CN108999706A - 增材制造的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及增材制造的热交换器。具体而言，一种用于使构件冷却的热交换器与至少部分地包绕构件的整流罩联接。整流罩限定整流罩仓室和外围间隙，以用于接收热交换器。热交换器包括壳体和多个热交换管，该壳体限定热交换仓室以用于接收冷流体流，该多个热交换管穿过热交换仓室以用于接收热流体流。排放歧管限定排放仓室，其通过流体出口提供热交换仓室与整流罩仓室之间的流体连通。此外，冲击挡板至少部分地限定排放歧管并且限定多个冷却孔，以用于将冷却空气冲击在热交换器近侧的构件上。

Description

增材制造的热交换器
技术领域
本主题大体上涉及热交换器，并且更具体而言，涉及具有改进的热传递能力、结构刚度以及安装特征的增材制造的热交换器。
背景技术
热交换器可与燃气涡轮发动机结合采用，以用于在一种或多种流体之间传递热。例如，处于相对较高温度的第一流体可穿过第一通路，而处于相对较低温度的第二流体可穿过第二通路。第一通路和第二通路可热接触或极为贴近，从而允许来自第一流体的热传送至第二流体。因此，第一流体的温度可降低并且第二流体的温度可升高。
常规热交换器包括大量流体通路，各个流体通路使用板、棒、箔、翅片、歧管、支撑结构、安装凸缘等的一些组合来形成。这些部分中的各个必须单独地定位、定向，并且例如经由钎焊、焊接或另一连结方法连接于支撑结构。与此类热交换器的组装相关联的制造时间和成本非常高，并且在流体通路之间或来自热交换器的流体泄漏的可能性大体上由于形成的接头的数量而增加。此外，制造约束限制了包括在热交换器中(例如在流体通路内)的热交换器特征和结构构件的数量、大小以及构造。
因此，具有改进的热交换器的燃气涡轮发动机将为有用的。更具体而言，更容易制造并且包括用于改进热性能和结构性能的特征的、用于燃气涡轮发动机的热交换器将为特别有益的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本发明的实践学习到。
在本公开的一个示例性实施例中，提供一种用于使构件冷却的热交换器。构件包括至少部分地包绕构件的整流罩，整流罩限定外围间隙和整流罩仓室。热交换器包括限定热交换仓室的壳体和穿过热交换仓室的多个热交换管。入口歧管限定与热交换仓室流体连通的入口仓室，并且排放歧管限定与热交换仓室流体连通的排放仓室，排放歧管定位在构件整流罩的外围间隙内并且桥接该外围间隙。流体出口由排放歧管限定，流体出口提供排放仓室与整流罩仓室之间的流体连通。冲击挡板至少部分地限定排放歧管并且限定冲击挡板与构件之间的冲击间隙，冲击挡板限定多个冷却孔。
在本公开的另一示例性方面，提供一种用于制造热交换器的方法。方法包括将增材材料层沉积在增材制造机器的床上，以及将来自能量源的能量选择性地引导到增材材料层上，以熔融增材材料的一部分并且形成用于使构件冷却的热交换器。构件包括至少部分地包绕构件的整流罩，整流罩限定外围间隙和整流罩仓室。热交换器包括限定热交换仓室的壳体和穿过热交换仓室的多个热交换管。排放歧管限定与热交换仓室流体连通的排放仓室，排放歧管定位在构件整流罩的外围间隙内并且桥接该外围间隙。
在本公开的再一示例性方面，提供一种包括环形壳和整流罩组件的组件，该整流罩组件与壳间隔开，以限定整流罩间隙，整流罩组件限定整流罩仓室、提供整流罩仓室与整流罩间隙之间的流体连通的多个整流罩冷却孔，以及外围间隙。热交换器定位在整流罩组件的外围间隙内。热交换器包括限定热交换仓室的壳体和穿过热交换仓室的多个热交换管。入口歧管限定与热交换仓室流体连通的入口仓室，并且排放歧管限定与热交换仓室流体连通的排放仓室，排放歧管定位在构件整流罩的外围间隙内并且桥接该外围间隙。流体出口由排放歧管限定，流体出口提供排放仓室与整流罩仓室之间的流体连通。冲击挡板至少部分地限定排放歧管并且限定冲击挡板与构件之间的冲击间隙，冲击挡板限定多个冷却孔。
本发明的这些及其它的特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求而变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同描述用于阐释本发明的原理。
技术方案1. 一种用于使构件冷却的热交换器，所述构件包括至少部分地包绕所述构件的整流罩，所述整流罩限定外围间隙和整流罩仓室，所述热交换器包括：
壳体，其限定热交换仓室；
多个热交换管，其穿过所述热交换仓室；
入口歧管，其限定与所述热交换仓室流体连通的入口仓室；
排放歧管，其限定与所述热交换仓室流体连通的排放仓室，所述排放歧管定位在所述构件整流罩的外围间隙内并且桥接所述外围间隙；
流体出口，其由所述排放歧管限定，所述流体出口提供所述排放仓室与所述整流罩仓室之间的流体连通；以及
冲击挡板，其至少部分地限定所述排放歧管并且限定所述冲击挡板与所述构件之间的冲击间隙，所述冲击挡板限定多个冷却孔。
技术方案2. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述排放歧管限定排气端口，所述排气端口提供所述冲击间隙与周围环境之间的流体连通。
技术方案3. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述入口仓室、所述热交换仓室以及所述排放仓室大致上沿着第一方向延伸，并且其中所述多个热交换管大致上沿着垂直于所述第一方向的第二方向穿过热交换仓室。
技术方案4. 根据技术方案3所述的热交换器，其特征在于，所述热交换管在所述排放歧管近侧的所述壳体的第一侧与所述入口歧管近侧的所述壳体的第二侧之间以蛇形图案穿过热交换仓室。
