Устройство и способ регулирования температуры гидравлической жидкости - RU2467922C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству для регулирования температуры гидравлической жидкости по меньшей мере в одном гидравлическом контуре воздушного судна.

Уровень техники

Различные компоненты воздушного судна, например руль направления и клапаны, управляются с помощью гидравлики. С целью резервирования в воздушном судне может быть предусмотрено несколько гидравлических контуров, обеспечивающих работу различных потребителей. Гидравлическое давление создается насосами. Как правило, гидравлические потребители соединены с насосами посредством широко разветвленной системы трубопроводов.

Гидравлическая жидкость, которая содержится в трубопроводах различных гидравлических контуров, состоит, например, из гидравлического масла. Однако могут использоваться другие экологически безопасные жидкости, например вода. Гидравлическая жидкость характеризуется вязкостью, которая зависит от рабочей температуры Т гидравлической жидкости. Вязкость является мерой густоты гидравлической жидкости. Чем выше вязкость гидравлической жидкости, тем она гуще, и, наоборот, чем ниже вязкость гидравлической жидкости, тем она жиже. По мере роста температуры вязкость или густота гидравлической жидкости уменьшается. Кроме того, при увеличении температуры в гидравлической жидкости образуется кислота, которая впоследствии присутствует даже при низких температурах. Поэтому жидкость химически более агрессивна и вызывает механическое повреждение таких компонентов, как насосы и трубопроводы гидравлической системы.

Остаточный срок службы гидравлической жидкости в гидравлических контурах значительно сокращается, когда ее температура превышает 100°С, как показано на фиг.1. При более высоких температурах возможный срок службы или ресурс гидравлической жидкости уменьшается по экспоненциальному закону. Более того, когда гидравлическая жидкость остается долгое время при высокой температуре, ее химическая агрессивность или активность достигает такого высокого уровня, что приходится заменять всю гидравлическую жидкость в гидравлическом контуре. Наличие даже небольшого количества загрязненной или высокоагрессивной гидравлической жидкости ведет к общему старению всей гидравлической жидкости, присутствующей в гидравлическом контуре, в течение относительно короткого промежутка времени. Помимо высокой рабочей температуры, большое содержание воды также ведет к быстрому старению гидравлической жидкости в гидравлическом контуре. Что касается надежности системы, то температура гидравлической жидкости является одним из наиболее критических параметров с точки зрения обеспечения максимального ресурса насосов в гидравлическом контуре.

Поэтому на современном уровне техники в обычных гидравлических системах воздушных судов используют теплообменники, которые позволяют поддерживать температуру гидравлической жидкости ниже предельного значения, которое составляет, например, 95°С.

В нормальном режиме эксплуатации, в частности во время полета, температура жидкости редко достигает таких высоких значений из-за относительно низкой температуры наружного воздуха, в частности, в высоких слоях атмосферы.

Чем ниже температура гидравлической жидкости, тем выше вязкость или густота гидравлической жидкости. На фиг.2 показана зависимость между вязкостью и гидравлической жидкости и температурой Т гидравлической жидкости. На графике, показанном на фиг.2, видно, что вязкость u гидравлической жидкости уменьшается по мере роста температуры Т гидравлической жидкости. При температуре Т, равной примерно - 15°С, вязкость u гидравлической жидкости имеет относительно высокое значение.

Падение давления Δр в гидравлическом трубопроводе зависит от объемного расхода через этот трубопровод, от его внутреннего диаметра, длины трубопровода и вязкости и гидравлической жидкости. В этом случае величина объемного расхода, вязкость и длина прямо пропорциональны падению давления, то есть чем больше один из этих параметров, тем больше падение давления. Применительно к внутреннему диаметру действует обратно пропорциональная зависимость, то есть чем меньше внутренний диаметр, тем больше падение давления.

В обычных гидравлических системах воздушных судов диаметр гидравлических трубопроводов сделан достаточно большим, чтобы при этом поддерживать достаточно высокое давление, требуемое для подачи энергии на компоненты гидравлической системы, например на руль высоты или руль направления, даже при относительно высоком падении давления, обусловленном высокой вязкостью холодной гидравлической жидкости. Однако, чем больше диаметр d напорных трубопроводов гидравлической системы, тем большее количество гидравлической жидкости содержится в напорных трубопроводах гидравлической системы, и тем больше вес трубопроводов и гидравлической жидкости, содержащейся в гидравлическом контуре. Это ведет к увеличению общего веса воздушного судна.

