DE3121909A1 - INTEGRATED AUXILIARY POWER PLANT AND AIR CONDITIONING UNIT - Google Patents
INTEGRATED AUXILIARY POWER PLANT AND AIR CONDITIONING UNITInfo
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Description
1Α-3528
79R431-3528
79R43
ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California/ U.S.A.ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California / U.S.A.
Integrierte Hilfstriebwerks- und KlimaeinheitIntegrated auxiliary power unit and air conditioning unit
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Turbomaschinen und insbesondere eine integrierte Hilfstriebwerks- und Klimaregelungseinheit für Flugzeuge oder dergleichen.The invention relates to the field of turbomachinery, and more particularly an integrated auxiliary power unit and climate control unit for aircraft or the like.
In großen Flugzeugen wird üblicherweise eine Hilfstriebwerkseinheit vorgesehen. Diese umfaßt eine Antriebsmaschine zum Antrieb eines Kompressors, dessen Druckluft zur Versorgung der Luftzirkulations-Klimaanlage des Flugzeugs dient sowie zur Versorgung der Luftanlaßeinrichtungen des Flugzeugs. Bei Passagierflugzeugen wird üblicherweise die Klimaanlage auch zur Kühlung, Heizung und Druckbeaufschlagung des Passagierabteils verwendet. Diese Einheit umfaßt eine Turbine, welche entweder angetrieben werden kann durch Abzapfluft dos Trieb-An auxiliary power unit is usually used in large aircraft intended. This includes a drive machine for driving a compressor, the compressed air for the supply serves for the air circulation air conditioning system of the aircraft and for supplying the air inlet devices of the aircraft. at In passenger aircraft, the air conditioning system is usually also used for cooling, heating and pressurizing the passenger compartment used. This unit includes a turbine, which can either be driven by bleed air dos drive
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werks des Flugzeugs oder durch Druckluft einer gesonderten
Antriebsmaschine (Hilfsantriebseinheit). Die Antriebsmaschine
treibt dabei einen Kompressor mechanisch an. Hierdurch erhält man einen zusätzlichen Luftstrom zur Turbine
der Klimaanlage. Auf diese Weise kann die richtige Ventilationsrate des Flugzeugs eingestellt werden. Auf diese
Weise erhält man ferner einen Klimaregelzyklus mit niedrigem Energieverbrauch. Ferner kann die Luftströmung der
Klimaregelturbine der Passagierkabine auch mit der gewünschten Temperatur und dem gewünschten Druck zugeführt werden.
Es ist bisher üblich gewesen, den Kompressor der Klimaanlage für maximale Ausgangsleistung anzutreiben, um einen maximalen
Strömungsdurchsatz für die Grenzbedingungen des Heizens und Kühlens zu erhalten. Die gewünschte Temperatur in der
Luftströmung wird dabei eingestellt durch Strömungsmischung mit Hilfe eines Temperatursteuerventils. Es ist üblich in
großen Passagierflugzeugen, eine Vielzahl von unabhängigen Klimaanlagen vorzusehen. Im Falle einer solchen Vielzahl
von unabhängigen Klimaanlagen ist offensichtlich auch eine entsprechende Vielzahl von Sensoren und Steuereinrichtungen
erforderlich. Ferner muß auch dabei der Kompressor einer
jeden dieser Klimaanlagen stets mit maximaler Ausgangsleistung betrieben werden, und zwar unabhängig von dem tatsächlichen
Bedarf, so daß auf jeden Fall der gesamte in Frage
kommende Bedarfsbereich abgedeckt werden kann. Ein solches Verfahren ist natürlich nicht effizient in Bezug auf die
eingesetzte Energie.plant of the aircraft or by compressed air from a separate drive machine (auxiliary drive unit). The prime mover drives a compressor mechanically. This gives an additional air flow to the turbine
the air conditioning. In this way the correct ventilation rate of the aircraft can be set. To this
In addition, a climate control cycle with low energy consumption is obtained. Furthermore, the air flow of the
Climate control turbine of the passenger cabin can also be supplied with the desired temperature and pressure. It has heretofore been customary to drive the compressor of the air conditioning system for maximum output in order to obtain a maximum flow rate for the boundary conditions of heating and cooling. The desired temperature in the air flow is set by mixing the flow with the aid of a temperature control valve. It is common in large passenger aircraft to provide a variety of independent air conditioning systems. In the case of such a multitude
A corresponding number of sensors and control devices are obviously also required by independent air conditioning systems. Furthermore, the compressor must also be one
Each of these air conditioners can always be operated with maximum output power, regardless of the actual need, so that in any case the entire in question
future needs can be covered. Such a procedure is of course not efficient in terms of that
energy used.
