System und Verfahren zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Bereichs eines Luftfahrzeugs

Die vorliegende Erfindung betrifft ein^System sowie ein Verfahren zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Bereichs eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs.

An Bord eines Flugzeugs kann das Risiko einer Explosion in einem Treibstofftank dadurch minimiert werden, dass leere Tankbereiche mit einem Inertgas, wie z.B. Stickstoff geflutet werden. Das Inertgas verhindert die Bildung eines zündfähigen Gasgemischs über der Treibstoffoberfläche. In an einen Treibstofftank angrenzenden Flugzeugbereichen ist eine Inertisierung mittels eines Inertgases jedoch in der Regel nicht möglich. Aus diesem Grund werden derartige explosionsgefährdete Bereiche üblicherweise mit einer Folie isoliert. Darüber hinaus werden in diesen Bereichen angeordnete Komponenten, die einen Funken erzeugen könnten oder im Betrieb eine hohe Oberflächentemperatur entwickeln, explosionssicher gestaltet und mit speziellen Isolierungen versehen. Schließlich werden explosionsgefährdete Flugzeugbereiche intensiv ventiliert und drainiert, wobei Luftaustauschraten von 3 bis 5 pro Minute zu realisieren sind.

Zur Belüftung explosionsgefährdeter Flugzeugbereiche werden typischerweise separate Systeme vorgesehen, die so ausgelegt sind, dass sie in allen Betriebssituationen des Flugzeugs eine ausreichende Ventilation und Drainage der explosionsgefährdeten Flugzeugbereiche sowie eine ausreichende Kühlung von in den explosionsgefährdeten Flugzeugbereichen angeordneten wärmebelasteten Komponenten gewährleisten. Bekannte Belüftungssysteme umfassen beispielsweise einen Stauluftkanal, über den im Flugbetrieb des Flugzeugs Luft in einen zur Verminderung der Explosionsgefahr zu ventilierenden Flugzeugbereich geleitet wird. Im Bodenbetrieb des Flugzeugs sorgt dagegen ein Ventilator für eine ausreichende Luftzufuhr in den zu ventilierenden

Flugzeugbereich. Die Installation eines separaten Belüftungssystems führt zu zusätzlichen Kosten, einem erhöhten Gewicht sowie zusätzlichem Energiebedarf zum Antreiben des elektrisch oder mittels Triebwerks-Zapfluft betriebenen Ventilators.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässig arbeitendes, einfach aufgebautes, gewichts- und einbauraumsparendes System zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Flugzeugbereichs bereitzustellen. Ferner liegt der Erfindung die

Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zur Belüftung eines explosionsge- fährdeten Flugzeugbereichs anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein System zur Belüftung eines Bereichs eines Luftfahr- zeugs mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie ein Verfahren zur Belüftung eines Bereichs eines Luftfahrzeugs mit den im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.

Ein erfindungsgemäßes System zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Bereichs eines Luftfahrzeugs umfasst einen Stauluftkanal mit einem Lufteinlass zur Zufuhr von Umgebungsluft in den Stauluftkanal. Der Lufteinlass des Stauluftkanals kann beispielsweise als sogenannter NACA (National Advisory Commitee for Aeronautics)- Einlass ausgebildet sein. Darüber hinaus kann der Stauluftkanal bei Bedarf einen Diffusor umfassen. Ein Luftauslass des Stauluftkanals dient dazu, Luft aus dem Stau- luftkanal nach der Durchströmung des Stauluftkanals wieder an die Umgebung abzuführen. Der Stauluftkanal ist dazu eingerichtet, einer zu kühlenden Einrichtung an Bord des Luftfahrzeugs Kühlluft zuzuführen. Die zu kühlende Einrichtung kann beispielsweise ein Teil eines Flugzeugkühlsystems sein. Vorzugsweise dient der Stauluftkanal des erfindungsgemäßen Belüftungssystems der Zufuhr von Kühlluft zu Kondensatoren einer Kältemaschine des Flugzeugkühlsystems. Grundsätzlich kann die den Stauluftkanal durchströmende Luft der zu kühlenden Einrichtung unmittelbar als Kühlluft zugeführt und beispielsweise über die zu kühlende Einrichtung geblasen werden. Alternativ dazu kann die Kühlenergie der den Stauluftkanal durchströmenden Luft jedoch auch mittels einer geeigneten Einrichtung, wie z.B. eines Wärmetau- schers, an die zu kühlende Einrichtung übertragen werden.

