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Dokumentenidentifikation DE69604120T2 30.12.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0743435
Titel Vorkühlungswärmetauscher, integriert mit stromlinienförmiger Befestigungsvorrichtung einer Gasturbine
Anmelder Aérospatiale Société Nationale Industrielle, Paris, FR
Erfinder Porte, Alain, 31770 Colomiers, FR
Vertreter P. Meissner und Kollegen, 14199 Berlin
DE-Aktenzeichen 69604120
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 02.05.1996
EP-Aktenzeichen 964009377
EP-Offenlegungsdatum 20.11.1996
EP date of grant 08.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.12.1999
IPC-Hauptklasse F02C 7/18
IPC-Nebenklasse F02C 6/08   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Flugzeugtriebwerk mit einer Vorrichtung zur Entnahme und Kühlung von Heißluft.

Insbesondere zur Klimatisierung an Bord von Luftfahrzeugen wird bekanntlich im Bereich der Verdichter der Triebwerke des Flugzeugs (insbesondere von Turboluftstrahltriebwerken, speziell von Zweistromturboluftstrahltriebwerken) Luft entnommen. So wird am Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckverdichter des TL-Triebwerks eine bestimmte Menge heißer Druckluft entnommen. Die Luft aus diesen einzelnen Quellen wird durch verschiedene Steuerorgane (vor allem thermostatisch geregelte Ventile) geleitet, bevor sie gemischt und zugeteilt werden kann. Danach muß sie ein erstes Mal gekühlt werden (Vorkühlung), bevor sie zu den Einsatzorganen, wie Klimatisierungsaggregat, Enteisungssystem usw., gelangt.

Bislang wird die Kühlluft stets hinter dem Lüfter (Gebläse) des Triebwerks entnommen, bevor sie an den Wärmetauscher zur Vorkühlung gelangt. Dies hat den mehr oder minder ausgeprägten Nachteil, daß die Triebwerksleistungen beeinträchtigt werden. Bekanntlich wird der Wärmetauscher (Luft-Luft) zur Vorkühlung im allgemeinen im Träger des Strahltriebwerks angeordnet, der das Tragwerk mit dem Strahltriebwerk verbindet, und zwar im oberen Teil des Trägers in der Nähe der Vorderkante des Tragwerks. Die heiße Druckluft aus den verschiedenen Triebwerksstufen wird mittels Luft aus dem Gebläse gekühlt, die, nachdem sie den Austauscher durchströmt hat, an den oberen Teil des Trägers abgegeben wird. Eine Vorrichtung dieses Typs ist in EP-A-0 469 825 dargestellt.

Dadurch wird eine beträchtliche Luftmenge abgeleitet, die damit für den Schub des Triebwerks nicht mehr zur Verfügung steht. Außerdem entstehen durch die Abgabe der Kühlluft nach außen Turbulenzen, Luftwiderstände und aerodynamische Störungen.

Diese Erfindung, deren Ziel es ist, diese Nachteile zu beseitigen, bezieht sich auf ein Flugzeugtriebwerk mit einer Vorrichtung zur Entnahme und Kühlung von Heißluft im Triebwerksbereich, wobei die Vorrichtung so angeordnet ist, daß ein Maximum an dynamischem Druck zurückgewonnen werden kann, ohne daß dabei aerodynamische Störungen entstehen.

Dazu ist das Flugzeugtriebwerk näht einer Vorrichtung zur Entnahme und Kühlung von Heißluft und mit:

- einem Triebwerksgehäuse mit Verdichtern, Brennkammern und Turbinen,

- einem vor dem Triebwerksgehäuse angeordneten Gebläse,

- einer Wandung, die von vorne bis hinten in Strömungsrichtung der Luft aus dem Gebläse, ein Lufteintritt, ein Gebläsegehäuse und eine Außen- und Innenwandung für den Luftstrom aus dem Gebläse hat,

- Verbindungsarmen zwischen dem Triebwerksgehäuse und dem Gebläsegehäuse und

- einem Triebwerksträger, der einseits mit dem Triebwerk und andererseits mit dem Tragwerk verbunden ist, wobei die Vorrichtung derart ist, daß sie umfaßt:

- mindestens einen Heißluftanschluß am Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckstufen der Triebwerksverdichter,

- einen Kaltluftanschluß hinter dem Triebwerksgebläse,

- einen Wärmetauscher zur Vorkühlung zwischen Heiß- und Kaltluft, und

- Ventile zum Steuern der Luftdurchsätze, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher zur Vorkühlung mindestens einen der Verbindungsarme zwischen dem Triebwerksgehäuse und Gebläsegehäuse umfaßt, wobei der oder die als Wärmetauscher fungierenden Verbindungsarme eine Hohlstruktur aufweisen, durch die in Längsrichtung mindestens ein Teil der am Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckstufen der Triebwerksverdichter entnommenen Heißluft strömt.

