CN107110623B - 热交换器和包括这种交换器的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于第一流体和第二流体之间的热交换的热交换器(10)，热交换器包括将两种流体分开的膜以及与膜和第一流体热接触的热传导元件(17)，其特征在于，所述热传导元件(17)在活动位置和不活动位置之间移动，使得热传导元件在不活动位置与第一流体热交换的能力弱于在活动位置与第一流体热交换的能力。该交换器尤其用于冷却涡轮机的次级流中的流体。

Description

热交换器和包括这种交换器的涡轮发动机

技术领域

本发明涉及热交换器的技术领域并且涉及热交换器的应用，以便冷却涡轮轴发动机的流体，涡轮发动机例如为涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，所述交换器具体被布置在涡轮轴发动机的壁上或者替代性地被布置在涡轮轴发动机的短舱的壁上。

背景技术

现有技术具体包括US-A1-2011/030337、US-A1-2009/314265和US-A1-2003/043531。

已知的是，在多流式涡轮喷气发动机中将例如空气对空气表面交换器的热交换器布置在次级流动路径中，以便冷却在发动机中循环的流体，例如在压缩机的区域中获取的空气。问题在于利用由冷的外部空气流在这个流动路径中的高速循环产生的高传热系数。

然而，在补偿时，交换器的与该流接触以便产生热交换的元件引起流中的压力的损失。这些损失不利地影响发动机的性能，更是如此的是因为从性能的角度来看冷却需求并不一定与具有高权重的飞行阶段一致。因此，在巡航模式飞行阶段期间，发动机并不一定需要非常显著的冷却，反之起飞阶段仅持续几分钟但在另一方面引起主要的冷却需求。

申请人自身已设定的目的是，当冷却需求较小时，减少热交换器易于在次级空气流上产生的压力损失。一般而言，申请人自身设定的目的是生产一种热交换器，通过所述热交换器，移动的流体之间的热交换可被控制，以在需要时减小交换器的部分对流体中的一种流体的流动特性的影响。

发明内容

这些目的通过用于第一流体和第二流体之间的热交换的热交换器实现，所述热交换器包括将两种流体分开的膜以及与膜和第一流体热接触的热传导元件，所述热传导元件在活动位置和不活动位置之间是可移动的，使得所述热传导元件在不活动位置与第一流体的热交换的能力小于在活动位置与第一流体的热交换的能力，其特征在于，所述元件在活动位置被预加应力并且从活动位置到不活动位置的转变通过膜的压弯来实现。

本发明的解决方案因此在于改变热传导元件相对于第一流体的朝向，以减小由此产生的流动阻力。

在本申请中，膜的“压弯”应被理解为表示以下事实：膜遭受优选为压缩力的力，这一般在与力的施加方向垂直的方向上引起膜的弯曲和变形(从压缩状态转变到弯曲状态)。

所述元件在压缩时沿着基本上与在膜的压弯期间膜围绕其弯曲的轴线平行的轴线被优选地预加应力。

根据一个实施例，热传导元件是叶片的形式。叶片通过连接边缘被刚性连接至膜并且在活动位置处远离膜延伸，以通过膜的两个表面与第一流体接触。

更具体地，在不活动位置的叶片被布置成通过一个表面来接近膜。在这个位置，只有叶片的一个表面优选地与第一流体接触，这减少了与流体的热交换。

此外，在活动位置的叶片具有在连接边缘处远离膜延伸的弯曲的形状。因此，热交换被简单而有效地控制在这两个位置之间。

根据另一个特征，连接边缘是直线式的并且叶片在活动位置围绕连接边缘被弯曲。具体地讲，从活动位置到不活动位置的转变通过使膜沿着连接边缘变形来实现，该连接边缘将叶片连接至膜。形成叶片的支撑部的膜的变形导致叶片在以下两个状态之间变形：第一状态，其中叶片在平行于由连接边缘形成的线的方向上被弯曲；以及第二状态，其中叶片垂直于连接边缘被弯曲。具体地讲，当膜呈圆柱体的一部分的形状时，叶片与膜的形状匹配。

根据另一特征，膜的变形通过施加与膜的平面平行的力来实现。有利地，这个力为压缩力。有利地，这个变形通过形成活塞的元件的力来实现。

本发明还涉及热交换器的应用，以便冷却例如涡轮喷气发动机的涡轮轴发动机中的流体。

附图说明

通过阅读以下参照附图以仅为示例性和非限制性示例的方式给出的本发明的实施例的详细的说明性描述，将会更好地被理解本发明并且本发明的其它目的、细节、特征和优点将变得更加清楚明显。

