DE2336500C3 - Vorrichtung zur Klimatisierung von Luftfahrzeugkabinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Klimatisierung von Luftfahrzeugkabinen mit Luftumlaufkreis, wobei zwischen einer Druckluftquelle und einem Einspeisungspunkt im Luftumlaufkreis eine über eine Speiseleitung mit Speiseluft beaufschlagte erste KUhlturbine angeordnet ist.

Bei den heute gebauten Flugzeugen ist es üblich, die Kabine mit Hilfe von Druckluft zu klimatisieren. Die hierfür erforderliche Druckluft kann entweder einem Verdichter eines Triebwerkes oder einem besonderen Kompressor entnommen werden. Durch Entnahme von Druckluft wird jedoch die Leistung eines Triebwerkes herabgesetzt und daher ist man bei derartig versorgten Klimaanlagen bestrebt, die Menge der abgezapften Speiseluft bzw. den Energiebedarf für die Klimatisierung auf einen möglichst geringen Wert zu begrenzen. Um diese Ziel zu erreichen, werden daher Klimaanlagen mit Luftuml.aufkreisen benutzt, welche den Vorteil haben, durch Wiederverwendung aufbereiteter Umluft weniger Speiseluft zu benötigen.

Aus der GB-PS 9 76 564 bzw. der korrespondierenden FR-PS 13 76 252 ist eine Klimaanlage mit Luftumlaufkreis bekannt, bei welcher eine von der Speiseluft beaufschlagte Kühlturbine einen Kompressor mi zur Förderung der Umluft antreibt. Dies ist jedoch nicht günstig, weil hierbei Druckschwankungen der vom Triebwerk entnommenen Speiseluft sich auf die Leistung des Kompressors und damit auf die geförderte Umluftmeng« auswirken. Es kann sogar vorkommen, ιί daß bei niedrigen Triebwerksdrücken die geförderte Umluftmenge praktisch auf Null zurückgeht, so daß der Umluftbetrieb nicht mehr besteht. Dies ist z. B. bei einem am Boden befindlichen Flugzeug der Fall, so daß hierfür zusätzliche Aggregate zur Klimatisierung notwendig sind. Wegen der erwähnten Mangel wird daher diese bekannte Klimaanlage als unbefriedigend angesehen.

Bei einer weiteren aus der US-PS 30 97 504 bekannten Klimaanlage mit Luftumlaufkreis erfolgt die Förderung der Umluft ebenfalls durch einen Kompressor, der, wie bei der zuvor abgehandelten Klimaanlage, durch eine von der Speiseluft beaufschlagte Turbine angetrieben wird. Die Kühlung der Speiseluft und der damit vereinigten Umluft erfolgt über einen Verdampfer, der in einem geschlossenen Kreislauf von einem durch Verdampfung die Wärme der Gesamtluft entziehenden flüssigen Kühlmittel durchströmt wird. Hierzu und zur Abkühlung des verdampften Kühlmittels sind jeweils zwei mit Stauiuft versorgte Turbinen und damit gekoppelte Kompressoren eingesetzt, welche die Stauluft entweder direkt oder über einen Kompressor in die Umgebung ableiten. Diese Klimaanlage hat die gleichen Nachteile, wie die zuvor beschriebene Klimaanlage, da die Umluft für die Wiedereinführung in den Umlaufkreis von einem Kompressor gefördert wird, der lediglich von der durch die Speiseluft beaufschlagten Turbine angetrieben wird. Druckschwankungen der Speiseluft wirken sich daher stark auf die Förderung der Umluftmenge aus und können daher, insbesondere bei am Boden stehenden Flugzeugen, dazu führen, daß der Umluftbetrieb zusammenbricht Diese Klimaanlage erfordert daher für am Boden stehende Flugzeuge zusätzliche Kühlaggregate und ist daher für moderne bodenunabhängige Luftfahrzeuge ungeeignet.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage mit Luftumlaufkreis für Luftfahrzeugkabinen vorzusehen, bei der die über eine erste Kühlturbine einem Einspeisungspunkt des Luftumlaufkreises zugeführte Speiseluft auf ein Minimum beschränkt ist und die unabhängig von Schwankungen de Druckluftquelle eine hinreichende Klimatisierung auch am Boden stehender Flugzeuge gewährleistet. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die erste KUhlturbine mechanisch mit einem Umgebungsluft sekundärseitig durch einen Wärmetauscher fördernden Kühlluftgebläse verbunden ist und daß der Luftumlaufkreis stromabwärts vom Einspeisungspunkt folgende hintereinander in Strömungsverbindung stehende Komponenten aufweist: Den Wärmetauscher, eine zweite KUhlturbine, einen Wasserabscheider, die zu klimatisierende Kabine, ein Filter und einen von der zweiten Kühlturbine angetriebenen Umluftkompressor.

