Wasser- und Abwassersysteme

Transcription

März 2004
Presented by
Hans-Jürgen Heinrich, Dipl.-Phys.
Senior Manager
Engineering
Cabin Supply Systems
Wasser- und Abwassersysteme
Praxis-Seminar Luftfahrt
Wasser- und Abwassersysteme - ECYS
Übersicht
1. Cabin Supply Systems
Vorstellung des Arbeitsbereiches
2. Anforderungen an moderne Kabinensysteme
Was muss bei der Entwicklung berücksichtigt werden?
3. Beispiel eines aktuellen Water/Waste Systems des Airbus A380
© AIRBUS DEUTSCHLAND GmbH. Alle Rechte vorbehalten. Vertrauliches und geschütztes Dokument.
Wie sieht so ein System im Detail aus?
4. Moderne Entwicklungsmethoden
Wie geht man bei der Entwicklung vor?
5. Zukunftstechnologien
Welche Perspektiven gibt es für Weiterentwicklungen?
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Cabin Supply Systems
Potable Water System ATA38
Oxygen System ATA35
C o c k p it
P o r ta b le O x y g e n
E q u ip m e n t
O v e rh e a d
C o n tr o l P a n e l
P a s s e n g e r O x y g e n S y s te m
B le e d /
Vent
V a lv e
Passenger
M a n -O n
S w it c h
P r o te c tiv e
B r e a th in g
E q u ip m e n t
R eset
C re w
ECAM
SCU
Low
P res s u re
S w itc h
C FCU
P re s s u re
R educer
Oxygen
Functional Cluster
API
VSCF
API
AFDX
CAN-Bus
Oxygen
T
Oxygen
S /O
V a lv e
O v e rb o a rd
D is c h a r g e
In d ic a to r
Smart
IMA
IMA
Controller
Architecture
C e n tr a lis e d F lo w
C o n tr o l U n it
CFCU
Oxygen
WB
Low
P re s s u re
S w it c h
F lig h t C r e w
O xygen
S y s te m
Vacuum Toilet/Waste System ATA38
M ask
C o n t a in e r
A l t it u d e
P re ss u re
S w itc h
CM C
Oxygen
•Lav. Equipment
•Galley Equipment
C re w
S u p p ly
Oxygen
Compr
essors
P o r ta b le
O xygen
C y lin d e r
Heating Systems ATA30-7
Vacuum
blowers
Waste
Tanks
WB
Waste Level
Indication
System
Fwd Drainmast Aft Drainmast
•Pipe heating
•Equipment Heating
Waste Panel
•Lav. Equipment
• Floor Panel Heating
• Heated Seats
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F ill
P o rt
Übersicht
1. Aufgaben der „Cabin Supply Systems“
Wozu braucht man diese Systeme?
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Anforderungen / Randbedingungen
Primäre Anforderungen an moderne Kabinensysteme:
• Gewicht
Insbesondere bei Großflugzeugen wie dem Airbus A380 ist das Gewicht ein
zentrales Designkriterium für alle Systeme
• Zuverlässigkeit
Jede „Operational Interruption“ kostet Zeit und Geld und senkt langfristig die
Wettbewerbsfähigkeit
• Kosten
Auch die Entwicklungs-, System- und Betriebskosten spielen eine zentrale Rolle im
Entwicklungsprozess
Darüberhinaus sind auch folgende Aspekte von Bedeutung:
• Gute Wartbarkeit / Servicing
Water Treatment, Wartungs- und Servicing-Schnittstellen
• Customizing
Flexible Architekturen, z.B. CAN-Bus. Anpassung an verschiedene Cabinen-Layouts
Integration optionaler Komponenten (z.B. Duschen, Luftbefeuchter, etc.)
• Gute Bedienbarkeit
Komfortable Schnittstellen für Flight-Crew und Passagiere
• Umfangreiche Funktionalität
Neue Architekturen und Komponenten
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Primäre Anforderung: Gewicht
Beispielhaft dazu ein paar Zahlen:
Das maximale Abfluggewicht einer A380 beträgt ca. 560 Tonnen
(Leergewicht 276 Tonnen)
Die Komponenten des gesamte Frischwassersystem (inklusive Tanks, Kompressoren,
etc.) dürfen dabei zusammen ca. 145 kg wiegen.
