Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ СМАЗОЧНОГО ВЕЩЕСТВА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области способов, систем и устройств подачи смазочного вещества, в частности в турбомашинах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Во многих турбомашинах, в частности турбовальных двигателях, турбореактивных двигателях, турбовинтовых двигателях, турбонасосах или турбокомпрессорах, возможно, провести различие между двумя областями с температурами, которые четко отличаются. Таким образом, в авиационных турбовальных двигателях, турбореактивных двигателях и турбовинтовых двигателях, обычно возможно провести различие между относительно холодной областью, содержащей компрессор, и относительно горячей областью, содержащей камеру сгорания и турбину. Такие турбомашины также обычно включают в себя подшипники, как в области низкой температуры, так и в области высокой температуры, для поддержки вращающихся деталей, в частности приводного вала. Таким образом, в одной турбомашине, первый комплект подшипников работает при относительно низкой температуре, в то время как второй комплект подшипников работает при относительно высокой температуре. Использованный здесь термин «комплект подшипников» необязательно содержит множество подшипников, но возможно также вполне может содержать комплект только с одним узлом.

Традиционно, общий питающий контур используется для подачи смазочного вещества как к первому, так и ко второму комплектам подшипников. Для того чтобы отвести тепло, переданное смазочному веществу подшипниками, и таким образом сохранить температуру смазочного вещества при работе турбомашины, питающий контур обычно содержит теплообменник, и смазочное вещество подают к подшипникам после охлаждения в теплообменнике, который может являться, например, теплообменником типа воздух-смазочное вещество или теплообменником типа топливо-смазочное вещество, таким образом отводя тепло от смазочного вещества к окружающему воздуху или к топливному контуру, соответственно.

Такой теплообменник является частью, которая сравнительно сложная, тяжелая и громоздкая. К сожалению, в частности в авиации, желательно уменьшить эти недостатки, в частности снизить вес.

Следовательно, изобретение стремится обеспечить способ подачи смазочного вещества в турбомашину, который позволяет снизить требования к охлаждению смазочного вещества, а также веса, объема и сложности теплообменника(-ов), связанных с этим.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

По меньшей мере в первой реализации, эта задача достигается тем, что в турбомашине, содержащей первый комплект подшипников и второй комплект подшипников, работающий при температуре существенно выше, чем первый комплект, второй комплект подшипников снабжают смазочным веществом при температуре, которая существенно выше, чем у первого комплекта.

Благодаря этим мерам возможно уменьшить разницу температур между подшипниками второго комплекта и смазочным веществом, которое подается к ним. Поскольку перенос тепла от второго комплекта к смазочному веществу зависит от этой разницы температур, этот перенос аналогично существенно снижается, и таким образом общие требования к охлаждению смазочного вещества снижаются.

В некоторых вариантах осуществления, поток смазочного вещества охлаждают в теплообменнике выше по потоку от первого комплекта подшипников. Таким образом, по меньшей мере некоторое количество тепла, поглощенного смазочным веществом, может быть отведено для стабилизации его температуры без необходимости охлаждения потока смазочного вещества ко второму комплекту подшипников.

В некоторых вариантах осуществления, поток смазочного вещества нагревают выше по потоку от второго комплекта подшипников, причем указанного нагрева достигают за счет обмена тепла с потоком смазочного вещества, возвращающимся от второго комплекта подшипников. Таким образом, можно повысить температуру смазочного вещества, доставляемого ко второму комплекту подшипников при охлаждении смазочного вещества, выходящего из второго комплекта подшипников, таким образом способствуя снижению общего переноса тепла от второго комплекта подшипников к смазочному веществу.

В некоторых вариантах осуществления, первый комплект подшипников снабжается смазочным веществом посредством первого контура, и второй комплект подшипников снабжается смазочным веществом посредством второго контура, ответвляющимся от первого контура, таким образом, делая возможным подвергать смазочное вещество для каждого из комплектов подшипников различным действиям, и в частности специально охлаждать смазочное вещество, доставляемое к первому комплекту посредством первого контура, и/или специально нагревать смазочное вещество, доставляемое ко второму комплекту, например за счет обмена тепла с потоком смазочного вещества, возвращающимся от второго комплекта.

Настоящее изобретение также относится к устройству подачи смазочного вещества в турбомашину, содержащую первый комплект подшипников и второй комплект подшипников, причем указанный второй комплект выполнен с возможностью работы при температуре, которая существенно выше, чем у указанного первого комплекта.

