СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МАСЛА В ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНЕ
METHOD AND DEVICE TO CONTROL OIL COOLING IN IMPELLER MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу регулирования охлаждения масла в лопаточной машине и, в частности, к способу регулирования охлаждения масла и к устройству охлаждения масла в лопаточной машине, содержащему два теплообменника.
Термином «лопаточная машина» обозначают все газотурбинные установки, производящие движущую силу, среди которых можно указать, в частности, турбореактивные двигатели, в которых реактивную тягу получают от выходящих с большой скоростью горячих газов, и газотурбинные двигатели, в которых движущую силу получают за счет вращения ведущего вала. Например, газотурбинные двигатели применяются в качестве двигателей для вертолетов. Турбовинтовые двигатели (газотурбинный двигатель, вращающий воздушный винт) являются газотурбинными двигателями, устанавливаемыми на самолет.
Уровень техники
Известно устройство охлаждения масла лопаточной машины, содержащее первый теплообменник, установленный последовательно со вторым теплообменником, при этом первый теплообменник является теплообменником масло/воздух, тогда как второй теплообменник является теплообменником масло/топливо.
В устройстве охлаждения этого типа, когда воздух является исключительно холодным и лопаточная машина вращается на высоком режиме, например во время взлета, масло достигает очень низких температур при прохождении через первый теплообменник. Недостатком при этом является охлаждение топлива, тогда как его необходимо как раз нагревать. С другой стороны, если в топливе присутствует вода, эта вода может замерзнуть и образовать кристаллы льда, которые могут закупорить контур подачи топлива, в частности сервоклапаны, что может привести к проблемам рабочего состояния лопаточной машины.
Как известно, устанавливают ответвление, соединяющее напрямую вход масла первого теплообменника с выходом масла первого теплообменника, при этом указанное ответвление оснащают предохранительным разгрузочным клапаном для отвода масла через ответвление в случае превышения давления. Разгрузочный клапан этого типа выполнен с возможностью обеспечения прохождения масла только через ответвление, причем при максимальном расходе (то есть при нулевой номинальной потере напора в клапане), когда соотношение между номинальной потерей напора первого теплообменника и действительной потерей напора между входом и выходом масла первого теплообменника меньше или равно 0,5. Иначе говоря, если номинальная потеря напора первого теплообменника равна 0,2 МПа (то есть 2 бар), клапан открывается, когда действительная потеря напора (разность давления между входом и выходом первого теплообменника) превышает или равна 0,4 МПа (то есть 4 бар). Такое превышение давления появляется, когда первый теплообменник загрязнен или закупорен. Этот разгрузочный клапан выполняет только функцию предохранительного клапана, чтобы избежать поломок в результате превышения давления.
Однако когда воздух является исключительно холодным, предохранительный разгрузочный клапан не открывается. Масло проходит через первый теплообменник и достигает слишком низких температур, чтобы обеспечивать необходимый нагрев топлива.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков.
В связи с этим изобретением предложен способ регулирования охлаждения масла внутри устройства охлаждения масла лопаточной машины, содержащего первый теплообменник, установленный последовательно со вторым теплообменником, при этом первый теплообменник является теплообменником масло/воздух, тогда как второй теплообменник является теплообменником масло/топливо, при этом каждый теплообменник содержит вход масла и выход масла, ответвление, соединяющее напрямую вход масла первого теплообменника с выходом масла первого теплообменника, и регулятор расхода для регулирования расхода масла, проходящего через ответвление, в котором обеспечивают циркуляцию масла через ответвление при помощи регулятора расхода, когда температура масла меньше или равна заранее определенной температуре, составляющей от 70°C до 90°C, предпочтительно равной примерно 80°C.
Разумеется, в устройстве охлаждения первый и второй теплообменники находятся внутри замкнутого масляного контура, при этом первый теплообменник может быть расположен на входе или на выходе второго теплообменника по отношению к контрольной точке контура в направлении потока масла внутри устройства охлаждения масла, при этом масло циркулирует от входа к выходу.
Таким образом, понятно, что, если масло имеет температуру ниже заранее определенной температуры, регулятор расхода действует таким образом, чтобы масло преимущественно проходило через ответвление. В отличие от известных технических решений, поскольку масло не обязательно должно достигать заранее определенного динамического давления, чтобы пройти через ответвление, избегают прохождения части масла через первый теплообменник за счет достигнутого динамического давления, для активации первого клапана. Таким образом, при активации регулятора расхода в зависимости от температуры масло не зависит от действия на него давления, что позволяет маслу проходить преимущественно через ответвление, а не через первый теплообменник, который оказывает сопротивление потоку масла, превышающее сопротивление ответвления и регулятора расхода (например, трубки, оснащенной открытым вентилем).
