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Dokumentenidentifikation DE102005048019A1 12.04.2007
Titel Verfahren zur Ölversorgung eines Flugzeugtriebwerks
Anmelder Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG, 15827 Dahlewitz, DE
Erfinder Gleeson, Alan, 12101 Berlin, DE;
Pisseloup, Arnaud, 10115 Berlin, DE
Vertreter Hoefer & Partner, 81545 München
DE-Anmeldedatum 06.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048019
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F01M 5/00(2006.01)A, F, I, 20051006, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02C 7/06(2006.01)A, L, I, 20051006, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ölversorgung eines Flugzeugtriebwerks, bei welchem Öl aus einem Öltank 17 über eine Zuführpumpe 2 einzelnen Verbrauchern 22 bis 26 zugeführt wird und von diesen über zumindest eine Rückführleitung 4 in den Öltank 17 zurückgeleitet wird, wobei das Öl in zumindest einen Ölkühler 20 geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zumindest einen Ölkühlers 20 die jeweilige Ölzuführtemperatur zu dem jeweiligen Verbraucher so geregelt/gesteuert wird, dass sich eine im Wesentlichen gleiche Ölaustrittstemperatur der einzelnen Verbraucher ergibt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ölversorgung eines Flugzeugtriebwerks, insbesondere einer Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus dem Stand der Technik sind Ölversorgungsvorrichtungen oder Systeme (OHMS) bekannt, bei welchen die Öltemperatur den Anforderungen entsprechend geregelt oder gesteuert wird. Eine derartige Ausgestaltung wird nachfolgend in Zusammenhang mit 1 beschrieben.

Das Grundprinzip besteht darin, die Wärme, die durch das Flugzeugtriebwerk erzeugt wird, in geeigneter Weise abzuführen, sei es mittels dem Brennstoff des Flugzeugtriebwerks oder mittels Kühlluft. Das Öl zirkuliert mittels einer Ölpumpe, wird durch einen Filter gereinigt und durch zumindest einen Kühler oder Wärmetauscher abgekühlt, bevor es den einzelnen Lagerkammern oder Ähnlichem (Verbrauchern) zugeleitet wird. Die Ölverteilung auf die einzelnen Lagerkammern oder Verbraucher wird üblicherweise durch Drosselelemente oder ähnliches eingestellt. Die Eintrittstemperatur des Öls oder Ölstrahls in den Verbraucher (Lagerkammer) ist deshalb üblicherweise gleich der Auslasttemperatur des Wärmetauschers.

Die unterschiedlichen Verbraucher (Lagerkammern) haben jedoch unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der Schmierung und der Kühlung. Dies ergibt sich aus der Lage der Verbraucher, der Anzahl der drehenden Bauelemente sowie der jeweiligen Dichtungsanordnung.

Die Ölzuführung zu dem Verbraucher erfolgt in Abhängigkeit der in dem Verbraucher erzeugten Wärme. Das Öl wird nach dem Stand der Technik mit einer konstanten Temperatur zugeführt, wobei die Auslasttemperatur des Verbrauchers mittels des durch diesen geförderten Ölvolumens so eingestellt wird, dass die Temperatur unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts bleibt. Dies bedeutet, dass umso mehr Öl einem Verbraucher zugeführt werden muss, je größer die in diesem erzeugte Wärmemenge ist. Diese Vorgehensweise stößt jedoch an technische Grenzen.

Weiterhin ist es erforderlich, die Verweildauer des Öls in dem jeweiligen Verbraucher (Lagerkammer etc.) zu minimieren, um eine übermäßige Ölbewegung zu vermeiden, welche zu mehr Wärmeeintrag in das Öl führt. Dabei muss darauf geachtet werden, das Öl effizient aus dem Verbraucher (Lagerkammer) abzuführen. Dies erfolgt durch eine entsprechende Dimensionierung der Rückführpumpe und durch entsprechende Ausgestaltung der Lagerkammer etc., um die Ableitung des Öls durch Rückführauslässe zu erleichtern. Abhängig von der Dichtungsausgestaltung des Verbrauchers wird die Dichtung üblicherweise mittels eines Ölabscheiders zur Umgebung hin entlüftet.

