DE3904852C2 - Lufteinlaß für die Vortriebsvorrichtung eines Luftfahrzeuges - Google Patents
Lufteinlaß für die Vortriebsvorrichtung eines LuftfahrzeugesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Lufteinlaß für die Vor
triebsvorrichtung eines Luftfahrzeugs mit einem Kanal, der
ein stromaufwärtiges Ende zur Aufnahme der Luftströmung und
ein stromabwärtiges Ende zur Abgabe der Luftströmung an die
Vortriebsvorrichtung aufweist.
Insbesondere bezieht sich die
Erfindung auf einen Lufteinlaß der in der GB 2240815 A be
schriebenen Gattung. Bei allen Vortriebsvorrichtungen von
Luftfahrzeugen besteht das Problem der Eisbildung im Bereich
des Einlasses, insbesondere beim Flug in großen Höhen. Ein
übliches Verfahren zur Verhinderung der Eisbildung im Bereich
des Einlasses eines Gasturbinentriebwerks besteht darin,
heiße Luft von einer Stufe des Triebwerkskompressors abzu
zapfen und diese Luft zum Aufheizen von Bauteilen im Einlaß
bereich zu benutzen, z. B. zum Aufheizen der im Einlaßkanal
liegenden Streben und der Einlaßleitschaufeln. Diese Technik
wird bei Triebwerken benutzt, die an Flugzeugen aufgehängt
sind, welche in relativ geringer Höhe fliegen, wo das das
Eis bildende Wasser in Form unterkühlter Tropfen vorliegt
oder in Form von sehr kaltem Dampf, der eine Koaleszenz ver
ursacht.
Es ist weiter bei Gasturbinen-Nutzleistungssystemen, bei
spielsweise aus der US-PS 23 28 666, bekannt, ein Gebläse vor
zusehen, das Luft aus dem Strömungspfad der Nutzleistungs
turbine abzieht und diese Luft durch einen Wärmeaustauscher
schickt, der im Abgaskanal der Verbrennungsturbine angeord
net ist. Die erhitzte Luft, die durch den Wärmeaustauscher
zirkuliert, wird in eine Einlaßfilterkammer im Luftströmungs
pfad zurückgeführt, so daß die Temperatur der Luft in der
Einlaßfilterkammer auf einem erhöhten Wert gehalten wird.
Derartige Vorkehrungen sind jedoch nicht für Luftfahrzeuge
bzw. Flugkörper geeignet, die in großen Höhen fliegen. Zwar
kann auch in großen Höhen noch Eis angetroffen werden, aber
gewöhnlich in einer weniger gefährlichen Form. So hat unter
diesen Umständen bereits eine Kristallisation stattgefunden,
und das Eis liegt in Form von Nebel aus sehr kalten und sehr
trockenen Kristallen vor. Diese Kristalle können miteinander
und mit metallischen Oberflächen kollidieren, ohne daß eine
Koaleszenz auftritt, und sie können daher durch den Einlaß
bereich eines Triebwerks hindurchströmen.
Bei einem Kompressor eines herkömmlichen Fluggasturbinen
triebwerks gibt es einen Punkt im Verdichterprozeß, wo die
Kristalle sublimieren und Wasserdampf entsteht. Soweit be
kannt, ist dieser Prozeß für die Bauteile des Kompressors
nicht schädlich.
In thermodynamischen Ausdrücken ist dieser Prozeß zweck
mäßig, da die Wirkungen ähnlich jenen Wirkungen eines
Kompressorzwischenkühlers sind, infolge des zugeordneten
latenten Wärmeaustauschprozesses. Wenn demgemäß Wasserdampf
in feine trockene Eiskristalle umgewandelt werden kann, dann
ist der Durchtritt dieser Kristalle durch ein Triebwerk mög
lich, ohne daß eine Zusammenballung oder Koaleszenz entsteht.
Die Vortriebsvorrichtung, die in der GB 2240815 A beschrieben
ist, weist einen Niederdruckkompressor auf, der Luft über zwei
Wärmeaustauscher empfängt, die in Reihe hintereinander ge
schaltet sind. Beide Wärmeaustauscher empfangen ein Kühl
mittel in Form von unter Hochdruck stehendem flüssigem Wasser
stoff. Die Kühlmittelströme werden benutzt, um die Luft am
Niederdruckkompressoreinlaß auf eine Temperatur abzukühlen,
die für eine wirksame Arbeitsweise des Triebwerks geeignet ist.
In gewissen Bereichen des Fluges einer solchen Vortriebsvor
richtung kann warme, mit Feuchtigkeit beladene Luft in den
Wärmeaustauschern auf einen Wert abgekühlt werden, bei dem eine
beträchtliche Ansammlung von Eis an den Wärmeaustauschern be
wirkt wird, und zwar insbesondere an dem stromaufwärtigen
Wärmeaustauscher. Tatsächlich kann in sehr kurzen Zeitinter
vallen der Eisaufbau so schwerwiegend werden, daß eine wirksame
Arbeitsweise der Schubvorrichtung in Frage gestellt wird.
Das Luftverdichtungssystem der Vortriebsvorrichtung kann nicht
benutzt werden, um eine Erhitzung vorzunehmen, da selbst durch
die Kompression die Temperatur der Luft nur soweit aufgeheizt
wird, daß sie noch unter 0°C liegt. Am Ausgang des Niederdruck
kompressors liegt die Temperatur der Luft sogar beträchtlich
unter 0°C.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungs
gemäßen Lufteinlaß für die Vortriebsvorrichtung eines Luft
fahrzeugs mit einem verbesserten Wärmeaustauschersystem zu
versehen, das die schädlichen Wirkungen einer Vereisung im
wesentlichen vermeidet.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs
teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran
sprüchen. Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfin
dung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines erfin
dungsgemäß ausgebildeten Lufteinlasses für die Vortriebsvor
richtung eines Luftfahrzeuges;
Fig. 2 ist eine der Fig. 1 ähnliche Schnitt
ansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Lufteinlasses für die Vortriebsvorrichtung eines Luft
fahrzeuges.
Fig. 1 zeigt einen Lufteinlaß (10), geeignet zur Benutzung
mit einer Vortriebsvorrichtung eines Luftfahrzeugs, wie sie
in der Britischen Patentschrift 84 30 157 beschrieben ist. Der
Einlaß (10) weist einen Kanal (11) auf, der ein stromaufwärtiges
Ende (12) besitzt, wo ein Lufteinlaß (13) liegt, und es ist
ein stromabwärtiges Ende (14) vorgesehen, welches die in den
Einlaß (10) eingeströmte Luft an die nicht dargestellte Vor
triebsvorrichtung des Luftfahrzeuges abgibt.
Im Betrieb tritt Umgebungsluft in den Kanal (11) durch den
Lufteinlaß (13) ein, wie durch die Pfeile (15) dargestellt, und
darauf durchläuft diese Luft den Wärmeaustauscher (16). Der
Wärmeaustauscher (16) empfängt eine Strömung flüssigen Wasser
stoffs über einen Zuführungskanal (17) und bringt diesen
flüssigen Wasserstoff in Wärmeaustauschbeziehung mit der Luft
strömung durch den Kanal (11). Der Wasserstoff wird dann vom
Wärmeaustauscher (16) über einen Auslaßkanal (18) abgegeben. Die
Einlaßleitung (17) und die Auslaßleitung (18) des Wärmeaustau
schers sind über einen Querkanal (19) verbunden, der ein Strö
mungssteuerventil (20) aufweist. Das Strömungssteuerventil (20)
und die Temperatur des flüssigen Wasserstoffs, der dem Wärme
austauscher (16) zugeführt wird, sind so angeordnet, daß die
Strömung flüssigen Wasserstoffs durch den Wärmeaustauscher (16)
ausreicht, um die Temperatur der den Wärmeaustauscher (16)
durchströmenden Luft auf einen Wert zu vermindern, bei dem der
Hauptteil des Wasserdampfes in der Luft in Form flüssiger
Tropfen kondensiert. In einer typischen Situation, wo die Um
gebungslufttemperatur 30° beträgt, steht der flüssige Wasser
stoff, der dem Wärmeaustauscher (16) zugeführt wird, auf einer
Temperatur zwischen minus 10°C und minus 16°C, und die Luft
strömung wird auf einen Wert zwischen 5°C und 15°C abgekühlt,
wobei der niedrigere Wert zu bevorzugen ist. Unter allen Um
ständen liegt die Temperatur des aus dem Wärmeaustauscher (16)
abgeblasenen Wasserstoffs bei etwa 4°C. Diese Werte nehmen an,
daß Eis eine Temperatur von 0°C bei normal 0 aufweist. Allge
meiner sollte der Wärmeaustauscher (16) die Luftströmung auf
eine Temperatur zwischen der Sättigungstemperatur der Luft unter
örtlichen Bedingungen am Lufteinlaß (13) und einer Temperatur
etwa 15° unterhalb dieser Sättigungstemperatur bringen.
Das Ausmaß der Luftkühlung, die durch den Wärmeaustauscher (16)
bewirkt wird, ist insofern kritisch als bei unzureichender
Kühlung eine unzulängliche Kondensation auftritt, worauf eine
übermäßige Kühlung bewirkt wird und der Wärmeaustauscher (16)
läßt den kondensierten Wasserdampf gefrieren und wird schließ
lich durch die Eisansammlung darauf blockiert.
Bei einer Luftfahrzeug-Vorschubvorrichtung, wie sie in der
Britischen Patentanmeldung 84 30 157 beschrieben ist, sind
zwei Wärmeaustauscher vorgesehen, die mit flüssigem Stickstoff
arbeiten und diese liegen stromauf des Lufteinlasses der Vor
triebsvorrichtung. Bei der Anwendung des Lufteinlasses vorlie
gender Erfindung auf die Vortriebsvorrichtung gemäß Britischer
Patentanmeldung 84 30 157 kann einer der Wärmeaustauscher der
Vortriebsvorrichtung im allgemeinen der stromaufwärtige Wärme
austauscher zweckmäßigerweise der Wärmeaustauscher (16) sein.
Die Luftströmung, die aus dem Wärmeaustauscher (16) austritt,
führt Wassertropfen (21) mit sich, die von einer Wasserdampf
kondensation innerhalb des Wärmeaustauschers (16) herrühren.
Die Lufttemperatur beträgt an dieser Stelle zwischen 5°C und
13°C und so haben die Tropfen flüssige Form.
Stromab des Wärmeaustauschers (16) liegt ein Wasserseparator
(22). Der Separator (22), der nur schematisch dar-gestellt ist,
umfaßt mehrere Platten (23), die allgemein Sinusgestalt be
sitzen. Die Sinusgestalt jeder der Platten (23) gewährleistet,
daß dann wenn mit Wassertropfen beladene Luft den Separator t
(22) durchströmt, die Tropfen auf die Platten (23) auftreffen
und koalesieren. Das koaleszierte Wasser fließt dann längs
der Platten (23) ab, bis es auf ein Gatter (24) auftrifft, von
denen zwei auf jeder Platte (23) angeordnet sind. Die Gatter
(24) sammeln das Wasser und richten es nach Abzugsrohren (25),
die ihrerseits das Wasser aus dem Kanal (11) abziehen.
Obgleich ein sinusförmiger Plattentyp für den Wasserseparator
(22) bei dem Ausführungsbeispiel benutzt wird, ist vorstellbar,
daß auch andere Typen von Separatoren benutzt werden können.
Die Separatoren (22) dienen dazu, den Hauptteil des Wassers
abzuführen, den die Luft im Kanal (11) mit sich führt. Stromab
des Separators (22) ist jedoch ein zweiter Wärmeaustauscher
(26) vorgesehen, der ebenso wie der erste Wärmeaustauscher (16)
mit flüssigem Wasserstoff in Wärmeaustauschbeziehung mit der
Luft steht, die den Kanal (11) durchströmt. Der zweite Wärme
austauscher (26), der dem zweiten Wärmeaustauscher entspricht,
welcher stromauf des Lufteinlasses der Vortriebsvorrichtung
gemäß Britischer Patentanmeldung 84 30 157 steht, kühlt die
Luftströmung auf eine Temperatur ab, bei der sämtliches Wasser
in der Luftströmung innerhalb des Wärmeaustauschers (26) ge
frieren würde und dadurch den Wärmeaustauscher blockieren würde.
Dies zu verhindern ist stromauf des zweiten Wärmeaustauschers
(26) ein Kühlmittelinjektor (27) vorgesehen. Der Injektor (27)
wird mit einem Kühlmittel gespeist, das im vorliegenden Falle
flüssiger Sauerstoff ist, und die Zuführung erfolgt durch ein
Zuführungsrohr (28). Mehrere Düsen (29) des Injektors (27)
richten den flüssigen Sauerstoff auf die Luftströmung durch den
Kanal (11), wo der Sauerstoff dazu dient, die Lufttemperatur
auf einen Temperaturwert im Bereich von wenigstens minus 50°C
zu vermindern. Diese schnelle Verminderung der Lufttemperatur
verursacht, daß das verbleibende Wasser in der Luftströmung
plötzlich in kleine trockene Eiskristalle kristallisiert, die
genügend klein sind, um durch die Matrix des zweiten Wärme
austauschers (26) hindurchzutreten, ohne beim Aufprall zu
schmelzen.
Ein Schmelzen beim Auftreffen wird mit "Regelation" bezeichnet
und erfolgt wenn die kinetische Energie der Eiskristalle größer
ist als die Wärme, die erforderlich ist um die Temperatur des
Eises auf 0°C anzuheben, und dies erzeugt ein gewisses örtliches
Schmelzen an Auftreffstellen der Eiskristalle. Es hat sich
gezeigt, daß dann wenn die Lufttemperatur, die von der Kühl
mitteleinspritzung herrührt, über minus 50°C beträgt, eine ge
wisse Regelation noch möglich ist, und daher noch die Gefahr
besteht, daß der Wärmeaustauscher mit Eis blockiert wird. Bei
Temperaturen unter minus 50°C erfolgt eine zufriedenstellende
Bildung erwünschter kleiner trockener Eiskristalle.
Flüssiger Sauerstoff ist das bevorzugte Kühlmittel zum Ein
spritzen in die Luftströmung durch den Kanal (11) im Hinblick
auf eine Anreicherung, die der Luftströmung der Schubvorrich
tung des Luftfahrzeuges verliehen wird. Es ist jedoch klar,
daß auch andere geeignete Kühlmittel benutzt werden können.
Es ist unvermeidbar, daß einige der kleinen trockenen Eis
kristalle, die in den zweiten Wärmeaustauscher (26) eintreten,
auf Stagnationszonen innerhalb des Wärmeaustauschers (26) auf
treffen. So lange der Wärmeaustauscher (26) normal funktioniert,
d. h. bei ordnungsgemäß hindurchströmendem Kühlmittel sind die
Eiskristalle, die sich innerhalb des Wärmeaustauschers absetzen,
einer gewissen thermischen Spannung und einem Luftwiderstand
ausgesetzt und werden schließlich periodisch abgezogen.
Wie erwähnt, werden erster und zweiter Wärmeaustauscher (16 bzw.
26) mit flüssigem Wasserstoff gespeist. Es ist jedoch klar, daß
auch andere Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Metan, be
nutzt werden kann. Erster und zweiter Wärmeaustauscher (16 bzw.
26) sind gemäß vorstehender Beschreibung mit getrennten Zu
führungen für flüssigen Wasserstoff versehen. Es kann jedoch
in gewissen Fällen zweckmäßig sein, den vom zweiten Wärmeaus
tauscher (26) ausgeblasenen Wasserstoff in den ersten Wärme
austauscher (16) zurückzuführen, da der zweite Wärmeaustauscher
(26) normalerweise unter einer niedrigeren Temperatur als der
erste Wärmeaustauscher (16) arbeitet.
Wenn die Vortriebsvorrichtung, die mit einem Lufteinlaß gemäß
der Erfindung versehen ist, an geographischen Orten arbeiten
muß, wo die Atmosphäre einen geringen Feuchtigkeitspegel auf
weist, kann es möglich sein, den Wasserseparator (22) wegfallen
zu lassen. Solch ein Lufteinlaß ist in Fig. 2 dargestellt, wo
gleiche Bezugszeichen benutzt werden, um gleiche Teile zu kenn
zeichnen. So wird der Wasserdampf in der Atmosphäre ebenfalls
durch den Wärmeaustauscher (16) kondensiert, wie dies bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 geschieht. Die Strömungsrate
des flüssigen Sauerstoffs durch den Injektor (27) wird jedoch
so gesteuert, daß gewährleistet wird, daß die kondensierten
Wassertropfen (21) schnell in kleine trockene Eiskristalle
kristallisiert werden, die, wie oben beschrieben, genügend klein
sind, um durch die Matrix des zweiten Wärmeaustauschers hin
durchtreten zu können.
Claims (11)
1. Lufteinlaß für die Vortriebsvorrichtung eines Luftfahr
zeuges mit einem Kanal, der ein stromaufwärtiges Ende zur
Aufnahme einer Luftströmung und ein stromabwärtiges Ende zur
Abgabe der Luftströmung an die Vortriebsvorrichtung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in Strömungsrichtung
hintereinander einen Wärmeaustauscher und einen Kühlmittel
injektor aufweist, daß der Wärmeaustauscher die Luft durch
den Kanal in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Strömungsmittel
bringt, dessen Temperatur im Betrieb niedriger ist als die
Temperatur der Luft stromauf des Wärmeaustauschers, daß der
Wärmeaustauscher so angeordnet ist, daß das Wärmeaustauscher
strömungsmittel die Temperatur der Luftströmung genügend weit
vermindert, um den Hauptteil des von der Luft durch den Wärme
austauscher mitgeführten Wasserdampfs in flüssige Tropfenform
zu kondensieren und daß der Kühlmittelinjektor betriebsmäßig
ein Kühlmittel in die Luftströmung richtet, um eine Umwandlung
von Wasser in der Luftströmung stromab des Separators in
diskrete trockene Eispartikel zu bewirken.
2. Lufteinlaß nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal außerdem einen Wasser
separator aufweist, der stromab des ersten Wärmeaustauschers
und stromauf des Kühlmittelinjektors angeordnet ist, und daß
der Wasserseparator den Hauptteil der Wassertropfen aus der
Luftströmung abführt.
3. Lufteinlaß nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher so angeordnet
ist, daß er betriebsmäßig die Temperatur der Luftströmung auf
einen Wert zwischen Sättigungstemperatur der Luft bei den
örtlichen Bedingungen am stromaufwärtigen Ende des Kanals und
ungefähr 15°C unter jener Temperatur vermindert.
4. Lufteinlaß nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher die Temperatur
der Luftströmung auf einen Wert zwischen 5°C und 13°C ver
mindert.
5. Lufteinlaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die
Strömungsrate des auf tiefer Temperatur stehenden Strömungs
mittels, welches durch den Wärmeaustauscher fließt, zu ver
ändern, welches Strömungsmittel durch den Wärmeaustauscher
in Wärmeaustauschbeziehung mit der Luftströmung gebracht wird.
6. Lufteinlaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel, welches betriebs
mäßig in die Luftströmung eingespritzt wird, die Temperatur der
Luftströmung auf wenigstens minus 50°C vermindert.
7. Lufteinlaß nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserseparator mehrere sinus
förmige Platten aufweist, die so angeordnet und ausgebildet
sind, daß die Wassertropfen auftreffen und darauf kondensieren,
und daß jede sinusförmige Platte mit einem Gatter versehen ist,
die das kondensierte Wasser sammeln und einer Abzugsvorrichtung
zuführen, die es aus dem Kanal abführt.
8. Lufteinlaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Wärmeaustauscher in
dem Kanal stromab des Kühlmittelinjektors angeordnet ist, und
daß der zweite Wärmeaustauscher betriebsmäßig mit einem
Strömungsmittel versorgt wird, welches die Temperatur der Luft
weiter vermindert, bevor diese Luft aus dem stromabwärtigen
Ende des Kanals abgegeben wird.
9. Lufteinlaß nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmeaustauscher in Reihe
mit dem ersten Wärmeaustauscher derart geschaltet ist, daß das
vom zweiten Wärmeaustauscher abgegebene, auf niedriger Tempera
tur stehende Strömungsmittel in den Einlaß des ersten Wärme
austauschers zurückgeführt wird, so daß das auf niedriger
Temperatur stehende Strömungsmittel zweimal in Wärmeaustausch
mit der Luft gebracht wird, die betriebsmäßig den Kanal durch
strömt.
10. Lufteinlaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel im Wärmeaus
tauscher Wasserstoff ist.
11. Lufteinlaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel, welches betriebs
mäßig in die Luftströmung eingespritzt wird, flüssiger Sauer
stoff ist.
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