По меньшей мере в одном варианте осуществления, устройство выполнено с возможностью снабжения второго комплекта смазочным веществом при температуре, которая существенно выше, чем у первого комплекта. Таким образом, перенос тепла между более горячим вторым комплектом подшипников и смазочным веществом может быть снижен, таким образом снижая общие требования к охлаждению смазочного вещества.

В некоторых вариантах осуществления, устройство содержит первый контур для подачи смазочного вещества к первому комплекту подшипников и второй контур для подачи смазочного вещества ко второму комплекту подшипников, причем первый контур содержит точку ответвления, ведущую ко второму контуру. Таким образом, в указанной точке ответвления, возможно, выделить два отдельных потока смазочного вещества, причем первый поток доставляется к первому комплекту подшипников посредством первого контура, и более горячий второй поток доставляется ко второму комплекту посредством второго контура. В частности, первый контур может включать в себя теплообменник между указанной точкой ответвления и первым комплектом подшипников для охлаждения смазочного вещества для подачи к первому комплекту подшипников, так чтобы охлаждать смазочное вещество для подачи к первому комплекту подшипников отдельно, не оказывая влияния на температуру смазочного вещества для подачи к более горячему второму комплекту подшипников. Второй контур также может включать в себя теплообменник для переноса тепла от потока смазочного вещества, возвращающегося от второго комплекта подшипников, к потоку смазочного вещества для подачи ко второму комплекту подшипников, таким образом, повышая температуру смазочного вещества, доставляемого ко второму комплекту подшипников при снижении температуры смазочного вещества, возвращающегося от второго комплекта подшипников.

Тем не менее, в некоторых вариантах осуществления, другие конфигурации контуров и теплообменников могут быть предусмотрены. Например, второй контур может быть полностью отделен от первого контура и не ответвляться от него. Теплообменники первого и второго контуров также могут быть встроены в устройство независимо друг от друга. Возможно, даже предусмотреть встраивание теплообменника для охлаждения смазочного вещества выше по потоку от точки ответвления между первым и вторым контурами для охлаждения, по меньшей мере, участка потока смазочного вещества для второго комплекта подшипников.

Настоящее изобретение также относится к турбомашине, содержащей первый комплект подшипников, второй комплект подшипников, выполненный с возможностью работы при температуре, которая существенно выше, чем у первого комплекта, и устройство, выполненное с возможностью снабжения второго комплекта смазочным веществом при температуре, которая существенно выше, чем у первого комплекта, и также к турбинному двигательному узлу, содержащему такой двигатель, в частности для авиации. Термин «турбинный двигательный узел» используется не только для турбовального двигателя, но для турбовинтового двигателя или турбореактивного двигателя, содержащего или нет перепускной контур.

Благодаря этим конструкциям, возможно, сократить вес, размер, стоимость и сложность такой турбомашины и такого турбинного двигательного узла.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение может быть хорошо понято и его преимущества лучше представлены при прочтении следующего подробного описания вариантов осуществления, приведенных в качестве не ограничивающих примеров. Описание относится к сопровождающим чертежам, на которых:

Фиг. 1 - продольное сечение турбомашины;

Фиг. 2 - схема устройства подачи смазочного вещества предшествующего уровня техники;

Фиг. 3А, 3В, 3С и 3D - схемы, показывающие устройства подачи смазочного вещества, представляющие первый, второй, третий и четвертый варианты осуществления соответственно; и

Фиг. 4 - схема регенеративного теплообменника.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Турбомашина 1, более точно образующая часть турбовального двигательного узла винтокрылого летательного аппарата, иллюстративно показана на фиг. 1. Турбомашина 1 содержит секцию L низкой температуры, включающую в себя компрессор 2, и секцию H высокой температуры, включающую в себя камеру 3 сгорания и турбину 4. Турбина 4 и компрессор 2 соединены приводным валом 5, который поддерживается множеством подшипников, составляющих первый комплект подшипников 6L в секции L низкой температуры и второй комплект подшипников 6H в секции H высокой температуры. Учитывая их расположение, подшипники 6H в секции H высокой температуры имеют температуру, которая значительно выше температуры подшипников 6L в секции L низкой температуры.

