Vorrichtung und Verfahren zur Abluftkühlung von Flugzeugklimaanlagen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abluftkühlung von Flugzeugklimaanlagen.

Bei neuen Flugzeugentwicklungen kommen vermehrt CFK- Werkstoffe zum Einsatz. Für den Einsatz ist es erforderlich, äußere Einflussfaktoren wie z.B. Temperatur und Feuchtigkeit auf die materialspezifischen Eigenschaften anzupassen, um das Festigkeitsverhalten möglichst wenig zu beeinträchtigen.

Heutige Flugzeugklimaanlagen (Frischluftversorgungssysteme) arbeiten nach dem Prinzip der einstufigen Verdichtung über einen Kompressor, der von einer Luftturbine angetrieben wird. Dabei wird im Flug die Stauluft durch die Außenströmung und am Boden ein Gebläse im Stauluftkanal zur Abkühlung der heißen und verdichteten Triebwerkszapfluft eingesetzt. Diese wiederum treibt über eine Turbine den Kompressor an und wird den Anforderungen in der Kabine entsprechend konditioniert.

Der Stauluftkanal des Frischluftversorgungssystems hat die Aufgabe, die Außenluft als Kühlungsluft für die Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen. Der Stauluftkanal besteht in der Regel aus einem NACA - Staulufteinlasskanal, einem Diffusor, einer Gummischlauchverbindung, eventuell einem Stauluftkanalplenum und einem Stauluftauslasskanal . Zwischen dem Stauluftkanalplenum und dem Stauluftauslasskanal sind die Wärmetauscher und das Plenum des Frischluftversorgungssystems mit ei- nem ACM - Fan (ACM - Gebläse, ACM = Air Cycle Machine =

Dreiradturbomaschine (Turbine, Kompressor, Fan)) installiert. Der ACM-Fan und der Kompressor werden durch die Expansion in

einer Turbine angetrieben. Der ACM - Fan sorgt dafür, dass auch am Boden die Kühlungsluft durch die Wärmetauscher befördert wird.

Im Flug gelangt die Außenströmung über den Staulufteinlasska- nal, der meistens eine NACA - Form aufweist, in den Stauluftkanal. Der dynamische Anteil des Totaldruckes wandelt sich im Diffusor teilweise (die Strömung verlangsamt sich) in den statischen Anteil um. So entsteht der statische überdruck (relativ zum Umgebungsdruck), der auch Staudruck am Wärmetauschereingang genannt wird. Der Durchfluss der Kühlungsluft wird durch zwei bewegliche, miteinander verbundene Stauluft- einlass-Kanalklappen reguliert. Hierbei ist die in Flugrichtung vordere Klappe fest am Rahmen angeschlagen und wird am Ende über einen Hebel von einer Spindel auf/ab bewegt. Die zweite Klappe ist am Ende der ersten Klappe über ein Scharnier mit der ersten Klappe verbunden. Durch die Auf- /Abwärtsbewegung (d.h. durch das Schließen bzw. öffnen des Staulufteinlasses) vollzieht das hintere Ende der zweiten Klappe eine Parallelverschiebung, die über eine kurze Pendelstange kompensiert wird.

Der Stauluftauslasskanal ist in der Regel nur mit einer Klappe ausgestattet. Die geöffnete Stauluftauslasskanalklappe er- zeugt aufgrund der Umströmung durch die Außenluft einen Unterdruck im Stauluftauslasskanal . Dieser Unterdruck beein- flusst den Kühlmassenstrom durch die Wärmetauscher. Die Klappe wird über einen Aktuator betrieben.

Bei dem beschriebenen Verfahren wird die kalte Stauluft, die über den Staulufteinlasskanal durch die Wärmetauscher strömt, soweit erwärmt, dass die Auslass-Ablufttemperatur im Bereich bis 200 ⁰ C liegen kann. Im Flug kann sich diese heiße Abluft durch die Wirkung der Außenströmung an die Flugzeugfläche an- legen. Trotz einer gewissen Abkühlung durch die Außenströmung kann die Temperatur noch bis zu 160 ⁰ C betragen, wenn sie auf die Flugzeug CFK-Struktur auftrifft. Die Festigkeiten derzei-

tiger CFK-Materialien sind bis zu einem Temperaturbereich von 100°C bis 120°C, je nach Belastungsprofil und Umgebungsbedingung, noch quantitativ bestimmbar. Belastungen über diesen Temperaturbereich hinaus können zu irreversiblen Material- Schädigung und somit zum Versagen führen.

