DE69210051T2

DE69210051T2 - Luftkreislaufmaschine mit vier räder

Info

Publication number: DE69210051T2
Application number: DE69210051T
Authority: DE
Inventors: Paul Dziorny; John Maher; Christopher Mcauliffe; Brent Merritt
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1992-10-16
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2012-10-17
Also published as: WO1994009276A1; EP0664856B1; EP0664856A1; DE69210051D1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Klimaanlagen des Typs, wie er benutzt wird, um Luft zur Zufuhr zu einer Flugzeugkabine od.dgl. zu kühlen und zu entfeuchten, und, mehr insbesondere, auf eine Luftkreislaufmaschine, die vier Räder hat, welche auf einer gemeinsamen Antriebswelle angebracht sind.

Stand der Technik

Herkömmliche Flugzeugklimaanlagen weisen eine Luftkreislaufmaschine auf, die auch als eine Luftkreislaufkühlmaschine bezeichnet wird, zur Verwendung bei dem Kühlen und Entfeuchten der Luft zur Zufuhr zu der Flugzeugkabine für den Komfort von deren Insassen. Üblicherweise sind solche Luftkreislaufmaschinen Maschinen mit drei Rädern, die aus einem Kompressor, einer Turbine und einem Ventilator bestehen, welche in axial beabstandeten Intervallen längs einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei die Turbine sowohl den Kompressor als auch den Ventilator antreibt. Die drei Räder sind zur Drehung um die Achse der Welle auf einer oder mehreren Lagerbaugruppen gelagert, die um die Antriebswelle angeordnet sind, z.B. durch ein Paar beabstandeter Lagerbaugruppen, von denen eine Lagerbaugruppe zwischen jedem Paar benachbarter, beabstandeter Räder angeordnet ist. Die Lagerbaugruppen können zwar Kugellager od.dgl. sein, es werden jedoch bei bekannten Luftkreislaufmaschinen häufig hydrodynamische Filmlager wie Gasfilmfolienlager benutzt. Luftkreislaufmaschinen mit drei Rädern sind z.B. in der US-A-3 428 242, in der US-A-4 507 939 und in der US-A-5 113 670 beschrieben.
Die drei Räder aufweisende Luftkreislaufmaschine, die in der US-A-3 428 242 beschrieben ist, hat einen Ventilator, einen Kompressor und eine Kühlturbine, die auf einer gemeinsamen Welle angebracht sind, welche durch die Turbine angetrieben wird, wobei der Ventilator an einem Ende der Welle angeordnet ist und die Turbine und der Kompressor Rücken an Rücken an dem anderen Ende der Welle angeordnet sind und sich die Turbine einwärts von dem Kompressor befindet. Die Welle ist auf einer Kugellagerbaugruppe drehbar gelagert, die zwischen dem Ventilator und der Turbine angeordnet ist und durch Turbinenauslaßluft gekühlt wird.
In der US-A-4 507 939 ist eine drei Räder aufweisende Luftkreislaufmaschine beschrieben, die einen Ventilator, einen Kompressor und eine Turbine aufweist, welche auf einer gemeinsamen Welle angebracht sind, die durch die Turbine angetrieben wird, wobei der Ventilator zwischen dem Kompressor und der Turbine angeordnet ist, die an den entgegengesetzten Enden der Welle angebracht sind. Die Drehlagerung der Welle erfolgt durch ein Paar Gasfilmlager, von denen eines um die Welle zwischen dem Ventilator und dem Kompressor und das andere um die Welle zwischen dem Ventilator und der Turbine angeordnet ist. Beide Gasfilmlager werden mit Druckluft gekühlt und unter Druck gesetzt, die von dem Einlaß der Kühlturbine aus durch die Lager geleitet und von diesen aus in die Ventilatoreinlaß- oder -auslaßkanäle abgegeben wird.
