CN106795812B - 用于涡轮机的热交换和改进降噪的板 - Google Patents

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Abstract

用于尤其是飞行器的涡轮机的热交换和降噪的板(10)，所述板包括：外表面(22)，所述外表面(22)意在被空气流扫过并且散热片(26)从外表面(22)沿着第一和第二主要预定方向延伸；空腔(20)，所述空腔(20)形成亥姆霍兹谐振器、被连接至用于通过空气的通道(30)的第一端，通道(30)的第二端与所述空气流连通，使得所述通道形成被称为亥姆霍兹谐振器的、基本上沿着第一方向延伸的颈部；和至少一个油流动室(16)，所述油流动室(16)在所述外表面和所述至少一个空腔之间延伸并且意在排放由油携带的热能，其特征在于，所述通道至少部分地形成在所述散热片的内部。

Description

用于涡轮机的热交换和改进降噪的板
技术领域
本发明涉及一种用于尤其是飞行器的涡轮发动机的热交换和降噪的板。
背景技术
涡轮发动机例如旁通式涡轮喷气发动机通常包括具有风扇的进气口，在进气口的出口的空气流被分成进入发动机并形成热流或初级流的空气流和围绕发动机流动并形成冷流或者次级流的空气流。
发动机通常在气体流的方向上从上游到下游包括至少一个压缩机、燃烧室、至少一个涡轮和排气喷管，在所述排气喷管中，离开涡轮并形成初级流的燃烧气体与次级流混合。
涡轮发动机的风扇由风扇壳环绕，所述风扇壳被集成在涡轮发动机的短舱中。已知的是，使所述壳的内表面与吸音板排成一行以便限制由风扇产生的噪音的传播。
壳也可以设有表面空气冷却式油冷却器(SACOC)。这种热交换器包括意在被次级空气流扫过并且其上设置有散热片的外表面、和至少一个在外表面下面延伸的油循环室。外表面意在排放由油产生的热能。根据发动机的设计，必须被消散的来自油的热能的量可能是非常大量的，油可能达到大约160℃的温度。
一些涡轮发动机的短舱具有相对短的纵向尺寸。因此，几乎没有空间用于安装设备尤其是热交换器和用于衰减来自风扇的噪音的吸音板。
因此，设备的尺寸和集成度成为重要的问题，尤其是关于热交换器和吸音板在次级流的流动路径中的安装。
US-B1-8,544,531已经提出了空气/油交换器的功能和声学处理的功能被并入同一件设备中，以便在单个安装空间中的两个需求之间不再有任何竞争。
本发明对该技术提出了改进，该改进使得尤其能够优化在单个安装空间中空气/油热交换的功能和声学处理的功能的设计和布置。
发明内容
本发明提出了一种用于尤其是飞行器的涡轮发动机的热交换和降噪的板，所述板包括：
-外表面，所述外表面意在被空气流扫过并且散热片从外表面在第一预定的主要方向和第二预定的主要方向上延伸，所述第一预定的主要方向和所述第二预定的主要方向优选地基本上是正交的，
-凹槽，所述凹槽形成亥姆霍兹谐振器并且被连接至气路通道的第一端，气路通道的第二端与所述空气流连通，使得所述通道形成所述亥姆霍兹谐振器的、基本上在散热片的第一方向上延伸的颈部，
-至少一个油循环室，所述油循环室在所述外表面和所述至少一个凹槽之间延伸并且意在排放由油产生的热能，
由所述外表面、所述至少一个凹槽和所述至少一个室组成的堆叠基本上在第一预定的方向上延伸，
其特征在于，所述通道至少部分地形成在所述散热片的内部。
在本申请中，亥姆霍兹谐振器被理解为表示包括通常小的颈部的声学系统，该通常小的颈部被连接至能够产生共振的较大凹槽。该颈部确保声波被衰减和确保凹槽是连通的。一旦系统被优化，则颈部提供热粘性(visco-thermal)消散(经过颈部的声波的快速和交替的运动通过摩擦来消散声能)。频率调谐也就是允许达到用于待被衰减的频率的这些最高速度的优化，主要通过共振凹槽的体积即共振凹槽的尺寸尤其是共振凹槽的高度来执行。应当注意，由于热环境，为了适当地优化系统，可以把当地的温度考虑进去。