技术方案5. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述壳体包括多个壁，所述多个壁中的至少一个定轮廓成在所述壁与所述热交换仓室内的所述热交换管之间维持大致恒定的间隙。
技术方案6. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，一个或多个支撑支柱在所述多个热交换管中的相邻管之间延伸并且连接所述相邻管。
技术方案7. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器包括：
一个或多个分流器，其定位在所述入口仓室内并且在冷却空气入口与所述多个热交换管之间延伸。
技术方案8. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述构件为环形的，并且所述构件整流罩为半环形的并且与所述热交换器连结，以包绕所述构件。
技术方案9. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器为第一热交换器，所述热交换器还包括第二热交换器，并且其中所述构件整流罩包括第一半部和第二半部，所述第一半部和所述第二半部由所述第一热交换器和所述第二热交换器连结。
技术方案10. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器为空气对空气热交换器，其构造成用于接收所述热交换仓室内的冷空气流和所述多个热交换管内的热空气流。
技术方案11. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述构件整流罩限定多个整流罩冷却孔，所述多个整流罩冷却孔提供所述整流罩仓室与整流罩冲击间隙之间的流体连通，所述整流罩冲击间隙限定在所述构件与所述构件整流罩之间。
技术方案12. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述构件为燃气涡轮发动机的动力涡轮，并且所述构件整流罩为动力涡轮整流罩，并且其中所述入口仓室与所述燃气涡轮发动机的喷射器组件流体连通，所述喷射器组件提供来自压缩机区段的放气和环境空气的混合物，并且其中所述热交换管与所述燃气涡轮发动机的B型槽式热交换器流体连通。
技术方案13. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器包括由以下形成的多个层：
将增材材料层沉积在增材制造机器的床上；以及
将来自能量源的能量选择性地引导到所述增材材料层上，以熔融所述增材材料的一部分。
技术方案14. 根据技术方案1所述的热交换器，其特征在于，所述壳体、所述热交换管、所述入口歧管、所述排放歧管以及所述冲击挡板集成地形成为单个单片构件。
技术方案15. 一种用于制造热交换器的方法，所述方法包括：
将增材材料层沉积在增材制造机器的床上；以及
将来自能量源的能量选择性地引导到所述增材材料层上，以熔融所述增材材料的一部分并且形成用于使构件冷却的所述热交换器，所述构件包括至少部分地包绕所述构件的整流罩，所述整流罩限定外围间隙和整流罩仓室，所述热交换器包括：
壳体，其限定热交换仓室；
多个热交换管，其穿过所述热交换仓室；以及
排放歧管，其限定与所述热交换仓室流体连通的排放仓室，所述排放歧管定位在所述构件整流罩的外围间隙内并且桥接所述外围间隙。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述热交换器还包括：
入口歧管，其限定与所述热交换仓室流体连通的入口仓室；
流体出口，其由所述排放歧管限定，所述流体出口提供所述排放仓室与所述整流罩仓室之间的流体连通；以及
冲击挡板，其至少部分地限定所述排放歧管并且限定所述冲击挡板与所述构件之间的冲击间隙，所述冲击挡板限定多个冷却孔。
技术方案17. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述排放歧管限定排气端口，所述排气端口提供所述冲击间隙与周围环境之间的流体连通。
技术方案18. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述入口仓室、所述热交换仓室以及所述排放仓室大致上沿着第一方向延伸，并且其中所述多个热交换管大致上沿着垂直于所述第一方向的第二方向穿过热交换仓室，并且其中所述热交换管在所述排放歧管近侧的所述壳体的第一侧与所述入口歧管近侧的所述壳体的第二侧之间以蛇形图案穿过热交换仓室。
技术方案19. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
形成一个或多个分流器，所述一个或多个分流器定位在所述入口仓室内并且在冷却空气入口与所述多个热交换管之间延伸。
技术方案20. 一种组件，包括：
环形壳；
整流罩组件，其与所述壳间隔开，以限定整流罩间隙，所述整流罩组件限定整流罩仓室、提供所述整流罩仓室与所述整流罩间隙之间的流体连通的多个整流罩冷却孔，以及外围间隙；
热交换器，其定位在所述整流罩组件的外围间隙内，所述热交换器包括：
壳体，其限定热交换仓室；
多个热交换管，其穿过所述热交换仓室；
入口歧管，其限定与所述热交换仓室流体连通的入口仓室；
排放歧管，其限定与所述热交换仓室流体连通的排放仓室，所述排放歧管定位在所述构件整流罩的外围间隙内并且桥接所述外围间隙；
流体出口，其由所述排放歧管限定，所述流体出口提供所述排放仓室与所述整流罩仓室之间的流体连通；以及
冲击挡板，其至少部分地限定所述排放歧管并且限定所述冲击挡板与所述构件之间的冲击间隙，所述冲击挡板限定多个冷却孔。
附图说明
包括针对本领域普通技术人员的其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照附图的说明书中阐述。
