CN108291453A - 用于将润滑流体供应至飞行器推进组件的至少一个构件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将润滑油供给到具有一个减速齿轮箱的涡轮发动机的构件的供给系统(1，100，110)，该供给系统(1，100)包括：非正位移泵装置(2)，其上游连接到油箱(3)并且以与涡轮发动机的运行速度不相关的速度旋转；连接至该非正位移泵装置(2)的出口的分离器节点(7)；第一输送支路(5)，用于润滑经由分离器节点(7)连接到所述非正位移泵装置(2)的RGB(9)；第二输送支路(6)，用于润滑经由分离器节点(7)连接到非正位移泵装置(2)的其他构件，该第二输送支路(6)包括正位移泵(11)；以及至少一个流体计量装置(8)，该流体计量装置具有计量槽并经由分离器节点(7)由非正位移泵装置(2)供给，用于供给RGB(9)的目的。

Description

用于将润滑流体供应至飞行器推进组件的至少一个构件的系 统和方法

背景技术

本发明涉及一种用于将润滑流体供给至飞行器发动机的至少一个构件的系统。

新型飞行器发动机架构，诸如超高涵道比(UHBR)架构，或者带有不是管道式的被称为“开放式转子”的风扇的架构，或者实际上最新一代的涡轮螺旋桨发动机，正在越来越多使用需要大量润滑的减速齿轮箱(RGB)，这可能会受到特别的约束，并且还会导致大量的功率耗散在油中。

在油中含有的消耗这种功率是一个主要问题。

发动机上有两种冷源：燃料；以及空气。通常优选将热量释放到燃料中以便在燃烧之前回收最大量的能量，然后将额外的功率消散到空气中。

空气/油热交换器使热量从油中排出到空气中，也降低了发动机的性能。因此，发动机最好尽可能地减少油中耗散的功率。

用于UHBR、涡轮螺旋桨发动机或开放式转子型应用的RGB用于降低入口轴和出口轴之间的旋转速度。所涉及的功率水平是巨大的，因为它们可以达到几十兆瓦，并且即使在减小到最小化的情况下损失也可以达到几十或甚至几百千瓦。因此，这些损失代表了在油中耗散大量功率的主要贡献。

RGB对其接受油的流量敏感。具体而言，最佳油流量变化取决于进口轴的旋转速度和所涉及的扭矩。偏离最佳油流速降低了RGB的效率，并因此增加了随后需要耗散的损耗。在某些飞行阶段，偏离该流速甚至会损坏RGB。

由于上述各种原因，能够调节供给RGB的油的流速是有利的。

尽管如此，管理油流速，特别是输送给RGB的流速，在飞行的各个阶段都难以令人满意地实现。

已经存在用于调节由泵系统输送的流体的流速的已知装置和方法，其中流体可以是用于供给到涡轮发动机的燃料或用于特别是供给到RGB的油。

这种装置的操作通常依赖于取决于发动机速度的供给流速，其由通常从发动机的涡轮轴驱动旋转的正位移泵产生。由于正位移泵产生的流速对于给定的发动机转速是恒定的，因此它与其出口处的机械计量系统，例如计量槽，相关联，从而可以计量必要的流速。

然而，在这种类型的已知系统中，为了使用机械计量系统实现良好的计量，正位移泵需要被驱动以便泵送大于必需流速的流速，从而也减少了相比需求从发动机获取太多功率。因此，系统需要为由正位移泵输送过量流量以提供再循环回路。

