DE60313394T2

DE60313394T2 - Wärmetauscher für eine Flugzeugklimaanlage und Antriebssystem mit einem solchen Wärmetauscher

Info

Publication number: DE60313394T2
Application number: DE60313394T
Authority: DE
Inventors: Herve 31120 Marche
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: US6715713B2; EP1365203A1; CA2429261C; CA2429261A1; DE60313394D1; FR2839948A1; ATE360792T1; FR2839948B1; US20030218096A1; EP1365203B1

Description

Gebiet der Technik
Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf einen Wärmetauscher, der dazu vorgesehen ist, die Kühlung der in einen Klimaanlagen-Kreislauf einer Luftfahrzeugkabine eingeleiteten Luft sicherzustellen.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher, der in einen Mast integriert ist, über den ein Luftfahrzeug-Strahltriebwerk an dem Tragwerk aufgehängt ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Antriebseinheit eines Luftfahrzeugs mit einem Strahltriebwerk, einem Masten und einem in den Masten integrierten Wärmetauscher.
Die Erfindung ist auf jede Art von Luftfahrzeug anwendbar, und insbesondere auf Linienflugzeuge, die zum Passagiertransport bestimmt sind.
Stand der Technik
Bei bestehenden Luftfahrzeugen ist es üblich, warme Luft von den Strahltriebwerken abzuzapfen, um sie in den Klimaanlagen-Kreislauf der druckbeaufschlagten Kabine einzuleiten, in der sich die Besatzung und die Passagiere befinden. Da die Temperatur der im Strahltriebwerk abgezapften Luft allgemein etwa 400°C beträgt, während die Maximaltemperatur der in dem Klimaanlagen-Kreislauf zirkulierenden Luft nicht über etwa 200°C liegen darf, wird für gewöhnlich ein Wärmetauscher zwischen das Strahltriebwerk und den Klimaanlagen-Kreislauf eingefügt. Dieser Wärmetauscher sorgt für die Kühlung der vom Strahltriebwerk kommenden Luft hoher Temperatur dank einem Wärmeaustausch zwischen dieser Hochtemperaturluft und der kälteren Luft (etwa 100°C), die in dem Gebläsekanal des Strahltriebwerks abgezapft wird.
Da die Wärmeaustausche, die im Inneren des Wärmetauschers stattfinden, zwei aus dem Strahltriebwerk kommende Luftströme betreffen, ist es üblich, den Wärmetauscher in unmittelbarer Nähe zu diesen anzuordnen. Genauer gesagt wird der Wärmetauscher normalerweise in die Struktur des Masts integriert, durch den das Strahltriebwerk am Tragwerk des Luftfahrzeugs aufgehängt ist.
Eine bekannte Lösung besteht darin, den Wärmetauscher über dem vorderen Abschnitt des die starre Struktur des Masts bildenden Kastens und im Inneren der den Kasten bedeckenden Verkleidung anzubringen.
In diesem Fall umfasst der Wärmetauscher üblicherweise hohle vertikale Platten, zwischen denen die relativ kalte Luft, die aus dem Gebläsekanal kommt, von oben nach unten zirkuliert, um nach außen in die Atmosphäre durch in der oberen Verkleidung des Masts ausgebildete Schlitze ausgestoßen zu werden. Die relativ warme, vom zentralen Abschnitt des Triebwerks kommende Luft zirkuliert von vorne nach hinten im Inneren der vertikalen hohlen Platten, um dort gekühlt zu werden, bevor sie dem Klimaanlagen-Kreislauf zugeführt wird. Die von dem Gebläsekanal kommende, relativ kalte Luft wird in den Wärmetauscher über eine Rohrleitung eingeleitet, die mit einem Ventil bzw. Schieber versehen ist, der eine Durchsatzregelung gestattet. Diese Durchsatzregelung der relativ kalten Luft im Inneren des Wärmetauschers ermöglicht eine Steuerung der Lufttemperatur in dem Klimaanlagen-Kreislauf.
Die Wärmetauscher dieses Typs weisen jedoch verschiedene Nachteile auf.
An erster Stelle würde ihre Anordnung über dem vorderen Abschnitt des starren Kastens des Masts eine Ausbuchtung in dem oberen vorderen Abschnitt der Verkleidung bilden, wenn diese Art Wärmetauscher an einem Luftfahrzeug eingesetzt würde, das mit Strahltriebwerken größeren Durchmessers ausgestattet ist als demjenigen, mit denen es bei seiner Konzeption ausgestattet war. Die Verwendung von Strahltriebwerken größeren Durchmessers kann insbesondere von dem Wunsch getragen sein, den Schallpegel zu senken und/oder die Leistungen des Luftfahrzeugs zu steigern, insbesondere seine Geschwindigkeit. Die Ausbuchtung, die sich so ergibt, wäre für den aerodynamischen Luftstrom in der zwischen dem Tragwerk und dem Strahltriebwerk befindlichen Zone von Nachteil. Sie ist somit nicht akzeptabel.