Die erfindungsgemäße Maßnahme hat den Vorteil, daß durch die Anordnung der zweiten Kühlturbine bzw. ihrer Turbinenstufe innerhalb des Luftumlaufkreises diese Turbine von einer größeren Luftmenge beaufschlagt wird, als wenn sie lediglich von der abgezapften Speiseluft eines Triebwerkes durchströmt wird. Hierdurch wird die Leistung dieser Turbine sowie die des mit ihr gekuppelten Umluftkompressors stabilisiert, so daß sich Druckschwankungen eines Speiseluft liefernden Triebwerkes nicht mehr so stark wie bisher auswirken können. Da gleichzeitig neben dem Umluftkompressor auch ein Kühlgebläse vorgesehen ist, kann eine Flugzeugkabine auch am Boden, wenn Stauluft für einen Wärmetauscher nicht zur Verfugung steht, klimatisiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Flugtriebwerk 1, an das über eine Speiseleitung 2 der für die Klimatisierung vorgesehene Luftumlaufkreis 7 angeschlossen ist. Das Triebwerk 1 besitzt ein Frontgebläse la, einen Mitteldruckverdichler

1 b und einen Hochdruckverdichter ic. Die Speiseleitung

2 ist hier beispielsweise an den Hochdruckverdichter ic angeschlossen und leitet die entnommene Druckluft, im folgenden Spei^rduft genannt, zunächst primärseitig durch einen Vorkühler 3, in dem die Speiseluft Wärme abgibt; der Vorkühler 3 wird sekundärseitig durch dem Frontgtbläse la entnommene Druckluft als Wärmeabfuhrmittel beaufschlagt Die im Vorkühler 3 abgekühlte Speiseluft durchströmt anschließend eine erste Kühlturbine 11. in der sie sich abkühlt und dabei mechanische Leistung an das mit der Kühlturbine 11 gekuppelte Kühlluftgebläse 12 abgibt Bei niedrigen Triebwerksdrücken kann die Kühlturbine 11 über eine Nebenstromleitung 19 umgangen werden. Hinter der Kühlturbine 11 wird der entspannten Speiseluft am Einspeisungspunkt 13 aufbereitete Umluft zugcrnischt. Dieses Luftgemisch, im folgenden Zuluft genannt, durchströmt anschließend einen Wärmetauscher 14, in den die Zuluft Wärme abgibt Der Wärmetauscher 14 wird durch Umgebungsluft als Wärmeabfuhrmittel beaufschlagt, die durch das Kühlluftgebläse 12 gefördert wird. Anschließend entspannt sich die Zuluft in einer zweiten Kühlturbine 15, in der sie ihre mechanische Leistung an den Umluftkompressor 16 abgibt um danach in einem Wasserabscheider 8 ihre Feuchtigkeit abzugeben. Bevor die Zuluft in die Kabine 5 eintritt, kann ihr zur Temperaturregelung über die Nebenstromleitung 4, die vor der ersten Kühlturbine U von der Speiseleitung 2 abzweigt. Druckluft höherer Temperatur zugemischt werden. Nachdem die so aufbereitete Zuluft nun die Kabine 5 durchströmt hat tritt sie zum Teil durch ein Druckregelventil 6, das auf Kabinendruck eingestellt ist, als Abluft nach außen aus. Der andere Teil der Kabinenluft wird nach Austritt aus der Kabine 5, von hier an Umluf: genannt in einem Filter 9 von CO2 und Geruchsstoffen gereinigt Danach wird die gereinigte *o Umluft durch den Umluftkompressor 16 verdichtet und am Einspeisungspunkt 13 der Speiseluft zugemischt. Der zweiten Kühlturbine 15 kann zur Regelung der Lufttemperatur am Turbinenauslaß eine Nebenstromleitung zugeordnet werden,die in Fig. ? nicht mit einer 4> Bezugsziffer versehen ist.

