DE68906820T2

DE68906820T2 - Gleichgewichtsregelung eines fluidstromes bei einer flugzeug-klimaanlage.

Info

Publication number: DE68906820T2
Application number: DE8989400761T
Authority: DE
Inventors: Didier Bois; Jean-Michel Renaux
Original assignee: ABG Semca SA
Current assignee: ABG Semca SA
Priority date: 1988-03-17
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2009-03-18
Also published as: EP0337830A1; EP0337830B1; FR2628860A1; FR2628860B1; CA1335626C; DE68906820D1

Description

Die Erfindung betrifft grundsätzlich eine Vorrichtung zum Ausgleichen des Durchsatzes eines Fluids, eine Luftfahrzeug- Klimaanlage, die diese Ausgleichsvorrichtung enthält, und ein Luftfahrzeug, das diese Klimaanlage enthält.
Eine Vorrichtung zum Regeln bzw. zum Einstellen des Drucks eines Fluids muß durch Regelung das Fluid unter einem erwünschten Druck unabhängig vom Durchsatz ausgeben können. Es gibt akzeptable Lösungen für das Regeln bzw. Einstellen des Drucks eines Fluids, die ausgehend von einer einzigen Quelle erhalten worden sind. Im Gegensatz dazu verhindert im Falle der Verwendung von zwei Fluidguellen selbst ein minimales Ungleichgewicht zwischen Drücken, die von diesen Quellen über die Regel- bzw. Einstellvorrichtungen geliefert werden, das Ausströmen des Fluids, das von der Quelle mit dem von der Einstellvorrichtung eingestellten niedrigeren Druck stammt. Wenn beispielsweise eine Luftentnahme auf der Ebene der Motoren eines Dusenflugzeugs verwendet wird, wird nur der Motor mit der Vorrichtung, die den höheren Druck einstellt, einen von Null verschiedenen Durchsatz haben. Der eingestellte Druck der Luft, die von diesem Motor geliefert wird, wird das Lufteinlaßventil des Motors mit dem eingestellten niedrigeren Druck blockieren.
Ein solches Ungleichgewicht hat äußerst ungünstige Auswirkungen auf die ökonomischen Bedingungen der Anwendung des Luftfahrzeugs. Es bewirkt nämlich ein Ungleichgewicht in der Energie, die von den Motoren verbraucht wird und erhöht den Verbrauch beträchtlich.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Gleichgewicht zwischen den zwei Quellen auf der Ebene jeder Einstellvorrichtung jeder Quelle durch Hinzufügung einer Vorrichtung zur Steuerung des Drucks nach dem erwünschten Durchsatz erhalten.
Die Erfindung betrifft grundsätzlich eine Vorrichtung zum Ausgleichen des Durchsatzes eines Fluids mit Meßmitteln für den Durchsatz, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie Druckregler bzw. Druckeinstellmittel enthält, die von diesen Meßmitteln gesteuert werden und das Fluid mit einem solchen Druck ausgeben, daß die Steigung der Kurve des Druckes in Abhängigkeit vom Durchsatz negativ ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es mindestens zwei unter Druck stehende Fluidquellen enthält, wobei die Ausströmmenge einer jeden Quelle durch eine Vorrichtung des obengenannten Typs ausgeglichen wird.
Die Erfindung wird bei Heranziehung der folgenden Beschreibung und der beigefügten Figuren besser verstanden werden, die als nicht einschränkende Beispiele gedacht sind und unter welchen:
- Fig. 1 ein erstes Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 2 ein zweites Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 3 ein drittes Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 4 ein viertes Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 5 ein fünftes Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 6 ein sechstes Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 7 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 8 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Flugzeugklimaanlage gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
- Fig. 10 eine Perspektivansicht eines Flugzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
In den Figuren 1 bis 10 wurden die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen Elemente verwendet.