Ein weiterer Nachteil der bestehenden Wärmetauscher betrifft das Ausstoßen an die Atmosphäre von relativ kalter Luft, die zum Kühlen der Luft verwendet wird, welche in den Klimaanlagen-Kreislauf eingeleitet wird. Dieser Ausstoß in die Atmosphäre wird praktisch durch die Zirkulation von unten nach oben der relativ kalten Luft im Inneren des Wärmetauschers auferlegt, während die relativ gemäßigte Temperatur der so ausgestoßenen Luft ermöglichen würde, ihre Nutzung für die Kühlung bestimmter warmer Teile des Triebwerks in Betracht zu ziehen.
Das Dokument US-A-4971137 offenbart einen Wärmetauscher zur Kühlung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Abriss der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist hauptsächlich die Herstellung eines Wärmetauschers zur Kühlung von Luft, die in den Klimaanlagen-Kreislauf einer Luftfahrzeugkabine eingeleitet wird, wobei der Wärmetauscher derart konzipiert ist, dass er im Inneren des Kastens des Masts installiert werden kann, so dass jedes Risiko der Entstehung einer Ausbauchung vermieden wird, wenn er in einem Luftfahrzeug zum Einsatz kommt, das mit Strahltriebwerken größeren Durchmessers ausgerüstet ist.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Wärmetauschers zur Kühlung von in den Klimaanlagen-Kreislauf einer Luftfahrzeugkabine eingeleiteter Luft, dessen originelle Konzeption es gestattet, die aus dem Wärmetauscher austretende relativ kalte Luft zum Kühlen von warmen Triebwerkteilen zu verwenden.
Gemäß der Erfindung werden diese Aufgabe zumindest teilweise dank einem Wärmetauscher zur Kühlung von Luft gemäß dem Anspruch 1 erfüllt.
So zirkuliert gemäß der Erfindung die zur Kühlung der in den Klimaanlagen-Kreislauf des Luftfahrzeugs eingeleiteten Luft genutzte Luft transversal in dem Wärmetauscher zwischen seinen beiden Seitenflächen. Es wird somit unmöglich, den Wärmetauscher im Inneren des starren Kastens des Masts unterzubringen, was die Bildung einer Ausbauchung unter der Annahme, dass ein Strahltriebwerk größeren Durchmessers verwendet wird als der desjenigen, mit dem ursprünglich das Luftfahrzeug bei seiner Konzeption ausgestattet war, vermeidet. Andererseits ermöglicht diese Anordnung die Nutzung der durch den Wärmetauscher ausgestoßenen Kühlluft, um bestimmte heiße Abschnitte des Triebwerks zu kühlen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Leitelemente relativ kalter Luft hohle, übereinander angeordnete, im wesentlichen horizontale Platten.
In diesem Fall sind die Eingangsöffnungen der hohlen Platten vorzugsweise alternierend vor der einen und der anderen der gegenüberliegenden Seitenflächen angebracht. Auf diese Weise wird eine gekreuzte Zirkulation der relativ kalten Luft auf der gesamten Höhe des Wärmetauschers realisiert.
