DE60306310T2

DE60306310T2 - Temperaturregelung von Druckluftzufuhr

Info

Publication number: DE60306310T2
Application number: DE60306310T
Authority: DE
Inventors: Michael John Zaple; Christopher James White
Original assignee: Honeywell Normalair Garrett Holdings Ltd
Current assignee: Honeywell UK Ltd; Honeywell Aerospace BV
Priority date: 2002-11-30
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: US20040134208A1; ES2266703T3; DE60306310D1; EP1424282A1; ATE330843T1; US6928827B2; EP1424282B1; GB0228003D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur von Druckluft, die von einer Quelle selbiger zugeführt wird, zur Verwendung in einem System oder einem Gerät, das diese verwendet.
Die Erfindung ist im Zusammenhang mit der Zufuhr von Abzweigluft aus wenigstens einem Gasturbinenmotor eines Flugzeugs gemacht worden. Es ist bekannt, Abzweigluft von einem Gasturbinenmotor (d.h. Luft, die aus der Luftströmung durch den Motor hinter einer Kompressorstufe des Motors entnommen und somit mit Druck beaufschlagt ist) in Zusatzsystemen des Flugzeugs, wie zum Beispiel einem Luftkonditioniersystem, zu verwenden. Ein weiteres Beispiel, wo Abzweigluft in einem Flugzeug verwendet werden könnte, stellt ein System zur Sauerstofftrennung unter Verwendung eines Druckwechselabsorptionsprozesses dar, um eine Sauerstoff- oder mit Sauerstoff angereicherte Zufuhr zum Atmen durch die Besatzung und andere Personen an Bord des Flugzeugs bereitzustellen.
Einige Systeme, wie zum Beispiel Druckwechselabsorptionssysteme zur Sauerstofftrennung sind für Änderungen der Temperatur von Druckluft, mit der sie versorgt werden, empfindlich und die Temperatur muß innerhalb relativ schmaler Grenzen geregelt werden, wenn das System zufriedenstellend arbeiten soll. Von einem Flugzeugmotor oder -motoren zugeführte Abzweigluft befindet sich gewöhnlich auf einer höheren Temperatur als erforderlich und muß demzufolge gekühlt werden, was gewöhnlich durch Leiten der Abzweigluft durch einen Wärmetauscher durchgeführt wird, der sie in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Kühlfluid bringt. Die Kühlwirkung eines Wärmetauschers hängt von der Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid, das gekühlt wird, und dem Kühlfluid und den Durchflüssen der beiden Fluide ab. Häufig ist das Kühlmittel Stauluft, d.h. Umgebungsluft, die als Folge der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs dazu gebracht wird, durch den Wärmetauscher zu gehen, und man wird erkennen, daß in diesem Fall die Temperatur und der Durchfluß der Kühlluft erheblich variieren können: Derartige Variationen führen zu Variationen der Temperatur der Abzweigluft, nachdem sie durch den Wärmetauscher gegangen ist. Wenn das Kühlmittel Stauluft ist, wird nichts geliefert, wenn sich das Flugzeug nicht bewegt.
Es sind Arten zur Regelung der Temperatur, wenn sie vom Wärmetauscher abgegeben wird, bekannt. Zum Beispiel gibt es die als "Abzweigluft-Bypass" bekannte Technik, in der ein Teil der Abzweigluft zum Umgehen des Wärmetauschers gezwungen wird und danach mit der Abzweigluft, die durch den Wärmetauscher gegangen ist, stromabwärts vom Wärmetauscher unter der Kontrolle eines auf Temperatur reagierenden Ventils gemischt. Eine weitere Technik besteht darin, die Strömung des Kühlmittels durch Betätigung eines geeigneten Ventils zu modulieren, das in dem Kühlmittelströmungsweg vorgesehen ist. Jede dieser Techniken läßt Ineffizienzen einfließen, indem die Strömung der Abzweigluft bzw. des Kühlmittels behindert wird oder die Druckluft vergeudet wird.