Das erfindungsgemäße Belüftungssystem umfasst ferner eine von dem Stauluftkanal abzweigende Belüftungsleitung, die einen Lufteinlass zur Zufuhr der den Stauluftkanal durchströmenden Luft aufweist. Ein Luftauslass der Belüftungsleitung ist mit einem zu belüftenden, beispielsweise einem explosionsgefährdeten Bereich des Luftfahrzeugs verbunden. über die Belüftungsleitung kann dem zu belüftenden Luftfahrzeugbereich somit aus dem Stauluftkanal abgezweigte Luft zugeführt werden. Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen Belüftungssystem wird kein zusätzlicher Stauluftkanal zur Belüftung benötigt. Statt dessen wird lediglich ein Stauluftka- nal zur Zufuhr von Umgebungsluft zu einer zu kühlenden Einrichtung an Bord des

Luftfahrzeugs und zur Zufuhr von Ventilationsluft in einen zu belüftenden Bereich des Luftfahrzeugs verwendet. Das erfindungsgemäße System stellt somit ein integriertes

Kühl- und Belüftungssystem dar. Auf die Bereitstellung einer separaten Belüftungseinrichtung kann daher verzichtet werden, wodurch sich vorteilhafte Gewichts- und Einbauraumeinsparungen ergeben. In dem zu belüftenden Luftfahrzeugbereich kann eine weitere wärmebelastete Einrichtung, wie z.B. eine elektronische Komponente 5 oder dergleichen angeordnet sein. Die dem zu belüftenden Luftfahrzeugbereich über die Belüftungsleitung zugeführte Luft wird dann gleichzeitig zur Kühlung der wärmebelasteten Komponente verwendet.

Zwischen dem Stauluftkanal und dem Lufteinlass der Belüftungsleitung ist bei dem lo erfindungsgemäßen System zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Bereichs eines Luftfahrzeugs ein Speicher angeordnet, der dazu eingerichtet ist, den dynamischen Druck der durch den Stauluftkanal geführten Luftströmung zumindest teilweise in statischen Druck umzuwandeln. Durch den in dem Speicher aufgebauten statischen Druck können Druckverluste in der Luftströmung, die bei der Durchströmung i5 der Belüftungsleitung auftreten, in vorteilhafter Weise kompensiert werden. Infolgedessen kann ein konstanter Luftvolumenstrom durch die Belüftungsleitung sowie ein gleichmäßiges Strömungsprofil beim Austritt der Luft aus dem Luftauslass der Belüftungsleitung realisiert werden.

20 Im Vergleich zu einer dynamischen Anordnung, bei der einen Stauluftkanal durchströmende Luft ohne Bereitstellung eines Speichers über eine Belüftungsleitung aus dem Stauluftkanal abgezweigt wird, kann bei dem erfindungsgemäßen System auf zusätzliche Strömungssteuerungseinrichtungen, wie z.B. eine Stauluftkanalauslass- klappe oder einen in dem Stauluftkanal angeordneten besonders leistungsstarken

25 Ventilator zur Gewährleistung einer ausreichenden Luftströmung durch die Belüftungsleitung verzichtet werden. Darüber hinaus muss die in die Belüftungsleitung geführte Luft bei dem erfindungsgemäßen System zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Bereichs eines Luftfahrzeugs nicht der einen hohen statischen Druck aufweisenden Kernströmung der durch den Stauluftkanal geführten Luftströmung

3o entnommen werden. Stattdessen ist es möglich, entlang der Stauluftkanalwand strömende Luft, die eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, aber einen geringen statischen Druck aufweist, aus dem Stauluftkanal abzuzweigen, in dem Speicher strömungstechnisch "aufzubereiten" und schließlich der Belüftungsleitung zuzuführen. Dadurch wird eine Störung der Luftströmung in dem Stauluftkanal vermieden, aber 5 dennoch eine ausreichende Luftzufuhr in die Belüftungsleitung ermöglicht.

