CN109952485B - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

在沿纵向方向(X)流动的第一流体和第二流体之间的交换器(1)，所述交换器(1)包括：‑彼此远离的两个平行的板(6)；‑翅片(9)的被垂直地布置在所述板(6)之间的至少一个第一排和第二排(8a，8b)，每个翅片(9)由第一边缘(10)和第二边缘(11)纵向地界定，所述第一边缘(10)在所述第一边缘的每个端部包括与对应的板(6)连接的连接区域；其特征在于，所述第一边缘(10)的所述连接区域在垂直于所述板(6)并且与方向(X)平行的平面(P)中分别相对于板(6)的法线倾斜，翅片(9)中的每一个的所述第一边缘(10)和所述第二边缘(11)在所述平面(P)中具有相同的轮廓。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及热交换器，特别地涉及用于涡轮发动机的热交换器。
背景技术
涡轮发动机包括气体发生器，该气体发生器例如沿气体流动方向从上游到下游包括一个或多个压缩机级、燃烧室、一个或多个涡轮级以及用于喷射废气的喷嘴。
热交换器被安装在涡轮发动机中，使得热能可以从一种流体传递到另一种流体。
这种热交换器例如用于将热能从热废气传递到旨在从燃烧室上游引入的气体，这特别地有利于涡轮发动机的燃料消耗。该热交换器还可用于冷却用于引导气体发生器的转子的不同装置的润滑剂（例如，油）。
这种交换器例如是通过通常对由SLM（Selective Laser Melting，选择性激光熔化）指定的粉末床选择性熔化而进行增材制造来获得的。SLM增材制造原理是基于使用高功率激光器来熔化薄的二维（2D）粉末（金属、塑料、陶瓷等）层。SLM技术的优点是使得可以生产具有复杂几何形状和良好机械特性的部件。
在具有相同的气动热性能的情况下，特别是因为带有翅片的热交换器的质量小，所以带有翅片的热交换器特别地用于涡轮发动机中。
这种沿纵向方向X流动的第一流体（例如，热废气）与第二流体（例如，空气）之间的热交换器例如包括两个平行的板，这两个平行的板彼此远离，以便限定出用于第一流体循环通道，和包括被垂直地布置在板之间的多排翅片。
更具体地，多排翅片纵向地延伸。每个翅片由垂直于板的前导边缘和后随边缘纵向地界定。
这种构造尤其具有的缺点是：部分由于在翅片的前导边缘中的每一个的水平处的流的再循环区域的存在，导致来自第一流体的机械能显著损失。由于第一流体的通道的横截面的变化（引起局部加速），所以该再循环区域较为重要。
此外，通过SLM制造，沿竖直方向（板和翅片与结构支撑件垂直），这种构造使得不能遵守制造所需的尺寸公差和几何公差。实际上，特别是由于以下事实：在这种悬伸层熔化期间，只有未熔化的粉末层用作支撑件，因此，其法线与添加层的方向平行的悬伸层的熔化造成生产困难。
现有技术还包括文献WO-A2-2010/098666和CN-A-104776736。
因此，本发明的目的是提出一种具有等质量的热交换器，当通过对粉末层选择性熔化而进行增材制造来获得该热交换器时，该热交换器具有改善的气动热特性并遵守所需的尺寸公差和几何公差。
发明内容
为此，本发明提出了一种沿纵向方向X流动的第一流体与第二流体之间的热交换器，所述交换器包括：
- 两个平行的板，该两个平行的板彼此远离，以便限定出所述第一流体的循环通道；
- 翅片的至少一个第一排和一个第二排，翅片的至少一个第一排和一个第二排垂直地布置在所述板之间，所述第一排和第二排纵向地延伸，所述第一排的翅片相对于所述第二排的翅片优选地以交错的排的方式被布置，每个翅片由第一边缘和第二边缘纵向地界定，所述第一边缘在所述第一边缘的每个端部包括与对应的板连接的连接区域；
其特征在于，所述第一边缘的所述连接区域在垂直于所述板并且与所述方向X平行的平面P中分别相对于板的法线N倾斜角度A和角度B，翅片中的每一个的所述第一边缘和所述第二边缘在所述平面P中具有相同的轮廓。
这种与翅片相关联的几何特征使得当通过对粉末床选择性熔化而进行增材制造来获得具有等质量的交换器时，不仅可以显著提高交换器的气动热性能，而且可以遵守所需的尺寸公差和几何公差。
实际上，一方面，这种几何特征使得可以显著减小在翅片的每个前导边缘（根据流的方向的第一边缘或第二边缘）的水平处的流的再循环区域，从而减小机械能量损失。由于第一流体的通道的横截面没有发生变化，因此该减小更加显著。相比之下，相对于现有技术的热交换器，估计负载损失降低了约15%。
