DE2403159C3

DE2403159C3 - Anlage zum Kühlen von an Bord eines Flugzeugs befindlichem Brennstoff

Info

Publication number: DE2403159C3
Application number: DE2403159A
Authority: DE
Inventors: Kleber Paris Toure
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1973-02-05
Filing date: 1974-01-23
Publication date: 1979-07-26
Also published as: US3874168A; DE2403159B2; GB1426411A; FR2216175A1; DE2403159A1; FR2216175B1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Kühlen während des Flugs von an Bord eines Flugzeugs befindlichem Brennstoff, der zum Speisen eines Schubtriebwerks des Flugzeugs bestimmt ist, wobei das Flugzeug mit einer Brennstoffspeisepumpe für das Triebwerk und mit einer Rückführungsleitung ausgerüstet ist, die wenigstens bei bestimmten Betriebszuständen des Triebwerks ein Wiederumlaufen eines Teils des von der Speisepumpe geförderten Brennstoffdurchsatzes zur Ansaugseite der Speisepumpe zuläßt, und wobei die Anlage zum Kühlen eines in thermischer Berührung mit dem zu kühlenden Brennstoff stehenden, von einem Kühlmittel durchströmten Wärmetauscher und ein Gerät aufweist, das eine Beschleunigung der Strömung des Kühlmittels durch den Wärmetauscher zuläßt. mi

Bei einer vorbekannten Anlage dieser Art (DE-OS 57 624) wird der Wärmetauscher von Außenluft durchströmt, wobei der Luftauslaß des Wärmetauschers wahlweise mit dem Lufteinlaß des Verdichters einer Bordhilfsturbine oder mit der Außenseite des Flugzeugs ", verbunden werden kann. Der das Strömungsbeschleunigungsgerät bildende Verdichter wird somit von einer Gasturbine angetrieben, die als Bordhilfsturbine dient.

Bei der Auslegung der Bordhilfsturbine muß berücksichtigt werden, daß der durch die Rückführungsleitung zurückgeführte Anteil des Brennstoffdurchsatzes bei einer Anlage mit einer Brennstoffspeisepumpe konstanten Durchsatzes mit zunehmender Flughöhe größer wird. Die Bordhilfsturbine muß daher so ausgelegt werden, daß der Wärmetauscher bei ungünstigsten Betriebsbedingungen (maximale Flughöhe) zufriedenstellend betrieben werden kann. Dies führt dazu, daß die vorbekannte Anlage relativ große Abmessungen und ein entsprechend hohes Gewicht besitzt Darüber hinaus ist bei vom Auslegungspunkt abweichenden Betriebsbedingungen (niedrigere Flughöhe) mit einem relativ schlechten Wirkungsgrad zu rechnen. Schließlich ist die vorbekannte Anlage abhängig vom Vorhandensein einer Bordhilfsturbine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zum Kühlen während des Flugs von an Bord eines Flugzeugs befindlichem Brennstoff zu schaffen, die trotz eines geringeren Platz- und Raumbedarfs einen möglichst guten Wirkungsgrad bei allen Betriebszuständen besitzt

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Anlage mit den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Hydraulikmotor das Strömungsbeschleunigungsgerät (Gebläseschaufelkränz) antreibt, und daß der Hydraulikmotor über eine Drosseleinrichtung mit wenigstens einem Teil des die Rückführungsleitung durchströmenden Brennstoffdurchsatzes gespeist wird, wobei die Steuerung der Drosseleinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur des zu kühlenden Brennstoffs erfolgt

Die vorliegende Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß sich einerseits der Energiebedarf zum Antreiben des Strömungsbeschleunigungsgeräts für die Strömung des Kühlmittels und andererseits die durch das Zurückströmen eines Teils des Brennstoff zur Verfügung gestellte Energie bei Änderungen des Betriebszustandes (insbesondere der Flughöhe) im gleichen Sinne ändern. Wenn nämlich die Flughöhe des Flugzeugs größer wird, muß der Durchsatz des Kühlmittels (Luft) durch den Wärmetauscher vergrößert werden, um die erhöhte Wärmezufuhr (aufgrund des höheren Durchsatzes von durch die Rückführleitung zurückgeführtem Brennstoff) sowie die Verminderung des spezifischen Gewichtes der Luft aufgrund der größeren Flughöhe auszugleichen. Andererseits wird der durch die Rückführleitung zurückgeführte Anteil des Brennstoffdurchsatzes mit zunehmender Flughöhe größer, da der effektive Brennstoffverbrauch im Triebwerk mit der Flughöhe abnimmt, so daß die durch die Rückführung des Brennstoffs freigesetzte Energie entsprechend anwächst.

