CN107532516A - 涡轮发动机的油回路的冷却 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机，例如飞机的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其包括至少一个油回路(8)和用于冷却所述回路(8)的设备(16)，该冷却设备(16)包括制冷剂回路(17)，该制冷剂回路(17)设置有能够在制冷剂与空气之间进行热交换并形成一冷凝器的第一热交换器(18)、能够在制冷剂与油回路的油之间进行热交换并形成一蒸发器的第二热交换器(19)、减压器(20)、压缩机(21)和能够控制进入第一交换器(18)的制冷剂的压力的第一控制器设备(31)。

Description

涡轮发动机的油回路的冷却
技术领域
本发明涉及一种涡轮发动机，例如飞机的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其包括至少一个用于冷却所述回路的油的油回路和设备。
背景技术
以已知的方式，涡轮发动机包括用于润滑和冷却系统，特别是例如抗摩擦轴承或齿轮构件的油回路，同样包括燃料回路，所述燃料回路供应安装在燃烧室中的喷射器。
已知通过热交换器连接油和燃料回路，以避免润滑油过度加热，油通过与燃料交换热而被冷却。
为此，燃料/油热交换器被使用、设置在安装在油回路中的一个或多个油/空气热交换器的下游或上游的油和燃料回路中。油/空气热交换器被来自涡轮发动机外部或内部的空气流交叉或扫过。
对于涡轮发动机的某些工作点，当燃料/油热交换器不能提供足够的油冷却时，油/空气热交换器对于冷却油是必需的。
其他解决方案也从现有技术中获得，特别是例如在油/空气热交换器的入口处在旁路管线中使用恒温阀，或者甚至使用空气供应器的阻尼器。
申请人的申请FR2 951 228、FR 1 061 138和FR 1 157 953描述了涡轮发动机中油和燃料回路的结构。
油/空气热交换器例如是表面冷却型的，换句话说，它包括被来自涡轮喷气发动机的旁路气流的称为二次空气流的冷空气流扫过的油管。例如，这种交换器直接在风扇的下游处凹入旁通管的壁中。
油/空气热交换器也可以是板式的，并且通过在二次空气流中收集的空气流交叉并在出口处再注入到其中。
现有的交换器具有相对低的效率，这迫使使用相当大的交换器。然而，由于这些被放置在二次空气流中，因此它们产生随着其尺寸而增加的空气动力学破坏，这对涡轮发动机的整体效率是不利的。
为了解决这个缺点，以申请人名义的专利申请FR 2 993 610提出了一种涡轮发动机，例如飞机的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其包括至少一个用于冷却所述回路的油的油回路和设备，所述回路包括制冷剂回路，所述制冷剂回路设置有能够在制冷剂与空气之间进行热交换并形成冷凝器的第一热交换器、能够在制冷剂与油回路的油之间进行热交换并形成蒸发器的第二热交换器、沿着制冷剂流动方向安装在第一交换器下游和第二交换器上游的减压器，以及安装在第二交换器下游并且在第一交换器上游的压缩机。
以这种方式，油回路不再通过简单的空气/油热交换器而是通过例如热泵的热力学系统来冷却。
在该系统中，热量通过蒸发器从油中被收集，然后通过冷凝器转移到空气中。
这种热力学系统提供高效率，这使得可限制空气与制冷剂之间的交换器的尺寸，从而不影响涡轮发动机的整体效率。
有必要进一步提高涡轮发动机的整体效率。
发明内容
为此，本发明提出了一种涡轮发动机，例如飞机的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其包括至少一个用于冷却所述回路的油的油回路和设备，所述冷却设备包括制冷剂回路，所述制冷剂回路设置有能够在制冷剂与空气之间交换热量并形成冷凝器的第一热交换器、能够在制冷剂与油回路的油之间进行热交换并形成蒸发器的第二热交换器、沿着制冷剂流动方向安装在第一交换器下游和在第二交换器的上游的减压器，以及安装在第二交换器的下游和第一交换器的上游的压缩机，该冷却设备包括第一调节器设备，所述第一调节器设备能够调节进入第一交换器的制冷剂的压力。
以这种方式，可特别根据飞行条件或外部条件通过第一热交换器(即冷凝器)来改变制冷剂的压力。
因此，在所谓的热条件下，当外部空气的温度较高时，需要增加通过冷凝器的制冷剂的压力，以便排出足够的热能并确保对应回路的足够的加热。表示操作或飞行场景的一小部分的这种操作模式是相当耗能的，因为它需要向压缩机提供足够的动力，以能够在第一交换器的入口处达到必要的功率。
相反，在大多数操作或飞行情况下，当外部空气温度较低时，可以降低通过冷凝器的制冷剂的压力，同时确保油的充分冷却。在这种情况下，可以降低压缩机消耗的功率，从而提高涡轮发动机的整体效率。
涡轮发动机还可以包括第二调节器设备，所述第二调节器设备能够调节进入第一交换器的制冷剂的流量。
制冷剂的流动主要是第一热交换器的进气压力的函数。
根据本发明的一个实施例，压缩机是双螺杆增压器。
在这种情况下，第一调节器设备包括可移动滑块，所述可移动滑块相对于增压器的螺杆具有可调节位置，在压缩机出口处的制冷剂的压力取决于所述滑块的位置，第一调节器设备包括用于控制所述滑块的位置。
设置有可移动滑块的这种双螺杆增压器是已知的，尤其来自用于其他用途的FR2501 799、EP 0 162 157和US 7 588 430的文献。
此外，第二调节器设备可以包括一设备，所述设备能够控制增压器的螺杆的旋转速度。
实际上，在增压器的情况下，所述压缩机的出口流量取决于螺杆的旋转速度。
根据本发明的另一个实施例，压缩机是一离心式压缩机，其包括一转子，该转子的旋转速度确定压缩机出口处的制冷剂的压力。
在这种情况下，第一调节器设备包括一设备，所述设备用于控制转子的旋转速度。
实际上，在一增压器的情况下，所述压缩机的出口压力取决于转子的旋转速度。
此外，第二调节器设备包括一可变截面膜片和一设备，所述可变截面膜片位于所述离心式压缩机的下游，所述设备用于控制所述膜片的截面。
实际上，在膜片出口处的制冷剂的流量取决于其截面。
涡轮发动机还可以包括能够确定以下的计算设备：
-增压器的螺杆的必要旋转速度或离心式压缩机的转子的必要旋转速度，和/或
-膜片的必要截面或双螺杆增压器滑块的必要位置，
根据的是：
-输入参数，特别是例如涡轮发动机外部的空气的温度、压缩机的特性、油回路的一点处的油的温度、压缩机的转子或螺杆的旋转速度、膜片的截面或滑块的位置，
-在油回路中要遵守的油温，和/或
-冷却设备的数学模型。
应当注意的是，压缩机的特性可以特别是其特性曲线，所述特性曲线提供例如压缩机出口处的压力和/或流量，所述压力和/或流量作为压缩机的螺杆或转子的旋转速度的函数。
涡轮发动机优选地包括次流，所述次流用于穿过来自一风扇的二次流量，第一交换器设置在次流中。
或者，第一交换器设计成在制冷剂与涡轮发动机外部的环境空气之间交换热量。
根据本发明的一个特征，油回路可被设计成润滑和/或冷却涡轮发动机和/或例如发电机的系统的元件。
本发明同样涉及一冷却系统，所述冷却系统用于冷却飞机涡轮发动机的热流体回路的流体，所述热流体回路包括制冷剂回路，所述制冷剂回路包括：
一第热交换器，所述第一热交换器形成一能够在制冷剂与空气之间进行热交换的冷凝器，
一第二热交换器，所述第二热交换器形成蒸发器，能够在制冷剂与热流体回路的流体之间进行热交换，
一压缩机，所述压缩机沿制冷剂流动方向安装在第二交换器的下游和在第一交换器的上游，以及一减压器，所述减压器安装在第一交换器的下游和第二交换器的上游，
该冷却系统包括第一调节器设备，所述第一调节器设备能够调节进入第一交换器的制冷剂的压力。
热流体回路的流体可以是用于涡轮发动机的润滑系统的油。
或者，热流体回路的流体可以是从涡轮发动机的压缩机级收集的热空气。
减压器可以内置在制冷剂回路的管道中，所述管道将第一换热器连接到第二换热器，减压器通过管道的流动区域的局部变窄形成。
因此，减压器不是安装在管道上的构件，而是可以由实际管道形成。
附图说明
通过在阅读通过非限制性示例给出的以下描述并参考附图，将更好地理解本发明，并且本发明的其它细节、特征和优点将显而易见，其中：
图1是现有技术的涡轮发动机的立体图；
图2是根据现有技术的油回路和冷却设备的局部示意图；
图3是对应于图2的视图的示意图，其示出了本发明的第一实施例；
图4是设置有可移动滑块的双螺杆增压器的示意性截面图；
图5是对应于图2的示意图，其示出了本发明的第二实施例。
具体实施方式
图1示出了现有技术的涡轮发动机1，其包括燃烧室2，来自该室的燃烧气体驱动高压涡轮机3和低压涡轮机4。高压涡轮机3通过一个轴连接到高压压缩机，所述高压压缩机设置在燃烧室2的上游，并将加压空气供给燃烧室2。低压涡轮机4通过另一轴连接到一设置在涡轮发动机1的上游端处的风扇轮5。
传动齿轮箱6，或附属齿轮箱，由一机械动力输出件7连接到高压涡轮机3的轴上，并且包括一组小齿轮，所述小齿轮用于驱动涡轮发动机的各种系统，例如泵和发电机，特别是电动的。也可以使用其他动力传动装置。
图2示出了图1的涡轮发动机的油回路8。
沿着油流动方向从上游端到下游端，油回路8包括使用润滑油和/或冷却油的各种组件9、使油可从系统再循环到罐11的回油泵10、供应泵12和过滤器13。
除了用于润滑和冷却涡轮发动机1，特别是润滑和冷却涡轮机的轴承和压缩机轴的油之外，通常的油流可包括用于润滑附属齿轮箱和润滑一个或多个发电机的油。
油回路8包括串联安装在过滤器13与组件9之间的两个热交换器，即主燃料/油热交换器14和二次燃料/油热交换器15。
该设备还包括例如热泵的热力学装置16。所述装置16包括制冷剂回路17，该制冷剂回路17设置有能够在制冷剂与空气之间交换热量并形成一冷凝器的第一热交换器18、能够在制冷剂与油回路8的油之间进行热交换并且形成一蒸发器的第二热交换器19、沿着制冷剂的流动方向安装在第一交换器18下游和第二交换器19上游的减压器20，以及安装在第二交换器19下游和第一交换器18上游的压缩机21。
优选地，第一交换器18设置在次流中，所述次流用于穿过来自涡轮发动机1的风扇5的次流动。
油回路8还包括安装在油回路8中以绕过第二热交换器19的管线22，并且包括设置在过滤器13的出口与第二热交换器19的入口之间的入口和设置在所述第二热交换器19的出口与二次燃料/油热交换器15的入口之间的出口。液压阀23安装在旁通管线22中，并且控制油流进入第二换热器19或通过旁路管线22的通道。
在操作过程中，当需要冷却回路8的油时，压缩机21启动。然后，蒸发器19使得可通过从油中收集热量来使制冷剂气化。压缩机21使得可在制冷剂通过冷凝器18之后使气相制冷剂的压力和温度升高，其中其通过从气态到液态将热量释放到空气中。然后，液相制冷剂在向后通过蒸发器19之前通过减压器20，减压器20降低其压力和温度。
还应注意的是，在冷运行状态下，可以打开阀23，以使油可通过旁路管线22。
该装置的特征通常在于其性能系数(COP)可以是例如5的量级。这意味着，对于供给到压缩机21的一个单位的能量(以电能的形式)，五个单位的能量(以热的形式)被油收集并转移到空气中。
因此，这样的系统16的高效率使得可减小空气与制冷剂之间的交换器18的尺寸，从而不会较大地影响涡轮发动机的效率。
特别是，交换器18的尺寸受到制冷剂和具有相当大的温度差的空气之间可交换的事实的限制。
如上所述，似乎有必要进一步提高组件的整体效率。
图3和图4示出了本发明的第一实施例，其中，压缩机21是例如由电动机24致动的双螺杆增压器。这种压缩机21的一般结构是已知的，具体可从文献FR 2 501 799、EP 0 162157和US 7 588 430中获得，并将在下文参考图4进行描述。
所述增压器21包括壳体25，壳体25包括低压制冷剂入口26和高压制冷剂出口27，所述壳体25容纳两个转子或旋转螺杆28。转子28包括螺旋齿，所述转子28中的一个形成一个由电动机致动的阳转子或驱动转子，另一个转子28形成阴转子，由阳转子的旋转驱动或旋转。两个转子28具有平行的轴线并且彼此啮合，在它们之间以及与壳体之间限定一用于使制冷剂循环的通道，所述通道随着其与壳体25的入口26分离而趋于变窄。因此，随着所述制冷剂28沿着所述转子与所述入口26相对前进，所述流体被进一步压缩。可以通过相对于所述转子28以密封的方式移动的可移动滑块29来调节由制冷剂行进的压缩路径的长度。换句话说，参考图4，滑块29越向左定位，即越朝向入口26，压缩机21的出口压力越低，滑块越靠右，也就是越朝向出口27，压缩机21的出口压力就越高。
滑块29的位置可以由一位置传感器，例如LVDT(线性可变差分变压器)传感器来检测。
滑块29可由任何合适的设备来移动，例如电动或液压致动器30。
此外，如本身已知的，压缩机21的出口流量是螺杆或转子28的旋转速度的函数。
涡轮发动机1还包括例如由FADEC(全权限数字发动机控制)计算机形成的计算设备31，其能够根据全部或部分以下元件32确定转子28的旋转速度和滑块29的位置，这些对于确保相应的回路油8的充分冷却是必要的：
-输入参数，特别是例如涡轮发动机外部的空气温度、压缩机21的特性、在油回路8的一点处的油温、压缩机21的转子或螺杆28的转速和滑块29的位置，
-在油回路8中要保持的油温，和/或
-冷却设备16的数学模型。
因此，本发明使得可通过滑块29的位置来调节冷凝器18的入口处的制冷剂的压力，和通过转子28的转速来调节冷凝器18的入口处的制冷剂流量。滑块29的致动器30可以由计算设备31或单独的计算设备来控制。
因此，可将根据油回路8的冷却需要来调节供给到压缩机21的功率，以提高涡轮发动机1的整体效率。
图5示出了第二实施例，其中压缩机21是离心式压缩机，其包括由例如电动机24致动的转子。在这里提醒一下，在离心式压缩机的情况下，压缩机21的出口压力是所述转子的转速的函数。
而且，在本实施例中，可变截面膜片33位于离心式压缩机21的出口与冷凝器18的入口之间。因此，可以通过改变所述膜片33的流动面积来调节在膜片33的出口处的制冷剂流量。然而，这样的膜片对于实施本发明不是必需的。
在本实施例中，例如由FADEC制成的计算设备31能够根据以下元素32的全部或部分来确定确保相应回路的油的良好冷却所必需的离心式压缩机21的转子的转速和可变膜片的截面：
-输入参数，特别是例如涡轮发动机外部空气的温度、压缩机21的特性、油回路8的一个点处的油的温度、转子的转速和膜片33的截面，
-在油回路8中要保持的油温，和
-冷却设备16的数学模型。
因此，本发明使得可通过压缩机21的转子的转速来调节冷凝器18的入口处的制冷剂的压力，和经由膜片33的截面来调节在冷凝器18的入口处的制冷剂的流量。
因此，可将根据油回路8的冷却需要来调节供给到压缩机21的功率，以提高涡轮发动机1的整体效率。
应当注意，本发明还可相对于现有技术减小第一热交换器18的尺寸，以便减少所述交换器18在次流中的阻力，从而提高涡轮机发动机1的效率。
而且，如前所述，在大多数操作或飞行阶段过程中，供给到压缩机21的功率可成比例降低，其可为现有技术的70％的量级。
应该注意的是，该系统可缺少旁路管线22和阀23(图2)。实际上，可以特别地降低供应给压缩机的功率。特别是，在特定的飞行条件下，特别是在极冷的天气中起飞时，可以关闭压缩机21。
而且，减压器20可以内置在制冷剂回路17的管道34中，减压器20例如通过管道34的流动面积的局部变窄来形成。

Claims (14)

1.一种涡轮发动机(1)，例如飞机的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，该涡轮发动机包括至少一个油回路(8)和用于冷却所述油回路(8)的冷却设备(16)，所述冷却设备(16)包括制冷剂回路(17)，所述制冷剂回路(17)设置有能够在制冷剂与空气之间进行热交换并形成冷凝器的第一热交换器(18)、能够在所述制冷剂与所述油回路的油之间进行热交换并形成蒸发器的第二热交换器(19)、沿着所述制冷剂的流动方向安装在所述第一交换器(18)的下游和所述第二交换器(19)上游的减压器(20)，以及安装在所述第二交换器(19)的下游和所述第一交换器(18)的上游的压缩机(21)，其特征在于，所述冷却设备(16)包括第一调节器设备(31，29，30，21，24)，所述第一调节器设备能够调节进入所述第一交换器(18)的制冷剂的压力。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(1)，其特征在于，该涡轮发动机包括第二调节器设备(31，24，28，33)，所述第二调节器设备(31，24，28，33)能够调节进入所述第一交换器(18)的制冷剂的流量。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(1)，其特征在于，所述压缩机(21)是包括由旋转螺杆(28)形成的转子的增压器。
4.根据权利要求3所述的涡轮发动机(1)，其特征在于，所述第一调节器设备包括一可移动滑块(29)，所述可移动滑块的位置可相对于所述压缩机(21)的转子(28)进行调节，在所述压缩机(21)的出口处的所述制冷剂的压力取决于所述滑块(29)的位置，所述第一调节器设备包括用于控制所述滑块(29)的位置的设备(30)。
5.根据权利要求3或4所述的涡轮发动机(1)，其特征在于，所述第二调节器设备包括用于控制所述压缩机(21)的转子(28)的旋转速度的设备(31，24)。
6.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(1)，其特征在于，所述压缩机(21)是一离心式压缩机，该离心式压缩机包含一转子，所述转子的旋转速度确定在所述压缩机(21)的出口处的所述制冷剂的压力。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一调节器设备包括用于控制所述转子的旋转速度的设备(31，24)。
8.根据权利要求6或7所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第二调节器设备包括位于所述离心式压缩机(21)下游的可变截面膜片(33)和用于控制所述膜片(33)的截面的设备(31)。
9.根据权利要求5或7所述的涡轮发动机，其特征在于，该用于控制所述压缩机(21)的至少一个转子的旋转速度的设备包括由计算机(31)控制的电动机(24)。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的涡轮发动机(1)，其特征在于，该涡轮发动机(1)包括能够确定以下事项的计算设备：
-所述增压器(21)的螺杆(28)的必要的旋转速度或所述离心式压缩机(21)的转子的必要的旋转速度，和/或
-所述膜片(33)的必要的截面或所述双螺杆增压器(21)的滑块(29)的必要的位置，
确定以上事项的根据是：
-输入参数，特别是例如所述涡轮发动机的外部的空气的温度、所述压缩机(21)的特性、在所述油回路(8)的一个点处的油的温度、所述压缩机(21)的转子或螺杆(28)的转速、所述膜片(33)的截面或所述滑块(29)的位置，
-在所述油回路(8)中要保持的油温，和/或
-所述冷却设备(16)的数学模型。
11.一种用于冷却飞机涡轮发动机(1)的热流体回路的流体的冷却系统(16)，包括制冷剂回路(17)，所制冷剂回路(17)包括：
第一热交换器(18)，所述第一热交换器(18)形成一冷凝器，能够在所述制冷剂与所述空气之间进行热交换，
第二热交换器(19)，所述第二热交换器(19)形成一蒸发器，能够在所述制冷剂与所述热流体回路的流体之间进行热交换，以及
压缩机(21)，所述压缩机(21)沿着所述制冷剂的流动方向安装在所述第二交换器(19)的下游和所述第一交换器(18)的上游，以及安装在所述第一交换器(18)的下游和所述第二交换器(19)的上游的减压器(20)，
所述冷却系统(16)包括第一调节器设备(31，29，30，21，24)，所述第一调节器设备(31，29，30，21，24)能够调节进入所述第一交换器(18)的制冷剂的压力。
12.根据权利要求11所述的冷却系统，其中所述热流体回路的流体是用于所述涡轮发动机(1)的润滑系统的油。
13.根据权利要求11所述的冷却系统，其中所述热流体回路的流体是从所述涡轮发动机(1)的压缩机级收集的热空气。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的冷却系统，其中，所述减压器(20)内置在所述制冷剂回路(17)的管道(34)中，所述管道(34)将所述第一换热器(18)连接到所述第二交换器(19)，所述减压器(20)通过所述管道(34)的流动面积的局部变窄来形成。
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