DE3330556A1

DE3330556A1 - Luftumlaufkuehlanlage

Info

Publication number: DE3330556A1
Application number: DE19833330556
Authority: DE
Inventors: John Lawrence 06070 Simsbury Conn. Warner
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1982-08-26
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1984-03-08
Also published as: IT1169778B; ES8407437A1; FR2532408A1; JPS5963432A; IL69483A; JPH039375B2; IL69483A0; ES525141A0; US4445342A; DE3330556C2; SE446174B; BR8304532A; GB8321651D0; GB2125956B; SE8304553D0; FR2532408B1; SE8304553L; GB2125956A; IT8322639A0

Description

.:!. MENGES.& PRAHL^:

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt
Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000 München 5

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Patentanwälte Menges & Prahl, F.rhardtstr 12, D-8000 München 5 Dipl.-lng.Rolf Menges

Dipl-Chem. Dr Horst Prahl

Telefon (089) 2 01 59 50
Telex 5 29 581 BIPAT d
Telegramm BIPAT München

IhrZeichen/Yourref.

UnserZeichen/Ourref. U 850

Datum/Date 24.08.1983

United Technologies Corporation
Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Luftumlaufkühlanlage

Die Erfindung betrifft eine turbinengetriebene Luftumlaufkühlanlage (Kaltluftkühlanlage) zum Versorgen von mehreren Zonen, wie das Cockpit und die Kabine eines Transportflugzeuges, mit unter Druck stehender Kühlluft.

In der typischen Luftumlaufkühlanlage, die benutzt wird,
um Flugzeugkabinen (Cockpit, Frachtraum und sonstige Innenräume von Flugzeugen) unter Druck zu setzen und zu kühlen, wird die Zuluft (Versorgungsluft), die beispielsweise aus einem Gasturbinentriebwerksverdichter erhalten wird,
in dem Kühlanlagenverdichter unter Druck gesetzt, durch Umgebungsluft in einem Wärmetauscher gekühlt und dann der Anlagenturbine zugeführt, wobei die Arbeit, die die verdichtete Luft an der Turbine leistet, eine Abkühlung der Luft bewirkt, die dann an die Kabinen abgegeben wird. Die Turbine ist mit dem Verdichter mechanisch verbunden, so daß
die Arbeit, die durch di ; verdichtete Luft an der Turbine

-Z-

geleistet wird, den Verdichterrotor antreiben hilft.

Das Unterdrucksetzen und Kühlen von mehreren Zonen durch eine einzige Luftumlaufkühlanlage ist manchmal erforderlich, beispielsweise wenn eine einzige Anlage das Cockpit und die Kabine (den Frachtraum und sonstige Innenräume) eines Transportflugzeuges unter Druck setzen und kühlen * muß. Bislang umfaßt die Klimatisierung von mehreren Zonen die Temperaturregelung sowohl der gesamten Anlagenabluft aus der Turbine als auch den Teil der Luftströmung, der in die Zonen geleitet wird. Die Temperaturregelung der übrigen Zone beruht meistenteils auf der Temperaturregelung der gesamten Turbinenabluftströmung. Diese Temperaturregelung der gesamten Turbinenabluftströmung wird typisch durch gleichzeitiges Regeln der Gesamtmenge des Luftdurchsatzes durch die Turbine (durch den in Reihe angeordneten Verdichter) sowie durch die Regelung der Menge der ungekühlten Luft, die mit der Turbinenabluft vor der Abgabe an die klimatisierten Zonen vermischt wird, erreicht. Auf ähnliche Weise erfolgt die Regelung der Temperatur der einen geregelten Zone im allgemeinen durch das kontrollierte Vermischen von ungekühlter Luft mit demjenigen Teil der gekühlten Turbinenabluft, der an diese Zone abgegeben wird.