Раскрытие изобретения

Ввиду изложенного задачей настоящего изобретения является предложение устройства и способа, которые обеспечивают надежную работу компонентов воздушного судна с гидравлическим приводом, даже при использовании гидравлических трубопроводов малого диаметра.

Изобретение предусматривает устройство и способ регулирования температуры гидравлической жидкости, по меньшей мере, в одном гидравлическом контуре воздушного судна, причем температура гидравлической жидкости регулируется таким образом, чтобы она превышала устанавливаемое минимально допустимое значение температуры.

В варианте осуществления устройства согласно изобретению для нагревания гидравлической жидкости используются дополнительные потребители гидравлической энергии, расположенные в периферийной зоне воздушного судна.

Преимущество данного варианта осуществления заключается в том, что для нагревания гидравлической жидкости используется только внутренняя энергия системы, поскольку нагревание гидравлической жидкости происходит под действием внутреннего трения. Кроме того, использование потребителей гидравлической энергии для нагревания гидравлической жидкости обеспечивает чрезвычайно высокую надежность способа.

Нагревание гидравлической жидкости выше регулируемого минимально допустимого значения температуры ведет к уменьшению падения давления в трубопроводах гидравлического контура, а при установившемся падении давления можно использовать гидравлические трубопроводы меньшего диаметра. Вследствие уменьшения диаметра трубопроводов уменьшается объем гидравлической жидкости, содержащейся в гидравлическом контуре, а следовательно, уменьшается ее полный вес. В свою очередь, это ведет к снижению веса воздушного судна и уменьшению расхода топлива.

Краткое описание чертежей

Для объяснения отличительных признаков изобретения ниже описаны предпочтительные варианты соответствующего изобретению устройства и способа регулирования температуры гидравлической жидкости по меньшей мере в одном гидравлическом контуре воздушного судна, со ссылкой на сопроводительные фигуры чертежей.

Фиг.1 показывает график, на котором представлена зависимость срока службы гидравлической жидкости от температуры гидравлической жидкости;

Фиг.2 показывает график, на котором представлена зависимость вязкости гидравлической жидкости от температуры гидравлической жидкости, согласно современному уровню техники;

Фиг.3 показывает возможный примерный вариант осуществления гидравлического контура воздушного судна, в котором соответствующее изобретению устройство используется для регулирования температуры гидравлической жидкости;

Фиг.4 показывает примерный вариант осуществления соответствующего изобретению устройства для регулирования температуры гидравлической жидкости в гидравлическом контуре воздушного судна;

Фиг.5 показывает график, на котором представлена характеристика управляемого клапана, аналогичного тому, который используется в соответствующем изобретению устройстве по фиг.4;

Фиг.6 показывает график, иллюстрирующий режим работы соответствующего изобретению устройства для регулирования температуры гидравлической жидкости в гидравлическом контуре воздушного судна.

Осуществление изобретения

Как видно на фиг.3, в воздушном судне 1, наружная обшивка которого изображена прерывистой линией, смонтирован по меньшей мере один гидравлический контур 2. Гидравлический контур 2 предусмотрен для приведения в действие гидравлических компонентов воздушного судна 1. Гидравлический контур 2 служит, например, для управления клапанами уборки и выпуска шасси. Другими управляемыми компонентами воздушного судна 1 являются, например, элероны на хвостовой части крыла, рули высоты в задней части воздушного судна 1, рули направления и интерцепторы. Интерцепторы служат для ограничения скорости вертикального снижения и уменьшения подъемной силы. Элероны на наружных концах крыльев управляют креном, то есть вращением воздушного судна относительно продольной оси (так называемая бочка). Рули высоты задают продольный наклон воздушного судна относительно поперечной оси, который также известен как движение тангажа или вхождение в штопор, путем изменения угла тангажа. Рули направления служат для управления движением относительно вертикальной оси, которое известно также как движение рыскания. Благодаря наличию компонентов с механическим или гидравлическим управлением, воздушное судно может поворачиваться одновременно относительно одной или более осей. Все эти гидравлические компоненты являются гидравлическими потребителями.

