冷却剂系统

技术领域

本发明涉及冷却剂系统。具体地，本发明涉及具有优化的压力调节的冷却剂系统，用于在连接到飞行器发动机的冷却发生器中使用。

背景技术

发电机既具有运行温度范围(在该运行温度范围内，它们能够运行)又具有最佳温度范围(在最佳温度范围内，它们倾向于最高效地运行)。在使用中，发电机由于发电效率低而产生热量。发电机通常由循环流体冷却以确保它们保持在其运行温度范围内，并且较佳地保持在其最佳温度范围内。

飞行器推进系统通常包括发动机形式的原动机，诸如涡轮发动机或喷气发动机之类，其可连接到发电机。发电机通常由包括转子和定子的磁路部件的组件形成。通常，通过使由机械泵驱动的流体循环，使用通常是用于大型飞行器发电机的油的流体来冷却飞行器发动机的发电机。泵本身通常由发电机的转子轴驱动。在其它实施方式中，比如较小的发电机，能够使用风扇来实现空气冷却。

当可变速发电机以较低的速度运行时，对于给定的电气负载，发电机转子绕组中的电流将更高，这又由于电阻而产生更多的热量。因此，在这些较低的速度下需要更多的冷却。类似地，如果发电机以较低的速度运行，则泵的旋转速度也将较低，因此油围绕回路流动的速率将较低。相反，当发电机以较高的速度运行时，电流较低，因此产生的热量较少。然而，在泵处传递的驱动速度较高，从而增加了油围绕回路流动的速度。为了在低流量、大电流的操作条件下提供足够的冷却，冷却剂泵通常会提供远远超过高速冷却所需的流量。

在已知系统中，通过使用泄压阀在油被首先用于冷却发电机的点位处调节流过发电机的油。通过将任何多余的油排回贮油器或集油槽确保了穿过发电机的油流横跨整个速度范围保持在选定的设计流速范围内。通常，该泄压阀设置为约60psi(磅每平方英寸)。然而，在已知的系统中，已经发现冷却剂系统中的很大一部分压降发生在远程安装的冷却系统的冷却器和相关的管道系统中，当发动机以巡航速度或更高速度操作时，压降可能超过120psi。由于由泵提供的液压动力是流速乘以出口压力，因此该压降的任何减少都将直接导致泵动力消耗的减少，并因此提高效率。

英国专利申请GB2571533A提供了一种包括流体控制设备的冷却剂系统。该流体控制设备构造成根据在流体回路中测得的压力选择性地将泵提供的流体的至少一部分引导离开冷却器。以此方式，冷却剂系统调节流体的流量，使得仅最小量的所需流体将穿过冷却器，而剩余流体被引导离开冷却器流向例如贮存器。

需要进一步改进冷却剂系统中的压力调节。

发明内容

发明人已经确认，可以对已知的用于飞行器发电机的冷却剂系统进行改进。可以参考已知的冷却剂系统来最好地理解这些改进，其中冷却剂流体围绕流体回路循环，该流体回路包括热交换器、冷却部件、贮存器(即集油槽)和释压阀，该释压阀构造成将过多的冷却流体引导至贮存器而不是发电机。

发明人已经发现了该已知系统的若干问题。一个问题来自冷却器下游的释压阀。在该现有布置中，泵在泵送流体穿过冷却器时消耗不必要的功率，从而降低冷却剂系统的效率，在该流体被引导至发电机的冷却部件之前，其将被直接引导至贮存器。这种类型的布置的另一问题是，其需要具有相对大容量的贮存器来容纳回路中的冷却剂流。

根据本发明，提供了一种发电机的冷却剂系统，该发电机布置成由飞行器的原动机驱动，该冷却剂系统包括：

在其中具有流体的流体回路，该流体用于冷却位于流体回路中的发电机；

该流体回路包括经过发电机的至少一个冷却部件的冷却路径，

第一流体流源，其构造成将第一流体流输送至冷却路径，

第二流体流源，其构造成产生第二流体流，以及

阀布置，其构造成根据发电机的测得运行参数选择性地引导第二流体流的至少一部分离开冷却路径。

该系统还可以构造成使得可以根据发电机的测得运行参数引导第一流体流的至少一部分离开冷却路径。这可以是在系统构造成使得可以根据发电机的测得运行参数引导第二流体流的一部分离开冷却路径的基础上而提供的。该系统较佳地构造成使得在运行中恒定地将第一流体流输送至冷却路径。