Vorzugsweise ist der Speicher so ausgelegt, dass durch die Umwandlung zumindest eines Teils des dynamischen Drucks der durch den Stauluftkanal geführten Luftströmung in statischen Druck ein in der Belüftungsleitung auftretender Druckverlust im Wesentlichen ausgeglichen wird. Grundsätzlich führt eine Vergrößerung des Massen- Stroms in dem Speicher zu einer Erhöhung des statischen Drucks in dem Speicher. Folglich kann in dem Speicher ein umso höherer statischer Druck erzeugt werden, je größer ein Lufteinlass des Speichers ausgebildet ist und je weiter der Lufteinlass des Speichers in die durch den Stauluftkanal geführte Luftströmung reicht. Das Design des Speichers kann somit in vorteilhafter Weise an das Design der Belüftungsleitung angepasst werden. Beispielsweise kann eine in Form einer langen, schmalen Düse ausgebildete Belüftungsleitung, bei deren Durchströmung hohe Druckverluste auftreten, mit einem Speicher mit einem relativ großen Lufteinlass kombiniert werden. Dadurch wird es ermöglicht, die in Form einer Düse ausgebildete Belüftungsleitung mit einem ausreichend hohen statischen Druck zu beaufschlagen. Der Speicher kann auch so ausgelegt sein, dass er eine Strömungssteuerung ermöglicht. Beispielsweise kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Speichers eine Beruhigung der Strömung und damit eine bessere Gleichrichtung der Strömung in die Belüftungsleitung realisiert werden.

Wie bereits erwähnt weist der Speicher einen Lufteinlass auf, durch den den Stauluftkanal durchströmende Luft in den Speicher eintreten kann. Der Lufteinlass des Speichers ist dabei so dimensioniert, dass in dem zu belüftenden explosionsgefährde- ten Bereich des Luftfahrzeugs eine Luftaustauschrate von 5 pro Minute erreicht wird. Vorzugsweise umfasst der Speicher eine in eine Wand des Stauluftkanals eingelasse- ne Hutze.

Eine Lufteinlassfläche des Speichers kann im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der den Stauluftkanal durchströmenden Luft ausgerichtet und der Luftströmung zugewandt sein. Dadurch wird ein ausreichender Luftmassenstrom in den Speicher ermöglicht.

In dem Stauluftkanal kann ein Ventilator angeordnet sein, der insbesondere im Bodenbetrieb des Flugzeugs für eine ordnungsgemäße Durchströmung des Stauluftkanals sorgt. Vorzugsweise ist der Ventilator stromaufwärts von dem Speicher in dem Stauluftkanal positioniert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Belüftungssystems ist der zu belüftende Bereich des Luftfahrzeugs mit mindestens einer Entlüftungsöffnung zur Abfuhr der dem zu belüftenden Bereich über die Belüftungsleitung zugeführten Luft versehen. Die mindestens eine Entlüftungsöffnung kann den zu belüftenden Bereich des Luftfahrzeugs mit der Umgebung verbinden und beispielsweise in einer Außenhaut des Luftfahrzeugs angeordnet sein. Vorzugsweise ist die mindestens eine Entlüftungsöffnung in einem zu dem Luftauslass des Stauluftkanals benachbarten Bereich der Luftfahrzeugaußenhaut angeordnet. Durch die hohe Luftaustrittsgeschwindigkeit am Luftauslass des Stauluftkanals wird in der Umgebung des Stauluftkanalauslasses ein Unterdruck erzeugt und folglich eine Injektionsströmung induziert, die die Abströmung der Luft aus dem zu belüftenden Bereich des Luftfahrzeugs fördert. Durch die Anordnung der mindestens einen Entlüftungsöffnung des zu belüftenden Bereichs in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Luftauslass des Stauluftkanals wird somit in einfacher und komfortabler Art und Weise eine ordnungsge- mäße Abfuhr der dem zu belüftenden Bereich zugeführten Spülluft aus dem zu belüftenden Bereich gewährleistet.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Bereichs eines Luftfahrzeugs wird Umgebungsluft einer zu kühlenden Einrichtung an Bord des Luftfahrzeugs, beispielsweise Kondensatoren einer Kältemaschine einer Flugzeugklimaanlage, durch einen Stauluftkanal zugeführt. Ferner wird den Stauluftkanal durchströmende Luft durch eine Belüftungsleitung in einen zu belüftenden Bereich des Luftfahrzeugs zugeführt. Der zu belüftende Bereich des Luftfahrzeugs ist beispielsweise ein zu einem Treibstofftank benachbarter Flugzeugbereich, der ausrei- chend ventiliert werden muss, um die Bildung eines zündfähigen Gasgemischs zu verhindern. Zusätzlich dazu kann die dem zu belüftenden Bereich zugeführte Luft auch als Kühlluft zur Kühlung einer in dem zu belüftenden Bereich angeordneten wärmebelasteten Komponente, beispielsweise einer elektronischen Komponente oder dergleichen dienen. Vor dem Eintritt der Luft in die Belüftungsleitung wird der dyna- mische Druck der durch den Stauluftkanal geführten Luftströmung in einem zwischen dem Stauluftkanal und einem Lufteinlass der Belüftungsleitung angeordneten Speicher zumindest teilweise in statischen Druck umgewandelt.

