CN105143641B - 用于调节涡轮机中油冷却的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于在涡轮机(100)的油冷却装置(10)内调节油冷却的方法，该涡轮机(100)包括：第一热交换器(12)，该第一热交换器(12)与第二热交换器(14)串联地安装，第一热交换器(12)是油/空气热交换器而第二热交换器(14)是油/燃料热交换器，每个热交换器具有油入口(12A，14A)以及油出口(12B，14B)；将第一热交换器(12)的油入口(12A)直接连接到第一热交换器(12)的油出口(12B)的支路(16)；以及调节流经支路(16)的油的流量的流量调节器(18)。当油温低于或等于包含在70℃和90℃之间(优选地等于约80℃)的预设温度时，借助流量调节器(18)允许油流经支路(16)。
Description
技术领域
本申请涉及一种用于调节油冷却的方法以及一种用于涡轮机的油冷却装置，并具体涉及一种用于调节油冷却的方法和一种用于在包括两个热交换器的涡轮机中的冷却装置。
术语“涡轮机”指所有产生驱动功率的燃气轮设备，其中尤其区别于通过高速喷射热气体为喷射推进提供必要的推力的涡轮喷气飞机，以及其中的驱动功率是由发动机轴的旋转来提供的涡轮轴发动机。例如，涡轮轴发动机用作直升机发动机。涡轮螺桨发动机(驱动螺旋桨的涡轮发动机)是用作飞机发动机的涡轮发动机。
背景技术
已知一种用于涡轮机的油冷却装置，包括与第二热交换器串联安装的第一热交换器，第一热交换器是油－空气热交换器而第二热交换器是油－燃料热交换器。
在这种类型的冷却装置中，当空气特别冷并且涡轮机以大功率运行(例如在开始期间)时，油通过第一热交换器达到非常低的温度。这样的缺点是在有必要加热燃料时反而冷却了燃料。另外，如果燃料中存在水，这些水会结冰并形成会阻塞供油回路(尤其是伺服阀)的冰晶，并且为涡轮机的可操作性带来问题。
众所周知，安装直接将第一换热器的油入口连接到第一换热器的油出口的支路，所述单元路装备有压力安全阀以便如果超压就使油通过支路转移。这种类型的压力阀构造成当第一热交换器的额定压头损失与第一热交换器的油入口和油出口之间的有效压头损失的比值低于或等于0.5时，仅允许油通过支路循环，并且这以其最大的流速(即，阀的额定压头损失是零)进行。换而言之，第一热交换器的额定压头损失为0.2Mpa(兆帕)(即2巴)时，当有效压头损失(第一热交换器的入口和出口之间的压差)大于或者等于0.4Mpa(即4巴)时阀打开。当第一热交换器受污染或者阻塞时发生这种超压。该压力阀仅作为安全阀操作以避免任何由超压导致的破坏。
然而，当空气非常冷时，该压力安全阀不会打开。油流经第一热交换器并达到特别冷的温度以至于不允许对燃料进行必要的加热。
发明内容
本发明的一个目的在于至少大体上纠正上述不足之处。
本发明通过提出一种用于在涡轮机油冷却装置内调节油冷却的方法来实现该目的，该油冷却装置包括：与第二热交换器串联安装的第一热交换器，该第一热交换器为油－空气热交换器而第二热交换器为油－燃料热交换器，每个热交换器具有油入口和油出口；直接将第一热交换器的油入口连接到第一热交换器的油出口的支路；以及调节流经支路的油流量的流量调节器，其中当油温低于或等于包含在70℃(七十摄氏度)到90℃(九十摄氏度)之间(优选地等于约80℃(八十摄氏度))的预设温度时，使用流量调节器允许油流经支路。
当然，在冷却装置中，由于第一和第二热交换器放置在闭合的油路内，关于回路中相对于油冷却装置内的油流动的方向(油从上游向下游流通)的参照点，第一热交换器可放置在第二热交换器的上游或者下游。
因此可以理解，当油具有低于预设温度的温度时，致动流量调节器从而油优先地流经支路。和已知的现有技术不同，由于油不需要达到能够通过支路的预设动压力，因为所达到的使第一阀动作的动压力避免了无论如何都有一部分油通过第一热交换器。因此，通过使取决于温度的流量调节器动作，不对油施加压力约束，这保证了油优先地流经支路而不是流经第一热交换器，后者对油流量所具有的阻力大于支路和流量调节器(例如，装备有开阀的管道)所具有的阻力。
发明人惊喜地注意到，只有当油温变得高于预设温度时，燃料才不需要优先地用于加热。换而言之，发明人惊喜地注意到，只有当油温低于预设温度时，燃料必须优先地用于加热(即，允许油流经支路)。
较佳地是，当油温低于预设温度时，控制流量调节器使得其压头损失小于或者等于0.2Mpa(即2巴)，优选是0.1Mpa(即1巴)，从而95％以上的油流经支路而低于5％的油流经第一热交换器。这种构造特别有利，并且使得能够保证当油温低于预设温度时不借助第一热交换器来冷却油。
有利地是，当第一热交换器的额定压头损失与第一热交换器的油入口和油出口之间的有效压头损失的比值低于或者等于包含在0.7到0.9之间(优选地是等于约0.8)的预设比值时，也允许油流经支路。
回想起在液压回路中，压头损失相当于所述回路两点之间的压力差。压头损失表示流体在这两点之间流通所遇到的阻力。
同样地，回想起当参数的值相当于建立者提供的理论值时被称为“额定的”。例如，热交换器0.2Mpa的额定压头损失是指，所述热交换器设计成当所述热交换器的入口和出口之间的压头损失是0.2Mpa时正确地运转(即最佳热交换)，或者换而言之在正常运转时其产生0.2Mpa的压头损失。
称为“有效”的参数值是参数在给定的时刻和/或给定的配置下所取的值。
当油还没变热时，也就是当油温高于预设温度但低于包含在110℃(一百一十摄氏度)到130℃(一百三十摄氏度)之间(优选地是等于约120℃(一百二十摄氏度))的高温时，不需要使用第一热交换器的全部冷却能力，并由此导致全部的油流经第一热交换器。实际上，当油温包含在预设温度与高温之间时，油的冷却需求不是最大的。预设比值使得能够通过允许油在这些条件下也流经支路来达到这种调节。
当油温包含在预设温度与高温之间时，其粘度高于油温高于或等于高温的时候。因此，当油温低于高温时，第一热交换器的油入口和出口之间的有效压头损失大于油温高于高温时的同一压头损失。预设比值代表这种有效压头损失的差，并且由于该参数，可以基于有效压头损失的该差值转移适当数量的油到支路。
这也使得能够使用具有高的额定压头损失(例如高于0.4Mpa)的第一热交换器。这种热交换器的优点是，当油温高于高温时尤其有效(即当油是热的时改善了油冷却)。另外，这种热交换器的优点是，当油是冷的时候抵抗更多的流动阻力，这使得能够在油温低于预设温度时更加容易地转移油通过支路。尽管这种热交换器增加了冷却装置的总的有效压头损失，然而其有利于保持该压头损失尽可能低。当比值小于预设比值时允许油流经支路也使得能够在油温包含在预设温度与高温之间时(也就是在还没有达到油的最大流动度时)，减少冷却装置的总的有效压头损失。
有利地是，比值小于或者等于预设比值而油温高于预设温度时的流经支路的油的流量小于油温低于预设温度时流经支路的油的流量。
这使得能够在油温包含在预设温度与高温之间时提供油的中间冷却。换而言之，当油温低于预设温度时比油温包含在预设温度与高温之间时有更多的油在支路中流通(并因此未被冷却)。这使得能够在油温包含在预设温度与高温之间时进行适应于油温的冷却成为。
有利地是，当油温高于预设温度而比值高于预设比值时，借助流量调节器防止油的流通。
在这些条件下，保证了全部的油流经第一热交换器，并由此在油是热的时候(温度高于高温)使冷却最大化。另外，如果油压变得过高(此时比值变得小于预设比值)，例如第一热交换器发生了污垢，流量调节器允许油部分地流经支路。因此，调节器也充当防止超压危险的安全阀。
本发明也涉及一种涡轮机油冷却装置，该油油冷却装置包括：与第二热交换器串联安装的第一热交换器，该第一热交换器为油－空气热交换器而第二热交换器为油－燃料热交换器，每个热交换器具有油入口和油出口；直接将第一热交换器的油入口连接到第一热交换器的油出口的支路；以及调节流经支路的油流量的流量调节器，该流量调节器包括热力阀，所述热力阀构造成当油温低于包含在70℃(七十摄氏度)和90℃(九十摄氏度)之间(优选地等于约80℃(八十摄氏度))的预设温度时打开。
可以理解，热力阀是其打开是根据温度来控制的阀。例如，这种阀可由外部的电机控制，该电机根据传感器测量的油温来动作。根据另一个例子，阀连接到热敏并且会因为受热而膨胀的元件，阀塞因此从关闭位置转换到打开位置，并且根据油温反之亦然。可以理解，打开位置、关闭位置或者打开位置与关闭位置之间的中间位置不依赖于油施加的压力。因此，不论油施加多少压力，这种阀可以是打开或者关闭的。这个的优点是，当热力阀打开(部分或者全部地)时，使流量调节器的额定压头损失最小并使最大量的油导入支路。
因此可以理解，当温度高于预设温度时热力阀关闭，而当温度低于或者等于预设温度时至少部分地打开。优选地是，当油温比预设温度低10℃时阀完全打开。
有利地是，热力阀打开时的额定压头损失最多等于第一热交换器额定压头损失的10％。这由此保证了当热力阀打开时至少有85％到95％的油流经支路。
有利地是，流量调节器包括压力阀(压差阀或者差动阀)，所述压力阀构造成当第一热交换器的额定压头损失与第一热交换器的油入口和油出口之间的有效压头损失的比值低于或者等于包含在0.7到0.9之间(优选地是等于约0.8)的预设比值时打开。
可以理解，压力阀是其打开和关闭是根据压力控制的阀。例如，阀会由于阀元件或者连接到阀的元件的弹性变形所产生的力而关闭。当油流通时，这些力会抵抗油施加到阀上的动压力(或者流动压力)。因此，当油的动压力达到预设压力时，所述动压力足以使阀移位并打开阀。动压力升高得越多，阀越容易打开，并且直到阀的完全打开位置(或者最大通路)。当动压力下降时，阀再次关闭。
根据一个变型，热力阀和压力阀形成单个阀，该阀的打开取决于温度并取决于有效压头损失。根据另一个变型，流量调节器包括两个独立的并联安装的阀，即热力阀和压力阀。
本发明也涉及一种包括根据本发明的油冷却装置的涡轮机。
附图说明
通过阅读下文对本发明的一个通过非限制示例的方式给出的实施例作出的详细说明，会更好地理解本发明及其优点。该说明参照附图页，其中：
-图1示出了装备有根据本发明的冷却装置的涡轮喷气飞机，
-图2示意性地示出了图1的冷却装置，
-图3示出了第一热交换器的油入口和出口之间的依赖于油温的压头损失的变化。
具体实施方式
图1示出了涡轮机100，并具体示出了包括油冷却装置10的飞机涡轮喷气发动机100。
该冷却装置10包括第一热交换器12，该第一热交换器12是油－空气热交换器，以及第二热交换器14，该第二热交换器14是油－燃料热交换器。图2中部分地示出了冷却装置10。粗箭头的方向指示出油在冷却装置10内流通的方向。第一热交换器12包括油入口12A和油出口12B。第二热交换器14包括油入口14A和油出口14B。第一热交换器12的油出口12B连接到第二热交换器14的油入口14A，从而第一热交换器12与第二热交换器14串联地安装。当然，热交换器12和14可直接或间接地串联安装，甚至顺序相反。在该示例中它们直接地串联安装。
冷却装置10还包括支路16，该支路16直接连接第一热交换器12的油入口12A和第一热交换器12的油出口12B。支路16装备有流量调节器18，该流量调节器18允许调节从入口12A到出口12B循环通过支路16的油的流速。
流量调节器18包括并联安装的热力阀18A和压力阀18B。这些阀18A和18B是本领域技术人员已知的常见的阀。热力阀的最大开口截面大于压力阀的最大开口截面，从而热力阀所允许的最大流速大于压力阀所允许的最大流速。
当油是冷的时，即当油温低于预设温度(在该示例中是80℃)时，由于流量调节器18而允许油流经支路16。此时热力阀18A打开。根据不同的变型，热力阀18A受控制打开(例如通过电磁阀)或者自动打开(例如通过自动调温器)。
当热力阀18A打开时，第一热交换器12的额定压头损失ΔP1比流量调节器18的额定压头损失ΔP2高得多。在该示例中，当热力阀18A打开时，流量调节器18的额定压头损失ΔP2至少比热交换器12的压头损失低10倍。因此，第一热交换器12对流动的阻力高于支路16和流量调节器18，从而高于95％的油流经支路16而低于5％的油流经第一热交换器12。
当油温高于80℃时，热力阀18A关闭。因此，根据不同的变型，热力阀18A受控制关闭(例如通过电磁阀)或者自动关闭(例如通过自动调温器)。
当油温高于80℃而低于高温(在该示例中为120℃)时，油的粘度使得油入口12A和油出口12B之间的有效压头损失ΔP可大于第一热交换器12的额定压头损失ΔP1。
在这些条件下，当第一热交换器12的额定压头损失ΔP1与油入口12A和油出口12B之间的有效压头损失ΔP的比值R(R＝ΔP1/ΔP)变得大于或者等于预设比值(在该示例中为0.8)时，压力阀18B打开。根据不同的变型，压力阀18B受控制打开(例如通过电磁阀)或者自动打开(例如通过弹簧加载阀)。
换而言之，压力阀18B构造成在有效压头损失ΔP＝ΔP1/R时打开。在该示例中第一热交换器12的额定压头损失等于0.4Mpa(4巴)。因此，在该示例中，压力阀18B构造成当有效压头损失ΔP大于或等于0.5MPa(5巴)时打开。从完全关闭位置到完全打开位置的过渡可以更多或者更少地渐进进行。例如压力阀18B在有效压力差ΔP小于0.5MPa时关闭，在有效压力差ΔP大于或等于0.6MPa(6巴尔)时完全打开，并且在有效压力差ΔP包含在0.5到0.6MPa之间时部分打开。
当热力阀18A关闭而压力阀18B完全打开时，流量调节器的额定压头损失ΔP2是0.6MPa。因此，当热力阀18A关闭而压力阀18B完全打开时，30％的油流经支路16而70％的油流经第一热交换器12。
当油温高于80℃并且比值R小于0.8时，热力阀18A和压力阀18B关闭。同样地，当油温在正常条件(不正常的条件是例如第一热交换器的污垢导致了超压)下高于120℃时，流量调节器18受控制和/或构造成使得热力阀18A和压力阀18B保持关闭。在两种情况下，油不会流经支路16而100％的油都流经第一热交换器12。根据不同的变型，为了关闭压力阀18B，该压力阀18B受控制关闭(例如通过电磁阀)或者自动关闭(例如通过弹簧阀)。
图3示出了依赖于油温的有效压头损失ΔP的变化。
当涡轮机100在特别冷的环境(例如气温-30℃的空气温度)中操作并且涡轮机在高功率(例如开始时)下操作时，油温低于预设温度并且因此热力阀18A完全打开。油入口12A和油出口12B之间的有效压头损失ΔP基本上是由于油的粘度。当涡轮机100运行时油易于逐渐升温，其变得越来越流动，因此有效压头损失ΔP下降。当油达到65℃的温度时，热力阀18A开始关闭，热力阀18A在80℃时完全关闭。因此，在65℃和80℃之间，尽管油的流动性持续地增加，有效压头损失ΔP的增加基本上是由于热力阀18A的关闭。
值得注意的是，在热力阀18A关闭期间，有效压头损失ΔP变得大于0.5MPa，从而压力阀18B开始打开。当有效压头损失ΔP达到并超过0.6MPa时，压力阀18B完全打开。因此，当油温为80℃时，热力阀18A关闭而压力阀18B完全打开。
由于涡轮机100继续运转，油的温度和流动性持续增加，从而有效压头损失ΔP下降。当有效压头损失ΔP变得小于0.6MPa时，压力阀18B开始关闭，如80℃到120℃之间的曲线上的“高原停滞(plateau)”所指示。随后由于油的流动性因为压力阀18B逐步关闭而增加，压头损失ΔP持续下降。
当油达到120℃时，有效压头损失ΔP再次变得小于0.5MPa，从而压力阀18B完全关闭。应当注意的是，在120℃以上，有效压头损失ΔP持续下降，基本上是由于油的流动性在增加。
我们注意到，如果杂质或者污垢要阻塞第一热交换器12而热力阀18A及压力阀18B是关闭的，那么当有效压头损失ΔP变得大于0.5MPa并且压力阀18B打开时，它也会充当安全阀。
尽管本发明通过参照具体实施例进行了描述，显而易见的是，可以在不脱离权利要求所限定的本发明总的范围的情况下对这些示例做出修改和变化。特别地，不同实施例所说明/提及的单独的特征可以组合为附加的实施例。因此，说明书和附图应当理解为说明而非限制。
另外，与所描述的方法相关的全部特征可换位到所描述的装置，并且反过来与所描述的装置相关的全部特征可换位到所描述的方法。
Claims (9)
1.一种用于在涡轮机(100)的油冷却装置(10)内调节油冷却的方法，所述涡轮机(100)包括：第一热交换器(12)，所述第一热交换器(12)与第二热交换器(14)串联地安装，所述第一热交换器(12)是油－空气热交换器而所述第二热交换器(14)是油－燃料热交换器，每个热交换器具有油入口(12A，14A)以及油出口(12B，14B)；将所述第一热交换器(12)的油入口(12A)直接连接到所述第一热交换器(12)的油出口(12B)的支路(16)；以及调节流经支路(16)的油的流速的流量调节器(18)，所述方法的特征在于，当所述第一热交换器(12)上游或所述流量调节器(18)处的油温低于或等于包含在70℃到90℃之间的一预设温度时，借助所述流量调节器(18)允许油循环经过所述支路(16)，其中当所述第一热交换器(12)的额定压头损失(ΔP1)与所述第一热交换器(12)的所述油入口(12A)和所述油出口(12B)之间的有效压头损失(ΔP)的比值低于或者等于包含在0.7到0.9之间的一预设比值时，也允许油循环经过所述支路(16)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述预设温度等于约80℃。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述预设比值为0.8。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在所述比值小于或者等于预设比值而油温高于预设温度时循环经过所述支路(16)的油的流速小于在油温低于预设温度时循环经过所述支路(16)的油的流速。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，当油温高于预设温度而所述比值高于所述预设比值时，借助所述流量调节器(18)防止油循环经过所述支路(16)。
6.一种用于涡轮机(100)的油冷却装置(10)，所述涡轮机(100)包括：第一热交换器(12)，所述第一热交换器(12)与第二热交换器(14)串联地安装，所述第一热交换器(12)是油－空气热交换器而所述第二热交换器(14)是油－燃料热交换器，每个热交换器具有油入口(12A，14A)以及油出口(12B，14B)；将所述第一热交换器(12)的油入口(12A)直接连接到所述第一热交换器(12)的油出口(12B)的支路(16)；以及调节流经支路(16)的油的流量的流量调节器(18)，其特征在于，所述流量调节器(18)包括热力阀(18A)，所述热力阀(18A)构造成当所述第一热交换器(12)上游或所述流量调节器(18)处的油温低于或等于包含在70℃到90℃之间的一预设温度时打开，其中所述流量调节器(18)包括压力阀(18B)，所述压力阀(18B)构造成当所述第一热交换器(12)的额定压头损失(ΔP1)与所述第一热交换器(12)的油入口(12A)和油出口(12B)之间的有效压头损失(ΔP)的比值低于或者等于包含在0.7到0.9之间的一预设比值时打开。
7.根据权利要求6的装置(10)，其特征在于，所述预设温度等于约80℃。
8.根据权利要求6的装置(10)，其特征在于，所述预设比值为0.8。
9.一种涡轮机(100)，包括根据权利要求6至8中任一项的油冷却装置(10)。
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