Bei diesen Entlüftungen ergeben sich jedoch technische Beschränkungen hinsichtlich der Entlüftung selbst und der Dimensionierung der Rücklaufpumpe, da diese die Größe und die Komplexität der gesamten Ölversorgungsvorrichtung beeinflussen. Üblicherweise treten bei Lagerkammern, die am heißen Endbereich des Flugzeugtriebwerks angeordnet sind, hohe Rückführtemperaturen auf. Diese sind üblicherweise 10 bis 20 % höher als der gesamte Temperaturgrenzwert der Ölrückführleitung und werden durch Mischen mit kälterem Rückführöl von dem kälteren, vorderen Endbereich des Flugzeugtriebwerks auf einen geeigneten Grenzwert des Öltyps gesenkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ölversorgung eines Flugzeugtriebwerks zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger und gewichtssparender Ausgestaltung eine Optimierung der Öltemperaturen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass mittels des zumindest einen Ölkühlers die jeweilige Ölzuführtemperatur zu dem jeweiligen Verbraucher so geregelt/gesteuert wird, dass sich eine im Wesentlichen gleiche Ölaustrittstemperatur der einzelnen Verbraucher ergibt.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht somit darin, einen Wärmetauscher als Regelungsmittels/Steuermittel einzusetzen, um die Wärmeverteilung/Wärmeabfuhr/Wärmebelastung der einzelnen Verbraucher (Lagerkammern) zu steuern bzw. zu regeln. Hierdurch wird eine gleichmäßigere Rückführtemperatur des Öls erzielt.

Der Wärmetauscher kann erfindungsgemäß in einzelne Teilbereiche aufgeteilt werden, um in wirksamer Weise Öl zu den einzelnen Lagerkammern (Verbrauchern) zu unterschiedlichen Temperaturen zu fördern, welche sich jeweils aus den Auslasstemperaturen des Ölkühlers ergeben. Das Öl kann somit mit geeigneten Temperaturen rückgeführt werden, so dass sich optimierte Temperaturverläufe in dem gesamten System ergeben.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung resultiert in einer geringeren thermischen Belastung des Öls durch Regelung/Steuerung der maximalen Öltemperatur in den einzelnen Lagerkammern (Verbrauchern). Hierdurch wird die Abhängigkeit der Regelung/Steuerung der Öltemperatur von den hierfür eingesetzten Ölmengen verringert, so wie dies als nachteilig aus dem Stand der Technik bekannt ist. Erfindungsgemäß können somit auch die Dimensionierungen der einzelnen Rückführelemente und der zugeordneten Aggregate minimiert werden, da sich insgesamt ein geringeres Ölvolumen ergibt. Dies reduziert auch die Abmessungen der Entlüftungen der einzelnen Verbraucher, wodurch sich eine bessere Steuerung/Regelung des Dichtungsdrucks der Öldichtungen ergibt.

Die erfindungsgemäß erzielte niedrigere Öltemperatur vermindert weiterhin das Risiko einer Verkokung oder Verbrennung von Öl in dem Verbraucher (Lagerkammer). Diese Problematik ist bei modernen Gasturbinen und deren Zertifizierung ein wichtiger Aspekt.

Die Regelung/Steuerung der gemeinsamen Rücklauftemperaturen ermöglicht es, die gesamte Maximaltemperatur des Öls anzuheben, ohne dass sich hierdurch die günstigen Eigenschaften des Öls oder der baulichen Ausgestaltungen verschlechtern. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers ist proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluiden Öl und Brennstoff/Luft. Deshalb verbessert eine Erhöhung der Grenzwerte der Rücklauftemperaturen den Wirkungsgrad des Wärmetauschers. Dies wiederum beeinflusst in günstiger Weise dessen Größe und Gewicht.

Der Wärmetauscher kann auch für sensitive Bauelemente verwendet werden, welche normalerweise mit einem eigenen integrierten Ölsystem versehen werden müssen, beispielsweise dem Integratet Drive Generator. Hierdurch ermöglicht die Erfindung, zwei Systeme zu kombinieren, wodurch sich das Gewicht und die Komplexität der Ölversorgungsvorrichtung verbessern.

Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, luftgekühlte Wärmetauscher und brennstoffgekühlte Wärmetauscher zu kombinieren, um die Gesamtenergie des Systems abzuführen. Die beiden Wärmetauscher können parallel zueinander angeordnet sein, um eine Spitzenwärmeentwicklung zu kompensieren. Da die Wärmekapazität des Brennstoffs durch das Strömungsvolumen begrenzt wird, welches dem Flugzeugtriebwerk (Turbine) zugeführt wird, ergibt sich erfindungsgemäß eine Optimierung des Wärmeaustauschers mit dem Brennstoff. Somit kann erfindungsgemäß eine Maximierung der Wärmeübertragung auf den Brennstoff und die SFC unter allen Betriebsbedingungen geregelt/gesteuert werden. Durch Aufrechterhaltung der Brennstofftemperatur in einem engeren Temperaturbereich oder auf einem speziellen Wert verbessert auch die Genauigkeit der Brennstoffzumesseinheit (FMU). Der Luftwärmetauscher kann entweder thermostatisch geregelt/gesteuert sein oder mit einer Lufteinlassklappe und einem NACA-Einlass versehen sein. Die modulierte Lufteinlassklappe und der NACA-Einlass führen weiterhin zu geringeren Strömungsverlusten.

Erfindungsgemäß wird somit ein Wärmetauscher verwendet, um das Wärmemanagement der Verbraucher (Lagerkammern) zu steuern/regeln, um eine gleichmäßigere Rücklauftemperatur des Öls zu erzielen. Der Wärmetauscher kann dabei, wie ausgeführt, mit einer Kammer oder mit mehreren Kammern ausgebildet sein, um das Öl, welches den Verbrauchern zuzuführen ist, in Abhängigkeit von der Auslasstemperatur des Wärmetauschers in wirksamer Weise zu regeln/steuern. Der Ölfluss kann sowohl über sein Volumen als auch hinsichtlich seiner Temperatur geregelt/gesteuert werden, um ein ausgeglichenes Wärmemanagementsystem zu erzielen.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, mehrere einzelne Wärmetauscher oder Mehrkammer-Wärmetauscher oder komplexere Systeme einzusetzen. Dabei ist es beispielsweise möglich, das durch den Wärmetauscher durchgeleitete Ölvolumen durch Steuerventile oder Ähnliches zu steuern/regeln, welche die Einlass- bzw. Auslasstemperaturen des Öls berücksichtigen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Ölversorgungssystems nach dem Stand der Technik,

2 eine schematische Darstellung, analog 1, eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß zu verwendenden Ölkühlers.

In den Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Die 1 zeigt eine Ölversorgungsvorrichtung für ein Flugzeugtriebwerk in schematischer Darstellung, wobei lediglich die für die Beschreibung der Erfindung notwendigen Teile und Bauelemente beschrieben sind.

Die Ölversorgungsvorrichtung umfasst eine Zuführleitung 1, welche aus einer nicht dargestellten Ölquelle zu einer nicht dargestellten weiteren Versorgungseinrichtung, beispielsweise Lagern oder Ähnlichem, führt. In der Zuführleitung 1 sind eine Zuführpumpe 2 angeordnet, sowie ein Rückschlagventil 28 und ein Hauptfilter 27.

Mit dem Bezugszeichen 9 sind jeweils Filter gekennzeichnet. Das Bezugszeichen 11 kennzeichnet jeweils ein Druckbegrenzungsventil, so wie es beispielsweise in einer Bypassleitung 10 bzw. 12 vorgesehen ist. Dieser Aufbau entspricht dem Stand der Technik und den üblichen Anforderungen.

Die 1 zeigt weiterhin eine Rückführleitung 4, welche mit einer Rückführpumpe versehen sein kann. Die Rückführleitung 4 dient dazu, Öl von einem Ölabscheider 22 oder Entgaser abzuführen und das Öl über die Rückführleitung 4 in einen Ölvorratsbehälter 17 zu pumpen, aus welchem beispielsweise auch die Zuführleitung 1 gespeist werden kann. Die Rückführleitung 4 ist ebenfalls mit einem Filter 9 versehen.

Aus der Gesamtdarstellung der 1 ist im Einzelnen der Vorratsbehälter 17 (Öltank) sowie ein zugeordneter Öltankentlüfter 18 dargestellt. In diesen mündet eine gemeinsame Rückführleitung 19, welche sich an die Rückführleitung 4 anschließt.

In gestrichelter Linie ist weiterhin eine Öltankentlüftungsleitung 21 dargestellt, welche in den Ölabscheider oder Entgaser 22 (Breather) mündet.

Weiterhin zeigt die 1, dass das durch die Zuführpumpe 2 geförderte Öl von der Zuführleitung 1 in einen Ölkühler 20 mündet und von diesem aus an Baugeräten 23 (AGB, Excessory Gear Box), einer Getriebelagerkammer 24 (IGB, Internal Gear Box) und/oder einer hinteren Lagerkammer 25 (RBC, Rear Bearing Chamber) zugeführt wird. Die jeweiligen Entlüftungsleitungen 26 sind, ebenso wie die Öltankentlüftungsleitung 21, gepunktet dargestellt.

Die 1 zeigt weitere, parallele Leitungen, die jeweils ebenfalls mit einer Pumpe 13 sowie einem Filter 9 versehen sind und in die gemeinsame Rückführleitung 19 münden. Über diese Leitungen wird Öl von Anbaugeräten, einer Getriebelagerkammer und/oder einer hinteren Lagerkammer rückgeführt.

In 1 sind Entlüftungsleitungen als gepunktete Linien dargestellt, während die gestrichelte Linie des Ölkreislaufes um den Wärmetauscher 3 eine Ölströmung mit höherer Temperatur darstellt.

Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Verwendung des Wärmetauschers 20 in dem Gesamtsystem in Verwendung mit einem zusätzlichen luftgekühlten Wärmetauscher 3 vorgesehen.

Die 3 zeigt in schematischer Weise einen erfindungsgemäß zu verwendenden, brennstoffgekühlten Wärmetauscher mit einer Brennstoffeinlassleitung 5, einer Öleinlassleitung 6, einer Brennstoffauslassleitung 7 sowie einer Ölauslassleitung 8. Die Ölauslassleitung 8 dient zur Zuführung von Öl mit höherer Temperatur zu dem kühleren Bereich des Flugzeugstriebwerks, während eine Ölauslassleitung 14 zur Zuführung von Öl mit niedrigerer Temperatur zu dem heißen Endbereich und zu sensitiven Verbrauchern dient. Die Richtung der Ölströmung ist mit dem mit Bezugszeichen 15 versehenen Pfeil dargestellt. Erfindungsgemäß versteht es sich, dass der Wärmetauscher mehrere Kammern (mehr als die zwei in dem Ausführungsbeispiel gezeigten) aufweisen kann oder mit mehreren Ölauslässen versehen sein kann, die auch unterschiedliche Strömungsquerschnitte haben können, um auf diese Weise sowohl die Öltemperatur als auch das Ölvolumen zu steuern/regeln.

1
Zuführleitung
2
Zuführpumpe
3
Ölkühler/Wärmetauscher
4
Rückführleitung
5
Brennstoffeinlassleitung
6
Öleinlassleitung
7
Brennstoffauslassleitung
8
Ölauslassleitung
9
Filter
10
Bypassleitung
11
Druckbegrenzungsventil
12
Druckbegrenzungsleitung
13
Pumpe
14
Ölauslass
15
Ölströmungsrichtung
16
IDS
17
Öltank/Ölvorratsbehälter
18
Öltankentlüfter
19
Gemeinsame Rückführleitung
20
Ölkühler/Wärmetauscher
21
Öltankentlüftungsleitung
22
Ölabscheider (Breather)
23
Anbaugerät
24
Getriebelagerkammer
25
Hintere Lagerkammer
26
Entlüftungsleitung
27
Hauptfilter
28
Rückschlagventil


Anspruch[de]
Verfahren zur Ölversorgung eines Flugzeugtriebwerks, bei welchem Öl aus einem Öltank (17) über eine Zuführpumpe (2) einzelnen Verbrauchern (22 bis 26) zugeführt wird und von diesen über zumindest eine Rückführleitung (4) in den Öltank (17) zurückgeleitet wird, wobei das Öl in zumindest einen Ölkühler (20) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zumindest einen Ölkühlers (20) die jeweilige Ölzuführtemperatur zu dem jeweiligen Verbraucher so geregelt/gesteuert wird, dass sich eine im Wesentlichen gleiche Ölaustrittstemperatur der einzelnen Verbraucher ergibt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Öl mit unterschiedlichen Zuführtemperaturen den jeweiligen Verbrauchern zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ölkühler (20, 3) verwendet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ölkühler mit unterschiedlichen Kühlkreisläufen verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Öltemperatur des Ölsystems gesenkt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ölkühler (20) der Bauart als brennstoffgekühlter Ölkühler verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ölkühler (3) der Bauart als luftgekühlter Ölkühler verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung/Steuerung der Öltemperatur auf der Grundlage der Öltemperatur erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung/Steuerung der Öltemperatur auf der Grundlage des Ölvolumens erfolgt.






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