本发明因此提出了前面提到的空气/油热交换器的功能和前面提到的声学处理的功能以板的形式被并入同一件设备中。此外，对于给定的调谐频率，由于通道显著延长，本发明使得减小谐振器的空气凹槽的尺寸成为可能。在声学方面，为了优化在给定频率处的系统的操作，使谐振器的颈部(通道)延长可能增加运动的空气的量，并因此弥补共振凹槽的低容量。此外，减小共振凹槽的容量对设备有积极的影响。事实上，减小设备的整体尺寸或增大油室的体积是可行的，以便因此减小由油室中的通道产生的压力损失。
根据本发明的板还可包括一个或一个以上的下述特征，下述特征以单独的或者彼此组合的方式被采用：
-散热片相对于外表面基本上是正交的或倾斜的，
-所述通道通向散热片的壁以形成用于排出来自所述空气流的空气的开口，
-多个通道穿过每个散热片，
-通道具有基本上矩形的、圆形的或椭圆形的截面，
-板具有弯曲的总体形状并且被设计成形成例如用于涡轮发动机短舱的环形热交换和降噪套管的一部分，
-通道具有恒定的截面或者朝向所述凹槽张开的总体形状，
-所述凹槽中的至少一些彼此连通，和
-所述第一方向基本上与所述外表面正交或者相对于所述外表面倾斜。
本发明还涉及尤其是飞行器的涡轮发动机，其特征在于，所述发动机包括至少一个如上文所述的板。
附图说明
通过阅读下面以非限制性示例的方式给出并且参照附图的说明，将会更好地理解本发明，并且本发明的其它细节、特征和优点将变得明显，在附图中：
-图1为根据本发明的热交换和降噪的板的非常示意性的透视图，
-图2为沿着图1中的线II-II的透视横截面，
-图3为沿着图1中的线III-III的横截面，
-图4为沿着图1中的线IV-IV的横截面，
-图5为图1的板的平面图，
-图6至9为类似图4的视图，示出了本发明的其他变形，和
-图10和11为类似图5的视图，示出了本发明的进一步的变形。
具体实施方式
首先参照图1至5，图1至5示出了用于飞行器的涡轮发动机的、根据本发明的热交换和降噪的板10的实施例。
在以下描述中，术语例如“下部”、“之下”、“在...上”、“之上”、“上”、“下”等等可相对于附图的定向被理解。类似地，尺寸是根据附图的这种定向给出的。因此，“高度”是指垂直延伸或者从底部延伸到顶部(或从顶部延伸到底部)的尺寸，而“厚度”、“长度”和“宽度”、或者甚至“距离”可以理解为表示在基本上水平的平面中测量的尺寸。
板10基本上包括三部分或者叠加层，即：
-外部部分12，所述外部部分12意在被暴露至冷却空气流，例如涡轮发动机的次级空气流，
-中间部分14，所述中间部分14具有用于使待被冷却的油循环的腔室16，和
-内部部分18，所述内部部分18具有空气凹槽20。
部分12和14形成SACOC表面热交换器，而部分12、14和18形成具有亥姆霍兹谐振器的吸音板。
外部部分12包括外表面22，所述外表面22意在被空气流24扫过并且散热片26被设置在外表面22上。散热片26从表面24沿着在本实例中为垂直方向的第一主要方向和在本实例中为水平方向的第二主要方向延伸。第一方向和第二方向基本上是正交的。与第一方向和第二方向正交的水平方向被定义为第三方向。散热片26之间的空气流意在尤其是增加用于与空气进行热交换的表面的表面面积。在所示的示例中，散热片26优选地是直线式的、平行的和独立的，即，它们互不连接。然而，其他布置是可能的，如将在下文所解释的。在所示的示例中，外表面22被示出为在A表示的区域或表面中具有基本上方形或矩形的形状。虽然表面22在附图中被示为是平坦的，但所述表面也可以具有弯曲的形状，尤其是在板10被弯曲成使得安装在例如涡轮发动机的环形壳中更容易的情况下。具有弯曲的总体形状的板10被设计成形成例如用于涡轮发动机短舱的环形热交换和降噪套管的一部分。
散热片26在第二水平方向上基本上延伸覆盖表面22的整个长度或纵向方向。散热片的数量以已知的方式限定，具体地根据要满足的交换条件限定。
油循环室16在外表面22的下方延伸基本上覆盖外表面22的整个范围。所述室被连接至在附图中未被示出的油入口和油出口。油在该室中的流动方向和流动方位与空气在表面22上的流动方向/流动方位(箭头28)可以相同或者可以不同。