In der Figur 1 kann man eine Kurve 42 sehen, die den Druck P 40 angibt, der von einem Ventil geliefert wird, das von der erf indungsgemäßen Vorrichtung in Abhängigkeit vom erforderlichen Durchsatz Q 41 gesteuert wird. Die Kurve 43 entspricht einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Kurven 42 und 43 überdecken sich nicht zwangsläufig, da die zwei Druckeinstellvorrichtungen der zwei Fluidquellen nicht zwangsläufig den gleichen Einstellpegel aufweisen. In der Fig. 1 sind die zwei Kurven des Drucks P in Abhängigkeit vom Durchsatz Q parallele Geraden. Um das Ungleichgewicht bei der Entnahme auf der Ebene verschiedener Fluidquellen zu verringern, ist es wichtig, die Steigung der Kurven 42 und 43 festzulegen. Bei der Messung, bei der es unerläßlich ist, zu große Durchsatzunterschiede für niedrige Durchsätze zu verhindern, muß die Steigung dP/dQ negativ und im Absolutwert so groß wie möglich sein. Auf diese Weise werden für einen erfaßten Druck P&sub1; erfaßte Durchsätze Q&sub1; und Q&sub2; erhalten.
Die in der Figur 1 dargestellte Lösung weist jedoch den Nachteil auf, den Druck zu schnell abfallen zu lassen. So wird es für beträchtliche Durchsätze nicht immer möglich sein, den Druck zu liefern, der z.B. für den Betrieb eines Kreislaufs einer Klimaanlage notwendig ist.
In der Fig. 2 kann man zwei Kurven 42, 43 sehen, die die Änderung des Drucks P in Abhängigkeit des Durchsatzes Q für zwei erfindungsgemäße Einstellvorrichtungen darstellen. Die Kurven 42, 43 aus der Fig. 2 weisen zwei verschiedene Steigungen auf, wobei eine große Steigung den hohen Drücken und niedrigen Durchsätzen und eine kleinere Steigung den niedrigen Drücken und höheren Durchsätzen entspricht. In dem in der Fig. 2 gezeigten Beispiel enthalten die Kurven 42 und 43 gerade Segmente.
Die höhere Steigung für niedrige Durchsätze ermöglicht es, eine kleine Differenz zwischen dem Durchsatz Q&sub1; und Q&sub2; zu erhalten, wenn ein mittlerer Durchsatz der Quelle QA gefordert wird. Die Durchsätze Q&sub1; und Q&sub2; werden unter einem ersten Druck P&sub1; geliefert.
Für höhere Durchsätze sind die Differenzen zwischen den Durchsätzen Q&sub3; und Q&sub4;, die von zwei Quellen unter einem Druck P&sub2; geliefert werden, größer. Dennoch wird die relative Differenz nicht erhöht und fügt sich beispielsweise in die erlaubte Toleranz für diesen Vorrichtungstyp ein. Man fordert beispielsweise, daß die Abweichung zwischen dem Durchsatz der Luft, die in einem der Triebwerke eines Flugzeugs erfaßt wird, weniger als 20 % der Luftmenge beträgt, die am anderen Triebwerk erfaßt wird. Die Verwendung einer sanfteren Steigung für höhere Durchsätze ermöglicht eine Reduzierung des Druckabfalls.
In der Fig. 3 kann man zwei Kurven 42 und 43 sehen, die jeweils eine Unstetigkeit besitzen. Jede Kurve besitzt einen Krümmungsradius. Die in Fig. 3 gezeigten Kurven entsprechen der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in der Fig. 7 dargestellt ist.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Kurven 42 oder 43, die lediglich zwei Steigungen aufweisen.
In der Fig. 4 sind zwei Kurven 42, 43 dargestellt, die drei Steigungen aufweisen. Selbstverständlich liegt auch eine größere Anzahl von Steigungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Indem parabelförmige Kurven verwendet werden, wie sie in der Fig.5 für jeden Druck P dargestellt sind, erhält man die gleiche relative Abweichung im Durchsatz Q jeder der Quellen.
In der Fig. 6 kann man sehen, daß sich die Kurven 42 und 43 in einem Punkt 45 kreuzen. Dem Punkt 45 entspricht ein Druck P&sub5; und ein Durchsatz Q&sub5; jeder der Quellen. Im Punkt 45 wird das Ungleichgewicht zwischen den den Kurven 42 und 43 entsprechenden Quellen umgekehrt.
In der Fig. 7 sieht man ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung 50 aus der Fig. 7 enthält zwei Einlässe, die den Druck P1 und P2 aufnehmen. Beide Einlässe können an zwei Punkten des Luftdruckkreislaufs verbunden werden, damit der Durchsatz des Kreislaufs ausgehend von der Druckdifferenz zwischen zwei Punkten desselben gemessen werden kann. Der auf dem Druck P1 gehaltene Einlaß führt auf eine erste Seite einer Membrane 53 und auf eine Fläche S3. Der zweite Einlaß P2 ist einerseits mit der zweiten Seite der Membrane 53 verbunden und andererseits mit dem Einlaß eines Ventils 56.
