CN103328779B - 提供润滑油的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及向涡轮机供给润滑油的领域，特别涉及到向涡轮机(1)供给润滑油的一种方法和一种装置(10)，所述涡轮机(1)带有第一组轴承(6L)和第二组轴承(6H)。第一组轴承和第二轴承都收受润滑油，第二组轴承(6H)的工作温度高于第一组轴承。第二组轴承(6H)以高于第一组轴承的温度来收受润滑油。

Description

提供润滑油的方法和装置
技术领域
本发明说明书涉及到供给润滑油的方法、系统和装置领域，特别涉及到涡轮机。
背景技术
在许多涡轮机中，而且特别是在涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮泵发动机，或涡轮压气机中，可以区分出温度明显不同的两个区域。为此，在航空用的涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机，以及涡轮螺旋桨发动机中，通常可以区分装有压气机的相对较冷的区域和设有燃烧室和涡轮的相对较热的区域。另外，这种涡轮机通常在低温区和高温区都布置有轴承，用来支撑旋转部件，特别是驱动轴。因此，在一台涡轮机中，第一组轴承是以较低温度工作，而第二组轴承则以较高温度工作。如此处所使用的，术语“轴承组”并不一定是指多个轴承，而是可以同样选择只有一个轴承的轴承组。
通常，共用供给管路用来将润滑油送到第一组和第二组轴承。为了排除轴承带给润滑油的热量，并在涡轮机运行时保持润滑油的温度，供给管路通常装有热交换器，润滑油在热交换器内冷却后被送至轴承，例如，所述热交换器可以是空气/润滑油热交换器或燃油/润滑油热交换器，这样，可将润滑油中的热量分别排放到环境空气中或燃油管路上。
这种热交换器是一种比较复杂、笨重且体积大的装置。不幸的是，特别是在航空应用中，则期望将这些缺陷降到最低限度，特别是，期望最大限度地降低重量。
发明内容
为此，本发明旨在提供一种向涡轮机供给润滑油的方法，该方法可以降低对润滑油的冷却要求，同时也可减少对与之相关的热交换器的重量、体积和复杂程度的要求。
在至少是第一个实施方式中，该目的可以通过如下方式实现，在带有第一组轴承和第二组轴承的涡轮机中，第二组轴承的工作温度高于第一组轴承，第二组轴承接受润滑油的温度高于第一组轴承的温度。
采用这些方式，可以降低第二组轴承和所输送润滑油之间的温度差。因为从第二组轴承到润滑油的热量传输取决于该温度差，该热量传输同样会降低，这样，润滑油冷却的整体要求就降低了。
在某些实施方式中，润滑油是在第一组轴承上游的热交换器内冷却的。这样，润滑油所吸收的至少部分热量便可被排出，从而稳定了润滑油的温度，不必对流向第二组轴承的润滑油进行冷却。
在某些实施方式中，润滑油流是在第二组轴承上游被加热，这种加热是在与从第二组轴承返回的润滑油流交换热量而获得。为此，可以增加输送到第二组轴承的润滑油的温度，同时，对从第二组轴承返回的润滑油进行了冷却，从而有助于降低从第二组轴承到润滑油的整个热量传输。
在某些实施方式中，第一管路向第一组轴承供给润滑油，而第二管路向第二组轴承供给润滑油，但第二管路是从第一管路分支而来，这样，可以以不同方式对每组轴承的润滑油进行处理，具体是，可以对由第一管路输送给第一组轴承的润滑油进行冷却，和/或对输送给第二组轴承的润滑油进行加热，例如，通过与从第二组轴承返回的润滑油流进行热交换。
本发明说明还涉及到向涡轮机供给润滑油的装置，所述涡轮机带有第一组轴承和第二组轴承，所述第二组轴承适合以高于所述第一组轴承的温度工作。
在至少一个实施例中，所述装置布置成以高于第一组轴承的温度向第二组轴承供给润滑油。这样，较热的第二组轴承和润滑油之间的热量传输就可以减少，从而降低了润滑油冷却的总体需求。
在某些实施例中，所述装置设有向第一组轴承供给润滑油的第一管路，和向第二组轴承供给润滑油的第二管路，第一管路的分叉处通向第二管路。为此，在该分叉处，可以形成两条不同的润滑油流，第一润滑油流通过第一管路被送到第一组轴承，而较热的第二润滑油流通过第二管路送到第二组轴承。特别是，第一管路设有位于所述分叉处和第一组轴承之间的热交换器，用来对送给第一组轴承的润滑油进行单独冷却，不会影响送到较热的第二组轴承的润滑油的温度。同样，第二管路也设有热交换器，用来将从第二组轴承返回的润滑油流的热量传输给第二组轴承的润滑油流，从而增加了送给第二组轴承的润滑油的温度，同时又可降低从第二组轴承返回的润滑油的温度。
