftquelle zwei Stufen des Hochdruckverdichters des Flugtriebwerks umfasst. Dabei ist mittels der Steuereinheit einstellbar, in welchem Maße von der einen und/oder der anderen Stufe Zapfluft aktuell entnommen wird. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Steuereinheit Ventile und/oder Drosseln steuert, die die Zapfluftentnahme einstellen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Zapfluftsystem mindestens einen Temperatursensor und mindestens einen Drucksensor aufweist, die dazu ausgebildet sind, Druck und Temperator der Zapfluft an oder hinter der Luft-Schnittstelle zu erfassen und diese Informationen der Steuereinheit zu übermitteln. Die Steuereinheit ist dabei dazu vorgesehen und ausgebildet, anhand der erhaltenen Informationen den Volumenstrom einzustellen, der der Einlauflippe zugeführt wird, um Druck und Temperatur der der Klimaanlage zugeführten Luft auf einen bestimmten Wertebereich zu regeln oder einzustellen.
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Wie bereits angemerkt, ermöglicht die vorliegende Erfindung grundsätzlich einen Verzicht auf den Einsatz eines Wärmetauschers. Die Erfindung kann jedoch auch dahingehend ausgebildet sein, dass sie einen Wärmetauscher vorsieht, in dem nur ein Teil der von der Zapfluftquelle entnommenen Zapfluft gekühlt wird, während ein anderer Teil an der Einlauflippe gekühlt wird, oder dass sie einen Wärmetauscher vorsieht, der die gesamte Zapfluft kühlt, aber in nur geringerem Maße, da diese Zapfluft zusätzlich in der Einlauflippe gekühlt wird. Dementsprechend kann der Wärmetauscher kleiner und kostengünstiger ausgebildet sein. Ein solcher Wärmetauscher ist gemäß einer Ausführungsvariante derart angeordnet und ausgebildet, dass er von der Zapfluftquelle stammende Zapfluft kühlt, bevor sie dem Mischer zum Mischen mit der gekühlten Luft der Einlauflippe zugeführt wird.
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In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen von Zapfluft in einem Flugtriebwerk, bei dem Zapfluft einer durch mindestens eine Verdichterstufe des Flugtriebwerks gebildeten Zapfluftquelle nach Kühlung der Zapfluft einer Klimaanlage einer Flugkabine zugeführt wird. Es ist vorgesehen, dass der Zapfluftquelle entnommene Zapfluft der Einlauflippe des Flugtriebwerks zugeführt, dort gekühlt und als gekühlte Zapfluft von der Einlauflippe direkt oder über weitere Komponenten an die Klimaanlage der Flugkabine geleitet wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass Zapfluft nach der Entnahme von der Zapfluftquelle direkt, ohne Durchlaufen eines Wärmetauschers, der Einlauflippe des Flugtriebwerks zugeführt wird.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Zapfluft der Einlauflippe derart zugeführt wird, dass die Zapfluft in der Einlauflippe in Umfangsrichtung zirkuliert. Hierzu weist die Einlauflippe beispielsweise eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer auf, in die Zapfluft schräg eingeblasen wird.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die in der Einlauflippe gekühlte Zapfluft in einem Mischer mit Zapfluft, die von der Zapfluftquelle stammt, gemischt und die gemischte Zapfluft an die Klimaanlage der Flugkabine geleitet wird. Die Zapfluft, die dem Mischer von der Zapfluftquelle zugeführt wird, kann dabei in einem Wärmetauscher gekühlt werden oder alternativ direkt von der Zapfluftentnahme stammen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Turbofantriebwerks, in dem die vorliegende Erfindung realisierbar ist;
- 2 ein Zapfluftsystem eines Flugtriebwerks, das die Kühlung von einer Zapfluftquelle entnommener Zapfluft an der Einlauflippe der Triebwerksgondel vorsieht;
- 3 schematisch das Führen von Zapfluft zu, in und weg von der Einlauflippe einer Triebwerksgondel, wobei die Zapfluft in der Einlauflippe gekühlt wird; und
- 4 ein Blockschaltbild eines Zapfluftsystems gemäß der 2, unter zusätzlicher Berücksichtigung einer Steuereinheit zur Steuerung der Zapfluftentnahme und Zapfluftverteilung.
