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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Versorgung eines Einlasses für frische Luft der Kabine eines
von mindestens einem Strahltriebwerk angetriebenen Luftfahrzeugs,
und noch genauer auf ein solches Verfahren, demzufolge aus dem Triebwerk
einbehaltene Luft in einem Turboverdichter verdichtet wird, die
so verdichtete Luft in einem von der in Bezug auf das Luftfahrzeug äußeren Luft
durchquerten Wärmeaustauscher
abgekühlt
wird, ein Turbinenrad des Turboverdichters mit der derart abgekühlten Luft
beschickt wird und der Einlass für
frische Luft mit der aus dem Turbinenrad austretenden Luft versorgt
wird.
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In l der
angehängten
Zeichnung wird eine Vorrichtung zur Versorgung der Kabine eines
Luftfahrzeugs mit frischer Luft bekannter Art schematisch dargestellt.
Wie dargestellt, umfasst diese Vorrichtung 1 im Wesentlichen einen
Wärme-Voraustauscher 2,
einen Wärmeaustauscher 3 und
einen Turboverdichter 4, der aus einem Turbinenrad 5 und
einem Verdichter 6 besteht.
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Der Voraustauscher 2 ist
mit einem Einlass 7 für
Luft verbunden, die auf einer Stufe des Verdichters eines das Luftfahrzeug
antreibenden Strahltriebwerkes einbehalten wird, wenn dieses mit
seiner Reisegeschwindigkeit fliegt. Diese Luft, deren Temperatur
gewöhnlich
mehrere hundert Grad erreicht, wird in dem Voraustauscher 2 mittels
eines Spülvorgangs
mit Luft, die mittels einem eine Kammer des Austauschers versorgenden
Zuluftloch 8 von außen
in Bezug auf das Luftfahrzeug entnommen wird, abgekühlt, wobei
die Spülungsluft
durch den Auslaß 9 dieser
Kammer abgeleitet wird.
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Die aus dem Triebwerk stammende und
aus dem Voraustauscher 2 austretende Luft ist ausreichend abgekühlt, um
in den Verdichter 6 strömen
zu können,
der gewöhnlich
in Leichtmetall ausgeführt
ist. Die verdichtete, daher erwärmte
Luft, die aus dem Verdichter 6 austritt, wird von Neuem
in dem Austauscher 3 abgekühlt, mittels der gleichen Spülung mit
zwischen dem Zuluftloch 8 und dem Auslaß 9 umlaufender Außenluft, so
dass sie im Wesentlichen auf die Temperatur der Spülungsluft
gelangt.
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Die aus dem Austauscher 3 austretende
Luft gelangt schließlich
in das Turbinenrad 5, das den Verdichter 6 antreibt.
Die Entspannung der Luft in diesem Turbinenrad lässt ihre Temperatur auf einen
verhältnismäßig niedrigen
Wert zum Beispiel der Größenordnung
von 3°C
abfallen, der passend ist, den Einlass 10 für frische
Luft der Kabine 11 des Luftfahrzeugs (die in 1 teilweise schematisch
angedeutet ist) zu versorgen, wobei jede Gefahr der Vereisung der
Leitungen, die er durchläuft,
vermieden wird.
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Die in die Kabine eingespeiste 3 °C kalte Luft
mischt mit sich mit der in dieser enthaltenen Luft, um sie abzukühlen. Eines
oder mehrere Ventile 12, die einen Teil eines Systems zur
Druckbeaufschlagung der Kabine 11 bilden, regulieren den
Luftdruck in der Kabine, indem sie einen Teil der Kabinenluft aus
dieser heraus entweichen lassen.
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Ein Teil des Kraftstoffverbrauchs
des Strahltriebwerkes, aus dem man die Luft einbehält, die
die vorstehend beschriebene Vorrichtung versorgt, ist offensichtlich
mit dieser Einbehaltung verbunden. Außerdem ist der Unterschied ΔT zwischen
der Temperatur der in die Kabine eintretenden Luft (etwa 3 °C) und der
Temperatur der Luft in der Kabine (etwa 20 °C), beiläufig ist also ΔT = etwa
17 °C, verhältnismäßig gering
und zwingt dazu, die Vorrichtung so auszulegen, dass sie der Kabine
einen verhältnismäßig bedeutenden
Mengenfluss an gekühlter
Luft zuliefern kann, der den Raumbedarf, das Gewicht und folglich
die Herstellungskosten dieser Vorrichtung in die Höhe treibt.
