CN101688476A - 用于在寒冷天气起动涡轮轴发动机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，当在寒冷天气起动涡轮轴发动机(1)时，该方法包括将电动起动器(2)散发的至少一部分热能传递给涡轮轴发动机(1)的润滑回路(3)的液压流体并且禁用所述润滑回路(3)温度调节装置(9、10)。

Description

用于在寒冷天气起动涡轮轴发动机的方法和系统
本发明涉及用于在寒冷天气起动涡轮发动机的方法，和执行该方法的尤其是用于飞行器的涡轮发动机。
已知使用将驱动扭矩传递给涡轮发动机轴的起动器来起动涡轮发动机。这种驱动扭矩用于克服施加在所述轴上的所有抵抗扭矩，抵抗扭矩主要源于转动部件的气动阻力、接触部件的机械摩擦以及浸渍在与所述涡轮发动机相联的至少一个润滑和/或调热液压回路流体中的接触部件之间的粘滞摩擦所造成的损失。起动器逐渐加速涡轮发动机，当达到预定转速时，开始向涡轮发动机的燃烧室中注入燃料并使其点火。随后在另一预定转速下，起动器停止，涡轮发动机借助燃料的燃烧继续加速直至空转速度。
已知的起动器可以是气动类型(其中涡轮充有压缩空气)，但现在电动类型越来越多。在后一种情况下，这些起动器通常是同步机，在涡轮发动机起动阶段用作电机，在飞行器飞行时用作发电机。下面仅考虑电动类型的起动器。
很容易理解，在寒冷天气(例如当周边环境温度和与涡轮发动机相联的液压回路中的流体温度低于-20℃时)，所述流体凝固，因此极大增加了起动器必须克服的抵抗扭矩以起动所述涡轮发动机。当然，电动起动器必须能够在寒冷天气执行这类起动操作，这意味着为此而设定其功率。但是，必须指出，在飞行器的寿命中寒冷天气起动是相当罕见的事件，这意味着要么必须使用功率过高并因此对于多数起动过程很重的起动器，要么必须使用通过外部热源来加热涡轮发动机液压回路的程序。
由于飞机系统电力体系结构的原因，每个涡轮发动机有两个电动起动器，从而使具有超大质量和过高功率的飞行器电动起动器的缺点进一步加重。这样，即使在其中一个电动起动器故障时所述涡轮发动机仍然能够被起动。
此外，需要注意，很难精确预测寒冷天气中起动涡轮发动机时产生的粘滞抵抗扭矩。这取决于起动时涡轮发动机流体的确切温度、这种流体的质量和特性、与周边环境温度相关的接触机械部件的相对变形以及难以预测的其它参数。这就是为什么起动器是基于具有设计余量的抵抗扭矩曲线进行设计。但是，这种防范不能保证起动器的功率会覆盖飞行器会遭遇的所有寒冷天气起动情况。因此，在寒冷天气下使用者试图起动发动机之前，必须遵循特定程序，已证明这种程序对飞行器的可利用性以及操作性都不利，在起动涡轮发动机时不能防止失败。
为了弥补这些缺点，文献GB-A-2260577描述了使用电动起动器起动涡轮发动机的方法，所述涡轮发动机设有至少一个液压流体回路，用于润滑所述涡轮发动机的至少一些部件，根据该方法，当在寒冷天气起动所述涡轮发动机时，所述电动起动器产生的至少一些热能被传递给涡轮发动机润滑回路的液压流体。
因此，在寒冷起动时通过所述电动起动器加热涡轮发动机润滑回路的液压流体(机油)，以使所述液压流体的粘度降低，从而减小了这种流体产生的抵抗扭矩。这使起动时间缩短、起动器变小以及起动故障的风险降低。
本发明的目的是改进上述的已知方法，其中涡轮发动机润滑回路设有温度调节装置，能够除去所述涡轮发动机运行时散发的热量。在这种情况下，根据本发明，为了加速所述涡轮发动机润滑回路的液压流体的加热，在热能从电动起动器传递给涡轮发动机润滑回路的液压流体时禁用所述涡轮发动机润滑回路的所述温度调节装置。
虽然根据本发明的方法可以在不是特别低的温度下实施，实际上，当其中的温度至少在大约-20℃以下时热能从电动起动器传递给涡轮发动机润滑回路的液压流体。
通常，在起动器设有用于润滑所述起动器的至少一些部件的至少一个液压流体回路时，通过所述起动器润滑回路将热能从起动器传递给涡轮发动机润滑回路的液压流体是有利的。
另外，如果所述起动器润滑回路设有能够除去起动器运行时散发的热量的温度调节装置，那么优选在热能从电动起动器传递给涡轮发动机润滑回路的液压流体时禁用所述起动器润滑回路温度调节装置，直到涡轮发动机润滑回路的液压流体达到变热水平。
热能从起动器传递给涡轮发动机润滑回路的液压流体可以持续到发动机涡轮起动或者持续到这种液压流体的温度达到对应于所述流体的正常粘度的第一预定值。当所述热能传递设计成持续到直至起动时，如果涡轮发动机润滑回路的液压流体温度达到具有损坏发动机的风险的第二预定值，那么有利的是提供能够在所述起动之前中断所述热能传递的安全特征(部件)。