Vorteilhafterweise besitzt die Membrane 53 einen starren zentralen Teil 63. Ein Kolben 71 ist dafür geeignet, die Membrane 53 mit dem Ventil 56 so zu verbinden, daß eine Erhöhung der Differenz zwischen dem Druck P2 und P1 eine Deformation der Membrane 53 bewirkt, die das Ventil 56 öffnen wird. Der Auslaß des Ventils 56 ist einerseits mit einem Auslaß 54 und andererseits über Leitungen 57 und 58 mit den ersten Seiten der Membranen 51 und 52 verbunden. Vorteilhafterweise besitzen die Membranen 51 und 52 starre zentrale Teile 61 bzw. 62. Die zweiten Seiten der Membranen 51 und 52 nehmen den Umgebungsdruck durch die Öffnungen 75 und 74 auf. Die Membrane 51 weist eine Fläche S1 auf. Die Membrane 52 weist eine Fläche S2 auf. Die Membrane 51 ist mit dem Ventil 56 verbunden. Die Erhöhung des Druckes P&sub2; im Verhältnis zum Umgebungsdruck neigt dazu, das Ventil 56 wieder zu schließen. Die Membrane 51 wirkt als Druckminderventil.
Die Membrane 52 kann mittels eines Kolbens 72 mit dem Ventil 56 verbunden werden. Wie die Membrane 51 neigt die Membrane 52 dazu, das Ventil 56 zu schließen, wenn der Druck P2 im Verhältnis zum Umgebungsdruck ansteigt. Doch bevor sie auf das Ventil 56 einwirken kann, muß die Membrane 52 eine Kraft F2 mit entgegengesetzter Richtung überwinden. Die Kraft F2 wird vorteilhafterweise durch die Deformation eines elastischen Elements wie beispielsweise einer Feder 55 ausgeübt. Die Gegenwart der Feder 55 ermöglicht es, die Steigung der Kurven 42 oder 43 zu verändern.
Vorteilhafterweise enthält die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ein Unterdruckorgan, das es ermöglicht, eine Verzögerung in der Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält beispielsweise ein Unterdruckorgan G1 am Einlaß des Drucks P1, ein Unterdruckorgan G2 am Einlaß des Drucks P2 an der mit der Membrane 53 verbundenen Abzweigung und ein Unterdruckorgan G3 an den Leitungen 57 und 58, die hintereinander angeordnet sind.
Der Druck am Auslaß 44 hängt von der Fläche S1 und von der auf das Ventil 56 ausgeübten Druckbelastung ab. Die auf das Ventil 56 ausgeübte Druckbelastung hängt von P2-P1 und der Oberfläche S2 ab. Der verminderte Druck am Auslaß 54 wird mit Pdet bezeichnet.
Solange die Fläche S2 multipliziert mit der Differenz zwischen dem Druck Pdet und dem Umgebungsdruck kleiner als die Kraft F2 der Feder 55 ist, ist Pdet gleich P2-P1 multipliziert mit S3 und dividiert durch S1. In diesem Fall übt der Kolben 72 keinerlei Kraft auf das Ventil 56 aus. Wenn der verminderte Druck größer als F2/S2 wird, ist Pdet gleich F + S3 (P2-P1)
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Gegenwart einer solchen Membrane mit einer Feder beschränkt.
In dem Ausführungsbeispiel, das in der Fig. 8 gezeigt ist, wird die durch das Ventil 56 ausgegebene Luft über eine Leitung 58 zu einer Membrane 5N mit einer Fläche SN gebracht. Die Membrane 5N besitzt ein starres Mittelstück 6N. Die zweite Seite der Membrane 5N nimmt den Umgebungsdruck über eine Öffnung 73 auf. Die Membrane 5N ist durch einen Kolben 7N mit dem Ventil 56 verbunden. Die Kraft FN einer Feder 550 widersetzt sich jedoch der Kraft der Membrane 5N auf das Ventil 56.
Vorteilhafterweise ist die von der Feder 550 ausgeübte Kraft FN größer als die von der Feder 55 ausgeübte Kraft F2.
Ein elektronisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält Meßmittel für den Durchsatz, die die Meßwerte entweder direkt oder über einen digitalen Datenbus nach einer Analog-Digitalumwandlung liefern. Der Datenbus ist vorteilhafterweise ein Adreßbus einer Tabelle. Die Tabelle ist vorteilhafterweise ein programmierbarer, löschbarer oder elektrisch löschbarer Festspeicher (ROM, pROM, EPROM, EEPROM). Die Tabelle liefert dann den digitalen Wert des Steuerwertes eines Reglers an einen anderen Datenbus. Für den Fall, in dem der Regler analoge Werte empfangen muß, wird ein Digital-Analog-Wandler zwischen die Tabelle und den Regler eingebaut. Der Regler übt dann eine Kraft auf beispielsweise ein Ventil aus.