Das Kühlen der anderen (ungeregelten) Zone ist von dem Kühlbedarf der geregelten Zone und von der Regelung der Temperatur der Hauptturbinenabluft abhängig. In modernen Transportflugzeugen kann die unabhängige Temperaturregelung von zwei oder mehr als zwei Zonen erforderlich sein. Es scheint zunächst, daß eine naheliegende Lösung darin bestünde, die Vermischung der ungekühlten Luft mit gekühlter Luft, die aus der Klimaanlagenturbine abgegeben wird,

vollständig unabhängig zu regeln. Diese unabhängige Regelung würde eine beträchtliche Verdoppelung von Anlagenkomponenten (Ventilen, Reglern, Stellgliedern und dgl.) erfordern, wodurch die Kosten, das Gewicht, die Komplexität und die Wartungserfordernisse der Anlage beträchtlich erhöht würden. Deshalb wird die unabhängige Temperaturregelung von mehreren Zonen ohne die Verwendung von getrennten Trimmventilen und Stellgliedern angestrebt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine unabhängige Temperaturregelung in mehreren Zonen, die durch eine einzige Luftumlaufklimaanlage gekühlt werden, zu schaffen, ohne daß individuelle Regler, Trimmventile und Stellglieder dafür in jeder Zone erforderlich sind.

Gemäß der Erfindung erfolgt die unabhängige Temperaturregelung in zwei Zonen, die durch eine einzige Klimaanlage gekühlt werden, dadurch, daß jede Zone mit einem Trimmventil versehen wird, das die Menge an ungekühlter Luft, die mit der der Zone zugeführten gekühlten Turbinenluft vermischt wird, steuert, wobei die Trimmventile durch ein einzelnes Stellglied betätigt werden, das jedes Ventil aus einer Schließstellung allmählich öffnet, während das andere Ventil in einer Schließstellung gehalten wird. Das Stellglied spricht auf Temperaturbedingungen in nur einer der Zonen an. Eine Steuerventilanordnung, die die Temperatur der gesamten Anlagenturbinenabluftströmung steuert, spricht auf Temperaturbedingungen in der anderen Zone an. Die Betätigung des Stellgliedes auf vorstehend angegebene Weise ermöglicht dem Stellglied, das Trimmventil einer der Zonen einzustellen, um beispielsweise darin bei Bedarf kühlere Temperaturen zu erzeugen. Wenn dieses Trimmventil vollständig geschlossen ist, bewirkt ein weiterer Bedarf an kühleren

Temperaturen in dieser Zone, daß das Stellglied weiterhin betätigt wird, wodurch das der anderen Zone zugeordnete Trimmventil geöffnet wird, um den Zustrom von warmer Luft zu vergrößern, wodurch die Tendenz erzeugt wird, die Temperatur derselben zu erhöhen- Diese Temperaturerhöhung wird jedoch durch die Steuerventilanordnung verhindert, die die gesamte Abluft der Klimaanlagenturbine weiter kühlt, wodurch die kühleren Temperaturen erzielt werden, die in der einen Zone erwünscht sind, ohne daß die Temperatur gestört wird, die in der anderen Zone aufrechterhalten wird. Somit wird eine unabhängige Temperaturregelung der beiden Zonen mit nur einem einzigen Stellglied für beide Trimmventile, die den Zonen zugeordnet sind, erzielt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema der Luftumlaufkühlan

lage nach der Erfindung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der

Beziehung zwischen der Betätigung der Trimmventile, die in der Anlage nach Fig. 1 benutzt werden, und dem einzelnen Stellglied, das die Ventile einstellt.

In Fig. 1 ist die Luftumlaufkühlanlage nach der Erfindunginsgesamt mit 10 bezeichnet. Die Anlage wird mit Zapfluft aus dem Verdichterabschnitt eines Gasturbinentriebwerks über eine Einlaßleitung 15 versorgt. Der Zuluftstrom wird an einer Stelle 20 aufgeteilt, wobei ein Teil der Zuluft

