DE3633090A1

DE3633090A1 - AUXILIARY GAS TURBINE SYSTEM

Info

Publication number: DE3633090A1
Application number: DE19863633090
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Collin
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: KHD LUFTFAHRTTECHNIK GMBH, 6370 OBERURSEL, DE
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1986-09-29
Publication date: 1988-04-07
Also published as: FR2604480A1; GB2198228B; GB2198228A; GB8722757D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hilfsgasturbine zur Verwendung in einem Flugzeug gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.The invention relates to an auxiliary gas turbine for Use in an aircraft according to the preamble of the An saying 1.

Aus der DE-OS 23 25 592 ist eine Anordnung mit einer Hilfsgasturbine bekannt, die zum Anlassen von Flugzeug triebwerken und zum Betreiben von Flugzeughilfsgeräten be nutzt wird. Dabei wird die Anordnung während eines ge samten Fluges in Betrieb gehalten, um beispielsweise die Flugzeugkabine mit klimatisierter Luft zu versorgen. Die zum Betrieb der Hilfsgasturbine notwendige Luft wird dem Kompressor des Haupttriebwerkes entnommen. Dies hat den Nachteil, daß das Haupttriebwerk insbesondere in großen Flughöhen mit höherer Leistung als aus flugtechnischen Gründen notwendig, gefahren werden muß, um genügend Luft an die Hilfsgasturbine zu liefern. Dies gilt besonders dann, wenn nach Erreichen der Gipfelhöhe des Flugzeuges in der Sinkphase das oder die Haupttriebwerke nur wegen der Kabinenbelüftung auf eine höhere Leistung gefahren werden müssen, als aus flugtechnischen Gründen erforderlich wäre.From DE-OS 23 25 592 an arrangement with a Auxiliary gas turbine known for starting aircraft engines and for operating aircraft auxiliary devices is used. The arrangement is during a ge maintained throughout the flight, for example to To supply aircraft cabin with conditioned air. The Air required to operate the auxiliary gas turbine is the Removed the compressor from the main engine. This has the Disadvantage that the main engine, especially in large Flight heights with higher performance than from aeronautical Reasons necessary, must be driven to get enough air to deliver to the auxiliary gas turbine. This is especially true then when after reaching the summit height of the aircraft in the sink phase or the main engines only because of Cabin ventilation can be driven to a higher performance than would be necessary for technical reasons.