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Die 1 zeigt schematisch ein Turbofantriebwerk 100, das eine Fanstufe mit einem Fan 10 als Niederdruckverdichter, einen Mitteldruckverdichter 20, einen Hochdruckverdichter 30, eine Brennkammer 40, eine Hochdruckturbine 50, eine Mitteldruckturbine 60 und eine Niederdruckturbine 70 aufweist.
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Der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30 weisen jeweils eine Mehrzahl von Verdichterstufen auf, die jeweils einen Rotor und einen Stator umfassen. Das Turbofantriebwerk 100 der 1 weist des Weiteren drei separate Wellen auf, eine Niederdruckwelle 81, die die Niederdruckturbine 70 mit dem Fan 10 verbindet, eine Mitteldruckwelle 82, die die Mitteldruckturbine 60 mit dem Mitteldruckverdichter 20 verbindet und eine Hochdruckwelle 83, die die Hochdruckturbine 50 mit dem Hochdruckverdichter 30 verbindet. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Wenn das Turbofantriebwerk beispielsweise keinen Mitteldruckverdichter und keine Mitteldruckturbine besitzt, wären nur eine Niederdruckwelle und eine Hochdruckwelle vorhanden.
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Das Turbofantriebwerk 100 weist eine Triebwerksgondel 1 auf (auch als Triebwerksverkleidung bezeichnet), die eine Einlauflippe 14 umfasst und innenseitig einen Triebwerkseinlauf 11 ausbildet, der einströmende Luft dem Fan 10 zuführt. Der Fan 10 weist eine Mehrzahl von Fan-Schaufeln 101 auf, die mit einer Fan-Scheibe 102 verbunden sind. Der Annulus der Fan-Scheibe 102 bildet dabei die radial innere Begrenzung des Strömungspfads durch den Fan 10. Radial außen wird der Strömungspfad durch ein Fangehäuse 2 begrenzt. Stromaufwärts der Fan-Scheibe 102 ist ein Nasenkonus 103 angeordnet.
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Hinter dem Fan 10 bildet das Turbofantriebwerk 100 einen Sekundärstromkanal 4 und einen Primärstromkanal 5 aus. Der Primärstromkanal 5 führt durch das Kerntriebwerk (Gasturbine), das den Mitteldruckverdichter 20, den Hochdruckverdichter 30, die Brennkammer 40, die Hochdruckturbine 50, die Mitteldruckturbine 60 und die Niederdruckturbine 70 umfasst. Dabei sind der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30 von einem Umfangsgehäuse 29 umgeben, dass innenseitig eine Ringraumfläche bildet, die den Primärstromkanal 5 radial außen begrenzt. Radial innen ist der Primärstromkanal 5 durch entsprechende Kranzoberflächen der Rotoren und Statoren der jeweiligen Verdichterstufen bzw. durch die Nabe oder mit der Nabe verbundene Elemente der entsprechenden Antriebswelle begrenzt.
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Im Betrieb des Turbofantriebwerks 100 durchströmt ein Primärstrom den Primärstromkanal 5, der auch als Hauptströmungskanal bezeichnet wird. Der Sekundärstromkanal 4, auch als Nebenstromkanal, Mantelstromkanal oder Bypass-Kanal bezeichnet, leitet im Betrieb des Turbofantriebwerks 100 vom Fan 10 angesaugte Luft am Kerntriebwerk vorbei.
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Die beschriebenen Komponenten besitzen eine gemeinsame Rotations- bzw. Maschinenachse 90. Die Rotationsachse 90 definiert eine axiale Richtung des Turbofantriebwerks. Eine radiale Richtung des Turbofantriebwerks verläuft senkrecht zur axialen Richtung.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird ein in einem solchen Triebwerk ausgebildetes Zapfluftsystem betrachtet, das dazu dient, gekühlte Zapfluft der Klimaanlage der Flugkabine des Flugzeugs zuzuführen, das mittels des Triebwerks oder mehrerer solcher Triebwerke angetrieben wird.
