CN104364497B - 涡轮引擎中的流体回路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制流体供应到一设备(48)的装置，该设备(48)例如为热交换器，该装置包括流体分配器(46)，所述流体分配器安装在流体回路中并包括可在两个位置之间移动的滑块，在第一位置，其使流体可流进设备(48)中，在第二位置，其阻止流体流进设备(48)中。该装置还包括设置在分配器(46)上游的流体回路中的层流限制件(44)，以及用于利用在层流限制器(44)中的流体压力的损失在上述两个位置之间移动流体分配器的滑块的工具。

Description

涡轮引擎中的流体回路
技术领域
本发明涉及一种用于控制流体供应到例如热交换器的设备上的装置，该装置例如设置在涡轮引擎中。
背景技术
以已知的方式，涡轮引擎包括用于将润滑油供应到设备上的油回路，所述设备特别是例如轴承和齿轮，其还包括安装在燃烧室中的燃料回路进料喷射器。
已知的是经由热交换器将油和燃料回路连接在一起，以避免润滑油变得过热，油通过与燃料交换热来冷却。
为此目的，使用设置在油和燃料回路中的主油/燃料热交换器，所述油和燃料回路在安装在油回路中的油/空气热交换器的下游或上游处。油/空气热交换器具有来自涡轮引擎外侧的空气流，所述涡轮引擎穿过所述热交换器或在其上方扫过。
当在涡轮引擎的特定操作点处，油/燃料热交换器没有使得可有效地冷却油时，油/空气热交换器需要冷却油。
然而，优选的是，油/空气热交换器在其中涡轮引擎使用的整个过程中不运转。
具体为，在可能导致在燃料中形成冰的寒冷操作条件下起飞的过程中，期望油经由主油/燃料热交换器加热燃料，因此油不流穿过油/空气热交换器，以避免冷却油。同样地，在巡航阶段，油的温度必须不得下降到阈值以下，以避免油被保留在涡轮引擎的壳体中。因此，在此构造中，有必要防止油流穿过油/空气热交换器，以避免其温度下降至低于阈值。
为了控制空气穿过油/空气热交换器的流速，已知的是利用副翼来关闭到热交换器中的空气供应，所述副翼根据由传感器所测量的油温度，利用致动器被电控制。虽然此技术方案发现是有效的，但是其要求致动器与用于致动器的电控制路径一起安装，该路径与全权数字引擎控制器(FADEC)连接，这对涡轮引擎的重量和体积均造成影响。此外，在某些类型的引擎中，油/空气热交换器安装在引擎周围流动的旁路空气流中，在此旁路空气流中添加关闭器副翼导致大量的压头损失，从而提高了燃料的消耗，这是不可以接受的。
同样已知的是，将在进口处的并联连接管中的恒温阀安装到热交换器上。当阀在关闭状态下时，整个流动油穿过油/空气热交换器，当阀在打开状态下时，流动油在油/空气热交换器与并联连接管之间分配。在实施例中，阀包括蜡，所述蜡在低温时是固体状态。因此，当油的温度提高时，蜡液化并导致阀关闭，当温度再次降低时，蜡再次固化，阀打开。蜡的成分确定阀的打开/关闭的温度。
此类型的构造没有使得可完全地阻止油流穿过油/空气交换器。此外，这种阀不能承受多次的打开/关闭循环。因此，为了限制阀的打开/关闭循环的次数，其操作方式是，在全部运转阶段保持关闭，除了其中对应于极端寒冷的外界情况的油的温度最低的阶段。然而，发现对于其中油被视为冷的中等温度，阀被关闭，油冷却，因此，其温度可以下降到可接受的阈值以下，在所述可接受阈值处，油被发现保留在涡轮引擎的壳体中。如果阀的打开/关闭阈值温度提高，其也提高了打开/关闭循环的次数，因为存在其中燃料可以通过油/燃料热交换器充分地冷却或加热油而导致油达到阈值温度的许多飞行阶段。这就具有降低阀的可靠性的后果。