Weiterhin ist es bekannt, die Hilfsgasturbine ausschließ lich mit Umgebungsluft zu versorgen. Auch bei dieser Be triebsart muß die Hilfsgasturbine bei steigender Höhe mit stark zunehmender Leistung gefahren werden, da der Ka bineninnendruck konstant gehalten werden muß, die Lei stungsabgabe der Hilfsgasturbine aber wegen der abnehmen den Luftdichte abnimmt.Furthermore, it is known to exclude the auxiliary gas turbine to be supplied with ambient air. Even with this Be The auxiliary gas turbine must also operate with increasing altitude greatly increasing performance, because the Ka internal pressure must be kept constant, the lei Stungabgabe the auxiliary gas turbine but because of the decrease the air density decreases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungser zeugung einer Hilfsgasturbine in großen Flughöhen zu ver größern.The invention is based, the achievement generation of an auxiliary gas turbine at high altitudes enlarge.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Hilfsgasturbine Luft aus der Flugzeugkabine mit Kabinendruckniveau ansaugt und in die Atmosphäre entspannt. Durch diese Maßnahme wird die Leistungserzeugung der Hilfsgasturbine erheblich ge genüber einer Hilfsgasturbine vergrößert, die mit Luft aus der freien Atmosphäre versorgt wird. Will man die gleiche Höhenleistung mit einer aus der Atmosphäre ansaugenden Hilfsgasturbine bereitstellen, so müßte die Hilfsgas turbine je nach Betriebshöhe mit bis zu fünffacher Lei stung des Bodenbetriebsfalles dimensioniert werden. Abge sehen von dem damit verbundenen großen Turbinengewicht müßte die Turbine auch bei ungünstigen Verbräuchen ge fahren werden, da ein großer Betriebsbereich abgedeckt werden müßte. In Weiterbildung der Erfindung ist die Hilfsgasturbine als Zweiwellenanlage ausgebildet. Dabei wird die Gasgeneratorturbine vorteilhafter Weise in einem konstanten Betriebspunkt gefahren, was wegen des kon stanten Kabinenluftdrucks, mit dem der Verdichter der Gas generatorturbine versorgt wird, problemlos möglich ist. Die Anpassung an den Atmosphärendruck erfolgt erfindungs gemäß durch die Arbeitsturbine, die somit allein in unter schiedlichen Teillastbereichen arbeitet. Bei einer der artigen Steuerung wird die Gasgeneratorturbine immer in ihrem Betriebsbestpunkt gefahren.This object is achieved in that the auxiliary gas turbine Air is drawn in from the aircraft cabin at cabin pressure level and relaxed in the atmosphere. This measure will the power generation of the auxiliary gas turbine significantly ge compared to an auxiliary gas turbine, which is made with air the free atmosphere. Do you want the same Height performance with a suction from the atmosphere Provide auxiliary gas turbine, so the auxiliary gas should turbine with up to five times the lei depending on the operating height of the floor operating case. Abge see from the associated large turbine weight the turbine would have to be used even in case of unfavorable consumption be driven because a large operating area is covered should be. In a further development of the invention Auxiliary gas turbine designed as a two-shaft system. Here the gas generator turbine is advantageously in one driven constant operating point, which because of the con constant cabin air pressure with which the compressor the gas generator turbine is supplied, is easily possible. The adaptation to atmospheric pressure is fiction according to the working turbine, which is therefore alone in under different part load ranges works. At one of the like control, the gas generator turbine is always in driven to their best operating point.

Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Hilfsgastur bine ergeben sich aus der Zeichnungsbeschreibung, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben ist.Further configurations of the auxiliary restaurant according to the invention bine result from the description of the drawing in which an embodiment shown in the figures Invention is described.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 bis Fig. 7 in Diagrammform verschiedene Einflüsse auf den Leistungsbedarf des Luftliefe rers sowie eine Leistungscharakteristik einer konventionell und einer erfindungs gemäß arbeitenden Hilfsgasturbine. Fig. 1 to Fig. 7 in diagram form, various influences on the power requirement of the Luftliefe rers and a performance characteristic of a conventional and an inventive working gas turbine.

Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemäße Hilfsgasturbinen schaltung. Fig. 8 shows an auxiliary gas turbine circuit according to the invention.

In Fig. 1 ist das auf Bodenniveau bezogene Leistungsver hältnis des Luftlieferers bezogen auf die Flughöhe darge stellt. Man erkennt, daß das Leistungsverhältnis mit zu nehmender Flughöhe stark ansteigt.In Fig. 1 is the ground level performance ratio of the air supplier based on the altitude Darge represents. It can be seen that the power ratio increases sharply with increasing altitude.

Fig. 2 zeigt das Verhältnis des Kabinenluftstroms bezogen auf Bodenniveau aufgetragen über der Flughöhe. Fig. 2 shows the ratio of the cabin air flow based on the ground level plotted against the flight altitude.

Fig. 3 zeigt das Druckverhältnis des Luftlieferers über der Flughöhe. Fig. 3 shows the pressure ratio of the air supplier over the flight altitude.

In Fig. 4 sind der "Load Compression-Druck" (Kurve 1), der Kabinendruck (Kurve 2) und der Umgebungsdruck (Kurve 3) Über der Flughöhe aufgetragen.In FIG. 4, the "load compression pressure" (curve 1 ), the cabin pressure (curve 2 ) and the ambient pressure (curve 3 ) are plotted against the altitude.