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Gemäß der 2 umfasst das Zapfluftsystem eine Zapfluftquelle 31, 32, eine Einlauflippe 14, ein Verteilersystem zum Verteilen von Zapfluft und eine Luftschnittstelle 7 zur Klimaanlage einer Flugkabine. Die Zapfluftquelle 31, 32 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, zwei Stufen des in der 2 nicht dargestellten Hochdruckverdichters des Flugtriebwerks. Beispielsweise wird Zapfluft der 7-ten und 8-ten Stufe, oder der 7-ten und 9-ten Stufe des Hochdruckverdichters entnommen. Dabei ist es steuerbar, zu welchem Anteil die Zapfluft den beiden Stufen entnommen wird.
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Die Einlauflippe 14 ist an dem stromaufwärtigen Ende der Triebwerksgondel 1 ausgebildet. Sie bildet eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer 140 aus, in der einströmende Luft zirkulieren kann. Die Kammer 140 wird beispielsweise durch die Wandung der Einlauflippe gebildet. Alternativ kann in der Einlauflippe 14 eine gesonderte Struktur ausgebildet sein, die eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer bildet. Die Einlauflippe 14 bildet eine Zuführungsöffnung 141 aus, durch die Zapfluft in die Kammer 140 einleitbar ist, und eine Entnahmeöffnung 142 aus, aus der Zapfluft aus der Kammer 140 herausleitbar ist.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Zuführungsöffnung 141 derart schräg verläuft, dass Zapfluft schräg in die sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer 140 der Einlauflippe 14 geleitet wird, so dass die eingeleitete Zapfluft in der Einlauflippe 14 zirkuliert.
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Das Verteilersystem zum Verteilen von Zapfluft weist eine Vielzahl von Rohrleitungen auf, die die einzelnen Komponenten des Zapfluftsystems miteinander verbindet. So ist eine Rohrleitung 24 vorgesehen, die direkt mit der Zapfluftquelle 31, 32 gekoppelt ist und der Einlauflippe 14 direkt, d.h. ohne Durchlaufen eines Wärmetauschers, von der Zapfluftquelle entnommene Zapfluft zuführt. Zur Zapfluftentnahme sind dabei zwei Rohrleitungen 21, 22 vorgesehen, deren Enden jeweils einer der Stufen 31, 32 des Hochdruckverdichters zugewandt sind, aus denen Zapfluft entnommen wird. Die Rohrleitungen 21, 22 münden in die Rohrleitung 24, die zur Einlauflippe 14 führt. Ein Teil der entnommenen Zapfluft kann dabei, wie in Bezug auf die 4 noch ausgeführt werden wird, direkt einem schematisch dargestellten Mischer 18 oder einem Wärmetauscher zugeführt werden.
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Das Verteilersystem umfasst des Weiteren eine Rohrleitung 26, die von der Entnahmeöffnung 142 der Einlauflippe 14 über den schematisch dargestellten Mischer 18 einer Luft-Schnittstelle 7 zugeführt wird. Der Mischer 18 erhält zum einen in der Einlauflippe 14 gekühlte Zapfluft und zum anderen heiße, direkt von der Zapfluftquelle 31, 32 stammende Zapfluft. Vom Mischer 18 führt eine Ausgangs-Rohrleitung 27 zu der Luft-Schnittstelle 7, in der die beiden Zapfluft-Ströme gemischt sind.
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Alternativ kann auf einen solchen Mischer 18 verzichtet werden, so dass die aus der Einlauflippe 14 herausgeführte, gekühlte Zapfluft direkt der Luft-Schnittstelle 7 und von dieser der Klimaanlage der Flugkabine zugeführt wird.
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Die Luft-Schnittstelle 7 stellt einen Übergabepunkt dar, an dem gekühlte Zapfluft des Flugtriebwerks einer der Klimaanlage zugeordneten Komponente, beispielsweise einer Rohrleitung, die zur Klimaanlage führt, übergeben wird. Die Luft-Schnittstelle 7 stellt dabei noch eine Komponente des Flugtriebwerk dar, während die mit der Luft-Schnittstelle 7 verbundene Rohrleitung zumindest teilweise außerhalb des Flugtriebwerks verläuft. Die Luft-Schnittstelle 7 kann beispielsweise durch das Ende einer Rohrleitung oder durch eine Anschlussöffnung in einer Komponente des Verteilersystems, beispielsweise einer Anschlussöffnung im Mischer 18 oder einer dem Mischer 18 nachgeordneten Komponente gebildet sein.
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Die Funktionsweise des Zapfluftsystems ist wie folgt. Zapfluft wird im Bereich der Verdichterstufen 31, 32 dem Hochdruckverdichter des Flugtriebwerk entnommen. Ein Teil der entnommenen Zapfluft wird über die Rohrleitung 24 und die Zuführungsöffnung 141 der Einlauflippe 14 zugeführt. In der Einlauflippe 14 zirkuliert die Zapfluft ein oder mehrere Male und wird dabei gekühlt. Die gekühlte Zapfluft wird über die Entnahmeöffnung 142 der Einlauflippe 14 entnommen und über die Rohrleitung 26 dem Mischer 18 zugeführt. Ein anderer Teil der entnommenen Zapfluft wird direkt dem Mischer 18 zugeführt. In dem Mischer 18 werden die beiden Zapfluft-Ströme gemischt, wobei die Temperatur des Gemisches sich von der Temperatur der von der Einlauflippe 14 kommenden Zapfluft unterscheidet, und über die Ausgangs-Rohrleitung 27 der Luft-Schnittstelle 7 der Klimaanlage der Flugkabine zugeführt.
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In einer alternativen, in der 2 nicht dargestellten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Anteil der entnommenen Zapfluft, die dem Mischer 18 nicht über die Einlauflippe 14 zugeführt wird, in einem Wärmetauscher gekühlt wird. Das vom Mischer 18 der Luft-Schnittstelle 7 zugeführte Zapfluft-Gemisch weist in einem solchen Fall eine geringere Temperatur auf als die Temperatur der Zapfluft, die von der Einlauflippe 14 stammt.
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Die 3 zeigt schematisch den Verlauf der Zapfluft, die einer Zapfluftquelle entnommen, in der Einlauflippe zirkuliert und anschließend einer Luft-Schnittstelle zugeführt wird. Ein Mischer ist in der Darstellung der 3 nicht vorgesehen, könnte jedoch alternativ ebenfalls realisiert sein.
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Die Zapfluftquelle wird in dem Ausführungsbeispiel der 3 nur durch eine Stufe 32 des Hochdruckverdichters bereitgestellt. Alternativ könnte die Zapfluft, wie in der 2 dargestellt ist, mehreren Stufen des Hochdruckverdichters entnommen sein.
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Die Zapfluft wird von der Zapfluftquelle 32 über eine Rohrleitung 24 der Zuführungsöffnung 141 der Einlauflippe zugeführt. In der Einlauflippe 14 zirkuliert die Zapfluft in einer Kammer 140 und kühlt sich dabei ab. Sie wird nach Zirkulation und Abkühlung an der Entnahmeöffnung 142 entnommen und über eine Rohrleitung 26 der Luft-Schnittstelle zugeführt. In der Kammer 140 weist die Zapfluft dabei aufgrund einer größeren Querschnittsfläche der Kammer 140 eine geringere Geschwindigkeit auf als in den Rohrleitungen 24, 26, so dass eine effiziente Kühlung der Einlauflippe 14 erfolgen kann.
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Die 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Zapfluftsystems gemäß der 2, wobei zusätzlich Komponenten zur Steuerung der Zapfluftentnahme und Zapfluftverteilung dargestellt sind.
