CN110168299B - 用于涡轮发动机的空气-油热交换器的矩阵 - Google Patents

用于涡轮发动机的空气-油热交换器的矩阵 Download PDF

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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器的矩阵(30)，特别是用于涡轮机中的空气/油的应用。矩阵(30)包括：第一流体可以流动的交叉通道；具有在交叉通道中延伸的管(34)的栅格，第二流体在该栅格中循环。栅格支撑至少两个翅片(38；40)，这些翅片在第一流体的流动中连续，特别是冷却翅片。这些连续的翅片(38；40)在第一流体中沿着相对于彼此倾斜的主方向延伸。

Description

用于涡轮发动机的空气-油热交换器的矩阵
技术领域
本发明涉及涡轮机热交换器领域。更具体地，本发明提供了一种用于空 气/油热交换器的矩阵。本发明还涉及轴流式涡轮机，特别是飞行器涡轮喷气 发动机或飞行器涡轮螺旋桨发动机。本发明还提供了一种制造热交换器矩阵 的方法。本发明还涉及一种设置有热交换器矩阵的飞行器。
背景技术
文献US 2015/0345396 A1公开了一种具有热交换器的涡轮喷气发动机。 该热交换器装配有叶片壁以冷却它。热交换器具有主体，在主体中形成血管 状结构，用于使冷却流体通过主体。血管状结构呈通过分支连接的节点的形 式，这些节点和分支是凹陷的，以便提供穿过主体的互连通路。然而，热交 换效率仍然有限。
发明内容
技术问题
本发明的目的是解决现有技术中提出的至少一个问题。本发明的目的是 优化热交换、电荷损失以及可能的涡轮机的操作。本发明的目的还在于提供 一种简单的解决方案，耐用、轻便、经济、可靠、易于生产、维护方便、易 于检查和提升性能。
解决方案
本发明的主题是第一流体和第二流体之间的热交换器矩阵，特别是用于 涡轮机的热交换器矩阵，该矩阵包括：用于第一流体的流动的通道；在通道 中延伸并且第二流体在其中流动的阵列；显著之处在于，阵列沿着第一流体 的流动支撑至少两个连续翅片，例如散热翅片；所述连续翅片在第一流体的 流动的主方向上相对于彼此倾斜地延伸。
根据特定实施例，矩阵可以包括以下特征中的一个或多个，以下特征单 独地或根据所有可能的组合而被采用：
-连续翅片相对于彼此倾斜至少10°，或至少45°。
-第一流体在流动的主方向上流过矩阵；在两个连续翅片之间，矩阵包 括相对于所述主方向横向定向的通路。
-连续翅片沿着第一流体的流动形成连续十字形件，所述连续十字形件 可选地相对于彼此旋转。
-矩阵包括沿着第一流体的流动布置在若干连续平面中的若干组连续 翅片，所述平面可选地平行。
-连续翅片从阵列的区域延伸，在垂直于第一流体的流动的平面上投影 中，连续翅片远离所述阵列区域彼此交叉。
-连续翅片在第一流体的流动方向上彼此连续或间隔开。
-阵列包括多个管，其可能平行。
-管的轮廓是椭圆形、泪珠形或菱形。
-阵列包括将第一流体与第二流体分开的壁，连续翅片从所述壁延伸。
-阵列包括网格。
-根据第一流体的流动方向绘制网格的轮廓。
-网格限定用于第一流体的流动的过道，过道可能具有四边形截面。
-矩阵适于液体和气体之间的热交换，气体特别是通过涡轮喷气发动机 的气流。
-连续翅片包括主截面，主方向布置在主截面中，主截面的主方向相对 于彼此倾斜。
-主方向相对于彼此倾斜至少5°、或至少20°、或90°。
-连续翅片包括阵列上的连接部，其相对于第一流体的流动横向偏移。
-管描述至少一个对准或至少两个对准，特别是横向于第一流体的流动。
-两个连续翅片连接相邻的管，可能在所述管之间的间隙中交叉。
-每个翅片都是完整的，和/或形成扁平的薄片。
-每个翅片包括两个相对的端部，其与阵列连结。
-连续翅片的厚度为0.10mm到0.50mm；或0.30mm到0.40mm；和/ 或小于隔板的厚度。