Три гидравлических потребителя, используемые для управления движением воздушного судна, показаны на фиг.3 в виде дросселей 3. В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.3, гидравлические потребители 3 смонтированы в правом крыле R и в левом крыле L воздушного судна 1. В показанном на фиг.3 примере в правом крыле R воздушного судна предусмотрены четыре гидравлических потребителя 3-1, 3-2, 3-3, 3-4. В левом крыле L воздушного судна 1 также предусмотрены четыре гидравлических потребителя 3-5, 3-6, 3-7, 3-8 для управления движением воздушного судна. Предусмотренные в крыльях гидравлические потребители с 3-1 по 3-8 могут, например, представлять собой интерцепторы. Более того, в показанном на фиг.3 примерном варианте осуществления, в хвостовой части воздушного судна могут быть предусмотрены дополнительные гидравлические потребители 3-9, 3-10.

В одном варианте осуществления, в дополнение к обычным гидравлическим потребителям 3-i для управления движением воздушного судна 1, в гидравлической системе предусмотрены дополнительные гидравлические потребители 4, которые используются для нагревания гидравлической жидкости, содержащейся в гидравлическом контуре 2. Эти дополнительные гидравлические потребители 4 расположены, например, в периферийной зоне воздушного судна 1. В показанном на фиг.3 примерном варианте осуществления, дополнительный гидравлический потребитель 4-1 предусмотрен в правом крыле R, дополнительный гидравлический потребитель 4-2 предусмотрен в левом крыле L, а третий гидравлический потребитель 4-3 предусмотрен в хвостовой части воздушного судна 1. В качестве альтернативы, смонтированный в центре дополнительный гидравлический потребитель 4 также может быть предусмотрен для нагревания гидравлической жидкости. Помимо гидравлических потребителей 3, 4, в состав гидравлического контура 2 входит гидравлический резервуар или накопительный бак 5 для гидравлической жидкости. В накопительном баке 5, где содержится гидравлическая жидкость, поддерживается давление, например, 5 бар. Насос 6, который приводится в действие, например, электродвигателем или приводом, всасывает гидравлическую жидкость, содержащуюся в резервуаре 5, и по питающему трубопроводу подает ее под очень высоким давлением на фильтр 7. Из фильтра 7 гидравлическая жидкость под высоким давлением подается по трубопроводу 8 на распределительный узел или коллектор 9. В распределительном узле 9 гидравлическая жидкость имеет очень высокое давление Р, которое превышает 200 бар. Из распределительного узла 9 гидравлическая жидкость по трубопроводам 10, 11 подается к гидравлическим потребителям 3, 4, размещенным в крыльях. Кроме того, гидравлическая жидкость, находящаяся под высоким давлением, по трубопроводу 12 подается в хвостовую часть воздушного судна 1.

По возвратным трубопроводам 13, 14 гидравлическая жидкость поступает обратно в резервуар 5. В трубопроводах снова регистрируется падение давления. Поскольку давление в резервуаре 5 постоянно, давление на выходной стороне гидравлических потребителей 3, 4 должно быть выше, чем давление в резервуаре. Поэтому в гидравлических потребителях 3, 4 имеется дифференциальное давление, существующее между питающим и возвратным трубопроводами потребителей.

В этом случае гидравлическая жидкость под относительно низким давлением около 5 бар скапливается в точке 16 сбора и возвращается в резервуар 5 по гидравлическому трубопроводу 17 через фильтр 18. В насосе 6 создается вторичный поток, который направляют через фильтр 19 в теплообменник 20. В то время как температура гидравлической жидкости, выходящей из насоса 6 и попадающей в трубопровод 7, имеет температуру, например, 60°С, температура вторичного потока насоса выше, и составляет, например, 70°С. Из теплообменника 20 вторичный поток насоса попадает обратно в резервуар 5 через фильтр 18.