Eine heutige Lösung zur Reduzierung der Auslasstemperatur sieht einen so genannten Kühlfilm vor, der wie ein kaltes Luftpolster zwischen der heißen Abluft und der Flugzeugober- fläche wirkt, so wie beispielsweise in der DE 102 44 199 Al beschrieben. Der Kühlfilm bewirkt, dass die Temperatur der Flugzeugoberfläche unter der für CFK kritischen Temperatur gehalten wird. Der Kühlfilm entsteht auf Grund der Druckdifferenz zwischen dem Einbauraum der Flugzeugklimaanlage und der Umgebung. Aufgrund der Position des Stauluftauslasskanals an der Flugzeugoberfläche entsteht während des Fluges an der Flugzeugoberfläche im Bereich des Stauluftkanals ein starkes Unterdruckgebiet. Die Quelle für den Kühlfilm ist die Ventilationsluft, die vom separaten Staulufteinlass zur Verfügung gestellt wird. Der Kühlfilm wird gezielt unter den Abluftstrom geleitet.

Der große Nachteil bei diesem Prinzip besteht darin, dass beim Ausfall des Kühlfilms, z.B. durch einen Fremdkörperein- schlag oder spezifische Flugmanöver, unbemerkt eine überhitzung des Flügelkastens auftreten kann, da die Flugzeugklimaanlage weiterhin in Betrieb ist. Eine elektrische Abschaltfunktion ist im Hinblick auf die Sicherheitsanforderungen problematisch.

Der Kühlungsluftfilm kann auch nicht in jeder Flugphase aufrecht erhalten werden. Während des Landeanflugs und während der Langsamflugmission werden die Flügelklappen und/oder Spoiler/ Airbrakes herausgefahren, so dass der oben genannte Einbauraum der Flugzeugklimaanlage mit der Umgebung verbunden wird. In Bereichen der Flügelklappen und Spoiler/ Airbrakes entsteht ein stärkerer Unterdruck als im Bereich des Stau-

luftauslasskanals, so dass die Kühlluft nicht durch den Schlitz für den Kühlluftfilm sondern im Bereich von Flügelklappen und Spoiler/ Airbrakes herausströmt. Dadurch wird in diesen Flugphasen kein Schutz gegen heiße Abluft durch den Kühlfilm gewährleistet. Auch während eines Fehlerfalles, wie einer Beschädigung der Flugzeugoberfläche, die zum Ausfall des Kühlluftfilms führen kann, besteht kein Schutz gegen heiße Abluft.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung sowie in Verfahren zur Verfügung zu stellen, die bzw. das es ermöglicht, die heiße Abluft von einem Frischluftversorgungssystem nach Bedarf bereits im Stauluftauslasskanal abzukühlen, so dass die hinter dem Kanal liegende Flugzeug- CFK-Struktur niedrigen Ablufttemperaturen ausgesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abluftkühlung von Flugzeugklimaanlagen ist ein Bypasskanal vorgesehen, der eine Flugzeugklimaanlage, die einem Stauluftkanal mit einem Stau- lufteinlass-Kanalabschnitt nachgeschaltet angeordnet ist, umgeht und in einen Auslasskanal, der der Flugzeugklimaanlage nachgeschaltet angeordnet ist, vor einer Austrittsöffnung für Abluft einmündet, wobei für den Stauluftkanal und den Bypasskanal ein gemeinsamer Einlass vorhanden ist.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Abluft schon vor dem Austritt aus dem Auslass über einen Stauluftbypasskanal soweit abgekühlt, dass die für CFK kritische Temperatur nicht erreicht werden kann. Bei einem Ausfall des Stauluftbypasska- nals fällt auch die Flugzeugklimaanlage aus bzw. ist ausgeschaltet, so dass ein Fehler nicht eine überhitzung der CFK- Flugzeugstruktur zur Folge hat. Hierbei wird sowohl der Stau-

luftkanal als auch ein variabler Bypasskanal von einem einzigen Lufteinlass gespeist.