In der Fig. 9 kann man eine Flugzeug-Klimaanlage gemäß der vorliegenden Erfindung sehen. In dem dargestellten Beispiel benutzt man einen von zwei Motoren 110 ausgehenden Luftabgriff. Selbstverständlich ist der Luftabgriff von den verwendeten Motortypen abhängig. In dem in Fig. 9 dargestellten Beispiel sind die Motoren 110 Düsentriebwerke mit hoher Verdünnung. Es wird ein erster Luftabgriff mittels einer Leitung 108 in der Ebene des Verdichters eines Turbotriebwerks vorgenommen. Die durch die Leitung 108 abgegriffene Luft besitzt beispielsweise eine Temperatur von 90ºC bei einem Druck von 1,5 bar. Der Zwischendruck von beispielsweise 12 bar und 420º wird wiederum über eine Leitung 109 abgegriffen. Durch eine Leitung 111 wird wiederum Luft unter hohem Druck von beispielsweise 23 bar bei 600ºC abgegriffen. Vorteilhafterweise ist die Leitung 109 mit einem Rückschlagventil 5 ausgestattet. Die Leitung 109 ist mit der Leitung 111 durch ein Reglerventil 4 verbunden. Das Reglerventil 4 ermöglicht es, die Luft in der Leitung 109 auf den erwünschten Druck zu bringen. Die Leitung 109 enthält außerdem ein Druckventil 3, das es ermöglicht, den erforderlichen Durchsatz Q unter dem erwünschten Druck zu liefern. Das Ventil 3 wird durch eine Vorrichtung 103 zum Ausgleichen des Durchsatzes gemäß der vorliegenden Erfindung eingestellt. Vorteilhafterweise enthält die Leitung 109 ein Überdruckventil l. Die Leitung 109 ist mit einem ersten Austauscher 102 verbunden. In dem in der Fig. 11 dargestellten Beispiel wird der erste Austauscher 102 durch die kalte Luft abgekühlt, die von der Leitung 108 und einem Ventil 2 geliefert wird. Die Luft der Leitung 108 wird nach außen ausgestoßen. Vorteilhafterweise enthält die Vorrichtung außerdem einen Thermostat 6, der es ermöglicht, den Durchsatz kalter Luft, die vom Ventil 2 geliefert wird, zu modulieren. Der Thermostat 6 ist beispielsweise am Auslaß des Austauschers 102 angeordnet. Die Auslässe des Austauschers 102, die den beiden Motoren 110 entsprechen, laufen zusammen, um eine Klimaanlage mit Luft unter Druck zu versorgen. Die Klimaanlage enthält beispielsweise einen Austauscher 202 und eine Druckminderungsturbine 203. Der Austauscher 202 ermöglicht die Abkühlung der Luft. Die Druckminderung in der Turbine 203 ermöglicht es, die Kühlluft auf die erwünschte Temperatur zu bringen. Vorteilhafterweise wird die von der Druckminderungsturbine 203 gelieferte Arbeit zurückgewonnen.
Die Leitungen der Luft unter Druck werden über die Flügel 106 des Flugzeugs geführt.
Die Vorrichtung 103 zur Einstellung des Ventils 3 wird vorteilhafterweise durch eine Vorrichtung 50 der Figur 7 gesteuert.
Selbstverständlich können auch andere Luftabgriffe bei verschiedenen Temperaturen und Drücken für die Bedürfnisse des Betriebs des Flugzeugs verwendet werden. Beispielsweise wird am Auslaß des Ventils l eine Leitung 101 zum Ventil zum Anlassen der Motoren geführt. Die verschiedenen verwendeten Vorrichtungen sind an die Temperaturen und an die Drücke angepaßt, unter welchen sie arbeiten können müssen. Damit eine höhere Betriebssicherheit gewährleistet ist, enthält jedes Flugzeug eine feuerfeste Trennwand 107.
In der Fig. 10 kann man ein Ausführungsbeispiel eines Flugzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung sehen. Das Flugzeug umfaßt zwei Flügel 113, beispielsweise vier Motoren 110, einen Rumpf 114, ein Cockpit 115, ein Seitenruder 119, und ein Höhenruder 117. Die Motoren 110 enthalten Anlasser 122, und die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einem Ansaugluft- Einlaßventil 123, einem Zwischendruckventil 124 und einem Hochdruckventil 125 verbunden. Die durch den ersten Austauscher 102 abgekühlte Luft wird den Vorrichtungen 126 zur Aufbereitung der Luft zugeführt, die in der Figur nicht dargestellt sind. Die Vorrichtung enthält wiederum ein Ventil 120 zur Isolation, das es ermöglicht, die der Rechten und Linken des Flugzeugs entsprechenden Kreisläufe zu isolieren. Die Luft unter Druck wiederum wird durch ein Ventil 170 in einen Entfrostungskreislauf 130 des Flugzeugs geleitet. Gleichfalls ermöglicht eine Vorrichtung 121 die Entfrostung der Vorderseiten der Triebwerke 110. Der linke Kreislauf ist wiederum mit dem hinteren Teil des Flugzeugs durch eine Leitung 171, ein Steuerventil 127 und eine Druckhaltevorrichtung 128 verbunden. Die Druckhaltevorrichtung ermöglicht es, die Luft unter Druck zu liefern, wenn die Motoren 110 stillstehen.
Die Erfindung findet bei jeder Vorrichtung zum Ausgleichen des Durchsatzes eines Fluids Anwendung. Die Ausgleichsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung findet insbesondere Anwendung beim von zwei Quellen ausgehenden Aufbau der Fluidversorgung.
Die Erfindung findet hauptsächlich bei der Realisierung von Abgriffskreisläufen der Motorluft für Flugzeuge Anwendung.