Die Druckluft, die in d-esem Ausführungsbeispiel einem Zweikreis-Flugtriebwerk entnommen wird, kann ebenso von einem eigens angetriebenen Kompressor geliefert oder am Boden bei Nichtbetrieb des Flugtrieb- >» werkes von einer Hilfsgasturöine 10 in die Speiseleitung 2 eingespeist werden.

F i g. 2 zeigt eine andere Variante , bei der die beiden Kühlturbinen 21 und 25 sowie der Umluftkompressor 26 und das Kühlluftgebläse 22 auf einer Welle angeordnet bzw. untereinander mechanisch verbunden sind. Darüberhinaus wird der Wärmetauscher 24 primärseitig in zwei Kreisen, nämlich 24a und 24b durchströmt. Der Einfachheit halber sind in Fig.2 und in den folgenden Figuren das Triebwerk 1 und der Vorkühler 3 sowie die w> Hilfsgasturbine 10 fortgelassen. Die vom Triebwerk 1 bzw. vom Vorkühler 3 kommende Speiseluft kühlt sich also zunächst im ersten Kreis 24a des Wärmetauschers 24 ab und entspann» sich dann in der ersten Kühlturbine 21. Dahinter wird der Speiseluft am Einspeisungspunkt ■■ ■ 23 aufbereitete Umluft ZLr^emischt; von hier bis zum Eintritt in die Kabine 5 wird diese Mischluft Zuluft genannt.

Die Zuluft entspannt sich weiter in der zweiten Kühlturbine 25, durchströmt dann den Wasserabscheider 8 und die Kabine 5. Ein Teil der Kabinenluft strömt als Abluft über ein Druckregelventil 6 außenbords. Ein Teil zirkuliert als Umluft weiter im Luftumlaufkreis 7. Dabei wird die Umluft im Filter 9 gereinigt durch den Umluftkompressor 26 verdichtet, danach im zweiten Kreis 24b des Wärmetauschers 24 wieder abgekühlt und schließlich am Einspeisungspunkt 23 wieder der Speiseluft zugemischt Diese Lösung bietet aufgrund der kompakten Einwellenbauweise der Turbinen-Verdichtereinheit und des zweikreisigen Wärmetauschers 24 bauliche Vorteile und bringt damit auch Gewichtserleichterungen der Klimaanlage mit sich.

F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer zweistufigen Zweiwellenturbinc. Dabei treibt die erste Kühlturbine 31 über eine Hohlwelle das Kühlluftgebläse 32, das seinerseits am Boden für den erforderlichen Kühlluftdurchsatz de' Wärmetauschers 34 sorgt, im Flugbeträeb wird durch ein Rückschlagventil 30a, das ebenfalls durch ein Absperrventil ersetzt werden kann, eine dem Kühlluftgebläse 32 zugeordnete Nebenstromleitung 30 geöffnet, so daß die den Wärmetauscher 34 beaufschlagende Stauluft ungehindert abtließen kann. Die zweite Kühlturbine 35 treibt den Umluftkompressor 36, der die gereinigte Kabinenluft als Umluft durch den zweiten Kreis 34b des Wärmetauschers 34 zum Einspeisungspunkt 33 fördert. Der ersten Turbinenstufe 31 ist zur Umgehung eine Nebenstromleitung 39 zugeordnet, die durch ein Umschaltventil 39a geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Diese Maßnahme ist für den Fall vorgesehen, daß in großen Flughöhen oder bei Triebwerksleerlauf nur Druckluft mit relativ niedrigem Druckniveau zur Verfugung steht. Durch öffnen der Nebenstromleitung 39 wird dann die erste Turbinenstufe 31 umgangen und das gesamte Druckgefälle und der gesamte Luftdurchsatz in der zweiten Turbinenstufe 35 verarbeitet, womit sich die Betriebsbedingungen für diese zweite Turbinenstuff kaum ändern.