另一方面，对于SLM制造，如果需要，通过将内凹边缘定位在结构支撑件一侧上，连接区域分别构成用于制造翅片的第一基底层和第二基底层。因此，在制造期间，悬伸层没有熔化，换句话说，未熔化的粉末不用作支撑件，这有利于遵守所需的尺寸公差和几何公差。
根据本发明的交换器可包括以下彼此单独采用或彼此组合采用的特征中的一个或多个：
- 角度A等于角度B；
- 角度A和/或角度B大于40°，并且优选地大于或等于45°；
- 在平面P中，第一边缘的90%以上、优选地95%以上的长度相对于法线N倾斜；
- 所述第一边缘包括相对于法线N倾斜的至少一个直线部段和/或至少一个圆形部段和/或至少一个椭圆部段；
- 所述第一边缘包括两个直线部段，这两个直线部段相对于法线N倾斜并且具有共点方向；
- 翅片纵向间隔恒定的量。
作为第二目的，本发明具有一种用于生产如上文所述的交换器的方法，其中，该方法包括沿着与所述纵向方向X平行的制造轴线Z通过对粉末床选择性熔化而进行增材制造来生产所述交换器的步骤。
替代地，所述翅片各自包括第一内凹边缘和第二突出边缘，交换器在结构支撑件上被制造，所述第一内凹边缘被定向在所述支撑件一侧上。
作为第三目的，本发明具有涡轮发动机，该涡轮发动机包括如上文所述的热交换器。
附图说明
当阅读通过非限制性示例并参考附图作出的以下描述时，将会最好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特性以及优点将更清晰地显现，在附图中：
- 图1和图2是根据本发明的热交换器（具有两个级）的透视图，根据第一实施例，每个级包括两个板和被布置在板之间的多排翅片；
- 图3是图1和图2的热交换器的翅片在平面P中的详细视图；
- 图4是根据第二实施例的热交换器的透视图；
- 图5是图4的热交换器的翅片在平面P中的详细视图；
- 图6是用于通过增材制造来生产根据本发明的交换器（交换器级）的机器的示意图；
- 图7至图10是在平面P中的类似于图3至图5的详细视图，并且示出了根据本发明的翅片的实施例变型。
具体实施方式
在图1和图2中，示出了沿纵向方向X流动的第一流体（例如，热废气）与第二流体（例如，空气）之间的热交换器1。
更具体地，交换器1被分级，即，第一级2和第二级3，第一级和第二级用于使第一流体循环。用于使第二流体循环的第一路径4被布置在第一级2和第二级3之间（级间循环路径）。用于使第二流体循环的第二路径5（图2中未示出）被布置在第二级3的自由侧部上。
所示的示例决不是限制性的，根据需要，交换器1可具有N个级，每个级限定出用于使第一流体循环的通道，两个相邻的级被用于使第二流体循环的路径隔开。
必须注意的是，第一流体沿纵向方向X的流动可以是从上游到下游（诸如图1所示）或从下游到上游。
在热交换器1中，第一流体与第二流体之间没有混合物。
交换器1的每个级2、3包括：两个平行的板6，这两个平行的板彼此远离，以便限定出用于使第一流体循环的通道7；和导热翅片9的多个排8a、8b（在本案中为10排），该导热翅片的多个排被垂直地布置在所述板6之间。
更具体地，排8a、8b纵向地（沿方向X）延伸。两个相邻的排8a、8b的翅片9以交错的排的方式布置。每个翅片9由第一边缘10和第二边缘11纵向地界定，第一边缘10在第一边缘的每个端部包括与对应的板6连接的连接区域12a、12b。
第一边缘10的连接区域12a、12b在垂直于板6并且与方向X平行的平面P中分别相对于板6的法线N倾斜角度A和角度B。翅片9中的每一个的第一边缘10和第二边缘11在平面P中具有相同的轮廓。
根据图1至图2所示的实施例（相应地在图4的实施例上），翅片9是相同的（即，翅片9具有相同的几何和尺寸特征）并且纵向地间隔恒定的量（或间隙）。在同一排8a、8b上，两个接续的翅片9通过间隔隔开，该间隔等于一个翅片9（并且更具体地，等于一个翅片9的纵向尺寸）。
术语“以交错的排布置”是指逐排重复布置，其中，在两排中的一排中，翅片9相对于相邻的排偏移半步。
在变型中，间距是能变的，或者交换器1可被纵向地划分成多个部分，每个部分具有其自身的间距。
在变型中，两个相邻的排8a、8b的翅片9在平面P中可被部分地覆盖。
根据本发明，在平面P中，当连接区域12a是直线的时，角度A（相应地角度B）对应于连接区域12a与法线N之间的角度。
根据本发明，在平面P中，当连接区域12a（相应地连接区域12B）是弯曲的时，角度A（相应地角度B）对应于连接区域12a的切线T（位于对应的板6附近的点的水平处）与法线N之间的角度。
有利地，在平面P中，第一边缘10（相应地第二边缘11）的90%以上、优选地95%以上的长度相对于法线N倾斜。
