DE60302261T2

DE60302261T2 - Antriebsvorrichtung für Hydraulikpumpe und Luftkompressor

Info

Publication number: DE60302261T2
Application number: DE60302261T
Authority: DE
Inventors: Howard Carter Iii; John David Ashbourne Brown; Michael John Provost; Richard N. Johnson
Original assignee: Rolls Royce PLC; Boeing Co
Current assignee: Rolls Royce PLC; Boeing Co
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: US20030147755A1; DE60302261D1; DE60302261T3; EP1332964B1; US6860726B2; US20060078445A1; EP1332964A1; EP1332964B2

Description

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Flugzeug und insbesondere leichtgewichtige und effiziente Antriebssysteme für Flugzeughilfssysteme.
Abzweigluft von Flugzeugtriebwerken wird im Allgemeinen verwendet, um hydraulische Pumpen, welche in Flugzeughilfssystemen und speziell für Fahrwerksysteme und hydraulische Klappensysteme eingesetzt werden, anzutreiben. Solche Pumpen bieten eine zuverlässige aber ineffiziente Leistungsübertragung von Abzweigluft in einen hydraulischen Fluss und Druck. Eine Expansion der Abzweigluft durch eine Turbine ist auf eine Effizienz zwischen 50 bis 70 Prozent abhängig von dem verfügbaren Abzweigluftdruck beschränkt.
Da Entwickler für Flugzeugtriebwerke nach einer größeren Brennstoffeffizienz suchen, haben sich die Triebwerke zu höheren Kompressionsverhältnissen und höheren Gebläsenebenstromverhältnissen entwickelt, um die Triebwerke brennstoffeffizienter zu machen. Solche Triebwerke sind jedoch empfindlicher gegenüber einer Abzweigluft für Flugzeughilfssystemen. Daher können neue Flugzeugentwürfe mit fortgeschrittenen Triebwerken mit einem hohen Nebenstromverhältnis ohne einen wesentlichen Effizienznachteil keine traditionelle Unterstützung bezüglich einer Entnahme von Abzweigluft eines Triebwerks bereitstellen, um Hilfssysteme anzutreiben.
Dies hat zu einer vermehrten Anwendung von mit einem elektrischen Motor angetriebenen Hilfssystemen geführt, oft mit separaten Motorantrieben. Solch ein System ist zum Beispiel in dem US-Patent US-A-4261416 offenbart. Unterschiedliche Flugzeughilfssysteme, einschließlich und im allgemeinen hydrauli sche Systeme und Klimaanlagen, besitzen unterschiedliche Leistungsanforderungen, wobei die Leistung an verschiedenen Stellen des Flugzeugs und zu verschiedenen Zeiten während des Fluges und am Boden benötigt wird. Oft sind aufgrund der Bedingungen der Hilfssysteme verschiedene Geschwindigkeiten und Drehmomente erforderlich. Mit mehreren elektrischen Motoren angetriebene Hilfssysteme stellen eine Flexibilität bezüglich des Ortes und der Zeit des Betriebes und der Geschwindigkeit bereit. Jedoch besitzen mit mehreren elektrischen Motoren angetriebene Hilfssysteme bezüglich eines Flugzeugs den Nachteil eines erhöhten Gewichtes.
Daher gibt es eine unerfüllte Anforderung nach Antriebssystemen für Hilfssysteme, wobei das Gewicht und die Größe von Hilfssystemantrieben verringert ist, während eine flexible Leistungsanwendbarkeit und flexible Drehgeschwindigkeiten für die verschiedenen Hilfssysteme möglich sind.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Flugzeug und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Leistung für Flugzeughilfssysteme gemäß Anspruch 1 bzw. 14 bereit.
Das erfindungsgemäße duale Antriebssystem weist mindestens einen umkehrbaren elektrischen Motor mit einer Ausgangswelle mit zwei Enden auf, welche mit zwei Freilaufkupplungen verbunden ist, welche wiederum mit zwei separaten Hilfssystemkomponenten verbunden sind. Die Freilaufkupplungen sind derart ausgestaltet, dass sie sich abwechselnd in Eingriff befinden, wobei sich eine Kupplung in Eingriff befindet, wenn der Motor in eine Richtung läuft, und sich die andere Kupplung in Eingriff befindet, wenn der Motor umgekehrt läuft.
