КОНТУР ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ТУРБОМАШИНЕ
FLUID MEDIUM LOOP IN THE TURBOMACHINE

Изобретение относится к устройству управления подачей текучей среды в агрегат, такой как теплообменник, расположенный, например, в турбомашине.
Как известно, турбомашина содержит масляный контур для смазки маслом устройств, в частности опорных подшипников или зубчатых передач, а также содержит топливный контур, питающий форсунки, установленные в камере сгорания.
Как известно, масляный и топливный контуры соединены между собой через теплообменники, чтобы избегать перегрева смазочного масла, при этом масло охлаждается за счет теплообмена с топливом.
Для этого используют главный теплообменник масло/топливо, расположенный в масляном и топливном контурах на выходе или на входе теплообменника масло/воздух, установленного в масляном контуре. Теплообменник масло/воздух обдувается воздушным потоком, поступающим снаружи турбомашины.
Теплообменник масло/воздух предназначен для охлаждения масла, когда при некоторых рабочих точках турбомашины теплообменник масло/топливо не обеспечивает достаточного охлаждения масла.
Вместе с тем нежелательно, чтобы теплообменник масло/воздух работал непрерывно в течение всей фазы использования турбомашины.
Действительно, во время фазы взлета в холодных условиях работы, которые могут привести к образованию льда в топливе, желательно, чтобы масло нагревало топливо через главный теплообменник масло/топливо, и в этом случае масло не должно проходить через теплообменник масло/воздух, чтобы не охлаждаться. Точно так же во время фазы полета на крейсерской скорости температура масла не должна опускаться ниже порогового значения, чтобы избегать задержки масла в полостях турбомашины. Таким образом, в этой конфигурации масло не должно циркулировать в теплообменнике масло/воздух, чтобы избегать понижения его температуры ниже порогового значения.
Для управления воздушным потоком, проходящим через теплообменник масло/воздух, как известно, используют заслонку для перекрывания подачи воздуха в этот теплообменник, которой управляют электрически при помощи силового цилиндра в зависимости от температуры масла, измеряемой датчиком. Хотя это решение является эффективным, оно требует установки силового цилиндра и прокладки электрического канала управления силовым цилиндром, связанного с электронно-цифровой системой управления двигателем с полной ответственностью (известной под английском сокращением FADEC или «Full Authority Digital Engine Control»), что отрицательно сказывается на массе и габаритных размерах турбомашины. Кроме того, в некоторых типах двигателей теплообменник масло/воздух устанавливают во вторичном воздушном тракте вокруг двигателя, и добавление заслонки во вторичном воздушном тракте может привести к большой потере напора, что влечет за собой недопустимое увеличение расхода топлива.
Известно также решение, согласно которому в отводном трубопроводе на входе теплообменника устанавливают термостатический клапан. В закрытом состоянии клапана весь поток масла полностью проходит в теплообменник масло/воздух, а в открытом состоянии клапана поток масла распределяется между теплообменником масло/воздух и отводным трубопроводом. В варианте выполнения клапан содержит воск, который при низкой температуре находится в твердом состоянии. Таким образом, при повышении температуры воск становится жидким, и клапан закрывается, а когда температура опять понижается, воск опять затвердевает, и клапан открывается. Состав воска определяет температуру открывания/закрывания клапана.
Конфигурация этого типа не позволяет полностью останавливать циркуляцию масла через теплообменник масло/воздух. Кроме того, такой клапан не выдерживает большого числа циклов открывания/закрывания. Поэтому, чтобы ограничить число циклов открывания/закрывания клапана, им управляют таким образом, чтобы он оставался закрытым при всех фазах работы, за исключением тех, когда температура масла является самой низкой и соответствует исключительно холодным внешним условиям. Однако, как оказалось, при промежуточных температурах, когда масло считается холодным, клапан закрыт, масло охлаждается и может охладиться ниже допустимой пороговой температуры, при которой наблюдается задержка масла в полостях турбомашины. Если увеличить пороговую температуру открывания/закрывания клапана, то одновременно увеличивается число циклов открывания/закрывания, так как существует много фаз полета, когда топливо может в достаточной степени охлаждать или нагревать масло через теплообменник масло/топливо, чтобы масло достигало пороговой температуры. В результате этого снижается надежность клапана.