图1为根据本主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性截面视图。
图2提供了根据本主题的示例性实施例的可用于图1的示例性燃气涡轮发动机中的动力涡轮组件和增材制造的热交换器的分解透视图。
图3提供了根据本主题的示例性实施例的图2的示例性热交换器的透视图。
图4提供了根据本主题的示例性实施例的图2的示例性热交换器的另一透视图。
图5提供了根据本主题的示例性实施例的图2的示例性热交换器的另一透视图。
图6提供了沿着图5的线6-6截取的图2的示例性热交换器的截面视图。
图7提供了图2的示例性热交换器的另一截面视图。
图8提供了图2的示例性热交换器的另一截面视图。
图9提供了图2的示例性热交换器的另一截面视图。
图10提供了图2的示例性热交换器的局部透视图。
图11提供了根据本主题的示例性实施例的图2的示例性热交换器的结构支撑件的局部放大视图。
图12为根据本主题的示例性实施例的制造热交换器的方法。
附图标记在本说明书和附图中的重复使用旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
构件列表
附图标记 构件
10 涡轮螺旋桨发动机
12 纵向中心线
14 风扇区段
16 核心涡轮发动机
18 外壳
22 压缩机
26 燃烧区段
28 高压涡轮
30 低压涡轮
32 排气区段
34 高压轴/转轴
36 低压轴/转轴
38 风扇
40 叶片
42 盘
44 促动部件
46 动力齿轮箱
48 前毂(风扇)
50 空气流
52 入口
54 环形入口本体
60 定子导叶(压缩机)
62 转子叶片(压缩机)
64 推进器
66 燃烧器
68 燃烧气体
70 定子导叶(涡轮)
72 涡轮叶片(压缩机)
A 轴向方向
R 径向方向
C 周向方向
100 热交换器
102 动力涡轮组件
104 涡轮壳
106 整流罩
108 外表面
110 第一半部
112 第二半部
114 整流罩仓室
116 冷却孔
118 外围间隙
120 冲击间隙
122 整流罩排放端口
124 喷射器组件
130 壳体
132 左侧
134 右侧
136 底侧
138 顶侧
140 前侧
142 后侧
144 背板
146 销
148 销孔口
150 壁(壳体)
152 热交换仓室
154 入口歧管
156 入口仓室
158 排放歧管
160 排放仓室
162 冷却空气入口
164 冷却空气流
170 热交换管
172 热空气流
173 B型槽式热交换器
174 管入口歧管
176 管出口歧管
178 分流器
180 支撑支柱
181支撑肋
182 收集歧管
184 收集仓室
186 凸缘
188 流体出口(排放歧管)
190 冲击挡板
192 冲击间隙(HEX)
194 冷却孔
196 排气端口
V 竖直方向
L 侧向方向
T 横向方向
200 方法
210-220 步骤。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用了数字和字母标号来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标号用于表示本发明的相似或类似的部分。如本文中使用，用语"第一"、"第二"和"第三"可以可互换地使用，以将一个构件与另一个构件区分开，并且不旨在表示独立构件的位置或重要性。用语"前"和"后"是指燃气涡轮发动机内的相对位置，其中前是指更靠近发动机入口的位置，且后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。用语"上游"和"下游"是指相对于流体通道中的流体流的相对方向。例如，"上游"是指流体流自的方向，且"下游"是指流体流至的方向。此外，如本文中使用，近似的用语(如"近似"、"大致"或"大约")是指在百分之十的误差范围内。
本公开大体上涉及用于使构件冷却的热交换器，该构件与至少部分地包绕构件的整流罩联接。整流罩限定了整流罩仓室和外围间隙，以用于接收热交换器。热交换器包括壳体和多个热交换管，该壳体限定热交换仓室以用于接收冷流体流，该多个热交换管穿过热交换仓室以用于接收热流体流。排放歧管限定排放仓室，其通过流体出口提供热交换仓室与整流罩仓室之间的流体连通。此外，冲击挡板至少部分地限定排放歧管并且限定多个冷却孔，以用于将冷却空气冲击在热交换器近侧的构件上。
现在参照附图，图1为根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面视图。更具体而言，对于图1的实施例而言，燃气涡轮发动机为逆流涡轮螺旋桨发动机10，在本文中被称为"涡轮螺旋桨发动机10"。如图1中所示，涡轮螺旋桨发动机10限定轴向方向A(平行于提供参考的纵向中心线或中心轴线12延伸)、径向方向R，以及绕着轴向方向A设置的周向方向C(未示出)。涡轮螺旋桨发动机10大体上包括风扇区段14以及设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16，风扇区段14可与核心涡轮发动机16一起操作并且由核心涡轮发动机16驱动。
描绘的示例性核心涡轮发动机16大体上包括大致管状的外壳18，其大体上沿着轴向方向A延伸。外壳18大体上包封核心涡轮发动机16并且可由单个壳或多个壳形成。核心涡轮发动机16包括成串流关系的压缩机22、燃烧区段26、HP涡轮28、LP涡轮30以及排气区段32。空气流路大体上延伸穿过压缩机22、燃烧区段26、HP涡轮28、LP涡轮30以及排气区段32，它们与彼此流体连通。