最终，同样已知的是将液压阀设置在与油/空气热交换器并联相连的管中，该阀设计为针对对应于油/空气热交换器中给定的压头损失的给定的阈值压力差而打开并联管。
使用该技术方案以及涉及恒温阀的技术方案两者，当阀打开时，一些油流没有穿过并联管，这有助于在油回路中的油在运转的所有阶段均以更大或更小的程度继续冷却。此外，为了确保流体以在中等温度下并联流动，压力阈值有必要相对高，这导致了阀在许多的操作条件下均位于打开位置。
当由于导致油粘度提高的大流量油或低温油并且因此由于在油/空气热交换器的上游的压力的提高而导致压力提高时，打开阀导致通过油/空气热交换器的压头损失的下降，这导致阀再次关闭。这可能导致阀的工作不稳定，因此使得不可能使用用于可靠地控制并联流动油的阀。
在本申请人名下的专利申请FR 2 951 228、FR 1 061 138和FR 1 157 953描述了在涡轮引擎中的油和燃料回路的架构。
发明内容
本发明的特定目的是提供一种针对上述问题的简单、廉价且有效的技术方案，使得可避免现有技术方案的缺点。
为此目的，本发明提出了一种用于控制流体供应到例如热交换器的设备的装置，装置包括安装在流体回路中的且包括在两个位置之间可移动的滑块的流体滑阀、其中其允许流体流穿过设备的第一位置以及其中其防止流体流穿过设备的第二位置，该装置其特征在于，层流限制件设置在滑阀的上游的流体回路中，其特征在于，其包括驱动工具，所述驱动工具用于利用在层流限制件中的流体的压头损失在其两个位置之间移动滑阀的滑块。
在本发明中，油穿过该设备的流速可以被停止，从而防止在寒冷的操作条件下当期望油不冷却时油被冷却。此外，滑块的移动由压头损失，即由在设置在滑阀上游的层流限制件的上游端部和下游端部之间的压力差控制，整个流体流穿过所述滑阀，从而使对压头损失不敏感的滑块定位在设备中，而不象利用液压阀的现有技术那样。
在层流条件下的限制件的使用使在限制件的进口与出口之间测量的压头损失可均取决于流体的流速和流体的温度，而不象在其中压头损失只取决于流速的紊流条件下运转的限制件。
在寒冷的条件下，穿过层流限制件的流体的低温导致了大的压头损失，从而使滑块位于其第二位置中，并因此防止流体流穿过设备。
流体温度的提高通过层流限制件导致压头损失的下降，并因此导致滑块定位在其中其允许流体流穿过设备的其第一位置中。
同样地，在油流速提高的情况下，层流限制件的压头损失提高，从而可使滑块被导致穿进其第二位置中。
当滑块在其第二位置中时，流体的流动可以建立在绕过设备的并联连接管中。
在本发明的实施例中，驱动工具包括由滑块分隔的两个室，一个室与层流限制件的进口成流体流动连通，另外一个室与流体流限制件的出口成流体流动连通，驱动工具进一步包括返回工具，所述返回工具设计且构造为当层流限制件的进口与出口之间的压力差小于预确定阈值时将所述滑块带进其第一位置。
在此实施例中，在层流限制件中的压头损失通过使用返回工具来直接地控制滑块的移动，所述返回工具被校正以确定压头损失阈值，滑块通过所述压头损失阈值在第一位置与第二位置之间切换。
有利地，滑阀包括至少一个与并联管相连的流体出口，所述并联管与设备并联，滑阀的滑块当滑块在其第二位置中时允许流体流动到并联管中，并且当所述滑块在其第一位置时防止流体在并联管中流动。
当滑块防止流体流穿过上述设备时，此并联管使其他设备继续供应有流体。
因此，在实践中，滑阀具有第一出口和第二出口，第一出口用于当滑块在其第一位置时向设备供应流体，第二开口用于当滑块在其第二位置时导致流体经由并联管绕过设备。
根据本发明的另外一个特征，并联管合并在设备的支撑件中，并至少部分地紧邻设备延伸，以通过支撑件在并联管与设备之间传递热量。
当流体是空气且所述设备是油/空气热交换器时，此结构特别有利。具体地，当滑块在其第二位置时，并联管使在油/空气热交换器中的油可通过传导被加热，从而防止由空气冷却的滞止油形成塞，所述塞当滑块随后移动进其第一位置时，可以关闭油/空气热交换器，并阻挡油的流动。
根据本发明的另外一个特征，装置包括安装在通道中的压力释放阀，所述通道将滑阀的上游端与设备的下游端连接，滑阀被构造为当设备中的压头损失大于预确定阈值时允许流体在通道中流动。
因此，在例如通过捆绑而使滑块被堵塞的情况下，或者例如在流体流穿过通过形成冷油塞或污染元件而被堵塞的设备的情况下，压力释放阀确保了在所述设备的下游的流体流的连续性。
在本发明的一特定实例中，滑块的返回工具包括设置在室中的压缩弹簧，室与层流限制件的出口相连，所述出口在滑块的表面与所述室的端壁之间。
有利地，层流限制件由管形成，所述管具有是粗糙的以便提高流体的周围层的摩擦力的内侧表面，所述流体抵靠管的内侧壁以层流的方式流动。
管的内侧表面理想地具有由大约15μm的由系数Ra所限定粗糙度，精度为±5％。应该认为，单独地将数值设定为Ra被视为在现有技术下足够确定管的粗糙度。
有利地，层流限制件由具有大于其直径的长度的管形成。
在例中，管可具有大约30cm的长度，精度为±1.5％，大约8.15mm的直径，精度为±1.5％。
管的内侧表面粗糙度的增加和/或尤其是管的长度尺寸的增加使得可在流体层流内生成更大的摩擦力，从而通过层流限制件提高压头损失，尤其当流体具有高粘度时。
本发明还提供了一种涡轮引擎，例如飞机涡轮螺旋桨引擎或涡轮喷气引擎，包括至少一个上述装置，其中流体是油，设备是连接在油/燃料热交换器的上游的油/空气热交换器。
附图说明
参考附图并通过阅读由非限制性例子给出的以下描述将使本发明的其他细节、特征和优点显而易见，其中：
-图1是已知类型的涡轮引擎的立体示意图；
-图2是现有技术的油回流的局部示意图；以及
-图3是本发明的装置的示意图。
具体实施方式
以对本领域技术人员来说众所周知的方式，涡轮引擎10包括燃烧室12，来自所述室12的燃烧气体驱动高压涡轮14和低压涡轮16。高压涡轮14由一轴连接到一高压压缩机，所述高压压缩机设置在燃烧室12的上游，并在压力下向燃烧室提供空气。低压涡轮16由另外一个轴连接到设置在涡轮机10的上游端部处的风扇轮18。
辅助变速箱(AGB)20通过一机械动力输出装置22连接到高压涡轮轴，并具有一套用于驱动在涡轮引擎中的各设备的齿轮，所述设备例如为泵和发电机，尤其是电力发电机。
图2显示了图1的涡轮引擎的油回路。
沿着油流动方向从上游到下游，油回路24包括利用润滑油和/或冷却油的各种组件26：用于将来自设备的油再循环至箱30的回收泵28；进料泵32；以及过滤器33。
除了用来润滑和冷却涡轮引擎，特别是涡轮轴承和压缩机轴的油外，油的总流可包括使用来润滑AGB 20和用来润滑和冷却一个或多个电力发电机的油。
油回路具有三个在过滤器33与组件26之间串联连接的热交换器，即：主油/燃料热交换器34，次级油/燃料热交换器36，以及油/空气热交换器38。
因此，在运转过程中，在进料泵32的出口处，油穿过油/空气热交换器38、次级油/燃料热交换器36以及然后主油/燃料热交换器34。一管40安装在作为在油/空气热交换器38周围的并联连接件的油回路中；其具有一进口，作为在过滤器33的出口与油/空气热交换器38的进口之间的分支连接件；以及一出口，作为在油/空气热交换器38的出口与次级油/燃料热交换器36的进口之间的分支连接件。液压阀42连接在并联管中，并导致油流穿过油/空气热交换器38或穿过并联管40和油/空气热交换器38。离开主油/燃料热交换器34的油然后流向油箱30。
油/空气热交换器38可以是表面冷却类型，即为具有由冷空气流扫过的油道的类型，所述冷空气流来自绕过涡轮喷气引擎的空气流，所述空气流也被称为“次级”空气流。在例子中，这种热交换器可以容纳在紧邻风扇18下游的旁路流的通路的壁上(图1)。
油/空气热交换器38也可以是空气/油板的类型，具有穿过其中的空气流，所述空气流采自旁路空气流并被再次注入到在热交换器的出口处的旁路流中。
如上所述，在寒冷运转条件下，阀打开以使油可穿过并联管40。然而，油/空气热交换器38被继续供油，从而有利于进一步冷却油。此外，这种类型的阀可以以非稳定的方式操作，如以上所述。
通过合并在用于将流体分配到油/空气热交换器48上的构件46上游的层流限制件44，以及通过导致油供应到利用在层流限制件中的压头损失来被打开或关闭的油/空气热交换器，其中此压头损失取决于油的流速和油温，本发明提供了针对这些问题以及还针对上述的其他问题的技术方案。
图3显示了根据本发明的用于控制流体供应到油/空气热交换器的装置。
该装置包括具有例如圆柱体的中空体50的滑阀46，所述中空体50可滑动地接纳密封地将第一室54与第二室56分离的滑块52。层流限制件44的进口与第一室54成流体流动连通，其出口与第二室56成流体流动连通，该第二室相对于第一室54在滑块52的相对端部。
滑块52具有两个凹部或狭槽56和58，所述凹部或狭槽56和58沿着滑块52的行走轴线沿着轴向彼此分隔开。滑块52的第一凹部56用来将第一进口管60和第一出口管62连接在一起。第二凹部58用于将第二进口管64和第二出口管66连接在一起。
油/空气热交换器48在来自滑阀46的第一出口管62中连接。第二出口管66形成在油/空气热交换器48的周围的并联管，所述并联管在油/空气热交换器48的下游向外张开。
每个凹部56，58的宽度确定为使油可在相连的进口管与出口管60，64和62，66之间流动。此外，滑块的凹部56和58之间的间隔确定为，在第一位置(图3)，第一进口管经由第一凹部56与第一出口管62连通，在第二进口管64与第二出口管或并联管66之间的流体流动连通被滑块52的壁阻挡，在第二位置，第二进口管64经由第二凹部58与第二出口管或并联管66连通，第一进口管60与第一出口管62之间的流体流动连通由滑块52的壁阻挡。
压缩弹簧68安装在第二室56中滑块52的表面与第二室56的端壁之间，所述第二室56与层流限制件44的出口相连，以沿提高第二室56容积的方向施加一推动滑块52的力。
当在层流限制件的进口与出口之间的压力差小于一预定阈值时，确定弹簧68的压缩，以使滑块可在其第一位置移动。当在层流限制件44的进口与出口之间的压力差大于该阈值时，由弹簧施加在滑块上的力和由在第二室56中的油所施加的力的合力小于在第一室54中的油所施加的力，从而将滑块52移至其第二位置。
因此，可以理解，期望将滑块从其第一位置切换到其第二位置所需要的压力差通过校正弹簧力以及通过油压所作用的滑块52的表面区域55和57来确定。
所述装置还具有安装在通道72中的压力释放阀70，所述通道72将滑阀46的上游端与油/燃料热交换器48的下游端相连。释放阀70被构造为当阀70上游的压头大于该预定阈值时使流体可在通道72中流动。在通过例如卡住而使滑块52被阻挡的情况下，或在油/空气热交换器48中形成的冷油的粘滞塞的情况下，此阈值可以达到。
本发明的整个装置可以合并在壳体74中。为此，并联管66和油/空气热交换器48合并在壳体74中。
油/空气热交换器48的并联管66包括至少一个紧邻油/空气热交换器48延伸的部分76，以使热可通过壳体的材料通过热传导所交换。
当滑块52在阻止油流向油/空气热交换器48的其第二位置时，在该油/空气热交换器中所出现的油继续由空气冷却，并可以形成油塞，所述油塞当滑块52切换到其第一位置时阻止油在油/空气热交换器48中流动。紧邻于油/空气热交换器48形成的管76用来加热在油/空气热交换器48中的滞止油。
在例中，本发明的装置合并在过滤器33的出口与次级油/燃料热交换器36的进口之间的图2的油回路中，其替代油/空气热交换器38、并联管40以及阀42，如参考图2所描述的那样。
使用在滑阀上游的层流限制件44使在限制件44中的压头损失取决于在限制件中的油的流速以及油的温度。
通过以下关系给出流速：
其中：
Q表示穿过层流限制件44的流速(公升/小时)(L/h)；
ks表示限制件44的压头损失系数，其取决于层流限制件44的表面状态和形状(长度，直径)。此系数根据经验来确定；
ΔP表示层流限制件44的进口与出口之间的压头损失(巴)；以及
ρ表示油的密度(千克/升)(kg/L)。
密度ρ取决于油的温度，当温度下降时其升高。
可以理解的是，为了达到在层流限制件中的给定压头损失，足以具有一层流限制件，所述层流限制件具有合适的系数ks，为此，足以制成一层流限制件，该层流限制件具有适当的几何特征(长度，直径)以及适当的表面状态。
在本发明的特定实施例中，层流限制件44由管形成，所述管具有粗糙的内侧表面，以通过在层流限制件44中的摩擦力生成压头损失。具有这种设计的管尤其使得可提高抵靠管的内侧壁的流体的周边层的摩擦力，从而通过层流限制件提高压头损失，尤其是当流体具有高粘度的时候。
在实践中，管可以具有大约30cm的长度和大约2cm的直径。
当涡轮引擎在寒冷下运转时，由于油在冷时比在热时的密度大，因此压力差越过层流限制件44的端部增高，从而导致滑块52移动到其第二位置，其中其防止油流动到油/空气热交换器48中。这避免冷却用于经由主油/燃料热交换器和次级油/燃料热交换器34和36加热燃料的油。
当油的温度升高时，在层流限制件44中的压力差就降低，从而以压力差的阈值动作，以使滑块52移动进其第一位置，在所述第一位置，其使油可流过油/空气热交换器48。
在起飞阶段，通过限制件44的油流猛烈提高，从而导致通过层流限制件44的压头损失的新的增加，并且导致滑块52移动到其第二位置。本发明的装置的校准方式使得对于在寒冷天气下的起飞，滑块52在其第二位置，对于在炎热天气下的起飞，滑块52在其第一位置。
巡航时，当外界温度较冷时，滑块由于油的较低温度而维持在其第二位置。
层流限制件44在油回路中引进期望最小化的附加压头损失。为此，优选具有大的表面面积，在滑块52的各端部处抵靠所述表面区域施加压力，以使越过层流限制件44的末端的压力差导致施加到滑块52上的力的明显差别。然而，滑阀46的整个尺寸不得过大，以避免装置74重量的极大地提高。
参考图3所描述的滑阀具有用于滑块52的两个位置和四个流体流动端口。该滑阀还可具有用于滑块52的两个位置和三个流体流动端口，包括一个油进口和两个油出口，油进口选择性地根据滑块的位置向油出口的一个或另外一个供油。这种三端口滑阀具有用于将油流切换进并联管66中或切换到油/空气热交换器48上的过渡区域，其具有比不上四端口滑阀的动态行为，所述四端口滑阀具有两个进口和两个出口，可使流体流动到油/空气热交换器48和并联管66中。
在本发明的一变型中，弹簧可设置在第一室54中，并被构造为牵引地工作，从而使滑块可以上述相同的方式移动。
在本发明的另一变型中，滑阀46的第一和第二位置54和56可以与一部件流体流动连通，所述部件已经存在装置74上游的油回路中，并起层流限制件的作用。
本发明的装置可以与热交换器相同方式来使用，利用一对不是油和空气的流体。因此，可使用本发明的具有油/燃料热交换器或具有空气/燃料热交换器的装置。当与油/燃料热交换器一起使用时，该流体可以是在层流限制件中以与上述相似的方式由燃料的压头损失转移到并联管中的燃料。

Claims (11)

1.一种用于控制向设备(48)供应流体的装置，所述装置包括流体滑阀(46)，所述流体滑阀安装在流体回路中，并包括在两个位置之间可移动的滑块(52)，在第一位置，其使所述流体可流过所述设备(48)，在第二位置，其阻止所述流体流过所述设备(48)，其特征在于，一层流限制件(44)设置在所述滑阀(46)上游的流体回路中，以及其包括驱动工具，所述驱动工具用于利用在所述层流限制件(44)中的流体的压头损失在其两个位置之间移动所述滑阀的滑块，所述滑阀(46)包括至少一个与一并联管(66)相连的流体出口，所述并联管(66)与所述设备(48)并联，当所述滑块(52)在其第二位置时，所述滑阀(46)的滑块(52)使流体可流向所述并联管(66)，当所述滑块(52)在其第一位置时，阻止流体流入所述并联管(66)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动工具包括两个室(54，56)，所述室由所述滑块(52)隔开，所述室中的一个与所述层流限制件(44)的进口成流体流动连通状态，另一个室与所述层流限制件(44)的出口成流体流动连通状态，所述驱动工具进一步包括返回工具，所述返回工具设计和构造为当所述层流限制件(44)的进口与出口之间的压力差小于一第一预定阈值时将所述滑块(52)带到其第一位置。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述滑块的返回工具包括压缩弹簧(68)，所述压缩弹簧设置在与所述层流限制件(44)的出口相连的所述室(56)中，所述滑块(52)的表面与所述室(56)的端壁之间。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述并联管(66)合并在所述设备的一支撑件(74)中，并至少部分地紧邻所述设备延伸，以通过所述支撑件(74)在所述并联管(66)与所述设备之间传送热量。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的装置，其特征在于，其包括一安装在一通道(72)中的压力释放阀(70)，所述通道(72)将所述滑阀(46)的上游端与所述设备的下游端相连，所述释放阀(70)被构造为当所述设备中的压头损失大于一第二预定阈值时使流体可在所述通道(72)中流动。
6.根据权利要求1-4中任何一项所述的装置，其特征在于，所述层流限制件(44)由具有粗糙内侧表面的管形成。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述管的内侧表面具有由15μm的系数Ra所限定的粗糙度，精度为±5％。
8.根据权利要求1-4中任何一项所述的装置，其特征在于，所述层流限制件由其长度大于其直径的管形成。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述管的长度为30cm，精度为±1.5％，直径为8.15mm，精度为±1.5％。
10.一种涡轮引擎，其特征在于，其包括至少一个根据前述权利要求中任何一项所述的装置。
11.根据权利要求10所述的涡轮引擎，其特征在于，所述流体是油，所述设备是一油/空气热交换器(48)，所述油/空气热交换器连接在一油/燃料热交换器(34)上游。
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