Durch ihre oben beschriebene Konzeption ermöglicht die Erfindung vor allem eine Schubrückgewinnung, da die Kühlluft des Wärmetauschers (Verbindungsarm) in die Luft des Sekundärstroms des Triebwerks (Kaltluftstrom) eingeblasen wird, sowie die Begrenzung oder Beseitigung des durch Schaufeln, Leitungen und Austrittsgitter bedingten erheblichen Umfangs des Trägers oder der Triebwerkswandung.

Vorteilhafterweise hat det Wärmetauscher für die Vorkühlung eine Vielzahl von Verbindungsarmen, die in mehreren Gruppen in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind. So können vor allem vier solcher Armgruppen vorgesehen werden, die zueinander in einem Winkel von mindestens etwa 90º angeordnet sind.

Nach einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Triebwerks gelangt durch jeden Wärmetauscherarm bei Betrieb ausschließlich vom Triebwerksgehäuse zum Gebläsegehäuse zirkulierende Heißluft vom Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckstufen der Triebwerksverdichter.

Nach einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Triebwerks strömt durch jeden Wärmetauscherarm bei Betrieb in Längsrichtung der vom Triebwerksgehäuse zum Gebläsegehäuse zirkulierende Heißluftstrom und im Gegenstrom dazu der Kaltluftstrom aus dem Gebläse.

Im letzten Fall hat jeder Arm vorteilhafterweise eine innere Unterteilung, in der bei Betrieb der Kaltluftstrom zirkuliert.

Jeder Arm kann dann speziell ein Querschnittsprofil aufweisen, das annähernd dem Querschnitt eines Flugzeugflügels entspricht, wobei die Unterteilung in diesem Profil angeordnet ist und einen annähernd rautenförthigen Querschnitt aufweist, durch den sich die Wärmeaustauschfläche erhöht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung hat das Triebwerk eine erste Leitung zur Entnahme von Heißluft im Bereich der Nieder- und/oder Hochdruckverdichter des Triebwerks, wobei die Leitung eine erste Abzweigung zu den als Wärmetauscher fungierenden Armen und eine zweite Abzweigung hat, die quer durch das Triebwerk verläuft und nach Erreichen der ersten Abzweigung mit dieser eine zweite Leitung zu den Einsatzmitteln bildet.

Vor allem kann die erste Abzweigung verschiedene Stränge zu den als Wärmetauscher fungierenden einzelnen Armgruppen haben, wobei mehrere entsprechende Stränge am Ausgang der Arme zu einer Leitung verbunden werden, die an die zweite Leitung angeschlossen wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist in der ersten und/oder zweiten Abzweigung ein Ventil vorgesehen, das durch Thermostate in der zweiten Leitung gesteuert wird, um den Heißluftstrom aus den Verdichtern zu regeln.

Die Figuren der beigefügten Zeichnung verdeutlichen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesen Figuren werden ähnliche Bauteile mit identischen Bezugsnummern bezeichnet.

Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein Flugzeugtriebwerk, der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Querschnitt nach Linie II-II von Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 1, die eine Variante des Triebwerks der Erfindung zeigt.

Fig. 4 ist ein Querschnitt eines als Wärmetauscher fungierenden Verbindungsarms der Variante von Fig. 3.

Fig. 5 zeigt die Verbindung eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherarms zwischen Triebwerksgehäuse und Gebläsegehäuse.

Zunächst ist die allgemeine Anordnung des insbesondere in Fig. 1 dargestellten Flugzeugtriebwerks 1 zu beschreiben.