高压(HP)轴或转轴34将HP涡轮28传动地连接于压缩机22。低压(LP)轴或转轴36将LP涡轮30传动地连接于涡轮螺旋桨发动机10的风扇区段14。对于描绘的实施例而言，风扇区段14包括可变节距风扇38，其具有以间隔开的方式联接于盘42的多个风扇叶片40。如描绘的那样，风扇叶片40大体上沿着径向方向R从盘42向外延伸。各个风扇叶片40可借助风扇叶片40可操作地联接于适合的促动部件44而绕着节距轴线P关于盘42旋转，促动部件44一致地构造成共同地改变风扇叶片40的节距。风扇叶片40、盘42以及促动部件44可由跨过动力齿轮箱46的LP轴36绕着纵向轴线12一起旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，以用于将LP轴36的旋转速度逐步降低至更高效的旋转风扇速度，并且通过一个或多个联接系统附接于核心框架或风扇框架中的一个或两个。盘42由空气动力学轮廓的可旋转前毂48覆盖，以促进气流穿过多个风扇叶片40。
在涡轮螺旋桨发动机10的操作期间，一定体积的空气50穿过风扇38的叶片40并且朝向核心涡轮发动机16的环形入口52推动。更具体而言，涡轮螺旋桨发动机10包括限定环形入口52的入口本体54，环形入口52将空气流50的入口部分从入口52向下游导送至压缩机22。压缩机22包括压缩机定子导叶60的一个或多个顺序级、压缩机转子叶片62的一个或多个顺序级，以及推进器64。压缩机定子导叶60的一个或多个顺序级联接于外壳18，并且压缩机转子叶片62联接于HP轴34，以渐进地压缩空气流50。推进器64进一步压缩空气50并且将压缩的空气50引导到燃烧区段26，在那里空气50与燃料混合。燃烧区段26包括燃烧器66，其燃烧空气/燃料混合物，以提供燃烧气体68。
燃烧气体68流过HP涡轮28，其包括涡轮定子导叶70的一个或多个顺序级以及涡轮叶片72的一个或多个顺序级。涡轮定子导叶70的一个或多个顺序级联接于外壳18，并且涡轮叶片72联接于HP轴34，从其抽取热能和/或动能。燃烧气体68随后流过LP涡轮30，在那里额外量的能量通过涡轮定子导叶70的额外级和联接于LP轴36的涡轮叶片72来抽取。从HP涡轮28抽取的能量支持压缩机22通过HP轴34的操作，并且从LP涡轮30抽取的能量支持风扇区段14通过LP轴36的操作。燃烧气体68通过排气区段32离开涡轮螺旋桨发动机10。
应当认识到的是，图1中描绘的示例性涡轮螺旋桨发动机10仅仅经由示例，并且在其它示例性实施例中，涡轮螺旋桨发动机10可具有任何其它合适的构造。例如，应当认识到的是，在其它示例性实施例中，涡轮螺旋桨发动机10可替代地构造为任何其它合适的涡轮发动机，如涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、内燃机等。此外，尽管以上描述的涡轮螺旋桨发动机10为用于在固定翼或旋翼飞行器中使用的航空燃气涡轮发动机，但是在其它示例性实施例中，涡轮螺旋桨发动机10可构造为用于任何数量的应用中的任何合适类型的燃气涡轮发动机，如陆基、工业燃气涡轮发动机或航改燃气涡轮发动机。
此外，在其它示例性实施例中，涡轮发动机可包括任何合适数量的压缩机、涡轮、轴等。例如，如将认识到，HP轴34和LP轴36可为了任何合适的目的而进一步联接于任何合适的装置。例如，在某些示例性实施例中，图1的涡轮螺旋桨发动机10可用于驱动直升机的螺旋桨，可在航改应用中利用，或者可附接于用于飞机的螺旋桨。此外，在其它示例性实施例中，涡轮螺旋桨发动机10可包括任何其它合适类型的燃烧器，并且可不包括描绘的示例性逆流燃烧器。
仍参照图1，涡轮螺旋桨发动机10可包括一个或多个热交换器100。例如，在任何合适的应用中，热交换器100可用于在两种或更多种流体之间传递热。例如，如下面论述，热交换器100构造成用于使用冷却空气流，以冷却来自B型槽式热交换器的热空气，并且冷却构件壳。更具体而言，冷却空气可用于冷却HP涡轮28和/或LP涡轮30壳，它们大体上被称为动力涡轮组件102，其示例性实施例在图2中示出。
然而，应当认识到的是，热交换器100可构造成用于接收用于热传递过程中的任何合适数量和类型的流体，其示例在本文中描述。此外，热交换器100可放置在涡轮螺旋桨发动机10内的任何其它合适的地点处，以用于将流体温度差用于热传递。尽管下面的描述涉及热交换器100的结构，但是应当认识到的是，热交换器100仅用于阐释本主题的方面的目的。实际上，本主题的方面可应用于形成用于汽车、航空、海运以及其它工业中的热交换器，以帮助流体之间的热传递。
大体上，本文中描述的热交换器100的示例性实施例可使用任何合适的过程来制造或形成。然而，根据本主题的若干方面，热交换器100可使用增材制造过程(如3-D打印过程)来形成。此类过程的使用可允许热交换器100集成地形成为单个单片构件，或者形成为任何合适数量的子构件。具体而言，制造过程可允许热交换器100集成地形成，并且包括使用现有制造方法时不可能的各种特征。例如，本文中描述的增材制造方法实现了热交换器的制造，该热交换器具有使用现有制造方法不可能的各种特征、构造、厚度、材料、密度、流体通路以及安装结构。这些新颖特征中的一些在本文中描述。
如本文中使用，用语"增材制造"或"增材制造技术或过程"大体上是指制造过程，其中连续的材料层设在彼此上，以逐层"累积"三维构件。连续的层大体上熔融在一起，以形成可具有各种集成子构件的单片构件。尽管增材制造技术在本文中描述为通过逐点地、逐层地(典型地沿竖直方向)构建物体来实现复杂物体的制作，但是其它制作方法为可能的并且在本主题的范围内。例如，尽管本文中的论述涉及材料的增材，以形成连续层，但本领域普通技术人员将认识到的是，本文中公开的方法和结构可利用任何增材制造技术或制造技术来实践。例如，本发明的实施例可使用层增材过程、层减材过程，或混合过程。