-连续翅片描述至少一个交叉点，优选地描述若干交叉点。
-根据第一流体的流动，交叉点彼此间隔开，或者具有材料的连续性。
-管根据第一流体的流动和/或横向于第一流体的流动而间隔开。
-网格在矩阵的整个长度和/或整个宽度和/或高度上延伸。
-阵列包括与第二流体接触的内部突起。
-矩阵具有堆叠的层，每个翅片相对于这些层倾斜。
-该材料包括用于第一流体的入口和出口，入口和出口通过壁连接，该 矩阵特别地包括外壳，在该外壳中形成入口和出口。
-第一流体的流动方向由从入口到出口的方向限定。
-矩阵包括位于同一通道中的若干阵列。
本发明还涉及一种具有热交换翅片的热交换器矩阵，显著之处在于，它 包括在翅片之间形成的螺旋通路，可能是在翅片之间形成的若干同轴螺旋通 路。可选地，同轴螺旋通路具有相同的节距和/或相同的半径。
本发明还涉及在第一流体和第二流体之间的热交换器矩阵，该矩阵包括： 用于第一流体在主方向上的流动的通道；在通道中延伸并且第二流体在其中 流动的阵列；在从阵列延伸的主方向上的至少两个连续翅片；显著之处在于， 在两个连续翅片之间，矩阵包括横向于第一流体的主方向定向的通路；和/ 或所述连续翅片在主方向上横向偏移的连接部中连结到相同的阵列部分。
本发明的主题还是在第一流体和第二流体之间的热交换器矩阵，特别是 用于涡轮机的热交换器矩阵，该矩阵包括：根据主方向流动第一流体的通路； 在交叉处延伸并且第二流体在其中流动的阵列；显著之处在于，阵列支撑至 少两个连续十字形件，这些十字形件布置在第一流体中并且相对于彼此旋转。 可选地，连续十字形件由连续翅片形成。可选地，连续十字形件相对于彼此 旋转至少5°、或10°或20°。
本发明还涉及一种用于热交换器的矩阵，其包括用于第二流体的至少两 个通路，在所述至少两个通路之间布置有间隔，所述间隔可以被沿主方向移 动的第一流体横穿，所述间隔设置有至少两个非平行翅片处，每个非平行翅 片将第一通路连接到第二通路，其特征在于，在垂直于第一流体的流动的主 方向的平面中观察，翅片在与翅片到通路的连接区域分开的间隔的一个点处 相交。
本发明还涉及一种涡轮机，特别是一种涡轮喷气发动机，其包括具有矩 阵的热交换器、轴承和驱动风扇的传动装置，其特征在于，所述矩阵是根据 本发明的矩阵，优选地，所述热交换器是油空气热交换器。
根据本发明的有利实施例，涡轮机包括具有形成第二流体的油的回路， 所述油特别是润滑油和/或冷却油。
根据本发明的有利实施例，涡轮机包括空气抽取套管，所述空气形成第 一流体。
根据本发明的有利实施例，轴承和/或传动装置由通过交换器的油供给。
根据本发明的有利实施例，热交换器具有大致弓形的形状；管可能径向 地定向。
本发明还涉及一种用于制造在第一流体和第二流体之间的热交换器矩 阵的方法，该矩阵包括：用于第一流体的流动的通道；在通道中延伸并且第 二流体在其中流动的阵列；该方法包括以下步骤：(a)设计具有矩阵的热交 换器；(b)通过在印刷方向上的增材制造来生产矩阵；显著之处在于，步骤 (b)包括实现这样的翅片，该翅片在相对于印刷方向倾斜的主要方向上延 伸，该矩阵可能是根据本发明的矩阵。
根据本发明的有利实施例，翅片布置在相对于印刷方向倾斜角度β的平 面中，角度β为20°到60°，可能为30°到50°。
根据本发明的有利实施例，步骤(b)包括生产相对于印刷方向倾斜20 °到60°的角度的管，可能倾斜30°到50°。
根据本发明的有利实施例，步骤(b)包括生产基本平行于印刷方向的 通路。
本发明的主题还是一种飞行器，特别是喷气式飞机，其包括涡轮机和/ 或热交换器矩阵，其显著之处在于，矩阵为根据本发明的矩阵，和/或涡轮机 符合本发明的涡轮机，和/或矩阵根据本发明的实施例制造。
根据本发明的有利实施例，矩阵设置在涡轮机中、和/或机身中、和/或 飞行器的机翼中。
