CN103770946A - 用于使能悬停的飞行器的传动装置冷却的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于使能悬停的飞行器（1）的传动装置（6）冷却的系统（7），该系统包括：定子（3）；热交换器（8），能热连接至传动装置（6）；风扇（9），用于形成从热交换器（8）到风扇（9）自身的第一载热流体的流（P），以从热交换器（8）去除热；旋转件（10），该旋转件围绕轴线（A）旋转，以使风扇（9）的叶轮（20a）围绕轴线（A）旋转；以及轴承（16），支撑旋转件（10）围绕轴线（A）的旋转；该系统（7）还具有用于使轴承（16）冷却的冷却装置，并且冷却装置则具有引导装置（40；42、41、30、29），引导装置用于沿着轴承（16）之外的外部环境（50）到轴承（16）自身的路径引导第二载热流体的流（Q），以便使轴承冷却。

Description

用于使能悬停的飞行器的传动装置冷却的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于使能悬停的飞行器的传动装置冷却的系统。

本发明还涉及到一种使能悬停的飞行器（例如直升机）的传动装置冷却的方法。

背景技术

如已知的，直升机通常配备有多个传动装置，以用于将功率从一个或多个涡轮机传递至主旋翼（rotor）和/或尾旋翼和/或传递至各种附属装置（例如，用于对机载仪表提供动力的操作的附属装置）。

润滑流体（通常为油）以已知的方式在传动装置内循环，以润滑和冷却活动部件。

为了进行有效的润滑和冷却，必须使在传动装置内循环的润滑流体冷却。

因此，直升机配备有冷却系统，该冷却系统大致包括：

-热交换器，用于在传动油与冷却系统内循环的空气之间进行热交换；以及

-风扇，用于形成从热交换器到风扇自身的气流。

更具体来说，气流从热交换器吸取热并且因此从传动装置吸取热，并且在大约125℃的温度下流过风扇。

该冷却系统还包括：

-壳体；

-轴，连接到驱动件以使风扇旋转；以及

-一个或多个轴承，相对于所述壳体支撑轴。

从热交换器到风扇的热气流对轴承周围的区域进行加热，从而降低了轴承的工作寿命和可靠性。

因此行业内存在对用于在不损害风扇轴的轴承的工作寿命和可靠性的情况下使直升机传动装置冷却的系统的需要。

在GB591,982和KR-A-20100109717中描述了已知的直升机传动装置冷却系统。

EP-A-2409919披露了一种用于使飞行器的传动装置冷却的系统，该系统包括：定子（stator）；风扇，用于产生朝向热交换器的载热流体的流；轴，围绕一轴线旋转以使风扇的叶轮（impeller）旋转；以及轴承，支撑所述轴相对于转子围绕轴线旋转。

由于风扇产生朝向热交换器指向的载热流体的流的事实，EP-A-2409919中的轴承不会产生过热的实质性风险。

发明内容

本发明的目的是提供一种直升机传动装置的冷却系统，该系统设计成以简单的低成本的方式来满足上述需求。

根据本发明，提供一种用于使能悬停的飞行器的传动装置冷却的系统，该系统包括：

-定子；

-热交换器，能热连接至所述传动装置；

-风扇，用于形成从所述热交换器至风扇自身的第一载热流体的流，以从所述热交换器去除热；

-旋转件，该旋转件围绕轴线旋转，以使所述风扇的叶轮围绕所述轴线旋转；以及

-轴承，支撑所述旋转件围绕所述轴线且相对于所述定子进行旋转；

该系统的特征性地包括用于冷却所述轴承的冷却装置；所述冷却装置包括引导装置，该引导装置用于沿着从所述轴承之外的外部环境至所述轴承自身的路径引导第二载热流体的流，以便冷却该轴承。