durch einen Primärwärmetauscher (PHX) 25 geleitet wird, in welchem die Luft durch einen Strom von Umgebungsluft, bei dem es sich hier um Triebwerksstauluft handelt, abgekühlt wird. Nach der Abgabe aus dem Primärwärmetauscher 25 wird die darin abgekühlte Luft über eine Leitung 35, ein Steuerventil 40 und eine Leitung 45 zu einem Anlagenverdichter geleitet. In dem Verdichter wird die Luft verdichtet, was mit einer Erhitzung derselben verbunden ist, und die verdichtete Luft wird dann in einem Sekundärwärmetauscher (SHX) 50 durch Umgebungsluft abgekühlt, bei der es sich hier um die erwähnte Triebwerksstauluft handelt. Der Primärwärmetauscher 25 und der Sekundärwärmetauscher 50 können, wie dargestellt, in einer einzigen Einheit untergebracht sein, der die Stauluft über einen Einlaß 55 zugeführt wird. Nach der Abgabe aus den Wärmetauschern 25 und 50 wird die Stauluft durch einen Kanal 60 geleitet, an dessen Ende ein Gebläse 65 vorgesehen ist, das die Kontinuität der Luftströmung durch den Primär- und den Sekundärwärmetauscher aufrechterhält. Das Gebläse 65 wird zusammen mit dem Verdichter 30 durch eine Klimaanlagenexpansionsturbine 70 angetrieben. Ein Durchflußsteuerventil 75, das in einem Gebläseauslaßkanal 80 angeordnet ist, kann zum Steuern der Kühlluftströmung durch die Wärmetauscher und 50 benutzt werden.

Bei Bedarf kann zum Zweck des Entfernens von Wasserdampf aus der Verdichterabluft diese nach dem Verlassen des Sekundärwärmetauschers 50 über eine Leitung 85 zu einem Kondensator 90 geleitet werden, von dem die Luft über eine Leitung 95 zu dem Einlaß der Turbine 70 geleitet wird. Ein Ablaß 100, der in der Leitung 95 angeordnet ist, bildet eine Vorrichtung zum Abgeben von Kondenswasser aus dem Kondensator 90. Die Luft, die der Turbine 70 zugeführt wird, leistet an der Turbine auf übliche Weise Arbeit und versetzt deren Rotor in Drehung, wodurch eine Expansion und Abkühlung der Luft verursacht wird, dje dann von der Turbine 70 über den

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Kondensator 90 abgegeben wird, um die Turbinenzuluft auf oben beschriebene Weise zu kühlen und zu trocknen. Von dem Kondensator 90 wird die Turbinenabluft über Leitungen 105 und 110 an eine erste Zone oder das Cockpit 115 abgegeben, um diese Zone unter Druck zu setzen und zu kühlen. Das Cockpit 115 wird zu einer zweiten Zone oder der Kabine 120 hin über eine Entlüftungsöffnung 125 entlüftet. Turbinen-, abluft wird der Kabine 120 direkt über die Leitung 105 und eine Leitung 112 zugeführt, wobei die Leitung 112 eine Fortsetzung der Leitung 105 stromabwärts der Verbindungsstelle der Leitungen 105 und 110 ist.

Ein Teil der ungekühlten Zuluft geht von der Einlaßleitung 15 über eine Leitung 135, ein Ventil 140 und eine Leitung 145. Am Ende der Leitung 145 wird die Zuluft wahlweise der Abluft der Turbine 70 hinzugefügt. Die Ventile 40 und 140 werden durch ein Stellglied 150 betätigt, das gleichzeitig beide Ventile einstellt, um die Temperatur der Abluft der Turbine 70 zu steuern. Das Stellglied 150 spricht in der bevorzugten Ausführungsform auf einen Regler 153 an, der seinerseits auf ein Signal anspricht, das ihm durch einen Turbinenablufttemperaturfühler 154-in der Leitung 112 geliefert wird. Der Fühler 154 ist aus Darstellungsgründen in Kombination mit dem Regler 153 dargestellt. Der Regler 153 spricht außerdem auf ein Signal an, das ihm durch einen Kabinentemperaturfühler 155 geliefert wird. Ein Signal aus dem Regler 153, das eine Abweichung zwischen den Signalen aus den Fühlern 154 und 155 angibt, bewirkt, daß das Stellglied 150 das Ventil 40 schließt und das Ventil 140 öffnet, um die Turbinenabluft teilweise kurzzuschließen, wenn eine geringere Kabinenkühlung erforderlich ist. Zum Verstärken der Kühlung der Kabine öffnet das Stellglied 150 das Ventil 40 und schließt das Ventil 140, um durch Vergrößern der Luft-

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strömung durch die Turbine 70 die Kühlung zu verstärken.

Eine Eisbildung in der Turbinenabluft kann durch Rezirkulation von Kabinenluft durch ein Gebläse 157 durch einen Filter 160 und ein Rückschlagventil 165 in einer Leitung 170 minimiert werden.