通常，本发明的每个目的的有利模式也适用于本发明的其他目的。在可 能的范围内，本发明的每个目的能够与其他目的组合。本发明的目的还可以 与说明书的实施例结合，此外，这些实施例可以彼此组合。
优点
本发明使得可以在限制气流的压降的同时增加热交换。在涡轮喷气式油 冷却器的背景下，除了在次级流动的流速很大时可用之外，该解决方案变得 特别相关，因为冷源是非常低的温度。当新鲜空气通过时为了不减缓新鲜空 气的流动，矩阵促进其更新并限制其升温。因此，热交换器下游的翅片和管 受益于具有最佳温差的新鲜空气。
连续翅片的倾斜允许空气更好地参与热交换，同时限制必要的接触表面。 这减少了压力损失，并且通常减少熵的产生。此外，翅片之间的通路的定向 增加了通路截面，但仍然减小了压降。
由翅片形成的连接件使得可以连接管或网格的部分。因此，连接件优化 了机械阻力。由于这些连接件相对于彼此倾斜，所以整体刚度得到改善，因 为一些连接件支撑压缩应力，而其他连接件支撑拉伸应力。
附图说明
图1表示根据本发明的轴流式涡轮机。
图2概述了根据本发明的热交换器的前视图。
图3示出了根据本发明第一实施例的热交换器的矩阵的前视图。
图4是沿图3中绘制的轴线4-4的矩阵的截面。
图5示出了根据本发明第二实施例的热交换器矩阵的前视图。
图6示出了图5的典型通道的放大图。
图7是沿着图5中绘制的轴线7-7的第二实施例的矩阵的截面。
图8是根据本发明的生产热交换器矩阵的过程图。
图9表示根据本发明的飞行器。
具体实施方式
在下面的描述中，词语“上游”和“下游”是指交换器中的流动的主流 动方向。
图1是轴流式涡轮机的简化表示。它是双流涡轮喷气发动机。涡轮喷气 发动机2包括称为低压压缩机5的第一压缩级、称为高压压缩机6的第二压 缩级、燃烧室8、和涡轮10的一级或多级。在操作中，涡轮10的机械动力 通过中心轴传递到转子12，转子12使两个压缩机5和6运动。后者包括与 成排的定子叶片相关联的若干排的转子叶片。因此，转子12围绕其旋转轴 线14的旋转使得可以产生空气流并逐渐压缩空气流直到其到达燃烧室8。
入口风扇16经由传动装置17联接到转子12。它产生空气流，该空气流 分成通过上述涡轮机的各个级的主流动18，和次级流动20。可以加速次级 流动以产生推力。
传动装置17和转子12的轴承22由油回路润滑和冷却。油回路的油通 过热交换器24，热交换器24放置在用作冷源的次级流动20内部的套管26 中。
图2示出了诸如图1中所示的热交换器24的平面图。热交换器24具有 大致弓形的形状。它匹配涡轮机的环形壳体28。它被形成第一流体的次级流 动的空气穿透，并接收形成第二流体的油。热交换器包括布置在两个歧管32 之间的矩阵30，所述歧管32在矩阵冷却期间封闭其端部并收集第二流体； 例如油。交换器可以是混合的并且包括下面描述的两种类型的矩阵。
图3概述了根据本发明第一实施例的热交换器矩阵30的前视图。矩阵 30可以对应于图2中表示的矩阵。
矩阵30具有允许第一流体流过矩阵30的通道。流动可以在主方向上定 向，主方向可能垂直于两个相对的主面。通道通常可以形成一(一组)过道； 可能具有可变的外部轮廓。为了允许热交换，接收第二流体的阵列布置在矩 阵中。阵列可以包括一系列管34。不同的管34可以在它们之间提供过道36。 为了增加热交换，管34支撑翅片(38；40)。这些翅片(38；40)可以根据 第一流体的流动一个接一个地放置，从而它们根据该流动形成连续翅片。矩 阵30中的翅片的数量可以变化。在本矩阵30中，示出了具有前翅片38(以 实线示出)和后翅片40(以虚线示出)的第一连续部。前翅片38放置在前 平面中，后翅片40放置在背景中。
翅片(38；40)从一个平面偏移到另一个平面。偏移意味着倾斜度的变 化，和/或横向于第一流体的流动的差异。例如，两个连续翅片(38；40)可 以各自在第一流体中在相应的翅片方向上延伸。这些翅片方向可以相对于彼 此倾斜，特别是倾斜90°。从前部开始，连续翅片(38；40)形成十字形件， 例如在其端部(381，382；401，402)处连接管34的一系列十字形件。由于翅 片(38；40)相对于管34倾斜，它们形成三角形或加强矩阵的腿部。
