CN105378232B - 用于涡轮引擎的油冷却装置、涡轮引擎以及冷却涡轮引擎中的油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于冷却例如飞机涡轮喷气引擎或涡轮螺旋桨引擎这样的涡轮引擎的油的装置(11),其包括用于循环冷空气流(F1)的管道(12)、用于将油喷射到管道中的设备(16),以及用于提取与位于在喷射设备(16)的下游的管道(12)中的冷空气流(F1)混合的油的设备(19)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于冷却涡轮引擎的油的装置、配备有此装置的涡轮引擎以及用于冷却涡轮引擎中的油的方法。
背景技术
在涡轮引擎中,设备(包括轴承、齿轮箱和电机等的壳体)的不同部件和零件必须利用油回路润滑或冷却,所生成的热通常利用燃料/油类型和/或空气/油类型的热交换器排放到油回路中。
特别是因为传送机构(齿轮箱)的增加的复杂度和非常高的稀释率,当前的涡轮引擎生成越来越多的热。结果,燃料/油交换器(FCOC,代表燃料冷却油冷却器)饱和。这是因为燃料的流动速度受限于涡轮引擎的消耗。此外,燃料的加热必须受到限制,使得其不变得发粘并堵塞燃料回路,在最差的情况下,该加热能够导致在涡轮引擎中的火点燃。
这样,当前涡轮引擎要求使用空气/油交换器(ACOC,代表空气冷却油冷却器)。
ACOC类型的交换器利用沿着与油回路交换的表面被引导的被受迫或不被受迫的空气流起作用。空气供应可以通过例如汲取或导出空气流而获得。
ACOC交换器可以是平面类型的。在该情况下,其通常采取使油在其中心处加工的管道中通过的金属表面零件的形式。热利用与冷空气流接触的散热片提取。为了确保高热交换,此交换器必须具有大的表面积以及因此也具有大的质量和大的整体尺寸。
还存在“砖块”类型的ACOC交换器,所述ACOC交换器是相对笨重的交换器,所述热交换器干扰空气的流动并对涡轮引擎的效率具有不利影响。
发明内容
本发明的目的具体是提供一种针对这些问题的简单、有效和经济的方案。
为此,其提出了用于冷却涡轮引擎的油的装置,例如涡轮喷气引擎或涡轮螺旋桨飞机引擎,其特征在于,其包括用于冷气流的循环的管道、用于将油喷射到该管道内的油喷射设备以及位于油喷射设备的下游的管道中的用于提取与冷空气流混合的由的设备。
本发明因此提出混合的热油和冷空气,以通过传导获得在管道中的均匀气油混合物,该管道的温度是该混合物的平衡温度。该混合物然后由油提取设备处理,以将油从空气中分离。该油因此可以返回到涡轮引擎的油回路,空气可以在较低压力下在通风壳体或涡轮引擎的区域中(例如二次流)被排放到大气中。
优选地,油喷射设备包括喷射喷嘴,所述喷射喷嘴能够雾化该油,以形成尺寸在1μm与5μm之间的油滴。
该油滴然后具有用于与冷空气流交换的大表面积,所述大表面积最大化在他们之间的热交换。
根据本发明的一个特性,该装置包括连接至油喷射设备的油入口导管和连接至油提取设备的油提取导管,所述油入口导管和油提取导管由旁路管道连接,所述旁路导管包括瓣或能够在油入口导管处超压的情况下张开的阀。
以此方式,瓣或阀能够在油喷射设备堵塞的情况下或当油是冷的和具有高粘性时张开。在这些特殊的操作情况下,该油没有被冷空气流冷却并从入口导管直接地传送至出口导管。
有利地,油提取设备包括旋转油分离器。
此油分离器的结构和功能特别在以申请人名义的文件FR 2937680中已知。
应该注意,在操作中,旋转油分离器不总是使得可提取在气油混合物中出现的所有油。实际上,此油分离器在其旋转速度增加时其效率增加,当体积流率增加时其效率就降低,因为在气油混合物中出现的油滴然后是小的且更多。这些小滴可以具有跟随空气流的趋势,尽管力通过当旋转油分离器作用时所施加的离心力和惯性力作用在他们上面。
油分离器的效率可以尤其通过以下得到改进:
在管道中的油压力以相等的质量流率提升(空气和油滴的速度的下降,其改进了由离心效应所影响的分离),
油喷射设备的空气上游的冷却(在热油与冷空气之间的温度差的提升),以及
旋转油分离器的高旋转速度。
优选地,该管道在油喷射设备的上游配备有涡轮,该涡轮包括轴,所述轴通过穿过涡轮的空气流来旋转并可旋转地连接至旋转油分离器。
此特征使得可以高速度驱动旋转油分离器,其具有增加其效率的效应,如之前所示出的那样。
而且,油提取设备包括由泡沫金属制成的主体。可以或不可以结合旋转油分离器使用的此主体例如以商品名Retimet已知,并在文件US2012/024723中结合旋转油分离器被描述。
该主体使得可创建有利于油滴与块的壁接触的迂回回路,这使得可更好地收集这些油滴并因此提高提取设备的效率。然而,此块的使用确实导致高压下降,这是有必要考虑进去的。
本发明也涉及一种例如飞机涡轮喷气引擎或涡轮螺旋桨引擎的涡轮引擎,其沿着气体流动方向从上游到下游包括风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和排气管,其特征在于,其包括上述类型的油冷却装置和用于排放在位于风扇下游和高压压气机上游的区域中的空气、能够向管道供应流自所述区域的冷空气的设备。
低压压气机可以利用第一轴可旋转地连接至低压涡轮,高压压气机利用与第一轴同轴且安装在后者内部的第二轴可旋转地连接至高压涡轮,第一轴的上游端部配备有位于壳体内的轴承,流自管道的空气出现在所述壳体中。
在提取设备的下游的空气在此室中的排放使得可得利于第二油提取通路,有利于通过合并效应使油滴聚集在·一起(增加他们的尺寸和滴流)。
本发明最后涉及一种利用上述类型的装置用于冷却涡轮引擎中的油的方法,其特征在于,其包括以下步骤:
-在管道中循环冷空气流;
-使用油喷射设备将油喷射进所述管道中,以使油和空气混合并因此通过空气增加油的冷却;以及
-将油从空气中分离以使用提取设备提取包含在所述混合物中的油。
附图说明
通过阅读以非限制性例子给出的以下描述和参考附图,本发明将更好地被理解以及本发明的其他优点和特性将显而易见,其中:
-图1是现有技术的涡轮引擎的轴向剖面视图;以及
-图2是根据本发明的涡轮引擎的油冷却装置的示意图。
具体实施方式
图1描绘了现有技术的飞机涡轮引擎1,其沿着气体流动的方向从上游到下游包括风扇2、低压压气机3、高压压气机4、燃烧室5、高压涡轮6、低压涡轮7和排气管(未示出)。
低压压气机3利用第一轴8可旋转地连接至低压涡轮7,高压压气机4利用与第一轴8同轴并安装在后者内部的第二轴(未示出)可旋转地连接到高压涡轮6。第一轴8的上游端部配备有位于通风壳体10中的球轴承类型的轴承9。
如之前所指出的那样,涡轮引擎1的不同部件和零件必须利用油回路进行润滑或冷却,由油生成和传送的热利用油冷却装置进行排放。
图2图示出根据本发明的一个实施例的油冷却装置11,所述油冷却装置11包括用于冷空气流F1的循环的管道12。管道12的上游端部13通过排放在位于风扇2的下游和高压压气机4的上游的区域中的空气的设备供应有冷却空气。管12的下游端部14出现在通风壳体10中。
管道12沿着冷气流F1的循环方向从上游到下游包括涡轮15、油喷嘴16以及旋转油分离器19,该油喷嘴16能够雾化在管道中的油滴17,从而形成气/油混合物18,该旋转油分离器19能够从所述混合物18中分离油20。该油分离器19通过由涡轮15驱动的轴21旋转。该油分离器19可包括由金属泡沫制成的主体,以进一步提高其效率。
根据本发明的装置11还包括供应喷嘴16的油入口导管22和连接至旋转油分离器19的油提取导管23,所述油入口导管22和油提取导管23由旁路导管24相连,所述旁路导管24包括单向阀或能够在油入口导管22处超压的情况下张开的阀。
应该注意,这样的装置可以包括在设备的单个零件中,而不与涡轮引擎1的其余部分有任何运动学连接,这有利于其安装。
现在详细描述装置11的功能。
空气在位于风扇2的下游和高压压气机4的上游的区域中被排放。该空气然后通过穿过涡轮15而膨胀。后者驱动轴21和旋转油分离器19。喷嘴16雾化小油滴17,在空气中的所述小油滴的尺寸在例如1μm与5μm之间,以形成相对均匀的气/油混合物18。油滴然后被空气冷却,直至他们到达理论上等于以下的出口温度Ths:
(Th)s=[(Th)e–(Ta)e)]/[(Da.(cp)a+Dh.cph],其中:
(Th)s:油出口温度
(Th)e:油进口温度
(Ta)e:空气进口温度
Da:空气的质量流率
(cp)a:空气的比热
Dh:油的质量流率
(cp)h:油的比热
大部分的油20然后利用旋转油分离器19被提取到提取导管23。然而,小部分的油随着空气流进入壳体10中,在壳体10中油得利于第二提取通路,有利于通过聚并效应使油滴聚集在一起(增加他们的尺寸和滴流)。
此装置11因此使得可有效地冷却用于润滑涡轮引擎1的不同部件的油,并相对于其性能还具有相对较低的质量和整体尺寸。
Claims (6)
1.一种用于涡轮引擎(1)的油冷却装置(11),该油冷却装置(11)包括用于循环冷气流(F1)的管道(12),该管道(12)具有用来被供应以冷空气的上游端部(13),其特征在于,该油冷却装置(11)还包括用于将油喷射到所述管道内部的油喷射设备,以及用于提取与位于在所述油喷射设备的下游的所述管道(12)中的所述冷气流(F1)混合的油的油提取设备,所述油喷射设备包括一喷射喷嘴(16),所述喷射喷嘴能够雾化所述油,以形成尺寸在1μm与5μm之间的油滴(17),所述油提取设备包括一旋转油分离器(19),所述管道(12)在所述油喷射设备的上游和所述上游端部(13)的下游配备一涡轮(15),该涡轮(15)包括轴(21),所述轴(21)设计为通过冷气流(F1)穿过所述涡轮(15)而被旋转,并且可旋转地连接至所述旋转油分离器(19)。
2.根据权利要求1所述的油冷却装置(11),其特征在于,该油冷却装置包括连接至所述油喷射设备的油入口导管(22)以及连接至所述油提取设备的油提取导管(23),所述油入口导管(22)和所述油提取导管(23)通过一旁路导管(24)相连,所述旁路导管(24)包括能够在所述油入口导管(22)处超压的情况下张开的阀。
3.根据权利要求1或2所述的油冷却装置(11),其特征在于,所述油提取设备包括由金属泡沫制成的主体。
4.一种涡轮引擎(1),该涡轮引擎沿着气流方向从上游到下游包括风扇(2)、低压压气机(3)、高压压气机(4)、燃烧室(5)、高压涡轮(6)、低压涡轮(7)和排气管,其特征在于,该涡轮引擎包括根据权利要求1至3中任何一项所述的油冷却装置(11)和用于获得在位于所述风扇(2)的下游和所述高压压气机(4)的上游的区域中的空气,能够向所述管道(12)供应流自所述区域的冷空气的设备。
5.根据权利要求4所述的涡轮引擎(1),其特征在于,所述低压压气机(3)利用第一轴(8)可旋转地连接至所述低压涡轮(7),所述高压压气机(4)利用与所述第一轴(8)同轴,并安装在所述第一轴(8)内部的第二轴可旋转地连接至所述高压涡轮(6),所述第一轴(8)的上游端部配备有位于一壳体(10)内的轴承(9),流自所述管道(12)的空气出现在所述壳体(10)中。
6.一种用于利用根据权利要求1至3中任何一项所述的油冷却装置(11)来冷却涡轮引擎中的油的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
-在管道(12)中循环冷气流(F1);
-使用油喷射设备将油喷射进所述管道(12)中,以使油和空气混合,从而通过所述空气来促进所述油的冷却;
-将所述油与所述空气分离,以使用油提取设备来提取包含在气油混合物(18)中的油。
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