DE3735908C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffkühleinrichtung in Hochleistungsflugzeugen.

Unter Hochleistungsluftfahrzeugen sollen hier insbesondere Strahlflugzeuge verstanden werden, wobei es sich aber sowohl um leichte Hochgeschwindigkeits-, als auch um schwere Transportflugzeuge handeln kann.

Elektronische Baugruppen, insbesondere elektronische Flug­ zeug-Gasturbinen-Triebwerksregler, sind gegen eine Temperaturerhöhung sehr anfällig. Wenn die im Flugbetrieb entstehende Wärme nicht genügend abgeführt werden kann, steigt die Ausfallrate dieser Baugruppen und gefährdet somit die Zuverlässigkeit des gesteuerten Gerätes. Obwohl die abzuführende Wärmemenge nicht hoch ist - maximal einige hundert Watt Leistung - stellt die geforderte und zulässige niedrige Temperatur ein großes Problem dar, zumal wenn es sich um Triebswerksregler handelt, welche der in der Nähe des Triebswerkes installiert sind, da im Triebwerk-Einbau­ raum fast immer für eine Kühlung zu hohe Luftemperaturen auftreten.

Ein hierfür geeignetes Kühlsystem verwendet in der Regel ein flüssiges Kühlmedium, da dies wegen seiner höheren spezifischen Wärmekapazität die Darstellung einer effek­ tiven Kühleinrichtung mit geringem Platzbedarf gestattet.

Wenn ein flüssiges Kühlmedium verwendet werden soll, dann bietet es sich an, die anfallende und abzuführende Wärme­ menge mit dem Kraftstoff wegzutransportieren.

Bei bekannten Kühlsystemen wird mit dem Kraftstoff direkt oder indirekt Wärme von zu kühlenden Einrichtungen abge­ führt und diese entweder zur Verbrennung über die Treib­ stoffdüse an die Atmosphäre oder zur Sammlung in einem Flugzeugtank transportiert.

Als wesentlicher Nachteil muß hier hingenommen werden, daß der Kraftstoff kühler als das zu kühlende Objekt sein muß. In allen Fällen, wo der Kraftstoff durch die erhöhten Um­ gebungstemperaturen oder durch die vorherige Aufnahme der Verlustwärme von anderen Geräten stark mit Wärme be­ frachtet ist, muß dieser zur Kühlung weiterer Kompo­ nenten zurückgekühlt werden.

Dies geschieht zur Zeit durch Stauluftkühler. Diese Technik ist allerdings mit einigen Nachteilen behaftet. Zur Luftförderung (Zwangskühlung im Stand) wird zusätzliche Energie benötigt; es wird also Energie aufgewandt, um andere Energie nutzlos an die Umgebung abzuführen. Außer­ dem erhöht sich der Raumbedarf für die Kühlereinläufe und Luftschächte, was auch zu einer Erhöhung des Luftwider­ standes des Flugzeuges führt. Und schließlich verursacht das installierte höhere Gewicht einen erhöhten Kraftstoff­ verbrauch. Bei Hochgeschwindigkeitsflugzeugen kann wegen der kinetischen Aufheizung der Außenflächen ein Stauluft­ kühler keine Verwendung finden. Darüber hinaus sind generell an die Kühlluft hohe Sauberkeitsanforderungen zu stellen.

Des weiteren sind aus den Druckschriften US-P 45 05 124 und US-P 42 73 304 Kühleinrichtungen bekannt, bei denen der Flugzeugtreibstoff eine Temperatursenke für einen besonderen, mit einem eigenen Kühlmedium arbeitenden Kühl­ kreis darstellt, indem eine Kältemaschine arbeitet, deren Arbeitsmittel in einem Verdampfer Wärme von einem zu kühlenden Objekt aufnimmt und durch einen Kondensator an den Flugzeugkraftstoff abgibt.

Diese Vorgehensweise bedingt einen erheblichen kon­ struktiven Aufwand, der nicht in der Nähe des im Triebwerk­ bereich eingebauten elektronischen Reglers zu realisieren ist.

Der Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Kraft­ stoffkühleinrichtung für Hochleistungsflugzeuge zu ent­ wickeln, welche unter Vermeidung der vorher aufgezeigten Nachteile die angefallenen erhöhten Wärmemengen, insbe­ sondere von empfindlichen Bauteilen in Triebwerknähe, abzu­ führen vermag.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Kühlung von erwärmtem Kraftstoff in die Kraftstoffleitung eine Vorrichtung zur Druckabsenkung und zur Abführung der Verdampfungswärme eingebaut wird.

