DE3908250C2 - Lufteinlaß für ein Luft- und Raumfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lufteinlaß, der geeignet ist, eine Luftströmung nach der Schubantriebsvorrichtung eines Luft- und Raumfahrzeugs zu richten, und der zwei oder mehrere Wärmeaustauscher aufweist.

Ein derartiges Schubtriebwerk für Hyperschallfluggeräte mit einem derartigen Lufteinlaß, ist beispielsweise in der im Sinn des 3 Abs. 2 PatG zum Stand der Technik gehörigen DE 34 47 991 C2 beschrieben.

Die im Lufteinlaß befindlichen Wärmeaustauscher werden mit flüssigem Wasserstoff gespeist, der als Brennstoff für den Vortrieb dient und in Wärmeaustausch mit Luft gebracht wird.

Die in den Lufteinlaß eintretende Umgebungsluft enthält un­ vermeidbar Wasserdampf, dessen prozentuale Menge mit der Höhe abnimmt, und der insbesondere in Bodennähe zu einer Ver­ eisung der Wärmeaustauscher führt. Dadurch wird die Quer­ schnittsfläche des Lufteinlasses und damit der Luftdurchsatz vermindert, was zu gefährlichen Betriebszuständen führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungs­ gemäßen Lufteinlaß derart auszubilden, daß der Schubantriebs­ vorrichtung des Luft- und Raumfahrzeuges ständig eine aus­ reichende Menge trockener Luft zugeführt wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs­ teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Durch die Aufteilung in zwei Teilströme wird die Möglichkeit geschaffen, daß im Betrieb jeweils der eine Wärmeaustauscher eine Lufttrocknung bewirkt, während der andere vom Eis be­ freit wird. Sobald der in Betrieb befindliche Wärmetauscher soweit vereist ist, daß eine ausreichende Trockenluftzuführung nicht mehr gewährleistet ist, erfolgt eine Umschaltung auf den zwischenzeitlich vom Eis befreiten Wärmeaustauscher, so daß ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet wird.

Es ist zwar aus der DE-PS 11 37 606 eine Gasströmungsmaschine mit einem im Strömungskanal der Fangdüse angeordneten Schmier­ stoffkühler bekannt, wobei der Abgasstrom der Strömungsmaschine in der Fangdüse des Ejektors einen Kaltluftstrom erzeugt, so daß bei stationären Gasströmungsmaschinen ein Wärmeaustausch zwischen dem erwärmten Öl des im Kaltluftstrom angeordneten Ölkühlers und der Kaltluft stattfindet. Das der Erfindung zu­ grundliegende Problem der Lufttrocknung und Vereisungsgefahr wird jedoch durch diese Gasströmungsmaschine nicht angesprochen.

Es ist weiter aus der US-PS 4 201 044 ein Brennstoffsystem für eine Gasturbinenanlage bekannt, das zwei Brennstoff-Filter auf­ weist, die zur Beseitigung einer Vereisung in besonderer Weise mit Brennstoff höherer Temperatur durchströmt werden. Die beiden Filter sind zwischen der Niederdruckpumpe und der Hoch­ druckpumpe angeordnet, die in Parallelschaltung benutzt werden, wenn die Temperatur des Niederdruck-Brennstoffs über 0°C liegt. Wenn die Temperatur des Brennstoffs unter 0°C fällt, wird der gesamte Niederdruck-Brennstoff durch den ersten Filter geleitet und ein geringer Anteil von warmen Hochdruck-Brennstoff durch­ läuft den zweiten Filter. Das Eis sammelt sich in dem ersten Filter an, bis ein vorbestimmter Druckabfall darüber bewirkt, daß die gesamte Niederdruck-Brennstoff-Strömung auf den zwei­ ten Filter umgeschaltet wird. Dann wird der erste Filter durch eine geringe Zuführung von warmen Hochdruck-Brennstoffen enteist. Dieser Zyklus wird kontinuierlich wiederholt, während die Tem­ peratur des Niederdruck-Brennstoffs unter 0°C befindlich ist. Dieses bekannte Brennstoff-System befaßt sich jedoch nicht mit dem Problem des Wärmeaustauschs in einem Lufteinlaß für Luft- und Raumfahrzeuge, wo die Wärmeaustauscher mit flüssigem Wasser­ stoff gespeist werden, was infolge des Wasserdampfgehaltes zu einer Vereisung führt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausge­ bildeten Lufteinlasses.

Der Lufteinlaß (10) ist für das Triebwerk eines Luft- und Raum­ fahrzeugs bestimmt, wie dieses beispielsweise in der DE 34 47 991 C2 beschrieben ist. Der Einlaß (10) weist einen Kanal (11) auf, dessen stromaufwärtiges Ende (12) in einem Luft­ einlaß (13) liegt und dessen stromabwärtiges Ende (14) die Luft­ strömung nach dem Einlaß des nicht dargestellten Triebwerks überführt.

Etwa in der Mitte des Kanals (11) befindet sich ein Teiler (15), der dazu dient, den Mittelabschnitt des Kanals (11) in zwei Kanäle (16 und 17) gleicher Querschnittsfläche zu unterteilen. Die Kanäle (16 und 17) enthalten parallel zueinander einen ersten und einen zweiten Primärwärmeaustauscher (18 bzw. 19), die im Betrieb mit flüssigem Wasserstoff gespeist werden und den flüssigen Wasserstoff in Wärmeaustauschbeziehung mit Luft bringen, die den Kanal (11) durchströmt.

Der Kanal (11) und der zentrale Körper (15) (Teiler) sind mit mehreren Klappen versehen, die zur Steuerung der Luft­ strömung durch den Kanal (11) dienen. So besitzt der Zentral­ körper (15) eine erste Klappe (20), die an ihrem stromabwär­ tigen Ende schwenkbar angelenkt ist. Die Klappe (20) ist genügend lang, um eine teilweise Absperrung des Kanals (11) zu bewirken, so daß Umgebungsluft, die in den Kanal (11) durch den Lufteinlaß (13) eintritt, durch einen der Primärwärmeaus­ tauscher (18 und 19) hindurchströmt, aber nicht durch den anderen. So ist in der Zeichnung die Klappe (20) in einer Lage gezeichnet, in der Umgebungsluft durch den ersten Primär­ wärmeaustauscher (18) hindurchströmt. Wenn die Klappe (20) um den Bogen verschwenkt wird, der durch die strichlierte Linie (22) gekennzeichnet ist, dann wird natürlich die nach dem ersten Wärmeaustauscher (18) strömende Luft abgesperrt und die Strömung wird durch den zweiten Wärmeaustauscher (19) geleitet.

Nachdem die Umgebungsluft durch den ersten Primärwärmeaustau­ scher (18) hindurchgetreten ist, durchströmt sie weiter den Kanal (11) und fließt über einen Sekundärwärmeaustauscher (23), der wiederum in Wärmeaustauschbeziehung mit flüssigem Wasser­ stoff steht. Danach wird die Luft dem Lufteinlaß des Triebwerks des Luft- und Raumfahrzeuges zugeführt (nicht dargestellt). Der Sekundärwärmeaustauscher (23) wird über eine Einlaßleitung (24) mit flüssigem Wasserstoff gespeist. Der flüssige Wasserstoff wird, nachdem er in Wärmeaustauschbeziehung mit der den Kanal (11) durchströmenden Luft gestanden hat, aus dem Sekundärwärme­ austauscher (23) über ein Auslaßrohr (25) ausgeblasen. Das Aus­ laßrohr (25) richtet den flüssigen Wasserstoff dann nach einem Ventil (26), welches den flüssigen Wasserstoff entweder dem ersten Primärwärmeaustauscher (18) über eine Leitung (27) oder dem zweiten Primärwärmeaustauscher (19) über eine Leitung (28) zuführt.

Das Ventil (26) wird über nicht dargestellte Mittel so gesteuert daß flüssiger Wasserstoff, der aus dem Sekundärwärmeaustauscher (23) austritt, nur durch jenen von ersten und zweiten Primär­ wärmeaustauschern (18 und 19) hindurchtritt, der durch die Stellung der Klappe (20) der Umgebungsluftströmung ausgesetzt ist, die in den Kanal (11) durch den Lufteinlaß (13) einge­ treten ist. Der flüssige Wasserstoff wird vom ersten bzw. zweiten Primärwärmeaustauscher (18 bzw. 19) durch Leitungen (35 bzw. 36) abgeleitet. Der Kanal (11) ist mit zwei Klappen (29 und 30) in seiner Außenwand benachbart zur Klappe (20) des Zentralkörpers ausgestattet. Die Klappen (29 und 30) stellen im geöffneten Zustand eine Verbindung zwischen dem Inneren des Kanals (11) und einem radial äußeren Kanal (31) her, der zwischen dem stromaufwärtigen Ende (12) des Kanals (11) und einer Verkleidung (32) ausgebildet ist. Der äußere Kanal (31) besitzt einen Einlaß (33), der in gleicher Ebene wie der Kanal­ einlaß (13) liegt und ein Auslaß (34) liegt im Bereich von erstem und zweitem Primärwärmeaustauscher.

Die Klappen (29) und (30) werden so gesteuert, daß dann wenn die Umgebungsluft vom Lufteinlaß (13) durch die Klappe (20) veranlaßt wird, durch einen der Primärwärmeaustauscher (18 oder 19) zu strömen, jeweils eine Klappe (29 und 30) geöffnet wird, damit ein Luftstrom vom äußeren Kanal (31) durch den anderen Primärwärmeaustauscher (18 und 19) strömen kann. In der in der Zeichnung dargestellten Stellung ist die Klappe (30) geschlossen und die Klappe (29) ist offen, so daß wie oben erwähnt, eine Luftströmung vom Einlaß (13) durch den ersten Primärwärmeaustauscher (18) fließen kann und eine Luft­ strömung vom Einlaß (33) (und dem Kanal 31) durch den zweiten Primärwärmeaustauscher (19) abfließen kann.

Um zu gewährleisten, daß Luft die vom äußeren Kanal (31) zu­ geführt wird, nicht durch den Sekundärwärmeaustauscher (23) und in das Triebwerk des Luft- und Raumfahrzeuges strömt, ist eine zweite Gruppe von Strömungsleitschaufeln stromab des Zentralkörpers (15) angeordnet. Eine Klappe (21) ist am stromabwärtigen Ende des Zentralkörpers (50) angelenkt und zwei weitere Klappen (37 und 38) sind in der Wand des Kanals (11) benachbart zu der Klappe (21) stromab des Zentralkörpers vorgesehen. Die Klappen (21, 37 und 38) werden so gesteuert, daß die Luftströmung, die vom Einlaß (13) des Kanals (11) herrührt, durch den zweiten Wärmeaustauscher (23) hindurchtritt, während die Luftströmung, die aus dem Ringkanal (31) herrührt, über den Kanal (11) ausgeblasen wird. Es soll wiederum auf die in der Zeichnung dargestellte Situation Bezug genommen werden. Die Kanalklappe (37) wird geschlossen, damit die vom ersten Primärwärmeaustauscher (18) ausgeblasene Luft, die vom Einlaß (13) herrührt, durch den Sekundärwärmeaustauscher hindurch­ tritt. Die Kanalklappe (38) ist jedoch offen und die Klappe (21) stromab des Zentralkörpers ist derart angeordnet, daß gewährleistet wird, daß die Luft, die vom zweiten Primärwärme­ austauscher (19) austritt und aus dem Kanal (31) herrührt, wiederum aus dem Kanal (11) ausgeblasen wird.

Wenn die verschiedenen Klappen (20, 21, 29, 30, 37 und 38) in den in der Zeichnung angegebenen Stellungen befindlich sind und das Ventil (26) so eingestellt ist, daß flüssiger Wasser­ stoff, der aus dem Sekundärwärmeaustauscher (23) austritt, durch den ersten Primärwärmeaustauscher (18) geführt wird, die Gesamtluftzuführung nach dem Triebwerk des Flugzeugs natürlich durch den ersten Primärwärmeaustauscher (18) hindurchtritt. In der zugeführten Luft befindet sich Wasserdampf, und die niedrigen Temperaturen im ersten Primärwärmeaustauscher gewähr­ leisten, daß im wesentlichen der gesamte Wasserdampf innerhalb des ersten Primärwärmeaustauschers kondensiert und gefriert. Innerhalb des Wärmeaustauschers (18) setzt sich daher progressiv Eis an, welches schließlich zu einer Absperrung des Kanals führt. Bevor jedoch eine völlige Verstopfung erreicht ist (dies wird durch geeignete Detektoren bestimmt), werden sämtliche Klappen (20, 21, 29, 30, 38 und 39) über den Bögen verschwenkt, die strichliert in der Zeichnung angegeben sind. Außerdem wird das Ventil (26) derart umgeschaltet, daß flüssiger Wasserstoff in den zweiten Primärwärmeaustauscher (19) geleitet wird, und nicht mehr in den ersten Primärwärmeaustauscher (18). Die Luft­ strömung nach dem Sekundärwärmeaustauscher (23) und demgemäß nach dem Triebwerk des Luft- und Raumfahrzeuges wird dann über den zweiten Primärwärmeaustauscher (19) geführt, der nicht mit einer Eisansammlung belastet ist, da flüssiger Wasserstoff nicht hindurchgeströmt ist. Zwischenzeitlich wird Luft, die aus dem Kanal (31) abgezogen wird, nach dem ersten Primärwärmeaus­ tauscher (19) geführt und dann aus dem Kanal (11) ausgeblasen. Da die Strömung flüssigen Wasserstoffs nach dem ersten Primär­ wärmeaustauscher (18) nunmehr durch das Ventil (26) unterbrochen ist, bewirkt die durch den ersten Primärwärmeaustauscher (18) strömende Luft ein rapides Ansteigen der Temperatur im Wärme­ austauscher (18). Dies führt wiederum zu einem schnellen Schmelzen des Eises innerhalb des Wärmeaustauschers (18), und das sich durch das Schmelzen ergebende Wasser wird, da die Klappe (37) offen ist, aus dem Kanal (11) ausgeblasen und tritt nicht in den Sekundärwärmeaustauscher (23) ein.

Während das Eis innerhalb des ersten Primärwärmeaustauschers (18) geschmolzen wird, erfolgt natürlich eine Eisansammlung in dem zweiten Primärwärmeaustauscher (19). Wenn diese Eis­ ansammlung einen kritischen Pegel in Bezug auf die den zweiten Primärwärmeaustauscher (19) durchströmenden Luft­ strömungsrate annimmt, dann werden die Klappen (20, 21, 29, 30, 37 und 38) zusammen mit dem Ventil (26) wiederum betätigt und der Prozeß des Eisschmelzens und der Eisansammlung wiederholt sich. Der Zyklus wird kontinuierlich wiederholt, so daß eine kontinuierliche Luftzuführung nach dem Triebwerk des Luft- und Raumfahrzeuges erfolgt, und diese Luft wurde entweder durch den ersten oder zweiten Primärwärmeaustauscher (18 und 19) und den zweiten Wärmeaustauscher (23) gekühlt.

Der erste und der zweite Primärwärmeaustauscher (18 und 19) dienen dazu, im wesentlichen den gesamten Wasserdampf in der Luft zu kondensieren und einzufrieren, der schließlich durch den Sekundärwärmeaustauscher (23) und das Triebwerk des Flug­ zeugs eintritt. Demgemäß ist die Luftströmung, die durch den Sekundärwärmeaustauscher (23) fließt, trocken und es wird daher die Gefahr wesentlicher Eisansammlung innerhalb des Sekundär­ wärmeaustauschers (23) vermieden.

Der Antrieb, wie er in der DE 34 47 991 C2 beschrieben ist, weist einen Niederdruckkompressor auf, der Luft über zwei Wärmeaustauscher empfängt, die in Reihe geschal­ tet sind. Beide Wärmeaustauscher empfangen ein Kühlmittel in Form von unter hohem Druck stehenden flüssigen Wasserstoff.

Die Kühlmittelströme werden benutzt um die Niederdruckkompressor­ einlaßluft auf eine Temperatur abzukühlen, die für eine wirksame Arbeitsweise des Triebwerks geeignet ist. Wenn die vorliegende Erfindung auf ein solches Triebwerk Anwendung findet, bilden erster und zweiter Primärwärmeaustauscher (18 und 19) ab­ wechselnd die ersten Wärmeaustauscher des Triebwerks und der Sekundärwärmeaustauscher (23) bildet den zweiten Wärmeaustau­ scher des Triebwerks.

Obgleich erster und zweiter Primärwärmeaustauscher (18 und 19) gemäß der vorliegenden Beschreibung mit flüssigem Wasserstoff gespeist werden, der vom Sekundärwärmeaustauscher (23) gelie­ fert wird, ist natürlich klar, daß auch eine eigene unabhängige Flüssig-Wasserstoff-Quelle vorgesehen werden kann.

Fast alle Einlässe für Hochgeschwindigkeitstriebwerke erfordern irgendeine Luftabzapfung, um die Luftströmung zu stabilisieren. Im Falle der vorliegenden Erfindung wird diese Luftanzapfung durch den äußeren Kanal (31) bewirkt, der natürlich auch die Quelle von Umgebungsluft für eine Enteisung von ersten und zweiten Primärwärmeaustauscher (18 und 19) bewirkt. Es ist jedoch auch klar, daß die Luft für die Enteisung der Wärme­ austauscher (18 und 19) nicht notwendigerweise aus dem Ring­ kanal (31) abgezapft werden muß, sondern auch von einer anderen Umgebungsluftquelle stammen könnte.

Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit zwei Primär­ wärmeaustauschern (18 und 19) beschrieben, die parallel zu­ einander stromauf des Wärmeaustauschers (23) angeordnet sind. Es könnten jedoch auch mehr als zwei parallel geschaltete Primärwärmeaustauscher vorgesehen werden.

Die Gefahr der Vereisung des Wärmeaustauschers ist in Boden­ nähe und bei niedrigen Höhen am größten, nämlich dort wo der Wasserdampfgehalt der Luft wahrscheinlich hoch ist. In größeren Höhen kann der Wasserdampfgehalt so niedrig sein, daß ein Problem hinsichtlich der wirksamen Arbeitsweise von Primär- und Sekundärwärmeaustauschern (18, 19 und 23) nicht besteht. Unter derartigen Umständen können die Klappen (20 und 21) in einer Mittelstellung derart festgelegt werden, daß die Luftströmung vom Kanallufteinlaß (13) durch beide Primärwärme­ austauscher (18 und 19) gleichzeitig strömt. Unter diesen Umständen werden die Klappen (19, 30, 37 und 38) in ihrer Schließstellung gehalten.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit flüssigem Wasserstoff als Kühlmittel beschrieben, das durch die Wärmeaustauscher (18, 19 und 23) fließt. Es ist jedoch klar, daß auch andere Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Methan benutzt werden könnten.

Claims (8)

1. Lufteinlaß, der geeignet ist, eine Luftströmung nach der Schubantriebsvorrichtung eines Luft- und Raumfahrzeuges zu richten und der zwei oder mehrere Wärmeaustauscher auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (18, 19) parallel zueinander derart angeordnet sind, daß im wesent­ lichen die gesamte Luftströmung in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Kühlmittel steht, daß Luftströmungsrichtmittel (20, 21, 29, 30, 37, 38) und Leitmittel (26) für das Kühl­ mittel den Wärmeaustauschern (18, 19) zugeordnet sind, daß die Luftströmungsrichtmittel (20, 21, 29, 30, 37, 38) so angeordnet sind, daß jeder der Wärmeaustauscher (18, 19) abwechselnd der Luftströmung, die nach der Vortriebsvorrichtung und einer Luftströmung ausgesetzt sind, die der Vortriebsvor­ richtung nicht zugeführt wird, in der Weise daß die Vortriebs­ vorrichtung mit einer kontinuierlichen Luftströmung gespeist wird, die in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kühlmittel ge­ standen hat, und daß die Leitmittel (26) für das Kühlmittel so angeordnet sind, daß das Kühlmittel nur dann durch einen Wärmeaustauscher (18, 19) strömt, wenn jener Wärmeaustauscher (18, 19) der Luftströmung ausgesetzt ist, die nach der Vor­ triebsvorrichtung hin gerichtet wird.

2. Lufteinlaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (10) einen Kanal (11) aufweist, der ein stromaufwärtiges Ende (12) besitzt, um eine Luftströmung zu empfangen und der ein stromabwärtiges Ende (14) aufweist, um die Luft nach der Vortriebsvorrichtung ab­ zugeben und daß die Wärmeaustauscher (18, 19) innerhalb des Kanals (11) angeordnet sind.

3. Lufteinlaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Wärmeaustauscher (23) in dem Kanal (11) stromab der beiden Wärmeaustauscher (18, 19) in paralleler Anordnung vorgesehen ist, und daß der weitere Wärmeaustauscher (23) kontinuierlich der Luftströmung ausge­ setzt wird, die nach der Vortriebsvorrichtung gerichtet ist, um die Luftströmung in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kühl­ mittel zu bringen.

4. Lufteinlaß nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströmungsrichtmittel (20, 21, 29, 30, 37, 38) mehrere Schwenkklappen aufweisen.

5. Lufteinlaß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Schwenk­ klappen (20, 21, 29, 30, 37, 38) in der Wand des Kanals (11) angeordnet sind, daß die Klappen (29, 30, 37, 38) so angeordnet sind, daß die Luftströmung, die nicht nach der Vortriebsvor­ richtung gerichtet wird, von einer anderen Stelle als vom stromaufwärtigen Ende (12) des Kanals abgenommen und durch einen Wärmeaustauscher (18, 19) gerichtet werden kann, um danach die Luftströmung von einer Stelle, die nicht am strom­ abwärtigen Ende (14) des Kanals (11) liegt, auszublasen.

6. Lufteinlaß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (11) mit einer Anzapf­ leitung (31) versehen ist, um eine Luftströmungsstabilisierung im Einlaß zu bewirken, und daß die Luftströmung, die nicht nach der Vortriebsvorrichtung gerichtet wird, aus der Anzapfleitung abgeführt wird.

7. Lufteinlaß nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel, welches durch den weiteren Wärmeaustauscher (23) hindurchläuft, anschließend über die Wärmeaustauscher (18, 19) in Parallelanordnung hin­ durchgeführt wird, so daß die Strömung nach der Vortriebsvor­ richtung zweimal in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kühlmittel gebracht wird.

8. Lufteinlaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel flüssiger Wasser­ stoff ist.