СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОПЛИВА ДЛЯ ПИТАНИЯ ТЕПЛОВОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СИЛОВАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ПОДОГРЕВА ТОПЛИВА
FUEL TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR SUPPLY OF THERMAL GAS TURBINE ENGINE, POWER PLANT AND METHOD OF FUEL HEATING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к питанию силовой установки топливом и, в частности, к управлению состоянием фазы топлива.
В частности, изобретение относится к силовым установкам, содержащим тепловой двигатель и электрическую машину.
В данном контексте под «тепловым газотурбинным двигателем» следует понимать любую машину, обеспечивающую преобразование тепловой энергии рабочей текучей среды в механическую энергию посредством расширения указанной рабочей текучей среды на турбине.
В частности, эта рабочая текучая среда может быть газообразным продуктом сгорания, получаемым в результате химической реакции топлива с воздухом в камере сгорания после сжатия этого воздуха в компрессоре, приводимом во вращение турбиной через первый вращающийся вал.
Таким образом, тепловые газотурбинные двигатели, включенные в данный контекст, представляют собой, среди прочих, одноконтурные иди двухконтурные турбореактивные двигатели, турбовинтовые двигатели, газотурбинные двигатели или газотурбинные установки.
В дальнейшем тексте описания термины «вход» и «выход» определены относительно нормального направления прохождения рабочей текучей среды в газотурбинном двигателе.
Топливо, питающее тепловые газотурбинные двигатели, может содержать примеси и, в частности, воду в виде взвеси. При нормальных температурах присутствие остатков воды в топливе не является большой проблемой. Однако, когда температуры являются низкими, эта вода может замерзнуть. Появляющиеся в результате частицы льда могут закупорить проход для топлива, в частности, скапливаясь на входе фильтров, обычно применяемых для задержания других твердых примесей. Следовательно, необходимо избегать этого образования льда в топливном контуре.
Уровень техники
Первым решением против замерзания топлива является добавление дорогих, токсичных и нежелательных присадок. Это решение изначально является неприемлемым.
Второе решение, представленное в документе US 20120240593, состоит в рекуперации тепла, выделяемого электронной схемой, в данном случае, электронной схемой конверсии мощности (GCU от “Generator Control Unit”), для подогрева топлива, чтобы избегать его замерзания. Теплообменник обеспечивает теплообмен.
При этом блок GCU работает как радиатор.
В вышеупомянутом документе управление теплопередачей между блоком GCU и топливом происходит посредством регулирования расхода текучей среды или путем добавления специального дополнительного электрического радиатора, который позволяет генерировать дополнительное тепло и дополнительно воздействовать этим теплом на блок GCU, который, в свою очередь, нагревается еще больше.
Однако существует не упомянутый в указанном выше документе риск того, что топливо получает слишком много энергии и может достичь своей температуры испарения. Действительно, некоторые бортовые электронные устройства работают в течение очень коротких промежутков времени, что требует большой мощности. Кроме того, применяемое напряжение, часто порядка нескольких десятков вольт, приводит к значительному увеличению силы тока, в результате чего выделяется сильное тепло.
Этого явления испарения следует обязательно избегать.
Раскрытие сущности изобретения
Изобретение призвано устранить вышеупомянутые недостатки и предложить систему, содержащую:
контур питания топливом, выполненный с возможностью питания топливом теплового газотурбинного двигателя,
электронный модуль,
источник энергии для подачи электричества в электронный модуль,
теплообменник, установленный для обеспечения потока тепла от электронного модуля в контур питания топливом,
согласно изобретению, электронный модуль содержит материал с изменением фазы (РСМ), выполненный с возможностью изменения состояния, когда температура достигает заранее определенной температуры изменения фазы.
Благодаря материалу РСМ, повышение температуры лучше рассеивается во времени, что позволяет избегать температурных пиков и, следовательно, достижения температуры испарения топлива.
Кроме того, материал РСМ предохраняет электронный модуль от этих температурных пиков, которые могут привести к его повреждению.