Die US-A-2870698 beschreibt ein System, in dem ein temperaturabhängiges Ventil vorhanden ist, das die Strömung von Druckluft zu einem stromabwärtigen System variieren kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung stellen wir bereit ein Verfahren zur Regelung der Temperatur von Druckluft, die von einer Quelle selbiger zugeführt wird, enthalten den Schritt des Leitens der Druckluft durch einen Wärmetauscher, worin sie sich in Wärmeaustauschbeziehung mit Kühlluft befindet, wobei Strömung der Kühlluft durch den Wärmetauscher durch eine Ejektoreinrichtung bewirkt wird, die etwas von der Druckluft verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Regelung der Zufuhr der Druckluft zur Ejektoreinrichtung gemäß der Temperatur der Druckluft stromabwärts vom Wärmetauscher enthält.
In einem Verfahren gemäß der Erfindung wird die Strömung von Kühlluft durch Regelung der Zufuhr von Druckluft zur Ejektoreinrichtung geregelt. Es wird nur so viel von der Zufuhr der Druckluft zum Versorgen der Ejektoreinrichtung verwendet, wie angesichts der Temperatur der Druckluft stromabwärts vom Wärmetauscher notwendig ist. Es wird eine Vergeudung der unter Druck stehenden Abzweigluft verringert.
Die Temperatur der Druckluft stromabwärts des Wärmetauschers kann gemessen und von einem Regelmittel mit einer gewünschten Temperatur verglichen werden, wobei das Regelmittel ein Regelsignal, z.B. zum Variieren der Einstellung eines Ventils, liefern kann, um eine Zunahme oder eine Abnahme der Strömung von Druckluft zum Ejektor zu bewirken, wenn die Temperatur der Druckluft vom gewünschten Wert abweicht.
Das Verfahren kann Lenken der Druckluft aus dem Wärmetauscher zu einem stromabwärtigen System, das wenigstens eines von einem Luftkonditionierungssystem zum Liefern von konditionierter Luft und einem System zum Liefern einer Zufuhr von atembarer Luft, zum Beispiel in einem Flugzeug, ist, enthalten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung stellen wir bereit eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur von Druckluft, die von einer Quelle selbiger zugeführt wird, enthaltend einen Wärmetauscher, durch den Druckluft geleitet und in Wärmeaustauschbeziehung mit Kühlluft gebracht wird, eine Ejektoreinrichtung, die mit etwas von der Druckluft gespeist wird und betreibbar ist, um Strömung der Kühlluft durch den Wärmetauscher hervorzurufen, einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Druckluft stromabwärts vom Wärmetauscher und eine Regeleinrichtung, die betreibbar ist, um die Zufuhr der Druckluft zur Ejektoreinrichtung gemäß der gemessenen Temperatur Druckluft stromabwärts vom Wärmetauscher zu regeln.
