ТУРБОМАШИНА С ПУСКОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С РЕВЕРСИВНОЙ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ
TURBO-MACHINE WITH STARTING ENGINE WITH REVERSE VENTILATION AND CORRESPONDING COOLING METHOD

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение касается турбомашины (турбинного двигателя). В частности, изобретение относится к турбомашине вертолета, оснащенной пусковым электрическим двигателем и системой охлаждения электронных компонентов упомянутого электрического двигателя, и к соответствующему способу охлаждения.
2. Уровень техники
К уровню техники относятся, в частности, французская патентная заявка, опубликованная под номером FR-А1-2 992 630, и международная заявка, опубликованная под номером WO-А1-201007225.
В рамках так называемой гибридной работы турбомашины, которыми оснащен вертолет, могут быть переведены в дежурный режим во время полета, затем, в случае необходимости, можно произвести их повторный запуск. Повторный запуск этих турбомашин производят при помощи пускового электрического двигателя, который приводит во вращение приводной вал турбомашины через муфту свободного хода, которая может отключаться, начиная с определенной скорости вращения турбомашины. Электронные компоненты электрического двигателя охлаждаются системой охлаждения, содержащей крыльчатку вентиляции.
Когда вертолет приземляется, турбомашины выключаются. Поскольку динамическая или принудительная естественная вентиляция прекращается (так как вертолет остановили), температура турбомашины передается на электрический двигатель и на его электронные компоненты. В частности, температура электронных компонентов электрического двигателя, находящегося со стороны турбомашины, повышается и может привести к разрушению этих компонентов. Поскольку электрический двигатель связан с турбомашиной, его приведение во вращение для вентилирования вызвало бы вращение турбомашины, которое является нежелательным.
Таким образом, авторы изобретения нашли решения как снизить температуру электронных компонентов электрического двигателя.
3. Задачи изобретения
Задачей изобретения является устранение по меньшей мере некоторых недостатков известных турбомашин.
В частности, по меньшей мере в одном варианте выполнения изобретение направлено на обеспечение турбомашину, позволяющую уменьшать нагрев электронных компонентов пускового электрического двигателя ее системы запуска по время выключения турбомашины.
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить турбомашину, использующую меньшую мощность, чтобы уменьшить нагрев.
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить турбомашину, в которой электронные компоненты пускового электрического двигателя можно охлаждать без участия электрической энергии со стороны выключенной турбомашины.
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить также способ охлаждения электронных компонентов электрического двигателя турбомашины.
4. Раскрытие изобретения
Для решения этих задач предложена турбомашина (турбинный двигатель) вертолета, содержащая:
- по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере одну турбину и вал привода упомянутого компрессора и турбины,
- пусковой электрический двигатель, содержащий электронные компоненты и выполненный с возможностью приводить во вращение упомянутый приводной вал,
- систему охлаждения электронных компонентов электрического двигателя, включающую в себя радиатор охлаждения электронных компонентов и крыльчатку вентиляции, вращаемую электрическим двигателем,
отличающаяся тем, что:
- крыльчатка вентиляции является реверсивной крыльчаткой вентиляции, выполненной с возможностью генерировать воздушный поток в первом направлении, называемом прямым направлением, когда она вращается в первом направлении вращения, и воздушный поток в направлении, противоположном к прямому направлению и называемом противоположным направлением, когда она вращается во втором направлении вращения,
- турбомашина содержит муфту свободного хода, при этом упомянутая муфта свободного хода выполнена с возможностью передавать крутящий момент, производимый электрическим двигателем, на приводной вал, когда электрический двигатель вращается в первом направлении вращения и со скоростью, по меньшей мере равной скорости приводного вала, когда турбомашина работает и вращает приводной вал,
- электрический двигатель выполнен таким образом, чтобы в первом режиме работы и в первом направлении вращения, вращать, с одной стороны, приводной вал через муфту свободного хода и, с другой стороны, крыльчатку вентиляции для получения воздушного потока через радиатор в прямом направлении, и чтобы во втором режиме и в обратном направлении вращения вращать только крыльчатку вентиляции для получения воздушного потока через радиатор в противоположном направлении.
Таким образом, в момент своего выключения турбомашина обеспечивает вентиляцию электронных компонентов пускового электрического двигателя за счет вращения двигателя в обратном направлении. Благодаря муфте свободного хода, электрический двигатель, работающий в обратном направлении, не приводит во вращение турбомашину, а вращает только крыльчатку вентиляции.
Крыльчатка вентиляции является реверсивной и, следовательно, может создавать поток в двух направлениях посредством изменения направления своего вращения. Пример реверсивного крыльчатки вентиляции можно найти в патентной заявке, поданной заявителем и опубликованной под номером FR-А1-3 025 665.
Таким образом, в рамках заявленной турбомашины можно продолжать охлаждать пусковой электрический двигатель и электронные компоненты электрического двигателя, когда турбомашина выключена, изменяя направление вращения электрического двигателя на обратное. Это становится возможным, благодаря использованию муфты свободного хода и реверсивной крыльчатки вентиляции.
Предпочтительно, согласно изобретению, во втором режиме работы электрический двигатель получает питание от специальной батареи.
Согласно этому признаку изобретения, батарея обеспечивает питание электрического двигателя, поскольку он больше не получает питания ни от турбомашины (которая выключена), и от какого-либо другого оборудования вертолета, так как он стоит на месте.
Предпочтительно, согласно изобретению, скорость вращения крыльчатки вентиляции во втором режиме работы меньше скорости вращения крыльчатки вентиляции в первом режиме работы.
Согласно этому признаку изобретения, скорость вращения уменьшена таким образом, чтобы обеспечивать эффективную вентиляцию и ограничить явление нагрева электронных компонентов, но с использованием очень небольшой рабочей мощности, при этом мощность, необходимая для вращения крыльчатки вентиляции, увеличивается пропорционально кубу требуемой скорости вращения крыльчатки вентиляции.
В варианте изобретения, в котором питание осуществляет батарея, можно использовать батарею очень небольшой мощности и очень небольшой емкости.
Согласно предпочтительному варианту, скорость вращения крыльчатки вентиляции во втором режиме работы меньше или равна скорости вращения крыльчатки вентиляции в первом режиме работы. Этот вариант позволяет получить хороший компромисс вежду вентиляцией и потреблением электрической энергии.
Объектом изобретения является также способ вентиляции электронных компонентов пускового электрического двигателя турбомашины, при этом упомянутая турбомашина содержит:
- по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере одну турбину и вал привода упомянутого компрессора и турбины,
- упомянутый пусковой электрический двигатель, содержащий электронные компоненты и выполненный с возможностью приводить во вращение упомянутый приводной вал через муфту свободного хода,
- систему охлаждения электронных компонентов электрического двигателя, включающую в себя радиатор охлаждения электронных компонентов и крыльчатку вентиляции, вращаемую электрическим двигателем,
отличающийся тем, что, поскольку крыльчатка вентиляции является реверсивной, способ содержит:
- первый этап приведения в действие электрическим двигателем, с одной стороны, приводного вала через муфту свободного хода и, с другой стороны, крыльчатки вентиляции таким образом, чтобы генерировать воздушный поток через радиатор в прямом направлении,
- второй этап приведения в действие электрическим двигателем только крыльчатки вентиляции таким образом, чтобы генерировать воздушный поток через радиатор в направлении, противоположном к прямому направлению.
Предпочтительно, согласно изобретению, второй этап приведения в действие осуществляют после выключения турбомашины.
Предпочтительно, согласно изобретению, на втором этапе приведения в действие крыльчатка вентиляции вращается в первом направлении вращения или в противоположном направлении вращения, пока скорость вращения электрического двигателя ниже скорости вращения турбомашины, и только в противоположном направлении вращения, если скорость вращения электрического двигателя превышает или равна скорости вращения турбомашины.
Таким образом, когда электрический двигатель не приводит во вращение турбомашину по причине присутствия муфты свободного хода, двигатель может все же вращать крыльчатку вентиляции в одном или другом направлении вращения. Когда скорость вращения электрического двигателя превышает или равна скорости вращения турбомашины, срабатывает муфта свободного хода, и крыльчатка вентиляции вращается только в противоположном направлении.
Предпочтительно заявленная турбомашина выполнена с возможностью осуществления заявленного способа.
Предпочтительно заявленный способ предназначен для осуществления в заявленной турбомашине.
Объектами изобретения являются также турбомашина и способ, характеризующиеся в комбинации всеми или частью вышеупомянутых или описанных ниже признаков.
5. Список фигур
Другие задачи, признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид турбомашины согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 2 - график, показывающий температуру электронных компонентов пускового электрического двигателя турбомашины согласно известному решению и согласно заявленному решению.
6. Подробное описание варианта выполнения изобретения
Нижеследующие варианты выполнения являются примерами. Хотя описание ссылается на один или несколько вариантов выполнения, это не значит, что каждая ссылка касается одного и того же варианта выполнения или что признаки относятся только к одному варианту выполнения. Отдельные признаки различных вариантов выполнения можно также комбинировать, чтобы получить другие варианты. Для целей иллюстрации и для большей ясности масштабы и пропорции не фигурах строго не соблюдены.