Diese Nachteile des Standes der Technik werden durch die
vorliegende Erfindung überwunden. Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung geschaffen, welche sowohl die Funktion einer
Hilfstriebwerkseinheit erfüllt als auch die Funktion einer Vielzahl von Klimaanlagen. Die erfindungsgemäße Einrichtung
hat den Vorteil einer verbesserten Energieeffizienz, einerThese disadvantages of the prior art are addressed by
the present invention has been overcome. According to the invention a device is created which both the function of a
The auxiliary power unit also fulfills the function of a large number of air conditioning systems. The inventive device has the advantage of improved energy efficiency, a
relativ geringen Komplexität, geringer Betriebs- und Wartungskosten sowie eines geringeren Gewichts und weniger teurer Anlagenteile. relatively low complexity, low operating and maintenance costs as well as a lower weight and less expensive system components.
Erfindungsgemäß wird eine Hilfsantriebseinheit geschaffen, welche eine primäre Antriebsmaschine umfaßt sowie einen Kompressor mit variabler Geometrie. Dieser kann angetrieben werden durch die Abzapfluft der Flugzeugtriebwerke,oder er kann über eine Freilaufkupplung antriebsmäßig mit der primären Antriebsmaschine verbunden werden. Der Kompressor ist über eine Welle mit einer Turbine mit geregelter Emission gekoppelt. Auf diese Weise erhält man eine Klimaregeleinheit. Wenn der Kompressor direkt mit der primären Antriebsmaschine angetrieben wird, so dient er zugleich als Hilfsantriebseinheit und als Klimaregeleinheit. Wenn andererseits das Flugzeug sich im Flug befindet, so kan.n der Kompressor von der Antriebseinheit mit Hilfe der Freilaufkupplung entkoppelt werden und durch Anzapfluft der Flugzeugtriebwerke angetrieben werden. In diesem Falle dient die Einrichtung als Klimaregeleinheit.According to the invention, an auxiliary drive unit is created, which includes a primary prime mover and a variable geometry compressor. This can be powered are by the bleed air of the aircraft engines, or he can be connected in terms of drive to the primary drive machine via an overrunning clutch. The compressor is coupled via a shaft to a regulated emission turbine. In this way a climate control unit is obtained. If the compressor is driven directly by the primary drive machine, it also serves as an auxiliary drive unit and as a climate control unit. On the other hand, if the aircraft is in flight, then the compressor can can be decoupled from the drive unit with the help of the overrunning clutch and by bleeding air from the aircraft engines are driven. In this case, the device serves as a climate control unit.
Man erkennt, daß der einzige Kompressor der vorliegenden Erfindung zwei Kompressoren herkömmlicher Anlagen ersetzt. Dies führt zu einer wesentlichen Gewichtverringerung und zu Raumersparnis, was gleichbedeutend mit einer höheren Nutzlast ist oder mit geringeren Kosten zum Transport einer vorgegebenen Nutzlast. Der Kompressor mit variabler Geometrie hat variable Auslaßschaufeln, welche eingestellt werden können, um die Strömung zur Turbine auf im wesentlichen konstanten Druck zu regulieren. Auf diese Weise wird der Betrieb in der Nähe der maximalen Betriebseffizienz gehalten. Die Turbinenemission kann geregelt werden durch Aufteilung der StrömungsVersorgung im Sinne einer Strömungsanpassung an den Kompressor. Hierdurch wird die Druckdrosselung durch die Turbine auf einIt can be seen that the only compressor of the present invention replaced two compressors of conventional systems. This leads to a significant reduction in weight and space savings, which is synonymous with a higher payload or with lower costs to transport a given one Payload. The variable geometry compressor has variable discharge vanes which can be adjusted to accommodate the Regulate flow to the turbine to substantially constant pressure. This way the operation will be close to the maintained maximum operational efficiency. The turbine emission can be regulated by dividing the flow supply in terms of flow adjustment to the compressor. This reduces the pressure through the turbine on
Minimum herabgesetzt, und man erhält einen nahezu konstanten Druck über einen weiten Strömungsbereich. Dies erlaubt ferner einen Teil der Austrittsluft des Kompressors von der Turbine für andere Zwecke, z.B. zum Antrieb eines Triebwerksstartmotors abzuzweigen. Ferner erlaubt diese Anordnung die Klimaregeleinheit über den größten Teil des Betriebsbereichs mit konstanter Geschwindigkeit in der Nähe maximaler Effizienz zu betreiben. Somit ist das erfindungsgemäße System in hohem Maße energieeffizient.Reduced to a minimum, and an almost constant pressure is obtained over a wide flow range. This also allows some of the compressor discharge air from the turbine for other purposes, e.g. to drive an engine starter motor branch off. Furthermore, this arrangement allows the climate control unit over most of the operating range operate at constant speed near maximum efficiency. Thus, the system according to the invention is highly Dimensions energy efficient.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwirklichung der Funktion einer Hilfstriebwerksexnheit und einer Klimaregeleinheit mit einer einzigen Anlage zu erfüllen, welche kompakt ist, geringes Gewicht aufweist, äußerst energieeffizient ist und hinsichtlich Installation und Wartung wirtschaftlich ist.It is therefore the object of the present invention to provide a method and a device for realizing the function of a Auxiliary engine sex and an air conditioning unit with one to meet single system, which is compact, light weight, is extremely energy efficient and in terms of Installation and maintenance is economical.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine kombinierte HiIfsantriebs- und Klimaregeleinheit zu schaffen, welche über einen weiten Betriebsbereich mit konstanter Geschwindigkeit in der Nähe maximaler konstruktiver Effizienz betrieben werden kann.It is also an object of the invention to provide a combined auxiliary drive and to provide climate control unit which operates over a wide operating range at constant speed in the Close to maximum constructive efficiency can be operated.
Es ist speziell Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Hilfstriebwerks- und Klimaregeleinheit für ein Flugzeug zu schaffen. Diese umfaßt eine primäre Antriebsmaschine und einen Kompressor mit variabler Geometrie, welcher selektiv entweder durch Abzapfluft der Triebwerke des Flugzeugs getrieben werden kann oder über eine Freilaufkupplung mit der primären Antriebsmaschine gekoppelt werden kann. Ferner ist eine Turbine mit geregelter Emission vorgesehen, welche über die Welle mit dem Kompressor gekoppelt ist und mit diesem Kompressor zusammenwirkt und eine Klimaregeleinheit bildet. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der ein Teil der Ausgangsleistung des Kompressors für die Verwendung als Hilfsantriebseinheit abgezweigt werden kann.It is a particular object of the invention to provide an integrated auxiliary power unit and to create climate control unit for an aircraft. This includes a primary prime mover and a compressor with variable geometry, which can be selectively driven either by bleed air from the aircraft's engines or can be coupled to the primary drive machine via an overrunning clutch. There is also a turbine with Regulated emission provided, which is coupled to the compressor via the shaft and interacts with this compressor and forms a climate control unit. Furthermore, a device is provided with which a part of the output power of the compressor can be branched off for use as an auxiliary drive unit.
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im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Hilfsantriebs- und Klimaregeleinheit.In the following the invention is explained in more detail with reference to a drawing explained. This shows a schematic representation Embodiment of the integrated auxiliary drive according to the invention and climate control unit.
Die Figur zeigt eine allgemein mit 2 bezeichnete integrierte Hilfsantriebs- und Klimaregeleinheit mit einer primären Antriebsmaschine 4, welche über ein Getriebe 6 eine Anzahl verschiedener Einrichtungen antreibt, z.B. einen Generator 8, ein Kühlgebläse 10, eine Treibstoffpumpe 12, eine Schmierpumpe 14 und Freilaufkupplungen 16 und 18. Die Kupplung 16 dient dem Antrieb durch einen Starter 20. Hierdurch wird die primäre Antriebsmaschine 4 über das Getriebe 6 in Drehung versetzt zum Zwecke des Starts der primären Antriebsmaschine. Die Kupplung 18 ist antriebsmäßig mit dem Kompressor 22 variabler Geometrie verbindbar und mit einer Turbine 24 mit gesteuerter Emission, welche mit einer gemeinsamen Antriebswelle 26 verbunden sind.The figure shows an integrated auxiliary drive and climate control unit, designated generally by 2, with a primary drive machine 4, which drives a number of different devices via a gearbox 6, e.g. a generator 8, a cooling fan 10, a fuel pump 12, a lubrication pump 14 and overrunning clutches 16 and 18. The clutch 16 is used to be driven by a starter 20 the primary drive machine 4 is set in rotation via the transmission 6 for the purpose of starting the primary drive machine. The clutch 18 is drivingly with the compressor 22 variable geometry connectable and with a turbine 24 with controlled emission, which with a common Drive shaft 26 are connected.