Было установлено, что потребность в преимущественном нагреве топлива отпадает только тогда, когда температура масла становится выше заранее определенной температуры. Иначе говоря, было установлено, что топливо необходимо нагревать в первую очередь (то есть обеспечивать прохождение масла через ответвление), только когда температура масла ниже заранее определенной температуры.
Предпочтительно, если температура масла ниже заранее определенной температуры, регулятором расхода управляют таким образом, чтобы его потеря напора была меньше или равна 0,2 МПа (то есть 2 бар), предпочтительно 0,1 МПа (то есть 1 бар), чтобы более 95% масла проходило через ответвление, тогда как менее 5% масла проходит через первый теплообменник. Такая конфигурация представляет особый интерес и гарантирует, что масло не охлаждается первым теплообменником, если температура масла ниже заранее определенной температуры.
Предпочтительно циркуляцию масла через ответвление обеспечивают также, когда соотношение между номинальной потерей напора первого теплообменника и действительной потерей напора между входом масла и выходом масла первого теплообменника меньше заранее определенного соотношения, составляющего от 0,7 до 0,9, предпочтительно равного 0,8.
Можно напомнить, что в гидравлическом контуре потеря напора соответствует разности давления между двумя точками указанного контура. Потеря напора характеризует значения сопротивления, которое встречает текучая среда на пути между этими двумя точками.
Можно также напомнить, что значение параметра называют «номинальным», если оно соответствует теоретическому значению, предусмотренному конструктором. Например, номинальная потеря напора в 0,2 МПа теплообменника значит, что указанный теплообменник может обеспечивать нормальную работу (то есть оптимальный теплообмен), когда потеря напора между входом и выходом указанного теплообменника равна 0,2 МПа или когда он создает потерю напора 0,2 МПа при нормальной работе.
Так называемое «действительное» значение параметра является значением, которое конкретно принимает этот параметр в данный момент и/или в данной конфигурации.
Когда масло еще не нагрелось, то есть если температура масла выше заранее определенной температуры, но ниже температуры нагрева, составляющей от 110°C до 130°C, предпочтительно равной примерно 120°C, то нет необходимости в использовании всей охлаждающей мощности первого теплообменника и, следовательно, в циркуляции всего масла через первый теплообменник. Действительно, когда температура масла находится в пределах от заранее определенной температуры до температуры нагрева, потребность в охлаждении масла не является максимальной. Заранее определенное соотношение позволяет осуществлять такое регулирование, обеспечивая также циркуляцию масла через ответвление в этих условиях.
Если масло находится в пределах от заранее определенной температуры до температуры нагрева, его вязкость больше, чем когда его температура превышает или равна температуре нагрева. Таким образом, если температура масла ниже температуры нагрева, действительная потеря напора между входом и выходом масла первого теплообменника превышает эту потерю напора, когда температура масла выше температуры нагрева. Заранее определенное соотношение характеризует эту разность действительной потери напора, и при помощи этого параметра можно отводить соответствующее количество масла в ответвление в зависимости от этой разности действительной потери напора.
Кроме того, это позволяет использовать первый теплообменник, имеющий большую номинальную потерю напора, например, превышающую 0,4 МПа. Преимуществом таких теплообменников является исключительная эффективность, когда температура масла превышает температуру нагрева (то есть улучшенное охлаждение масла, когда масло является горячим). Кроме того, преимуществом таких теплообменников является еще большее сопротивление потоку, когда масло является холодным, что позволяет еще легче отводить масло через ответвление, когда температура масла ниже заранее определенной температуры. Однако такие теплообменники увеличивают общую действительную потерю напора устройства охлаждения, тогда как лучше было бы поддерживать эту потерю напора устройства на минимально возможном уровне. Обеспечение циркуляции масла через ответвление, когда соотношение меньше заранее определенного соотношения, позволяет также уменьшить общую действительную потерю напора устройства охлаждения, когда температура масла находится в пределах от заранее определенной температуры до температуры нагрева, то есть когда масло еще не достигло максимальной текучести.
Предпочтительно расход масла, проходящего через ответвление, когда соотношение меньше или равно заранее определенному соотношению, тогда как температура масла выше заранее определенной температуры, меньше расхода масла, проходящего через ответвление, когда температура масла ниже заранее определенной температуры.
Это позволяет обеспечивать промежуточное охлаждение масла, когда его температура находится в пределах от заранее определенной температуры до температуры нагрева. Иначе говоря, через ответвление проходит больше масла (и, следовательно, оно не охлаждается), когда температура масла ниже заранее определенной температуры, чем когда температура масла находится в пределах от заранее определенной температуры до температуры нагрева. Это позволяет осуществлять охлаждение, адаптированное к температуре масла, когда его температура находится в пределах от заранее определенной температуры до температуры нагрева.
Предпочтительно циркуляцию масла через ответвление перекрывают при помощи регулятора расхода, когда температура масла выше заранее определенной температуры, тогда как соотношение превышает заранее определенное соотношение.
В этих условиях все масло пропускают через первый теплообменник, то есть охлаждение является максимальным, когда масло является горячим (его температура превышает температуру нагрева). Кроме того, если давление масла становится слишком высоким (при этом соотношение становится меньше заранее определенного соотношения), например, в случае загрязнения первого теплообменника, регулятор расхода позволяет маслу частично проходить через ответвление. Таким образом, регулятор расхода выполняет также функцию предохранительного клапана, чтобы устранить риски превышения давления.
Объектом изобретения является также устройство охлаждения масла лопаточной машины, содержащее первый теплообменник, установленный последовательно со вторым теплообменником, при этом первый теплообменник является теплообменником масло/воздух, тогда как второй теплообменник является теплообменником масло/топливо, при этом каждый теплообменник содержит вход масла и выход масла, ответвление, соединяющее напрямую вход масла первого теплообменника с выходом масла первого теплообменника, и регулятор расхода для регулирования расхода масла, проходящего через ответвление, при этом регулятор расхода содержит термоклапан, при этом указанный термоклапан выполнен с возможностью открывания, когда температура масла меньше или равна заранее определенной температуре, составляющей от 70°C до 90°C, предпочтительно равной примерно 80°C.
Понятно, что термоклапан является клапаном, открыванием и закрыванием которого управляют в зависимости от температуры. Например, таким клапаном можно управлять при помощи внешнего привода, который активируют в зависимости от температуры масла, измеряемой датчиком. Согласно другому примеру клапан соединен с термочувствительным элементом, который соответственно расширяется, благодаря чему клапан переходит из закрытого положения в открытое положение и наоборот в зависимости от температуры масла. Понятно, что открытое положение, закрытое положение или положение, промежуточное между открытым положением и закрытым положением, не зависят от создаваемого маслом давления. Следовательно, такой клапан может открываться или закрываться при любом давлении масла. Это позволяет минимизировать номинальную потерю напора регулятора расхода и направлять максимальное количество масла в ответвление, когда термоклапан открыт (частично или полностью).
Таким образом, понятно, что термоклапан закрывается, когда температура выше заранее определенной температуры, и по меньшей мере частично открывается, когда температура меньше или равна заранее определенной температуре. Предпочтительно клапан открывается полностью, когда температура масла становится ниже на 10°C заранее определенной температуры.
Предпочтительно номинальная потеря напора термоклапана в его открытом положении не превышает 10% номинальной потери напора первого теплообменника. Таким образом, когда термоклапан открыт, через ответвление проходит не менее 85-95% масла.
Предпочтительно регулятор расхода содержит разгрузочный клапан (или клапан дифференциального давления или дифференциальный клапан), при этом указанный разгрузочный клапан выполнен с возможностью открывания, когда соотношение между номинальной потерей напора первого теплообменника и действительной потерей напора между входом масла и выходом масла первого теплообменника меньше или равно заранее определенному соотношению, составляющему от 0,7 до 0,9, предпочтительно равному примерно 0,8.
Понятно, что разгрузочный клапан является клапаном, открыванием и закрыванием которого управляют в зависимости от давления. Например, клапан стремится закрыться за счет усилий, создаваемых упругими деформациями элемента клапана или элемента, соединенного с клапаном. Эти усилия противодействуют динамическому давлению (или давлению потока), которым масло действует на клапан во время циркуляции масла. Таким образом, когда динамическое давление масла достигает заранее определенного давления, указанное динамическое давление оказывается достаточным для перемещения и открывания клапана. Чем больше повышается динамическое давление, тем больше стремится открыться клапан вплоть до полного открывания клапана (или максимального открывания). Когда динамическое давление падает, клапан опять закрывается.
Согласно варианту термоклапан и разгрузочный клапан представляют собой единый клапан, открывание которого зависит от температуры и действительной потери напора. Согласно другому варианту регулятор расхода содержит два параллельно установленных независимых клапана, а именно термоклапан и разгрузочный клапан.
Объектом изобретения является также лопаточная машина, содержащая устройство охлаждения масла в соответствии с изобретением.