Das Dokument EP-A-0831230 stellt den allgemeinen technologischen Hintergrund für ein duales Antriebssystem dar.
Das Antriebssystem wird in einem Flugzeug verwendet, wobei eines der Flugzeughilfssysteme, welche durch den Antrieb angetrieben werden, eine hydraulische Pumpe und das andere ein Luftkompressor ist. Andere Aspekte der Erfindung schließen ein Kombinieren eines Getriebesystems mit einer oder beiden der Freilaufkupplungen ein, damit die entsprechenden Hilfssystemkomponenten mit verschiedenen Geschwindigkeiten angetrieben werden können.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein zweiter elektrischer Motor verwendet werden, um eine der Flugzeughilfssystemkomponenten zusätzlich zu dem Umkehrmotor anzutreiben, so dass für diese Hilfssystemkomponente eine Leistung bereitgestellt wird, auch wenn der Umkehrmotor umgekehrt läuft und somit dem anderen Flugzeughilfssystem Leistung bereitstellt. Der Umkehrmotor kann auch zwei Geschwindigkeiten aufweisen, wobei eine Drehbewegung mit einer Geschwindigkeit möglich ist, wenn der Motor in eine Richtung läuft und ein Flugzeughilfssystem antreibt, und eine Drehbewegung mit einer anderen Geschwindigkeit möglich ist, wenn der Motor in der umgekehrten Richtung läuft und das andere Hilfssystem antreibt.
Die Erfindung sorgt für eine Flexibilität, indem hydraulische Hilfssysteme und Klimaanlagen eines Flugzeugs von einem einzigen Motor angetriebenen werden, wobei verschiedene Aus gangsgeschwindigkeiten für die entsprechenden Hilfssysteme von demselben Antrieb bereitgestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die bevorzugten und alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die folgende Zeichnung beschrieben.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht des dualen Antriebs für eine hydraulische Pumpe und einen Luftladedruckkompressor mit einem zweiten Motorantrieb.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines dualen Antriebssystems 5. Das duale Antriebssystem 5 weist einen Umkehrmotor 10 auf. Bei einer momentan bevorzugten Ausführungsform ist der Umkehrmotor ein elektrischer Motor mit zwei Geschwindigkeiten. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Umkehrmotor ein elektrischer Motor mit einer variablen Geschwindigkeit. Der Umkehrmotor 10 weist eine Hauptwelle 12 mit zwei Enden auf. Ein Ende der Hauptwelle 12 ist mit einer im Uhrzeigersinn freilaufenden Freilaufkupplung 20 verbunden, welche in der Richtung im Uhrzeigersinn frei läuft und in der Richtung entgegen des Uhrzeigersinnes in Eingriff kommt. Die im Uhrzeigersinn freilaufende Freilaufkupplung weist eine Ausgangswelle 32 auf. Bei einer momentan bevorzugten Ausführungsform ist der Ausgang 32 der im Uhrzeigersinn arbeitenden Freilaufkupplung mit einer hydraulischen Pumpe 30 verbunden und treibt diese an. Das andere Ende der Hauptwelle ist mit einer entgegen dem Uhrzeigersinn freilaufenden Freilaufkupplung 22 verbunden. Die entgegen dem Uhrzeigersinn freilaufende Freilaufkupplung 22 läuft in der Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn frei und kommt in der Richtung im Uhrzeigersinn in Eingriff. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die entgegen dem Uhrzeigersinn freilaufende Freilaufkupplung mit einem Luftkompressor 40 verbunden und treibt diesen an. Bei dieser Ausführungsform ist der Luftkompressor die erste Stufe eines Staudruckkompressors mit einem Staudrucklufteinlass 42 und einem Staudruckluftauslass 44. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Hauptwelle 12 eine alternative Antriebsverbindung, wie z.B. ein Getriebe oder ein Keilwellenausgang, sein.
Wie aus der 1 ersichtlich ist, treibt der Umkehrmotor 10 in Verbindung mit der im Uhrzeigersinn freilaufenden und mit der entgegen dem Uhrzeigersinn freilaufenden Freilaufkupplung die hydraulische Pumpe 30 an, wenn sich die Hauptwelle 12 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, und treibt den Luftkompressor 40 an, wenn sich die Hauptwelle 12 in einer Richtung im Uhrzeigersinn dreht. Bei einer momentan bevorzugten Ausführungsform ist der Antriebsmotor 10 ein umkehrbarer elektrischer Motor mit zwei Geschwindigkeiten, welcher für eine andere Ausgangsgeschwindigkeit der Hauptwelle 12 sorgt, wenn der Motor in einer Richtung im Uhrzeigersinn läuft, als wenn der Motor in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn läuft. Alternativ würde ein Umkehrmotor mit variabler Geschwindigkeit eine äquivalente Funktion mit mehreren Geschwindigkeiten mit einer größeren Flexibilität der Ausgangsleistung bereitstellen. Bei einer momentan bevorzugten Ausführungsform ist die im Uhrzeigersinn freilaufende Freilaufkupplung 20 auch mit einem Getriebesystem (nicht dargestellt) kombiniert, welches die Geschwindigkeit der Ausgangswelle 32 der im Uhrzeigersinn freilaufenden Freilaufkupplung, welche die hydraulische Pumpe 30 antreibt, verringert. Bei anderen Ausführungsformen der momentanen Erfindung können eine andere Geschwindigkeit und andere Getriebesysteme mit der im Uhrzeigersinn freilaufenden Freilaufkupplung 20 und/oder mit der entgegen dem Uhrzeigersinn freilaufenden Freilaufkupplung 22 verbunden sein. Bei einer momentan bevorzugten Ausführungsform ist das Getriebesystem (nicht dargestellt), welches mit der im Uhrzeigersinn freilaufenden Freilaufkupplung 20 kombiniert ist und die hydraulische Pumpe 30 antreibt, ein Getriebesystem eines Wellgetriebetyps.
1 stellt eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem zweiten Antriebsmotor 60 dar. Der zweite Antriebsmotor 60 weist eine Ausgangswelle 62 auf, welche mit der Hauptwelle 12 des Umkehrmotors 10 ausgerichtet ist und durch dazwischen eingreifende Komponenten mit dieser verbunden ist. Bei einer momentan bevorzugten Ausführungsform ist die Welle 62 des zweiten Antriebsmotors mit einer zweiten Luftkompressorstufe 50 verbunden und treibt diese an. Die zweite Luftkompressorstufe 50 weist einen zweiten Stufeneinlass 52 und einen zweiten Stufenauslass 54 auf. Die zweite Luftkompressorstufe 50 ist durch eine gemeinsame Welle 64 mit dem Luftkompressor 40 verbunden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der zweite Antriebsmotor 60 durch seine Antriebswelle 62 direkt mit dem Luftkompressor 40 verbunden sein. Bei einer momentan bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 1 dargestellt ist, bilden der Luftkompressor 40 und die zweite Luftkompressorstufe 50 einen Teil einer Luftkreislaufmaschine für eine Klimaanlage eines Flugzeugs. Bei einer momentan bevorzugten Ausführungsform ist die gemeinsame Welle 64 eine Hohlwellenverbindung zu der Hauptwelle 12 durch den Luftkompressor 40.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der zweite Antriebsmotor 60 ein nicht umkehrbarer elektrischer Motor. Wenn er in Betrieb ist, sorgt der zweite Antriebsmotor 60 für ein Basisniveau an Leistung für die Luftkompressoren 40 und 50, auch wenn der umkehrbare Antriebsmotor 10 umgekehrt läuft und Leistung für die hydraulische Pumpe 30 bereitstellt. Ansonsten sorgen sowohl der umkehrbare Antriebsmotor 10 als auch der zweite Antriebsmotor 60 für eine kombinierte Leistung direkt für die Luftkompressoren 40 und 50, während sich die hydraulische Pumpe 30 in einem Ruhezustand befindet, wobei die im Uhrzeigersinn freilaufende Freilaufkupplung 20 frei läuft. Bei einer momentan bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 1 dargestellt ist, läuft der zweite Antriebsmotor 60 bei einem Einsatz im Flugzeug konstant, wobei ein Grundniveau der Leistung der Klimaanlage durch die zwei Luftturbinenluftkompressoren 40 und 50 bereitgestellt wird. In den meisten Betriebsperioden des Flugzeugs am Boden und in der Luft stellt der umkehrbare Antriebsmotor 10 durch die Luftkompressoren 40 und 50 eine Leistung für das Klimaanlagensystem des Flugzeugs bereit. Während Perioden, wenn eine wesentliche hydraulische Leistung erforderlich ist, wie z.B. beim Einfahren und Ausfahren des Fahrwerks oder beim Ausfahren oder Einfahren von Landeklappen, läuft der Umkehrmotor 10 umgekehrt, wobei er die hydraulische Pumpe 30 für die begrenzten Zeitperioden, in welchen diese Systeme sich in Betrieb befinden, antreibt, wobei temporär die Leistung für das Klimaanlagensystem des Flugzeugs verringert wird.