Das dargestellte Zweistromturbinenluftstrahltriebwerk besteht aus:

- einem Triebwerksgehäuse 2 mit Verdichtern 3, Brennkammern 4 und Turbinen 5,

- einem Gebläse 6 (oder Lüfter) vor dem Triebwerksgehäuse 2, das mit diesem verbunden ist,

- einer Wandung 7, mit, von vorne bis hinten in Strömungsrichtung der aus dem Gebläse 6 kommenden Luft, einem Lufteintritt 8, einem eigentlichen Gebläsegehäuse 9 und einer Außenwandung 10 und einer Innenwandung 11 für den Kaltluftstrom,

- Verbindungsarmen 12 zwischen dem Triebwerksgehäuse 2 und dem Gebläsegehäuse 9 und

- einem Träger 13 des Triebwerks 1, der einerseits mit dem Triebwerk und andererseits mit dem Tragwerk 14 verbunden ist.

Es ist festzustellen, daß die Innenwandung 11 des Sekundärstroms (Kaltluftstrom) neben dem Triebwerksgehäuse 2 Hilfsorgane, wie vor allem Pumpen, Wechselstromgeneratoren und Regler, enthält, die durch einen von vorne nach hinten durch diesen Raum strömenden Luftstrom gekühlt werden.

Darüber hinaus enthält die Vorrichtung 15 zur Entnahme und zur Kühlung von Heißluft im Bereich des Triebwerks 1 des Flugzeugs:

- einen Heißluftanschluß 16 am Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckstufen der Verdichter 3 des Triebwerks,

- einen Kaltluftanschluß 17 hinter dem Gebläse 6 des Triebwerks,

- einen Wärmetauscher 18 zur Vorkühlung zwischen Heißluft und Kaltluft und

- Ventile 19 zur Regelung der Luftdurchsätze, die zum Beispiel durch Thermostate 20 gesteuert werden.

Ganz besonders hat der Wärmetauscher zur Vorkühlung 18 erfindungsgemäß einige (12A) Verbindungsarme 12 zwischen dem Triebwerksgehäuse 2 und dem Gebläsegehäuse 9, wobei die als Wärmetauscher fungierenden Verbindungsarme 12A eine Hohlstruktur aufweisen, durch die in Längsrichtung (gestrichelter Pfeil von Fig. 1) mindestens ein Teil der Heißluft vom Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckstufen der Verdichter 3 des Triebwerks 2 entnommenen Heißluft (Heißluftanschluß 16) strömt.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind die Arme 12A vorteilhafterweise auf vier Gruppen verteilt, die zueinander in einem Winkelabstand von 90º angeordnet sind, da diese Verteilung einen besseren Wärmeaustausch zwischen der in jedem Arm 12A vom Triebwerksgehäuse 2 zum Gebläsegehäuse 9 zirkulierenden Heiß luft und dem Kaltluftstrom 21 aus dem Gebläse 6 gewährleistet. Beispielsweise kann jede Armgruppe 12A, wie in Fig. 2 gezeigt, vier Arme haben.

Außerdem behalten die Arme 12A, wie natürlich auch die übrigen Arme 12, ihre Funktion als mechanische Verbindungsstruktur zwischen dem Gebläsegehäuse 9 und dem Triebwerksgehäuse 2.

Wie außerdem in Fig. 1 zu sehen ist, ist eine erste Leitung 22 zur Entnahme von Heißluft im Bereich der Nieder- und/oder Hochdruckverdichter des Triebwerks vorgesehen, wobei die Leitung 22 eine erste Abzweigung 22A hat, deren einzelne Stränge 22A.1, 22A.2, 22A.3,22A.4 (Fig. 2) zu den als Wärmetauscher fungierenden verschiedenen Armgruppen 12A führen. Am Ausgang der Arme. werden mehrere entsprechende Stränge 23A.1, 23A.2, 23A.3, 23A.4 (Fig. 2) zu einer Leitung 23 zusammengefaßt, die im Träger 13 zum Tragwerk 14 verläuft. Eine zweite Abzweigung 22B der Leitung 22, die querdurch das Triebwerk 1 verläuft, wird an diese Leitung 23 angeschlossen und bildet eine zweite Leitung 24, die mit den Thermostaten 20 ausgerüstet ist und zu den Einsatzmitteln (nicht dargestellt) führt. Außerdem kann in der Abzweigung 22A und/oder in der Abzweigung 22B ein Ventil 19 vorgesehen werden, das durch die Thermostate 20 gesteuert wird und die Regelung des Heißluftstroms aus den Verdichtern ermöglicht, während der Kaltluftdurchsatz (Pfeile F) konstant bleibt.