本发明提供了在已知冷却剂设备中识别的问题的解决方案。具体地，阀布置构造成引导流体离开冷却路径，即在流体流到发电机的至少一个冷却部件之前，通过减少流向冷却路径的流体量来减少泵的功率消耗。此外，由于贮存器的尺寸与冷却路径周围的流体流速成比例，因此降低穿过冷却路径的最大流速允许使用更小的贮存器，从而降低冷却剂系统的重量。这提供了另外的优点，即减少了发电机的净重，并允许其装配到更小的空间中。此外，该布置减少了系统中所需的油量，使得例如在贮存器破裂的情况下需要处理的油更少。由于这两个流体流由两个独立的流体流源输送，因此可以彼此独立地控制它们的流量，从而提高围绕流体回路的流体流的效率。

发电机的至少一个冷却部件可以是发电机的转子或定子，或者发电机的转子和定子两者。来自冷却路径的可能已经通过穿过冷却器来冷却的流体可以首先被引导至转子，然后被引导至定子。在替代布置中，流体可以首先被引导至定子，然后被引导至转子。在另一替代布置中，流体可以同时被引导至转子和定子。

第一流体流源和第二流体流源可以包括在单个泵单元中，该单个泵单元具有用于每个流体流源的单独出口。第一流体流源和第二流体流源可以包括在单独的泵或泵单元中。提供单独的流体流源的单独泵元件可以容纳在单个泵壳体中。单独的泵或泵单元可以由共用的机械或电气输入件或由单独的机械或电气输入件驱动。

冷却剂系统可以构造成使得第一流体流被连续地引导至冷却路径。这提供了这样的优点，即不管阀布置的状态如何，流体的至少一部分会流至冷却剂路径。具体地，当阀布置引导所有第二流体流离开冷却路径时，连续引导第一流体流至冷却路径确保了一些流体仍被供应至冷却路径以被冷却，然后执行其冷却发电机部件的功能。具体地，该构造确保了如果阀布置以这样的方式发生故障，即其将所有第二流体流引导离开冷却路径(例如引导至贮存部)，则流体仍将被供应至发电机以执行其冷却功能，并且在某些布置中，以为诸如转子轴承之类的发电机部件提供润滑。

阀布置可以包括放泄阀。放泄阀可构造成可根据发电机的测得运行参数选择性地引导第二流体流的至少一部分离开冷却路径。发电机的测得运行参数可以是流体回路中的测得压力。这允许基于来自流体回路中某点的测得压力，引导一定比例的流体离开冷却路径，例如引导至贮存部。流体回路中的测量点可以远离阀布置。冷却路径可以包括冷却器，诸如热交换器。测量点可以处于冷却器下游。这样，放泄阀可以基于冷却器和发电机的冷却部件之间的流体压力改变其状态。这提供了这样的优点，即当测量点处的压力高时，放泄阀将改变其状态以引导来自第二流体流的流体离开冷却器，例如至集油槽，从而控制流体回路中的流体流速。

第二流体流源可以构造成将第二流体流引导至第一流体回路分支和第二流体回路分支。第一流体回路分支可以构造成将流体流输送至放泄阀。第二流体回路分支可以构造成将来自第二流体流的流体与第一流体流合并。该布置提供了进一步分离第二流体流的流动以便使用阀布置控制第二流体流的优点。具体地，该布置提供了一种经由放泄阀选择性地引导流体离开冷却器的方式。此外，该布置为第二流体流与第一流体流合并提供了路径，使得可以将第二流体流的至少一部分引导至冷却路径，从而有助于冷却发电机的冷却部件。以此方式，当放泄阀处于不引导流体离开冷却路径的状态时，例如当测量点处的压力低时，可以优先引导来自第二流体流源的流体顺着第二流体回路分支。这样，当流体回路中测量点处的流体流速低时，例如当发电机在飞行器滑行期间以较低速度运行时，第二流体流的更大比例可以与第一流体流合并以增加流体的总流速，从而在以较低速度运行时适应发电机发热增加。