Zur Regelung der Zufuhr von Druckluft zur Ejektoreinrichtung kann die Vorrichtung ein Regelventil von irgendeiner geeigneten Bauart verwenden, das in einer Rohrleitung, die die Abzweigluft zur Ejektoreinrichtung liefert, angeordnet ist und auf die Regeleinrichtung reagiert.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Flugzeug bereit, das die Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung enthält.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine erläuternde Ansicht einer Vorrichtung zeigt, die durch ein Verfahren gemäß der Erfindung betrieben werden kann, und
2 eine erläuternde Ansicht eines Flugzeugs mit einer in 1 dargestellten Vorrichtung zeigt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird Druckluft entlang einer Zuleitung 10 aus einem Gasturbinenmotor oder Gasturbinenmotoren E des Flugzeugs A zugeführt, wobei der Motor bzw. die Motoren E entweder, wie 2 dargestellt, ein Hauptmotor ist bzw. Hauptmotoren sind oder ein Zusatzaggregat bzw. Zusatzaggregate ist bzw. sind. Die Abzweigluftzufuhr wird stromaufwärts von der Zuleitung 10 druck/durchflußgeregelt, so daß die Zufuhr im Bezug auf ihren Druck stabil ist. Nachdem sie komprimiert worden ist, wird die Abzweigluft heiß sein und ist es zum Gebrauch in einem stromabwärtigen System 5, wie zum Beispiel einem Sauerstofftrennsystem 10 von der Art mit Druckwechseladsorption oder einem Luftkonditioniersystem, erforderlich, daß sie kühlt und mit einer Temperatur zugeführt wird, die innerhalb relativ enger Grenzen geregelt wird. Für diesen Zweck wird die Abzweigluft durch einen Wärmetauscher 11 geleitet, der von der Kreuzstrom- oder Gegenstrom-Bauart sein kann, in dem sie in Wärmeaustauschbeziehung mit einer Kühlluftströmung gebracht wird, die den Wärmetauscher 11 entlang einer Leitung 12 von einem Einlaß I des Flugzeugs A erreicht. Stromabwärts vom Wärmetauscher 11 wird die mit Druck beaufschlagte Abzweigluft durch eine Ablaßleitung 13 an die Systeme oder die Einrichtung abgegeben, wo sie verwendet werden soll.
Ein Teil der mit Druck beaufschlagten Abzweigluft kann aus der Zuleitung 10 mittels einer Abzweigleitung 14 an eine Ejektoreinrichtung 15 abgegeben werden, in der Strömung der Teilmenge der mit Druck beaufschlagten Abzweigluft verwendet wird, um eine Strömung der Kühlluft auf Umgebungsdruck durch den Wärmetauscher 11 zu induzieren, wobei ein Rohr für die Kühlluft vom Wärmetauscher 11 zur Ejektoreinrichtung 15 führt.
Ejektoreinrichtungen, in denen eine Strömung eines ersten Fluids, wie zum Beispiel mit Druck beaufschlagte Abzweigluft in einem geeignet gestalteten Durchgang oder einer Düse direkt verwendet wird, um Strömung eines zweiten Fluids, wie zum Beispiel der Kühlluft, ohne irgendwelche dazwischenliegenden mechanischen Teile zu induzieren, sind allgemein bekannt und werden somit nicht im Detail beschrieben werden. Der Durchfluß des zweiten Fluids variiert in Abhängigkeit von dem Durchfluß des ersten Fluids, das der Ejektoreinrichtung 15 zugeführt wird.
In der Abzweigleitung 14 ist ein Ventil 17 vorgesehen, das ein Regelventil von irgendeiner geeigneten Bauart, z.B. rotierend oder linear, ist, und dessen Betrieb von einer Regeleinrichtung 18, z.B. elektrisch oder pneumatisch, gesteuert wird. Ein Temperatursensor ist bei 19 zum Messen der Temperatur der Abzweigluft in der Ablaßleitung 13 stromabwärts vom Wärmetauscher 11 gezeigt, und der Sensor 19 erzeugt ein Ausgabesignal, das der Regeleinrichtung 18 zugeführt wird. Die Regeleinrichtung 18 vergleicht die gemessene Temperatur mit einer gewünschten Temperatur für die Luft in der Ablaßleitung 13 und liefert ein Signal an das Ventil 17, um die Strömung von Abzweigluft, die dem Ejektor 15 zugeführt wird, und somit die Strömung von Kühlluft durch den Wärmetauscher 11 entsprechend dem Temperaturvergleich zu erhöhen oder zu senken. Somit kann die Temperatur der Luft in der Ablaßleitung 13 so nahe wie möglich an dem gewünschten Wert gehalten werden.