Durch die Umwandlung zumindest eines Teils des dynamischen Drucks der durch den Stauluftkanal geführten Luftströmung in statischen Druck wird vorzugsweise ein in der Belüftungsleitung auftretender Druckverlust im Wesentlichen ausgeglichen.

Vorzugsweise wird die Luftströmung durch den Stauluftkanal im Bodenbetrieb des Luftfahrzeugs durch einen stromaufwärts von dem Speicher in dem Stauluftkanal angeordneten Ventilator erzeugt.

Die dem zu belüftenden Bereich des Luftfahrzeugs über die Belüftungsleitung zugeführte Luft wird vorzugsweise infolge einer Injektionsströmung, die durch eine aus einem Luftauslass des Stauluftkanals austretende Luftströmung induziert wird, durch mindestens eine Entlüftungsöffnung aus dem zu belüftenden Bereich in die Umgebung abgesaugt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Bereichs eines Luftfahrzeugs wird nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen

Figur 1 eine übersichtsdarstellung eines Systems zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Bereichs eine Luftfahrzeugs zeigt, und

Figur 2 eine dreidimensionale Detailansicht einer vor einem Stauluftkanal abzweigenden Belüftungsleitung und eines zwischen dem Stauluftkanal und dem Lufteinlass der Belüftungsleitung angeordneten Speichers zeigt.

In Figur 1 ist ein System 10 zur Belüftung eines explosionsgefährdeten Bereichs 12 eines Flugzeugs veranschaulicht. Der explosionsgefährdete Flugzeugbereich 12 befindet sich benachbart zu in der Figur 1 nicht gezeigten Treibstofftanks des Flug- zeugs. Aus diesem Grund können gegebenenfalls Kerosindämpfe in den Bereich 12 eindringen. In dem Flugzeugbereich 12 ist eine in Form einer Steuereinheit ausgebildete wärmebelastete Komponente 14 angeordnet. Um die Bildung eines zündfähigen Gasgemischs in dem Bereich 12 zu verhindern und dadurch das Risiko einer Treibstoffexplosion zu minimieren, muss der explosionsgefährdete Flugzeugbereich 12 ausreichend ventiliert werden. Darüber hinaus erzeugt die wärmebelastete Komponente 14 eine hohe Wärmelast, die aus dem Flugzeugbereich 12 abgeführt werden muss.

Das Belüftungssystem 10 umfasst einen Stauluftkanal 16, der einen in der Figur 1 nicht gezeigten und in Form eines NACA-Einlasses ausgebildeten Lufteinlass zur Zufuhr von Umgebungsluft in den Stauluftkanal 16 aufweist. Der Lufteinlass des Stauluftkanals 16 ist ebenso wie ein Luftauslass 18 in einer Außenhaut 20 des Flug-

zeugs ausgebildet. Der Stauluftkanal 16 dient dazu, Kondensatoren einer Kältema ^¬ schine eines Flugzeugkühlsystems Stauluft und damit Kühlenergie zuzuführen.

Von dem Stauluftkanal 16 zweigt eine Belüftungsleitung 22 ab. Die Belüftungsleitung 22 umfasst einen Lufteinlass 24 sowie einen Luftauslass 26 und ist in Form einer relativ schmalen, langgestreckten Düse ausgebildet, die sich im Wesentlichen über die gesamte Breite des einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Stauluftkanals 16 erstreckt (siehe Figur 2). Der Luftauslass 16 der Belüftungsleitung 22 mündet in den zu belüftenden Flugzeugbereich 12, so dass den Stauluftkanal 16 durchströmende Luft über die Belüftungsleitung 22 in den zu belüftenden Bereich 12 geleitet werden kann.