角度A和/或角度B大于40°，并且优选地大于或等于45°。
根据图1至图3所示的第一实施例，对于平面P中的每个翅片9，第一边缘10（相应地第二边缘11）包括两个直线部段13，这两个直线部段相对于法线N倾斜并且具有共点方向。
更具体地，第一边缘10具有大致V形形状。直线部段13中的每一个从对应的板6会聚。两个直线部段13由圆角14（凹形形状）封闭。角度A等于角度B，并且等于45°。
根据图4和图5所示的第二实施例，对于平面P中的每个翅片9，第一边缘10包括相对于法线N倾斜的一个单个直线部段15。因此，每个翅片9具有平行四边形形状。角度A等于角度B，并且等于45°。
图6示出了用于通过增材制造，并且特别是通过用高能束195选择性地熔化粉末层160来制造热交换器1或热交换器1的级2、3的机器100。
有利地，热交换器1（或交换器1的级2、3）沿着与纵向方向X平行的制造轴线Z被制造（板6和翅片9垂直于结构支撑件180）（参见图3和图5）。
机器100包括进料塔盘170，该进料塔盘装纳粉末160（在本实例中为金属），并且机器包括滚子130以从塔盘移出该粉末160并将该粉末160的第一层110铺展在结构支撑件180上，该结构支撑件沿制造轴线Z平移移动（支撑件180可以是例如板、另一部件的一部分或栅栏）。
机器100还包括回收塔盘140，以在滚子130将粉末层铺展在结构支撑件180上之后回收多余的粉末160。
机器100进一步包括激光束195发生器190和转向系统150，该转向系统能够将该束195引导到所有结构支撑件180上，以便熔化所需的粉末部分160。对激光束195定形状以及激光束在焦平面上的直径变化分别通过束扩张器152和聚焦系统154来实现，束扩张器和聚焦系统组成光学系统。
更具体地，转向系统150包括例如可定向的至少一个镜子155，激光束195在到达粉末层160之前在该至少一个镜子上被反射。该镜子155的角度位置例如由检流计头控制，使得激光束195根据预先建立的轮廓来扫描粉末160的第一层110的所需部分。
热交换器1（或交换器1的级2、3）沿着制造轴线Z（与方向X平行）被制造（板6和翅片9垂直于结构支撑件180）。如图3所示，当翅片9的轮廓包括内凹边缘10和突出边缘11时，内凹边缘10必须被定向在结构板一侧上以避免任何悬伸层被熔化。
使用机器100进行交换器1（或交换器1的级2、3）的制造包括以下步骤。
使用滚子130将粉末160的第一层110沉积在结构支撑件180上。通过激光束195使该粉末160的第一层110的至少一部分达到大于该粉末160的熔化温度的温度，使得第一层110的该部分的粉末颗粒160熔化并形成由单个部件形成的第一束带层115，该第一束带层被固定到结构支撑件180。
然后，支撑件180降低一对应于已经由第一层110限定的厚度的高度。将粉末160的第二层120沉积在第一层110上和该第一束带层115上，然后通过暴露于激光束195来加热部分地或完全地位于该第一束带层115上方的至少一部分，使得第二层120的该部分中的粉末颗粒160与第一元件115的至少一部分一起熔化，并形成第二束带层125。这两个束带层115和125的组件形成由单个部件制成的块。
然后，通过在已经形成的组件上添加粉末160的附加层来逐层进行构造部件的过程。用束195进行扫描使得可以通过给每个层赋予根据待生产的部件的几何形状的形状来构造每个层。
因此通过沿制造轴线Z叠加二维（2D）层获得三维（3D）交换器1（或交换器1的级2、3）。
粉末160有利地由具有良好导热性的材料制成，以使第一流体与第二流体之间的热传递最大化，并因此提高热交换器1的效率。
有利地，粉末160是金属，并且优选地是钢或例如镍基合金的金属合金。
图7至图10示出了本发明的不同实施例。
根据图7中所示的第一实施例，对于平面P中的每个翅片9，第一边缘10包括一个单个的凹形的椭圆部段16。椭圆部段16对应于结构椭圆17（用虚线表示）的一部段，该部段的中心位于距两个板6等距的位置处，相对于连接区域12a、12b纵向地偏移，结构椭圆17与板6相切。椭圆部段16在中心处具有略小于180°的角度。
根据图8中所示的第二实施例，对于平面P中的每个翅片9，第一边缘10包括两个凸状的椭圆部段18。
更具体地，椭圆部段18中的每一个从对应的板6会聚。两个椭圆部段18由圆角19（凹形形状）封闭以形成第一拐点I和第二拐点J。椭圆部段18各自对应于结构椭圆20（用虚线表示）的在中心处具有基本等于90°的角度的部段（椭圆的四分之一）。这些结构椭圆20是叠置的、对齐的并且具有相同的尺寸特征。