Der Wärmetauscher umfasst auch vorteilhafterweise eine zweite Durchsatzregelungstür, die am hinteren Abschnitt jeder Seitenfläche, an der die Ausgangsöffnungen der hohlen Platten münden, angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist auch eine Luftfahrzeug-Antriebseinheit mit einem Strahltriebwerk, das ein zentrales Triebwerk und eine Triebwerkverkleidung aufweist, welche dazwischen einen Gebläsekanal festlegen, einen Mast, durch den das Triebwerk an einem Tragwerkelement des Luftfahrzeugs aufgehängt werden kann sowie einen Wärmetauscher zur Luftkühlung für einen Klimaanlagen-Kreislauf einer Luftfahrzeugkabine, wobei der Wärmetauscher auf die vorstehend definierte Art und Weise ausgeführt ist und in dem Mast derart angeordnet ist, dass die Ausgangsöffnungen der Luftleitelemente in den Gebläsekanal des Strahltriebwerks münden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird anhand eines veranschaulichenden und nichteinschränkenden Beispiels eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht, die einen Wärmetauscher zur Luftkühlung gemäß der Erfindung darstellt, und bei dem die Durchsatzregelungstüren absichtlich weggelassen sind,
2 eine der 1 vergleichbare Ansicht, bei der die Durchsatzregelungstüren vorhanden und in ihrem geöffneten Zustand dargestellt sind,
3 eine Querschnittansicht, die schematisch eine ein Luftfahrzeug-Strahltriebwerk aufweisende Einheit darstellt, den Mast, über den dieses am Tragwerk aufgehängt ist, sowie einen in den Mast integrierten Wärmetauscher, der in den 1 und 2 dargestellt ist, und
4 eine schematische Längsschnittansicht der in 3 dargestellten Einheit.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Die 1 und 2 stellen eine bevorzugte Ausführungsform eines Wärmetauschers 10 zur Luftkühlung gemäß der Erfindung dar. Genauer gesagt stellt die 1 den Wärmetauscher 10 ohne Durchsatzregelungstüren dar, und die 2 stellt den kompletten Wärmetauscher 10 dar, d.h., ausgerüstet mit seinen Durchsatzregelungstüren. Der Wärmetauscher 10 mit Durchsatzregelung gemäß der Erfindung ist dazu vorgesehen, die Kühlung der in einem Klimaanlagen-Kreislauf, der in der Kabine eines Luftfahrzeugs enthalten ist, eingeleiteten Luft sicherzustellen. Wie die 1 darstellt, weist der Wärmetauscher 10 allgemein die Form eines parallelepipeden Rechtecks auf und hat zwei im wesentlichen vertikale Seitenflächen, im wesentlichen horizontale untere und obere Flächen sowie im wesentlichen vertikale vordere und hintere Flächen. Die Begriffe "Seitenflächen", "untere und obere Flächen" sowie "vordere und hintere Flächen" beziehen sich auf die Ausrichtung des Wärmetauschers, wenn er im Inneren des Masts eines Luftfahrzeugs angeordnet ist, wie im Detail nachstehend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben ist.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher 10 mehrere hohle, übereinandergeschichtete, im wesentlichen plane und horizontal Platten 12. Die hohlen Platten 12 bilden Führungen bzw. Leitelemente von relativ kalter Luft, in denen die aus dem Gebläsekanal des Strahltriebwerk abgezweigte Kühlluft zirkuliert, wie aus dem folgenden besser verständlich ist.
Das von jeder der hohlen Platten 12 gebildete Luftleitelement umfasst eine Eingangsöffnung 14 und eine Ausgangsöffnung 16. Die Eingangsöffnung 14 mündet an einer der beiden gegenüberliegenden Seitenflächen des Wärmetauschers an einem vorderen Abschnitt der Fläche, und die Ausgangsfläche 16 mündet an der anderen der gegenüberliegenden Seitenflächen des Wärmetauschers an einem hinteren Abschnitt der Fläche, wie insbesondere 1 zeigt.
Genauer gesagt münden die Eingangsöffnungen der hohlen Platten 12 alternierend in dem vorderen Abschnitt der einen und der anderen der gegenüberliegenden Seitenflächen des Wärmetauschers 10. Infolgedessen münden die Ausgangsöffnungen 16 der hohlen Platten 12 alternierend in dem hinteren Abschnitt der einen oder der anderen der gegenüberliegenden Seitenflächen des Wärmetauschers 10.
Die im wesentlichen horizontalen hohlen Platten 12 sind aneinander mittels eines starren Gerippes (nicht dargestellt) montiert, welches zwischen den Platten 12 Zwischenräume umgrenzt, die Durchgänge für die relativ warme Luft bilden, die für den Klimaanlagen-Kreislauf des Luftfahrzeug bestimmt ist.
Die zwischen den hohlen Platten 12 gebildeten Durchgänge münden jeweils an der Vorderseite und an der Rückseite des Wärmetauschers in einem Eingangs-Sammelrohr 18 und in einem Ausgangs-Sammelrohr 20. Trennwände (nicht dargestellt) verbinden die hohlen Platten 12 an den beiden Seitenflächen des Wärmetauschers miteinander derart, dass die relativ warme Luft, die in den Durchgängen zwischen den Sammelrohren 18 und 20 strömt, kanalisiert wird.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher 10 außerdem zwei vordere Durchsatzregelungstüren 22 und zwei hintere Durchsatzregelungstüren 24.