Наконец, известно решение, в котором в трубопроводе отвода от теплообменника масло/воздух устанавливают гидравлический клапан, выполненный с возможностью открывания отводного трубопровода при заданной разности давления, соответствующей данной потере напора в теплообменнике масло/воздух.
В этом решении, как и в решении с применением термостатического клапана, поток масла не полностью проходит в отводной трубопровод при открытом клапане, что способствует большему или меньшему, но постоянному охлаждению масла масляного контура во всех рабочих фазах. Кроме того, для обеспечения отвода потока текучей среды при промежуточных температурах необходимо, чтобы порог давления был относительно высоким, что приводит к открытому положению клапана во многих рабочих условиях.
В случае, когда увеличение давления связано с большим расходом масла или с низкой температурой масла, повышающей его вязкость и, следовательно, давление на входе теплообменника масло/воздух, открывание клапана приведет к уменьшению потери напора в теплообменнике масло/воздух, что повлечет за собой повторное закрывание клапана. В результате работа клапана оказывается неустойчивой, что делает невозможным его использование для надежного управления отводом потока масла.
В заявках FR 2951228, FR 1061138 и FR 1157953, поданных на имя заявителя, описаны архитектуры масляных и топливных контуров в турбомашине.
Изобретение призвано предложить простое, экономичное и эффективное решение вышеупомянутых проблем, позволяющее устранить недостатки известных решений.
В связи с этим объектом изобретения является устройство управления подачей текучей среды в агрегат, такой как теплообменник, содержащее распределитель текучей среды, установленный в контуре текучей среды и содержащий золотник, перемещающийся между двумя положениями, в первом из которых он обеспечивает циркуляцию текучей среды в агрегате, а во втором препятствует циркуляции текучей среды в агрегате, отличающееся тем, что в контуре текучей среды на входе распределителя выполнено сужение с ламинарным потоком, и тем, что оно содержит средства перемещения золотника распределителя текучей среды между его двумя положениями за счет потери напора текучей среды в сужении с ламинарным потоком.
Согласно изобретению, проходящий через агрегат поток масла может быть полностью остановлен, что позволяет избежать его охлаждения в холодных условиях работы, когда охлаждение масла нежелательно. Кроме того, управление перемещением золотника происходит за счет потери напора, то есть за счет разности давления между входом и выходом ламинарного сужения, которое находится на входе распределителя и в котором проходит весь поток масла, что делает положение золотника нечувствительным к потерям напора в агрегате в отличие от известного решения с использованием гидравлического клапана.
При использовании сужения в ламинарном режиме потеря напора, измеряемая между входом и выходом сужения, одновременно зависит от расхода текучей среды и от температуры текучей среды в отличие от сужения, работающего в турбулентном режиме, когда потеря напора зависит только от расхода.
В холодных условиях низкая температура текучей среды, проходящей через ламинарное сужение, приводит к большой потере напора, что позволяет переместить золотник в его второе положение, препятствующее циркуляции текучей среды в агрегате.
Повышение температуры текучей среды приводит к уменьшению потери напора в ламинарном сужении и к перемещению золотника в его первое положение, открывающее циркуляцию текучей среды в агрегате.
Точно так же в случае увеличения расхода масла потеря напора в ламинарном сужении увеличивается, что позволяет перевести золотник в его второе положение.
Когда золотник находится в своем втором положении, это делает возможной циркуляцию текучей среды в отводном трубопроводе агрегата.
Согласно варианту выполнения изобретения, средства перемещения содержат две камеры, разделенные золотником, одна из которых находится в сообщении по текучей среде с входом ламинарного сужения, а другая находится в сообщении по текучей среде с выходом ламинарного сужения, при этом средства перемещения дополнительно содержат возвратные средства, выполненные с возможностью перевода золотника в его первое положение, когда разность давления между входом и выходом ламинарного сужения становится меньше заранее определенного порога.
В этом варианте выполнения потеря напора в ламинарном сужении напрямую управляет перемещением золотника благодаря использованию возвратных средств, калибровка которых позволяет определить порог потери напора, начиная с которого золотник переходит между первым и вторым положениями.