Таким образом, материал РСМ позволяет оптимизировать распределение теплового потока между электронным модулем и топливом.
Чтобы предупредить испарение топлива, температуру изменения фазы материала РСМ выбирают таким образом, чтобы она была ниже температуры испарения указанного топлива, которое циркулирует в контуре питания топливом.
Изобретение может иметь следующие отличительные признаки, рассматриваемые отдельно или в комбинации:
- указанная заранее определенная температура изменения фазы ниже температуры испарения топлива,
- электронный модуль является силовым электронным модулем, выполненным с возможностью преобразования энергии, выдаваемой источником энергии,
- температура изменения фазы ниже 150°С, предпочтительно ниже 140°С,
- электронный модуль содержит следующие элементы:
базовую подложку, образующую основу,
электронные компоненты, расположенные на основе,
при этом теплообменник расположен относительно базовой подложки со стороны, противоположной к компонентам,
- электронные компоненты погружены в материал с изменением фазы РСМ,
- материал с изменением фазы РСМ включен в базовую подложку,
- электронный модуль содержит холодную пластину, при этом материал с изменением фазы включен в холодную пластину,
- холодная пластина расположена между базовой подложкой и теплообменником,
- теплообменник включен в холодную пластину.
Изобретением предложена также силовая установка, содержащая:
тепловой газотурбинный двигатель,
описанную выше систему,
при этом контур питания топливом выполнен с возможностью питания теплового двигателя.
Предпочтительно источником энергии является электрическая машина, которая может работать в режиме двигателя или в режиме генератора, при этом электрическая машина механически связана с вращающимся валом теплового двигателя.
Изобретением предложен также способ подогрева топлива при помощи вышеупомянутых системы или силовой установки, в котором топливо нагревается в теплообменнике контура питания топливом от тепла, выделяемого электронным модулем через материал с изменением фазы РСМ.
Изобретением предложено также использование материала с изменением фазы РСМ для контроля теплопередачи между электронным модулем, выделяющим тепло, когда он получает питание энергией, и топливом для газовой турбины через теплообменник.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве иллюстративного и неограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично показан силовой электронный модуль и теплообменник силовой установки, при этом для упрощения фигуры материал РСМ не показан;
на фиг. 2 - то же, что фиг. 1, но с тремя вариантами включения материала РСМ и с добавлением холодной пластины;
на фиг. 3 показаны температурные кривые, связанные с использованием материала РСМ;
на фиг. 4 схематично показан летательный аппарат с силовой установкой, содержащей два газотурбинных двигателя и два двигателя-электрических генератора;
на фиг. 5 более подробно показана силовая установка.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана система, содержащая контур 15 питания топливом, электронный модуль 14 и источник 13 энергии, который обеспечивает подачу энергии, как правило, электричества, в модуль 14.
Контур 15 питания топливом предназначен для питания топливом теплового газотурбинного двигателя. Ниже более подробно будут описаны частные варианты осуществления.
Как правило, электронный модуль 14 содержит по меньшей мере одну электронную схему, на которой находятся соединенные между собой электронные компоненты, выполненные с возможностью обработки электрических сигналов (информация или энергия).
Следовательно, когда модуль 14 получает питание от источника 13 энергии, он выделяет тепло. Чтобы передать это тепло в контур 15 питания топливом, предусмотрен теплообменник 16. Как правило, теплообменник 16 расположен между электронным модулем 14 и контуром 15а, 15b питания топливом.
Теплообменник 16 позволяет оптимизировать тепловой поток между модулем 14 и контуром 15 питания. Он может быть выполнен в разных вариантах, например, в виде пластинчатого теплообменника, теплообменника из ребристых труб или просто в виде разветвленных труб, обеспечивающих теплообмен.
В варианте осуществления электронный модуль 14 содержит базовую подложку 100, образующую основу, на которой закреплены электронные компоненты 110, такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором, диоды, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д. Как показано на фиг. 1, эти компоненты 110 могут требовать наличия, например, излучателей 112, вентилей 114, коллектора 116 и соединительных проводов 118.