Fig. 5 zeigt die Umgebungstemperatur aufgetragen über der Flughöhe. Fig. 5, the ambient temperature is plotted against the flying height.

In Fig. 6 ist der spezifische Kraftstoffverbrauch für eine mit Luft aus der Atmosphäre betriebene Hilfsgasturbine (Kurve 1) und für eine Hilfsgasturbine, die entsprechend der Erfindung mit Kabinenluft betrieben wird, über der Flughöhe aufgetragen. Dabei sind beide Kraftstoffver brauchskurven bezogen auf eine Hilfsgasturbine mit einem Bodenbetriebs-Luftdrucksatz von einem Kilogramm pro Se kunde.In Fig. 6 is the specific fuel consumption for a powered with air from the atmosphere auxiliary gas turbine (curve 1) and for an auxiliary gas turbine according to the invention is operated with cabin air, applied over the altitude. Both fuel consumption curves are based on an auxiliary gas turbine with a ground operating air pressure rate of one kilogram per second.

Die Leistungskurve 1 in Fig. 7 ist die vom Luftlieferer geforderte Leistung aufgetragen über der Flughöhe. Man er kennt, daß die vom Luftlieferer geforderte Leistung, die den Flugzeugkabinendruck bestimmt, mit zunehmender Flug höhe steigt. Dagegen ist die Leistungsabgabe einer kon ventionell mit Atmosphärendruck betriebenen Hilfsgastur bine bei steigender Flughöhe gemäß Kurve 2 stark fallend. Der Leistungspunkt bei Flughöhe Null - also bei Boden betrieb - ist bei der Kennlinie der konventionell be triebenen Hilfsgasturbine bei dem gleichen Leistungspunkt der erfindungsgemäß betriebenen Hilfsgasturbine, die durch die Leistungskurve 3 dargestellt ist, angenommen. Dem Lei stungsdiagramm ist zu entnehmen, daß die konventionell be triebene Hilfsgasturbine schon ab etwa einer Flughöhe von 6 km nicht mehr die geforderte Leistung erbringt. Um in einer maximalen Flughöhe von 45 000 Fuß noch eine ge nügende Leistung zu erbringen, müßte die konventionell be triebene Hilfsgasturbine am Boden etwa die 5fache Leistung gegenüber der erfindungsgemäß betriebenen Hilfsgasturbine leisten. Die Kennlinie 3 a zeigt den Leistungsverlauf der erfindungsgemäß betriebenen Hilfsgasturbine, wobei Ka binenleckverluste von ca. 30% angenommen werden. In einem derartigen Fall deckt die von der Hilfsgasturbine abge gebene Leistung gerade die vom Luftlieferer geforderte Leistung in der maximal angenommenen Flughöhe von 45 000 Fuß ab. Die ein Leistungspotential darstellende schraf fierte Fläche zwischen den Kennlinien 1 und 3 a kann bei der erfindungsgemäß betriebenen Hilfsgasturbine als zu sätzliche beispielsweise elektrische Leistung entnommen werden und zum Betrieb anderer Geräte verwertet werden.The performance curve 1 in FIG. 7 is the performance required by the air supplier plotted against the flight altitude. It is known that the performance required by the air supplier, which determines the aircraft cabin pressure, increases with increasing flight altitude. In contrast, the power output of a conventional auxiliary gas turbine operated at atmospheric pressure drops sharply with increasing flight altitude according to curve 2 . The power point at zero altitude - that is, at ground operation - is assumed for the characteristic of the conventionally operated auxiliary gas turbine at the same power point of the auxiliary gas turbine operated according to the invention, which is represented by the power curve 3 . The performance diagram shows that the conventionally operated auxiliary gas turbine no longer provides the required performance from an altitude of about 6 km. In order to still provide sufficient power at a maximum altitude of 45,000 feet, the conventionally operated auxiliary gas turbine on the ground would have to perform approximately five times the power of the auxiliary gas turbine operated according to the invention. The characteristic curve 3 a shows the performance curve of the auxiliary gas turbine operated according to the invention, with cabin leakage losses of approximately 30% being assumed. In such a case, the power output by the auxiliary gas turbine just covers the power required by the air supplier at the maximum assumed flight altitude of 45,000 feet. The hatched area representing the performance potential between the characteristic curves 1 and 3 a can be taken from the auxiliary gas turbine operated according to the invention as additional electrical power, for example, and can be used to operate other devices.