Как видно из примерного варианта осуществления, показанного на фиг.3, дополнительные гидравлические потребители 4-1, 4-2, 4-3 используются в случае необходимости для нагревания гидравлической жидкости в гидравлическом контуре 2 так, чтобы температура Т гидравлической жидкости всегда была выше минимально допустимого значения. Эти гидравлические компоненты 4 размещены в периферийной зоне воздушного судна 1, то есть предпочтительно в крыльях и в хвостовой части воздушного судна 1. В показанном на фиг.3 примерном варианте осуществления нагревание происходит за счет внутреннего трения жидкости в дополнительных гидравлических потребителях 4. Как видно на фиг.3, гидравлические потребители 4 размещены, например, в таких точках воздушного судна 1, которые охлаждаются под действием температуры окружающего воздуха. Температура Т_внеш окружающего воздуха обычно составляет от -40°С до 55°С при нахождении воздушного судна на земле, и может опускаться ниже -80°С во время полета.

На фиг.4 показано приведение в действие гидравлического потребителя 4 в примерном варианте осуществления соответствующего изобретению устройства. В этом примерном варианте осуществления предусмотрена локальная система 21 контроля температуры, которая приводит в действие контролируемый клапан 23 посредством кабеля 22 управления. Контролируемый клапан 23 размещен вблизи гидравлического потребителя 4 для нагревания гидравлической жидкости на стороне высокого давления гидравлического контура 2. В показанном на фиг.4 варианте осуществления локальная система 21 контроля температуры посредством кабеля 24 соединена с температурным датчиком 25, который регистрирует локальную температуру Т гидравлической жидкости.

В соответствующем изобретению устройстве локальная система 21 контроля температуры гидравлической жидкости в гидравлическом контуре открывает управляемый клапан 23 гидравлического потребителя 4 в том случае, когда температура Т гидравлической жидкости, регистрируемая температурным датчиком 25, падает ниже минимально допустимого значения. Здесь минимально допустимое значение температуры можно регулировать. В возможном варианте осуществления минимально допустимое значение T_min температуры задается равным приблизительно 20°С. Это минимально допустимое значение T_min температуры особенно подходит для используемого в качестве гидравлической жидкости фосфатного эфира. При использовании других гидравлических жидкостей минимально допустимое значение T_min температуры может быть выбрано другим.

В возможном варианте осуществления локальная система 21 контроля температуры гидравлической жидкости в гидравлическом контуре закрывает управляемый клапан 23 в том случае, когда температура Т гидравлической жидкости превышает регулируемое теоретическое значение Т_норм температуры, которое составляет, например, 35°С.

В возможном варианте осуществления локальная система 21 контроля температуры приводит в действие управляемый клапан 23 в соответствии с графиком, изображенным на фиг.5, то есть с запаздыванием. Благодаря запаздыванию исключается частое включение и выключение управляемого клапана 23.

В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.4, используется децентрализованная система 21 контроля температуры. В альтернативном варианте осуществления разные управляемые клапаны 23 дополнительных гидравлических потребителей 4 приводятся в действие центральной системой контроля температуры, которая расположена, например, в кабине экипажа воздушного судна 1.

На фиг.6 графически представлен возможный вариант осуществления соответствующего изобретению устройства для регулирования температуры.

В возможном варианте осуществления давление Р, создаваемое гидравлическим насосом 6, составляет приблизительно 210 бар на стороне высокого давления гидравлического контура 2. Показанный на фиг.3 гидравлический контур 2 является контуром постоянного давления. Оптимальная рабочая точка АР для температуры гидравлической жидкости составляет приблизительно 35°С. При падении температуры гидравлической жидкости ниже 20°С, что соответствует области I, управляемые клапаны 23 гидравлических потребителей 4 открываются полностью, чтобы гидравлическая жидкость в гидравлическом контуре 2 нагревалась от внутреннего трения. Когда температура гидравлической жидкости находится в переходном диапазоне от 20°С до 35°С, который обозначен как область II, управляемые клапаны 23 открываются частично. Когда температура Т превышает 35°С, управляемые клапаны 23 гидравлических потребителей 4 полностью закрываются.