Bevorzugt wird der Bypasskanal möglichst direkt mit dem Flug- zeugklimaanlagen-Auslasskanal verbunden, um so den Druckverlust gering zu halten. Er mündet bevorzugt im Flugzeugklimaanlagen-Auslasskanal noch vor dem Austritt der Abluft in die Umgebung. Der Kanal umgeht somit die Flugzeugklimaanlage und befördert kalte Stauluft in den heißen Abluftstrom.

Für die Stauluft und den Bypasskanal wird bevorzugt ein gemeinsamer Einlass vorgesehen. Das bietet den Vorteil, dass der Kühlfilm während des Betriebs der Flugzeugklimaanlage stets vorhanden ist.

Durch eine Bypasskanalklappe wird die variable Durchlässigkeit des Bypasskanals realisiert. Bei dieser konstruktiven Lösung wird die Parallelverschiebung der zweiten Klappe des Staulufteinlasskanals genutzt, um die Einlassöffnung des By- passkanals zu regulieren. Anstelle der Pendelstange übernimmt eine Einlassklappe des Bypasskanals die Funktion der Pendelstange und regelt gleichzeitig den öffnungsquerschnitt des Bypasskanals. Bei geschlossenen Klappen des Staulufteinlasskanals wird der Bypasskanal geöffnet. Befinden sich die Klap- pen des Staulufteinlasskanals in der maximalen Stauluftkanal- klappenstellung für den Flugfall, wird der Bypasskanal maximal geschlossen. Das Ende der zweiten Klappe des Stauluftein- lasskanals bildet die Entnahmestelle der kalten Luft für den Bypasskanal .

Die rein mechanische Regelung arbeitet nach folgendem Prinzip. Ist eine hohe Kühlleistung der Flugzeugklimaanlage notwendig, wird der Staulufteinlasskanal maximal geöffnet (Klappen bewegen sich abwärts) . Für diesen Kühlfall wird die maxi- mal zur Verfügung stehende Stauluft zum Herunterkühlen der Zapfluft durch die Wärmeaustauscher benötigt. Hier ist das Design so ausgelegt, dass die öffnung des Bypasskanals mög-

liehst weit geschlossen wird (Klappe des Bypasskanals wird geschlossen, Durchlässigkeit vom Bypasskanal ist gering) . Da in diesem Fall der Staudruck im Stauluftkanal hoch ist, wird der Massenstrom durch den Bypasskanal ausreichend für die Schutzfunktion sein. Zudem steht für diesen Betriebszustand ein hoher Kühlungsluftmassenstrom zur Verfügung und somit fällt die Ablufttemperatur nicht in den kritischen Temperaturbereich. Deswegen ist auch kein großer Bypasskühlstrom erforderlich.

Im Vergleich dazu soll im Heizfall möglichst wenig Wärme von der Zapfluft abgegeben werden. Deshalb wird der Stauluftein- lasskanal auf die minimale öffnung gefahren (Klappen bewegen sich aufwärts) . In diesem Fall ist der Staudruck im Stauluft- kanal niedrig, so dass die hohe Durchlässigkeit des Bypasskanals notwendig wird, um den ausreichenden Massenstrom durch den Bypasskanal zu garantieren. Zusätzlich wird für diesen Betriebszustand die geringe Menge an Stauluft stark durch die Zapfluft erwärmt, so dass der erhöhte Bypasskühlluftstrom notwendig wird. Hier ist das Design so ausgelegt, dass die

öffnung des Bypasskanals möglichst weit geöffnet wird (Durchlässigkeit vom Bypasskanal ist maximal) .

Das für den Bodenbetrieb installierte Gebläse schaufelt die Umgebungsluft zu den Wärmeaustauschern und erzeugt im Stau- lufteinlasskanal einen Unterdruck. Hierdurch kann heiße Abluft über den Bypasskanal zum Einlass gelangen, womit sich die Ablufttemperatur bis in den kritischen Bereich erwärmen kann. Deshalb ist für diesen Fall ein Rückschlagventil vorge- sehen.

Durch die konstruktive Integration des Bypasskanals und des Stauluftkanals in einen Lufteinlass ist ein klarer Sicherheitsvorteil gegenüber einem separaten Bypasskanal erreich- bar. Bei einem Schaden am NACA-Einlass, z.B. durch einen Vogelschlag, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit neben dem Bypasskanal auch gleichzeitig die Flugzeugklimaanlage nicht mehr

funktionsfähig. In diesem Fall gelangt keine heiße Abluft mehr auf die Flugzeugstruktur. Im Vergleich dazu würde bei einem separaten Bypasseinlass die Flugzeugklimaanlage über ihren eigenen Kanal weiter laufen, so dass die heiße Abluft ungehindert auf die Flugzeugstruktur gelangen und hier das

Material nachhaltig schädigen kann. Die rein mechanische Konstruktion birgt gegenüber elektrischen Lösungen (Sensoren, zusätzliche elektrische Klappensteuerung usw.) eine hohe Zuverlässigkeit .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Klimaanlage mit einem Stauluftkanal;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung eines Bypasskanals an einem Stauluftkanal; und

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht der Klap- pen am Staulufteinlasskanal und Bypasskanal von der Ausführungsform aus Fig. 2.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche o- der funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Klimaanlage 10 mit einem Stauluftkanal 30. Eine Einlassöffnung 34 eines Staulufteinlasskanals 32 ist links oben in Fig. 1 dargestellt. Der Staulufteinlasskanal 32 führt über einen

Diffusor 4 und ein Stauluftkanalplenum 6 zu einer Klimaanlage 10. Der Klimaanlage 10 nachgeschaltet ist ein Stauluftaus-

lasskanal 40 angeordnet, dessen Austrittsöffnung 42 von einer Stauluftkanalauslassklappe 44 abgeschlossen wird. Der Stauluftkanal 30 weist somit einen Staulufteinlasskanal 32 und einen Stauluftauslasskanal 40 auf. Am unteren Teil der Klima- anläge 10 ist ein Gebläse 8 angeordnet. Ein Einlassquerschnitt 35 der Einlassöffnung 34 des Staulufteinlasskanals 32 wird von einer ersten Klappe 36 und einer zweiten Klappe 38 begrenzt .

Im Betrieb gelangt Luft durch die Einlassöffnung 34 in den

Staulufteinlasskanal 32 und wird dort hindurch zu der Klimaanlage 10 für einen Wärmeaustausch geleitet. Nachdem die Luft durch die Klimaanlage 10 geführt wurde, wird sie über den Stauluftauslasskanal 40 an die Umgebung abgegeben. Die Menge der in den Staulufteinlasskanal 32 einströmenden Luft wird dadurch verändert, dass mittels der ersten Klappe 36 und der zweiten Klappe 38 der Einlassquerschnitt 35 des Stauluftein- lasskanals 32 verändert wird. Eine Vergrößerung des Einlassquerschnitts 35 bedingt, dass mehr Luft in den Stauluftein- lasskanal 32 einströmen kann. Die Luft wird dann über den

Diffusor 4 und das Stauluftkanalplenum 6 der Klimaanlage 10 zugeführt, wo ein Wärmeaustausch erfolgt. Die Luft gelangt nach einem Passieren der Klimaanlage durch den Stauluftaus- lasskanal 40 an die Umgebung. Das Gebläse 8, das der Klimaan- läge 10 nachgeschaltet angeordnet ist, unterstützt die Strömung der Luft durch den Stauluftkanal 30, wenn die Einlassöffnung 34 nur schwach angeströmt wird, wie dies z.B. der Fall ist, wenn das Flugzeug am Boden steht. Mittels der Stauluftkanalauslassklappe 44 kann das Abströmen der Luft aus dem Stauluftauslasskanal 40 eingestellt werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung eines Bypasskanals 20 an einem Stauluftkanal 30. Die Einlassöffnung 34 ist wieder links oben in der Figur darge- stellt. An die Einlassöffnung 34 schließt sich der Stauluft- einlasskanal 32 an, der Teil des Stauluftkanals 30 ist. Im Unterschied zu dem konventionellen Aufbau aus Fig. 1 zweigt

bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung ein Bypasskanal 20 von einem gemeinsamen Einlass 25 des Stauluftkanals 30 und des Bypasskanals 20 ab, der die Klimaanlage 10 umgeht und in den Stauluftauslasskanal 40 mündet. Der Bypasskanal weist ein Rückschlagventil 22 auf.