在附图中：

-图1为本发明的热交换器可被集成在其中的涡扇发动机的示意图；

-图2示出了处于热传导元件被升高到活动位置的状态下的、根据本发明的热交换器；

-图3示出了处于热传导元件被向下折叠成不活动位置的状态下的、图2的热交换器；

-图4示出了从流体收集器的侧部下方观察的本发明的热交换器；

-图5示出了具有传导元件的图2的交换器处于活动位置的细节图；内部通过透明度是可见的；

-图6为具有热传导元件的图3的交换器处于不活动位置的视图；内部通过透明度是可见的。

具体实施方式

涡轮喷气发动机包括上游的进气管道和下游的排气喷管，空气通过进气管道被抽吸到发动机中，燃料的燃烧产生的热气体通过排气喷管而被排放以便至少供应推力的一部分。在进气管道和排气喷管之间，被吸入的空气通过压缩装置被压缩、在驱动压缩装置的涡轮中被加热和膨胀。多流式涡轮喷气发动机还包括至少一个扇叶转子，所述扇叶转子移动大量的空气，该大量的空气形成次级流并提供推力的主要部分，初级流为被吸入的空气流的下述的部分：该部分在通过初级流排放喷管排放之前在涡轮中被加热然后被膨胀。图1的涡轮喷气发动机为双转子涡扇发动机，该双转子涡扇发动机在发动机中的空气的行进方向上接连地具有在上游的空气入口1、扇叶2、燃烧室5和涡轮级6，扇叶2将空气输送到环形次级流通道3中并朝向处于中心的初级流压缩机4输送。在此，次级流通过次级流排放喷管单独地排放。在发动机的下游部分，转子由排气外壳7支撑。初级流通过排气外壳下游的初级流排气喷管8排放。该流是环形的并且初级流的流动路径由尾喷管9内部地限定。尾喷管9为被刚性连接至排气外壳的中空的、大致上截头圆锥形的部分。

如上文进一步所提到的，已知的是，热交换器10被布置在次级流动路径3中，其目的是冷却流体，该流体可以是取自压缩机的空气。能够执行这个功能的交换器的示例包括待冷却的流体在其中循环的回路。这个回路与热交换膜热接触，以便与在次级流体路径中循环的冷却流体进行热交换。散热片通常在交换表面的转向冷却流的那一侧上被设置在膜上以便增加热交换的能力并且提高冷却。这些散热片垂直于次级流中的膜延伸并且在次级流中产生压力损失。

为了控制次级流中的压力的损失，根据本发明提出了使得散热片可在具有最佳的热交换的活动位置和被命名为不活动的位置之间移动，在不活动位置热交换效率更低，但是在不活动位置因为交换器的存在而引起的压力的损失被减小。

本发明的交换器10在图2至图6中被示出。交换器包括外壳，外壳具有底壁11、多个隔板13，所述隔板13垂直于底壁11并且在隔板和底部之间限定出相互平行的多个通道12。这些通道由膜15覆盖，并且该通道在外壳的一端与第一收集器12a相连通并在外壳的另一端与第二收集器12b相连通。外壳通过第一收集器被供应有流体。在使得流体在通道12中循环后，流体可以在外壳的另一端处通过第二收集器12b回收。外壳旨在在此沿着涡轮喷气发动机的次级流动路径3被安置成：使得膜与不同温度下的流体接触，以便在通道中循环的流体和扫过膜的外表面的流体之间进行热交换。在此提及的申请中，在通道的外部循环的流体为第一流体，并且在通道中循环的流体为第二流体。第一流体是冷的次级流，而第二流体是待冷却的流体。

为了提高两种流体之间的热交换，热传导元件17在第一流体的一侧上被安装在膜15上；这些热传导元件是金属叶片171，金属叶片171提供大的接触表面和减小的空间需求。这些叶片171通过例如焊接或钎焊沿着连接边缘173被固定至膜15。叶片171的较大尺寸的两个表面构成与第一流体进行热交换的主要表面，该主要表面被浸入第一流体中。有利地，连接边缘平行于流体的流动的方向，叶片与该流体进行热交换。

根据本发明，这些叶片171在活动位置和不活动位置之间是可移动的，在活动位置，这些叶片171相对于支撑它们的膜被升高，在不活动位置，叶片171被向下折叠抵靠膜。通过被升高，叶片的两个表面被提供至第一流体，以便最大化两种流体之间的热传递。在不活动位置，叶片171通过被平贴抵靠膜或者至少沿着膜延伸而具有低于在活动位置的热交换能力，因为交换表面被限制到叶片的一个表面。因为相同的原因，流动阻力也低于活动位置的流动阻力。