Ein Frischwassertank mit 300 Liter Inhalt, der u.a. einen Überdruck von über 8 bar
aushalten muss, wiegt nur ca. 13kg.
An Board einer A380 werden sich ca. 2000 Liter Frischwasser befinden.
Alle Komponenten müssen gewichtsoptimiert entwickelt werden
Alle Einsparpotentiale müssen genutzt werden
(z.B. Reduzierung des Wasserverbrauchs)
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Anforderungen: Weitere Aspekte
Neue Konzepte werden zur Bewältigung steigender Funktionalität und
Komplexität benötigt:
Steigende Anzahl an Passagieren:
A380-Familie:
Layouts mit mehr als
550 Plätzen
Typisches A380-Layout
Flexible Kabinen-Layouts
Neue optionale Systeme (z.B. Duschen, Luftbefeuchter, etc.)
Mehr Funktionalität gefordert durch Airlines (z.B. Fehlermeldung zum Boden)
Neue Anforderungen, Vorschriften, Standards etc.
Etc..
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Übersicht
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Gesamtübersicht (Wasser & Abwasser)
Zulaufventil
Controller
A380
Ablaufventil
CAN-Bus
CAN-Bus
Abwassersystem
Frischwassersystem
Frischwassertank
Frischwassertank
Sensoren
Sensoren
Fill-DrainVentil
Kompressor
Wasseraufbereitung
Abwassertank
Vakuumgenerator
Ablassventil
Flugzeugrumpf
Service-Panel
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Flexible elektrische Architektur
MCI
VG
LLS
HAPS
WFCU
CIDS director
MCI
VG
LLS
HAPS
AAPS
MPI
TA
CAN#1
…
MPI
GWDU
AAPS
SCU
MPI
TA
GWDU
WFCU
Main Deck Left Hand
(MD/LH)
CAN#2
PWACMC
PWHDCU
CAN#3
FWD
AFT
LD
PWLS
SOV
PWIP
HUMSOV
WSOV
SCU
Other
Systems
/
Indications
Data-Transfer
WFCU
MCI
VG
LLS
HAPS
AAPS
MPI
TA
CAN#4
…
MPI
GWDU
SCU
Upper Deck Left Hand
Motor Controller Interface
Vacuum Generator
Liquid Level Sensor
Hydrostatic Absolute Pressure
Sensor
Ambient Absolute Pressure
Sensor
Multi Purpose Interface
Toilet Assembly
Galley Waste Disposal Unit
Water Faucet Control Unit
Potbale Water Air Compressor
Motor Controller
Potable Water Heating and
Disinfection Control Unit
Forward
After
Lower Deck
Potable Water Level Sensor
Shut-off Valve
Potable Water Indication Pane
Humidifier Shut-off Valve
Water Shut-Off Valve
Shower Control Unit
(UD/RH)
Basis
Option
FWD LD
Drain Valve
FWD LD
Drain Valve
PWACMC 1
PWACMC 2
PWLS1
PWHDCU
Depress
SOV
CAN#5
HUMSOV1
HUMDR1
WSOV1
PWIP
CAN#6
FWD
Drain Valve
AFT
Drain Valve
Fill/Drain
Valve
PWLS2
WSOV5
HUMSOV8
HUMDR8
CAN#7 (opt.)
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© AIRBUS DEUTSCHLAND GmbH. Alle Rechte vorbehalten. Vertrauliches und ges chütztes Dokument.
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3
3
3/ 3
Jan 15 2003
01:36
Cruise Fault: (Cabin Comfort)
LAV16 Flush Valve Inop
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Seite 12
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Seite 13
Potable Water Indication Panel
•
•
•
•
•
•
•
•
Steuerung der Befüllungsprozedur
Anzeige von Fehlern
Anzeige der Systemstati
Desinfektionsauslösung
Füllstandsberechnung basierend auf
Tankkonfiguration und -geometrie
Einleitung der Depressfunktion
Zukünftig: Voreinstellung der FrischwasserBefüllmenge während des Flugs vom Boden
aus.
Ermittlung der Systemstati und Senden auf
CAN-Bus an andere Controller
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Potable Water Treatment Module
• Kontinuierliche Wasseraufbereitung:
Temperaturregelung
zum Schutz gegen Einfrieren
Schutz gegen Verkalkung
Chlorierung zur Desinfektion
Reduzierung von Desinfektionsprozeduren
• Wartungs-Desinfektionsprozedur:
Desinfektion
aller Rohre, Toiletten,
Wasserhähne, Luftbefeuchter, etc.
Komplexe,
verteilte Steuerung: ca.
60 Mikrocontroller an 6 CAN-Bussen
beteiligt.
Automatiserter
Ablauf mit geringen
manuellen Anteilen.
Deutlich reduzierter Wartungsaufwand
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Reduzierung des Frischwasserverbrauchs
Handwaschbecken mit Infarotsensor
Schnelle
Wasserabschaltung bei
Nichtgebrauch
Weiterentwickelte Toiletten
Unterscheidung
zwischen
langem und kurzem Spülen
(low water consumption)
Technische Weiterentwicklungen zur Betriebskostensenkung
(Wassereinsparungen über 250 Liter werden erreicht)
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Seite 16
Tank Installation
FWD Drain Mast
AFT Drain Mast
Potable Water Tanks
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Seite 17
Tank Installation
FWD Drain Mast
AFT Drain Mast
Criteria for development &
integration
Common
equipment/parts
………….
Reliability
Structural integr.
Installation space
Top view
Design to
manufacturing
Waste Tanks/ Vacuum Generation equipment
Maintainability
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Seite 18
Galley Insert Equipment
Galley Insert Equipment
Main Equipment
Beverage Maker
Coffee Maker
Espresso Machine
Specific Equipment
Hot Cup/Hot Jug
Remote Water Boiler
Water Cooler
Water Boiler/Water Heater
Ovens
Convection Oven
Post-Mix Beverage Cart
Bun Warmer/Warming Oven
Rice Cooker
Steam Oven
Microwave Oven
Refrigeration Equipment
Toaster
Skillet/Pan
New Equipment (not at the market)
Conventional Wine Chiller
Refrigerator
Freezer
Wine Chiller connected with Potable Water System
Multifunctional Self Service Beverage Maker
Induction Oven
Ice Cube Maker
Dish Washer
Others
Galley Waste Disposal Unit
Conventional Trash Compactor
Glass Washer
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Seite 19
Übersicht
März 2004
Seite 20
Entwicklungs- und Testkonzepte
Sinkende Entwicklungzeiten, steigende Komplexität und
Customization erfordern moderne Entwicklungsmethoden:
Pilotprojekte
in der Abteilung Water/Waste für die
Entwicklung und Anwendung neuer Engineering- und
Testmethoden:
– Requirement based engineering (Formale Spezifikationen)
• Requirement engineering im V-Modell
– Simulationsmodelle zur Entwicklung und zum Testen
• Simulationsmodelle für (turbulente) Strömungen, Wärmeverteilung/•
•
austausch
Ein- und Mehrphasenmodele
Entwicklungs- und Testmodelle für control und monitoring
– Automatisiertes Testen und Auswerten
• Testmethoden für Modul-, Integrations- und Flighttests
• Smart Testcontroller
• Systematisches Testen und Auswerten
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Seite 21
V-Modell
SYSTEM UNDER TEST
ARINC 429
VSC
Ground-Tests Flight-Tests
PWCU
Break-Out
CAN
Break-Out
CAN
CAN
CMC
MCDU
CIDS
AIDRU
FAP
...