根据本公开的合适的增材制造技术包括例如熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、如通过喷墨和激光喷射的3D打印、光刻(SLA)、直接选择性激光烧结(DSLS)、电子束烧结(EBS)、电子束熔化(EBM)、激光工程化净成形(LENS)、激光净形状制造(LNSM)、直接金属沉积(DMD)、数字光处理(DLP)、直接选择性激光熔化(DSLM)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光熔化(DMLM)，以及其它已知的过程。
本文中描述的增材制造过程可用于使用任何合适的材料来形成构件。例如，材料可为塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光聚合物树脂，或可呈固体、液体、粉末、片材、线材或任何其它合适形式的任何其它合适的材料。更具体而言，根据本主题的示例性实施例，本文中描述的增材制造的构件可部分地、整体地或以某种材料组合形成，该材料包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金，以及镍或钴基超级合金(例如，可在名称Inconel®(可从Special Metals Corporation获得)下获得的那些)。这些材料为适用于在本文中描述的增材制造过程中使用的材料的示例，并且可大体上被称为"增材材料"。
此外，本领域技术人员将认识到的是，各种材料以及用于粘合这些材料的方法可被使用，并且设想为在本公开的范围内。如本文中使用，对"熔融"的引用可指用于产生任何上述材料的粘合层的任何合适的过程。例如，如果物体由聚合物制成，则熔融可指在聚合物材料之间产生热固性粘合。如果物体为环氧树脂，则粘合可由交联过程形成。如果材料为陶瓷，则粘合可由烧结过程形成。如果材料为粉末化金属，则粘合可由熔化或烧结过程形成。本领域技术人员将认识到的是，由增材制造来熔融材料以制成构件的其它方法为可能的，并且当前公开的主题可利用这些方法来实践。
此外，本文中公开的增材制造过程允许单个构件由多种材料形成。因此，本文中描述的构件可由上述材料的任何合适的混合物来形成。例如，构件可包括多个层、节段或部分，它们使用不同的材料、过程来形成并且/或者在不同的增材制造机器上形成。以该方式，可构成构件，其具有不同材料和材料特性，以用于满足任何特定应用的需求。此外，尽管本文中描述的构件完全由增材制造过程构成，但是应当认识到的是，在备选实施例中，这些构件的全部或一部分可经由铸造、机械加工和/或任何其它合适的制造过程来形成。实际上，可使用任何合适的组合材料和制造方法，以形成这些构件。
现在将描述示例性增材制造过程。增材制造过程使用构件的三维(3D)信息(例如，三维计算机模型)来制作构件。因此，构件的三维设计模型可在制造之前限定。在这方面，可扫描构件的模型或原型，以确定构件的三维信息。作为另一示例，构件的模型可使用合适的计算机辅助设计(CAD)程序来构成，以限定构件的三维设计模型。
设计模型可包括构件的整个构造的3D数字坐标，包括构件的外部表面和内部表面两者。例如，设计模型可限定本体、表面和/或内部通路如开口、支撑结构等。在一个示例性实施例中，三维设计模型例如沿着构件的中心(例如，竖直)轴线或任何其它合适的轴线转换成多个切片或节段。各个切片可针对切片的预定高度限定构件的薄截面。多个连续的截面切片一起形成3D构件。构件接着逐片或逐层地"累积"，直到完成。
以该方式，本文中描述的构件可使用增材过程来制作，或者更具体而言，各个层例如通过使用激光能量或热量使塑料熔融或聚合或者通过烧结或熔化金属粉末来连续地形成。例如，特定类型的增材制造过程可使用能量束，例如，电子束或电磁辐射(如激光束)，以烧结或熔化粉末材料。可使用任何合适的激光和激光参数，包括关于功率、激光束斑大小以及扫描速度的考虑。构建材料可由选择用于增强强度、耐久性以及使用寿命(特别是在高温下)的任何合适的粉末或材料形成。
各个连续层可例如在大约10μm与200μm之间，但厚度可基于任何数量的参数来选择，并且可根据备选实施例为任何合适的大小。因此，利用以上描述的增材形成方法，本文中描述的构件可具有与增材形成过程期间利用的相关粉末层的一种厚度(例如10μm)一样薄的截面。
此外，利用增材过程，构件的表面光洁度和特征可取决于应用按需要变化。例如，表面光洁度可通过在增材过程期间(尤其是在对应于部分表面的截面层的外围中)选择适当的激光扫描参数(例如，激光功率、扫描速度、激光焦斑大小等)来调整(例如，更平滑或更粗糙)。例如，更粗糙的光洁度可通过增加激光扫描速度或者减小形成的熔池的大小来实现，并且更平滑的光洁度可通过降低激光扫描速度或者增加形成的熔池的大小来实现。还可改变扫描图案和/或激光功率，以改变选择区域的表面光洁度。
值得注意地，在示例性实施例中，本文中描述的构件的若干特征先前由于制造约束而为不可能的。然而，本发明人有利地利用了增材制造技术中的当前进展，以大体上根据本公开来开发此类构件的示例性实施例。虽然本公开不限于增材制造的使用以大体上形成这些构件，但是增材制造提供了各种制造优点，包括制造的简易性、降低的成本、更高的准确性等。
在这方面，利用增材制造方法，甚至多部分构件可形成为单件连续金属，并且可因此与现有设计相比包括更少的子构件和/或接头。这些多部分构件通过增材制造的集成形成可有利地改进整体组装过程。例如，集成形成减少了必须组装的单独部分的数量，因此减少了相关时间和整体组装成本。此外，关于例如泄漏、单独部分之间的接头质量以及整体性能的现有问题可有利地减少。
此外，以上描述的增材制造方法实现了本文中描述的构件的更加复杂且错综的形状和轮廓。例如，此类构件可包括薄的增材制造层和具有集成安装特征的独特流体通路。此外，增材制造过程实现了对具有不同材料的单个构件的制造，使得构件的不同部分可表现出不同的性能特点。制造过程的连续增材性质实现了这些新颖特征的结构。因此，本文中描述的构件可表现出改善的热传递效率和可靠性。