本发明的方面之一涉及使得叶片171从一个位置转变到另一个位置的装置。

覆盖通道12的膜15沿着隔板13被固定在一个侧部151上并在相对的隔板13上被固定在另一侧部上。这些膜15被刚性连接至形成活塞的元件153。形成活塞的元件153在沿着隔板形成的致动器腔室131内是可移动的。活塞在相对于通道12而言的横向方向上可与膜的平面平行地移动。活塞的移动通过由在腔室的入口处的管道133供应的控制流体来控制。一般而言，由活塞和致动器腔室形成的致动器包括任何能够以与膜的平面平行的方式对膜施加压缩力的驱动元件。驱动元件的致动能量或者致动器的致动能量可以是例如取自压缩机的最后级的加压的空气。

膜15选自优选是用于热传导和其冲击强度性能的金属材料。膜被布置成使得膜可以通过活塞在第一位置和第二位置之间的移动而变形，在第一位置，膜遭受来自控制流体的压力，在第二位置，膜通过被引入致动器腔室中的控制流体而被后推。在活塞的第一位置，膜是平面的，如在图2中可看到的。在第二位置，膜是弯曲的，如在图3中可看到的。膜已经呈圆柱体的一部分的形状。

热传导元件17还由用于热传导和其冲击强度性能的优选为金属的材料生产。材料的非限制性示例为铝或者镍基合金。优选地，铝被选择用于小于200℃的温度，例如铬镍铁合金的镍基合金用于更高温度。

形成元件17的叶片171具有一形状，该形状围绕将叶片171连接至膜的连接边缘被弯曲。该弯曲的形状通过围绕与连接边缘的线平行的轴线的塑性变形来实现。根据一个实施例，叶片为由两个片材的堆叠形成的层压复合材料，两个片材中的一个在粘合至第二片材之前已被加热。当片材回到室温后并在粘合后，复合叶片被预加应力。这个示例是非限制性的。被折叠的或者凹形的单个叶片在其能够呈现两个位置的范围内将是够用的。

如图2至图6中可看到的，覆盖通道12的膜15被设有多个叶片171，该多个叶片沿着垂直于通道的方向的连接边缘被固定。

在静止状态下，当膜未遭受控制流体时，膜是平面的并且连接边缘是直线式的。叶片171然后处于它们不起作用的形式并且围绕连接边缘173被弯曲。

当致动器腔室133被供应有控制流体时，活塞在相对的隔板13的方向上被后推，导致膜15的变形，膜呈中空形状。在膜的变形之后，连接边缘被刚性连接至膜。连接边缘的变形引起叶片的变形，叶片的曲率与膜的曲率相匹配。接着，叶片被平贴抵靠膜。因此，存在一简单且耐用的装置，该装置在活动位置和不活动位置之间移动形成热传导元件的叶片，在活动位置，该叶片相对于膜片被升高，在不活动位置，导热表面被减少。

这种交换器可以被用在涡扇发动机的次级流动路径内。流动路径的冷的空气为第一流体。待冷却的流体被设置成在通道内循环，形成第二流体。当第二流体的冷却具有优选级时，交换器的膜被保持成平面的，于是热传导元件处于活动位置。当冷却不具有优先级时，控制流体被引入制动器腔室中，导致活塞的移动、膜的变形和叶片的曲率的变化，这呈现不活动位置。

Claims (10)

1.一种用于第一流体和第二流体之间的热交换的热交换器，所述热交换器包括将两种流体分开的膜(15)以及与所述膜(15)和所述第一流体热接触的热传导元件(17)，所述热传导元件(17)在活动位置和不活动位置之间是可移动的，使得所述热传导元件在所述不活动位置与所述第一流体的热交换的能力小于在所述活动位置与所述第一流体的热交换的能力，其特征在于，所述元件在所述活动位置被预加应力并且从所述活动位置到所述不活动位置的转变通过所述膜的压弯来实现。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述热传导元件(17)是叶片(171)的形式，所述叶片通过连接边缘(173)被刚性连接至所述膜并且在所述活动位置远离所述膜(15)延伸，以通过所述叶片的两个表面与所述第一流体接触。

3.根据权利要求2所述的热交换器，其中，在所述不活动位置，所述叶片(171)被布置成通过一个表面来接近所述膜(15)。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的热交换器，其中，在所述活动位置，所述叶片(171)具有在所述连接边缘(173)处远离所述膜(15)延伸的弯曲的形状。

5.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述连接边缘是直线式的并且所述叶片在所述活动位置围绕所述连接边缘被弯曲。

6.根据权利要求4所述的热交换器，其中，从所述活动位置到所述不活动位置的转变通过使所述膜沿着所述连接边缘变形来实现，所述连接边缘将所述叶片连接至所述膜。

7.根据权利要求6所述的热交换器，其中，所述膜的变形通过施加与所述膜的平面平行的力来实现。

8.根据权利要求6所述的热交换器，其中，所述膜的变形通过施加压缩力来实现。

9.根据权利要求7所述的交换器，包括活塞，所述力借助于所述活塞被施加至所述膜。

10.涡轮发动机，包括根据权利要求1至9中任一项所述的热交换器。