阀布置可以包括止回阀。止回阀可以位于第二流体回路分支中。止回阀可以构造成选择性地引导来自第二流体流的流体与第一流体流合并，以便将第一流体流和第二流体流的组合引导至冷却路径。这提供了控制顺着第二流体回路分支流动的流体量的优点。具体地，当放泄阀处于允许引导流体离开冷却路径的状态时，这可能是当发电机以较高速度运行时在其中发热较少时，止回阀可以防止来自第二流体流的流体引导穿过第二流体回路分支。具体地，在流体流速高的这些情况下，来自第一流体流中的流体的背压会将止回阀保持在其关闭状态。这样，当冷却发电机的需求降低时，较佳地将第二流体流顺着第一流体回路分支引导至放泄阀，从而引导远离冷却路径，例如引导至贮存器。

阀布置可构造成可根据发电机的测得运行参数选择性地将第二流体流的至少一部分导向贮存器。

第一流体流源和第二流体流源中的至少一个可以经由发电机驱动。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括如上所述的冷却剂系统的飞行器推进系统。

根据本发明的另一方面，提供了一种飞行器推进系统的飞行器，该飞行器推进系统包括如上所述的冷却剂系统。

附图说明

通过仅借助示例并参考附图进行的本发明的实施例的以下描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，附图中：

图1是根据现有技术的冷却剂系统的示意图。

图2是根据本发明实施例的冷却剂系统的示意图。

图3是示出了根据本发明实施例的飞行器和飞行器发动机组件的示意图。

具体实施方式

图1示出了现有技术中已知的用于飞行器推进系统中的冷却剂系统100。冷却剂系统100包括冷却剂回路102。冷却剂回路102含有能够围绕冷却剂回路102循环的冷却剂流体(未示出)。在该示出的示例中，冷却剂可以是或包括油，但是可以使用任何合适的冷却剂。冷却剂通常是液体，其组分可以包括油或其它润滑流体。冷却剂还可以用作发电机部件的润滑剂。冷却剂能够循环至或循环离开通常被称为集油槽的冷却剂贮存器104。

冷却剂系统100还包括发电机108，其由冷却剂回路102冷却。在这方面，发电机108布置成与冷却剂回路102热力连通，使得多余的热量能够从发电机108传递到冷却剂流体。通常，为了获得这种效果，冷却剂行进穿过发电机的一个或多个部件，并且更通常地行进穿过发电机的一个或多个发热部件。发电机的发热部件通常是在发电机运行期间由于电阻而发热的部件。发电机108通常包括被称为转子120的旋转部件、和/或被称为定子的静止部件(未示出)。冷却剂回路102尤其用于冷却这些部件，但是除了发电机的那些部件之外或代替发电机的那些部件，发电机的其它部件也可以被冷却。

冷却剂系统100还包括位于冷却剂回路102中的冷却器110，通常称为热交换器。其通常位于泵106和发电机108之间。泵106构造成通过冷却器110将冷却剂流体朝向发电机108泵送。这允许来自冷却器110的冷却流体流到发电机上以执行其冷却功能。在冷却剂回路102开始冷却发电机108的点处设有释压阀(PRV)112。该释压阀112基于其位置114处的压力而运行。在该情况下，该点可被视为测得的用于现有技术布置的释压阀112的压力点114。它是释压阀112的位置，并且可以与冷却剂回路102开始冷却发电机108所处的点位于同一位置。释压阀112构造成通过在通常达到但不超出例如60psi的选定压力水平时打开，在该点处使冷却剂流体的压力基本保持恒定，或至少将压力“限定”在上限阈值处。通过允许来自冷却剂回路102的过量冷却剂流体返回到贮存器104，释压阀112在冷却剂进入发电机的点以及贮存器/泵入口之间提供基本恒定的压降。这导致流过发电机的冷却剂基本恒定，这给予更可预期的移除来自发电机的热量的速率。

还设置了过滤器116以从冷却剂流体中去除不需要的颗粒。止回阀(NRV)126可以设置在过滤器116和冷却器110之间。还可以提供冷启动阀(CSV)118，以使一些冷却剂流体能够在某些条件下绕过冷却器110。考虑到冷油更粘稠，因此需要穿过冷却器110围绕冷却剂回路102驱动更多来自泵106的动力，冷启动阀118有助于防止系统100过载，例如，通过使一些冷却剂流体能够绕过冷却器110以防止在冷却器110的上游侧累积过大的压力，尤其是在寒冷条件下，但是阀可以在诸如冷却器堵塞之类的任何导致冷却器内压力累积的情况下起作用。

以上描述的现有技术的冷却剂系统100是冷却剂系统的典型，其中流体压力由标准释压阀调节。在这种情况下，释压阀基本上位于冷却剂回路进入发电机的冷却部件并开始冷却发电机108的冷却部件的点位处。然而，已经发现，在高速运行模式中，即，可以在其中安装发电机的飞行器的巡航速度下，在典型的冷却剂系统100中，大部分压降在冷却器110中发生。在较高的速度下，流速增加，这又致使发电机入口处的压力增加。因此，释压阀进一步打开以补偿这种增加，从而保持流速恒定。释压阀所在的发电机处的这种流速过大导致冷却剂在绕过发电机的同时返回到集油槽。然而，转移的冷却剂一旦到达旁通阀112，其仍然已穿过冷却器。为了推动过量的冷却剂流体穿过冷却器，泵106消耗的大部分功率被浪费为通过冷却器中的高压降驱动高冷却剂流速。试图避免这种冷却器中的功率损失的缺点的一种方式是将释压阀移动到泵的出口，但是这将带来的缺点是，当冷却器110中的压降高时，例如由于冷却剂的较低的温度和较高的粘度，释压阀将运行，而提供到发电机的冷却剂流不足。因此，由于系统的冷却器中的压降将随冷却剂粘度以及因此随温度而变化，因此不能简单地将释压阀移动到泵出口或冷却器之前的另一个位置，因为这样在冷却剂进入发电机的冷却部件的点处所留下的冷却剂压力将不足以驱动足够的冷却剂流穿过发电机的冷却部件。

已经开发了根据本发明的系统，以解决在巡航速度下由于过量冷却剂流穿过冷却器110而消耗过多功率的问题。此外，本发明的实施例解决了上述问题，而不会将单点故障引入冷却剂系统中。如上所述，在高发动机转速下，通常，到达现有技术系统的释压阀的冷却剂的大约一半可直接返回到贮油器，而不经过冷却的发电机部件。这意味着，冷却器中的大部分压降仅用于推动多余的油穿过冷却器，并环绕回路到达释压阀，而不冷却发电机。这可能意味着在某些运行情况下，只有低至10％的泵功率被用于产生有用的冷却功，而其余大部分则用于驱动多余的流穿过冷却器。

图2和图3示出了将描述的与本发明实施例相关的冷却剂系统200。冷却剂系统200可以包括在飞行器1的发电机208中，发电机208布置成由诸如飞行器发动机2之类的飞行器原动机驱动。冷却剂系统200包括流体回路201。流体回路含有冷却剂流体(未示出)，该冷却剂流体可以经由第一流体流源221和第二流体流源22围绕流体回路201循环，该第一流体流源和第二流源可以包括在泵206中。在该示出的示例中，冷却剂可以是油，该油能够循环至或循环离开冷却剂贮存器204，但是也可以使用任何合适的冷却剂流体，通常是液体冷却剂。发电机208以及第一流体流源221和第二流体流源222可以由飞行器发动机2驱动。可以可选地经由输出齿轮箱、较佳地经由输入驱动轴3来提供来自发动机的驱动。

冷却剂系统中的发电机208由流体回路201冷却。在这方面，发电机208可布置在流体回路201中或附近，使得多余的热量能够从发电机208传递至冷却剂流体。因此，发电机的冷却部件与流体回路中的冷却剂紧密热力接触。这通常是通过使冷却剂穿过发电机的电气和/或磁路部件，以将来自它们的热量吸收到冷却剂中来实现的。发电机208包括主转子220和定子(未示出)。在本实施例中，仅转子220被示出为位于流体回路201中，但应理解，定子可以附加于或替代于转子220位于流体回路201中。在这方面，流体回路201可以首先被引导至转子220，然后至定子，或者首先被引导至定子，然后至转子220，或者同时被并联引导至定子和转子220。