Test/Verification
Environment
Simulation
Equipment /
Prototypes
StateModel
Laboratory-Tests
TLSRD
Analysis
Certification
SRD
Systemarchitecture
Reviews
Systemspecification
Documents
Incremental
SystemIntegration
SDD
…
Components
Simulation
Stimulation
Experience
ABD100
Simulation
ABD200
Systemdefinition
PTS
Evaluation
Visualization
Documentation
SES
Supplier
Verification of
Product against PTS
and SES
Qualification
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Teststand Wassersystem A380
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Seite 23
Lean Development Cabin Supply Systems
Verifikation auf der Systemebene
Flight Test Phase:
–
gel
Orginal equipment & piping available
Close to reality component, function
and system verification
Investigation of longterm behaviour by
using FSDU to simulate pax
Teststand:
Orginal equipment & piping
available
Close to reality component,
function and system verification
Investigation of longterm
behaviour by accumulation
„virtuell“ FH
permanent comparison/adjustment
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Seite 24
Integrationstests
ENVIRONMENT FOR TEST AND INTEGRATION
Visualization
State-Model
Documentation
Interaction
ARINC 429
Evaluation
Simulation
Stimulation
VSC
CAN
PWCU
Break-Out
CAN
CMC
MCDU
CIDS
ADIRU
FAP
...
SYSTEM UNDER TEST
CAN
Test
Automation
DATA
Break-Out
A/C-Interface
Simulation
Equipment / Prototypes
Kontinuierliche Verbesserung der eigenen Prozesse
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Seite 25
Requirement Based Engineering mit RTM
V&V reports,...
Traceability matrix
Multi-view analysis
Teamwork analysis
multi-system analysis
V&V reports,...
Specific reports
Monitoring
Prog reqsRTM
Document generator
SRD, PTS
Traceability matrix
Multi-view analysis
Teamwork analysis
Specific reports
RTM
V&V reports,...
Monitoring
A/C reqs
RTM
Traceability matrix
Multi-view analysis
Teamwork analysis
Specific reports
Monitoring
SRD, PTS, simple specific reports
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Seite 26
Policy
for Requirement
Based
Engineering
in A380
Programme
Policy
for Requirement
Engineering
in A380
Programme
What is Requirement Based Engineering ?
THE ENGINEERING V CYCLE
Requirement Based Engineering is totally embedded in the V&V Process
Requirement
Based
Engineering
Validation of Product :
Check Product against
Top Level Requirements/ User Needs
USER
NEEDS
VALIDATED
END
PRODUCT
TOP LEVEL
REQUIREMENTS
DESIGN
ACTIVITY
Validation of Requirement :
Check Requirements are
correct, complete against
upper level requirements
Implementation Verification :
Check Product/ Design
against Requirements
PRODUCT UNDER
INTEGRATION
REQUIREMENTS
DESIGN
ACTIVITY
Validation
& Verification
DESIGNED
SOLUTION
= PRODUCT
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Seite 27
1D Flow Simulation Potable Water System
• For system definition:
Pressurization
procedure
Pipe design & sizing
20
Flow Rate [l/ min]
18
– Pressure loss to consumers
– Fill / drain times
5000
Pressure rise [mbar]
4500
16
14
12
10
8
6
4
2
4000
0
3500
0
3000
2
4
compr. perf.