在第三部分18中的空气凹槽20被定位在油室16的下方。所述凹槽优选地被匀称地分布并且基本上相同。所述凹槽在基本上平行于表面22的相同平面中并排延伸。所述凹槽20被连接至气路通道30的下部纵向端，气路通道30的上部纵向端形成用于与待被衰减的声源连通的开口32。由通道30和凹槽20形成的组件形成亥姆霍兹谐振器，通道形成颈部，且凹槽形成谐振器的共振凹槽。至少一些凹槽20可彼此连通，如图7和8中所示的。
本发明提出了一种由于通道30的至少一部分形成在散热片26的内部而具有减小尺寸的板。如在所示的示例中看到的，通道30以基本上直线的或者垂直的方式定向并且包括延伸到油室16中的下部部分和延伸到散热片26中的上部部分。此外，在示出的特定的实例中，通道30的上端通向散热片的壁，尤其是在散热片26的顶部或上部自由端上开口并且形成前面提到的连通开口32。在图2中，多个通道30穿过每个散热片26。
通道30优选地按照矩阵分布。因此，通道30按照行和列被分布在油室26中。在所示的示例中，每个散热片26包括一行开口32。
根据本发明的板10可以具有以下尺寸，所示尺寸被优化成尽最大可能地衰减涡轮发动机的声频即在400和2,000Hz之间的频率。
-散热片26具有在0.5和2mm之间的厚度e(即，在第三方向上的尺寸)并且通过在1和5mm之间的距离a(在第三方向上)彼此间隔，
-油室16具有在1和10mm之间的高度c(在第一垂直的方向上)，
-通道30具有在1和2mm之间的平均直径d，
-凹槽20具有在5和150mm之间的高度f(在第一垂直的方向上)，和
-所述外表面的穿孔水平σ在5％和10％之间。该穿孔水平等于开口32的累积的横截面(n.π.(d/2)2，n为开口32或通道30的数量)与谐振器的表面的面积A之比，面积A被视为基本上等于外表面22的面积。外表面的表面面积与谐振器的表面面积之间的差可以忽略。谐振器通过相对于外表面的表面面积减小谐振器的表面面积的壁隔开。然而，在第一近似值，这两个表面面积相等。
“平均尺寸”被理解为表示当所述通道为圆柱形时通道的尺寸，当所述通道具有非恒定的圆形横截面时且当所述通道例如向外张开或者是截头圆锥形时通道的直径的平均值，当所述通道不是圆形的并且为例如矩形时圆形横截面的直径等于通道的横截面。
亥姆霍兹谐振器的调谐频率可利用以下公式估算：
其中，C：声音的速度(m/s)
S：颈部的横截面(m2)
V：谐振器的体积(m3)
l’：校正的颈部长度(m)或l’＝l+δ
其中，l：几何颈部长度(m)
δ：颈部校正
r：开口的半径(m)
σ：穿孔水平
在该公式中，颈部的横截面S是前面提到的开口32的横截面，谐振器的体积V为一个凹槽20的体积，颈部的长度l或l'基本上等同于油室16的厚度c和散热片26的高度b的总和。
有利地是：
-散热片26具有在10和25mm之间的高度b(在第一垂直的方向上)，和
-在同一行中的开口32通过在1.57和31.42mm之间的距离g(在第二方向上)彼此间隔。两个相邻行的开口之间的间隔等同于两个相邻散热片26之间的间隔a(在第三方向上)。
通道30具有纵向轴，所述纵向轴基本上垂直于所述外表面22或者相对于所述外表面22倾斜。所述通道具有圆柱形的纵向总体形状，所述圆柱形的纵向总体形状在图1至5中示出的示例中具有恒定的或平行六面体横截面。所述通道可以具有不同的形状、例如截头圆锥形或者如图6所示的朝向凹槽20张开的形状。图6中的通道30’具有入口横截面、即在通道30通过开口32通向表面22的开口32处测量的横截面，该横截面小于相对的被称为出口横截面的横截面。通道30具有基本上矩形的、圆形的或椭圆形的横截面。这使得尤其是限制由通道30'的长度即由油室16的高度产生的衰减的频带宽度减小成为可能。
此外，如图7和8所示的，气道40可以被设置在共振凹槽20之间，以便优化共振凹槽20之间的热交换，但是会损害声学性能。这种选择也使得克服与限定凹槽20的隔板的扩展相关的问题成为可能。这些气道可以被定位在凹槽的上端的区域中(图7)或者定位在凹槽的下端的区域中(图8)。