Zur Temperaturregelung in einer der Zonen, wie beispielsweise dem Cockpit 115, wird ungekühlte Anlagenzuluft wahlweise mit der Turbinenabluft, die dieser Zone über die Leitung 110 geliefert wird, vermischt. Diese Zuluft wird der Leitung 110 über eine Leitung 175 und ein erstes oder Cockpittrimmventil 180 zugeführt, das in einer Leitung 185 angeordnet ist, die an ihren Enden mit den Leitungen 110 bzw. 175 verbunden ist. Das Trimmventil 180 wird durch ein Stellglied 195 betätigt. Das Stellglied 195 wird durch einen Regler 196 betätigt, der auf Signale anspricht, die ihm von Temperaturfühlern 197 und 200 in der Leitung 110 bzw. in dem Cockpit zugeführt werden. Eine Abweichung zwischen den Signalen aus diesen Fühlern, die angibt, daß eine Verringerung der Cockpitkühlung erforderlich ist, bewirkt, daß das Stellglied 195 das Trimmventil 180 weiter öffnet, um zunehmende Mengen an ungekühlter Zuluft in die Leitung 110 einzulassen. Ebenso bewirken Signale aus den Fühlern 197 und 200, die anzeigen, daß eine stärkere Cockpitkühlung erforderlich ist, daß das Stellglied 195 das Trimmventil 180 teilweise schließt.

Es ist, wie oben angegeben, häufig erforderlich, beide Zonen (das Cockpit und die Kabine) mit einer unabhängigen Temperaturregelung bei einem Minimum an Verdoppelung von Anlagenkomponenten zu versehen. Gemäß der Erfindung wird diese unabhängige Regelung durch ein zweites oder Kabinen-

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trimmventil 205 erzielt, das in der Leitung 175 angeordnet ist und mit dem Trimmventil 180 durch das gemeinsame Stellglied 195 betätigt wird, um die Menge an ungekühlter Zuluft, die aus der Leitung 175 in die Leitung 112 eingeleitet wird, zu steuern.

In Fig. 2 ist die Beziehung zwischen der Betätigung des Stellglieds 195 und dem Durchflußquerschnitt des Cockpittrimmventils 180 und des Kabinentrimmventils XSnTgezeigt. Es ist zu erkennen, daß das Stellglied 195 ein allmähliches öffnen jedes Trimmventils bewirkt, während das andere Trimmventil geschlossen bleibt. Wenn das Kabinentrimmventil vollständig geöffnet ist, ist daher das Cockpittrimmventil geschlossen. Durch die Betätigung des Stellgliedes wird das Kabinentrimmventil allmählich geschlossen, während das Cockpittrimmventil vollständig geschlossen gehalten wird, bis das Stellglied das Kabinentrimmventil vollständig geschlossen hat, so daß an diesem Punkt dann beide Ventile geschlossen sind. Durch weitere Betätigung des Stellglieds wird das Cockpittrimmventil allmählich geöffnet, während das Kabinentrimmventil vollständig geschlossen gehalten wird.

Die Anordnung des Kabinen- und des Cockpittrimmventils, der Turbinenablufttemperatursteuerventile 40 und 140 und der Stellglieder und Fühler, die diesen zugeordnet sind, ergibt eine unabhängige Temperaturregelung sowohl des Cockpits als auch der Kabine, ohne daß die individuelle Betätigung der Trimmventile erforderlich ist. Das wird am besten durch eine exemplarische Beschreibung der Arbeitsweise der Anlage verdeutlicht. Wenn angenommen wird, daß das Stellglied bei 50 % des Ausmaßes seiner Betätigung ist, sind beide Trimmventile geschlossen. Wenn das Cockpit