连续翅片(38；40)的空间中的交叉点42远离管34，可能位于两个连 续管34之间的中间。交叉点42的这个中心位置避免了放大边界层中的空气 压力损失。
图4是沿图3中绘制的轴线4-4的截面。从交叉点以截面看，翅片(38； 40)可以看到为两半。
若干连续翅片(38；40)沿着主流动20一个接一个地示出。翅片(38； 40)从形成管34的壁48延伸。它们可以形成扁平的舌部。这里显而易见的 是，管34在截面中是交错的。它们特别地形成水平线，该水平线沿次级流 动20对准，或根据第一流体的流动对准。
矩阵30具有用于第一流体的入口41和出口43。主流动20从入口41 到出口43经过矩阵30，从而限定第一流体的流动的方向，即流动的主方向。 矩阵30可以包括外壳45。外壳可以形成矩阵30的外皮。外壳45可以，特 别是围绕通道和/或阵列限定。入口41和出口43可以在外壳45中制成。后 者(外壳45)可以形成矩阵实体的机械支撑。
管34的壁48形成矩阵30的结构，热交换发生在它们的厚度的横截面 处。另外，管34可以由内隔板35分隔，这增加了这些管34的刚性。可选 地，管的内部设置有障碍物(未示出)以在第二流体中产生湍流，以便增加 热交换。
不同翅片平面的翅片(38；40)可以远离其他翅片，这减少了通道的质 量和占用。前翅片38可以连结上游管，后翅片40连结布置在下游的管。尽 管存在将它们分开的过道36，但是这种配置使得可以将管34彼此连接。
管34可以具有圆化的轮廓，例如椭圆形。它们横向于第一流体的流动 变薄以减小压力损失，从而增加流动。根据第一流体的流动放置在彼此的延 伸中的管34由过道36分开。类似地，其他过道36将叠加的管分开。由于 这些过道36彼此连通，因此矩阵变得开放并且第一流体的流动可以沿直线 并且相对于次级流动20呈对角线地流动。
图5表示根据本发明的第二实施例的热交换器的矩阵130。该图6重复 相同或相似元件的前述图的编号，然而，编号递增100。特定数字用于特定 于该实施例的元件。
矩阵130在前视图中示出，使得第一流体的流动在其进入通道时相遇。 阵列形成网格144，例如具有彼此连接形成多边形的路径。网格144可以可 选地形成正方形。网格144的网状部可以围绕第一流体流动的过道146。这 些过道146可以通过网格144彼此分开。该阵列包括壁148，其标记第一流 体和第二流体之间的分离。通过该隔板148进行热交换。它还形成矩阵130 的结构。在内部，过道146被连续翅片(138；140)阻挡，优选地被若干系 列的连续翅片阻挡。
图6示出了表示图5中所示的那些过道146的过道146的放大图。
翅片(138；140)位于壁148上。他们可以连接相对的面。翅片(138； 140)可以形成十字形件，例如通过连结两个共面和交叉的翅片。另外，该 组翅片(138；140)可以形成连续十字形件的连续部。不同的十字形件相对 于彼此旋转，以优化热交换，同时限制负载的损失。例如，每个十字形件从 其上游十字形件旋转22.5度。可以重复有规律旋转的四个十字形件的图案。 可选地，十字形件在过道146内形成螺旋路径136，例如彼此缠绕的四个螺 旋路径136。过道146可以是直的或扭曲的。
图7是沿图5中绘制的轴线7-7的局部横截面。示出了三个过道146， 作为四个网格部分144，第二流体(例如油)在该四个网格部分144中流动。
翅片(138；140)以及它们形成的十字形件在横截面中出现。前翅片138 在其所有长度上都是可见的，而后翼140仅部分可见，因为它们在截面中保 持。以下十字形件还通过交叉其翅片的其毂150部分地表示。