然而，在某些实施例中，可以考虑管路和热交换器的其它布置形式。例如，第二管路可以完全与第一管路分开，而不是第一管路的分支。第一和第二管路的热交换器也可以集成到装置中，彼此独立。甚至还可以设想一个热交换器，对第一管路和第二管路之间分叉处上游的润滑油进行冷却，以便对第二组轴承的至少部分润滑油流进行冷却。
本发明说明还涉及到一种涡轮机，所述涡轮机装有第一组轴承、适合以高于第一组轴承温度工作的第二组轴承，以及以高于第一组轴承的温度向第二组轴承供给润滑油的装置，同时也涉及到包括这种发动机的涡轮发动机装置，特别是航空用涡轮发动机装置。术语“涡轮发动机装置”不仅用于涡轮轴发动机，还用于涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，带或不带旁路。
通过这些布置，可以降低涡轮机及这种涡轮发动机装置的重量、尺寸、成本和复杂性。
通过阅读以非限定性示例给出的如下实施例详细说明，可以更好地理解本发明，本发明的优点会更清楚地显现出来。所述发明说明参照附图。
附图说明
图1为涡轮机纵向剖面图；
图2为现有技术润滑油供油装置示意图；
图3A,3B,3C,和3D为示意图，分别给出了构成第一、第二、第三和第四实施例的润滑油供油装置；以及
图4为再生热交换器示意图。
具体实施方式
图1示出了一种涡轮机1，更具体地说，该涡轮机是旋翼飞机涡轮轴发动机装置的组成部分。涡轮机1包括装有压气机2的低温段L和装有燃烧室3和涡轮4的高温段H。涡轮4和压气机2通过驱动轴5连接到一起，后者通过多个轴承来支撑，包括位于低温段L的第一组轴承6L和位于高温段H的第二组轴承6H。根据其位置，高温段H的轴承6H的温度明显高于低温段L的轴承6L的温度。
为了对轴承6L和6H进行润滑，这种发动机通常还包括向轴承供给润滑油的装置。图2示出了一种现有技术的这种装置。这种润滑油供油装置110包括油箱111和公共润滑油管路112，用来向低温段的轴承6L和高温段H的轴承6H供油，以及管路113，用来将来自轴承6L和6H的润滑油送回至油箱111。润滑油供油管路112和润滑油回油管路113均可包括传统的控制和/或监测装置（图中未示），用来循环润滑油和监测管路112和113内的压力、温度、颗粒等，诸如泵、阀件、止回阀、和/或滤清器。此外，供油管路112带有热交换器114，用来冷却润滑油和排除轴承6L和6H内所吸收的热量。例如，热交换器114可以是用来将润滑油的热量排放至环境空气中的润滑油/空气热交换器，用来将来自润滑油的热量排放至发动机燃油管路中的润滑油/燃油热交换器，或者是二者的结合形式。
采用这种现有技术的润滑油供油装置110时，那么，润滑油以大体相同的温度被送到轴承6L和6H。然而，由于高温段H内的轴承6H的温度明显高于低温段L的轴承6L的温度，与轴承6L相比，轴承6H内的润滑油会更极度地被加热。
为此，当整个润滑油流量Dg等于每小时450升(L/h)时,例如，对于轴承6L和6H，分别在流量DL为300L/h和流量DH为150L/h之间均分，且以111°C常温Ti送至两组轴承时，润滑油流DL收到来自轴承6L的热动力PL为1.7千瓦(kW),从而加热到等于121°C的温度To,L，而润滑油流收到来自轴承6H的热动力为4.9kW，从而加热到171°C的温度To,H。这两部分润滑油流在油箱111内再次混合，于是，在油箱内，润滑油防止--例如138°C---的中间温度TR。为了将整个润滑油流Dg冷却到初始温度Ti，热交换器114因此必须排除热动力PT，该热动力大约等于热动力PL和PH的和，即，如上示例，数值为6.6kW。特别是，为了排除轴承6H传输到润滑油中的热通量，为此，而避免过热和可能的结焦和/或润滑油的加速老化，热交换器114的尺寸需要相当大。
图3A示出了润滑油供油装置10的第一个实施例，与现有技术相比，该装置可降低润滑油冷却要求。这种润滑油供油装置10带有油箱11、将润滑油供给低温段L内轴承组6L的第一供油管路12L、将润滑油供给高温段H内轴承组6H的第二供油管路12H、将来自轴承组6L的润滑油送回油箱11的第一回油管路13L、以及将轴承组6H的润滑油送回油箱11的第二返回管路13H。第二供油管路12H在分叉处20与第一供油管路12L分开。正如现有技术中那样，每个管路12H、12L、13H和13L可以安装传统装置(图中未示)，用来通过管路12H、12L、13H和13L来驱动和控制润滑油循环，诸如泵、阀件、止回阀、和/或滤清器。
在该第一实施例中，第一供油管路12L包括位于分叉处20上游的热交换器14，用来对送至两组轴承6H和6L的润滑油进行冷却。例如，该热交换器14可以是将润滑油热量排放至环境空气中的润滑油/空气热交换器，将润滑油热量排放至发动机燃油管路中的润滑油/燃油热交换器，或者是二者的结合形式。
另一个交换器30位于供油管路12H和回油管路13H之间，以便对送给轴承6H的润滑油进行加热，所用热量来自轴承6H返回的润滑油中采集的热量。这种再生热交换器30可采用特别简单的方式来制成，即共轴管道31和32，分别用于润滑油的往返方向，如图4所示。
采用这种装置10时，发动机1高温段H轴承6H和低温段L轴承6L以基本不同的温度来接受润滑油。更具体地说，通过管路12H送到轴承6H的润滑油都比管路12L送到轴承6L的润滑油要热。因此，轴承6H和工作时通过管路12H送到其处的润滑油之间的温度差就小于现有技术装置110，从而降低了从轴承6H到润滑油的热量传输，并进而降低了对润滑油冷却的总体要求。为此，热交换器14的尺寸小于现有技术装置110的热交换器114。
比较而言，在相当于带有上述装置110的发动机上，低温段L轴承组6L和高温段H轴承组6H可收到各自流量DL和DH的润滑油，分别等于300L/h和150L/h。然而，可以降低热交换器14排出的热动力PT，例如，降低了5.8kW，与现有技术装置110的热交换器114相比，这表示降低了12%。在油箱11内的润滑油温度TR相同(在本示例中，为138°C)情况下，整体流量Dg在热交换器14内仅被冷却到温度Ti,L，该温度高于现有技术装置110的温度Ti，例如，降到温度Ti,L为115°C。送至轴承6L的润滑油流DL以该温度Ti,L输送，轴承6L内一旦收到润滑油，来自轴承6L的热量同样为1.7kW的热动力PL以温度To,L返回到油箱11，该温度To,L高于现有技术的比较示例，例如，温度To,L为125°C。
然而，送到轴承6H的润滑油流DH通过从轴承6H返回的润滑油在热交换器30内被加热至温度Ti,H，该温度高于温度Ti,L。例如，温度Ti,H可以是135°C。在以该较高温度Ti,H送到轴承6H后，很明显，润滑油流DH吸收的热动力PL较少，因为温度差较小。采用该示例给出的数值，该热动力PL可以不大于4.1kW。然而，一旦离开轴承6H，润滑油也会达到温度To,H，该温度高于现有技术的比较示例。在该实施例中，例如，温度To,H可以是185°C。然而，因为从轴承6H返回的润滑油的一部分热量被传输给到达热交换器30的润滑油中，该润滑油流DH在返回至油箱时的温度低于现有技术的比较示例的温度Tr,H。例如，温度Tr,H可以是165°C。
为此，由于润滑油达到轴承6H内的较高温度，为了降低所吸收的热动力量，目前降低所吸收热动力的主要限制因素是润滑油可能达到的最高温度。通常，由于航空润滑油的结焦温度范围在180°C至210°C，温度To,H正常应在该范围内，刚刚低于所使用的润滑油的结焦温度。除了润滑油结焦风险外，其它有关轴承6H内润滑油最大温度的限制因素是轴承6H本身所能承受的最大温度，假定这些轴承都是采用承受高温特别好的材料制成，诸如法国航空标准AIR9160规定的M50和M50NiL低碳钢，32CDV13渗氮钢，或者陶瓷材料。
图3B示出了另一种实施例，该实施例未在轴承6H的上游和下游设热交换器30，但是，在该实施例中，热交换器14布置在分叉处20下游的管路12L内。在该第二个实施例中，热交换器14因此只对送到轴承6L的润滑油流进行冷却。为此，即使不设第一个实施例中的附加热交换器，送到轴承6H的润滑油比送到轴承6L的润滑油要热，因为热交换器14只冷却了该润滑油。因此，润滑油的冷却要求较宽松。
比较而言，在相当于带有上述装置110的发动机上，低温段L轴承组6L和高温段H轴承组6H可收到各自流量DL和DH的润滑油，例如，这些流量同样分别为300L/h和150L/h。为此，同样可降低热交换器14排出的热动力PT，例如，降低到5.5kW，与现有技术装置110的热交换器114相比，这表示降低了16%。在油箱11内润滑油的温度TR相同(在本示例中，为138°C)情况下，热交换器14只冷却润滑油流DL，即使在排除较少热量时，然而，该热交换器会使温度Ti,L降低到现有技术说明Ti以下，例如，降低到104°C。在轴承6L内吸收的热动力大体相同的情况下，该润滑油流DL以温度To,L返回至油箱11，该温度低于现有技术温度。例如，在该实施例中，返回至油箱11的润滑油流DL的温度To,L可以是114°C。
此外，即使在管路12H热损耗很小的情况下，润滑油流DH会以温度Ti,H送到轴承6H，该温度几乎并不低于油箱11内润滑油的温度TR，而且，该温度高于温度Ti,L。例如，在该实施例中，温度Ti,H可以是135°C。即使在温度To,H高于轴承6H出口处温度的情况下，例如，温度185°C，润滑油流DH仅吸收来自轴承6H的相对有限数量的热动力PL。为此，按照所示示例给出的数值，热动力PL限定为4.2kW。
图3C所示为第三个实施例，该实施例结合了第一个和第二个实施例的特性。为此，热交换器14位于分叉处20的下游，如第二个实施例，但是装置10还包括热交换器30，后者位于供油管路12H和回油管路13H之间，如第一个实施例。因此，可冷却送往轴承6L的润滑油和送往轴承6H的润滑油。在送到轴承6H的润滑油流量和送到轴承6L的润滑油流量之间存在比率,对于提供较大比率的装置来讲，该第三个实施例更为有利。
最后，图3D示出了第四个实施例，其类似于第一个实施例，但是，热交换器14位于第一个与第二个回油管路13L，13H和油箱11之间。于是，润滑油在油箱上游而不是在下游冷却，根据油箱11的热特性、容量，和润滑油循环流量，这种方式在一定程度上比第一实施例的布置更有效。
虽然上面结合具体实施例介绍了本发明，但很清楚，所述这些实施例都可以进行各种不同程度的改进和改动，但都没有超出权利要求所确定的本发明的一般范围。特别是，所示各个实施例的具体特性都可以结合到其它另外的实施例中。为此，本发明说明和附图应被视为举例说明，而不是限定性的。

Claims (10)

1.一种向涡轮机(1)供给润滑油的供油方法，所述涡轮机(1)带有至少一个第一组轴承(6L)和第二组轴承(6H)，第一和第二组轴承都收受润滑油，第二组轴承(6H)的工作温度高于第一组轴承，所述方法的特征在于，第二组轴承(6H)的润滑油供油温度高于第一组轴承。
2.根据权利要求1所述的润滑油供油方法，其特征在于，润滑油流是在第一组轴承(6L)上游的热交换器(14)内冷却的。
3.根据权利要求1或2所述的润滑油供油方法，其特征在于，润滑油流是在第二组轴承(6H)上游加热的，该加热是与从第二组轴承(6H)返回的润滑油流进行热交换而获得。
4.根据权利要求1所述的润滑油供油方法，其特征在于，第一组轴承(6L)是通过第一管路(12L)来向其供给润滑油，而第二组轴承(6H)是通过第二管路(12H)来向其供给润滑油，第二管路是第一管路的分支。
5.一种向涡轮机(1)供给润滑油的装置(10)，所述涡轮机(1)带有第一组轴承(6L)和第二组轴承(6H)，所述第二组轴承的工作温度高于所述第一组轴承，所述装置(10)的特征在于，其布置成以高于第一组轴承的温度来向第二组轴承供给润滑油。
6.根据权利要求5所述的装置(10)，带有第一管路(12L)，用来向第一组轴承(6L)供给润滑油，和第二管路(12H)，用来向第二组轴承(6H)供给润滑油，第一管路(12L)带有通向第二管路(12H)的分叉处(20)。
7.根据权利要求6所述的装置(10)，其特征在于，第一管路(12L)包括位于分叉处(20)和第一组轴承(6L)之间的热交换器(14)，为的是对第一组轴承(6L)的润滑油流进行冷却。
8.根据权利要求6所述的装置(10)，其特征在于，第二管路(12H)带有热交换器(30)，用来将从第二组轴承(6H)返回的至少润滑油流的热量传输到供给第二组轴承(6H)的润滑油流。
9.一种涡轮机(1)，带有第一组轴承(6L)、适于以高于第一组轴承的温度工作的第二组轴承(6H)，和根据权利要求5至8任一项所述的润滑油供油装置10)。
10.一种涡轮发动机装置，其包括根据权利要求9所述的涡轮机(1)。
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