In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Triebwerks, die vor allem in Fig. 1 dargestellt ist, strömt durch jeden Hohlarm 12A bei Betrieb ausschließlich Heißluft vom Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckstufen der Triebwerksverdichter, und zwar vom Triebwerksgehäuse 2 zum Gebläsegehäuse 9. Wie in Fig. 1 zu sehen ist (Pfeile F), strömt die Kühlluft einfach zwischen den als Wärmetauscher fungierenden Armen 12A hindurch und tritt wieder auf natürlichem Wege zwischen der Außenwandung 10 und der Innenwandung 11 des Kaltluftstroms aus.

Nach einer zweiten Variante des Triebwerks der Erfindung, die in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist, strömt hingegen bei Betrieb durch jeden Hohlarm 12A in Längsrichtung der vom Triebwerksgehäuse 2 zum Gebläsegehäuse 9 zirkulierende Heißluftstrom und im Gegenstrom dazu der Kaltluftstrom aus dem Gebläse 6. Die so durch die Arme 12A strömende Kühlluft tritt aus der Innenwandung 11 wieder über die Ausgänge 25 und 26 aus, die im Bereich der Brennkammern 4 und der Turbinen 5 vorgesehen sind, und gelangt zurück in den Kaltluftstrom.

Im letzten Fall kann jeder Arm 12A, wie dargestellt, eine innere Unterteilung 27 haben, die mit der Umgebung des Arms 12A durch Bohrungen 28 verbunden ist, in der bei Betrieb der Kaltluftstrom zirkuliert (Fig. 4). In dieser Fig. 4 ist ebenfalls zu sehen, daß die Unterteilung 27, da der Arm 12A ein Querschnittsprofil hat, das etwa dem Querschnitt eines Flugzeugflügels entspricht, innerhalb dieses Profils angeordnet ist und einen annähernd rautenförmigen Querschnitt aufweist, durch den sich die Wärmeaustauschfläche erhöht. Natürlich zirkuliert der Heißluftstrom im Arm 12A außerhalb der Unterteilung 27. Weitere Gestaltungen sind natürlich möglich, insbesondere umgekehrt (außen und innen) zur oben beschriebenen Zirkulation des Kalt- und des Heißluftstroms.

Darüber hinaus ist festzustellen, daß sich die generelle Anordnung der Variante der Fig. 3 und 4 nicht von der unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Anordnung unterscheidet.

Außerdem werden die Arme 12A oder Armgruppen vorzugsweise isostatisch mit dem äußeren Gehäuse als Referenzpunkt angebracht. Die Verbindung eines Arms 12A zwischen Triebwerksgehäuse 2 und Gebläsegehäuse 9 wird in Fig. 5 gezeigt, wobei diese Verbindung den thermischen Belastungen von Arm 12A bei Betrieb (vor allem den Ausdehnungen) Rechnung tragen muß.

Wie in Fig. 5 zu sehen ist, weist der nach einer der oben beschriebenen Varianten ausgeführte Arm 12A einerseits im Bereich seiner Befestigungsmittel 29 am Gebläsegehäuse 9 eine Wärmeisolierung 30 aus Lagermetall und andererseits im Bereich seiner Befestigung am Triebwerksgehäuse 2 auf der einen Seite einen Verbindungspleuel 31 und auf der anderen Seite Befestigungsmittel 32 mit einer Unterlegscheibe aus Lagermetall und mit Spiel für die Wärmeausdehnung auf.

Da die Arme 12A zudem innerhalb des Gebläsegehäuses angebracht sind, ergeben sich folgende Vorteile:

- das durchgehende Gebläsegehäuse weist lediglich Bohrungen zur Ableitung der Luft in die Leitung 24 oder zur Anbringung der Arme 12, 12A auf;

- ein etwaiges Entweichen von Sekundärluft nach außen wird weitestgehend begrenzt;

- Wärmeaustauscherarme 12A empfehlen sich durch "kalte Teile".