Fig.4 zeigt in weiterer Ausgestaltung gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 die nachfolgenden Unterschiede:

Zunächst ist zur Umgehung des ersten Kreises 44a des Wärmetauschers 44 eine Nebenstromleitung 47 vorgesehen, die bei Bedarf durch das Temperaturregelventil 47a geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Durch diese Maßnahme kann die Eintrittstemperatur der ersten bzw. zweiten Turbinenstufe 41 bzw. 45 verändert und auf die in der Kabine geforderte Temperatur abgestimmt werden. Diese Anordnung der Nebenstromleitung 47 hat insbesondere den Vorteil, da3 die den Umluftkompressor 46 antreibende Turbinenstufe 45 von der gesamten Druckluft, beziehend aus Speise- und Umluft, beaufschlagt wird, so daß die Leistung des Umluftkompressors 46 wenig beeinträchtigt wird.

Ferner ist für >ie zweite Turbinenstufe 45 eine zusätzliche, nicht dargestellte Lufteintrittsdüse vorgesehen, die durch eine entsprechende Zweigleitung 48 über ein Absperrventil 48agespeist wird. Hierdurch kann der Lufteintrittsquerschnitt für die zweite Turbinenstufe 45 bei relativ niedrigem Arbeitsdruck vergrößert werden, der sich aus aus eineiK Druckabfall auf der Triebwerkverdichterseite ergibt. Durch eine derartige Vergrößerung des Lufteintrittsquerschnittes kann der Luftdurchsatz durch die Turbine gesteigert und damit die Mindest-Luftdurchsatzforderune erfüllt werden.

Zusammenfassend kann gefügt werden, daß alle Ausführungsbeispiele nach den F i g. 1 bis 4 geeignet sind, die Kabinenklimatisierung in vorteilhafter Weise durchzuführen. Insbesondere weisen sie den Vorteil auf, daß der die Umluft fördernde Kompressor mit relativ konstanter Leistung arbeitet, da die ihn antreibende Kühlturbine nicht nur von Triebwerksspeiseluft, sondern auch von zirkulierender Umluft beaufschlagt wird. Daher wirken sich Druckschwankungen des Triebwerks bzw. der Druckluftquelle wenig auf die Leistung des Umluftkompressors und damit auf den Luftzustand in der Kabine aus.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für die Klimatisierung von Luftfahn-.eugkabinen mit Luftumlaufkreis, wobei zwischen einer Druckluftquelle und einem Einspei- s sungspunkt im Luftkreislauf eine über eine Speiseleitung mit Speiseluft beaufschlagte erste Kühlturbine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühlturbine (11,21,31,41) mechanisch mit einem Umgebungsluft sekundärseitig durch einen Wärmeaustauscher (14,24,34,44) fördernden Kühlluftgebläse (12, 22, 32, 42) verbunden ist und daß der Luftumlaufkreis (7) stromabwärts vom Einspeisungspunkt (13, 23, 33, 43) folgende hintereinander in Strömungsverbindung stehende Kompo- nenten aufweist: den Wärmeaustauscher (14,24,34, 44), eine zweite Kühlturbine (15, 25, 35, 45), einen Wasserabscheider (8), die zu klimatisierende Kabine (5), ein Filier (9) und einen von der zweiten Kühlturbine (/5, 25. 35. 45) angetriebenen Umluftkompressor (16,26,36,46).

2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Kühlturbine (21, 25) sowie das Kühliuftgebläse (22) und der Umluftkompressor (26) auf einer Welle angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühlturbine (31, 41) und das Kühlluftgebläse (32,42) auf einer ersten Welle sowie die zweite Kühlturbine (35,45) und der Umluftkompressor (36, 46) auf einer zweiten Welle und beide Wellen koaxial angeordnet sind.