CN112081670B - 用于冷却涡轮机的强制空气对流设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用于冷却涡轮机的强制空气对流设备和方法”。本发明提供了一种用于冷却涡轮机的强制空气对流设备和方法。所述强制空气对流设备用于冷却涡轮机，所述设备包括：管道组件，所述管道组件具有一个或多个出口，所述一个或多个出口能够可拆卸地接合到所述涡轮机的一个或多个对应的进气口，并且还具有一个或多个入口，所述一个或多个入口能够可拆卸地接合到所述涡轮机的一个或多个对应的排气口，以使闭环再循环气流能够通过所述涡轮机和所述管道组件并返回所述涡轮机；以及空气处理系统，所述空气处理系统具有鼓风机，所述鼓风机被布置成将空气从所述管道组件的所述一个或多个入口吹到所述管道组件的所述一个或多个出口，并且还具有热交换器，所述热交换器被配置为冷却流过所述管道组件的所述空气。

Description

用于冷却涡轮机的强制空气对流设备和方法
技术领域
本公开涉及涡轮机领域。特别地，本公开涉及一种用于冷却涡轮机(例如用于涡轮机的冷启动测试)的强制空气对流设备。
背景技术
为了认证新的飞机气体涡轮引擎设计，引擎必须通过冷启动测试，其中必须证明能够在-40℃的温度下启动引擎。常规的冷启动测试需要使用一种称为“均热”的方法来冷却气体涡轮引擎。均热涉及将气体涡轮引擎置于非常大的密封的冷却室内。然后，使用氮气将冷却室的内部冷却至约-100℃的温度。整个冷却过程需要18至24小时才能达到所需的-40℃的温度。然后必须在约10分钟内将冷却室从测试设施中移除，以便维持气体涡轮引擎的所需温度。一旦移除冷却室，便执行冷启动测试。
气体涡轮引擎的常规冷启动测试方法存在许多缺点。
首先，必须由移动罐车提供大量的液氮。液氮必须转化为气态氮，并经过仔细处理以在引擎均热循环的不同阶段提供所需温度。每十次测试将使用300至350吨范围内的氮气，随后将氮气排放到大气中。这既浪费又昂贵。
使用如此大量的氮气的另一个缺点是它是窒息性的。因此，需要采取专业的健康和安全预防措施，并且需要昂贵的监测装置来确保进行冷启动测试的所有工人的安全。氮气的危险性意味着在均热过程中不可能接近引擎。
另一个缺点是冷却室的设计和构造很复杂。常规的冷启动基础结构和装置的成本在1200万至1500万美元之间。冷启动测试程序需要执行十次成功的引擎启动，每次仅需要运行五分钟。通常，需要12至14周来执行测试，这包括耗时的安装和所需基础结构的试运行。执行一次启动测试程序的成本(包括可消耗氮气的成本)在150万至200万美元之间。
另外，当引擎在冷启动测试期间无法启动时，会引起重大的延迟和成本。重新尝试冷启动测试需要超过20小时的冷却时间以及附加的氮气。
再一个缺点是典型的冷启动测试方法和设备受到环境因素的不利影响。在炎热和潮湿的天气下，无法达到-40℃的目标温度。
需要一种解决这些缺点中的一个或多个缺点的冷启动测试设备。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种用于冷却涡轮机的强制空气对流设备，该强制空气对流设备包括：
管道组件，该管道组件具有一个或多个出口，该一个或多个出口能够可拆卸地接合到涡轮机的一个或多个对应的进气口，并且还具有一个或多个入口，该一个或多个入口能够可拆卸地接合到涡轮机的一个或多个对应的排气口，以使闭环再循环气流能够通过涡轮机和管道组件并返回涡轮机；以及
空气处理系统，该空气处理系统具有鼓风机，该鼓风机被布置成将空气从管道组件的一个或多个入口吹到管道组件的一个或多个出口，并且还具有热交换器，该热交换器被配置为冷却流过管道组件的空气。
有利地，强制空气对流设备可以使用空气代替氮气来进行冷启动测试，从而避免了与使用氮气相关的各种缺点。首先，使用空气代替氮气避免了将氮气与空气分离所需的成本和能量。此外，空气可以在冷启动测试之后排放，而不会影响环境。此外，空气可以被执行冷启动测试的工人呼吸。因此，使用空气可以允许在冷却期间进入涡轮机。
另一个优点是，强制空气冷却设备的构造比常规冷启动测试中使用的室简单。因此，可以避免与构建冷启动测试基础结构相关的一些成本。
又一个优点是，在使用中，闭环再循环气流意味着执行每次冷启动测试所需的空气量可以比常规冷启动测试所需的对应氮气量小得多。这可以减少使用强制空气对流设备冷却涡轮机所需的能量和时间，从而允许在给定时间内执行更多的冷启动测试。
再一个优点是，该设备可较少地受到外部环境因素的不利影响，因此即使在炎热和潮湿的天气下，也可达到-40℃的涡轮机目标温度。
根据本公开的第二方面，提供了一种第一方面的强制空气对流设备和连接到该强制空气对流设备的涡轮机的组合，该组合使得该强制空气对流设备的一个或多个出口可拆卸地接合到涡轮机的一个或多个对应的进气口，并且该强制空气对流设备的一个或多个入口可拆卸地接合到涡轮机的一个或多个对应的排气口，以使闭环再循环气流通过涡轮机和管道组件并返回涡轮机。
根据本公开的第三方面，提供了第一方面的强制空气对流设备用于冷启动测试涡轮机的用途。
根据本公开的第四方面，提供了一种冷却涡轮机的方法，该方法包括以下步骤：
提供根据第二方面的强制空气对流设备和连接到该强制空气对流设备的涡轮机的组合；
操作鼓风机以使气流在闭环中循环通过涡轮机和管道组件并返回涡轮机；以及
操作热交换器以冷却再循环气流，从而冷却涡轮机，使得涡轮机降到阈值温度以下。
根据本公开的第五方面，提供了一种用于冷启动测试涡轮机的过程，该过程包括：
执行第四方面的方法；
将强制空气对流设备与涡轮机断开；以及
冷启动测试所述涡轮机。
现在将阐述可选特征。这些特征部可单独地或以与本公开的任何方面的任意组合应用。
涡轮机可以是涡轮风扇引擎，该涡轮风扇引擎具有到该引擎的引擎核心和旁路管道的第一进气口、到该引擎的短舱室的第二进气口、离开该引擎的引擎核心和旁路管道的第一排气口，以及离开该引擎的短舱室的第二排气口，并且其中管道组件可具有对应的第一空气出口和第二空气出口以及对应的第一空气入口和第二空气入口。
涡轮机可以是飞机气体涡轮引擎或者可以是工业气体涡轮引擎。
空气处理系统还可具有一个或多个空气阻尼器，该一个或多个空气阻尼器可操作以控制通过管道组件到达管道组件的一个或多个出口的相应气流。
便利地，流过管道组件的空气可以在热交换器中被液态制冷剂冷却。这有利于从气流中快速去除热量。一般来讲，液态制冷剂可以以比气态制冷剂高的质量流速被泵送通过热交换器，因此，可以实现相对较高的冷却速率。
强制空气对流设备还可具有串联的另外的热交换器的级联，该串联的另外的热交换器的级联被布置成冷却热交换器的液态制冷剂。这可以允许液态制冷剂被冷却到-65℃的温度，这可以有利于在离开热交换器的气流中达到-50℃。通常，级联可以具有串联连接的三个或更多个另外的热交换器。
更一般地，热交换器可被配置为冷却流过管道组件的空气，使得在使用中，从强制空气对流设备的一个或多个出口进入涡轮机的一个或多个对应的进气口的空气的温度为至少-40℃，或优选地至少-45℃或至少-50℃。
便利地，强制空气对流设备还可具有气流控制系统，该气流控制系统具有用于监测流过管道组件的空气的特性的一个或多个传感器，其中由一个或多个传感器生成的数据可被气流控制系统用来控制空气处理系统，从而维持空气的预定操作条件。传感器可以包括一个或多个温度传感器、一个或多个压力传感器和/或一个或多个流量计。
这样的气流控制系统可以通过操作前述空气阻尼器和/或通过增加或减小鼓风机的速度来改变从管道组件的空气出口流出的空气的流速。附加地或另选地，气流控制系统可以改变热交换器的性能(例如，通过改变制冷剂的流速)，以增加或减小从通过热交换器的气流中提取热量的速率。因此，一般来讲，由一个或多个传感器生成的数据可以由气流控制系统用来在管道组件的出口处达到并维持再循环气流的预定操作条件(例如，流速、压力和/或温度)。这样，气流控制系统可以在涡轮机内(例如在引擎核心、旁路管道和/或短舱室内)达到并维持在0℃至-50℃之间的温度。
强制空气对流设备可具有到贮槽的可密封的连接端口，用于从再循环气流中收集和移除冷凝的液态水。这样，可以防止设备中冰的形成。
附图说明
现在将参考附图以举例的方式来描述本公开的实施方案，其中：
图1示出了导管风扇气体涡轮引擎的纵截面；
图2示出了涡轮风扇引擎的示意图；
图3示出了本公开的接合到涡轮风扇引擎的强制空气对流设备的透视图；以及
图4示出了本公开的接合到涡轮风扇引擎的强制空气对流设备的示意图。
具体实施方式
参考图1，导管风扇气体涡轮引擎总体上以10标示，并且具有主旋转轴线X-X。该引擎以轴流式串联方式包括进气口11、推进式风扇12、中压压缩机13、高压压缩机14、燃烧装置15、高压涡轮16、中压涡轮17、低压涡轮18和核心引擎排气喷嘴19。短舱21通常围绕引擎10并且限定进气口11、旁路管道22和旁路排气口23。
在操作期间，进入进气口11的空气被风扇12加速以产生两股气流：进入中压压缩机13的第一气流A和穿过旁路管道22以提供推进推力的第二气流B。中压压缩机13在将空气输送到高压压缩机14(其中发生进一步的压缩)之前，压缩被引导至其中的气流A。
从高压压缩机14排出的压缩空气被引导至燃烧装置15中，在该燃烧装置中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴19排出之前通过高压涡轮16、中压涡轮17和低压涡轮18膨胀，从而驱动高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮以提供额外推进推力。高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮分别通过合适的互连轴驱动高压压缩机14、中压压缩机13和风扇12。
本公开可应用的其他气体涡轮引擎或更一般地实际上涡轮机可以具有另选配置。以举例的方式，此类引擎可具有另选数量的互连轴(例如，两个)和/或另选数量的压缩机和/或涡轮。另外，该引擎可包括设置在从涡轮到压缩机和/或风扇的驱动系中的齿轮箱。
图2示出了涡轮风扇引擎10的简化型式。涡轮风扇引擎具有引擎核心，该引擎核心接收第一气流A并且被由用于气流B的旁路管道22形成的室围绕。该室又被短舱21围绕，并且在短舱内有另一个短舱室。进气口11接收气流A和B到引擎核心和旁路管道室，并且排气口23从引擎移除这些气流。另外，短舱室具有临时第二进气口37和临时第二排气口38，用于使单独的气流通过该室。当安装在飞机上时，第二进气口和第二排气口被关闭。
图3示出了连接到涡轮风扇引擎10的强制空气对流设备40。强制空气对流设备具有管道组件41和空气处理系统42，该空气处理系统包括鼓风机43和位于可移动橇块上的主热交换器44。该管道组件具有第一空气出口45和第二空气出口46，为了在进行冷启动测试之前冷却引擎，它们分别可拆卸地接合到第一进气口11和第二进气口30，并且第一空气入口47和第二空气出口48分别可拆卸地接合到第一排气口23和第二排气口31。可拆卸接头可以由快速断开式配件形成。
管道组件41和引擎10的接合组合形成用于由鼓风机43驱动的再循环气流的闭环。特别地，鼓风机驱动空气通过管道组件41的第一半部到达第一空气出口45和第二空气出口46，通过涡轮风扇引擎的引擎核心、旁路室和短舱室到达第一空气入口47和第二空气入口48，然后通过管道组件的第二半部回到鼓风机。主热交换器44位于闭环上，并且在气流每次穿过空气处理系统42时对其进行冷却。主热交换器可以被配置为能够将气流从40℃高效冷却到-40℃至-50℃的温度。在空气被冷却到0℃以下之前，可以从气流中除去水，以防止可引起设备40发生故障的冰的形成。通过将环境温度降低到大约5℃，可以将一定体积的再循环气流内的大部分冷凝水含量排放到贮槽52中，该贮槽例如呈具有到管道组件的可密封的其余部分的连接端口的容器的形式。这允许移除填充有水的容器并且除去水而没有外部潮湿空气进入气流中，由此避免了进一步潜在的冰形成。可选地，可以将该空容器或另一个空容器重新安装到端口，以在设备继续进一步降低温度并最终降低到0℃以下时捕获再循环气流中的任何残余的水。
图4示出了位于引擎测试室中的强制空气对流设备40和涡轮风扇引擎10的示意图。在测试室之外，该设备的其他元件包括高性能冷却器单元50和气流控制系统51。该冷却器单元包括基于低温的装置，该装置包括另外的热交换器#1、#2、#3的级联。除了关于图3讨论的特征部之外，该空气处理系统还包括用于控制流向第一空气出口45和第二空气出口46的气流的空气阻尼器AD。如下所述，压力传感器PT、温度传感器RTD和流量计FM允许监测管道组件41内的气流状况。
冷却器单元50中的热交换器#1、#2、#3串联操作以提供制冷的渐进阶段，其中热交换器#1冷却热交换器#2，热交换器#2又冷却热交换器#3。热交换器#3将液态制冷剂61冷却到-65℃的温度。然后，经冷却的液态制冷剂从冷却器单元50被泵送到主热交换器44的冷侧，以冷却由管道组件41和涡轮风扇引擎10形成的闭环内的气流。然后，液态制冷剂被泵送回冷却器单元，以冷却回-65℃。使用液态制冷剂来冷却主热交换器的一个优点是，它可以以比典型的气态制冷剂更高的流速泵入主热交换器和从主热交换器中泵出。
强制空气对流设备40的总体发展得到了对再循环气流及其冷却引擎10的能力的计算流体动力学(CFD)分析的帮助。CFD分析建立了该设备从引擎舱中迅速去除热量的能力。CFD分析还帮助确定了提供用于冷却强制气流的液态制冷剂61的合适质量流量、温度和压力所需的冷却器单元50的总容量和尺寸。此外，CFD分析提供了可以实现均匀冷却引擎舱和部件的信心。
空气处理系统42具有在管道组件41的第一分支上的用于控制来自管道组件的第一空气出口45的气流的第一空气阻尼器AD和在管道组件的第二分支上的用于控制来自第二空气出口46的气流的第二空气阻尼器AD。另外，第一流量计FM和第二流量计FM测量流到管道组件的各个分支上的第一空气出口和第二空气出口的空气的流速。压力传感器PT和温度传感器RTD在鼓风机43和主热交换器44之后但在管道组件分成第一分支和第二分支之前设置在管道组件中。
由流量计FM、压力传感器PT和温度传感器RTD提供的数据被气流控制系统51使用以实现空气的预定操作条件。特别地，气流控制系统可以通过以下方法来达到或维持流速、压力和/或温度的预定操作条件：打开或关闭空气阻尼器AD；增加或减小鼓风机43的速度；和/或增加或减小穿过主热交换器44的液态制冷剂61的流速。这样，气流控制系统可以在引擎核心、旁路管道室和短舱室内维持在0℃至-45℃之间的任何温度，精度为±0.5℃。此外，气流控制系统可以将引擎核心、旁路管道室与短舱室之间的温度差维持在不超过±1.0℃。预定操作条件可以包括在管道组件41的出口45、46处的至少-40℃或优选地至少-45℃或至少-50℃的空气温度。
为了进行冷启动测试，如上所述，将管道组件41接合到涡轮风扇引擎10，以形成用于由鼓风机43驱动的再循环气流的闭环。来自冷却器单元50的液态制冷剂61被泵送通过主热交换器44并冷却气流。传感器PT、RTD、FM为气流控制系统51提供数据，以达到并维持空气的预定操作条件。一旦涡轮风扇引擎冷却到合适的温度，第一空气出口45和第二空气出口46就与第一进气口11和第二进气口30断开，并且第一空气入口47和第二空气入口48与第一排气口23和第二排气口31断开，然后管道组件41从引擎测试室移除。此过程通常需要约15分钟。然后，可以在空气处理系统42停留在测试室中的情况下启动冷启动测试。
强制空气对流设备允许冷却各种附加的引擎室以及各个引擎部件，以进行低温测试和认证。这些可以安装在引擎10上，并且包括诸如齿轮箱、发电机、液压泵、燃料控制阀和油系统部件的附件。
用于冷却涡轮机的强制空气对流设备与常规均热设备之间的主要区别在于，强制空气对流设备将冷空气引导到涡轮机的整体式外壳内，而常规均热设备需要将涡轮机置于大的冷却室中并由冷氮气冷却。与常规的均热冷却方法相比，强制空气对流设备具有许多优点。
例如，强制空气对流设备使用闭环再循环气流代替大量的氮气。与常规方法相比，闭环再循环气流还显著减少了冷却涡轮机所需的能量。闭环对流设备的另一个优点是可以实现精度为±0.5℃的精确温度控制。
另外，强制空气对流设备可以分别将所需基础结构的成本以及执行冷启动测试的成本降低约85％和50％。
此外，强制空气对流设备可以大大缩短准备设备和执行冷启动测试所需的总时间，例如，缩短约85％。因此，使用强制空气对流方法在一天之内可以进行三次冷启动测试，而在此之前通常只能进行一次测试。
另一个这样的示例是，强制空气对流设备允许涡轮机在非常炎热和潮湿的环境条件下冷却，从而允许在任何位置进行冷启动测试。
应当理解，本公开不限于上述实施方案，并且在不脱离本文所述的概念的情况下可以进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (13)

1.一种用于冷却涡轮机的强制空气对流设备，所述强制空气对流设备包括：
管道组件，所述管道组件具有一个或多个出口，所述一个或多个出口能够可拆卸地接合到所述涡轮机的一个或多个对应的进气口，并且还具有一个或多个入口，所述一个或多个入口能够可拆卸地接合到所述涡轮机的一个或多个对应的排气口，以使闭环再循环气流能够通过所述涡轮机和所述管道组件并返回所述涡轮机；以及
空气处理系统，所述空气处理系统具有鼓风机，所述鼓风机被布置成将空气从所述管道组件的所述一个或多个入口吹到所述管道组件的所述一个或多个出口，并且还具有热交换器，所述热交换器被配置为冷却流过所述管道组件的所述空气。
2.根据权利要求1所述的强制空气对流设备，其中所述涡轮机是涡轮风扇引擎，所述涡轮风扇引擎具有到所述引擎的引擎核心和旁路管道的第一进气口、到所述引擎的短舱室的第二进气口、离开所述引擎的所述引擎核心和所述旁路管道的第一排气口，以及离开所述引擎的所述短舱室的第二排气口，并且其中所述管道组件具有对应的第一空气出口和第二空气出口以及对应的第一空气入口和第二空气入口。
3.根据权利要求1所述的强制空气对流设备，其中所述空气处理系统还具有一个或多个空气阻尼器，所述一个或多个空气阻尼器可操作以控制通过所述管道组件到达所述管道组件的所述一个或多个出口的相应气流。
4.根据权利要求1所述的强制空气对流设备，其中流过所述管道组件的所述空气在所述热交换器中被液态制冷剂冷却。
5.根据权利要求4所述的强制空气对流设备，其还具有串联的另外的热交换器的级联，所述串联的另外的热交换器的级联被布置成冷却所述热交换器的所述液态制冷剂。
6.根据权利要求1所述的强制空气对流设备，其中所述热交换器被配置为冷却流过所述管道组件的所述空气，使得在使用中，从所述强制空气对流设备的所述一个或多个对应的出口进入所述涡轮机的所述一个或多个进气口的所述空气的温度为-40℃或更低。
7.根据权利要求1所述的强制空气对流设备，其还具有气流控制系统，所述气流控制系统具有用于监测流过所述管道组件的所述空气的特性的一个或多个传感器，其中由所述一个或多个传感器生成的数据被所述气流控制系统用来控制所述空气处理系统，从而维持所述空气的预定操作条件。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的强制空气对流设备，其还具有到贮槽的可密封的连接端口，用于从所述再循环气流中收集和移除冷凝的液态水。
9.一种根据权利要求1到8中任一项所述的强制空气对流设备和连接到所述强制空气对流设备的涡轮机的组合，所述组合使得所述强制空气对流设备的一个或多个出口可拆卸地接合到所述涡轮机的一个或多个对应的进气口，并且所述强制空气对流设备的一个或多个入口可拆卸地接合到所述涡轮机的一个或多个对应的排气口，以使闭环再循环气流通过所述涡轮机和管道组件并返回所述涡轮机。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的强制空气对流设备用于冷启动测试涡轮机的用途。
11.一种冷却涡轮机的方法，所述方法包括以下步骤：
提供根据权利要求9所述的强制空气对流设备和连接到所述强制空气对流设备的涡轮机的组合；
操作鼓风机以使气流在闭环中循环通过所述涡轮机和所述管道组件并返回所述涡轮机；以及
操作所述热交换器以冷却所述再循环气流，并且因此冷却所述涡轮机，使得所述涡轮机的温度降到阈值温度以下。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括从所述再循环气流中移除冷凝的液态水的步骤。
13.一种用于冷启动测试涡轮机的过程，所述过程包括：
执行根据权利要求11或权利要求12所述的方法；
将所述强制空气对流设备与所述涡轮机断开；以及
冷启动测试所述涡轮机。
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