本发明还涉及使用电动起动器起动涡轮发动机的系统，所述涡轮发动机和所述起动器分别包括设有除热温度调节装置的液压润滑回路。根据本发明，为了在寒冷天气容易地起动所述涡轮发动机，所述系统的特征在于，其包括：
用于在起动器液压润滑回路和涡轮发动机润滑液压回路之间单向传递热能的可控装置；和
禁用涡轮发动机和起动器润滑液压回路的温度调节装置的可控装置。
在根据本发明的系统的替代实施例中，当飞行器停在地面上时，所述涡轮发动机润滑液压回路温度调节装置的一部分能够运转，有利的是：
所述起动器润滑液压回路自身不包括在飞行器停在地面上时能够运转的温度调节装置；以及
所述用于单向传递热能的可控装置提供所述起动器润滑液压回路和涡轮发动机液压回路温度调节装置的所述部分之间的连接，以在飞行器停在地面上时使所述部分提供用于所述起动器润滑液压回路的温度调节。
通过附图会容易地理解本发明如何被体现。在这些图中，相同的标记代表相似的元件。
图1的简图示出了用于涡轮发动机及其电动起动器以及用于其液压回路的已知系统的实施例。
图2，类似于图1，示出了用于改进图1的已知系统的本发明的第一实施例。
图3示出了用于改进图1的已知系统的本发明的第二实施例。
图1以矩形形式示意性描绘了用于飞行器(未示出)的旁路涡轮发动机1。涡轮发动机设有轴2，流动通过至少一个液压回路3的液压流体穿过轴2。
作为示例在图1中描绘的已知类型的回路3包括压力泵4、过滤器5、返回泵6、脱气器7以及液压流体(机油)储槽8。
回路3用于润滑涡轮发动机1的至少一些部件并且为后者提供合适的运行温度。因此，所述回路3包括能够冷却液压流体和调节其温度的至少一个设备。在描绘的实施例中，这通过下述实现：
空气/液压流体换热器9，能够将所述液压流体的热能散发在穿过涡轮发动机1或围绕所述涡轮发动机的气流F(冷扇流)中。这类换热器可以是板式或管式，或替代地可以是设置在涡轮发动机舱的壁上的表面型。当然，虽然直至飞行器停在地面上时换热器9仍然可以起作用，但主要在所述飞行器运动时起作用；以及
燃料/液压流体换热器10，能够将所述液压流体的热能散发在流过管路11的燃料流C中。换热器10可以在飞行器停在地面上时起作用，因为燃料温度通常低于所述液压流体温度。
此外，图1还以矩形形式示意性描绘了起动器/发电机类型的电动机12，它的轴13可以通过联结器14(以点划线绘出)接合于涡轮发动机1的轴2以起动所述涡轮发动机。与上述方式类似，电动机12通过流在至少一个液压回路15中的液压流体润滑及调节温度。
作为示例在图3中绘出的已知类型的回路15包括压力泵16、液压流体储槽17、空气/液压流体换热器18(类似于上述换热器9)以及燃料/液压流体换热器19(类似于上述换热器10)。
可以容易地理解，在运行时，涡轮发动机1和电动机12能够分别通过回路3和15润滑和调节温度。
本发明的一个目的是改进图1的已知系统，首先，在寒冷天气下回路3的液压流体温度很低时，特别是在-20℃以下时，通过电动机12改进涡轮发动机1的起动；其次，除去电动机12在地面上时散发的热能。
图2绘出了根据本发明的系统I的第一实施例，这是对图1的系统的改进。图2同样示出了上述所有的元件1-19、F和C。
另外，系统I包括：
换热器20，设置在液压回路3和15之间，在回路15一侧，通过受控于可控阀22的旁路21可以禁用换热器20；
可控旁路23、24、25，分别平行于换热器9和10以及过滤器5安装，从而能够禁用液压回路3的这些元件的功能；以及
可控旁路26和27，分别平行于换热器18和19安装，从而能够禁用液压回路15的这些换热器的功能。
当在正常温度条件下通过起动器12起动涡轮发动机1时，旁路12在可控阀22的作用下打开，使得液压回路3和15之间没有通过换热器20的热连接。另外，旁路23-27被关闭以使元件9、10、5、18和19不被禁用。从换热角度看，图2的系统I于是处于与图1的已知系统相同的条件下。
相反，当在寒冷天气通过起动器12起动涡轮发动机1时，阀22用于禁用旁路21并使回路15的液压流体穿过换热器20。回路3的液压流体因此被回路15的液压流体加热，也就是说，通过起动器12散发的热能，如上所述，促使或甚至允许涡轮发动机1起动。通过打开相应的旁路23-27来使元件5、9、10、18和19于是短路，可以促进和加速回路3的液压流体的这种加热。
旁路21关闭以及旁路23-27打开的这种寒冷天气起动条件可以被维持直至回路3的液压流体温度达到预定值，或替代地直至发动机1起动。
在后一种情况下，如果液压回路的流体温度达到具有损坏所述涡轮发动机的风险的温度时，通过操作阀22来打开旁路21就会中断热传递。另外，旁路24以及有可能旁路23会随后关闭，从而致动相应的换热器10、9。另外，同样可以激活换热器19以及有可能换热器18。