十字形件在平面上形成。这些平面彼此平行，并且相对于次级流动120 倾斜；相对于第一流体的流动倾斜。翅片的平面152和第一流体的主方向的 倾斜角β可以为30°到60°。倾斜角β可以是45°。由此得出，过道146 包括相对于第一流体通过矩阵130的流动的主方向倾斜的截面。这种布置使 第一流体在其循环时改变其速度，并且更好地冷却偏移翅片。
图8表示用于生产热交换器矩阵的方法的图。生产的矩阵可以对应于参 考图2至7描述的矩阵。
该方法可以包括以下步骤，可以按以下顺序执行：
(a)设计交换器矩阵200，该矩阵包括具有连续翅片的单件式主体；
(b)通过增材制造在相对于翅片的翅片方向倾斜或相对于每个翅片倾 斜的印刷方向上制造矩阵202。该倾斜度可以为30°到50°。
印刷方向可以相对于管倾斜30°至50°的角度。印刷方向可以基本上 平行于过道，或者倾斜小于10°，或小于4°。
增材制造工艺可以用粉末进行，可选地，用钛或铝粉末。层的厚度可以 为20微米到50微米，这使得能够实现约0.35mm的翅片厚度和0.60mm的 隔板。
歧管可以由机械焊接的片材制成，然后焊接到矩阵的端部以形成歧管。
通过增材层制造、特别是基于粉末的增材层制造制成的矩阵的材料可以 显示出堆叠的层。这些层可以是平行的。这些层可以在它们的界面处显示出 晶体学变化。有利地，每个翅片相对于层(特别是形成它的层)倾斜。
图9示出了从上方看的飞行器300。它可以是喷气式飞机。
飞行器300可以具有机身360，该机身360具体限定主体。它可包括两 个侧翼362，其特别是由机身360连接。侧翼362可以布置在驾驶舱366和 飞行器300的尾部364之间。
每个侧翼362可以接收一个或多个涡轮机2，特别是涡轮喷气发动机， 使得可以推进飞行器300以便与侧翼362结合产生升力现象。至少一个或每 个或若干涡轮机2可以与关于图1呈现的涡轮机相同或相似。
飞行器300包括至少一个矩阵，特别是热交换器矩阵24。例如，一个或 多个热交换器矩阵24可以容纳在机身360中，或者可选地，一个或多个热 交换器矩阵24可以/可以容纳在一个或多个侧翼362中、和/或一个或多个涡 轮机2中或每个涡轮机2中。
至少一个、或多个、或每个热交换器矩阵可以与图2至7中的一个或多 个相同或相似，例如根据本发明的第一实施例或第二实施例。

Claims (8)

1.一种用于涡轮发动机的热交换器的矩阵，所述矩阵包括：
用于第一流体的通道，所述通道限定第一流体沿其流动的主方向；
多个管，其限定用于第二流体的通路，所述多个管在通道中延伸，所述多个管以交错方式布置，其中所述多个管中的每个管与所述多个管中的每个其他管彼此平行；
其中，
所述多个管支撑至少两个翅片，所述至少两个翅片在主方向上一个接一个地布置；
其中，所述至少两个翅片相对于彼此倾斜；以及
其中，所述至少两个翅片中的每一个具有两个端部，每个翅片的两端连接到所述多个管中的两个相应管，且所述多个管中的一个连接到所述至少两个翅片中的两个翅片。
2.根据权利要求 1 所述的矩阵，其中，所述至少两个翅片相对于彼此倾斜至少 10°的角度。
3.根据权利要求 1 所述的矩阵，其中，从主方向上看，所述至少两个翅片限定十字形件。
4.根据权利要求 1 所述的矩阵，其中，在垂直于主方向的平面中看，所述至少两个翅片在远离所述多个管的区域处彼此交叉。
5.根据权利要求 1 所述的矩阵，其中，所述至少两个翅片彼此接触。
6.根据权利要求 1 所述的矩阵，其中，所述矩阵是单件式矩阵，其包括所述通道、管的阵列、所述至少两个翅片和外壳。
7.根据权利要求 1 所述的矩阵，其中，所述矩阵通过增材制造工艺印刷生产，所述至少两个翅片中的每一个相对于矩阵堆叠的层倾斜。
8.根据权利要求 1 所述的矩阵，其中，所述至少两个翅片限定用于第一流体的螺旋路径。
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