In der Kabine 1 (Fig. 8) eines Flugzeuges herrscht ein Druck entsprechend der Kennlinie 2 in Fig. 4. Weiterhin wird angenommen, daß ein bestimmter Gasstrom als Leckmenge in die Umgebung - also in die freie Atmos phäre - entweicht. Diese Leckmenge ist durch den Pfeil 2 dargestellt. Der Kabine 1 wird zum Betrieb der Hilfs gasturbine 4 der mit Pfeil dargestellte Gasstrom 3 entzogen. Dieser Gasstrom 3 wird einem Verdichter 5 der Hilfsgasturbine 4 zugeführt und von dem Verdichter 5 in eine Brenkammer 6 geleitet. Von der Brennkammer 6 ge langt der Gasstrom 3 in eine Gasgeneratorturbine 7 und treibt diese an. Die Gasgeneratorturbine 7 ist mittels einer Welle 13 mit dem Verdichter 5 verbunden und treibt somit diesen an. Der aus der Gasgeneratorturbine 7 austretende Gasstrom 3′ wird in eine Arbeitsturbine 8 geleitet und treibt diese unabhängig von der Welle 13 angeordnete Arbeitsturbine 8 an. Der Austritt des Gas stroms 3′ aus der Arbeitsturbine 8 mündet in die freie Umgebung. Die Arbeitsturbine 8 treibt über eine Welle 9 einen Luftlieferer 10 an. Dabei ist der Luft lieferer 10 als Verdichter ausgebildet. Der Luftlieferer 10 saugt Luft von der freien Atmosphäre an und fördert den angesaugten Massenstrom 11 in eine Klimaanlage 12, von der der Massenstrom 11 in das Innere der Kabine 1 gelangt.In the cabin 1 ( Fig. 8) of an aircraft there is a pressure corresponding to the characteristic curve 2 in Fig. 4. Furthermore, it is assumed that a certain gas flow as a leak in the environment - that is, in the free atmosphere - escapes. This leakage amount is shown by arrow 2 . The cabin 1 is withdrawn to operate the auxiliary gas turbine 4, the gas stream 3 shown with arrow. This gas stream 3 is fed to a compressor 5 of the auxiliary gas turbine 4 and passed by the compressor 5 into a combustion chamber 6 . From the combustion chamber 6, the gas stream 3 reaches a gas generator turbine 7 and drives it. The gas generator turbine 7 is connected to the compressor 5 by means of a shaft 13 and thus drives it. The emerging from the gas generator turbine 7 gas stream 3 'is passed into a power turbine 8 and drives this independently of the shaft 13 arranged power turbine 8 . The exit of the gas stream 3 'from the power turbine 8 opens into the free environment. The working turbine 8 drives an air supplier 10 via a shaft 9 . The air supplier 10 is designed as a compressor. The air supplier 10 sucks in air from the free atmosphere and conveys the sucked-in mass flow 11 into an air conditioning system 12 , from which the mass flow 11 reaches the interior of the cabin 1 .

Claims

1. auxiliary gas turbine ( 4 ) for use in a flight, the power turbine ( 8 ) drives at least one air supplier ( 10 ), characterized in that the auxiliary gas turbine ( 4 ) sucks air from the cabin ( 1 ) of the aircraft at cabin pressure level and gas stream ( 3 ) emerging from the power turbine ( 8 ) is discharged into the environment.

2. Auxiliary gas turbine ( 4 ) according to claim 1, characterized in that the auxiliary gas turbine ( 4 ) is designed as a two-shaft system.