现在参照图2，包括热交换器100的动力涡轮组件102根据本主题的示例性实施例描述。更具体而言，图2提供了动力涡轮组件102的分解图，以示出动力涡轮组件102的各种构件。然而，应当认识到的是，热交换器100和动力涡轮组件102的部分未在图2中示出。此外，应当认识到的是，为了阐释本主题的方面并且不旨在限制的目的，图2提供了热交换器100和动力涡轮组件102的仅一个示例性构造。
根据示出的示例性实施例，动力涡轮组件102大体上包括环形涡轮壳104，其包绕HP涡轮28和LP涡轮30的工作构件(例如，涡轮定子导叶70和转子叶片72)。值得注意地，在涡轮螺旋桨发动机10的操作期间，涡轮壳104可例如由于燃烧气体在其内导送而经历非常高的温度。为了促进涡轮壳104的冷却，动力涡轮组件102还包括整流罩106，其包绕涡轮壳104并且将冷却空气提供到涡轮壳104的外表面108上，如以下描述的那样。
如所示，整流罩106包括第一半部110和第二半部112，它们中的各个限定整流罩仓室114。此外，多个冷却孔116限定在整流罩106的第一半部110和第二半部112的径向内表面上。如下面详细地描述，整流罩106的第一半部110和第二半部112使用两个热交换器100连结在一起。更具体而言，第一半部110和第二半部112限定外围间隙118，其由一个或多个热交换器100桥接。在组装时，第一半部分110、第二半部分112以及热交换器100至少部分地包绕涡轮壳104，并且沿着径向方向R在涡轮壳与整流罩106之间限定冲击间隙120。
热交换器100在相应的整流罩仓室114之间提供流体连通，以限定单个环形仓室，冷却空气可在穿过冷却孔116之前通过该环形仓室来分配。冷却空气流引导到冲击间隙120中，使得其冲击在涡轮壳104的外表面108上。以该方式，涡轮壳104和动力涡轮组件102的温度可被调节。整流罩106进一步限定了多个周向间隔的整流罩排放端口122，例如提供冲击间隙120与周围环境之间的流体连通，以允许冷却空气从冲击间隙120传送出，并且容许新鲜的冷却空气流到冲击间隙120中并冲击在涡轮壳104的外表面108上。
根据本主题的示例性实施例，冷却空气可从任何合适的源通过热交换器100供应至整流罩仓室114。如图2中示意性地所示，冷却空气由喷射器组件124通过热交换器100供应至整流罩仓室114。喷射器组件124构造成用于将来自涡轮螺旋桨发动机10的压缩机22的放气流通过喷射器组件124传送，以携带例如来自大气或在涡轮螺旋桨发动机10的外壳18内的环境空气。以该方式，放气和环境空气的混合物穿过热交换器100。应当认识到的是，用于动力涡轮组件102的以上描述的冷却布置仅为一个示例性冷却布置。其它构件、特征以及构造为可能的，并且保持在本主题的范围内。
现在大体上参照图3至图11，热交换器100将根据本主题的示例性实施例描述。如所示，热交换器100包括壳体130，其沿着第一方向(例如，侧向方向L)在左侧132与右侧134之间延伸。此外，壳体130还沿着第二方向(例如，竖直方向V)在底侧136与顶侧138之间延伸。壳体130沿着第三方向(例如，横向方向T)在前侧140与后侧142之间延伸。根据示出的实施例，侧向方向L、竖直方向V以及横向方向T彼此相互垂直，使得正交坐标系大体上限定。
然而，应当认识到的是，示例性热交换器100和L-V-T坐标系在本文中仅用于阐释本主题的方面的目的，并且不旨在限制本公开的范围。在这方面，如"左"和"右"、"顶部"和"底部"以及"前"和"后"的方向指示符仅用于指示热交换器100的各个部分分别沿着L-方向、V-方向以及T-方向的相对定位。
根据示出的实施例，壳体130大体上包括限定热交换仓室152的多个壁150。更具体而言，壳体130包括大致上沿着竖直方向V延伸的四个壁150。根据本主题的示例性实施例，热交换器100还可包括附接于壳体130的一侧的背板144。例如，如图2中所示，背板144附接于壳体130的左侧132。更具体而言，背板144使用销146附接，销146接收在销孔口148中(见图3，其中背板144被移除，为了清楚起见)，销孔口148限定在壳体130的左侧132中。背板144大体上构造成执行密封功能，同时避免由于热交换管170(在下面描述)与壳体130的壁150之间的不同热膨胀而产生的应力。销146允许背板144沿着侧向方向L移动，同时维持对准并且密封壳体的左侧132。
热交换器100还包括限定入口仓室156的入口歧管154以及限定排放仓室160的排放歧管158。如所示，壁150在入口歧管154与排放歧管158之间延伸，使得入口仓室156与热交换仓室152流体连通并且热交换仓室152与排放仓室160流体连通。以该方式，入口仓室156、热交换仓室152以及排放仓室160大致上沿着竖直方向V延伸，以限定冷却空气入口162与排放仓室160之间的冷却空气流路。如图4中所示，例如来自喷射器组件124的冷却空气流(由箭头164指示)沿着冷却空气流路穿过热交换器100。
现在还参照图6至图10，热交换器100还包括穿过热交换仓室152的多个热交换管170。例如，热交换管170示出为大致上沿着垂直于第一方向(例如，沿着侧向方向L)的第二方向穿过热交换仓室152。热交换管170大体上构造成用于接收热空气流(由图4中的箭头172指示)。热空气可与涡轮螺旋桨发动机10内的另一热交换器流体连通，例如与用于使涡轮螺旋桨发动机10的B型槽冷却的B型槽式热交换器173(图2)流体连通。因此，根据示出的实施例，热交换器100为空气对空气热交换器，其构造成用于接收热交换仓室152内的冷空气流164和多个热交换管170内的热空气流172。然而，应当认识到的是，热交换器100可备选地用于在任何两种或更多种流体之间交换热能，以用于任何合适的目的。