本发明还涉及一种使能悬停的飞行器的传动装置冷却的方法，该方法包括以下步骤：

-通过旋转件来操作冷却系统的风扇的叶轮，该旋转件围绕轴线旋转并且相对于所述系统的定子由轴承支撑；以及

-形成从能热连接至所述传动装置的热交换器到所述风扇的第一载热流体的第一流，以从所述热交换器吸取热；

所述方法特征性地包括冷却所述轴承的步骤；

所述冷却步骤包括以下步骤：沿着从所述轴承之外的外部环境至轴承自身的路径引导第二载热流体的第二流。

附图说明

将参照附图以实例的方式描述本发明的优选非限制性实施例，附图中：

图1示出了包括根据本发明的冷却系统的直升机的立体图；

图2示出了图1的冷却系统的轴向截面；

图3示出了图1的冷却系统，其中为了清楚起见去除了一些部件。

具体实施方式

图1中的数字1表示包括两个涡轮机2、主旋翼4、以及尾旋翼5的直升机。

直升机1还包括多个辅助传动装置6，用于将功率从涡轮机2中的一个传递至相应的已知附属装置（未示出），例如，用于向相应机载设备提供动力。

传动装置6中的一个是在专利申请05425470.1中描述的类型。

直升机1还包括用于使在传动装置6内循环的润滑流体冷却的冷却系统7。

系统7（图2和图3）大致包括：

-定子3；

-换交换器（例如辐射器）8，热连接至传动装置6并且邻近于该传动装置；

-风扇9；以及

-轴10，围绕轴线A旋转。

风扇9位于热交换器8的下游，并且大致包括：叶轮20a，通过轴10而围绕轴线A旋转；以及扩散器20b，相对于轴线A固定并且位于叶轮20a的下游。

风扇9使载热流体（在所示实例中为定子3内的热空气）的流P（由图2中的灰箭头指示）从热交换器8循环至扩散器20b，以从传动装置6吸取热并使该传动装置的润滑油冷却。

在流P的流动方向上，定子3大致包括：

-壳体11，通过凸缘35固定至传动装置6的固定部分；

-管状本体23，固定于壳体11并且形成扩散器20b的一部分；以及

-出口管13（在图2和图3中仅示意性示出），连接至管状本体23并且位于风扇9的与热交换器8相对的侧上。

更具体来说，壳体11包括：

-弯曲部分33，该弯曲部分限定面向热交换器8的入口12并且容纳风扇9；以及

-轴向部34，从部分33伸出并且通过凸缘35连接至传动装置6的固定部分。

更具体来说，部分33介于热交换器8与扩散器20b的管状本体23之间。

在所示实例中，壳体11是弯曲的和/或由铝制成。

轴10部分地容纳在部分33中且部分地容纳在部分34中。

叶轮20a大致包括：

-主要呈径向的壁14，固定至轴10；

-壁15，相对于轴线A倾斜并且从壁14的两侧延伸；以及

-多个叶片19，所述叶片围绕轴线A成角度地间隔开，在与壁14相对的侧上从壁15径向地伸出，并且通过环形间隙而与部分33的壁分离、邻近于扩散器20b且与热交换器8相对。

叶片19与壳体11内的热空气相互作用，以在入口12处形成低压，并且因此形成流P。

叶轮20a在内部限定容纳轴承16的腔体29。

由于被流P扫过，叶轮20a在系统7的工作过程中升温并且将热传递到轴承16，轴承因此在大约125℃的温度下工作。

在流P的从热交换器8到扩散器20b的方向上，叶轮20a还包括：

-环形的入口区段37，位于叶片19的上游，并且在壁15的位于叶片19上游的部分与壳体11的部分33的内壁之间径向地延伸；以及

-环形的出口区段38，位于叶片19的下游，并且在壁15的位于壁14下游的部分与壳体11的部分33的内壁之间径向地延伸。

在所示实例中，叶轮20a的反应使得出口区段38处于比外部环境50低的压力下。

风扇9使压力径向地分布在腔体29内。

更具体来说，在风扇9运行时，腔体29的靠近轴10的径向最靠内的区域处于比风扇9的入口区段37低的压力下。

扩散器20b大致包括：

-拱形（ogival，卵形）本体21，在远离热交换器8的方向上从风扇9径向地逐渐变细；

-多个肋22，从拱形本体21朝向轴线A伸出；

-管状本体23，围绕拱形本体21；以及

-多个叶片26，围绕轴线A成角度地间隔开并且在管状本体23与拱形本体21之间延伸。

管状本体23和拱形本体21限定用于流P的入口区段24和出口区段25。

入口区段24和出口区段25相对于轴线A是环形的。

扩散器20b的入口区段24径向地限定在管状本体23的面向风扇9的轴向端部27与拱形本体21的面向风扇9的端部28之间。

扩散器20b的出口区段25径向地限定在管状本体23的与端部27相对的端部31和拱形本体21的对应部分32之间。

在所示实例中，管状本体23为以A为轴线的截头锥形，并且从端部27朝向端部31逐渐变细。

拱形本体21在内部限定腔体30，该腔体在远离叶轮20a的方向上从端部28径向地逐渐变细。

腔体30在叶轮20a侧上是敞开的并与腔体29流体连通，并且在与叶轮20a相对的侧上是封闭的。

轴承16容纳在腔体29的相对于叶轮20a的壁15径向向内的部分中。

轴承16径向地介于安装至轴10并且安装至风扇9的衬套（bushing）17与固定至扩散器20b的肋22的凸缘18之间。

衬套17相对于轴线A位于凸缘18的径向向内处。

更具体来说，轴承16位于拱形本体21的端部28的径向向内处，并且轴向地介于叶轮20a的壁14与肋22之间，从而风扇9和扩散器20b的作用使得轴承16处于比外部环境50低的压力下。

系统7有利地包括用于冷却轴承16的冷却装置，并且该冷却装置包括引导装置40，该引导装置用于沿着从外部环境50至轴承16的路径引导第二载热流体（具体为室温下的空气）的流Q（由图2中的粗箭头示出），从而使轴承16冷却。