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Eine Zapfluftquelle wird durch zwei Stufen 31, 32 eines Hochdruckverdichters 30 des Flugtriebwerks gebildet. Die eine Stufe 31 stellt eine niedrigere Stufe (Lo) und die andere Stufe 32 eine höhere Stufe (Hi) dar. Von den beiden Stufen 31, 32 wird Zapfluft über ein Rückschlagventil 12 bzw. eine Drossel 13 und Rohrleitungen 21, 22 einem Druckregelventil 15 und von diesem über eine weitere Rohrleitung 23 einem Mehrwege-Ventil 16 zugeführt. Vom Mehrwege-Ventil 16 wird ein Teil der Zapfluft über eine Rohrleitung 24 einer Kammer 140 der Einlauflippe 14 des Flugtriebwerk zugeführt. Die Zuführung der Zapfluft erfolgt dabei über eine Zuführungsöffnung 141 und eine Dralldüse 240, über die die Zapfluft mit einem Drehimpuls und dabei schräg oder in Umfangsrichtung in die Kammer 140 eingeleitet wird.
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Ein anderer Teil der Zapfluft wird vom Mehrwege-Ventil 16 über eine Rohrleitung 25 einem optionalen Wärmetauscher 17 zugeführt, der die erhaltene Zapfluft kühlt und anschließend an den einen Zugang eines Mischers 18 führt. Die vom Wärmetauscher 17 gekühlte Luft wird dabei beispielsweise ebenfalls über eine Dralldüse 250 in den Mischer 18 eingeleitet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung des Wärmetauschers 17 lediglich optional ist. In alternativen Ausführungsbeispielen wird ein Teil der Zapfluft vom Mehrwege-Ventil 16 direkt dem Mischer 18 zugeführt.
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Der Mischer 18 erhält des Weiteren über die Entnahmeöffnung 142 und die Rohrleitung 26 Zapfluft von der Kammer 140 der Einlauflippe 14. Die der Einlauflippe 14 entnommene und dem Mischer 18 zugeführte Luft ist dabei zuvor in der Kammer 140 der Einlauflippe 14 zirkuliert und hat sich dabei unter Kühlung der Einlauflippe 14 abgekühlt. Die über die Rohrleitung 26 zugeführte Luft wird im Mischer 18 mit der über die Rohrleitung 25 bereitgestellten Luft gemischt.
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Der Ausgang des Mischers 18 stellt eine Luft-Schnittstelle 7 zur Klimaanlage einer Flugkabine dar. Eine Rohrleitung 27 führt von der Luft-Schnittstelle 7 zu einer solchen Klimaanlage. Alternativ kann die Luft-Schnittstelle beispielsweise auch am Ende der Rohrleitung 27 ausgebildet sein. Ein kleiner Teil der in der Rohrleitung 27 strömenden Zapfluft wird abgezweigt und durch einen Drucksensor 61 und einen Temperatursensor 62 im Hinblick auf Druck und Temperatur erfasst. Die entsprechenden Messwerte werden einer elektrischen Steuereinheit 6 zugeführt. Unter Berücksichtigung der durch den Drucksensor 61 und den Temperatursensor 62 bereitgestellten Werte für Druck und Temperatur der am Ausgang des Mischers 18 bereitgestellten Zapfluft steuert oder regelt die Steuereinheit 6 insbesondere die Drossel 13, das Druckregelventil 15, dass Mehrwege-Ventil 16 und, sofern vorhanden, den Wärmetauscher 17. Auf diese Weise können gesteuert werden:
- - der Anteil der Zapfluft, der der Stufe 31 und der Stufe 32 des Hochdruckverdichters 30 entnommen wird, wobei vorgesehen sein kann, dass Druckluft nur der Stufe 31 entnommen wird,
- - der Anteil der Zapfluft, der der Einlauflippe 14 zugeführt wird, wobei vorgesehen sein kann, dass sämtliche Zapfluft vom Mehrwege-Ventil 16 der Einlauflippe 14 zugeführt wird,
- - eine Kühlung des Anteils der Zapfluft, die vom Mehrwege-Ventil 16 dem Mischer 18 zugeführt wird, in dem Wärmetauscher 17.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Beispielsweise ist die Verwendung eines Mischers 18 nur optional. Weiter wird darauf hingewiesen, dass die verwendeten Rohrleitungen nur schematisch dargestellt sind. Die einzelnen Rohrleitungen können ihrerseits aus mehreren miteinander verbundenen Teilen bestehen, die direkt oder über Ventile oder andere Luftleitungselemente miteinander verbunden sind.
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Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander kombiniert werden können. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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