Die drei Räder aufweisende Luftkreislaufmaschine, die in der US-A-5 113 670 beschrieben ist, weist ebenfalls einen Ventilator, einen Kompressor und eine Turbine auf, die auf einer gemeinsamen Welle angebracht sind, welche durch die Turbine angetrieben wird und auf einem Paar hydrodynamischer Filmfolienlager gelagert ist. In dieser Luftkreislaufmaschine ist der Kompressor auf der Welle zentral angeordnet, wobei der Ventilator und die Turbine an entgegengesetzten Enden der Welle angeordnet sind, so daß das Abgeben der Ventilatorabluft und der Turbinenabluft axial erfolgt. Eines der hydrodynamischen Filmfolienlager, welche die Welle lagern, ist zwischen dem Kompressor und der Turbine angeordnet, und das andere ist zwischen dem Kompressor und dem Ventilator angeordnet. Ein Lagerkühlkreis ist vorgesehen, durch den Druckluft aus dem Turbineneinlaßkanal zuerst durch ein Lager und von da aus durch das andere Lager hindurchgeleitet wird, um die hydrodynamischen Filmfolienlager sowohl zu kühlen als auch unter Druck zu setzen, und anschließend in den Kompressoreinlaßkanal abgegeben wird.
Bei einem Flugzeug, das durch Turbinentriebwerke angetrieben wird, ist die in der Luftkreislaufmaschine zu klimatisierende Luft üblicherweise Druckluft, die aus einer oder mehreren Verdichterstufen des Turbinentriebwerks abgezapft wird. In herkömmlichen Anlagen wird diese Abzapfluft durch den Luftkreislaufmaschinenkompressor hindurchgeleitet, in welchem sie weiter komprimiert wird, von da aus wird sie durch einen Kondensationswärmetauscher geleitet, damit die Druckluft ausreichend gekühlt wird, um in ihr enthaltene Feuchtigkeit zu kondensieren, wodurch die Luft entfeuchtet wird, bevor die entfeuchtete Druckluft in der Turbine der Luftkreislaufmaschine entspannt wird, um der Druckluft sowohl Energie zum Antreiben der Welle zu entziehen als auch die entspannte Turbinenabluft zur Verwendung als Kühlfluid in dem vorgenannten Kondensationswärmetauscher zu verwenden, bevor sie als klimatisierte Kühlluft der Kabine zugeführt wird. Die Abzapfdruckluft, die dem Kompressor der Luftkreislaufmaschine zugeführt wird, wird üblicherweise vorgekühlt, indem sie durch einen Vorkühlwärmetauscher in Wärmeaustauschbeziehung mit Umgebungsluft hindurchgeleitet wird, welche durch den Ventilator der Luftkreislaufmaschine durch den Vorkühlwärmetauscher hindurchgesaugt wird.
Herkömmliche Luftkreislaufmaschinen mit drei Rädern arbeiten zwar bei dem Einsatz in solchen herkömmlichen Klimaanlagen zufriedenstellend, solche mit drei Rädern versehenen Luftkreislaufmaschinen sind jedoch ungeeignet zur Verwendung in der verbesserten Flugzeugklimaanlage, die in der US-A-5 086 622 beschrieben ist, bei der die entspannte und gekühlte Turbinenabluft, die als das Kühlfluid in Wärmeaustauschbeziehung mit der Druckluft geströmt ist, welche durch den Kondensationswärmetauscher hindurchgeht, nach der Abgabe aus dem Kühlfluidweg des Kondensationswärmetauschers in einer zweiten Turbine entspannt wird, um die entspannte Luft auf eine gewünschte Temperatur zur Zufuhr zu der Kabine als klimatisierte Kühlluft abzukühlen und weitere Energie aus ihr zu entnehmen. Damit eine Luftkreislaufmaschine zur Verwendung in dieser verbesserten Flugzeugklimaanlage geeignet ist, muß sie vier Räder haben, d.h. zwei Turbinen, einen Kompressor und einen Ventilator.
Verwiesen sei außerdem auf die FR-A-2 241 703, die eine vier Räder aufweisende Maschine für eine chemische Behandlungsanlage beschreibt. Die vier Räder sind auf einer Welle angebracht, die in zwei Lagern gelagert ist, und die beiden zentralen Räder sind Rücken an Rücken auf entgegengesetzten Seiten eines zentralen Scheibenteils angebracht, das zwischen ihnen aufgenommen ist.
Eine Luftkreislaufmaschine, die vier Räder hat, ist in der WO- A-92/3338 beschrieben, auf welcher die zweiteilige Form des unabhängigen Anspruchs 1 basiert.