Der Bypasskanal 20 wird von der kühlen Luft aus dem Stauluft- einlasskanal 32 gespeist. Die Luft, die aus der Klimaanlage 10 in den Stauluftauslasskanal 40 tritt, ist manchmal sehr heiß und es ist erforderlich, diese zu kühlen. Dies geschieht hier dadurch, dass der Bypasskanal 20 in den Stauluftauslasskanal 40 mündet. Die kühle Luft aus dem Bypasskanal 20 wird dadurch in den Stauluftauslasskanal 40 geleitet und vermischt sich mit der heißen Luft aus der Klimaanlage 10. Dadurch wird die Luft im Stauluftauslasskanal, die an die Umgebung abgegeben wird, gekühlt. Schäden an empfindlichen CFK-Bauteilen durch zu heiße aus dem Stauluftauslasskanal 40 austretende Luft können dadurch verhindert werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Klappen am Staulufteinlasskanal 32 und Bypasskanal 20 gemäß der Ausführungsform aus Fig. 2. Die Elemente Einlassöffnung 34, Stauluftkanal 30 und Bypasskanal 20 sind entsprechend der Fig. 2 angeordnet. Eine erste Klappe 36 ist um eine Schwenk- achse 37 schwenkbar angeordnet und eine zweite Klappe 38 ist um eine Schwenkachse 39 schwenkbar angeordnet, um die Einlassöffnung 34 des Staulufteinlasskanals 32 zu schießen und zu öffnen. Mit der zweiten Klappe 38 ist die Bypasskanal- Einlassklappe 26, die den Bypasskanal 20 öffnet und schließt, über ein Gestänge 50 entfernt von einer Schwenkachse 27 der

Bypasskanal-Einlassklappe 26 verbunden. Eine Zugdruckeinrichtung 60 schwenkt die erste Klappe 36 und verschiebt die Schwenkachse 39 der zweiten Klappe 38.

Um die Einlassöffnung 34 des Staulufteinlasskanals 32 zu schließen, schiebt die Zugdruckeinrichtung 60 die Schwenkachse 39 der zweiten Klappe 38 nach oben und schwenkt dabei die

erste Klappe 36 nach oben, so dass die erste Klappe 36 vor die Einlassöffnung 34 verlagert wird. Neben einer ganz geöffneten Stellung und einer Schließstellung der ersten Klappe 36 sind Zwischenstellungen vorgesehen. Durch die Verlagerung der zweiten Klappe 38 an der Schwenkachse 39 nach oben, wird diese insgesamt so verlagert, dass sie die daran befestigte By- passkanal-Einlassklappe 26 öffnet, indem diese um ihre Schwenkachse 27 geschwenkt wird. Wird die erste Klappe 36 geschlossen, wird dadurch die Bypasskanal-Einlassklappe 26 des Bypasskanals 20 geöffnet.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sonder auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbe- sondere sind auch alle denkbaren Kombinationen der obigen Ausführungsbeispiele möglich.

B e z u g s z e i c h e n l i s t e

4 Diffusor

6 Stauluftkanalplenum

8 Gebläse

10 Klimaanlage

20 Bypasskanal

22 Rückschlagventil

25 gemeinsamer Einlass

26 Bypasskanal-Einlassklappe

27 Schwenkachse der Bypasskanal-Einlassklappe

28 Bypasskanalauslassklappe

30. Stauluftkanal

32 Staulufteinlasskanal

34 Einlassöffnung

35 Einlassquerschnitt

36 erste Klappe

37 Schwenkachse der ersten Klappe

38 zweite Klappe

39 Schwenkachse der zweiten Klappe

40 Stauluftauslasskanal

42 Austrittsöffnung

44 Stauluftkanalauslassklappe

50 Gestänge

60 Zugdruckeinrichtung