Ein zwischen dem Stauluftkanal 16 und dem Lufteinlass 24 der Belüftungsleitung 22 angeordneter Speicher 28 dient dazu, den dynamischen Druck der durch den Stau- luftkanal 16 geführten Luftströmung zumindest teilweise in statischen Druck umzuwandeln. Wie insbesondere aus Figur 2 ersichtlich wird, weist der Speicher 28 eine in eine Wand des Stauluftkanals 16 eingelassene Hutze 30 auf. Eine Lufteinlassfläche 32 des Speichers 28 ist im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der den Stauluftkanal 16 durchströmenden Luft ausgerichtet und der Luftströmung zuge- wandt. Ein im Bereich der Lufteinlassfläche 32 des Speichers 28 angeordnetes Gitter 34 sorgt für eine entsprechende Strömungssteuerung im Bereich der Lufteinlassfläche 32 des Speichers 28.

Der Speicher 28 ist so ausgelegt, dass durch die Umwandlung zumindest eines Teils des dynamischen Drucks der durch den Stauluftkanal 16 geführten Luftströmung in statischen Druck ein in der Belüftungsleitung 22 auftretender Druckverlust im Wesentlichen ausgeglichen wird. Dadurch wird eine ausreichende Luftzufuhr in die Belüftungsleitung 22 ermöglicht, um in dem zu belüftenden Flugzeugbereich 12 eine Luftaustauschrate von 5 Mal pro Minute zu realisieren. Darüber hinaus wird die Strö- mung in dem Speicher 28 beruhigt, so dass eine bessere Gleichrichtung und folglich eine gleichmäßige Verteilung der Strömung über die gesamte Breite der Belüftungsleitung 22 erzielt werden kann. Schließlich ist die Hutze 30 des Speichers 28 so dimensioniert, dass die dem Speicher 28 zugeführte Luft im Wesentlichen einer entlang der Stauluftkanalwand strömenden Luftschicht entnommen werden kann und somit die Kernströmung der durch den Stauluftkanal 16 geführten Luftströmung nicht gestört wird.

Stromaufwärts von dem Speicher 28 ist in dem Stauluftkanal ein Ventilator 36 angeordnet. Der Ventilator dient dazu, im Bodenbetrieb des Flugzeugs eine erforderliche Luftströmung durch den Stauluftkanal 16 zu erzeugen. Bei Bedarf kann der Ventilator 36 selbstverständlich auch im Flugbetrieb des Flugzeugs aktiviert werden. Er ist je- 5 doch nicht dazu ausgelegt, für einen ausreichenden Luftdurchsatz durch die Belüftungsleitung 22 zu sorgen, sondern dient lediglich zur Luftzufuhr zu der zu kühlenden Komponente der Flugzeugkältemaschine. Die Luftströmung durch die Belüftungsleitung 22 wird im Wesentlichen durch den Speicher 28 sowie die Dimensionierung der Eintrittsöffnungen in die Hutze 30 gesteuert.

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Nach dem Durchströmen des Flugzeugbereichs 12 muss die dem Bereich 12 über die Belüftungsleitung 22 zugeführte Luft wieder aus den Bereich 12 ausgeblasen werden, um die erforderliche hohe Luftaustauschrate von 5 pro Minute sowie eine ausreichende Wärmeabfuhr von der wärmebelasteten Komponente 14 zu gewährleisten. i5 Die Luftabfuhr aus dem Bereich 12 erfolgt durch eine in der Flugzeugaußenhaut 20 ausgebildete Entlüftungsöffnung 38. Die Entlüftungsöffnung 38 ist benachbart zu dem Luftauslass 18 des Stauluftkanals 16 in der Flugzeugaußenhaut 20 ausgeführt. Durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus dem Luftauslass 16 des Stauluftkanals 16 entsteht im Bereich des Luftauslasses 18 des Stauluftkanals 16 ein

2o Unterdruck. Folglich wird eine Injektionsströmung induziert, durch die Luft durch die Entlüftungsöffnung 38 aus dem Flugzeugbereich 12 gesaugt wird. Durch die Anordnung der Entlüftungsöffnung 38 benachbart zu dem Luftauslass 18 des Stauluftkanals 16 wird somit die Abströmung der Luft aus dem explosionsgefährdeten Bereich 12 gefördert.

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