热交换管170可通过管入口歧管174和管出口歧管176与热流体供应流体连通，管入口歧管174和管出口歧管176中的各个可以以与本文中关于入口歧管154描述的方式类似的方式形成。如所示，热交换管170沿着竖直方向以蛇形图案穿过热交换仓室152，该蛇形图案从第一侧(例如，在排放歧管158近侧的壳体130的底侧136)开始并且朝向第二侧(例如，在入口歧管154近侧的壳体130的顶侧138)缠绕。以该方式，热空气172与冷却空气164一起以横流布置进行多次传送。
热交换器100可限定各种特征，以用于改进关于热交换器100的冷却空气164或其它流体的流、热交换器100的热传递效率、热交换器100的结构刚度等。例如，如图5和图6中最佳地所示，热交换器100包括一个或多个分流器178，其定位在各个流体入口和出口内，以用于按需要分流或合并热交换流体的流。例如，使用入口歧管154作为示例，一个或多个分流器178定位在入口仓室156内，并且在冷却空气入口162与在热交换管170近侧的热交换仓室152的顶部之间延伸。分流器178可按需要以任何合适的大小、数量、间距、形状以及定向形成，这取决于应用和热交换流体的类型。
此外，如图6和图9中最佳地所示，热交换器100可包括一个或多个支撑支柱180，其在多个热交换管170的相邻管170之间延伸并且连接相邻管170。支撑支柱180可将额外的结构刚度提供至热交换管170并且改进热交换器100的频率响应。类似地，简要地参照图10和图11，排放歧管158限定了多个支撑肋181，以用于增加热交换器100的结构刚度并且减少排放仓室160内的流体流的停滞。应当认识到的是，本文中论述的增材制造技术实现了遍及热交换器100的任何其它合适的支撑结构或部件的形成。
此外，壳体130的壁150可定轮廓成确保冷却空气164的一致流路。例如，如图6中所示，壁150可定轮廓成使相邻的热交换管170成镜像，并且在壁150与热交换仓室152内的热交换管170之间维持大致恒定的间隙。换句话说，例如，如果相邻排的热交换管170相对于彼此偏移，则壁150可突出或凹进，以模拟额外的热交换管170并且维持恒定的冷却空气流164。
值得注意地，热交换管170示出为沿着侧向方向L来回传送。如图8中所示，壳体130可进一步限定多个收集歧管182，其限定收集仓室184，以用于提供竖直相邻排的热交换管170之间的流体连通。以该方式，来自一排热交换管170的流体将传送到收集仓室184中，在那里该流体在通过相邻排的热交换管传送回之前被混合。此类构造确保了在给定排的热交换管170内的均匀的温度分布。
尽管热交换管170示出为以蛇形方式导送的直管，但是应当认识到的是，根据备选实施例，各个热交换管170可为曲线形、蛇形、螺旋形、正弦形，或任何其它合适的形状。此外，热交换管170可按需要以任何合适的大小、数量、间距、形状、定向以及传送次数形成，这取决于应用和热交换流体的类型。这些各种构造由本文中公开的增材制造过程来实现，并且被认为在本主题的范围内。
如图2中示意性地所示，热交换器100定位在整流罩106的外围间隙118内。更具体而言，热交换器100的排放歧管158限定各种特征，以用于与整流罩106对接，使得排放歧管158定位在整流罩106的外围间隙118内并且桥接外围间隙118。排放歧管158限定多个安装凸缘186，其用于连结整流罩106的第一半部110和第二半部112，并且用于将热交换器100连结于涡轮壳104，例如使用任何合适的机械紧固件。应当认识到的是，凸缘186根据备选的示例性实施例为可移除的或不需要的。例如，根据一个实施例，凸缘186仅用于将热交换器100附接于整流罩106的第一半部110和第二半部112，但是不附接于涡轮壳104。如图3和图4中最佳地所示，联接于整流罩106的第一半部110和第二半部112的周向间隔的凸缘186限定流体出口188。流体出口188提供排放仓室160与整流罩仓室114之间的流体连通，以将冷却空气164遍及整流罩仓室114沿周向分配。
如图4、图6以及图8中最佳地所示，冲击挡板190至少部分地限定排放歧管158。以该方式，冲击挡板190定位在热交换管170与涡轮壳104之间，以限定冲击挡板190与涡轮壳104之间的冲击间隙192(类似于冲击间隙120)。冲击挡板190进一步限定了多个冷却孔194，以用于将冲击冷却空气流164推动到涡轮壳104上，热交换器100安装在涡轮壳104上。此外，排放歧管158限定一个或多个排气端口196(类似于整流罩排放端口122)，其提供冲击间隙192与周围环境(例如，涡轮螺旋桨发动机10的壳18内的区域)之间的流体连通。以该方式，新鲜的冷却空气164可通过冲击间隙192连续地循环，以用于使涡轮壳104冷却。
热交换器100的各个部分可按需要以任何合适的几何形状、密度以及厚度使用任何合适的材料来构成，以向热交换器100提供必要的结构支撑。例如，热交换器100的壳体130可由刚性的绝热材料来形成。此外，壳体130可更厚和更致密，以在涡轮螺旋桨发动机10的安装、组装以及操作期间为由热交换器100经历的负载提供结构支撑。相比之下，热交换管170可更薄并且由更加导热的材料构成，以便增强热传递。例如，热交换管170可具有20μm的壁厚度或任何其它合适的厚度。
应当认识到的是，热交换器100在本文中仅为了阐释本主题的方面的目的而描述。例如，热交换器100将在本文中用于描述制造热交换器100的示例性构造、结构以及方法。应当认识到的是，本文中论述的增材制造技术可用于制造其它热交换器，以用于在任何合适的装置中使用，出于任何合适的目的使用，并且在任何合适的工业中使用。因此，本文中描述的示例性构件和方法仅用于示出本主题的示例性方面，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