Die Erfindung macht sich hier die Tatsache zunutze, daß das Kühlmedium Kraftstoff ein günstiges Siedeverhalten auf­ weist und bei einem geeigneten Druck-/Temperaturbereich verdampft und mit der Verdampfungswärme dem Kühlmedium Wärme entzieht.

Zur erforderlichen Druckabsenkung des Kraftstoffes wird eine Drossel und eine Pumpe, vorzugsweise eine Strahlpumpe verwendet, welche das erforderliche Druckverhältnis zum Sieden des Kraftstoffes in einem Behälter erzeugt. Die Strahlpumpe wird durch Druckunterschiede in der Kraft­ stoffleitung oder durch Ausnutzung niedrigerer Außenluft­ druckverhältnisse angetrieben.

Die abzuführende Verdampfungswärme kann über die Kraft­ stoffördereinrichtung des Triebwerkes zum Verbrennen an die Außenluft abgegeben oder über eine Rücklaufleitung zum Kraftstofftank zur Kondensation abgeführt werden. Der so abgekühlte Kraftstoff kann direkt oder über zwischen­ geschaltete Austauscheinrichtungen zum Kühlen von wärme­ erzeugenden Einrichtungen und Bauteilen herangezogen werden. Vorzugsweise eignet sich die Erfindung zur Kühlung von elektronischen Bauteilen, insbesondere von in Trieb­ werksnähe installierten Bauteilen, wie z. B. Triebwerks­ reglern. Solche sensiblen Baugruppen können beispiels­ weise in einem Gehäuse untergebracht sein und von ent­ spanntem, abgekühltem Kraftstoff umströmt werden.

Die erfindungsgemäße Rückkühlung des Kraftstoffes durch seine Verdampfung macht die zur Zeit noch verwendeten Stau­ luftkühler und andere noch kompliziertere Verfahren über­ flüssig und vermeidet so die geschilderten erheblichen Nachteile.

Die Erfindung soll nachstehend anhand des in den folgenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es stellt dar

Fig. 1 eine schematische und symbolisierte Ablaufskizze der erfindungsgemäßen Kraftstoffkühleinrichtung für Hochleistungsluftfahrzeuge,

Fig. 2 die schematische und symbolisierte Ablaufskizze einer bekannten und gebräuchlichen Kraftstoff­ kühleinrichtung für Luftfahrzeuge,

Fig. 3 die schematisierte und symbolisierte Einzeldar­ stellung eines erfindungsgemäß verwendeten Kraft­ stoffkühlers.

Fig. 1 stellt die erfindungsgemäße Kraftstoffkühleinrich­ tung und den Fluß des Kraftstoffes dar.

Der Kraftstoff wird aus dem Tank 1 von der Vordruckpumpe 2 durch den Wärmetauscher 3 (Abwärme aus verschiedenen Flugzeugsystemen Q) gefördert und kommt, wärmebeladen, an den Einbauort des Triebwerks durch die Kraftstofförder­ leitung X. Die hier zu kühlende Elektronikeinrichtung 6 (Triebwerkregler) wird in dieser Ausführung direkt von Kraftstoff durchflossen, der mit dem System Regeldrossel 9, Verdampfungskühler 5 mit Verdampfungsraum 13 (in Fig. 3 detailliert erläutert) und Strahlpumpe 8 so druckbeauf­ schlagt wird, daß der Kraftstoff siedet und Verdampfungs­ wärme dem Kraftstoff entzogen wird.

Hierdurch steht wieder die zur Kühlung des Reglers be­ nötigte Temperaturdifferenz zur Verfügung, welche über die Kälteübertragungsbrücke 16 auf die Elektronik 6 a ein­ wirken kann. Der verdampfte Kraftstoff wird durch die Ab­ dampfleitung U an die Abdampf/Kraftstoff-Rückleitung Y in das Triebwerkkraftstoffsystem über die Strahlpumpe 8, Hochdruckpumpe 10, Zumeßeinheit des Triebwerkreglers 6 b ins Triebwerk 11 gefördert, oder bei zu hoher Förderung über eine Rückleitung Z in den Flugzeugtank 1 geführt.

Die Strahlpumpe 8 bezieht die Antriebsenergie aus dem Druckgefälle, welches durch Überschußförderung der Hoch­ druckpumpe 10 zur Verfügung steht.

Die zu verdampfende Kraftstoffmenge wird über eine Regel­ einrichtung 7 mittels der variablen Drossel 9 und/oder durch das Variieren des Siederaumdruckes über die Drossel 4 reguliert.

Solcherlei Anwendungen sind auch in nichtfliegenden Kraft­ stoffsystemen generell möglich.

Fig. 2 hingegen zeigt ein herkömmliches Kraftstoffsystem.

Aus dem Tank 1 wird Kraftstoff von der Vordruckpumpe 2 durch die Kraftstofförderleitung X über den Wärmetauscher Flugzeugsysteme 3 zur Hochdruckpumpe 10 gefördert.

Im Wärmetauscher 3 wird der Kraftstoff mit Wärme Q be­ frachtet, die zum Teil über den Kraftstoff, zugemessen vom Triebwerkregler 6 mit den Baugruppen elektronischer Teil 6 a und Zumeßeinheit 6 b im Triebwerk 11 an die Atmos­ phäre abgeführt wird und zum anderen Teil als zuviel geförderter Kraftstoff über den luftgekühlten Kraftstoff­ kühler 12 die Wärme an die Kühlluft, geführt in der Luft­ leitung W, abgibt, um im Zug der Rezirkulationsleitung V mögliche weitere Kühlaufgaben übernehmen zu können.

Gesammelt im Tank, steht der Kraftstoff erneut zur Kühlung zur Verfügung.

Da der Kraftstoff am Einbauort der Zumeßeinheit 6 b als Teil des Triebwerkreglers 6 wegen seiner hohen Wärmefracht aus dem Wärmetauscher 3 zur Kühlung des elektronischen Reglerteils 6 a ungeeignet ist, muß dieser weit entfernt, meist in der Nähe des Cockpits eingebaut werden, um Kühl­ leistung der Flugzeugklimaanlage entnehmen zu können.

Fig. 3 zeigt als Einzelteil den Verdampfungskühler 5 zu­ sammengebaut mit dem elektronischen Teil 6 a des Triebwerks­ regler 6. Der Verdampfungskühler besteht auf der Kraftstoff­ seite aus dem Verdampfungsraum 13, in dem, gesteuert von der Regeleinrichtung 7 mit den Sensoren für Füllstand 14 und Temperatur 15 eine bestimmte Kraftstoffmenge, dem Kraftstoffsystem durch die Leitung X entnommen, vorge­ halten wird und ein Unterdruck so mittels variabler Zulauf­ drossel 4 und Regeldrossel für Strahlpumpe 9 von der Strahl­ pumpe 8 erzeugt wird, daß sich der Kraftstoffsiedepunkt ändert.

Abhängig von der Siedepunktänderung ist die verdampfende Kraftstoffmenge, deren Verdampfungsenergie dem noch nicht verdampften Kraftstoff entzogen wird. Geführt wird der Abdampf vom Verdampfungsraum 13 an die Strahlpumpe 8 über die Abdampfleitung U. Hier vermischt er sich mit dem An­ triebskraftstoff der Strahlpumpe. In der Abdampfkraftstoff­ rücklaufleitung Y, in der ein Teil des Dampfes kondensiert, erfolgt die Rückführung an das Triebwerkkraftstoffsystem.

Die Kälteübertragungsbrücke 16 transportiert Wärme von den Elektronikplatinen mit Bauelementen 17 über die Wärme­ leiter 18 in den zu verdampfenden Kraftstoff.

Claims (4)

1. Kraftstoffkühleinrichtung in Hochleistungsluftfahr­ zeugen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer trieb­ werksnahen Kraftstoffleitung eine Vorrichtung zur Kraftstoffdruckabsenkung eingebaut ist, die mit einem Kühler für sensible elektronische Baugruppen kombi­ niert ist.

2. Kraftstoffkühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckabsenkung des Kraft­ stoffes eine Drossel und eine Pumpe, insbesondere eine Strahlpumpe verwendet wird, welche durch Druck­ unterschiede in dem Kraftstoffsystem oder durch Aus­ nutzung niedrigerer Außenluftdruckverhältnisse ange­ trieben wird.

3. Kraftstoffkühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abzuführende Ver­ dampfungswärme über die Kraftstoffördereinrichtung des Triebwerkes an die Außenluft abgegeben oder über eine Rücklaufleitung zum Kraftstofftank zur Konden­ sation abgeführt wird.

4. Verwendung einer Kraftstoffkühleinrichtung nach den An­ sprüchen 1 bis 3 zur Kühlung von elektronischen, sen­ siblen Baugruppen, welche in einem Gehäuse unterge­ bracht sind und von entspanntem, abgekühltem Kraftstoff umströmt werden.