Классически для работы электронного модуля предусмотрены различные слои материалов, таких как паяное соединение 102, медное основание 104, другая изолирующая подложка 106, например, из керамики, чтобы реализовать соединения между полупроводниками и с внешними схемами на медном основании 104.
Чтобы лучше регулировать передачу энергии, электронный модуль 14 содержит материал с изменением фазы, сокращено называемый РСМ от “Phase-change material”. На фиг. 2 представлены различные варианты осуществления, которые будут подробно описаны ниже.
Материалы РСМ меняют свое состояние, как правило, твердое состояние на жидкое состояние, как только достигается их температура плавления. Поскольку существуют также материалы РСМ, которые меняют фазу из твердого или жидкого состояния в газообразное состояние, то в более общем плане говорят о температуре изменения фазы Tf.
Эта температура Tf является характеристикой материала РСМ.
На некоторых режимах полета летательного аппарата потребность в электрической мощности электрической системы может быть очень большой в промежутки времени, которые не превышают нескольких десятков секунд или даже минуты. В этих условиях, когда необходимо значительное рассеяние тепла, которое может быть циклическим или переходным, использование материалов РСМ обеспечивает лучший термический контроль в непосредственной близости от критических электронных компонентов 110, таких как статические компоненты, конденсаторы, дроссели и т.д.
Действительно, при достижении своей температуры плавления, то есть при переходе из твердого состояние в жидкое состояние, материал РСМ будет поглощать некоторое количество тепла, оставаясь при одной и той же температуре (в течение времени, пока весь материал не поменяет состояние), и между электронными компонентами 110 внутри электронного модуля 14 и этим материалом РСМ будет происходить теплопередача. Это поглощение связано с энтальпией изменения состояния материала РСМ, называемой также скрытым теплом, которое соответствует энергии на единицу массы материала, необходимой, чтобы он изменил свое состояние.
При этом материал РСМ будет поглощать температурный пик.
Действительно, одной из главных проблем в применении электроники на борту летательных аппаратов является проблема теплостойкости электронных компонентов 100, в частности, компонентов, закрепленных посредством пайки/сварки на подложке 100. Действительно, термомеханические напряжения между компонентом 110 и подложкой 100 могут в некоторых случаях привести к отслоению спая или сварного шва соединения компонента с его подложкой, что может разрушить компонент. Такое использование материала РСМ уже известно, например, из документа US 20130147050.
Материал РСМ позволяет также получить выигрыш с точки зрения размеров и занимаемого объема. Действительно, параметры электронных компонентов 110, таких как транзисторы, конденсаторы, дроссели, можно рассчитать не по максимальному температурному пику, а по более низкой усредненной температуре.
Следовательно, материал РСМ выполняет первую роль, которая состоит в поглощении тепла, чтобы не допустить превышения критической температуры электронным модулем 14. На фиг. 3 показано такое поглощение в зависимости от времени: кривая С0 показывает повышение температуры электронного модуля 14 в отсутствие материала РСМ, кривые С11–С18 показывают повышение температуры электронного модуля 14 в присутствии материала РСМ для разных значений термических сопротивлений между материалом РСМ и подложкой 100, и кривые С23-С27 показывают повышение температуры материала РСМ (в связи с кривыми С13-С17). Можно отметить, что температура Tf изменения фазы материала РСМ немного ниже 120°С.
Вместе с тем, как было указано выше, функцией электронного модуля 14 является также подогрев топлива. Однако, как оказалось, пики мощности могут генерировать слишком сильное тепло, и управление теплопередачей становится проблематичным.
Следовательно, материал РСМ, поглотивший пик тепла, постепенно возвращает его в направлении теплообменника 16а, 16b. Таким образом, материал РСМ позволяет усреднить теплопередачу между электронным модулем 14 и топливом.