Der Kompressor 22 mit variabler Geometrie ist mit variablen Auslaßdiffusorschaufeln ausgerüstet. Diese sind einstellbar zum Zwecke der Steuerung der Strömungsfläche und zur Steuerung des Drucks der in den Kompressor 22 einströmenden Luft und der aus dem Kompressor 22 ausströmenden Luft. Dies erlaubt den Betrieb des Kompressors 22 mit nahezu konstantem Druck und in der Nähe maximaler Effizienz unter Verbrauch geringer Energie, wobei die primäre Antriebsmaschine 4 nur eine minimale Antriebsleistung zu erbringen hat. Falls die primäre Antriebsmaschine 4 inaktiv ist, so wird der Kompressor 22 durch eine minimale Menge Abzapfluft der Flugzeugtriebwerke (minimaler Triebwerksleistungsverlust) betrieben, wie dies in der Figur bei 28 dargestellt ist. Falls erwünscht, kann auch ein variabler Satz von Einlaßschaufeln des Kompressors vorgesehen sein, um den Energieverbrauch der Klimaregeleinheit noch weiter herabzusetzen. Solche Kompressoren sindThe variable geometry compressor 22 is equipped with variable outlet diffuser blades. These are adjustable for the purpose of controlling the flow area and for controlling the pressure of the air flowing into the compressor 22 and the air flowing out of the compressor 22. This allows the operation of the compressor 22 at almost constant pressure and in the vicinity of maximum efficiency with consumption low energy, the primary drive machine 4 only has to provide a minimal drive power. if the primary drive engine 4 is inactive, the compressor 22 is bled by a minimal amount of bleed air from the aircraft engines (minimal engine power loss) operated, as shown in the figure at 28. If desired, a variable set of inlet vanes of the compressor can also be used be provided in order to further reduce the energy consumption of the climate control unit. Such compressors are
Komponenten in den Lycoming T55-L11 Flugzeugtriebwerken, hergestellt durch AVCO Lycoming Corporation, Stratford, Connecticut. Ferner handelt es sich dabei um Komponenten der Flugzeugtriebwerke , welche von der National Aeronautics and Space Administration entwickelt wurden.Components in the Lycoming T55-L11 aircraft engines by AVCO Lycoming Corporation, Stratford, Connecticut. Furthermore, these are components of the aircraft engines developed by the National Aeronautics and Space Administration.
Die Turbine 24 mit gesteuerter Emission weist steuerbare Einlaßkanäle auf zum Zwecke der Aufteilung der Menge der Luftströmung, welche in die Turbine eintritt, so daß ein im wesentlichen konstanter Druck aufrechterhalten werden kann und die Turbine 24 somit in der Nähe maximaler Effizienz betrieben werden kann. Auf diese Weise kann man die Emission der Turbine 24 zum Zwecke der Anpassung an die Luftströmung vom Kompressor 22 einstellen. Hierdurch kann die Druckdrosselung durch die Turbine auf ein Minimum herabgesetzt werden, und man kann innerhalb eines weiten Bereichs der Betriebsströmung einen konstanten Druck aufrechterhalten. Das integrierte System der vorliegenden Erfindung kann mit wesentlich geringerem Energieaufwand betrieben werden als eine gesonderte Klimaregeleinheit und eine gesonderte Hilfsantriebseinheit, und zwar über die Gesamtdauer eines Flugzeugbetriebs. Erfindungsgemäß sind in einer einzigen integrierten Einheit eine Hilfsantriebseinheit sowie eine Kreislauf-Klimaregeleinheit mit Lastkompressor vorgesehen. Hierdurch erzielt man erhebliche Energieeinsparungen. Durch die Kombinierung der Klimaregeleinheit und der Hilfsantriebseinheit kann man einen Kompressor eliminieren unter Einsparung von Gewicht, Raumbedarf, Installationskosten und Betriebskosten. Darüberhinaus zeigt die Kopplung des Kompressors mit der Turbine übrr eine Welle einen Wirkungsgrad von etwa 98%, während die herkömmliche Luftkopplung nur einen Wirkungsgrad von etwa 80% aufweist. The controlled emission turbine 24 has controllable inlet ports on for the purpose of dividing the amount of air flow entering the turbine so that a substantially constant pressure can be maintained and the turbine 24 thus operated in the vicinity of maximum efficiency can be. In this way, the emission of the turbine 24 for the purpose of adapting to the air flow from Set compressor 22. In this way, the pressure throttling by the turbine can be reduced to a minimum, and a constant pressure can be maintained over a wide range of operating flow. The integrated The system of the present invention can be operated with much less energy than a separate one Climate control unit and a separate auxiliary drive unit, over the entire duration of an aircraft operation. According to the invention, an auxiliary drive unit and a circuit climate control unit are in a single integrated unit provided with load compressor. This achieves considerable energy savings. By combining the Climate control unit and the auxiliary drive unit, a compressor can be eliminated while saving weight, space, Installation costs and operating costs. In addition, the coupling of the compressor with the turbine shows one Wave has an efficiency of about 98%, while the conventional air coupling only has an efficiency of about 80%.
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