Verschiedene Getriebesysteme können zwischen der Antriebswelle und der Welle, welche mit den Freilaufkupplungen verbunden ist, eingesetzt werden. Eine Drehleistung kann indirekt, anstatt direkt von einem Motor, bereitgestellt werden. Die Freilauf- und Eingriffsrichtung der Kupplungen können umgekehrt sein. Ein Motor mit einer variablen Geschwindigkeit und mit einer Leistungselektronik für eine Motorgeschwindigkeitssteuerung würde ermöglichen, dass der Ausgang des Luftkompressors und der hydraulischen Pumpe stufenlos variabel und steuerbar wäre. Dementsprechend ist der Umfang der Erfindung durch die Offenbarung der bevorzugten Ausführungsform nicht beschränkt. Sondern die Erfindung soll vollständig durch Bezug auf die Ansprüche, welche folgen, bestimmt sein.

Claims

Flugzeug, welches ein hydraulisches Flugzeughilfssystem, das eine hydraulische Pumpe (30) umfasst, und ein Flugzeugklimaanlagenhilfssystem, welches einen Luftkompressor (40) umfasst, und einen elektrischen Motor zum Antreiben des Kompressors aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Motor ein Umkehrmotor (10) ist, welcher eine Hauptwelle (12) mit einer Längshauptwellenachse, einem ersten Ende und einem zweiten Ende aufweist; – eine erste Freilaufkupplungsanordnung (20) vorgesehen ist, welche eine Freilaufdrehrichtung, eine erste Ausgangswelle und eine erste Ausgangsgeschwindigkeit aufweist, mit dem ersten Ende der Hauptwelle verbunden und durch diese angetrieben ist, wobei die hydraulische Pumpe (30) mit der ersten Ausgangswelle verbunden und durch dieses angetrieben ist; und – eine zweite Freilaufkupplungsanordnung (22) vorgesehen ist, welche eine entgegengesetzte Freilaufdrehrichtung, eine zweite Ausgangswelle und eine zweite Ausgangsgeschwindigkeit aufweist, mit dem zweiten Ende der Hauptwelle verbunden und durch dieses angetrieben ist, wobei der Luftkompressor (40) mit der zweite Ausgangswelle verbunden und durch diese angetrieben ist; und – wobei der Luftkompressor während Flugperioden außer Eingriff ist, wenn eine wesentliche hydraulische Leistung für die hydraulische Pumpe erforderlich ist.
Flugzeug nach Anspruch 1, wobei der elektrische Motor entweder ein elektrischer Motor mit zwei Drehgeschwindigkeiten oder ein elektrischer Motor mit mehreren Drehgeschwindigkei ten oder ein elektrischer Motor mit variabler Drehgeschwindigkeit ist.
Flugzeug nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: – ein System zum Herunterfahren der Pumpenleistung, um die hydraulische Pumpe zu entlasten; – ein System zum Her Hunterfahren der Luftkompressorleistung, um den Luftkompressor zu entlasten; und – eine Steuereinheit, welche mit dem System zum Herunterfahren der Pumpenleistung und mit dem System zum Herunterfahren der Luftkompressorleistung verbunden ist.
Flugzeug nach Anspruch 3, wobei das System zum Herunterfahren der Pumpenleistung einen Kurzschluss der hydraulischen Pumpe aufweist.
Flugzeug nach Anspruch 3 oder 4, wobei das System zum Herunterfahren der Luftkompressorleistung eine Entlüftung aufweist.
Flugzeug nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die erste Kupplungsanordnung weiter ein Getriebesystem umfasst, welches angeordnet ist, um die erste Ausgangsgeschwindigkeit zu verringern oder zu erhöhen.