Darstellung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Luftkreislaufmaschine mit vier Rädern zu schaffen.
Die Erfindung schafft demgemäß eine Luftkreislaufmaschine zum Klimatisieren von Luft zur Zufuhr in einen geschlossenen Raum, mit: a. einer Welleneinrichtung, die zur Drehung um eine sich longitudinal erstreckende Achse angeordnet ist; b. einer Lagereinrichtung zum Lagern der Welleneinrichtung zur Drehung um die Achse; c. einem ersten Rad, das an einem ersten Endteil der Welleneinrichtung zur Drehung mit derselben angebracht ist, d. einem zweiten Rad, das an einem zweiten Endteil der Welleneinrichtung zur Drehung mit derselben angebracht ist; e. einem dritten Rad, das an einem mittigen Teil der Welleneinrichtung mit Abstand von dem ersten Rad und von dem zweiten Rad zur Drehung mit der Welleneinrichtung angebracht ist; und f. einem vierten Rad, das an einem mittigen Teil der Welleneinrichtung zwischen dem zweiten Rad und dem dritten Rad zur Drehung mit der Welleneinrichtung angebracht ist, wobei von dem dritten und vierten Rad, die mittig angeordnet sind, eines einen Kompressorrotor bildet, der dazu dient, die Klimatisierungsluft, die durch ihn hindurchgeht, zu komprimieren, und wobei von dem dritten und vierten Rad, die mittig angeordnet sind, das andere einen Turbinenrotor aufweist, der dazu dient, die Klimatisierungsluft zu entspannen, die durch ihn hindurchgeht, um dadurch die entspannte Klimatisierungsluft zu kühlen und ihr Energie zum Drehantreiben der Welleneinrichtung um die Achse zu entnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte und vierte Rad Rücken an Rücken auf entgegengesetzten Seiten einer mittigen Scheibe zwischen sich angebracht sind, wobei die mittige Scheibe aus einem wärmeisolierendem Material besteht, und daß die Lagereinrichtung nur zwei Gleitlager aufweist, nämlich: a. eine erste Gleitlagereinrichtung zum Lagern der Welleneinrichtung zur Drehung um die Achse, wobei die erste Lagereinrichtung zwischen dem ersten Rad und dem dritten Rad angeordnet ist; und b. eine zweite Gleitlagereinrichtung zum Lagern der Welleneinrichtung zur Drehung um die Achse, wobei die zweite Lagereinrichtung zwischen dem zweiten Rad und dem vierten Rad angeordnet ist.
Vorteilhafterweise ist von dem dritten und vierten Rad, die beide mittig angeordnet sind, eines dafür vorgesehen, Energie aus der Druckluftströmung zum Antreiben der Welleneinrichtung zu entnehmen. In einer Ausführungsform der Luftkreislaufmaschine nach der vorliegenden Erfindung, die zur Verwendung bei dem Kühlen und Befeuchten von Luft zur Zufuhr zu einer Flugzeugkabine besonders geeignet ist, bildet das vierte Rad einen Turbinenrotor einer ersten Stufe, das dritte Rad bildet einen Kompressorrotor, das außen gelegene zweite Rad bildet einen Ventilatorrotor, und das außen gelegene erste Rad bildet einen Turbinenrotor einer zweiten Stufe. Die Welleneinrichtung weist vorteilhafterweise ein erstes, hohles Endwellenteil auf, auf dessen außen gelegenem Ende der Zweitstufenturbinenrotor angebracht ist und auf dessen innen gelegenem Ende der Erststufenturbinenrotor angebracht ist, ein zweites, hohles Endwellenteil, auf dessen innen gelegenem Ende der Kompressorrotor angebracht ist und auf dessen außen gelegenem Ende der Ventilatorrotor angebracht ist, und ein ringförmiges, mittiges Flanschwellenteil, das zwischen dem ersten und zweiten Endwellenteil angeordnet ist und an dessen einem Ende der Erststufenturbinenrotor angebracht ist und an dessen anderem Ende der Kompressorrotor angebracht ist, die alle koaxial um eine langgestreckte Zugstange angeordnet sind, welche sich längs der Längsdrehachse erstreckt und an einem Ende an dem Zweitstufenturbinenrotor und an ihrem anderen Ende an dem Ventilatorrotor befestigt ist, wodurch sie die Wellenteile und die Rotoren zur Drehung um die gemeinsame Achse miteinander verbindet. Die erste und die zweite Lagereinrichtung weisen vorteilhafterweise hydrodynamische Folienlager auf, die um das erste bzw. zweite Endwellenteil angeordnet sind und durch Luft gekühlt und unter Druck gesetzt werden, welche aus der Strömung von unter Druck stehender Klimatisierungsluft abgezapft wird, die der Zweitstufenturbine zur Expansion darin zugeführt wird.
Die Luftkreislaufmaschine nach der vorliegenden Erfindung hat außerdem ein Gehäuse, welches die vier Räder und die Welleneinrichtung umgibt und passende Einlaß- und Auslaßkanäle zum Leiten der Luftströmung zu den vier Rädern hin und von denselben weg aufweist sowie zur Abstützung der Lager dient. Vorteilhafterweise hat das Gehäuse drei axiale Abschnitte, einen ersten Endabschnitt, der die Einlaß- und Auslaßkanäle für den Kompressor und den Ventilator bildet sowie das hydrodynamische Lager trägt, welches um das Endwellenteil angeordnet ist, das sich dazwischen erstreckt, einen mittigen Abschnitt, der die Einlaß- und Auslaßkanäle für die Erststufenturbine bildet sowie das hydrodynamische Lager trägt, das um das Endwellenteil angeordnet ist, welches sich zwischen der Erststufenturbine und der Zweitstufenturbine erstreckt, und einen zweiten Endabschnitt, der die Einlaß- und Auslaßkanäle für die Zweitstufenturbine aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen derselben deutlich werden, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, wobei:
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Luftkreislaufmaschine nach der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Ausführungsform der vier Räder aufweisenden Luftkreislaufmaschine nach der vorliegenden Erfindung ist, welche zur Verwendung in einer Kondensationszyklusluftkühl- und -temperatursteueranlage einer Flugzeugkabine besonders geeignet ist; und
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Gehäuses der Luftkreislaufmaschine nach Fig. 2 ist.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Luftkreislaufmaschine 10 dargestellt, die vier gesonderte Räder hat, welche koaxial längs einer gemeinsamen Welleneinrichtung 20 zur Drehung um eine gemeinsame Längsachse 12 angeordnet sind. Ein erstes Rad 30 ist an einem ersten Endteil der Welleneinrichtung 20 zur Drehung mit dieser angebracht, ein zweites Rad 40 ist an einem zweiten Endteil der Welleneinrichtung 20 zur Drehung mit dieser angebracht, ein drittes Rad 50 ist auf einem mittigen Teil der Welleneinrichtung 20 mit Abstand von dem ersten Rad 30 an einem Ende der Welleneinrichtung 20 und dem zweiten Rad 40 an dem anderen Ende der Welleneinrichtung 20 zur Drehung mit dieser angebracht, und ein viertes Rad 60 ist ebenfalls auf dem mittigen Teil der Welleneinrichtung 20 zur Drehung mit derselben an einer zu dem dritten Rad 50 benachbarten Stelle und zwischen dem zweiten Rad 40 und dem dritten Rad 50 angebracht. Die Welleneinrichtung 20 ist zur Drehung um die Längsachse 12 auf einem Paar beabstandeter Lagereinrichtungen 70 und 80 gelagert, die in einem Gehäuse 100 abgestützt sind, welches nicht nur zum Abstützen der Lagereinrichtung dient, sondern auch zur Schaffung von geeigneten Einlaßkanälen und Auslaßkanälen für die Zufuhr von Arbeitsfluid zu jedem der vier Räder und zum Ableiten des Arbeitsfluids von jedem der vier Räder. Die erste Lagereinrichtung 70 ist um den ersten Endteil 20a der Welleneinrichtung 20 zwischen dem ersten Rad 30, das an dem ersten Ende der Welleneinrichtung 20 angebracht ist, und dem dritten Rad 50, das auf dem mittigen Teil 20c der Welleneinrichtung 20 angebracht ist, angeordnet, und die zweite Lagereinrichtung 80 ist um den zweiten Endteil 20b der Welleneinrichtung 20 zwischen dem zweiten Rad 40, das an dem zweiten Ende der Welleneinrichtung 20 angebracht ist, und dem vierten Rad 60, das an dem mittigen Teil 20c der Welleneinrichtung 20 angebracht ist, angeordnet. Wenigstens eines der vier gesonderten Räder, die an der Welleneinrichtung 20 zur Drehung mit derselben angebracht sind, dient zum Entnehmen von Energie aus einer Strömung von unter Druck stehendem, gasförmigem Fluid, z.B. Druckluft, zum Drehantrieb der Welleneinrichtung 20 um die Längsachse 12.
Am vorteilhaftesten bildet eines der beiden Räder, die an dem mittigen Teil 20c der Welleneinrichtung 20 angebracht sind, d.h. entweder das dritte Rad 50 oder das vierte Rad 60 einen Kompressorrotor, der dazu dient, eine Strömung von gasförmigem Arbeitsfluid zu komprimieren, und das andere der mittigen Räder bildet einen Turbinenrotor, der dazu dient, das gasförmige Arbeitsfluid, welches durch den Kompressorrotor verdichtet worden ist, zu entspannen, um ihm dadurch Energie zu entnehmen und so die Welleneinrichtung 20 um die Achse 12 in Drehung zu versetzen und dadurch den Kompressorrotor anzutreiben. Die beiden äußeren Räder, d.h. das erste Rad 30 und das zweite Rad 40 bilden jeweils einen Ventilatorrotor wie in der Ausführungsform, die in Fig. 1 gezeigt ist, oder eines kann einen zusätzlichen Turbinenrotor und das andere einen Ventilatorrotor bilden wie in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform oder eines kann einen zusätzlichen Turbinenrotor und das andere einen zusätzlichen Kompressorrotor bilden, je nach Bedarf. Tatsächlich kann die mit vier Rädern versehene Luftkreislaufmaschine nach der vorliegenden Erfindung irgendeine Rotorkombination aufweisen, die wenigstens einen Turbinenrotor hat, wobei der Turbinenrotor oder die Turbinenrotoren, je nachdem, ausreichend Energie aus dem darin entspannten gasförmigen Arbeitsfluid entnehmen, um die Welleneinrichtung 20 und alle daran angebrachten Ventilator- oder Kompressorrotoren mit dieser um die Achse 12 in Drehung zu versetzen.