На фиг. 1 схематично представлена турбомашина (турбинный двигатель) 10, содержащая, как известно, приводной вал 12, вращающий компрессор 14 и турбину 16, между которыми находится камера 18 сгорания, если рассматривать упрощенную схему турбомашины.
Для обеспечения быстрого повторного запуска турбомашины, например, при полете на вертолете, когда она была переведена в дежурный режим, пусковой электрический двигатель 20 соединен с приводным валом 12 через муфту 22 свободного хода (схематично показанную в виде кружка).
Муфта 22 свободного хода выполняет несколько функций: с одной стороны, она позволяет убедиться, что электрический двигатель приводит во вращение приводной вал, только когда электрический двигатель вращается в первом направлении вращения, и не вращает приводной вал, когда электрический двигатель вращается во втором направлении вращения, и, с другой стороны, отключается от приводного вала, когда он вращается на более высокой скорости, чем электрический двигатель.
Электрический двигатель 20 содержит электрические компоненты 24, которые нагреваются, с одной стороны, по причине своей работы и, с другой стороны, по причине близости турбомашины, выделяющей тепло во время своей работы.
Система охлаждения электронных компонентов электрического двигателя содержит радиатор 26, в данном случае состоящий из нескольких ребер снаружи электрического двигателя, которые вентилируются воздушным потоком, создаваемым крыльчаткой 28 вентиляции в первом, так называемом прямом направлении. Крыльчатка 28 вентиляции приводится во вращение напрямую электрическим двигателем.
Таким образом, вентиляция электрических компонентов 24 и, в целом, всех элементов, образующих турбомашину 10, частично производится естественным образом окружающим воздухом, когда вертолет оснащен турбомашиной и когда он находится в полете и в движении.
Согласно изобретению, крыльчатка 28 вентиляции является реверсивной, то есть она выполнена с возможностью генерировать воздушный поток в прямом направлении, когда она вращается в первом направлении вращения, и воздушный поток в направлении, противоположном к прямому направлению и называемом противоположным направлением, когда она вращается во втором направлении вращения.
Когда турбомашина (турбинный двигатель) 10 выключена, она больше не охлаждается за счет движения вертолета, и тепло, которое она накопила в результате сгорания газов, распространяется на электронные компоненты 24, причем этом тепло добавляется к теплу, выделяемому этими электронными компонентами 24 во время их работы, и приводит к общему нагреву электронных компонентов 24.
На фиг. 2 представлен график, показывающий температуру электронного компонента, в частности, диода, в зависимости от времени за первый период 30 в известной турбомашине и согласно известному способу охлаждения и за второй период 32 в турбомашине согласно первому варианту выполнения изобретения и согласно заявленному способу охлаждения. Такая же кривая получена для транзистора IGBT.
В известном решении, поскольку система охлаждения перестала быть активной, температура компонентов повышается в течение первого периода 30 времени, например, в данном случае примерно от 107°С до 115°С.
В рамках изобретения, в частности, в турбомашине 10 согласно описанному варианту выполнения, электрический двигатель приводится во вращение во втором направлении вращения. Таким образом, крыльчатка 28 вентиляции, которая является реверсивной, генерирует воздушный поток в противоположном направлении и снижает таким образом температуру электронных компонентов, например, от 107°С до 82°С.
Таким образом, в рамках заявленного способа крыльчатка вентиляции охлаждает компоненты на первом этапе, когда турбомашина находится в первом режиме работы, в котором она включена, и, благодаря своей реверсивности, охлаждает компоненты также на втором этапе, когда турбомашина находится во втором режиме работы, в котором она выключена.
Чтобы ограничить расход электрической энергии и мощность, используемую крыльчаткой вентиляции, она может вращаться на втором этапе на меньшей скорости. Например, в первом режиме работы крыльчатка вентиляции имеет номинальные показатели работы:
- Скорость вращения: 30000 об/мин.
- Создаваемый воздушный поток: 130 л/с
- Мощность: 1 кВт
Во втором рабочем режиме показатели работы могут быть уменьшены, например, на треть, что обеспечивает достаточную вентиляцию с соответствующим уменьшением используемой мощности:
- Скорость вращения: 10000 об/мин.
- Создаваемый воздушный поток: 43 л/с
- Мощность: 40 Вт
Это связано с тем, что мощность изменяется пропорционально кубу скорости вращения.
Для питания электрического двигателя во втором рабочем режиме турбомашина может содержать специальную батарею 34.
Для большей ясности электрический двигатель и система его охлаждения показаны лишь схематично. На практике, конструкция позволяет поместить электрический двигатель и крыльчатка вентиляции на одной оси, при этом электрический двигатель содержит радиаторы на своей боковой стороне, и крыльчатка вентиляции создает воздушный поток вокруг электрического двигателя на уровне радиаторов.