Claims

1. Vorrichtung zum Ausgleichen des Durchsatzes eines Fluids mit Meßmitteln (50) für den Durchsatz Q, dadurch gekennzeichnet, daß sie Druckregler- bzw. Druckeinstellmittel (3, 103) enthält, die von diesen Meßmittel (50) gesteuert werden und das Fluid mit einem solchen Druck P1 ausgeben, daß die Steigung dP1/dQ der Kurve des Druckes P1 in Abhängigkeit vom Durchsatz Q negativ ist.

2. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsatzmeßmittel (50) Mittel (55, 550, 52, 5N) enthalten, die ein Verändern der Steigung dP1/dQ der Kurve ermöglichen.

3. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (55, 550, 52, 5N), die ein Verändern der Steigung dP1/dQ ermöglichen, so sind, daß die Steigung für Drücke oberhalb eines gegebenen Wertes größer und für Drücke unterhalb dieses Wertes kleiner ist.

4. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (55, 550, 52, 5N), die ein Verändern der Steigung dP1/dQ ermöglichen, so sind, daß die vom Durchsatz Q abhängige Veränderungskurve des Druckes P1 im wesentlichen die Form einer Parabel besitzt.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsatzmeßmittel (50) Druckdifferenz-Meßmittel (53, 63) enthalten.

6. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz-Meßmittel (53, 63) eine Membrane (53) enthalten.

7. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsatzmeßmittel elastische Rückstellelemente (55) für die Membrane enthalten.

8. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Rückstellelemente (55) aus einer Feder gebildet sind.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (53) ein starres Element (63) enthält, das in ihrer Mitte angeordnet ist.

10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Unterdruckorgane (G1, G2, G3) enthält.

11. Luftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es zumindest zwei unter Druck stehende Fluidquellen enthält, wobei die Ausströmmenge jeder Quelle durch eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgeglichen wird.

12. Klimaanlage mit mindestens zwei unter Druck stehenden Fluidguellen, bei der die Ausströmmenge jeder Quelle durch eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgeglichen wird.

13. Luftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Klimaanlage gemäß dem Anspruch 12 enthält, wobei das unter Druck stehende Fluid die Luft ist, die von den Motoren des Luftfahrzeugs geliefert wird.