Die Ausführungsform der Luftkreislaufmaschine 10 nach der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 1 gezeigt ist und bei der das erste Rad 30 und das zweite Rad 40 jeweils einen Ventilatorrotor bilden, das dritte Rad 50 einen Turbinenrotor bildet und das vierte Rad 60 einen Kompressorrotor bildet, ist zur Verwendung in einer herkömmlichen Flugzeugklimaanlage besonders geeignet, wie z.B. der Anlage, die in dem US-Reissue-Patent 32 100, bei welchem es sich um eine Neuausgabe des US-Patents 4 209 993 handelt, beschrieben ist, die beide im Besitz der Anmelderin sind. In der darin beschriebenen Anlage sind zwei Ventilatoren erforderlich, ein Ventilator zum Saugen eines Stroms von Staukühlluft durch einen primären Wärmetauscher zum Vorkühlen von Abzapfdruckluft, welche dem Kompressor der Luftkreislaufmaschine zugeführt wird, und durch einen sekundären Wärmetauscher zum Kühlen von Druckluft, die von dem Kompressor zu der Turbine der Luftkreislaufmaschine geht, und der andere Ventilator zum Umwälzen eines Teils der Kabinenluft zur Vermischung mit der frischen, expandierten Luft, die von der Turbine abgegeben wird, um der Kabine als klimatisierte, d.h. gekühlte und entfeuchtete Luft zugeführt zu werden.
Bislang sind die Luftkreislaufmaschinen, die üblicherweise in einer solchen herkömmlichen Flugzeugklimaanlage benutzt worden sind, dreirädrige Maschinen des Typs gewesen, der eine einzelne Turbine, einen einzelnen Kompressor und einen einzelnen Ventilator hat, welche üblicherweise an einer gemeinsamen Welle angebracht sind, die durch die Turbine angetrieben wird, wobei der Ventilatorrotor derselben benutzt wird, um die Staukühlluft durch den primären und den sekundären Wärmetauscher hindurchzusaugen. Es ist demgemäß notwendig gewesen, einen separaten, unabhängigen Hilfsventilator, üblicherweise mit elektrischem Antrieb, vorzusehen, um die Kabinenluft umzuwälzen. Da jedoch die Ausführungsform der vierrädrigen Luftkreislaufmaschine nach der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 1 gezeigt ist, zwei Ventilatorrotoren 50 und 60 aufweist, die gemeinsam an der Welleneinrichtung 20 angebracht sind, welche durch den Turbinenrotor 30 angetrieben wird, kann einer der Ventilatorrotoren benutzt werden, um die Kabinenluft umzuwälzen, und der andere Ventilatorrotor kann benutzt werden, um die Staukühlluft durch den primären und den sekundären Wärmetauscher hindurchzusaugen, wodurch die Notwendigkeit eines separaten Hilfsventilators eliminiert wird. Weiter, aufgrund der beiden Ventilatorrotoren 20 und 30, die an den entgegengesetzten Enden der Welleneinrichtung 20 angeordnet sind, können die Auslässe zum Abgeben der durch die Ventilatoren hindurchgesaugten Luft leicht so angeordnet werden, daß die Abluftströmung axial gerichtet wird, was den Einbau üblicherweise erleichtert und oft die Leistung verbessert.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2, auf die nun Bezug genommen wird, weist die vierrädrige Luftkreislaufmaschine 10, die darin dargestellt ist, zwei Turbinen, einen Kompressor und einen Ventilator auf, welche koaxial längs einer gemeinsamen Welleneinrichtung zur Drehung um eine gemeinsame Längsachse 12 angeordnet sind. Die Welleneinrichtung umfaßt ein erstes Endwellenteil 20a, ein zweites Endwellenteil 20b und ein zentrales Wellenteil 20c, die koaxial längs der Längsachse 12 angeordnet sind. Die Wellenteile 20a, 20b und 20c bilden jeweils eine ringförmige Büchse, die einen am Ende offenen, mittigen Hohlraum aufweist. Die Endwellenteile 20a und 20b sind zur Drehung um die Längsachse 12 auf Lagereinrichtungen 70 bzw. 80 gelagert. Die vier Räder 30, 40, 50 und 60 haben jeweils einen Nabenteil, der eine Vielzahl von Laufschaufeln trägt, die sich von ihm aus nach außen erstrecken, und eine zentrale Öffnung, die sich axial durch ihn hindurch erstreckt, um eine langgestreckte Zugstange 16 aufzunehmen, die sich längs der Längsachse 12 durch die mittigen axialen Öffnungen in den vier Rädern und durch die Hohlräume der Wellenteile erstreckt. Die Zugstange 16 ist an ihren Enden mit den äußeren Rädern 30, 40 verschraubt, um die vier Räder und die Wellenteile mit ausreichender axialer Klemmkraft axial zusammenzuspannen, so daß sich alle vier Räder und alle Wellenteile gemeinsam als eine integrale Räder- und Wel lenbaugruppe drehen.
Das erste Endrad 30 ist an dem außen gelegenen Ende des ersten Endwellenteils 20a angebracht, und das zweite Endrad 40 ist an dem außen gelegenen Ende des zweiten Endwellenteils 20b angebracht. Das mittige Rad 50 ist an dem innen gelegenen Ende des ersten Endwellenteils 20a angebracht, und das mittige Rad 60 ist an dem zweiten Endwellenteil 20b angebracht. Die beiden mittigen Räder 50 und 60 sind darüber hinaus an dem mittigen Wellenteil 20c zur Drehung mit demselben angebracht und Rücken an Rücken auf entgegengesetzten Seiten einer Scheibe 14 angeordnet, die eine zentrale Öffnung hat, welche das mittige Wellenteil 20c umgibt und sich von diesem aus radial nach außen erstreckt. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind die Räder 30, 40, 50 und 60 jeweils an ihrem Endwellenteil 20a bzw. 20b durch einen Preßsitz zwischen einem Paßrand 32, 42, 52, 62, welcher sich von der Radnabe axial nach außen erstreckt, und der inneren Wand des ringförmigen Wellenteils befestigt, welches den mittigen Hohlraum des Wellenteils begrenzt, in den der Rand präzise eingepaßt ist, wodurch sichergestellt ist, daß sich die Räder und die Wellenteile zusammen um die Achse 12 drehen. Alternative Methoden zum Befestigen der Räder an den Wellenteilen können bei dem Aufbau der Luftkreislaufmaschine nach der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Beispielshalber ist gemäß der Darstellung in Fig. 2 das dritte Rad 50 nicht an dem mittigen Wellenteil 20c mit Hilfe eines Paßrandes befestigt, sondern statt dessen an dem mittigen Wellenteil 20c durch eine Paßbüchse 18 befestigt, die koaxial um die Achse 12 angeordnet ist. Die Nabe des dritten Rades 50 hat eine mittige Paßmuffe 54, die so bemessen ist, daß sie ein Ende der Paßbüchse 18 mit Preßsitz aufnimmt und festhält. Das andere Ende der Paßbüchse 18 ist in einem Ende des mittigen Hohlraums des mittigen Wellenteils 20c aufgenommen und wird darin durch Preßsitz an der inneren Wand des mittigen Wellenteils 20c festgehalten. Das vierte Rad 60 ist an dem mittigen Wellenteil 20c durch einen Paßrand 64 befestigt, der in dem anderen Ende des mittigen Hohlraums des mittigen Wellenteils 20c aufgenommen ist, und wird darin durch Preßsitz an der inneren Wand desselben festgehalten. Die vier Räder und die drei Wellenteile, an denen sie angebracht sind, werden durch die Zugstange 16 axial belastet, die sich koaxial durch sie hindurch erstreckt, wodurch gewährleistet wird, daß sich die vier Räder und die drei Wellenteile gemeinsam um die Längsachse 12 als eine einzelne Baugruppe drehen. Die Paßbüchse 18 dient auch zum Zentrieren der gesamten Räder- und Wellenbaugruppe koaxial um die Zugstange 16.
Die Ausführungsform der Luftkreislaufmaschine 10 nach der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, ist besonders zur Verwendung in einer Kondensationszyklus- Luftklimatisier- und -temperatursteueranlage zum Kühlen und Entfeuchten von Luft zur Zufuhr in einen geschlossenen Raum für den Komfort der Insassen geeignet, wie z.B. der Kondensationszyklusklimaanlage zum Zuführen von gekühlter und entfeuchteter Luft zu der Kabine eines Flugzeuges gemäß der US-A-5 086 622. In dieser Ausführungsform bildet das mittige dritte Rad 50 einen Turbinenrotor einer ersten Stufe, das mittige vierte Rad bildet einen Kompressorrotor, das außen gelegene erste Rad 30 bildet einen Turbinenrotor einer zweiten Stufe, und das außen gelegene zweite Rad 40 bildet einen Ventilatorrotor. Der Erststufenturbinenrotor 30 und der Zweitstufenturbinenrotor 50 dienen nicht nur zum Entspannen und Kühlen der Luft, die klimatisiert wird, sondern auch zum Entnehmen von Energie aus der Luft, die entspannt wird, zum Drehen der gesamten Räder- und Wellenbaugruppe, um so den Ventilatorrotor 40 und den Kompressorrotor 60 anzutreiben. Die Räder- und Wellenbaugruppe ist innerhalb eines Gehäuses 100 angeordnet, das individuelle Einlaß- und Auslaßkanäle für jeden der Rotoren aufweist und außerdem die Lagereinrichtungen 70 und 80 trägt. Das Gehäuse 100 besteht aus zwei oder mehr als zwei Abschnitten, um den Zusammenbau zu erleichtern. Zum Beispiel, das Gehäuse 100 kann vorteilhafterweise aus drei Abschnitten bestehen: einem mittigen Abschnitt 110, welcher den Turbinenrotor 50 umgibt und einen Erststufenturbineneinlaßkanal 152 aufweist, um dem Turbinenrotor 50 Luft zuzuführen und darin zu entspannen, und einen Erststufenturbinenauslaßkanal 154 zum Abgeben der Abluft, die in dem Turbinenrotor 50 entspannt worden ist, einem ersten Endabschnitt 120, welcher den Turbinenrotor 30 umgibt und einen Zweitstufenturbineneinlaßkanal 132 aufweist, um dem Turbinenrotor 30 Luft zuzuführen und darin zu entspannen, und einen axial gerichteten Zweitstufenturbinenauslaßkanal 134 zum Abgeben der in dem Turbinenrotor 30 entspannten Abluft, und einem zweiten Endabschnitt 130, welcher sowohl den Kompressorrotor 60 als auch den Ventilatorrotor 40 umgibt und einen Einlaßkanal 162 aufweist, um dem Kompressorrotor 60 Luft zuzuführen und darin zu verdichten, einen Auslaßkanal 164 zum Abgeben der durch den Kompressorrotor 60 komprimierten Luft, einen Einlaßkanal 142 zum Leiten von Staukühlluft zu dem Ventilatorrotor 40 und einen axial gerichteten Auslaßkanal 144 zum Abgeben der Staukühlluft, die durch den Ventilatorrotor 40 hindurchgegangen ist.
Der mittige Gehäuseabschnitt 110 ist an einem seiner Enden an dem ersten Endgehäuseabschnitt 120 durch mehrere umfangsmäßig beabstandete Schrauben 102 befestigt, mittels welchen ein Flansch 112 des mittigen Abschnitts 110 an einem Flansch 122 des Endabschnitts 120 befestigt ist, und an seinem anderen Ende an dem zweiten Endgehäuseabschnitt 130 durch mehrere umfangsmäßig beabstandete Schrauben 104, die durch das mittige Scheibenteil 14 hindurchgeführt sind, um einen Flansch 114 des mittigen Abschnitts 110 an einem Flansch 124 des Endabschnitts 130 zu befestigen. Das mittige Scheibenteil 14, das um das mittige Wellenteil 20c angeordnet ist und sich von diesem aus zwischen dem mittigen Gehäuseabschnitt 110 und dem zweiten Gehäuseabschnitt 130 nach außen erstreckt, dient zum Trennen des Luftströmungskreises, welcher dem Kompressorrotor 60 zugeordnet ist, von dem Luftströmungskreis, welcher dem Turbinenrotor 50 zugeordnet ist. Das zentrale Scheibenteil 14 besteht aus einem wärmeisolierenden Material wie beispielsweise einem eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Kunststoff- oder Verbundmaterial, um eine unerwünschte Wärmeübertragung von der Druckluft höherer Temperatur, die durch den Kompressorauslaßkanal 164 hindurchgeht, auf die Druckluft niedrigerer Temperatur, die durch den Erststufenturbineneinlaßkanal 152 hindurch zu dem Turbinenrotor 50 geht, zu minimieren.
In der Ausführungsform der Luftkreislaufmaschine nach der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 2 dargestellt ist, weisen die Lagereinrichtungen 70 und 80, die die Wellen- und Räderbaugruppe zur Drehung um die Längsachse 12 radial lagern, hydrodynamische Gleitlager auf, wie z.B. Gasfilmfoliengleitlager des in den US-Patenten 4 133 585, 4 247 155 und/oder 4 295 689 beschriebenen Typs. Das hydrodynamische Gleitlager 70 ist um das erste Endweilenteil 20a zwischen dem ersten Rad 30 und dem dritten Rad 50 angeordnet, und das hydrodynamische Gleitlager 80 ist um das zweite Endwellenteil 20b zwischen dem zweiten Rad 40 und dem vierten Rad 60 angeordnet. Die hydrodynamischen Lager 70 und 80 weisen jeweils einen inneren Laufring auf, der an seinem Wellenteil angebracht ist, einen äußeren Laufring, der koaxial um den inneren Laufring in radialem Abstand von demselben angeordnet und in dem Gehäuse 100 befestigt ist, um eine Axial- oder Drehverlagerung des äußeren Laufringes zu begrenzen, und einen Folienpacken, der in einem ringförmigen Raum angeordnet ist, welcher zwischen den beiden radial beabstandeten Laufringen gebildet ist und durch welchen Druckluft hindurchgeleitet wird, um die geeigneten hydrodynamischen Kräfte zu erzeugen, die die Gleitlager 70 und 80 benötigen, um die Wellen- und Räderbaugruppe zur Drehung um die Längsachse 12 zu lagern.
Darüber hinaus ist ein hydrodynamisches Axiallager 26 zum axialen Lagern der Wellen- und Räderbaugruppe der Luftkreislaufmaschine 10 vorgesehen. Das hydrodynamische Axiallager kann ein Gasfilmfolienaxiallager sein, z.B. der Typ, der in den der gleichen Anmelderin gehörenden US-Patenten 4 082 325, 4 116 503, 4 247 155 und/oder 4 462 700 beschrieben ist. Das Lager 26 weist ein außen gelegenes Lagerteil 26a und ein innen gelegenes Lagerteil 26b auf, die auf entgegengesetzten Seiten einer Druckscheibe 90 operativ angeordnet sind, welche sich von dem ersten Endwellenteil 20 aus zwischen einer Endwand 116 des mittigen Gehäuseabschnitts 110 nach außen erstreckt, und eine Lagerplatte 118, die zwischen dem mittigen Gehäuseabschnitt 110 und dem ersten Endabschnitt 120 einwärts von dem außen gelegenen ersten Rad 30 angeordnet ist.
Im Betrieb wird relativ kühle Druckluft aus dem Zweitstufenturbineneinlaßkanal 132 durch ein Strömungsrohr 28 hindurch in eine ringförmige Kammer 34 geleitet, die zwischen der Lagerplatte 118 und der Endwand 116 angeordnet ist. Ein erster Teil dieser kühlen Druckluft strömt von da aus durch das außen gelegene Axiallagerteil 26a, um das Lagerteil unter Druck zu setzen und zu kühlen, und von da aus durch Öffnungen 36 in dem außen gelegenen Endteil des ersten Endwellenteils 20a in den inneren Hohlraum desselben. Ein zweiter Teil dieser kühlen Druckluft strömt aus der Kammer 34 durch das innen gelegene Axiallagerteil 26b und von da aus durch das erste Gleitlager 70, um diese beiden hydrodynamischen Lager zu kühlen und unter Druck zu setzen. Nach dem Durchqueren des ersten Gleitlagers 70 gelangt dieser zweite Teil der kühlen Druckluft über die Öffnungen 38 in dem innen gelegenen Endteil des ersten Endwellenteils 20a in dessen inneren Hohlraum, um sich wieder mit dem ersten Teil dieser Strömung zu vermischen. Die wiedervereinigte Strömung geht dann durch das hohle Innere der Wellen- und Räderbaugruppe hindurch, um durch die Öffnungen 44 in dem innen gelegenen Endteil des zweiten Endwellenteils 20b hindurchzugehen und in eine Kammer 46 einzutreten, von welcher aus diese kühle Druckluft durch das zweite Gleitlager 80 hindurchgeht, um dadurch das zweite hydrodynamische Gleitlager 80 zu kühlen und unter Druck zu setzen, bevor sie über eine Labyrinthdichtung 48 in den Kanal 142 austritt. Zusätzliche Labyrinthdichtungen 58 und 68 sind vorgesehen, um die Lagerkühl- und -druckbeaufschlagungsluft am Entweichen aus dem Lagerströmungskreis zu hindern. Die Dichtung 58, die zwischen dem innen gelegenen Endteil des ersten Endwellenteils 20a und dem innen gelegenen Ende des ersten Gleitlagers 70 angeordnet ist, gestattet eine begrenzte Strömung von einen höheren Druck aufweisender, kühler Luft aus dem Erststufenturbinenauslaßkanal 154, um in den Lagerströmungskreis zu lecken und so das erste Gleitlager 70 zu verschließen, und die Dichtung 68, die zwischen dem innen gelegenen Endteil des zweiten Endwellenteils 20b und dem umgebendem Gehäuse angeordnet ist, gestattet einer begrenzten Strömung von einen höheren Druck aufweisender, relativ kühler Luft aus dem Kompressoreinlaßkanal 162 in die Kammer 46 zu lecken, wodurch das zweite Gleitlager 80 verschlossen wird.