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Aus FR-A-2 609 686 ist auch eine
Anlage zur Luftkonditionierung für
ein Luftfahrzeug bekannt, die Mittel zur Ausnutzung der Energie
der aus der Kabine des Luftfahrzeugs austretenden Luft in dieser
Anlage umfasst.
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Die vorliegende Erfindung hat genau
zum Ziel, ein Verfahren zur Versorgung eines Einlasses für frische
Luft der Kabine eines Luftfahrzeugs bereitzustellen, das mit einer
Vorrichtung bewerkstelligt werden kann, die eine Verringerung des
Kraftstoffverbrauchs des Triebwerkes mit sich bringt, aus dem diese
Vorrichtung verdichtete Luft einbehält, wobei diese Vorrichtung
außerdem
leichter, platzsparender und von billigerer Herstellung als die
Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist, die in der Einleitung
der vorliegenden Beschreibung beschrieben wurde.
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Dieses Ziel der vorliegenden Erfindung
wird mit einem Verfahren zur Versorgung eines Einlasses für frische
Luft der Kabine eines von mindestens einem Strahltriebwerk angetriebenen
Luftfahrzeugs der in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung
beschriebenen Art erreicht, bei dem mechanische Energie aus Luft gewonnen
wird, die aus der Kabine des Luftfahrzeugs austritt, die mechanische
Energie mit Hilfe eines zweiten, mit dem ersten gekoppelten Turbinenrades
in den Turboverdichter eingebracht wird und außerdem Abkühlungsenergie aus der aus der
Kabine des Luftfahrzeugs austretenden Luft gewonnen wird, wobei
dieses Verfahren dadurch bemerkenswert ist, dass die so gewonnene
Energie mit Hilfe eines zweiten und eines dritten, jeweils in Strömungsrichtung
vor und hinter dem zweiten Turbinenrad angebrachten Wärmeaustauschers, in
die aus dem in Strömungsrichtung
nach dem Verdichter angebrachten Austauscher austretende abgekühlte Luft
eingebracht wird.
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Wie man nachstehend in Einzelheiten
sehen wird, erlaubt dieses Verfahren, der Kabine eine Luft mit niedrigerer
Temperatur zuzuführen,
die daher einen geringen Mengenfluss als den von der Vorrichtung
der 1 zugeführten aufweisen
muss, zu Gunsten des Kraftstoffverbrauchs des Strahltriebwerkes
aus dem die Luft einbehalten wird, und zu Gunsten des Gewichtes,
des Raumbedarfs und folglich der Herstellungskosten der Vorrichtung,
die dazu entworfen wurde, das erfindungsgemäße Verfahren ins Werk zu setzen.
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Diese Vorrichtung, die einen Einlass
für aus
dem Triebwerk stammende Luft, einen Turboverdichter, umfassend ein
Turbinenrad und einen von der aus dem Triebwerk stammenden Luft
beschickten Verdichter, einen Austauscher, beschickt mit der aus
dem Verdichter austretenden Luft, um die Luft mit Hilfe eines in
Bezug auf das Luftfahrzeug äußeren Luftstroms
abzukühlen,
wobei der Austritt für
abgekühlte
Luft des Austauschers das Turbinenrad versorgt, ein zweites Turbinenrad,
das mit dem ersten Rad gekoppelt ist und mit aus der Kabine des
Luftfahrzeugs herausgezogener Luft versorgt wird und mit der aus
der Kabine herausgezogenen Luft versorgte Mittel, um die aus dem
Triebwerk stammende und aus dem Austauscher austretende Luft abzukühlen umfasst,
ist dadurch bemerkenswert, dass die Mittel umfassen a) einen zweiten
Wärmeaustauscher,
um die aus der Kabine stammende und an das zweite Turbinenrad gelieferte
Luft zu erwärmen,
und um die aus dem Triebwerk stammende und aus dem ersten Austauscher
austretende Luft abzukühlen,
und b) einen dritten Wärmeaustauscher,
um die aus dem zweiten Turbinenrad austretende Luft zu erwärmen und
um die aus dem Triebwerk stammende Luft abzukühlen.
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Andere kennzeichnende Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der nachstehenden
Beschreibung und der Überprüfung der
angehängten
Zeichnung ersichtlich werden, in der:
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1 ein
Schema einer Vorrichtung zur Versorgung eines Einlasses für frische
Luft der Kabine eines von einem Strahltriebwerk angetriebenen Luftfahrzeugs
ist, die aus dem Stand der Technik bekannt und in der Einleitung
der vorliegenden Beschreibung beschrieben ist, und
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2 ein
Schema einer Vorrichtung der gleichen An ist, die abgewandelt ist,
um die Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu gewährleisten.