因此导向再循环回路的流体在较大压力差的影响下变热，并产生需要耗散的热量损失。

因此使用正位移泵的这种类型的系统不是最佳的。

流体供给系统也是已知的，特别是文献FR2882095，其通常使用由涡轮发动机的驱动轴驱动的离心泵，使得旋转速度与发动机的速度呈恒定的线性相关。

尽管如此，在这种已知的系统中，当涡轮发动机在低速运转时很难确保流体流通所需的最小压力水平。在低速下提供一些最小压力水平的需要通常导致供给系统的泵超尺寸。

此外，已知系统以与涡轮发动机的速度无关的流速运行。

例如，已知一种燃料和油泵组件，其具有在控制器的控制下由电动机的轴驱动的一系列泵。由泵组件输送的燃料和润滑油进料因此不依赖于涡轮发动机转速。由于燃料和油的正位移泵由共用轴驱动，因此规定它们是由控制器独立控制的可变位移泵，以便使输送到发动机的燃料和油流速失去相关性。

还已知一种用于燃料的泵组件，该泵组件尤其包括由电动机驱动的正位移泵，电动机独立于辅助齿轮箱，并因此独立于发动机转速，使得由泵输送的流速通过调节电动机的速度控制。

尽管如此，没有计量装置并且基于恒定或可变位移的电驱动正位移泵的这种系统通常呈现出高度的复杂性，或者需要泵的调节和公差足够精细和良好地控制以便提供准确的计量。

发明内容

本发明寻求提供一种用于将通常称为润滑油的润滑流体供给至航空发动机的至少一个构件的供给系统，该系统使润滑油能够以受控的速率输送，但不会使供给系统的泵的尺寸过大并且不再循环泵送的流体，这通常导致不期望的加热。

本发明提供了一种用于将润滑油供给到包括减速齿轮箱(RGB)的涡轮发动机的构件的供给系统。供给系统包括：

-非正位移泵装置，其入口连接至油箱并以与涡轮发动机的运行速度不相关的速度驱动旋转，该非正位移泵装置(2)包括非正位移泵或至少两个以串联流体流动连接方式连接的非正位移泵；

-连接到非正位移泵装置的出口的分离器节点；

-用于润滑至少RGB的第一输送支路，该支路经由分离器节点连接到所述非正位移泵装置；

-用于润滑其它构件的第二输送支路，所述第二输送支路经由分离器节点连接到非正位移泵装置，该第二输送支路包括正位移泵；以及

-至少一个流体计量装置，其具有计量槽并经由分离器节点由非正位移泵供给，用于供给RGB。

液压泵分为两类：正位移泵，其在大多数流体供给系统中可以找到；以及非正位移泵，其中出口压力由泵引用流体运动的动能产生。

与施加出口流速的正位移泵不同，非正位移泵用于施加出口压力。在本发明中，连接在非正位移泵下游的计量装置用于控制流速。具体而言，计量装置上游的压力由离心泵施加，并且在润滑RGB的应用中，下游压力由变速箱内部的压力和喷射器喷嘴中的压头损失施加。计量装置上的压力差是可变的，但是可以是已知的，即通过将下游压力建模为飞行阶段的函数。因此，在知道计量装置上的压力差的情况下通过控制通过计量装置的流动截面来控制流速。

因此将流体计量装置与非正位移泵相关联用于适配计量装置下游的流体流速，而不依赖于将泵的出口连接到其入口的流体再循环回路，并且没有损坏泵的风险。

流体计量装置的使用使得可以避免对泵的任何直接的机械作用，特别是与使用可变位移的正位移泵的供给系统不同，因此可以避免与其可靠性有关的任何影响。

此外，来自非正位移泵的出口流速总是对应于下游的流体需求，这使得可以提供根据输送到泵的功率优化的系统。特别是，当下游要求是将油供给RGB的要求的时候，不会因为过量的油被输送到RGB而导致搅动引起的功率损失。