Предпочтительно распределитель содержит, по меньшей мере, один выход текучей среды, соединенный с отводным трубопроводом агрегата, при этом золотник распределителя обеспечивает циркуляцию текучей среды в отводной трубопровод, когда золотник находится в своем втором положении, и препятствует циркуляции текучей среды в отводной трубопровод, когда золотник находится в своем первом положении.
Этот отводной трубопровод позволяет продолжить питание текучей средой других агрегатов, когда золотник блокирует циркуляцию текучей среды в направлении вышеуказанного агрегата.
На практике распределитель содержит первый и второй выходы, при этом первый выход служит для подачи текучей среды в агрегат, когда золотник находится в своем первом положении, а второй выход служит для отвода текучей среды в отводной трубопровод, когда золотник находится в своем втором положении.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, отводной трубопровод встроен в опору агрегата и, по меньшей мере, частично проходит в непосредственной близости от агрегата для передачи тепла между отводным трубопроводом и агрегатом через опору.
Эта конструкция представляет особый интерес, когда текучей средой является воздух, а агрегатом является теплообменник масло/воздух. Действительно, когда золотник находится в своем втором положении, отводной трубопровод обеспечивает нагрев масла за счет теплопроводности в теплообменнике масло/воздух, что позволяет избегать застаивания охлаждаемого воздухом масла и образования пробки, которая может закупорить теплообменник масло/воздух и заблокировать циркуляцию масла, когда золотник переместится в свое первое положение.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, устройство содержит клапан избыточного давления, установленный в канале, соединяющем вход распределителя с выходом агрегата, причем этот клапан выполнен с возможностью обеспечения циркуляции текучей среды в канале, когда потеря напора в агрегате превышает заранее определенный порог.
Таким образом, в случае блокировки золотника, например при заклинивании или в случае перекрывания циркуляции текучей среды в агрегате по причине образования пробки из холодного масла или, например, из загрязнений, клапан избыточного давления обеспечивает непрерывность циркуляции текучей среды на выходе агрегата.
В частном варианте выполнения изобретения средства возврата золотника содержат пружину сжатия, находящуюся в камере, которая связана с выходом ламинарного сужения, между одной стороной золотника и стенкой дна упомянутой камеры.
Предпочтительно ламинарное сужение образовано трубкой с шероховатой внутренней поверхностью для увеличения трения между периферическими слоями ламинарного потока текучей среды и внутренней стенкой трубки.
a
a
В идеале внутренняя поверхность трубки имеет шероховатость, определенную значением R около 15 мкм с точностью +/-5%. Следует отметить, что в уровне техники считается, что значения R достаточно для указания шероховатости трубопровода.
Предпочтительно ламинарное сужение образовано трубкой, длина которой превышает ее диаметр.
Например, трубка может иметь длину порядка 30 см с точностью +/-1,5% и диаметр порядка 8,15 мм с точностью +/-1,5%.
Увеличение шероховатости внутренней поверхности трубки и/или размерности трубки по длине позволяет получать больше трения внутри текучей среды с ламинарным потоком, что усиливает потерю напора в ламинарном сужении, в частности, когда текучая среда имеет высокую вязкость.
Объектом изобретения является также турбомашина, такая как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, содержащая, по меньшей мере, одно описанное выше устройство, в котором текучей средой является масло, а агрегатом является теплообменник масло/воздух, установленный на входе теплообменника масло/топливо.
Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематичный вид в перспективе известной турбомашины;
фиг. 2 - частичный схематичный вид известного масляного контура;
фиг. 3 - схематичный вид устройства в соответствии с изобретением.
Как известно, турбомашина 10 содержит камеру 12 сгорания, при этом газы, выходящие из камеры 12, вращают турбину 14 высокого давления и турбину 16 низкого давления. Турбина 14 высокого давления связана через вал с компрессором высокого давления, находящимся на входе камеры 12 сгорания и питающим ее сжатым воздухом. Турбина 16 низкого давления связана через другой вал с вентилятором 18, находящимся на переднем конце турбомашины 10.
Трансмиссионная коробка 20 или коробка агрегатов связана через устройство 22 отбора механической мощности с валом турбины высокого давления и содержит набор шестерен, вращающих различные агрегаты турбомашины, такие как насосы и генераторы, в частности электрические генераторы.