Краткое описание чертежей
Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания варианта осуществления, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показан турбореактивный двигатель, оснащенный устройством охлаждения в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 показана схема устройства охлаждения, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 3 представлено изменение потери напора между входом и выходом масла первого теплообменника в зависимости от температуры масла.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана лопаточная машина 100 и, в частности, авиационный турбореактивный двигатель 100, содержащий устройство 10 охлаждения масла. Это устройство 10 охлаждения содержит первый теплообменник 12, причем этот первый теплообменник 12 является теплообменником масло/воздух, и второй теплообменник 14, причем этот второй теплообменник 14 является теплообменником масло/топливо.
Устройство 10 охлаждения частично показано на фиг. 2. Более толстыми стрелками показано направление циркуляции масла внутри устройства 10 охлаждения. Первый теплообменник 12 содержит вход 12А масла и выход 12В масла. Второй теплообменник 14 содержит вход 14А масла и выход 14В масла. Выход 12В масла первого теплообменника 12 соединен с входом 14А масла второго теплообменника 14, то есть первый теплообменник 12 и второй теплообменник 14 установлены последовательно. Разумеется, теплообменники 12 и 14 могут быть установлены последовательно напрямую или опосредованно или могут быть установлены в обратном порядке. В этом примере они установлены последовательно напрямую.
Устройство 10 охлаждения содержит также ответвление 16, которое напрямую соединяет вход 12А масла первого теплообменника 12 с выходом 12В масла первого теплообменника 12. Ответвление 16 оборудовано регулятором 18 расхода, позволяющим регулировать расход масла, проходящего через ответвление 16 от входа 12А к выходу 12В.
Регулятор 18 расхода содержит параллельно установленные термоклапан 18А и разгрузочный клапан 18В. Эти клапаны являются известными специалисту классическими клапанами. Сечение максимального открывания термоклапана превышает сечение открывания разгрузочного клапана, поэтому допустимый максимальный расход термоклапана превышает допустимый максимальный расход разгрузочного клапана.
Когда масло является холодным, то есть когда его температура ниже заранее определенной температуры, в данном примере 80°C, масло пропускают через ответвление 16. Термоклапан 18А при этом открыт. В зависимости от различных вариантов либо для открывания термоклапаном 18А управляют (например, электровентиль), либо он открывается автоматически (например, термостат).
Когда термоклапан 18А открыт, номинальная потеря напора ΔP1 первого теплообменника 12 намного превышает номинальную потерю напора ΔР2 регулятора 18 расхода. В этом примере, когда термоклапан 18А открыт, номинальная потеря расхода ΔР2 регулятора 18 расхода по меньшей мере в 10 раз меньше потери расхода теплообменника 12. Таким образом, первый теплообменник 12 оказывает большее сопротивление потоку, чем ответвление 16 и регулятор 18 расхода, поэтому более 95% масла проходит через ответвление 16, тогда как менее 5% масла проходит через первый теплообменник 12.
Когда температура масла превышает 80°C, термоклапан 18А закрыт. В зависимости от различных вариантов либо для закрывания термоклапаном 18А управляют (например, электровентиль), либо он закрывается автоматически (например, термостат).
Когда температура масла превышает 80°C, но ниже температуры нагрева, в данном примере 120°C, вязкость масла является такой, при которой действительная потеря напора ΔР между входом 12А масла и выходом 12В масла может быть больше номинальной потери напора ΔP1 первого теплообменника 12.
В этих условиях, когда соотношение R между номинальной потерей напора ΔP1 первого теплообменника 12 и действительной потерей напора ΔР между входом 12А масла и выходом 12В масла (R=ΔР1/ΔР) становится больше или равным заранее определенному соотношению, в данном примере 0,8, разгрузочный клапан 18В открывается. В зависимости от различных вариантов либо для открывания разгрузочным клапаном 18В управляют (например, электровентиль), либо он открывается автоматически (например, пружинный клапан).
Иначе говоря, разгрузочный клапан 18В выполнен с возможностью открывания, когда действительная потеря напора ΔР=ΔP1/R. В этом примере номинальная потеря напора первого теплообменника 12 равна 0,4 МПа (4 бар). Следовательно, в этом примере разгрузочный клапан 18В выполнен с возможностью открывания, когда действительная потеря напора ΔР превышает или равна 0,5 МПа (5 бар). Переход из полностью закрытого положения в полностью открытое положение может быть более или менее плавным. Например, разгрузочный клапан 18В закрыт, если разность действительной потери напора ΔР меньше 0,5 МПа, полностью открыт, если разность действительной потери напора ΔР превышает или равна 0,6 МПа (6 бар), и частично открыт, если разность действительной потери напора ΔР составляет от 0,5 МПа до 0,6 МПа.