另外，由于泵与涡轮发动机的速度不相关，所以供给系统可以以非常低的速度以向诸如RGB的构件输送流体，并且尤其在“螺旋桨自转”阶段可以这样做。

通过使用非正位移泵供给正位移泵，可以确保正位移泵的良好增压压力，从而确保其正常工作。这也可以降低正位移泵需要输送的功率。

因此，由于通过非正位移泵增压正位移泵，正位移泵的入口处的油压增加，所以正位移泵的效率得到改善。正位移泵可以设计得较小并且其运转速度可以增加，以便将所需的流速和压力输送到其它用于润滑的构件。尽管事实上为了通过更大的流速，非正位移泵的轴向尺寸和重量可能稍微增加，但是这使得可以节省供给装置的空间和重量。例如，非正位移泵的转子叶片可以被设计成在轴向上稍长一些以便通过最大所需流速。

此外，由于正位移泵由非正位移泵增压，所以正位移泵入口处的油压总是足以避免任何气穴现象的风险。因此不需要对油箱加压，因为在非正位移泵入口处的油压可能等于或接近大气压。这意味着油箱可以设计成具有较低的强度，因此重量更轻。此外，油箱中的较低压力提高了将油从系统返回到油箱的油回收泵的效率，由此使得可以采用稍微更紧凑且重量更轻的油回收泵。整个进料系统的效率、尺寸和重量因此得到优化。

在流体供给系统的第一方面中，系统可以进一步包括用于驱动正位移泵装置以恒定速度旋转的驱动装置。

恒定速驱动装置用于减少控制系统所需的电子器件。

此外，选择与涡轮发动机的运行速度不相关的恒定速度驱动装置可以避免在低速运行变速泵时的缺点。

具体而言，如果泵以与涡轮发动机的转速恒定线性相关的可变速度运转，例如，通过按照常规方式机械连接到其中一个驱动轴，那么非正位移泵将在低速下传送太小的压力，这可能在发动机的螺旋桨自转或其空转时发生。然后有必要增加泵的半径以获得足够的压力。在高速下，特别是在起飞或巡航阶段，假设压力随着速度的平方而变化，那么泵将向流体输送比所需更多的压力。然后将从发动机中获取太多的功率并且油的压力太大，这也是麻烦的。

在流体供给系统的第二方面，流体系统可以进一步包括用于以可以在最小速度和最大速度之间变化的旋转速度驱动正位移泵装置的驱动装置，所述最大速度不小于最小速度的1.2倍并且不大于最小速度的两倍。

对于变速旋转装置，用于驱动非正位移泵装置旋转的装置可以包括经由具有多个传动比的自动变速箱联接到涡轮发动机的涡轮轴的驱动轴，特别是为了增加在低发动机转速下泵的旋转速度以及由此增加其流速。可以设想使用如WO 2011/061438中所描述的传动比改变器装置。

在流体供给系统的第三方面中，用于驱动非正位移泵装置旋转的装置可以包括气动致动器。举例来说，气动致动器可以通过从发动机的压缩机获取空气来运行。

在流体供给系统的第四方面中，用于驱动非正位移泵装置旋转的装置可以包括独立于涡轮发动机的电动机。

在流体供给系统的第五方面中，供给系统可以进一步包括用于监测从流体计量装置的出口处输送的流体流速的监控装置。

优选地，用于监测流体流速的监控装置包括用于测量流体计量装置的上游侧和下游侧之间的压力差的测量传感器，所述测量传感器联接到用于感测可动构件的位置的传感器以用于控制流体计量装置的计量槽的流动截面。

通过截面的液压流量关系如下：

其中Q是通过截面的流速，ΔP是截面上的压力差，Ks是与流量截面成比例的系数。因此，如果横截面上的压力差ΔP与通过截面的流动面积一起已知，则可以推导出流速。

在一个变型中，流体流量监测装置可以包括布置在流体计量装置下游的流量计。

流量计在稳定条件下非常精确，在瞬态条件下精度较低。但是，特别是在稳定的条件下，流体计量需要准确，因为那时热量方面很重要。此外，在瞬态过程中，可以通过使用流体回路中的压头损失的模型来调节流体计量槽的移动，以获得流体计量，该模型可以在稳定条件下重置。