Die vorderen Türen 22 bedecken die vorderen Abschnitte der Seitenflächen des Wärmetauschers 10, so dass sie sich gegenüber den Eingangsöffnungen 14 der übereinandergeschichteten hohlen Platten 12 befinden. Genauer gesagt sind die vorderen Türen 22 gelenkig mit den Seitenflächen des Wärmetauschers 10 über eine im wesentlichen senkrechte Achse gelenkig verbunden, die in den zentralen Teilen der Flächen gelegen sind. Die vorderen Türen 22 können auch verschiedene Zwischenpositionen zwischen einer gänzlich geschlossenen Position und einer vollständig geöffneten Position einnehmen, wie in 2 dargestellt ist.
Die hinteren Türen 24 bedecken die hinteren Abschnitte der Seitenflächen des Wärmetauschers 10, so dass sie sich gegenüber den Ausgangsöffnungen 16 der übereinandergeschichteten hohlen Platten 12 befinden. Genauer gesagt sind die hinteren Türen 24 gelenkig mit den Seitenflächen des Wärmetauschers 10 durch im wesentlichen vertikale Achsen, die sich in den zentralen Teilen der Flächen in Nähe der Gelenkachsen der vorderen Türen 22 befinden, gelenkig verbunden. Wie die vorderen Türen 22 können die hinteren Türen 24 auf diese Weise verschiedene Zwischenpositionen zwischen einer gänzlich geschlossenen Position und einer vollständig geöffneten Position einnehmen, wie 2 zeigt.
Die Bewegungen der vorderen Türen 22 und hinteren Türen 24 werden durch Aktuatoren (nicht dargestellt), wie z.B. Zylinder, in Reaktion auf Öffnungs- oder Schließsteuersignale gesteuert, die von einer Steuereinheit geliefert werden. Diese ist ihrerseits gegenüber Signalen empfänglich, die beispielsweise von Messfühlern geliefert werden, die in dem Ausgangs-Sammelrohr 20 der relativ warmen Luft, die den Klimaanlagen-Kreislauf speist, angeordnet sind.
So kann die Temperatur der relativ warmen Luft, die aus dem Wärmetauscher über das Ausgangs-Sammelrohr austritt, durch Einwirkung auf die Türen 22 und 24 geregelt werden. Auf diese Weise kann die Temperatur der Luft in dem Klimaanlagen-Kreislauf der Luftfahrzeugkabine auf einer Größe gehalten werden, die etwa 200°C nicht überschreitet, indem warme Luft mit etwa 400°C aus dem Triebwerk verwendet wird, die von der kalten Luft mit etwa 100°C, die aus dem Gebläsegehäuse abgezweigt wird, gekühlt wird.
Wie in den 3 und 4 dargestellt ist, wird der Wärmetauscher 10 vorteilhafterweise im Inneren des starren Kastens 26 angeordnet, welcher das Gerippe des Masts 28 bildet, über den ein Strahltriebwerk 30 am Tragwerk eines Luftfahrzeugs aufgehängt ist.
Im einzelnen gesagt ist in 4 zu erkennen, dass der Wärmetauscher 10 am Mast 28 derart angebracht ist, dass er sich in dem hinteren Teil des Gebläsekanals 32 des Strahltriebwerks 30 auf Höhe des Schubumkehrelements desselben befindet.
Diese Anordnung des Wärmetauschers 10 ermöglicht es, die Eingangsöffnungen 14 der hohlen Platten 12 direkt in dem kalten Luftstrom anzuordnen, der im Inneren des Gebläsekanals 32 des Strahltriebwerks 30 zirkuliert. Der relativ kalte Luftstrom, der über die Ausgangsöffnungen 16 der hohlen Platten 12 abgeführt wird, wird je nach Fall direkt in den Gebläsekanal 32 abgeführt oder von Durchgängen 34 wiederaufgenommen, die ihn bis zu zentralen heißen Abschnitten des Triebwerks leiten, um diese zu kühlen.
Übrigens kommuniziert das Eingangs-Sammelrohr 18 der relativ warmen Luft mit einer relativ warmen Zone des zentralen Abschnitts des Triebwerks über eine Rohrleitung 36, so dass sie mit relativ warmer Luft mit einer Temperatur von allgemein ca. 400°C versorgt wird. Die gekühlte Luft, die aus dem Wärmetauscher über das Ausgangs-Sammelrohr 20 austritt, wird ihrerseits über eine Rohrleitung 38 dem Klimaanlagen-Kreislauf des Luftfahrzeugs zugeführt.