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Es wird nun auf die 2 der angehängten Zeichnung Bezug genommen,
wo Bezugsziffern, die mit den in der 1 verwendeten
Bezugsziffern identisch sind, identische oder analoge Elemente oder
Gerätschaften
bezeichnen. Derart findet man in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1' die in der 1 mit 2 bis 11 gekennzeichneten
Elemente und Gerätschaften
wieder.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1' unterscheidet
sich von derjenigen der 1 dadurch
wesentlich, dass sie eigene Mittel zum Gewinnen mechanischer Energie
und/oder von Abkühlungsenergie
aus der Luft, die über
ein Ventil zur Druckbeaufschlagung (Druckbelüftung) 12' dieser Kabine
aus der Kabine austritt, umfasst.
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Man wird bei dieser Gelegenheit bemerken,
dass bei der vorstehend in Verbindung mit 1 beschriebenen Vorrichtung nach dem
Stand der Technik die aus der Kabine über das Ventil 12 austretende
Luft ihre gesamte Energie außerhalb
der Kabine verliert, ohne dass diese Energie der Gegenstand irgendeiner
Verwendung wäre.
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Im Gegensatz dazu wird gemäß der Erfindung
mindestens ein wesentlicher Teil dieser Energie zurückgewonnen,
um die Vorrichtung 1' funktionieren
zu lassen.
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Dazu wird die über das Ventil 12' aus der Kabine
austretende Luft über
einen Rohrstutzen 13 in einen zweiten Wärmeaustauscher 14 befördert, wo
sie mit der aus dem Austauscher 3 austretenden Luft Wärme austauscht
und danach in ein zweites Turbinenrad 15 des Turboverdichters 4 übergeht,
das mit dem ersten Rad 5 gekoppelt ist, wo sie sich entspannt,
bevor sie einen dritten Austauscher 16 durchläuft, wo
sie von neuem Wärme
mit der Luft austauscht, die den Voraustauscher 2 und die
Austauscher 3 und 14, in dieser Reihenfolge, durchlaufen
hat. Diese Luft entweicht schließlich nach Außen oder
in einen anderen Abschnitt des Luftfahrzeugs, wie einen Frachtraum,
der ebenfalls eine gewisse Konditionierung der Luft verlangt.
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Auf diese Weise wird die aus dem
Austauscher 3 mit einer Temperatur nahe derjenigen der
von dem Zuluftloch 8 angesaugten Luft austretende Luft
in dem Austauscher 14 durch die zum Beispiel mit 20°C aus der
Kabine kommende Luft abgekühlt,
während
die letztere ihrerseits erwärmt
wird, bevor sie in das Turbinenrad 15 eindringt. Diese
Erwärmung
erlaubt vorteilhafterweise, die von dem Turbinenrad 15 an
den Verdichter 6 des Turboverdichters 4 gelieferte
mechanische Arbeitsleistung auf Kosten einer entsprechende Entspannung
der Luft in dem Turbinenrad 15 zu erhöhen.
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Die Entspannung der aus der Kabine 11 in
das Turbinenrad 15 gelangten Luft bewirkt, diese abzukühlen. Die
derart abgekühlte
Luft beschickt den dritten Austauscher 16, um dort nochmals die
aus dem Triebwerk stammende Luft abzukühlen, die soeben in dem zweiten
Austauscher 14 eine Abkühlung
durchlaufen hat. Am Ausgang des Austauschers 16 geht die
aus dem Triebwerk stammende Luft in das Turbinenrad 5 über, wo
sie sich unter Abgabe mechanischer Energie an den Verdichter 6 entspannt,
einer Energie, die sich zu der von dem Turbinenrad 15 gelieferten
summiert. Während
dieser Entspannung fällt
die Temperatur der von dem Triebwerk stammenden Luft noch weiter
ab, wobei diese Luft schließlich
den Einlass 10 für
frische Luft in die Kabine 11 versorgt.
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Die aus der Kabine stammende Luft,
die schließlich
den Austauscher 16 durchläuft, erwärmt sich dort, um zum Beispiel
die vorstehende erwähnte
Konditionierung der Luft des Frachtraums zu gewährleisten. Sie kann auch einfach
in den Außenraum
abgelassen werden.
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Es wird nun ersichtlich, dass die
aus der Kabine stammende Luft mechanische Energie an den Turboverdichter 4 und
Abkühlungsenergie
(Kühläquivalente)
an die zur Versorgung des Frischlufteinlasses der Kabine bestimmte
Luft abgibt. Die derart aus der Energie der die Kabine verlassenden
Luft gewonnene Energie, die sich vorher wirkungslos in dem das Luftfahrzeug
umgebenden Raum verteilt hätte,
erlaubt es, die Entnahme von durch das Strahltriebwerk des Luftfahrzeugs
erzeugter Energie zugunsten von dessen Kraftstoffverbrauch zu verringern,
was in Übereinstimmung
mit dem einen der von der vorliegenden Erfindung verfolgten Zielen
ist.