Риски испарения указанного топлива намного снижаются.
Включение материала РСМ в такую архитектуру теплообмена между электронным модулем 14 и топливным контуром 15 позволяет получить термический барьер, который за счет рассеяния тепла во времени защищает топливо от испарения и одновременно предохраняет модуль 14 от перегрева. Кроме того, в отличие от классического использования материалов РСМ, целью которого является простое поглощение тепла в течение относительно короткого промежутка времени, в данном случае материал РСМ используется как радиатор при помощи накопленной энергии через электронный модуль 14.
Для выполнения этой функции выбирают материал РСМ, температура Tf изменения фазы которого ниже температуры Tv испарения топлива.
Известны следующие марки топлива с их типовыми температурами Tv начала испарения, указанными в скобках: JetA (180°C), JP8 и JP8+100 (170°C), JetA1 (170°C), JP5 (200°C), F76 (200°C), TS1 (160°C) и RT (160°C).
Для этих марок топлива подходит температура Tf ниже 150°С, предпочтительно ниже 140°С и еще предпочтительнее ниже или равная 130°С. Соответственно, температура Tf должна превышать 120°С, чтобы избегать полного изменения состояния, когда электронный модуль 14 еще не достиг температур, которые могут повлиять на его работу.
Известны также следующие марки топлива с их температурой Tv испарения, указанной в скобках: JetB и JP4 (80°C, AvGas и AutGas (60°C).
Для этих марок топлива подходит температуры Tf ниже 50°С.
Включение материалов РСМ в электронный модуль можно осуществлять по-разному, как показано на фиг. 2, где схематично представлены три варианта, не обязательно исключающие друг друга.
В первом варианте электронные компоненты 110 погружены в материал РСМ1. Для этого используют специальную матрицу, содержащую материал РСМ. Этот вариант требует герметичности электронных компонентов 110.
Во втором варианте материал РСМ2 может быть включен в подложку 100. В частности, известен документ US2013/0147050, в котором раскрыто такое включение в подложку 100. При этом в подложке 100 должен быть предусмотрен соответствующий объем.
В третьем варианте на подложке 110 со стороны, противоположной к электронным компонентам 110, имеется холодная пластина 120. Следовательно, холодная пластина 120 расположена между теплообменником и базовой подложкой 100. Холодная пластина 120 способствует охлаждению электронного модуля 14. Материал РСМ2 включен в эту холодную пластину 120.
Эти три варианта можно легко комбинировать между собой.
Выше были указаны несколько типов теплообменников. В зависимости от типов теплообменников можно адаптировать относительное расположение топливного контура и базовой подложки и/или холодной пластины. В частности, теплообменник можно расположить в базовой подложке 100 или в холодной пластине 120. Теплообменник может представлять собой контур текучей среды, такой как ответвление трубки в пластине. В этом случае циркуляция текучей среды предпочтительно является принудительной с использованием специального насоса.
Материал РСМ может содержать кристаллогидраты, парафины и/или спирты.
Преимуществом материалов РСМ является возможность получения выигрыша в массе и в объеме по сравнению с другими технологиями.
В частном варианте осуществления электронный модуль 14 является силовым модулем, выполненным с возможностью преобразования энергии, получаемой от источника энергии. Следовательно, он подвергается действию повышения температуры, в частности, в течение очень коротких промежутков времени, когда он работает.
В этом варианте осуществления электронные компоненты 110 могут быть, в частности, силовыми полупроводниками.
Далее следует описание более общей архитектуры в случае вертолета. Вместе с тем, изобретение можно применять для любого летательного аппарата, содержащего выделяющую тепло электронику, независимо от числа двигателей или от их типа.