泵206可以构造成经由第一流体流源221和第二流体流源222使冷却剂流围绕流体回路201循环。流体回路201包括冷却路径202。冷却路径202包括冷却器210。冷却路径202构造成将流体流从泵206经由冷却器210引导至转子220。这样，在冷却器210中冷却的流体可以被引导至转子220以执行其冷却功能。

冷却路径202还可以包括过滤器216，较佳地设置在泵206和冷却器210之间，以从冷却剂流体中去除不需要的颗粒。冷却路径202还可以包括冷启动阀(CSV)218，其可以是冷启动释压阀，以引导一些冷却剂流体，从而使其在冷却剂的高粘度或冷却器中的任何堵塞导致冷却器210中的压力过大的情况下绕过冷却器210。冷却路径202还可以包括止回阀(NRV)226，较佳地在过滤器216和冷却器210之间。

较佳地，由发电机208经由泵驱动轴(未示出)为泵206提供动力。这样，泵206被驱动的转速可以与发电机速度成比例，发电机速度本身可以与飞行器发动机速度成比例。如果提供从发动机到发电机和泵的直接驱动连接，则会出现这种情况，这可能是典型应用中的情况。第一流体流源221构造成产生至冷却路径202的第一流体流。在所示示例中，第一流体流源221包括在泵206中，并且可以经由第一泵输出部231将流体引导至流体回路201和冷却路径202。第二流体流源222构造成产生第二流。在所示示例中，第二流体流源222包括在泵206中，并且可以经由第二泵输出部232将流体引导至阀布置212。因此，第一流体流和第二流体流是可由泵206驱动的单独流体流。第一流体流源221和第二流体流源222可以由泵驱动轴驱动。虽然第一流体流源221和第二流体流源222已经被描述为包括在由泵驱动轴驱动的单个泵206中，但是应当理解，第一流体流源221和第二流体流源222可以替代地分别包括在第一泵和第二泵中。这种第一泵和第二泵可以由单个驱动轴提供动力，或者可以由其它装置单独提供动力。流体流源中的一个或两个可以包括可变排量泵布置，其中流体流源的排量构造成基于流体回路中的测得流体压力而变化。此外，尽管本文已描述两个流体流源，但应当理解，可以采用两个以上的流体流源。

第一流体流源221可以经由第一泵输出部231将流体从贮存器204直接引导至冷却路径202。第二流体流源222可以经由第二泵输出部232将流体从贮存器204直接引导至阀布置212。在所示示例中，第一泵输出部231将流体从泵206引导至冷启动阀218，并引导至过滤器216、止回阀226和冷却器210。这样，第一流体流源221能够经由第一泵输出部231将与第二流体流分离的第一流体流持续引导至冷却路径202。

阀布置212构造成根据发电机208的测得运行参数选择性地引导第二流体流的至少一部分离开冷却路径202。发电机的运行参数可以是流体回路201中的测得压力，例如测量点214处的压力。测得运行参数可以替代地或附加地是发电机或其冷却系统的一部分的温度的测量值，或者是发电机208所发散的热量的测量值。此外，运行参数可以包括发电机速度或驱动发电机的发动机的速度。运行参数还可以包括发电机上的电负载。例如，如果发电机正在驱动高电负载，则发电机中可能会产生更多的热量，并且进一步地，如果当发动机转速低需要高电负载时，由于发电机中的高电流，甚至可能会产生更多热量。这样，测得运行参数可包括任何或所有上述可测量参数。

在所示示例中，第二泵输出部232包括第一分支232a和第二分支232b。放泄阀234可以设置在阀布置212中。放泄阀234可以是位于第二泵输出部232的第一分支232a中的先导压力分流阀。放泄阀234可以构造成基于位于流体回路201中的压力测量点214处的测得压力，选择性地将流体从泵206引导至贮存器204。在本实施例中，压力测量点214位于主转子220的输入部处，在冷却器210的下游。然而，应当理解，测量点可以位于流体回路201中的任何其它位置，例如转子和定子之间。此外，放泄阀234可以替代地为伺服控制的。因此，可以基于可以是电的或电子的控制信号来控制伺服。控制信号可以基于冷却剂系统200中的测得压力，或者可以附加地或替代地基于诸如上述那些因素之类的其它因素。这可以例如允许根据各种因素来改变穿过冷却路径202输送的冷却剂流，各种因素诸如发电机处的变化的电负载，其可能导致发热量变化。