带有压力传感器的解决方案可避免使用流量计并提供更好的精度，但比使用流量计的解决方案更复杂且更昂贵。

在流体供给系统的第六方面中，非正位移泵装置可以包括至少一个离心泵。

最常见的非正位移泵是离心泵。离心泵根据施加到在泵内部驱动旋转的流体的离心力的原理进行运行。它根据泵的半径的平方和转速平方来提高流体的压力。

在流体供给系统的第七方面，分离器节点和RGB之间的第一输送支路优选地不具有流体再循环回路，使得分离器节点下游的所有流体可以用于供给RGB。

在流体供给系统的第八方面，第一输送支路包括多个分支，每个分支用于将泵装置的出口连接到至少一个用于润滑的所述构件，包括RGB，至少两个分支，每个分支包括连接泵装置和连接到分支的构件之间的流体计量装置，每个分支的流体计量装置可独立于其他分支的计量装置可被致动的。

因此，该构造提供了流体供给系统，该流体供给系统包括多个供给所共用的非正位移泵以及特定于每个构件或构件组的流体计量装置以调节流速。这些构件可以包括一个或多个电力发电机。

由于需求与发动机转速完全不相关，与由正位移泵输送的流速不同，其流速取决于发动机转速，该配置为发电机提供了大量节油。

本发明还提供了一种利用上述供给系统将润滑油输送到涡轮发动机的减速齿轮箱的方法，该方法包括通过控制流体计量设备来调节润滑油流速的步骤，并且更具体地通过控制用于控制流体计量装置的流速的可动构件的位置。

在利用供油系统的方法的第一方面中，该方法包括测量润滑油的温度的步骤，并且如果测量的温度低于阈值温度，则通过移动流体计量装置的可动构件进入过度打开的位置以便增加被泵送的润滑油的流速来加热润滑油的步骤。

本发明还提供了一种飞行器推进组件，其包括如上定义的用于将润滑油供给到涡轮发动机减速齿轮箱的供给系统。

附图说明

通过阅读以非限制性说明给出的以下描述并参考附图，可以更好地理解本发明，其中：

-图1是第一实施方式中的流体供给系统的图；

-图2是第二实施方式中的流体供给系统的图；以及

-图3是第三实施方式中的流体供给系统的图。

具体实施方式

图1是用于包括涡轮发动机的航空发动机的减速齿轮箱(RGB)的供油系统1的第一实施方式的图。

在图1所示的实施方式中，供给系统1包括离心泵2，离心泵2的入口经由离心泵2的供给支路4连接到燃料箱3，并且两个输送支路5和6经由分离器节点7连接到离心泵2的出口。

第一输送支路5包括具有经由流量计10连接到RGB 9的计量槽的流体计量装置8。

具有计量槽的油计量装置8本身是已知的。举例来说，它可以是如文献FR2950864中所提及的通常用于计量燃料的滑动件和护套的形式。滑动件在护套或衬套中的受控运动将槽遮盖到更大或较小。流体通过槽的未覆盖部分因此根据期望的流速来控制。例如，计量装置中的滑动件的运动由伺服阀型构件驱动。

在该实施例中，流量计10用于在油计量装置8的出口处提供适当的计量。

在所示的实施例中，第二输送支路6包括在其出口处连接到涡轮发动机的其他构件的正位移泵11(未示出)。

供给系统1因此将油输送到飞行器的推进组件的各个构件。从离心泵2上游，油从油箱3出来。然后，离心泵2用于升高油的压力并适应所需的流速。

由于正位移泵由非正位移泵增压，因此无需对油箱加压。非正位移泵入口处的油压可能特别等于或接近大气压力。在某些配置中，对油箱加压仍然是有用的。

离心泵2以与涡轮发动机的运转速度不相关的速度驱动旋转。

在图1所示的实施例中，离心泵2由独立于涡轮发动机速度的电动机12以恒定速度驱动。

通过设定目标压力增加，例如10巴，并通过设定旋转速度，例如10000转每分钟(rpm)，可以推断出离心泵需要的半径。因此，在飞行的所有阶段，并且知道油的温度时，离心泵下游的压力是已知的。