图8至10示出了其他布置变形，通过与直线式的、平行的和独立的散热片的性能相比，其他布置变形的性能稍微不那么令人满意。在图8的变形中，散热片彼此不再独立，而是相反，成对地相互连接。每个散热片26’的上端通过材料桥42连接至相邻的散热片26’的上端。在图9的变形中，散热片26”是直线式的但不是严格平行的。在图10的变形中，散热片26”具有波状的(非直线式的)总体形状并且大部分在第二延伸方向上是平行的。
本发明针对实际需要提供了一种解决方案，该解决方案用于寻求一种用于使空气/油换热器的功能和声学处理的功能并入同一件设备中的装置，以便在单个安装空间中的两个需求之间不再有任何竞争。
虽然本发明在以上说明中具体涉及飞行器涡轮发动机，但是本发明也涉及任何种类的涡轮发动机。

Claims (14)

1.用于涡轮发动机的热交换和降噪的板(10)，所述板包括：
-外表面(22)，所述外表面(22)意在被空气流扫过并且散热片(26)从所述外表面(22)在第一预定的主要方向和第二预定的主要方向上延伸，
-凹槽(20)，所述凹槽(20)形成亥姆霍兹谐振器并且被连接至气路通道(30)的第一端，所述气路通道(30)的第二端与所述空气流连通，使得所述气路通道形成所述亥姆霍兹谐振器的、基本上在散热片的第一方向上延伸的颈部，
-至少一个油循环室(16)，所述油循环室(16)在所述外表面和所述凹槽之间延伸并且意在排放由油产生的热能，
由所述外表面、所述凹槽和所述至少一个油循环室组成的堆叠基本上在第一方向上延伸，
其特征在于，所述气路通道至少部分地形成在所述散热片的内部。
2.根据权利要求1所述的板(10)，其中所述散热片(26)相对于所述外表面(22)基本上是正交的或倾斜的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的板(10)，其中所述气路通道通向散热片的壁，以形成用于与待被衰减的声源连通的开口(32)。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的板(10)，其中多个气路通道(30)穿过每个散热片(26)。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的板(10)，其中所述气路通道(30)具有基本上矩形的、圆形的或椭圆形的横截面。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的板(10)，其中所述板具有弯曲的总体形状并且被设计成形成环形热交换和降噪套管的一部分。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的板(10)，其中所述气路通道(30)具有恒定的横截面或者朝向所述凹槽(20)张开的总体形状。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的板(10)，其中所述凹槽(20)中的至少一些彼此连通。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的板(10)，其中所述气路通道(30)具有基本上与所述外表面(22)正交或者相对于所述外表面(22)倾斜的纵向轴。
10.根据权利要求1所述的板(10)，其中所述涡轮发动机是飞行器的涡轮发动机。
11.根据权利要求1所述的板(10)，其中所述第一预定的主要方向和所述第二预定的主要方向基本上是正交的。
12.根据权利要求6所述的板(10)，其中所述环形热交换和降噪套管用于涡轮发动机短舱。
13.一种涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的板(10)。
14.根据权利要求13所述的涡轮发动机，其中所述涡轮发动机是飞行器的涡轮发动机。
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