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Als ein lediglich veranschaulichendes,
nicht beschränkendes
Beispiel für
den Fall eines die Dimensionen vorgebenden Fluges mit Überschall-Höchstgeschwindigkeit
auf der Maximalhöhe
an einem warmen Tag, wobei eine Düse
8 für den Lufteintritt
zur Belüftung
der Austauscher
2 und
3 an den Fallen für Abzapfluft
zur Grenzschichtbeeinflussung des Triebwerks angebracht ist, die
Luft von etwa 109 °C
abgibt, gehorchen die Temperatur und der Druck der von dem Triebwerk
abgegebenen Luft seit deren Austritt bis zum Eintritt
10 in die
Kabine einem Gang der Art, die in der folgenden Tabelle beschrieben
wird:
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Aus der Überprüfung dieser Tabelle geht hervor,
dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
in der Lage ist, die Kabine mit Luft von etwa –79°C zu versorgen, während die
in Verbindung mit 1 beschriebene
Vorrichtung nach dem Stand der Technik nur Luft von etwa 3°C liefern
kann.
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Diese Luft zur Abkühlung mit –79°C weist zu
der Kabinenluft (von 20°C)
einen Temperaturunterschied von etwa 100°C auf, wogegen der der Vorrichtung
der 1 entsprechende
Unterschied etwa 20° –3° = 17° ist. Ihre
Kapazität
zur Abkühlung
der Kabinenluft ist derart etwa 6 mal größer als diejenige der von der
Vorrichtung der 1 gelieferten
Luft zur Abkühlung.
Daraus folgt, dass der Mengenstrom an Luft zur Abkühlung im wesentlichen
im gleichen Verhältnis
sehr stark verringert werden kann, was es gestattet, den Raumbedarf,
das Gewicht und die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu verringern, alles genauso wie den mit der Einspeisung von Luft
in die Vorrichtung durch den Verdichter des Triebwerks verbundenen
zusätzlichen Kraftstoffverbrauch,
wie man vorstehend gesehen hat.
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Man wird bemerken, dass die Anordnung
der Austauscher 14 und 16 so ist, dass sie jede
mit dem von den Passagieren der Kabine freigesetzten Wasserdampf
verbundene Vereisung derselben vermeidet (siehe die vorstehende
Tabelle), was die Gesamtausbeute der verwendeten Mittel zur Kühlung erhöht.
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Es ist klar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Abwandlung der Einstellung der Ventile 12' erforderlich
macht, die einen Teil des Systems zur Druckbeaufschlagung der Kabine
ausmachen. Vorher konnte der Druckverlust in diesen Ventilen ohne
Nachteile etwa 700 mb erreichen, also den Unterschied zwischen dem
Druck in der Kabine und dem Außendruck.
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Erfindungsgemäß muss diese Einstellung auf
das Minimum, also zum Beispiel etwa 50 mb verringert werden, so
dass die aus der Kabine austretende Luft einen möglichst hohen Druck aufweist,
damit die erfindungsgemäße Vorrichtung
aus dieser Luft eine maximale mechanische Energie gewinnen kann.
Die Regelung des Kabinendrucks bei einer Abfallamplitude von nur
50 mb gestattet außerdem,
die Genauigkeit dieser Druckeinstellung zu verbessern.
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Wohlverstanden ist die Erfindung
nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt, die
nur als ein Beispiel angeboten wurde. So würde man den Umfang der Erfindung
nicht verlassen, wenn man zugunsten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
lediglich mechanische Energie oder lediglich Abkühlungsenergie aus der Luft
gewinnen würde,
die aus der Kabine austritt. Wenn weiter die Erfindung vorstehend
im Zusammenhang mit einem Luftfahrzeug beschrieben wurde, das mit Überschall-Reisegeschwindigkeiten
fliegt, so ist die Erfindung genau so gut bei jedem Luftfahrzeug
anwendbar, namentlich, aber nur als ein Beispiel angegeben, bei
großen
Unterschall-Transportflugzeugen, die dazu gedacht sind, mehrere
hundert Passagiere zu transportieren, deren starke kumulierte thermische
Abstrahlung eine Vorrichtung zur Kühlung der Kabinenluft mit großer Kapazität erforderlich
macht.