Hierdurch wird erreicht, daß die erfindungsgemäße Anlage in allen Betriebszuständen mit gutem Wirkungsgrad arbeitet, insbesondere braucht die Anlage nicht für den ungünstigsten Betriebszustand entsprechend groß dimensioniert zu werden, so daß der Platzbedarf und das Gewicht vergleichsweise gering sein können. Die erfindungsgemäße Anlage zeichnet sich ferner durch große Einfachheit aus. Schließlich ist die erfindungsgemäße Anlage unabhängig von einer Bordhilfsturbine, da die Brennstoffrückführleitung, die als Energielieferer für das Strömungsbeschleunigungsgerät benutzt wird. Teil der Regelanlage des Haupttriebwerks bildet.

Anhand der Zeichnung wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Anlage zum

Kahlen von an Bord eines Flugzeugs befindlichem Brennstoff;

F i g. 2 eine schematische Ansicht bestimmter Einzelheiten dieser Anlage.

F i g. 1 zeigt ein Triebwerk 1, etwa eine Strahlturbine, die an Bord eines Flugzeugs angebracht und zum Antrieb des nicht gezeigten Flugzeugs bestimmt ist Dieses Triebwerk enthält insbesondere wenigstens einen Brenner 2, der mit aus einem Brennstoffbehälter R stammenden Brennstoff versorgt wird, wobei dieter Brennstoffbehälter ebenfalls an Bord des Flugzeugs angebracht ist Dieser Behälter R ist mit dem Brenner 2 verbunden über eine Niederdruckleitung 3, eine Brennstoffpumpe 4 und eine Hochdruckleitung 5. In diese Hochdruckleitung 5 ist ein Dosierregler 6 eingeschaltet, der entsprechend dem Bedarf den tatsächlich am Triebwerk ankommenden Brennstoffdurchsatz Qi zu verändert gestattet

Die Pumpe 4 ist im allgemeinen eine solche mit festgelegter Fördermenge, so daß bei ein-ir für die Pumpe gegebenen Drehzahl der von dieser gelieferte Durchsatz konstant ist Es muß folglich wenigstens bei bestimmten Betriebsbedingungen des Triebwerks wenigstens ein Bruchteil Qz des von der Pumpe 4 geförderten Durchsatzes zur Ansaugseite dieser Pumpe wiederumlaufen.

Zu diesem Zweck ist für diesen Bruchteil Qz eine Rückführungsleitung 7 vorgesehen, die mit dem Behälter R über eine zwischengeschaltete Leitung 8 in Verbindung steht, in der ein austariertes Klappenventil 9 eingeschaltet ist, das gleichzeitig als Energieabbauvorrichtung dient. Dieses Klappenventil öffnet sich solange wie der in der Rückführungsleitung 7 herrschende Druck einen vorgegebenen Wert übersteigt und läßt den wiederumlaufenden Durchsatz Qi nach Abbau seiner Energie in den Behälter Λ zurückfließen.

Im Betrieb ist stets Q= Qi + Qz- Daraus ergibt sich, daß der wiederumlaufende Durchsatz Q₂ zunimmt, wenn der tatsächlich im Triebwerk verwendete Durchsatz Q] abnimmt (dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Flughöhe zunimmt).

Die Temperatur des im Behälter R befindlichen Brennstoffs neigt dazu, im Verlauf des Flugs des Flugzeugs anzusteigen, einesteils wegen der Nähe der zu der vom Triebwerk 1 gebildeten Wärmequelle und andererseits infolge des Energieabbaus des wiederumlaufenden Brennstoffs. Dieser Brennstoff muß daher aus Sicherheitsgründen gekühlt werden.

Zu diesem Zweck wird der Elrennstoff einem Wärmeaustausch mit einem geeigneten Kühlmittel, etwa Luft, unterworfen.

F i g. 1 zeigt einen Wärmetauscher 10 mit einer Vielzahl von Wärmetauschrohren, die so angeordnet sind, daß sie den Behälter R durchqueren. Diese Rohre stehen außen in Wärmeberührung mit aem zu kühlenden Brennstoff und sie werden innen von einem Luftstrom A durchströmt Dieser Luftstrom dringt in den Wärmetauscher durch eine stromlinienförmige Eintrittsverkleidung U ein und verläßt ihn durch eine stromlinienförmige Austrittsverkleidung 12.

Ein Gerät 13 gestattet eine Beschleunigung der Kühlmittelströmung durch die Rohre des Wärmetauschers 10. Wie in F i g. 1 gezeigt, enthält dieses Strömungsbeschleunigungsgerät z. B. ein Gebläse 13 vorteilhaft von der Helicozentrifugal-Bauart, das in der stromlinienförmigen Eintrittsverkleidung 11 angeordnet ist und von einem Hydraulikmotor 14, etwa einer hydraulischen Turbine der Peiton-Bauart, angetrieben wird

Das Gebläse 13 und die Turbine 14 haben vorteilhaft einen gemeinsamen Rotor, der sich in einem von stromlinienförmigen Armen 41 getragenen Lager dreht Dieser Rotor weist zwei radial übereinandergeordnete Schaufelkränze auf, nämlich einen Gebläseschaufelkranz 15 und einen Turbinenschaufelkranz 16.

Der Turbinenschaufelkranz 16 dreht sich in einem Gehäuse 17 mit einem Einlaß 18 und einem Auslaß 19.

ίο Der Einlaß 18 des Turbinengehäuses weist vorteilhaft eine tangentiale Einspritzdüse der Pelton-Bauart auf und ist über eine Leitung 20 mit der Brennstoffrückführungsleitung 7 verbunden. Der Auslaß 19 des Gehäuses 17 ist über eine Leitung 21 mit dem Behälter R verbunden. Das die hydraulische Turbine antreibende Antriebsströmungsmittel wird daher wenigstens zum Teil von dem die Rückführungsleitung 7 durchströmenden Brennstoffdurchsatz Qz gebildet

Das Gebläse 13 gestattet die Förderung eines

bedeutenden Luftdurchsatzes durch die Wärmetauschrohre 10.

Die Drehzahl der hydraulischen Turbine 14 (und folglich der vom Gebläse 13 geförderte Luftdurchsatz) kann mittels einer Drosseleinrichtung 22 geregelt

werden, die eine Änderung des an der Turbine ankommenden Durchsatzes von Hochdruckbrennstoff gestattet Die Drosseleinrichtung 22 kann automatisch in Abhängigkeit von der Brennstofftemperatur im Behälter R betätigt werden, wobei diese Temperatur mit Hilfe eines Gebsrs 23 gemessen wird.

F i g. 2 zeigt mehr ins einzelne gehend eine Ausführungsform des Steuersystems der Drosseleinrichtung 22. Der Geber 23 weist ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse 24 auf, das in den Brennstoffbehälter R eingetaucht ist Dieses Gehäuse enthält einen Satz von verformbaren Kapseln 25, die von einem ausdehnbaren Strömungsmittel umspült werden. Diese Kapseln sind durch eine zwischengeschaitete Stange 26 mit einem Steuerschieber 27 verbunden, der in einem Gehäuse 28 beweglich ist und mit einer in diesem Gehäuse angebrachten öffnung 29 in der Weise zusammenarbeitet, daß er einen Kanal 30 mit veränderlichem Querschnitt bildet. Der Steuerschieber 27 bildet mit dem Gehäuse 28 eine Kammer 31, die über eine Leitung 32

■π dauernd mit der Rückführungsleitung 7 verbunden ist. Die Kammer 31 verbindet ebenfalls über den Kanal 30 mit veränderlichem Querschnitt eine Leitung 33 und eine Drosselstelle 34 mit dem Brennstoffbehälter R. Der oberhalb der Drosselstelle 34 in der Leitung 33 herrschende Druck wird mittels einer Leitung 35 abgeleitet und beaufschlagt einen Servokolben, der gleichzeitig die genannte Drosseleinrichtung 22 bildet.

Wenn die Brennstofftemperatur im Behälter R zunimmt steigt der Druck des ausdehnbaren Strömungsmittels im Gehäuse 24 in der Weise an, daß die Kapseln 25 zusammengedrückt werden. Die Stange 26 des Steuerschiebers 27 wird dann links in der Weise verschoben, daß der Querschnitt des Kanals 30 abnimmt. Aus diesem Grund nimmt der in der Leitung

IV, 35 herrschende Druck ab und die Drosseleinrichtung 22 verschiebt sich nach links, d. h. im Sinn einer Vergrößerung des der Turbine 14 zugeführten Brennstoffdurchsatzes. Diese Turbine beschleunigt sich in der WeHe, daß der vom Gebläse 13 in den Wärmetauscher

r. 10 geförderte Kühlluftdurchsatz zunimim und mit ihm der Wirkungsgrad der Kühlung des im Behälter R enthaltenen Brennstoffs.