重要的是应当注意，引导装置40仅利用外部环境50与腔体30之间的压力梯度来引导流Q，即，无需除了叶轮20a之外的任何动力设备（诸如泵）。

更具体来说，引导装置40包括：形成在轴10中且与轴线A同轴的腔体41；由拱形本体21限定的腔体30；以及由叶轮20a限定的腔体29。

腔体41通过轴10的横向表面43中的多个孔42而与外界环境流体连通，并且与由扩散器20b限定的腔体30流体连通。

更具体来说，轴10包括：

-敞开的轴向端44，位于扩散器20b侧上，用以将腔体41流体地连接至腔体30；以及

-封闭的轴向端47，与端部44相对且位于定子3外部。

孔42形成为穿过表面43的与端部44相对的且容纳在壳体11的部分34内的部分。

更具体来说，孔42成角度地等距间隔开，并且将外部环境50流体连接至腔体41。

更具体来说，孔42相对于轴线A径向地位于槽36的上方，所述槽形成为穿过壳体11的部分34，并且所述槽将外部环境50流体连接至部分34的内部。

对于轴10的围绕轴线A的任一位置，流Q因此从外部环境50穿过槽36流入到部分34中，并且从部分34的内部穿过孔42流入到腔体41中。

叶轮20a和扩散器20b限定介于其间的用于流Q的环形通道45。

通道45与出口管13流体连通，以使流Q与流P一起沿着出口管13排出。

更具体来说，通道45在壁15的环形端部46与拱形本体21的端部28之间延伸。

更具体来说，端部46限定径向向外的腔体30。

通道45还流体连接腔体30与扩散器20b的入口区段24。

本申请人已观察到，当风扇9运行时，通道45处于比腔体29和30低的静压力下。

当传动装置6运行时，内部的润滑油过热。

借助于热交换器8，定子3中的空气达到大约125℃的温度。

轴10围绕轴线A的旋转使得叶轮20a旋转。

叶轮20a的旋转产生热空气流P，该热空气流从热交换器8朝向出口管13流动，并且从热交换器8吸取热并且因此从传动装置6吸取热。

更具体来说，流P流动穿过叶轮20a的入口区段37、与叶片19相互作用、并沿着出口区段38远离叶轮20a流动。

叶轮20a因此浸没于热空气流P中。

相对于外部环境50的压力，风扇9的反应降低了入口区段37内的压力。

本申请人已观察到，在外部环境50与腔体29的容纳轴承16的区域之间存在大约几个KPa的压力差。

风扇9产生环境温度的空气流Q。

更具体来说，该压力差通过部分34中的槽36并且通过轴10中的孔42将流Q抽吸到轴10内的腔体41中。

从此处，该压力差将流Q抽吸穿过端部44而进入到扩散器20b的腔体30中。

由叶轮20a产生的压力方面的差异首先将流Q引导（沿着在图2中所示的路径）到扩散器20b中的腔体30的径向最靠外的区域上，即，在相对于轴线A旋转（spinning）的方向上引导。

然后，流Q流入腔体29中并在该腔体内产生涡流场，并且因此到达并冷却轴承16。

由于通道45为腔体29和30的低静压力点，因而流Q然后流动穿过通道45到达扩散器20b的入口区段24，在此处它与流P混合。

最后，流P和Q与扩散器20b的固定叶片26相互作用，并且流动穿过扩散器20b的出口区段25而进入出口管13中。

通过以上描述，根据本发明的系统7和方法的优点将是清楚的。

特别地，流Q使轴承16冷却，从而通过防止轴承在高温下（例如大约120℃）工作而提高了其可靠性。

由于流Q通过外部环境50与腔体29和30之间的静压力差而产生，因而轴承16利用由风扇9所产生的静压力差冷却，也即，无需任何其他驱动装置。

流Q流入轴10中的腔体41中、扩散器20b中的腔体30中、以及叶轮20a中的腔体29中，这意味着，流Q的产生无需除了已知冷却系统的通常已有的部件之外的任何附加部件。

清楚的是，在不背离所附权利要求的保护范围的情况下，可对在本文中描述和示出的系统7和方法做出改变。

Claims (15)

1.一种用于使能悬停的飞行器（1）的传动装置（6）冷却的系统（7），所述系统包括：

-定子（3）；

-热交换器（8），能热连接至所述传动装置（6）；

-风扇（9），用于形成从所述热交换器（8）到所述风扇（9）自身的第一载热流体的流（P），以从所述热交换器（8）去除热；

-旋转件（10），所述旋转件围绕轴线（A）旋转，以使所述风扇（9）的叶轮（20a）围绕所述轴线（A）旋转；以及

-轴承（16），支撑所述旋转件（10）围绕所述轴线（A）且相对于所述定子（3）的旋转；

所述系统的特征在于，包括用于使所述轴承（16）冷却的冷却装置；所述冷却装置包括引导装置（40；42、41、30、29），所述引导装置用于沿着从所述轴承（16）之外的外部环境（50）到所述轴承（16）自身的路径引导第二载热流体的流（Q），以便使所述轴承（16）冷却。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述引导装置（40；42、41、30、29）包括：

-第一腔体（41），由所述旋转件（10）限定且能流体连接至所述外部环境（50）；以及

-第二腔体（29），所述轴承（16）面向所述第二腔体中，并且当操作所述叶轮（20a）时，所述第二腔体处于比所述轴承（16）之外的所述外部环境（50）低的压力下；

所述第二腔体（29）由所述叶轮（20a）限定。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述旋转件（10）包括敞开的第一轴向端部（44），所述第一轴向端部连接所述第一腔体和所述第二腔体（41、29）。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述引导装置（40；42、41、30、29）还包括用于所述第二载热流体的所述流（Q）的多个入口开口；所述入口开口由所述旋转件（10）中的相应通孔（42）限定；并且所述孔（42）在面向所述外部环境（50）的侧上以及面向所述第一腔体（41）的相对侧上敞开。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述旋转件（10）包括：

-限定所述孔（42）的横向表面（43）；以及

-与所述第一轴向端部（44）相对的封闭的第二轴向端部（47）。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述风扇（9）包括相对于所述轴线（A）成角度地固定的扩散器（20b）；

所述引导装置（40；42、41、30、29）包括第三腔体（30），所述第三腔体由所述扩散器（20b）限定，所述第三腔体被所述第二载热流体横过，并且所述第三腔体流体连接至所述第一腔体（41）和所述第二腔体（29）。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第三腔体（30）在所述旋转件（10）的所述第一轴向端部（44）处流体连接至所述第一腔体（41）；并且所述第三腔体（30）在所述第三腔体的相对于所述轴线（A）位于所述旋转件（10）的所述第一轴向端部（44）径向向外的区段处流体连接至所述第二腔体（29）。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述扩散器（20b）在所述第一载热流体的所述流（P）的流动方向上包括入口区段（24）和相对的出口区段（25）；

所述扩散器（20b）和所述风扇（9）一起限定用于所述第二载热流体的所述流（Q）的环形通道（45）；

并且所述环形通道（45）流体连接至所述扩散器（20b）的所述入口区段（24）且流体连接至所述第二腔体（29），以允许所述第二载热流体的所述流（Q）流动至所述扩散器（20b）的所述出口区段（25）。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述轴承（16）定位成相对于所述旋转件（10）是径向向外的；并且所述第三腔体（30）在与所述热交换器（8）相对的侧上从所述第二腔体（29）径向地逐渐变细；所述第三腔体（30）的最大径向尺寸大于所述轴承（16）与所述轴线（A）之间的径向距离，以便首先沿着所述第三腔体（30）内的旋转路径引导所述第二载热流体的所述流（Q）并且然后将该流引入所述第二腔体（29）中且邻近所述轴承（16）。

10.一种使能悬停的飞行器（1）的传动装置（6）冷却的方法，所述方法包括以下步骤：

-通过旋转件（10）来操作冷却系统（7）的风扇（9）的叶轮（20a），所述旋转件围绕轴线（A）旋转并且相对于所述系统（7）的定子（3）由轴承（16）支撑；以及

-形成从能热连接至所述传动装置（6）的热交换器（8）到所述风扇（9）的第一载热流体的第一流（P），以便从所述热交换器（8）吸取热；

所述方法的特征在于，包括使所述轴承（16）冷却的步骤；

所述冷却步骤包括以下步骤：沿着从所述轴承（16）之外的外部环境（50）到所述轴承（16）自身的路径引导第二载热流体的第二流（Q）。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，操作所述叶轮（20a）的所述步骤包括以下步骤：使所述轴承（16）的环境处于比所述冷却系统（7）之外的外部环境（50）的压力低的压力下。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述引导步骤包括以下步骤：将所述第二流（Q）引入由所述旋转件（10）限定的第一腔体（41）中。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述引导步骤包括以下步骤：将所述第二流（Q）从所述第一腔体（41）引入由所述风扇（9）的扩散器（20b）限定的第二腔体（30）中，所述扩散器相对于所述轴线（A）成角度地固定；

将所述第二流（Q）从所述第一腔体（41）引入所述第二腔体（30）中的所述步骤包括以下步骤：沿着相对于所述轴线（A）的旋转路径引导所述第二流（Q）。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述引导步骤还包括以下步骤：将所述第二流（Q）从所述第二腔体（30）引入第三腔体（29）中，所述第三腔体由所述叶轮（20a）限定并且容纳所述轴承（16）；

将所述第二流（Q）从所述第二腔体（30）引入第三腔体（29）的所述步骤包括以下步骤：在所述第三腔体（29）内形成涡流。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，引导所述第二流（Q）的所述步骤进一步包括以下步骤：借助于压力梯度将所述第二流（Q）引导至所述扩散器（20b）的被所述第一流（P）横过的入口区段（24）。

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