На фиг. 2 показан масляный контур турбомашины, показанной на фиг. 1.
Масляный контур 24 содержит от входа к выходу в направлении потока масла различные узлы 26, использующие масло для смазки и/или для охлаждения, рециркуляционные насосы 28, обеспечивающие рециркуляцию масла из агрегата в резервуар 30, питающие насосы 32 и фильтр 33.
Кроме масла, используемого для смазки и охлаждения турбомашины, в частности опорных подшипников турбинных валов и компрессоров, общий поток масла может включать в себя масло, используемое для смазки коробки 20 агрегатов и для смазки и охлаждения одного или нескольких электрических генераторов.
Масляный контур содержит три теплообменника, последовательно установленных между фильтром 33 и узлами 26, а именно главный теплообменник 34 масло/топливо, вспомогательный теплообменник 36 масло/топливо и теплообменник 38 масло/воздух.
Таким образом, во время работы на выходе питающих насосов 32 масло проходит через теплообменник 38 масло/воздух, вспомогательный теплообменник 36 масло/топливо и затем через главный теплообменник 34 масло/топливо. К теплообменнику 38 масло/воздух в масляном контуре подсоединен отводной трубопровод 40, содержащий вход, расположенный между выходом фильтра 33 и входом теплообменника 38 масло/воздух, и выход, расположенный между выходом теплообменника 38 масло/воздух и входом вспомогательного теплообменника 36 масло/топливо. В отводном трубопроводе установлен гидравлический клапан 42, управляющий прохождением масляного потока в теплообменник 38 масло/воздух или через отводной трубопровод 40 и теплообменник 38 масло/воздух. Затем масло, выходящее из главного теплообменника 34 масло/топливо, проходит в направлении масляного резервуара 30.
Теплообменник 38 масло/воздух может быть теплообменником с поверхностным охлаждением, то есть может содержать масляные трубопроводы, обдуваемые холодным воздушным потоком, поступающим из обводного воздушного потока турбомашины, называемого также вторичным воздушным потоком. Такой теплообменник установлен, например, на стенке канала вторичного потока сразу после вентилятора 18 (фиг. 1).
Теплообменник 38 масло/воздух может быть также пластинчатым теплообменником воздух/масло, через который проходит воздушный поток, отбираемый из вторичного воздушного потока и возвращающийся в него на выходе.
Как было указано выше, в холодных условиях работы клапан открывается для прохождения масла через отводной трубопровод 40. Однако в теплообменник 38 масло/воздух продолжает поступать масло, что способствует еще большему охлаждению масла. Кроме того, как было указано выше, клапан этого типа может характеризоваться нестабильной работой.
Изобретение предлагает решение этих, а также указанных ранее проблем за счет выполнения ламинарного сужения 44 на входе устройства 46 распределения текучей среды в сторону теплообменника 48 масло/воздух и посредством управления открыванием или перекрыванием подачи масла в теплообменник масло/воздух за счет потери напора в ламинарном сужении, причем эта потеря напора зависит от расхода и температуры масла.
На фиг. 3 представлено заявленное устройство управления подачей текучей среды в теплообменник масло/воздух.
Это устройство содержит распределитель 46, имеющий полый корпус 50, такой как цилиндр, в котором с возможностью перемещения скольжением установлен золотник 52, герметично разделяющий первую камеру 54 и вторую камеру 56. Вход ламинарного сужения 44 находится в сообщении по текучей среде с первой камерой 54, а его выход находится в сообщении по текучей среде со второй камерой 56, расположенной противоположно первой камере 54 относительно золотника 52.
Золотник 52 имеет две выемки или щели 56, 58, отстоящие друг от друга в осевом направлении вдоль оси перемещения золотника 52. Первая выемка 56 золотника 52 предназначена для соединения первого входного трубопровода 60 и первого выходного трубопровода 62. Вторая выемка 58 предназначена для соединения второго входного трубопровода 64 и второго выходного трубопровода 66.
Теплообменник 48 масло/воздух установлен в первом выходном трубопроводе 62 распределителя 46. Второй выходной трубопровод 66 образует отводной трубопровод теплообменника 48 масло/воздух, подсоединенный на выходе теплообменника 48 масло/воздух.
Ширину каждой выемки 56, 58 определяют таким образом, чтобы обеспечивать циркуляцию масла между соответствующими входными 60, 64 и выходными 62, 66 трубопроводами. Кроме того, расстояние между выемками 56, 58 золотника определяют таким образом, чтобы в первом положении (фиг. 3) первый входной трубопровод сообщался через первую выемку 56 с первым выходным трубопроводом 62, при этом сообщение по текучей среде между вторым входным трубопроводом 64 и вторым выходным или отводным трубопроводом 66 блокируется стенкой золотника 52, и чтобы во втором положении второй входной трубопровод 64 сообщался через вторую выемку 58 с вторым выходным или отводным трубопроводом 66, при этом сообщение по текучей среде между первым входным трубопроводом 60 и первым выходным трубопроводом 62 блокируется стенкой золотника 52.
Во второй камере 56, соединенной с выходом ламинарного сужения 44, между одной стороной золотника 52 и стенкой дна второй камеры 56 установлена пружина 68 сжатия для создания силы, стремящейся переместить золотник 52 в направлении увеличения объема второй камеры 56.
Сжатие пружины 68 определяют таким образом, чтобы обеспечивать перемещение золотника в первое положение, когда разность давления между входом и выходом ламинарного сужения оказывается меньше заранее определенного порога. Когда разность давления между входом и выходом ламинарного сужения 44 превышает этот порог, сумма сил, действующих со стороны пружины на золотник и со стороны масла во второй камере 56, становится меньше силы, создаваемой маслом в первой камере 54, что приводит к перемещению золотника 52 в его второе положение.
Таким образом, понятно, что разность давления, при которой золотник должен переходить из своего первого положения в свое второе положение, определяется калибровкой пружины, а также площадями поверхностей 55, 57 золотника 52, на которые действует давление масла.
Устройство содержит также клапан 70 избыточного давления, установленный в канале 72, связывающем вход распределителя 46 с выходом теплообменника 48 масло/топливо. Клапан 70 выполнен с возможностью пропускания текучей среды в канал 72, когда давление на входе клапана 70 превышает заранее определенный порог. Этот порог может быть достигнут в случае блокировки золотника 52, например, при заклинивании или при образовании пробки из вязкого холодного масла в теплообменнике 48 масло/воздух.
Устройство в соответствии с изобретением можно установить в картере 74. Для этого отводной трубопровод 66 и теплообменник 48 масло/воздух интегрируют в картер 74.
Отводной трубопровод 66 теплообменника 48 масло/воздух содержит, по меньшей мере, одну часть 76, которая расположена в непосредственной близости от теплообменника 48 масло/воздух для обеспечения теплообмена за счет теплопроводности в материале картера.
Когда золотник 52 находится в своем втором положении, перекрывающем циркуляцию масла в теплообменник 48 масло/воздух, масло, присутствующее в теплообменнике масло/воздух, продолжает охлаждаться воздухом и может образовать масляную пробку, блокирующую циркуляцию масла в теплообменнике 48 масло/воздух, когда золотник 52 переходит в свое первое положение. Трубопровод 76, находящийся в непосредственной близости от теплообменника 48 масло/воздух, позволяет подогревать масло, застаивающееся в теплообменнике 48 масло/воздух.
Устройство в соответствии с изобретением интегрировано, например, в масляный контур, показанный на фиг. 2, между выходом фильтра 33 и входом вспомогательного теплообменника 36 масло/топливо и заменяет теплообменник 38 масло/воздух, отводной трубопровод 40 и клапан 42, описанные со ссылками на фиг. 2.
С учетом использования ламинарного сужения 44 на входе распределителя потеря напора в сужении 44 одновременно зависит от расхода масла в сужении и от температуры масла.
Расход получают при помощи следующего отношения:
,
где Q - расход в ламинарном сужении 44 в л/ч,
ks - коэффициент потери напора в сужении 44, который зависит от состояния поверхности и от геометрии (длина, диаметр) ламинарного сужения 44. Этот коэффициент определяют эмпирическим путем,
ΔP - потеря напора между входом и выходом ламинарного сужения 44 в барах, и
ρ - плотность масла в кг/л.