根据图9中表示的第三实施例，对于平面P中的每个翅片9，第一边缘10包括一个单个凹形的椭圆部段21。椭圆部段21对应于在中心处具有基本等于90°的角度的椭圆部段（椭圆的四分之一），并且经由圆角22（凹形形状）连接到板6中的一个。
根据图10中所示的第四实施例，对于平面P中的每个翅片9，第一边缘10包括一个单个凸形的圆形部段。圆形部段对应于在中心处具有基本等于90°的角度的圆弧（圆的四分之一），并且经由圆角24（凹形形状）连接到板6。
为了提高机械和气动热性能，锋利边缘可以由圆角（凹形形状）或曲线（凸形形状）代替。
翅片9的所示的不同实施例不是限制性的。实际上，根据本发明，第一边缘10可包含一个或多个直线部段和/或一个或多个弯曲部段，然而，有利地，第一边缘10（平面P中）（相应地，第二边缘11）的90%以上（并且优选地为95%）的长度相对于法线N倾斜。

Claims (12)

1.沿纵向方向（X）流动的第一流体与第二流体之间的热交换器（1），所述热交换器（1）包括：
- 第一板和第二板，所述第一板和所述第二板是平行的且彼此远离，以便限定出用于使所述第一流体循环的通道（7）；
- 翅片（9）的至少一个第一排（8a）和一个第二排（8b），所述翅片的至少一个第一排和一个第二排被垂直地布置在所述第一板和所述第二板之间，所述第一排（8a）和第二排（8b）纵向地布置，所述第一排（8a）的翅片（9）相对于所述第二排（8b）的翅片（9）以交错的排的方式被布置，每个翅片（9）由第一边缘（10）和第二边缘（11）纵向地界定，所述第一边缘（10）在所述第一边缘（10）的每个端部包括与所述第一板连接的第一连接区域（12a）以及与所述第二板连接的第二连接区域（12b）；
其特征在于，所述第一边缘（10）的所述第一连接区域（12a）和第二连接区域（12b）分别相对于所述第一板和第二板的法线（N）倾斜角度A和角度B，所述角度A和所述角度B限定在垂直于所述第一板和第二板并且与所述方向（X）平行的平面（P）中，所述翅片（9）中的每一个的所述第一边缘（10）和所述第二边缘（11）在所述平面（P）中具有相同的轮廓。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该角度A等于所述角度B。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，所述角度A和/或所述角度B大于40°。
4.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，在所述平面（P）中，所述第一边缘（10）的90%以上的长度相对于所述法线（N）倾斜。
5.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，所述第一边缘（10）包括相对于所述法线（N）倾斜的至少一个直线部段（13，15）或至少一个圆形部段或至少一个椭圆部段（16，18，21）。
6.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，所述第一边缘（10）包括两个直线部段（13），所述两个直线部段相对于所述法线（N）倾斜并且具有共点方向。
7.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，所述翅片（9）纵向间隔恒定的量。
8.根据权利要求3所述的热交换器，其特征在于，所述角度A和/或所述角度B大于或等于45°。
9.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，在所述平面（P）中，所述第一边缘（10）的95%以上的长度相对于所述法线（N）倾斜。
10.用于生产根据权利要求1至9中任一项所述的热交换器（1）的方法，其中，所述方法包括沿着与所述纵向方向（X）平行的制造轴线（Z）通过对粉末床（160）选择性熔化而进行增材制造来生产所述热交换器（1）的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述翅片（9）各自包括第一内凹边缘和第二突出边缘，所述热交换器（1）在结构支撑件（180）上被制造，所述第一内凹边缘被定向在所述支撑件（180）一侧上。
12.涡轮发动机，所述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（1）。
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