Eine auf den Kapseln 25 abgestützte Schraube 36

gestattet die Ansprechgrenze der Vorrichtung zu regeln. Man kann z. B. so verfahren, daß die Turbine 14 unterhalb einer bestimmten Brennstofftemperatur nicht mit Antriebsströmungsmittel versorgt wird. Das Gebläse 13 dreht sich folglich als einfaches Windrad unter der Wirkung des unter dem dynamischen Druck des Flugs stehenden Luftstroms A.

Die vorliegende Einrichtung gestattet die Erzielung verschiedener Vorteile. Ein erster Vorteil wird gebildet durch die Möglichkeit einer automatischen Regelung in Abhängigkeit vom Bedarf des Kühlwirkungsgrades des Brennstoffs und dies ganz bei Verwendung eines Wärmetauschers 10 mit vermindertem Platzbedarf und Gewicht.

Ein zweiter Vorteil liegt in der Vergrößerung der allgemeinen Leistungsfähigkeit der Anlage durch Verwendung der in dem um die Pumpe 4 herum rezirkulierten Brennstoffstrom enthaltenen Gratisenergie.

Es ist zu bemerken, daß die Verwendung dieser Gratisenergie um so mehr von Interesse ist, als sie im wesentlichen erzeugt wird, wenn das Flugzeug in großer Höhe fliegt. In der Tat entsteht daher eine vorteilhafte Paarung eines Bedarfs (und zwar desjenigen, den Volumendurchsatz der Kühlluft in der Weise zu vergrößern, um in der Höhe die Verminderung des spezifischen Gewichts dieser Luft auszugleichen) und einer Antwort auf diesen Bedaf (nämlich das Vorhandensein einer von wiederumiaufenden Brennstoff gebildeten sehr bedeutenden Energiequelle. Es ist hierbei daran zu erinnern, daß der vom Triebwerk 1

κι tatsächlich verbrauchte Brennstoffdurchsatz Qi bei zunehmender Flughöhe in der Weise abnimmt, daß der zum Antreiben der Turbine 14 zur Verfügung stehende Brennstoffdurchsatz Qi zunimmt und mit ihm der vom Gebläse 13 in den Wärmetauscher 10 geförderte

: 5 Volumendurchsatz der Kühlluft).

Es könnte z. B. der Wärmetauscher 10 auch außerhalb des Behälters R angeordnet sein, mit dem er dann über Brennstoffumlaufieitungen verbunden wäre. Andererseits könnte der Hydraulikmotor 14 statt am Umfang des Gebläses 13 in der Nabe dieses Gebläses angeordnet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anlage zum Kühlen während des Flugs von an Bord eines Flugzeugs befindlichem Brennstoff, der zum Speisen eines Schubtriebwerks des Flugzeugs bestimmt ist, wobei das Flugzeug mit einer Brennstoffspeisepumpe für das Triebwerk und mit einer Rückführungsleitung ausgerüstet ist, die wenigstens bei bestimmten Betriebszuständen des Triebwerks ein Wiederumlaufen eines Teils des von der Speisepumpe geförderten Brennstoffdurchsatzes zur Ansaugseite der Speisepumpe zuläßt, und wobei die Anlage zum Kühlen einen in thermischer Berührung mit dem zu kühlenden Brennstoff stehenden, von einem Kühlmittel durchströmten Wärmetauscher und ein Gerät aufweist, das eine Beschleunigung der Strömung des Kühlmittels durch den Wärmetauscher zuläßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hydraulikmotor (14) das Strömungsbeschleunigungsgerät (Gebläseschaufelkranz 15) antreibt, und daß der Hydraulikmotor über eine Drosseleinrichtung (22) mit wenigstens einem Teil des die Rückführungsleitung durchströmenden Brennstoffdurchsatzes gespeist wird, wobei die Steuerung der Drosseleinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur des zu kühlenden Brennstoffs erfolgt

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikmotor (14) eine hydraulische Turbine ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Turbine von der Pelton-Bauart ist.

4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsbeschleunigungsgerät (Gebläseschaufelkranz 15) und die hydraulische Turbine den gleichen Rotor mit zwei radial übereinander gelagerten Schaufelkränzen haben, die vom Kühlmittel bzw. von dem aus der Rückführungsleitung stammenden Brennstoff durchströmt werden.