Плотность ρ зависит от температуры масла и уменьшается при повышении температуры.
Понятно, что для получения данной потери напора в ламинарном сужении достаточно выполнить ламинарное сужение с соответствующим коэффициентом ks, для чего достаточно выполнить ламинарное сужение с соответствующими геометрическими характеристиками (длина, диаметр) и состоянием поверхности.
В частном варианте выполнения изобретения ламинарное сужение 44 образовано трубкой с шероховатой внутренней поверхностью таким образом, чтобы создавать потерю напора за счет трения в ламинарном сужении 44. Такая трубка позволяет, в частности, усилить трение периферических слоев текучей среды на внутренней стенке трубки, что увеличивает потерю напора в ламинарном сужении, в частности, когда текучая среда имеет высокую вязкость.
На практике трубка может иметь длину порядка 30 см и диаметр порядка 2 см.
Во время работы холодной турбомашины, поскольку плотность масла выше, чем в горячем состоянии, получают разность давления на границах ламинарного сужения 44, что приводит к перемещению золотника 52 во второе положение, блокирующее циркуляцию масла в теплообменник 48 масло/воздух. Это позволяет избегать охлаждения масла, которое служит для подогрева топлива через главный 34 и вспомогательный 36 теплообменники масло/топливо.
Когда температура масла повышается, разность давления в ламинарном сужении 44 уменьшается, что, при данном пороговом значении разности давления, приводит к перемещению золотника 52 в его первое положение, обеспечивающее циркуляцию масла через теплообменник 48 масло/воздух.
Во время фазы взлета расход масла в сужении резко увеличивается, что приводит к новому увеличению потери напора в ламинарном сужении 44 и к перемещению золотника 52 в его второе положение. Устройство в соответствии с изобретением калибровано таким образом, чтобы при взлете в холодную погоду золотник 52 находился в своем втором положении и чтобы при взлете в теплую погоду золотник 52 находился в своем первом положении.
В фазе крейсерского полета, когда наружная температура является низкой, золотник удерживается в своем втором положении по причине низкой температуры масла.
Ламинарное сужение 44 создает дополнительную потерю напора в масляном контуре, которую желательно свести к минимуму. Для этого предпочтительно иметь большие площади приложения давления с каждой стороны золотника 52, чтобы разность давления на границах ламинарного сужения 44 выражалась в чистой разности силы, действующей на золотник 52. Однако габаритный размер распределителя 46 не должен быть большим, чтобы избегать чрезмерного увеличения массы устройства 74.
Распределитель, описанный со ссылками на фиг. 3, имеет два положения золотника 52 и четыре канала сообщения по текучей среде. Распределитель может также иметь два положения золотника 52 и три канала сообщения по текучей среде, включая один вход масла и два выхода масла, при этом в зависимости от положения золотника вход масла селективно питает один или другой из выходов масла. Такой трехканальный распределитель имеет переходную зону для перевода циркуляции масла в отводной трубопровод 66 или в теплообменник 48 масло/воздух, то есть характеризуется менее оптимальным динамическим поведением, чем четырехканальный распределитель, имеющий два входа и два выхода, предназначенных для циркуляции текучей среды в теплообменник 48 масло/воздух и в отводной трубопровод 66.
В варианте изобретения пружину можно расположить в первой камере 54 и выполнить таким образом, чтобы она работала на растяжение, что обеспечивает перемещение золотника идентично тому, что было описано выше.
В другом варианте изобретения первая 54 и вторая 56 камеры распределителя 46 могут находиться в сообщении по текучей среде с компонентом, уже присутствующим в масляном контуре на входе устройства 74 и действующим аналогично ламинарному сужению.
Устройство в соответствии с изобретением можно точно так же применять с теплообменником, использующим другую пару текучих сред, отличную от масла и воздуха. Так, устройство в соответствии с изобретением можно использовать на теплообменнике масло/топливо или на теплообменнике воздух/топливо. В случае теплообменника масло/топливо текучей средой может быть топливо, которое отводят в отводной трубопровод за счет потери напора топлива в ламинарном сужении аналогично тому, что было описано выше.