На фиг. 4 показан летательный аппарат 1 с несущим винтом, а именно вертолет с главным несущим винтом 2 и с хвостовым рулевым винтом 3, связанными с силовой установкой 4 для их приведения во вращение. Представленная силовая установка 4 содержит первый тепловой двигатель 5а и второй тепловой двигатель 5b. Эти тепловые двигатели 5а, 5b является газотурбинными двигателями и, в частности, газотурбинными двигателями, два вала 6 отбора мощности которых соединены с главной трансмиссионной коробкой 7 для приведения во вращение главного несущего винта 2 и рулевого винта 3.
Силовая установка 4 более детально показана на фиг. 5. Каждый тепловой двигатель 5а, 5b содержит компрессор 8, камеру 9 сгорания, первую турбину 10, соединенную вращающимся валом 11 с компрессором 8, и вторую турбину 12 или свободную турбину, связанную с валом 6 отбора мощности. Комплекс из компрессора 8, камеры 9 сгорания, первой турбины 10 и вращающегося вала 11 известен также под названием «газогенератор». Вращающийся вал 11 каждого газогенератора механически связан с источником 13а, 13b энергии, которым, в частности, является электрическая машина 13а, 13b, как правило, в виде двигателя-генератора, электрически соединенная с электронным модулем 14а, 14b, который в данном случае является силовым электронным модулем, представляющим собой, в частности, преобразователь мощности, соединенный электрически также с электрическим устройством 20 накопления и с электрической сетью летательного аппарата. Это электрическое устройство 20 накопления может быть, например, батареей, хотя можно также установить и другие устройства накопления (например, топливные элементы или инерционные маховики).
Электрические машины 13а, 13b служат как для запуска соответствующих тепловых двигателей 5а, 5b, так и для генерирования электрической энергии после запуска. В первом случае электрическая машина 13а, 13b работает в режиме двигателя, и силовой электронный модуль 14а, 14b обеспечивает ее электрическое питание от электрической сети летательного аппарата и/или от электрического устройства 20 накопления. Во втором случае электрическая машина 13а, 13b работает в режиме генератора, и силовой электронный модуль 14а, 14b адаптирует генерируемый ток по напряжению и по силе соответственно для питания электрической сети летательного аппарата или электрического устройства 20 накопления.
Кроме того, каждую электрическую машину 13а, 13b можно также использовать, чтобы даже во время полета летательного аппарата 1 поддерживать соответствующий тепловой двигатель в дежурном режиме, вращая его вращающийся вал 11 при выключенной камере 9 сгорания на низкой скорости N дежурная, которая может, например, составлять от 5 до 20% от номинального режима N1 вращающегося вала 11. Действительно, известно, что поддержание теплового газотурбинного двигателя в дежурном режиме на многомоторном летательном аппарате позволяет экономить топливо в полете на крейсерской скорости и ускорить его возможный повторный запуск.
Мощность, выдаваемая силовой установкой 4, может существенно меняться в зависимости от этапа полета летательного аппарата 1. Так, мощность, необходимая для полета на крейсерской скорости, обычно значительно ниже постоянной максимальной мощности силовой установки 4 и еще ниже по сравнению с ее максимальной мощностью взлета. Однако, поскольку силовая установка рассчитана в зависимости от этой максимальной мощности взлета, то ее параметры значительно превышены по отношению к мощности, необходимой для режима крейсерского полета. Следовательно, в полете на крейсерской скорости с двумя работающими тепловыми двигателями 5а, 5b работа этих двигателей может существенно отличаться от оптимального режима их работы, что выражается в относительно высоком удельном расходе. В принципе, в случае силовой установки, содержащей несколько тепловых двигателей, можно предусмотреть поддержание режима крейсерского полета по меньшей мере с одним выключенным двигателем среди этих тепловых двигателей. Поскольку в этом случае другие тепловые двигатели работают в режиме, более близком к их оптимальному режиму, удельный расход может быть сокращен. Чтобы обеспечивать такой режим работы силовой установки и в то же время обеспечивать немедленный запуск выключенного теплового двигателя, в документе FR 2 967 132 было предложено поддерживать этот выключенный двигатель в дежурном режиме.