40 psig limit
2500
2000
6
8
10
Diameter [mm]
1500
1000
Pipe sizing
500
0
0
200
400
600
800
1000
1200
6
Time [s]
Pipe UD
9
Valve UD
7
Consumer UD
Ambient UD
Ambient
Pressurization
Pressurization
4
1
5
2
Compressor
Pipe 0
Tank
3
Pipe 1
10
Pipe MD
8
Valve MD
11
Consumer MD
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Ambient MD
Seite 28
12
1D Flow Simulation Waste System
0.18
• Vacuum generation:
0.16
Blower
Mass Flow Rate [kg/ s]
sizing
Tank pressure vs. time
0.14
0.12
0.1
Toilet 1
0.08
Blower
0.06
0.04
cabin pressure
0.02
18
Vacuum System Network
0
0
2
4
6
8
10
17
ambient pressure
1
T1
initialize waste tank pressure
ambient pressure
10
3
15
1050
38
9
2
Time [s]
Blower at
full
speed
1100
13
39
14
4
7
8
11
5
filter
6
waste tank
12
Tank Pressure [mbar]
16
1000
Flush valve closed
950
900
850
800
750
Flush valve open
check valve
700
0
2
4
6
8
10
Time [s]
März 2004
Seite 29
CFD Application
• Example: Tank sloshing
Sensor
position
Sensor filter time
Eigenfrequency sloshing
• CFD-Model generation & verification
• CFD-Model application:
März 2004
Seite 30
Übersicht
März 2004
Seite 31
Zukunftstechnologien
Entwicklung völlig neuer Technologien für das Flugzeug
Zusammenarbeit
mit Universitäten, Forschungseinrichtungen
und Zulieferindustrie
Neue Standards für Passagierflugzeuge
Langfristige Forschungprojekte
Beispiele:
– OBOWAGS: On Board Water Generation System
– Grauwasseraufbereitung
– Warmwasseraufbereitung
– Desinfektion
– V&V-Methoden
– etc.
März 2004
Seite 32
Wasser- Rezirkulation
Gewichtsreduzierung durch Wasseraufbereitung
März 2004
Seite 33
Wasser aus der Brennstoffzelle
Einfacher Systemaufbau auf Wasserstoffbasis (Beispiel)
März 2004
Seite 34
Brennstoffzellen – Stand der Technik
Kommerzielles PEMFC-System
(250 kW Ballard Brennstoffzelle für Busse)
Erstes OBOWAGS Modul
(3-Zeller Versuchsaufbau von
ZSW
und aktuelles System:
5 l/h – 10 kWel PEMFC System)
März 2004
Seite 35
Voraussichtliche OBOWAGS Entwicklungsstufen
März 2004
Seite 36
Wasser- und Wärmemanagement
Nutzung der Brennstoffzellen-Abwärme im Wassersystem
März 2004
Seite 37
Vorschau auf 2007: 50 l/h Demonstrator
Demonstratorkonzept für das Luftfahrtforschungsprogramm
März 2004
Seite 38
Die Ferne Zukunft: TURBIWAGS
Turbine Integrated On Board Water Generation System
The Idea:
Idea: A High Temperature Fuel Cell will replace the Combustion Chambers of the A/C
A/C--Engine
15 a
16
Filtration Unit
13
14 b
Condensate
Condenser
Potable Water
3
Fuel
15 b
Filtration Unit
31
30
Compressor - 1. Stage
Fan
3a
Evaporator
33
High Pressure Turbine
4a
Air Inlet
4b
Exhaust
34
Low Pressure Turbine
5
1
Steam
32
14 a
6
Compressor - 2nd. Stage
Evaporator
Slave-Turbine
7
8
Heat Exchanger
Fuel Compressor
High
Temperature
Fuel Cell
März 2004
Seite 39
Entwicklungspotentiale
0,3t
4,7 t
?
März 2004
Seite 40
Zusammenfassung
Stetig steigende Anforderung in bezug auf Gewicht, Kosten,
Zuverlässigkeit, Flexibilität und Funktionalität
Neue Architekturen und Technologien zur Bewältigung
steigender Komplexität.
Flexibel ausgelegtes Basissystem zum Customizing
Ergonomische Human-Machine-Interfaces für die Flightcrew
Technische Weiterentwicklungen zur Betriebskostensenkung
Kontinuierliche Verbesserung der Entwicklungsprozesse
Zukunftstechnologien als Innovationsmotor
„Kabine und Customizing sind Kerngeschäft von Airbus. Nach
der Revolution im Cockpit ist jetzt die Revolution in der
Kabine dran. Die Kabine ist der Bereich, in dem sich die
Airlines im Wettbewerb am ehesten voneinander
unterscheiden können.“, G. Blanc, 16.03.04
März 2004
Seite 41

Wasser- und Abwassersysteme

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