Для того чтобы смазать подшипники 6L и 6H, такой двигатель обычно также включает в себя устройство снабжения подшипников смазочным веществом. Одно такое устройство предшествующего уровня техники показано на фиг. 2. Это устройство 110 подачи смазочного вещества содержит резервуар 111 и общий контур 112 смазочного вещества для снабжения подшипников 6L секции низкой температуры и подшипников 6H секции высокой температуры, вместе с контуром 113 для возврата смазочного вещества от подшипников 6L и 6H в резервуар 111. Как контур 112 подачи смазочного вещества, так и контур 113 возврата смазочного вещества могут включать в себя традиционное средство управления и/или мониторинга (не показано) для осуществления циркуляции смазочного вещества и мониторинга давления, температуры, наличия частиц и так далее, в контурах 112 и 113, такое как насосы, клапаны, обратные клапаны и/или фильтры. Кроме того, подающий контур 112 имеет теплообменник 114 для охлаждения смазочного вещества и отведения тепла, поглощенного в подшипниках 6L и 6H. В качестве примера, теплообменник 114 может являться теплообменником типа смазочное вещество-воздух для отведения тепла смазочного вещества к окружающему воздуху, теплообменником типа смазочное вещество-топливо для отведения тепла от смазочного вещества к топливному контуру двигателя, или их комбинацией.

Посредством этого устройства 110 подачи смазочного вещества предшествующего уровня техники, смазочное вещество, таким образом, доставляется к подшипникам 6L и 6H при по существу одинаковой температуре. Тем не менее, поскольку подшипники 6H в секции H высокой температуры имеют температуру, которая значительно выше, чем у подшипников 6L в секции L низкой температуры, смазочное вещество будет нагреваться более интенсивно в подшипниках 6H, чем в подшипниках 6L.

Таким образом, при общем расходе D_g смазочного вещества, равном 450 литров в час (л/ч), например, разделенном между расходом D_L 300 л/ч, например, и расходом D_H 150 л/ч, например, для подшипников 6L и 6H, соответственно, и доставляемом к обоим комплектам подшипников при общей температуре T_i 111°C, например, поток D_L получает тепловую мощность P_L от подшипников 6L, например, 1,7 киловатт (кВт), таким образом нагреваясь до температуры T_O,L, равной 121°C, например, тогда как поток D_H получает тепловую мощность P_H от подшипников 6H, например, 4,9 кВт и нагревается до температуры T_O,H, например, 171°C. Два отдельных потока D_L и D_H смешиваются вновь в резервуаре 111, где смазочное вещество таким образом принимает промежуточную температуру T_R, например, 138°C. Для того чтобы охладить общий поток D_g до начальной температуры T_i, теплообменник 114, следовательно, должен отвести тепловую мощность P_T, которая приблизительно эквивалентна сумме тепловых мощностей P_L и P_H, то есть 6,6 кВт для значений, приведенных выше в качестве примера. Для того чтобы отвести поток тепла, который переносится к смазочному веществу в частности подшипниками 6H, и таким образом избежать перегрева и возможного коксования и/или ускоренного окисления масла, теплообменник 114 должен иметь значительные размеры.

Фиг. 3А показывает первый вариант осуществления устройства 10 подачи смазочного вещества, позволяющего снизить требования к охлаждению смазочного вещества по сравнению с предшествующим уровнем техники. Это устройство 10 подачи смазочного вещества имеет резервуар 11, первый подающий контур 12L для подачи смазочного вещества к комплекту подшипников 6L в секции L низкой температуры, второй подающий контур 12H для подачи смазочного вещества к комплекту подшипников 6H в секции H высокой температуры, первый возвратный контур 13L для возврата смазочного вещества от комплекта подшипников 6L в резервуар 11 и второй возвратный контур 13H для возврата смазочного вещества от комплекта подшипников 6H в резервуар 11. Второй подающий контур 12H ответвляется от первого подающего контура 12L в точке 20 ответвления. Как и в предшествующем уровне техники, каждый контур 12H, 12L, 13H, и 13L может быть снабжен традиционным средством (не показано) формирования и управления циркуляцией смазочного вещества в контурах 12H, 12L, 13H, и 13L, таким как насосы, клапаны, обратные клапаны и/или фильтры.

В этом первом варианте осуществления, первый подающий контур 12L включает в себя теплообменник 14 выше по потоку от точки 20 ответвления для цели охлаждения смазочного вещества, которое подлежит доставке к обоим комплектам подшипников 6H и 6L. В качестве примера, этот теплообменник 14 может являться теплообменником типа смазочное вещество-воздух, для того чтобы отводить тепло от смазочного вещества к окружающему воздуху, теплообменником типа смазочное вещество-топливо, для того чтобы отводить тепло от смазочного вещества к топливному контуру двигателя, или их комбинацией.