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zu kalt ist, wird das Cockpittrimmventil 180 geöffnet, um größere Mengen an ungekühlter Zuluft in die Leitung 110 einzulassen, ohne daß die innere Kabinentemperatur gestört wird. Wenn andererseits das Cockpit zu warm ist und das Trimmventil deshalb in offener Stellung ist, wird das Trimmventil allmählich geschlossen. Wenn das vollständige Schließen dieses Trimmventils nicht ausreicht, um das Cockpit ausreichend zu kühlen, wird das Stellglied weiter betätigt, um dadurch das Cockpittrimmventil geschlossen zu halten, während das Kabinentrimmventil geöffnet wird. Dadurch wird ungekühlte Zuluft zu der Kabinenversorgung, die allein die Kabine erwärmen würde, hinzugefügt. Jedes Erwärmen der Kabinenversorgungsluft wird jedoch durch den Fühler 155 abgefühlt, der seinerseits bewirkt, daß der Regler 153 das Stellglied 150 betätigt, der die Einstellung der Ventile 40 und 140 verstellt, um die Temperatur in der Leitung 112 zu senken und dadurch die konstante gewünschte Kabinenversorgungstemperatur aufrecht zu erhalten.

Über die oben beschriebene besondere Ausführungsform der Erfindung hinaus sind Abwandlungen möglich. Beispielsweise sind zwar nur zwei unabhängige Zonen beschrieben worden, es können jedoch zusätzliche Zonen im Rahmen der Erfindung vorgesehen werden. Darüber hinaus können an den Fühlern und/oder Stellgliedern Grenzwerte festgelegt werden, um eine Eisbildung in der Anlagenturbinenabluft zu verhindern. So kann in dem oben angegebenen Beispiel der Fühler 200 oder das Stellglied 195 mit geeigneten Anschlägen versehen werden, um zu verhindern, daß die Turbinenabluft unter eine vorbestimmte Temperatur gelangt, wenn der Fühler die Ahlufttemperatur auf oben angegebene Weise steuert.

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Ebenso kann der Fühler 154 oder das Stellglied 150 mit einem geeigneten Anschlag versehen werden, um zu verhindern, daß die Temperatur der Klimaanlagenabluft unter einen vorbestimmten Wert absinkt, damit eine Eisbildung verhindert wird, wenn der Fühler 154 eine stärkere Kühlung der Kabine verlangt-

Leerseite

Claims

Patentansprüche :

1, Luftumlaufkühlanlage, in der Druckluft, die sie empfängt, in einer Turbine (70) entspannt und gekühlt und von dieser an eine erste und eine zweite Zone (115, 130) abgegeben wird, mit einer Steuerventilanordnung (40, 140) zum Regulieren der Temperatur der von der Turbine (70) abgegebenen Luft auf die Temperatur der der zweiten Zone zugeführten Luft hin, mit einer ersten Leitung (185), die ungekühlte Luft liefert zum Vermischen mit der gekühlten Luft, die der ersten Zone (115) zugeführt wird, und mit einem ersten Trimmventil (180), das mit der ersten Leitung in Verbindung steht, zum Regulieren der Zufuhr von ungekühlter Luft zu der ersten Zone zur Regelung der Temperatur derselben, gekennzeichnet durch: eine zweite Leitung (175), die ungekühlte Luft liefert zum Vermischen mit der gekühlten Luft," die der zweiten Zone (130) zugeführt wird;

ein zweites Trimmventil (205) das mit der zweiten Leitung in Verbindung steht, zum Regulieren der Zufuhr von ungekühlter Luft zu der zweiten Zone (130) zur Regelung der Temperatur derselben; ur d

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ein Stellglied (195), das sowohl das erste als auch das zweite Trimmventil (180, 205) auf die Temperatur der ersten Zone (115) hin betätigt und jedes Trimmventil öffnet, während das andere geschlossen bleibt, zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur in der ersten und in der zweiten Zone durch direktes Steuern des ersten und des zweiten Trimmventils zum Einstellen des Gemisches aus ungekühlter Luft und gekühlter Luft, das der ersten und der zweiten Zone zugeführt wird, und zur indirekten Steuerung der Steuerventilanordnung (40, 140) durch Einstellen der Temperatur der der zweiten Zone zugeführten Luft.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung des Stellglieds (195) so erfolgt, daß das zweite Trimmventil (205) aus seiner offenen Stellung allmählich geschlossen wird, während das erste Trimmventil (180) in seiner geschlossenen Stellung gehalten wird, woran sich ein allmähliches öffnen des ersten Trimmventils anschließt, während das zweite Trimmventil geschlossen bleibt.