在图3示出的系统II的本发明的实施例的替代形式中，还同样见到图2的系统I的所有元件，但除了换热器19(主要是停在地面上时起作用)及其旁路27。在系统II中，整个换热器20、旁路21和阀22组件不仅如上所述在寒冷起动过程中用于加热液压回路3的流体，还允许涡轮发动机1的回路3的换热器10(以及有可能换热器9)在正常温度起动过程中用作换热器19。
在图3的系统II中，一旦起动器12被致动并且无论温度条件如何，阀22就关闭旁路21以使热能从液压回路15传递给液压回路3。只要液压回路3的流体温度在预定值之下，换热器10的旁路24(以及有可能换热器9的旁路23)保持打开，禁用所述换热器10(9)。相反，一旦温度达到该预定值，旁路24(23)关闭，换热器10(9)除去燃料C中的热量。
虽然上述实施例采用与旁路21以及可控阀22相联的换热器20的形式描述了液压回路15和3之间的单向热能传递装置，不用说也可以用其它类型的换热器例如热虹吸管来替代这些装置，因此可以省略所述可控阀。另外，这些单向传递装置可以是双份的以在故障时提供备份，并且有利的是它们可以设置在槽8中以更加有效。

Claims (9)

1.使用电动起动器(12)起动涡轮发动机(1)的方法，所述涡轮发动机设有至少一个液压流体回路，用于润滑所述涡轮发动机(1)的至少一些部件，在该方法中，当在寒冷天气起动所述涡轮发动机(1)时，所述电动起动器(12)产生的至少一部分热能被传递给所述涡轮发动机(1)的润滑回路(3)的液压流体，
其特征在于，所述涡轮发动机(1)的润滑回路(3)设有温度调节装置(9、10)，能够除去所述涡轮发动机(1)运行时散发的热量，在热能从电动起动器(12)传递给涡轮发动机(1)的润滑回路(3)的液压流体时禁用所述温度调节装置(9、10)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，当其中的温度至少在大约-20℃以下时热能从电动起动器(12)传递给所述涡轮发动机(1)的润滑回路(3)的液压流体。
3.根据权利要求1或2的方法，使用起动器(12)来执行，所述起动器(12)设有用于润滑所述起动器(12)的至少一些部件的至少一个液压流体回路(15)，其特征在于，通过所述起动器(12)的润滑回路(15)将热能从起动器(12)传递给涡轮发动机(1)的润滑回路(3)的液压流体。
4.根据权利要求3的方法，使用起动器(12)来执行，所述起动器(12)的润滑回路(15)设有能够除去起动器(12)运行时散发的热量的温度调节装置(18、19)，
其特征在于，在热能从电动起动器(12)传递给涡轮发动机(1)的润滑回路(3)的液压流体时禁用所述起动器(12)的润滑回路(15)的温度调节装置(18、19)。
5.根据权利要求1-4之一的方法，其特征在于，热能从起动器(12)持续传递给涡轮发动机(1)的润滑回路(3)的液压流体，直至所述润滑回路(3)的液压流体的温度达到对应于所述流体的正常粘度的第一预定值。
6.根据权利要求1-4之一的方法，其特征在于，热能从起动器(12)持续传递给涡轮发动机(1)的润滑回路(3)的液压流体，直至所述涡轮发动机(1)起动。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，
如果该液压流体温度达到具有损坏所述涡轮发动机(1)的风险的第二预定值，在所述涡轮发动机起动之前中断从起动器(12)到涡轮发动机(1)的润滑回路(3)的液压流体的热能传递。
8.使用电动起动器(12)起动涡轮发动机(1)的系统，所述涡轮发动机(1)和所述起动器(12)分别包括设有除热温度调节装置(8、9；18、19)的液压润滑回路(3、15)，其特征在于，包括：
用于在起动器(12)的液压润滑回路(15)和涡轮发动机(1)的润滑液压回路(3)之间单向传递热能的可控装置(20、21、22)；和
禁用涡轮发动机(1)和起动器(12)的润滑液压回路(3、15)的温度调节装置(8、9；18、19)的可控装置。
9.根据权利要求8的系统，其中当飞行器停在地面上时，所述涡轮发动机(1)的润滑液压回路(3)的温度调节装置的一部分(10)能够运转，其特征在于：
所述起动器(12)的润滑液压回路(15)自身不包括在飞行器停在地面上时能够运转的温度调节装置；以及
用于单向传递热能的所述可控装置(20、21、22)提供所述起动器(12)的润滑液压回路(15)和涡轮发动机(1)的液压回路(3)的温度调节装置的所述部分(10)之间的连接，以在飞行器停在地面上时使所述部分(10)提供用于所述起动器(12)的润滑液压回路(15)的温度调节。
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