第二泵输出部232的第二分支232b可将流体从第二泵出口232导向流体回路201中的某点，来自第二流体流的流体可在该点处与第一流体流合并。从该点起，第一流体流和第二流体流可以被共同导向冷却路径202中的冷却器210。止回阀236可以设置在阀布置212中。这可以设置在第二泵输出部232的第二分支232b中。止回阀236可以构造成根据来自止回阀226任意侧的流体的合成压力，选择性地将流体从泵206引导至冷却路径202。虽然阀布置212已经被描述并图示为与泵206分离的部件，但是应当理解，可以将阀布置212结合到泵206中。

阀布置212可以构造成使得冷却剂系统200提供冷却发电机208所需的流速，而不提供明显高于所需的流速。这样，流经冷却器的冷却剂的流速更好地匹配发电机的需求。如上所述，当发电机以低速运行时，泵也将以低速运行，但发电机产生的热量将很高。此时，需要冷却剂以高流速流过冷却器以充分冷却发电机。这可以通过当压力测量点214处的压力低时，放泄阀234能够防止第二流体流流至贮存器204来实现。因此，当转子220入口处的流体流速低及因此压力低时，放泄阀234关闭。在放泄阀234关闭的情况下，来自第二泵输出部232的流体被引导顺着第二分支232b并朝向止回阀236。然后，第二流体流流过止回阀236并与来自第一泵输出部231的第一流体流合并。第一流体流和第二流体流的合并流随后流向冷却路径202以由冷却器210冷却。因此，当发电机以低速运行时，附加于来自第一泵输出部231的流体的来自第二泵输出部232的流体被引导至冷却路径202，以供应至转子220从而执行其冷却功能。

当发电机以高速运行时，泵也将以高速运行，但发电机产生的热量将变低。此时，冷却发电机所需的冷却液更少。在某些现有的冷却系统中，多余的油经由转子入口处的释压阀转移到贮存器，从而使穿过发电机的油流速保持恒定。然而，由于油流的分流发生在冷却器的下游，因此穿过冷却器的流速保持较高，并且由于冷却器中的压降与流速的平方成比例，因此在这些高速下，泵的功率消耗可能很大。

为了减少泵功率消耗，同时避免引入单点故障，本发明构造成在冷却路径202上游的某点处转移流体流，同时确保泵输出的一部分持续朝向冷却路径202引导。这样，被引导至冷却器210的流体流减少，从而减少冷却器210中的压降并降低泵206的功率消耗。例如，如果阀布置212发生故障，使得其将所有第二流体流从冷却器转向贮存器，则足够的冷却剂流体可以继续经由第一泵输出部231供应至转子220。因此，无论阀布置212的状态如何，来自第一泵输出部231的第一流体流都可以向冷却路径202持续提供流体流。总体而言，具有两个单独流体流的冷却系统降低了冷却系统无法向发电机提供任何冷却的情况的风险。对于使用相同流体流润滑诸如转子轴承之类的发电机部件的系统，该布置降低了此类部件不被润滑的可能性。

除了减少泵206的功率消耗之外，本发明还提供了一个附加优点，即允许减小贮存器204或集油槽的尺寸。由于贮存器的尺寸与围绕冷却器210的流体流速成比例，因此减小穿过冷却器210的最大流速允许使用更小的贮存器204。这样，可以减少冷却剂系统200和其中安装有冷却剂系统200的发电机208的安装重量。

图3示出了包括在飞行器1的发电机208中的冷却剂系统200，发电机208布置成由诸如飞行器发动机2之类的飞行器原动机驱动。因此，飞行器推进系统可以包括原动机、发电机和冷却剂系统200。

可以通过添加、删除和/或替换的方式对所有上述实施例进行各种修改，以提供进一步的实施例，其中任何和/或所有实施例都将被所附权利要求书涵盖。