Когда термоклапан 18А закрыт, в то время как разгрузочный клапан 18В полностью открыт, номинальная потеря напора ΔР2 регулятора расхода равна 0,6 МПа. Таким образом, когда термоклапан 18А закрыт, тогда как разгрузочный клапан 18В полностью открыт, 30% масла проходит через ответвление 16, тогда как 70% масла проходит через первый теплообменник 12.
Когда температура масла превышает 80°C и соотношение R меньше 0,8, термоклапан 18А и разгрузочный клапан 18В закрыты. Точно так же, когда температура масла превышает 120°C в нормальных условиях, при этом ненормальное условие соответствует, например, загрязнению первого теплообменника 12, что приводит к превышению давления, регулятором 18 расхода управляют и/или он выполнен таким образом, чтобы термоклапан 18А и разгрузочный клапан 18В оставались закрытыми. В этих двух случаях масло не проходит через ответвление 16, тогда как 100% масла проходит через первый теплообменник 12. В зависимости от различных вариантов либо для закрывания разгрузочным клапаном 18В управляют (например, электровентиль), либо он закрывается автоматически (например, пружинный клапан).
На фиг. 3 показано изменение действительной потери напора ΔР в зависимости от температуры масла.
Когда лопаточная машина 100 работает в исключительно холодной среде (например, при температуре воздуха -30°C), в то время как лопаточная машина вращается на режиме полного газа (например, при взлете), температура масла ниже заранее определенной температуры, и, следовательно, термоклапан 18А полностью открыт. Действительная потеря напора ΔР между входом 12А масла и выходом 12В масла в основном связана с вязкостью масла. Поскольку масло стремится нагреваться по мере продолжения работы лопаточной машины 100, оно становится все более текучим, в результате чего действительная потеря напора ΔР резко уменьшается. Когда масло достигает температуры 65°C, термоклапан 18А начинает закрываться, при этом термоклапан 18А полностью закрывается при 80°C. Таким образом, в интервале между 65°C и 80°C увеличение действительной потери напора ΔР в основном связано с закрыванием термоклапана 18А, хотя текучесть масла продолжает увеличиваться.
Следует отметить, что во время закрывания термоклапана 18А действительная потеря напора ΔР становится больше 0,5 МПа, поэтому разгрузочный клапан 18В начинает открываться. Когда действительная потеря напора ΔР достигает и превышает 0,6 МПа, разгрузочный клапан 18В открывается полностью. Таким образом, когда масло имеет температуру 80°C, термоклапан 18А закрыт, тогда как разгрузочный клапан 18В полностью открыт.
Поскольку лопаточная машина 100 продолжает работать, температура и текучесть масла продолжают увеличиваться, поэтому действительная потеря напора ΔР уменьшается. Когда действительная потеря напора ΔР становится меньше 0,6 МПа, разгрузочный клапан 18В начинает закрываться, что показано в виде более «пологого» участка кривой между 80°C и 120°C. Затем потеря напора ΔР продолжает уменьшаться благодаря увеличивающейся текучести масла, поэтому разгрузочный клапан 18В постепенно закрывается.
Когда масло достигает 120°C, действительная потеря напора ΔР опять становится ниже 0,5 МПа, поэтому разгрузочный клапан 18В полностью закрывается. Отмечается, что сверх 120°C действительная потеря напора ΔР продолжает уменьшаться в основном по причине увеличивающейся текучести масла.
Следует отметить, что, если первый теплообменник 12 оказывается загрязненным и закупоренным, тогда как термоклапан 18А и разгрузочный клапан 18В закрыты, то действительная потеря напора ΔР может превысить 0,5 МПа, и разгрузочный клапан 18В откроется, выполняя таким образом функцию предохранительного клапана.
Хотя изобретение было описано со ссылками на конкретные примеры выполнения, разумеется, в эти примеры можно вносить изменения, не выходя за рамки общего объема изобретения, определенного формулой изобретения. В частности, отдельные признаки различных показанных/описанных вариантов выполнения можно комбинировать в дополнительных вариантах выполнения. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать в качестве иллюстраций, и они не являются ограничительными.
Кроме того, все отличительные признаки, касающиеся описанного(ых) способа(ов) можно транспонировать на описанное(ые) устройство(а), и, наоборот, все отличительные признаки, относящиеся к описанному(ым(устройству(ам), можно транспонировать на описанный(ые) способ(ы).