Anspruch[de]

1. Flugzeugtriebwerk mit einer Vorrichtung zur Entnahme und Kühlung von Heißluft und mit:

- einem Triebwerksgehäuse (2) mit Verdichtern (3), Brennkammern (4) und Turbinen(5),

- einem Gebläse (6) vor dem Triebwerksgehäuse (2),

- einer Wandung (7), die, von vorne bis hinten in der Strömungsrichtung der Luft aus dem Gebläse (6), ein Lufteintritt (8), ein Gebläsegehäuse (9) und eine

- Außenwandung (10) und eine Innenwandung (11) für den Luftstrom aus dem Gebläse hat,

- Verbindungsarmen (12) zwischen dem Triebwerksgehäuse (2) und dem Gebläsegehäuse (9) und

- einem Träger (13) des Triebwerks (1), der einerseits mit dem Triebwerk und andererseits mit dem Tragwerk (14) verbunden ist, wobei die Vorrichtung derart ist, daß sie umfaßt:

mindestens einen Heißluftanschluß (16) am Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckstufen der Verdichter (3) des Triebwerks (1), einen Kaltluftanschluß (17) hinter dem Gebläse (6) des Triebwerks (1),

- einen Wärmetauscher zur Vorkühlung (18) zwischen Heiß- und Kaltluft und

- Ventile (19) zur Regelung der Luftdurchsätze,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher zur Vorkühlung (18) mindestens einen (12A) der Verbindungsarme (12) zwischen dem Triebwerksgehäuse (2) und dem Gebläsegehäuse (9) umfaßt, wobei der oder die als Wärmetauscher fungierenden Verbindungsarme (12A) eine Hohlstruktur aufweisen, durch die in Längsrichtung mindestens ein Teil der Heißluft aus dem Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckstufen der Verdichter (3) des Triebwerks strömt.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher zur Vorkühlung (18) eine Vielzahl von Verbindungsarmen (12A) hat, die auf mehrere Gruppen verteilt in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind.

3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier dieser Armgruppen (12A) in einem Winkelabstand zueinander von mindestens etwa 90º angeordnet sind.

4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb durch jeden Wärmetauscherarm (12A) ausschließlich vom Triebwerksgehäuse (2) zum Gebläsegehäuse (9) zirkulierende Heißluft aus dem Ausgang der Nieder- und/oder Hochdruckstufen der Triebwerksverdichter (3) strömt.

5. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb durch jeden Wärmetauscherarm (12A) in Längsrichtung der vom Triebwerksgehäuse (2) zum Gebläsegehäuse (9) zirkulierende Heißluftstrom und im Gegenstrom dazu der Kaltluftstrom aus dem Gebläse (6) strömt.

6. Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arm (12A) eine innere Unterteilung (27) hat, in der bei Betrieb der Kaltluftstrom zirkuliert.

7. Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arm (12A) ein Querschnittsprofil hat, das etwa dem Querschnitt eines Flugzeugflügels entspricht, wobei die Unterteilung (27) innerhalb dieses Profils angeordnet ist und einen etwa rautenförmigen Querschnitt aufweist, durch den sich die Wärmeaustauscherfläche vergrößert.

8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine erste Leitung (22) zur Heißluftentnahme im Bereich der Nieder- und/oder Hochdruckverdichter (3) des Triebwerks hat, wobei die Leitung (22) eine erste Abzweigung (22A) zu den als Wärmetauscher fungierenden Armen (12A) und eine zweite Abzweigung (22B) hat, die quer durch das Triebwerk verläuft und zusammen mit der ersten Abzweigung eine zweite Leitung (24) zu den Einsatzmitteln bildet.

9. Triebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abzweigung (22A) verschiedene Stränge (22A.1-22A.4) zu den als Wärmetauscher fungierenden Armgruppen hat, wobei mehrere entsprechende Stränge (23A.1-23A.4) am Ausgang der Arme zu einer Leitung (23) zusammengefaßt werden, die mit der zweiten Leitung (24) verbunden ist.

10. Triebwerk nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten (22A) und/oder in der zweiten (22B) Abzweigung ein Ventil (19) vorgesehen ist, das durch Thermostate (20) gesteuert wird, die in der zweiten Leitung (24) angeordnet sind, um den Heißluftstrom aus den Verdichtern (3) zu regeln.







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