Таким образом, в силовой установке 4, показанной на фиг. 5, первый тепловой двигатель 5а выключен во время полета летательного аппарата 1 на крейсерской скорости, тогда как второй тепловой двигатель 5b выдает всю необходимую мощность на главный несущий винт 2 и на рулевой винт 3 через главную трансмиссионную коробку 7. Одновременно электрическая машина 13b, связанная со вторым тепловым двигателем 5b, обеспечивает питание электрической сети летательного аппарата 1 через ее силовой электронный модуль 14b и питание электрической машины 13а через ее электронику 14а. Для обеспечения экстренного запуска первого теплового двигателя 5а, в частности, в случае отказа второго теплового двигателя 5b, первый тепловой двигатель 5а поддерживают в дежурном режиме за счет вращения его вращающегося вала 11 от соответствующей электрической машины 13а, получающей питание через свой силовой электронный модуль 14а.
Для питания топливом тепловых двигателей 5а, 5b каждый из них связан с контурами 15а, 15b питания топливом, с теплообменником 16а, 16b, и, кроме того, предусмотрен топливный фильтр 17а, 17b на выходе теплообменника 16а, 16b по направлению потока топлива в сторону теплового двигателя 5а, 5b.
Как показано на фиг. 3, каждый теплообменник 16а, 16b установлен смежно с основанием соответствующего силового электронного модуля 14а, 14b (например, с холодной пластиной 21) в корпусе 22, который может быть герметичным и общим для силового электронного модуля 14а, 14b и для соответствующего теплообменника 16а, 16b, поэтому топливо, проходящее через теплообменник 16а или 16b может нагреваться от тепла, выделяемого во время работы силового электронного модуля 14а, 14b, и одновременно способствовать охлаждению силового электронного модуля 14а, 14b для обеспечения его работы в оптимальном температурном диапазоне. Как правило, каждый силовой электронный модуль 14а, 14b может обрабатывать мощность Ре порядка 100 кВт с тепловыми потерями менее 10%, что дает в результате тепловую мощность Ph, например, менее 10 кВт и даже менее 1 кВт.
Вместе с тем, каждый силовой электронный модуль 14а, 14b может иметь нормальный рабочий режим и рабочий режим с пониженным электрическим КПД, который можно применять для генерирования дополнительного тепла с целью подогрева топлива. Этот рабочий режим с пониженным КПД можно получить, например, задавая полупроводникам силового электронного модуля 14а, 14b более высокую частоту отсечки, чем частота, обычно применяемая в зависимости от обычных критериев электрической размерности.
Каждый контур 15а, 15b питания топливом может также содержать обходной трубопровод 18а, 18b, проходящий в обход теплообменника 16а, 16b, а также трехходовой вентиль 19а, 19b, чтобы направлять поток топлива через теплообменник 16а, 16b или через обходной трубопровод 18а, 18b.
Чтобы подогреть топливо, питающее один из тепловых двигателей 5а, 5b во время его запуска при низкой температуре до включения камеры 9 сгорания, это топливо направляют через соответствующий теплообменник 16а, 16b, в котором оно нагревается при помощи тепла, генерируемого во время работы силового электронного модуля 14а, 14b, через который электрическая машина 13а, 13b получает электрическое питание для приведения во вращение вращающегося вала 11 этого теплового двигателя 5а, 5b. Если тепло, выделяемое силовым электронным модулем 14а, 14b в нормальном рабочем режиме, является недостаточным для обеспечения быстрого запуска без риска забивания топливного фильтра 17а, 17b частицами льда, можно применить рабочий режим с пониженным КПД силового электронного модуля 14а, 14b, чтобы увеличить выделение тепла в этом модуле и его передачу в топливо через теплообменник 16а, 16b.
Однако если нет необходимости в подогреве топлива для одного или другого из тепловых двигателей 5а, 5b или в охлаждении соответствующего силового электронного модуля 14а, 14b, трехходовой вентиль 19а, 19b может направить топливо через соответствующий обходной трубопровод 18а, 18b.