Die in der vorangehenden Beschreibung oder den folgenden Ansprüchen oder den beigefügten Zeichnungen offenbarten Merkmale, die in deren speziellen Ausführungsformen oder hinsichtlich eines Mittels zur Durchführung der offenbarten Funktion oder einem Verfahren oder Prozeß zum Erzielen des offenbarten Ergebnisses ausgedrückt sind, können, so weit erforderlich, einzeln oder in irgendeiner Kombination genannter Merkmale zur Realisierung der Erfindung in diversen Ausführungsformen derselben verwendet werden.
Es können zahlreichen Modifikationen vorgenommen werden, ohne aus dem Schutzbereich der Erfindung zu gelangen, wie durch die Ansprüche definiert.
Zum Beispiel kann anstelle der Regeleinrichtung 18, die ein elektrisches Regelsignal an das Regelventil 17 abgibt, die Regeleinrichtung 18, wenn das Ventil 17 pneumatisch oder hydraulisch betätigt wird, soweit zweckmäßig, ein pneumatisches oder hydraulisches Steuersignal abgeben.
Die Erfindung kann auf andere Weise als in einem Flugzeug E hinsichtlich der Zufuhr von mit Druck beaufschlagter Luft an ein alternatives zu dem beschriebenen stromabwärtiges System 5 verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Regelung der Temperatur von Druckluft, die von einer Quelle (E) selbiger zugeführt wird, enthaltend den Schritt des Leitens der Druckluft durch einen Wärmetauscher (11), worin sie sich in Wärmeaustauschbeziehung mit Kühlluft befindet, wobei Strömung der Kühlluft durch den Wärmetauscher (11) durch eine Ejektoreinrichtung (15) bewirkt wird, die etwas von der Druckluft verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Regelung der Zufuhr der Druckluft zur Ejektoreinrichtung (15) gemäß der Temperatur der Druckluft stromabwärts vom Wärmetauscher (11) enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Messung der Temperatur der Druckluft stromabwärts vom Wärmetauscher (11), Vergleichen von genannter gemessenen Temperatur mit einer gewünschten Temperatur und Liefern eines Ausgabesignals, um zu bewirken, daß die Zufuhr der Druckluft zur Ejektoreinrichtung (15) variiert wird, wenn die gemessene Temperatur von dem gewünschten Wert abweicht, enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren Lenken der Druckluft aus dem Wärmetauscher (11) zu einem stromabwärtigen System (5), das wenigstens eines von einem Luftkonditionierungssystem zum Liefern von konditionierter Luft und einem System zum Liefern einer Zufuhr von atembarer Luft ist, enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Flugzeug (E) durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur von Druckluft, die von einer Quelle (E) selbiger zugeführt wird, enthaltend einen Wärmetauscher (11), durch den Druckluft geleitet und in Wärmeaustauschbeziehung mit Kühlluft gebracht wird, eine Ejektoreinrichtung (15), die mit etwas von der Druckluft gespeist wird und betreibbar ist, um Strömung der Kühlluft durch den Wärmetauscher (11) hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (19) zur Messung der Temperatur der Druckluft stromabwärts vom Wärmetauscher (11) und eine Regeleinrichtung (11) vorgesehen ist, die betreibbar ist, um die Zufuhr der Druckluft zur Ejektoreinrichtung (15) gemäß der gemessenen Temperatur der Druckluft stromabwärts vom Wärmetauscher (11) zu regeln.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (18) betreibbar ist, um die gemessene Temperatur der Druckluft stromabwärts vom Wärmetauscher (11) mit einer gewünschten Temperatur zu vergleichen und ein Regelsignal zur Regelung der Zufuhr von Druckluft zur Ejektoreinrichtung (15) gemäß der Abweichung der Temperatur der Druckluft von dem gewünschten Wert zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Regelventil (17) enthält, das in einer Rohrleitung (14), die die Druckluft an die Ejektoreinrichtung (15) liefert, angeordnet ist und das Regelsignal der Regeleinrichtung (18) empfängt.
Flugzeug (A) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 zur Regelung der Temperatur von Abzweigluft, die von wenigstens einem Gasturbinenmotor (E) des Flugzeugs (A) zugeführt wird.