Flugzeug nach Anspruch 6, wobei das Getriebesystem eine Wellgetriebegruppe umfasst.
Flugzeug nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die zweite Freilaufkupplungsanordnung weiter ein zweites Getriebesystem umfasst, welches angeordnet ist, um die zweite Ausgangsgeschwindigkeit zu verringern oder zu erhöhen.
Flugzeug nach einem der Ansprüche 1-8, weiter umfassend: eine zweite Antriebsleistungsquelle (60), welche eine Antriebswelle mit einer Längsantriebsachse aufweist, welche derart angeordnet ist, dass die Antriebswelle der zweiten Antriebsleistungsquelle mit dem Luftkompressor verbunden ist und diesen antreibt.
Flugzeug nach Anspruch 9, wobei die zweite Antriebsleistungsquelle ein nichtumkehrbarer elektrischer Motor mit einfacher Geschwindigkeit ist, wobei seine Längsantriebsachse kolinear mit der Längshauptwellenachse der Hauptwelle der Umkehrantriebsleistungsquelle ausgerichtet ist.
Flugzeug nach Anspruch 9 oder 10, wobei die zweite Antriebsleistungsquelle ein nichtumkehrbarer elektrischer Motor mit einfacher Geschwindigkeit ist.
Flugzeug nach einem der Ansprüche 1-11, wobei der Luftkompressor eine Luftkreislaufvorrichtung ist, welche zur Luftkühlung ausgestaltet ist.
Flugzeug nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei die Längsantriebsachse der Antriebswelle der zweiten Antriebsleistungsquelle kolinear mit der Längshauptwellenachse der Hauptwelle der Umkehrantriebsleistungsquelle ausgerichtet ist.
Verfahren zum Bereitstellen einer Leistung zu zwei Flugzeughilfssystemen, umfassend: Bereitstellen eines elektrischen Umkehrmotors, welcher zur Ausgabe einer Drehleistung geeignet ist; Ausgeben der Drehleistung von dem elektrischen Umkehrmotor durch eine Hauptleistungswelle, welche mit einer Drehgeschwindigkeit betrieben wird; in Eingriff Bringen der Hauptleistungswelle durch eine erste Freilaufkupplung mit einer hydraulischen Pumpe für ein hydraulisches Flugzeughilfssystem und Antreiben derselben, wenn sich die Hauptleistungswelle in einer ersten Richtung dreht, und außer Eingriff Bringen von der hydraulischen Pumpe, wenn sich die Hauptleistungswelle in einer entgegengesetzten Richtung dreht; in Eingriff Bringen der Hauptleistungswelle durch eine zweite Freilaufkupplung mit einem Kompressor eines Flugzeugklimaanlagenhilfssystems und Antreiben desselben, wenn sich die Hauptleistungswelle in der entgegengesetzten Richtung dreht; und außer Eingriff Bringen des Kompressors, wenn sich die Hauptleistungswelle in der ersten Richtung dreht; wobei der Luftkompressor während Flugperioden, wenn wesentliche hydraulische Leistung für das hydraulische Hilfssystem erforderlich ist, außer Eingriff gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend: Antreiben des elektrischen Umkehrmotors mit einer von zwei Drehgeschwindigkeiten, mehreren Drehgeschwindigkeiten oder variablen Drehgeschwindigkeiten.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 15, weiter umfassend: in Eingriff Bringen der Hauptleistungswelle mit der hydraulischen Pumpe, wobei ein Getriebe eingesetzt wird, welches die Drehgeschwindigkeit der Hauptleistungswelle, welche die hydraulische Pumpe antreibt, erhöht.
Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, weiter umfassend: in Eingriff Bringen der Hauptleistungswelle mit der hydraulischen Pumpe, wobei ein Getriebe eingesetzt wird, welches die Drehgeschwindigkeit der Hauptleistungswelle, welche die hydraulische Pumpe antreibt, verringert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-17, weiter umfassend: Bereitstellen einer zusätzlichen Leistung zu dem Luftkompressor, indem er mit einer zweiten Antriebsleistungsquelle, welche mit dem Klimaanlagenhilfssystem verbunden ist und dieses antreibt, angetrieben wird.