在离心泵2以给定压力输送油的情况下，在具有计量槽的油计量装置8的上游处的压力下可获得油，并且此时其流速仍未被施加。

油计量装置8的计量槽调节流速。

如上所述，通过截面的液压流量关系如下：

油计量装置8的槽的上游的压力由离心泵2施加，并且下游的压力由RGB 9内部的压力和通过喷射器喷嘴(未示出)的压头损失施加。

跨越油计量装置8中的槽的终端的压力差ΔP因此是可变的并且取决于进入RGB 9的内部的流速，并且因此可以被建模以管理瞬态阶段。

油计量装置8的槽下游的压力是取决于飞行包线中的操作点的RGB 9内部的压力与取决于传送到RGB 9的内部流速的通过喷嘴的压头损失之和。这两个压力的总和用于模拟飞行包线中任何操作点和运行的所有阶段的下游的压力，这对于瞬态阶段非常有用。

从产生的压差ΔP的模型中，可以经由开环控制槽的移动以增加或减少流速。由流量计10传送的信息既用于在瞬态阶段期间重置模型，也尤其用于在稳定的飞行阶段期间或仅在稍微瞬态的阶段期间提供调节。如果模型足够精确，则可以在稳定飞行中使用它，同时省略流量计。

图2是用于包括涡轮发动机的航空发动机的RGB的供油系统100的第二实施方式的图。

与图1的供给系统1相同的元件被赋予相同的附图标记。

第二实施方式的供给系统100与第一实施方式的不同之处在于，离心泵2由气动驱动器13以可变速度驱动，该气动驱动器13对从发动机的压缩机获取的空气进行操作。

气动驱动器13配置成使得离心泵2的驱动速度范围处于相对于最小速度限定的范围内。操作范围定义为操作速度在最小速度的1.2倍和最小速度的两倍范围内。

第二实施方式的供给系统100与第一实施方式的不同之处还在于，流量计被连接在油计量装置8的入口和出口之间的压力传感器14代替。这种配置独立于离心泵2的驱动的类型并且因此同样适用于第一实施方式的供给系统1。

图3是示出用于将油供给到包括涡轮发动机的航空发动机的RGB的系统110的第三实施方式的图。

与图1的供给系统1相同的元件被赋予相同的附图标记。

该第三实施方式与第一实施方式的不同之处在于，在离心泵2的出口处没有分离器节点，因为仅有第一支路5连接到离心泵2的出口，第二支路6具有经由设置在供给支路4中的分离器节点15直接连接到油箱的正位移泵11。通常需要加压油箱3以确保在正位移泵11的入口处有足够的油压，特别是为了避免在泵11中出现气穴现象的风险。

在利用可应用于供给系统的任何实施方式的本发明的供油系统时，可以规定：在供油系统在油计量装置8的低温环境下使用的情况下被打开以迫使大流速流过供给系统以加热油。为此目的，使油计量装置过度打开，从而将泵流量增加到正常流量设定点以上，如针对较高温度计算的那样。这导致RGB 9中的油再循环或搅动，从而用于加热油。

此外，以上描述涉及一种非正位移泵装置，其仅具有单个非正位移泵2来供给具有计量槽的流体计量装置。在另一替代方案中，可以提供两个以串联流体流动连接方式连接的非正位移泵来代替单个泵，以构成非正位移泵装置。这些串联的非正位移泵可以通过共同的驱动装置或独立的驱动装置来驱动旋转。

因此供给系统提供了适应在飞行器飞行期间变化的流速要求的解决方案。特别地，与现有技术系统相比，该系统用于最小化能量损失并以非常低的速度而不会在高速下超尺寸管理供给。此外，系统相对简单可以节省尺寸和重量。

Claims (15)