Die vorstehende Beschreibung zeigt, dass es die Verwendung eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung ermöglicht, diesen im Inneren des starren Kastens des Masts anzubringen, durch den das Strahltriebwerk am Tragwerk des Luftfahrzeugs aufgehängt ist. Auf diese Weise wird die Bildung einer Ausbauchung vor dem oberen Abschnitt der Mastverkleidung vermieden. Infolgedessen wird die Luftströmung zwischen dem Strahltriebwerk und dem Tragwerk nicht durch das Vorhandensein des Wärmetauschers gestört, auch wenn das Luftfahrzeug mit einem Strahltriebwerk größeren Durchmessers ausgerüstet ist bzw. wird als diejenigen, die es bei ihrer Konzeption aufnehmen sollte.
Die originelle Konzeption des Wärmetauschers gemäß der Erfindung gestattet es außerdem, relativ kühle Luft, die zum Kühlen der in den Klimaanlagen-Kreislauf eingeleiteten Luft gedient hat, in die Atmosphäre abzuführen. So kann, wie bereits beschrieben wurde, die relativ kühle Luft entweder wieder in den Gebläsekanal eingeleitet werden oder aber zum Kühlen bestimmter Abschnitte des zentralen Triebwerks genutzt werden.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die soeben als Beispiel beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die Form und die Anordnung der Luftleitelemente sowie die Form und die Anordnung der Durchsatzregelungstüren können sich gegenüber den beschriebenen unterscheiden. Außerdem können die Durchsatzregelungstüren, die gegenüber Austrittsöffnungen von relativ kühler Luft gelegen sind, eventuell entfallen, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreitet. Schließlich kann der Wärmetauscher gemäß der Erfindung statt im Inneren des Kastens des Masts und wie bei der beschriebenen Ausführungsform untergebracht sein, auch außerhalb der Struktur des Masts und insbesondere unterhalb desselben installiert sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

Claims

Wärmetauscher (10) zur Kühlung von Luft für einen Luftkonditionierungs- bzw. Klimaanlagen-Kreislauf eines Luftfahrzeugs, wobei der Wärmetauscher (10) einen Eingangskollektor (18) und einen Ausgangskollektor (20) von relativ warmer Luft aufweist, die jeweils vor und hinter dem Wärmetauscher angeordnet sind, sowie Leitelemente (12) von relativ kalter Luft, die jeweils eine Eingangsöffnung (14) und eine Ausgangsöffnung (16) aufweisen, wobei die Leitelemente (12) untereinander Durchgänge festlegen, welche den Eingangskollektor (18) und den Ausgangskollektor (20) verbinden, wobei die Eingangsöffnung (14) und die Ausgangsöffnung (16) jedes Leitelements (12) relativ kalter Luft an zwei lateral gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers (10) münden, und wobei der Wärmetauscher außerdem eine erste Tür (22) zur Durchsatzregelung aufweist, die an einer Seitenfläche angeordnet ist, an der die Eingangsöffnungen (14) der Leitelemente (12) münden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Seitenfläche des Wärmetauschers an ihrem vorderen Abschnitt die Eingangsöffnungen (14) und an ihrem hinteren Abschnitt die Ausgangsöffnungen (16) trägt, wobei die Eingangsöffnungen einer der Seiten mit den Ausgangsöffnungen der anderen Seite verbunden sind, und dass die erste Tür zur Durchsatzregelung an dem vorderen Abschnitt jeder der Seitenflächen angeordnet ist, an denen die Eingangsöffnungen münden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Leitelemente von relativ kalter Luft übereinandergelagerte, im wesentlichen horizontale hohle Platten (12) sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die Eingangsöffnungen (14) der hohlen Platten (12) alternierend vor der einen und der anderen der gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, außerdem eine zweite Tür zur Durchsatzregelung (24) umfassend, die an einem hinteren Abschnitt jeder Seitenfläche angeordnet ist, an der die Ausgangsöffnungen (16) der hohlen Platten (12) münden.
Antriebseinheit eines Luftfahrzeugs mit einem Strahltriebwerk (30), umfassend ein zentrales Triebwerk sowie eine Triebwerkverkleidung, die untereinander einen Gebläsekanal (32) festlegen, einen Mast (28), durch den das Strahltriebwerk (30) an einem Tragwerkelement des Luftfahrzeugs aufgehängt werden kann, und einen Wärmetauscher (10) zur Kühlung von Luft für einen Luftkonditionierungs- bzw. Klimaanlagen-Kreislauf einer Kabine des Luftfahrzeugs, wobei der Wärmetauscher (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist, und in dem Mast (28) derart angeordnet ist, dass die Ausgangsöffnungen (16) der Luftleitelemente (12) in den Gebläsekanal (32) des Strahltriebwerks (30) münden.