由于呈现了根据本主题的示例性实施例的热交换器100的结构和构造，故提供了根据本主题的示例性实施例的用于形成热交换器的示例性方法200。方法200可由制造商用于形成热交换器100或任何其它合适的热交换器。应当认识到的是，示例性方法200仅在本文中论述，以描述本主题的示例性方面，并且不旨在限制。
现在参照图12，方法200包括在步骤210处将增材材料层沉积在增材制造机器的床上。方法200还包括在步骤220处将来自能量源的能量选择性地引导到增材材料层上，以熔融增材材料的一部分并且形成用于使构件冷却的热交换器。例如，使用来自上面的示例，可形成热交换器100，以用于使涡轮壳104冷却。在这方面，构件包括至少部分地包绕构件的整流罩，整流罩限定外围间隙和整流罩仓室。
在步骤220处形成的热交换器可包括限定热交换仓室的壳体以及穿过热交换仓室的多个热交换管。入口歧管限定与热交换仓室流体连通的入口仓室，并且排放歧管限定与热交换仓室流体连通的排放仓室，并且排放歧管定位在构件整流罩的外围间隙内并桥接该外围间隙。流体出口由排放歧管限定，流体出口提供排放仓室与整流罩仓室之间的流体连通。冲击挡板至少部分地限定排放歧管，并且限定冲击挡板与构件之间的冲击间隙，冲击挡板限定多个冷却孔。值得注意地，根据示例性实施例，壳体、热交换管、入口歧管、排放歧管以及冲击挡板集成地形成为单个单片构件。
图12描绘了为了图示和论述的目的以特定顺序执行的步骤。使用本文中提供的公开的本领域普通技术人员将理解的是，本文中论述的任何方法的步骤可以以各种方式改变、重新布置、扩展、省略或修改，而不偏离本公开的范围。此外，尽管方法200的方面使用热交换器100作为示例阐释，但是应当认识到的是，这些方法可应用于制造任何合适的热交换器。
增材制造的热交换器和用于制造该热交换器的方法在上面描述。值得注意地，热交换器100可大体上包括性能增强几何形状、热交换特征以及安装结构，其实际实施由增材制造过程来促进，如下面描述的那样。例如，使用本文中描述的增材制造方法，热交换器可包括热交换结构，以用于在两股空气流之间传递热能并且用于将冲击空气提供到构件壳上。此外，本文中描述的增材制造技术实现了具有集成安装特征的热交换器的形成，该集成安装特征实现了具有构件整流罩的热交换器的安装，以用于遍及整流罩提供用于构件冷却的冷却空气。这些特征可在热交换器的设计期间引入，使得它们可在较少或没有额外的成本的情况下，在构建过程期间容易地集成到热交换器中。此外，包括壳体、热交换管、入口歧管、排放歧管、分流器以及其它特征的整个热交换器可集成地形成为单个单片构件。
该书面的描述使用示例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员可实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于使构件冷却的热交换器，所述构件包括至少部分地包绕所述构件的整流罩，所述整流罩限定外围间隙和整流罩仓室，所述热交换器包括：
壳体，其限定热交换仓室；
多个热交换管，其穿过所述热交换仓室；
入口歧管，其限定与所述热交换仓室流体连通的入口仓室；
排放歧管，其限定与所述热交换仓室流体连通的排放仓室，所述排放歧管定位在所述构件整流罩的外围间隙内并且桥接所述外围间隙；
流体出口，其由所述排放歧管限定，所述流体出口提供所述排放仓室与所述整流罩仓室之间的流体连通；以及
冲击挡板，其至少部分地限定所述排放歧管并且限定所述冲击挡板与所述构件之间的冲击间隙，所述冲击挡板限定多个冷却孔。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述排放歧管限定排气端口，所述排气端口提供所述冲击间隙与周围环境之间的流体连通。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述入口仓室、所述热交换仓室以及所述排放仓室大致上沿着第一方向延伸，并且其中所述多个热交换管大致上沿着垂直于所述第一方向的第二方向穿过热交换仓室。
4.根据权利要求3所述的热交换器，其特征在于，所述热交换管在所述排放歧管近侧的所述壳体的第一侧与所述入口歧管近侧的所述壳体的第二侧之间以蛇形图案穿过热交换仓室。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述壳体包括多个壁，所述多个壁中的至少一个定轮廓成在所述壁与所述热交换仓室内的所述热交换管之间维持大致恒定的间隙。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，一个或多个支撑支柱在所述多个热交换管中的相邻管之间延伸并且连接所述相邻管。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器包括：
一个或多个分流器，其定位在所述入口仓室内并且在冷却空气入口与所述多个热交换管之间延伸。
8.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述构件为环形的，并且所述构件整流罩为半环形的并且与所述热交换器连结，以包绕所述构件。
9.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器为第一热交换器，所述热交换器还包括第二热交换器，并且其中所述构件整流罩包括第一半部和第二半部，所述第一半部和所述第二半部由所述第一热交换器和所述第二热交换器连结。
10.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器为空气对空气热交换器，其构造成用于接收所述热交换仓室内的冷空气流和所述多个热交换管内的热空气流。
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