1.一种用于将润滑油供给到包括减速齿轮箱(RGB)(9)的涡轮发动机的构件的供给系统(1，100)，所述供给系统(1，100)包括：

-非正位移泵装置(2)，其入口连接至油箱(3)并且其以与涡轮发动机的运行速度不相关的速度被驱动旋转，并且所述非正位移泵装置包括非正位移泵或至少两个以串联流体流动连接方式连接的非正位移泵；

-连接到该非正位移泵装置(2)的出口的分离器节点(7)；

-用于润滑至少RGB(9)的第一输送支路(5)，该支路经由分离器节点(7)连接到所述非正位移泵装置(2)。

-用于润滑其它构件的第二输送支路(6)，该支路经由分离器节点(7)连接到所述非正位移泵装置(2)并且包括正位移泵(11)；以及

-至少一个流体计量装置(8)，其具有计量槽并且经由分离器节点(7)由非正位移泵装置(2)供给，用于供给RGB的目的。

2.根据权利要求1所述的供给系统(1，100)，还包括用于驱动该正位移泵装置(2)以恒定速度旋转的驱动装置(12，13)。

3.根据权利要求1所述的供给系统(1，100)，还包括驱动装置(12，13)，用于以可在最小速度和最大速度之间变化的旋转速度驱动该正位移泵装置(2)，所述最大速度不小于最小速度的1.2倍并且不大于最小速度的两倍。

4.根据权利要求3所述的供给系统，其中，用于驱动该非正位移泵装置(2)旋转的装置包括经由具有多个传动比的自动变速箱联接到涡轮发动机的涡轮轴的驱动轴。

5.根据权利要求2或权利要求3所述的供给系统(100)，其中，用于驱动该非正位移泵装置(2)旋转的装置包括气动致动器(13)。

6.根据权利要求2或权利要求3所述的供给系统(1)，其中，用于驱动该非正位移泵装置(2)旋转的装置包括电动机(12)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的供给系统(1，100)，还包括用于监测从流体计量装置(8)的出口处输送的流体流速的监控装置(10，14)。

8.根据权利要求7所述的供给系统(100)，其中，用于监测流体流速的监控装置包括用于测量流体计量装置(8)的上游侧和下游侧之间的压力差的测量传感器(14)，所述测量传感器(14)联接到用于感测可动构件的位置的传感器以用于控制流体计量装置(8)的计量槽的流动截面。

9.根据权利要求1至8任一项所述的供给系统(1，100)，其中，所述非正位移泵装置包括至少一个离心泵(2)。

10.根据权利要求1至9任一项所述的供给系统(1，100)，其中，分离器节点(7)和RGB(9)之间的第一输送支路(5)不具有流体再循环回路。

11.根据权利要求1至10任一项所述的供给系统(1，100)，其中，该第一输送支路(5)包括多个分支，每个分支用于将泵装置(2)的出口连接到包括RGB(9)的至少一个用于润滑的所述构件，至少两个分支的每个分支包括流体计量装置，该流体计量装置连接在泵装置(2)和连接到分支的构件之间，每个分支的流体计量装置可独立于其他分支的计量装置被致动。

12.根据权利要求1至11任一项所述的供给系统(1，100)，其中，油箱(3)是非加压油箱，并且系统(1，100)还包括至少一个配置成将油重新注入所述油箱的油回收泵。

13.一种使用根据权利要求1至11任一项所述的供给系统的方法，该方法包括通过控制用于控制流体计量装置(8)的流动截面的可动构件的位置来调节润滑油的流速的步骤。

14.根据权利要求12所述的方法，包括测量润滑油的温度的步骤，并且如果所测量的温度低于阈值温度，则包括通过控制流体计量装置占据过度打开的位置以增加泵送润滑油的流速来加热润滑油的步骤。

15.一种飞行器推进组件，包括根据权利要求1至11任一项所述的供给系统(1，100)，用于将润滑油供给到涡轮发动机的减速齿轮箱。