Другой теплообменник 30 установлен между подающим контуром 12H и возвратным контуром 13H, для того чтобы нагревать смазочное вещество, которое подлежит подаче к подшипникам 6H, используя тепло, отведенное от смазочного вещества, возвращающегося от подшипников 6H. Такой регенеративный теплообменник 30 может быть образован особенно простым образом соосными трубками 31 и 32, использующимися в прямом и обратном направлениях смазочного вещества соответственно, как показано на фиг. 4.

С устройством 10, подшипники 6H секции H высокой температуры двигателя 1 и подшипники 6L секции L низкой температуры могут быть снабжены смазочным веществом при температурах, которые существенно различны. Более точно, смазочное вещество, доставляемое посредством контура 12H к подшипникам 6H, существенно более горячее, чем смазочное вещество, доставляемое посредством контура 12L к подшипникам 6L. Следовательно, разница температур между подшипниками 6H и смазочным веществом, которое доставляется к ним при работе посредством контура 12H, меньше, чем в устройстве 110 предшествующего уровня техники, таким образом снижая перенос тепла от подшипников 6H к смазочному веществу, и таким образом снижая общие требования к охлаждению смазочного вещества. Теплообменник 14 таким образом может иметь меньшие размеры, чем теплообменник 114 устройства 110 предшествующего уровня техники.

В двигателе, аналогичном двигателю, содержащему устройство 110, описанное выше для целей сравнения, комплект подшипников 6L секции L низкой температуры и комплект подшипников 6H секции H высокой температуры, таким образом, получают соответствующие расходы D_L и D_H смазочного вещества, равные 300 л/ч и 150 л/ч соответственно. Тепловая мощность P_T, подлежащая отводу теплообменником 14, тем не менее может быть снижена, например, до 5,8 кВт, таким образом демонстрируя снижение в 12%, по сравнению с теплообменником 114 устройства 110 предшествующего уровня техники. При такой же температуре T_R смазочного вещества в резервуаре 11 (138°C в этом примере), общий поток D_g охлаждается в теплообменнике 14 только до температуры T_i,L, которая выше температуры T_i сравниваемого устройства 110, например, до температуры T_i,L 115°C. Поток D_L, доставляемый к подшипникам 6L, имеет эту температуру T_i,L и при получении в подшипниках 6L, тепловая мощность P_L, которая аналогично может составлять 1,7 кВт тепла от подшипников 6L, возвращается в резервуар 11 при температуре T_O,L, которая выше, чем в сравниваемом примере предшествующего уровня техники, например, при температуре T_O,L 125°C.

Однако поток D_H, доставляемый к подшипникам 6H, нагревается в теплообменнике 30 смазочным веществом, возвращающимся от этих подшипников 6H, до температуры T_i,H, которая выше температуры T_i,L. Например, температура T_i,H может составлять 135°C. Будучи доставленным при этой более высокой температуре T_i,H к подшипникам 6H, поток D_H будет поглощать ощутимо меньше тепловой мощности P_L вследствие меньшей разницы температур. При значениях, приведенных в качестве примера, эта тепловая мощность P_L может составлять не более 4,1 кВт. Тем не менее, покидая подшипники 6H, смазочное вещество также будет достигать температуры T_O,H, которая выше, чем в сравниваемом примере предшествующего уровня техники. В этом варианте осуществления, температура T_O,H может составлять 185°C, например. Тем не менее, поскольку часть тепла от смазочного вещества, возвращающегося от подшипников 6H, затем переносится к смазочному веществу, поступающему в теплообменник 30, температура T_r,H этого потока D_H при возвращении в резервуар может быть ниже температуры T_O,H сравниваемого примера предшествующего уровня техники. Например, температура T_r,H может составлять 165°C.

Поскольку смазочное вещество, таким образом, достигает более высоких температур в подшипниках 6H, для того чтобы снизить количество тепловой мощности, которое поглощается, главным фактором, ограничивающим в настоящее время снижение тепловой мощности, которая поглощается, является наибольшая температура, которая может быть достигнута смазочным веществом. Поскольку авиационное смазочное вещество обычно имеет температуру коксования, лежащую в диапазоне от 180°C до 210°C, температура T_O,H обычно должна лежать в этом диапазоне, непосредственно ниже температуры коксования используемого смазочного вещества. Помимо риска коксования смазочного вещества, другим фактором, ограничивающим наибольшую температуру смазочного вещества в подшипниках 6H, является наибольшая температура, которую могут выдержать сами подшипники 6H, при условии, что эти подшипники могут быть выполнены из материалов, которые особенно способны выдерживать высокие температуры, таких как, например, низкоуглеродистые стали, такие как стали M50 и M50NiL, азотированные стали, такие как сталь 32 CDV 13, согласно французскому авиационному стандарту AIR 9160, или керамические материалы.

Фиг. 3B показывает альтернативный вариант осуществления, который не содержит теплообменника 30 выше по потоку и дальше по ходу от подшипников 6H, но в котором теплообменник 14 помещен в контур 12L дальше по ходу от точки 20 ответвления. В этом втором варианте осуществления, следовательно, теплообменник 14 охлаждает только поток смазочного вещества, доставляемый к подшипникам 6L. Таким образом, даже без дополнительного теплообменника первого варианта осуществления, смазочное вещество, доставляемое к подшипникам 6H, горячее смазочного вещества, доставляемого к подшипникам 6L, поскольку только это смазочное вещество охлаждается теплообменником 14. Требования к охлаждению смазочного вещества, следовательно, более умеренные.

В двигателе, аналогичном двигателю, используемому с устройством 110, описанным выше в качестве сравнения, комплект подшипников 6L секции L низкой температуры и комплект подшипников 6H секции H высокой температуры, таким образом, принимает соответствующие потоки D_L и D_H, которые могут аналогично составлять 300 л/ч и 150 л/ч, например. Тепловая мощность P_T, подлежащая отведению теплообменником 14, таким образом, может быть аналогично снижена, например, до 5,5 кВт, таким образом, демонстрируя снижение в 16%, по сравнению с теплообменником 114 устройства 110 предшествующего уровня техники. При той же температуре T_R для смазочного вещества в резервуаре 11 (138°C в этом примере), теплообменник 14, охлаждающий только поток D_L, даже когда отводит меньше тепла, может тем не менее вызвать падение температуры T_i,L ниже описанной T_i предшествующего уровня техники, например, вплоть до 104°C. При по существу такой же тепловой мощности P_L, поглощенной в подшипниках 6L, этот поток D_L смазочного вещества возвращается в резервуар 11 при температуре T_O,L, которая существенно ниже температуры предшествующего уровня техники. Например, температура T_O,L потока D_L, возвращающегося в резервуаре 11, в этом варианте осуществления может составлять 114°C.

Более того, даже с небольшими тепловыми потерями в контуре 12H, поток D_H смазочного вещества доставляется к подшипникам 6H при температуре T_i,H, которая всего немного ниже температуры T_R смазочного вещества в резервуаре 11, и значит существенно выше температуры T_i,L. Например, температура T_i,H в этом варианте осуществления может составлять 135°C. Даже при температуре T_O,H, которая значительно выше на выходе из подшипников 6H, например, при температуре 185°C, поток D_H, следовательно, будет поглощать только относительно ограниченное количество тепловой мощности P_L от подшипников 6H. Таким образом, при значениях, приведенных в качестве примера, мощность P_L ограничена 4,2 кВт.

Фиг. 3C показывает третий вариант осуществления, сочетающий характеристики первого и второго вариантов осуществления. Таким образом, теплообменник 14 расположен ниже по потоку от точки 20 ответвления, как во втором варианте осуществления, но устройство 10 также включает в себя теплообменник 30, установленный между подающим контуром 12H и возвратным контуром 13H, как в первом варианте осуществления. Следовательно, он служит для охлаждения как смазочного вещества, поступающего к подшипникам 6L, так и смазочного вещества, поступающего к подшипникам 6H. Этот третий вариант осуществления более предпочтителен для устройств, которые имеют большое соотношение между расходом масла, доставляемого к подшипникам 6H, и расходом масла, доставляемого к подшипникам 6L.

Наконец, Фиг. 3D показывает четвертый вариант осуществления, аналогичный первому варианту осуществления, но с теплообменником 14, расположенным между первым и вторым возвратными контурами 13L и 13H и резервуаром 11. Смазочное вещество, таким образом, охлаждается выше по потоку, а не ниже по потоку от резервуара, что, в зависимости от тепловых характеристик резервуара 11, от его вместимости и от расхода циркулирующего смазочного вещества, может быть более или менее эффективным, по сравнению с конструкцией первого варианта осуществления.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, ясно, что различные модификации и изменения этих вариантов осуществления могут быть выполнены, не выходя за пределы объема изобретения, определенного формулой изобретения. В частности, отдельные характеристики различных показанных вариантов осуществления могут быть объединены в дополнительные варианты осуществления. Следовательно, описание и чертежи следует считать иллюстративными, а не ограничивающими.