Claims

1. Luftkreislaufmaschine zum Klimatisieren von Luft zur Zufuhr in einen geschlossenen Raum, mit:

a. einer Welleneinrichtung (20), die zur Drehung um eine sich longitudinal erstreckende Achse (12) angeordnet ist;

b. einer Lagereinrichtung zum Lagern der Welleneinrichtung (20) zur Drehung um die Achse (12);

c. einem ersten Rad (30), das an einem ersten Endteil (20a) der Welleneinrichtung (20) zur Drehung mit derselben angebracht ist,

d. einem zweiten Rad (40), das an einem zweiten Endteil (20b) der Welleneinrichtung (20) zur Drehung mit derselben angebracht ist;

e. einem dritten Rad (50), das an einem mittigen Teil (20c) der Welleneinrichtung (20) mit Abstand von dem ersten Rad (30) und von dem zweiten Rad (40) zur Drehung mit der Welleneinrichtung (20) angebracht ist; und

f. einem vierten Rad (60), das an einem mittigen Teil (20c) der Welleneinrichtung (20) zwischen dem zweiten Rad (40) und dem dritten Rad (50) zur Drehung mit der Welleneinrichtung (20) angebracht ist, wobei von dem dritten und vierten Rad (50, 60), die mittig angeordnet sind, eines einen Kompressorrotor (60) bildet, der dazu dient, die Klimatisierungsluft, die durch ihn hindurchgeht, zu komprimieren, und wobei von dem dritten und vierten Rad (50, 60), die mittig angeordnet sind, das andere einen Turbinenrotor (50) aufweist, der dazu dient, die Klimatisierungsluft zu entspannen, die durch ihn hindurchgeht, um dadurch die entspannte Klimatisierungsluft zu kühlen und ihr Energie zum Drehantreiben der Welleneinrichtung (20) um die Achse (12) zu entnehmen,

dadurch gekennzeichnet, daß das dritte und vierte Rad (50, 60) Rücken an Rücken auf entgegengesetzten Seiten einer mittigen Scheibe (14) zwischen sich angebracht sind, wobei die mittige Scheibe (14) aus einem wärmeisolierendern Material besteht, und daß die Lagereinrichtung nur zwei Gleitlager aufweist, nämlich:

a. eine erste Gleitlagereinrichtung (70) zum Lagern der Welleneinrichtung (20) zur Drehung um die Achse (12), wobei die erste Lagereinrichtung (70) zwischen dem ersten Rad (30) und dem dritten Rad (50) angeordnet ist; und

b. eine zweite Gleitlagereinrichtung (80) zum Lagern der Welleneinrichtung (20) zur Drehung um die Achse (12), wobei die zweite Lagereinrichtung (80) zwischen dem zweiten Rad (40) und dem vierten Rad (60) angeordnet ist.

2. Luftkreislaufmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Rad (30, 40) jeweils einen Ventilatorrotor aufweisen.

3. Luftkreislaufmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem ersten und zweiten Rad (30, 40) eines einen Ventilatorrotor bildet und daß von dem ersten und zweiten Rad (30, 40) das andere einen zweiten Turbinenrotor bildet.

4. Luftkreislaufmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte Rad (60) einen Kompressorrotor bildet, der dazu dient, die durch ihn hindurchgehende Klimatisierungsluft zu komprimieren, wobei das dritte Rad (50) einen Erststufenturbinenrotor bildet, der dazu dient, die komprimierte Klimatisierungsluft zu entspannen und dadurch die entspannte Klimatisierungsluft zu kühlen und ihr Energie zum Drehantreiben der Welleneinrichtung (20) um die Achse (12) zu entnehmen, wobei das erste Rad (30) einen Zweitstufenturbinenrotor bildet, der dazu dient, die komprimierte Klimatisierungsluft weiter zu entspannen und die entspannte Klimatisierungsluft dadurch weiter zu kühlen und ihr weitere Energie zum Drehantrieb der Welleneinrichtung (20) um die Achse (12) zu entnehmen, und wobei das zweite Rad (40) einen Ventilatorrotor bildet.

5. Luftkreislaufmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (100), das um die Welleneinrichtung (20) und um das erste, zweite, dritte und vierte Rad (30, 40, 50, 60), die an der Welleneinrichtung (20) angebracht sind, angeordnet ist und die Lagereinrichtung (70, 80) trägt, wobei das Gehäuse (100) einen mittigen Abschnitt (110) hat, der das dritte Rad (50) umgibt und einen Einlaßkanal (152) in dasselbe und einen Auslaßkanal (154) aus demselben, einen ersten Endabschnitt (120), der das erste Rad (30) umgibt und einen Einlaßkanal (132) in denselben und einen Auslaßkanal (134) aus demselben bildet, und einen zweiten Endabschnitt (130), der das zweite und vierte Rad (40, 60) umgibt und einen Einlaßkanal (162) zu dem vierten Rad (60) bildet, einen Einlaßkanal (142) zu dem zweiten Rad (40), einen Auslaßkanal (144) aus dem zweiten Rad (40) und einen Auslaßkanal (164) aus dem vierten Rad (60), wobei der mittige Abschnitt (110) die erste Gleitlagereinrichtung (70) trägt und wobei der zweite Endabschnitt (130) die zweite Gleitlagereinrichtung (80) trägt.

6. Luftkreislaufmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Endteil (20a, 20b) und der mittige Teil (20c) der Welleneinrichtung (20) separate Wellenteile sind, die von einander axial beabstandet sind, daß die vier Räder (30, 40, 50, 60) einen Teil der Welleneinrichtung bilden, wobei das dritte Rad (50) in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Endteil (20a) und dem mittigen Teil (20c) der Welleneinrichtung (20) angeordnet ist, wobei das vierte Rad (60) in dem Zwischenraum zwischen dem zweiten Endteil (20b) und dem mittigen Teil (20c) der Welleneinrichtung (20) angeordnet ist und wobei das erste und zweite Rad (30, 40) an den in entgegengesetzte Richtungen gewandten Enden des ersten bzw. zweiten Endteils (20a, 20b) der Welleneinrichtung (20) angeordnet sind, und daß sich eine Zugstange (16) durch die vier Räder (30, 40, 50, 60) und die Wellenteile (20a, 20b, 20c) erstreckt, um die vier Räder und die Wellenteile axial zusammenzuspannen, um eine integrale Räder- und Wellenbaugruppe zu bilden.

7. Luftkreislaufmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Endteil (20a) des dritten Rades (50) und der mittige Wellenteil (20c) mittels einer Paßbüchse (18) miteinander verbunden sind, die dazu dient, die gesamte Räder- und Wellenbaugruppe auf der Zugstange (16) zu zentrieren.