В возможном варианте осуществления управляемые клапаны 23 дополнительных гидравлических потребителей 4, которые предусмотрены исключительно для нагревания гидравлической жидкости, закрываются во время маневра воздушного судна 1. Например, управляемые клапаны 23 закрываются на этапе взлета и посадки воздушного судна 1. В возможном варианте осуществления децентрализованные системы 21 контроля температуры соединены посредством кабелей управления с центральной системой управления в кабине экипажа. На этапах взлета и посадки управляемые клапаны 23 полностью закрываются по команде центральной системы управления. Это гарантирует то, что для гидравлических потребителей 3 всегда обеспечено достаточное рабочее давление, которое позволяет управлять движением воздушного судна на всех этапах полета. В противном случае, чрезмерное нагревание гидравлической жидкости и последующее увеличение объемного расхода может привести к тому, что давление в гидравлической системе будет недостаточным для остальных гидравлических потребителей 3.

В возможном варианте осуществления система управления обнаруживает падение давления в гидравлическом контуре 2. В случае падения давления система управления закрывает управляемые клапаны 23 гидравлических потребителей 4 для стабилизации давления в питающем трубопроводе. В этом варианте осуществления система 21 управления, показанная на фиг.4, дополнительно соединена с датчиком давления, который измеряет давление внутри трубопровода системы гидравлики. Если система управления получает сигналы о величине давления Р и температуры Т гидравлической жидкости, осуществляется регулирование, в результате которого достигается рабочая точка АР, как показано на графике, изображенном на фиг.5.

Показанный на фиг.3 теплообменник гарантирует, что рабочая температура Т гидравлической жидкости не превышает максимально допустимое значение температуры. Регулируемое максимально допустимое значение T_max температуры задано равным, например, приблизительно 70°С. Теплообменник 20 охлаждает гидравлическую жидкость таким образом, чтобы температура Т гидравлической жидкости не превышала это регулируемое максимально допустимое значение T_max температуры, которое составляет приблизительно 70°С.

В возможном варианте осуществления максимально допустимое значение T_max теоретического значения Т_норм температуры и минимально допустимое значение T_min температуры задаются центральной системой управления. В возможном варианте осуществления эти значения температуры задаются как функция измеренной температуры Т_внеш окружающего воздуха.

В гидравлическом контуре 2 можно использовать трубопроводы с относительно маленьким диаметром. Следующее уравнение показывает соотношение между падением давления Δр и температурно-зависимой вязкостью и гидравлической жидкости,

где l - длина напорного трубопровода,

d - диаметр напорного трубопровода,

η - температурно-зависимая вязкость гидравлической жидкости,

ρ - плотность гидравлической жидкости, и

V - объемный расход гидравлической жидкости.

Поскольку благодаря регулированию температуры в соответствующем изобретению устройстве вязкость η гидравлической жидкости всегда мала, диаметр d гидравлических трубопроводов можно выбрать относительно небольшим, без риска чрезмерного падения давления Δр в напорном трубопроводе системы гидравлики. Соответственно, в этих тонких напорных трубопроводах системы гидравлики будет содержаться меньшее количество гидравлической жидкости, так что, благодаря регулированию температуры согласно изобретению, этап нагревания будет также относительно коротким.

Относительно низкое максимально допустимое значение T_max температуры, которое составляет приблизительно 70°С, также ведет к увеличению срока службы гидравлической жидкости, содержащейся в гидравлическом контуре, вследствие чего замена гидравлической жидкости должна производиться через относительно большие интервалы времени.

В альтернативном варианте осуществления нагревание гидравлической жидкости осуществляется при помощи нагревательных элементов. В этом случае нагревательная система нагревает гидравлическую жидкость, когда температура Т гидравлической жидкости опускается ниже минимально допустимого значения T_min температуры, которое составляет, например, 20°С.

Реферат

Изобретение предусматривает устройство и способ регулирования температуры (Т) гидравлической жидкости по меньшей мере в одном гидравлическом контуре (2) воздушного судна (1). Температура (Т) гидравлической жидкости регулируется таким образом, чтобы она всегда была выше регулируемого минимально допустимого значения (T) температуры, которое составляет, например, 20°С. Система снабжена управляемыми клапанами, которые закрыты во время маневра воздушного судна для регулирования температуры гидравлической жидкости. Обеспечивается надежная работа компонентов воздушного судна с гидравлическим приводом при использовании гидравлических трубопроводов малого диаметра. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула