CN111351385A - 空气油换热器 - Google Patents

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D.威克尔
R.弗勒格尔斯
N.费尔林
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Safran Aero Boosters SA
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Abstract

用于在第一流体和第二流体之间交换热量的基体(42)，特别是用于涡轮发动机的空气油应用。基体(42)包括：包壳(46)，限定第一流体的流动路径；网络(44)，延伸到流动路径中且第二流体在流动路径中流动。沿通过基体(42)的曲率限定的轴线(14)，包壳(46)的尺寸周向地(T(A))和径向(R(A))地变化。还公开了具有该基体的换热器。

Description

空气油换热器
技术领域
本发明涉及涡轮发动机热交换器领域。更具体地，本发明提出涡轮发动机空气/油换热器。
背景技术
文件US 2016/0108815 A1公开了用于飞机的空气/油换热器。该换热器包括大致弓形形状的本体且设置有以多个径向级布置的多个冷却鳍片。在两个连续的鳍片径向级之间布置了用于油的周向通道。
这种换热器在空气流动中产生显著紊流。
发明内容
本发明的目的是提供换热器，其使得通过换热器的存在感应的空气中的空气动力损失最小化，但是还用于降低换热器本身中的空气动力损失。本发明还用于使得热量交换的效率优化。本发明还用于提供简单且紧凑的方案。
本发明的主题是用于换热器的基体，该基体包括：包壳，具有空间界定了用于第一流体流动的流动路径，和外表面；包壳，具有大致弓形形状，限定了轴向方向、径向流动方向和周向方向，该轴向方向是第一流体的主方向，且外表面限定基体的外轮廓，如在垂直于主方向的平面中可见；和网络，在衬套中延伸且第二流体在网络中流动；其中，沿轴向方向，外轮廓径向且周向地变化。
径向方向和周向方向在所有点处垂直于轴向方向。
轮廓变化实现了，在垂直于轴向方向的给定平面中包壳的外轮廓不同于平行于该给定平面的另一平面中的外轮廓。
外轮廓径向且周向变化的另一可行定义可以如下：在外表面上的沿表面轴向行进同时保持其周向坐标的任何点将具有变化的径向坐标；和外表面上的沿个表面轴向行进同时保持其径向坐标的任何点将具有变化的周向坐标。
在限定具有曲线的外轮廓时，这些轮廓变化实现：因外表面与径向平面(含有轴线的平面)相交造成的任何曲线显示了径向变化，且因外表面与圆柱形(具有与通过包壳的曲率限定的相同的轴线)相交显示了周向变化。
根据本发明的优选实施例，根据任何可能的组合，基体可以包括以下特征中的一个或多个：
在基体的上游部分中，轮廓径向且周向地扩大。例如，轮廓可以在上游部分中径向和周向地扩展。所述上游部分可在基体的至少5％、10％、20％或30％的轴向长度上延伸；
轮廓在基体的下游部分中径向且周向地的收缩。例如，轮廓可以在下游部分中径向且周向地收缩。所述下游部分可在基体的至少5％、10％、20％或30％的轴向长度上延伸；
包壳的厚度轴向、周向和径向地变化。在轮廓的任何点处，厚度是包壳的内表面和外表面之间的最短距离。对于给定轮廓(给定轴向位置)，厚度可围绕该轮廓变化。在平行于轴线的视图中，厚度可变化(径向增加或减小，周向增加或减小)。最后，轴向尺寸(即进入基体的入口和其出口之间的空气所行进的距离)可周向且径向地变化；
网络将流动路径细分为多个廊道，每一个廊道在垂直于轴向方向的平面中具有轴向变化的截面。换句话说，廊道的截面在垂直于轴线的两个不同平面中不是相同的；
外部轮廓和廊道的截面根据共同的趋势变化。由此，在外包壳发展时，廊道也可以按相同比例扩展。替换地，廊道可与包壳的趋势相逆地发展，网络的厚度可发展为在包壳扩展时让廊道变窄。
包壳和网络通过增材制造整体制造；
网络是管路的交织结构，管路形成廊道，该廊道在流动路径中界定均匀或非均匀的多个规则或不规则的几何形状。例如，可提供多边形(菱形、五角形等)或椭圆形形状的廊道。网络中的管路可以具有内部矩形截面和/或具有按空气动力学形成的外部轮廓(前端边缘和尾端边缘，压力侧和抽吸侧)，例如以使得压力降最小化或有助于飞机的提升；
管路可以是根据文件WO 2018/065304A1教导的管路。例如，连续倾斜的冷却鳍片可定位在廊道中，使得空气遵循螺旋路径。
根据本发明的基体可适于执行除了两流体之间热交换以外的额外功能。例如，壳体可以设置为接收加热元件，例如加热杆或电阻和/或加热膜，以在第一和/或第二流体具有的温度低于运行临界值(例如20℃)时加热第一和/或第二流体。还有，通道网络可布置在基体中，以用于与第一和第二流体横向流动的第三流体。
本发明还涉及设置有这种基体的换热器，换热器具有用于第二流体的出口歧管和入口歧管，歧管与基体整合，且两歧管周向地布置在基体的同一侧。
根据本发明的优选实施例，换热器可包括根据任何可能组合的一个或多个以下特征：
旁路，将入口歧管连接到出口歧管，旁路与基体整合。旁路允许第二流体不行进通过基体的管路网络。出于该目的，闸门或阀可关闭网络并打开旁路。阀可具有任何种类且例如是恒温的或通过在油路中检测不足压力而进行控制(例如用于压力释放阀的PRV)。由此，在油具有的温度低于确定的临界值时，其进入旁路，因为在换热器中对其冷却没有用处，和/或油不是足以经过网络的流体(有堵塞风险)。临界值例如可以是20℃；
旁路沿大致轴向方向传送第二流体的流动。实际上，在歧管可布置在基体的相同侧时，旁路可以是紧凑和简单的设计；
紧固凸缘与基体整合。这些凸缘可用大致平坦的腿制造，具有用于接收组装元件(例如是带螺纹的)的额外厚度；
旁路、歧管和至少一个固定凸缘可以周向地布置在基体的相同侧。这简化了换热器的组装，因为与基体的所有外部连接可制造在换热器的相同区域：与油网络的流体连接，与壳体的机械附件，用于控制通过或流动控制(从传感器接收的压力、流率、温度)的电连接；
保护格栅，在流动路径的上游，格栅与基体整合。这种格栅可以保护基体不受外来物质(碎屑、霜)影响；
在网络上游的制动室和可选地在网络下游的加速室，制动室和可选地的加速室与基体整合。为了增加热交换，空气流动例如因基体上游流动截面的扩张而减慢。
优点
本发明可以增加热交换效率同时限制空气流动中的压力损失。在涡轮喷气发动机油冷却器的情况下，该方案变得尤其相关，因为冷源处于非常低的温度且大量可用(外部空气)。
附图说明
图1代表轴流式涡轮机/涡轮发动机；
图2示出了根据本发明的换热器的平面图；
图3显示了图4中限定的平面III：III中的换热器的截面；
图4显示了换热器的径向俯视图；
图5示出了在周向截面(或平行于轴线)中的换热器。
具体实施方式
在以下描述中，术语“内部"和“外部”是指相对于轴流式涡轮机的旋转轴线的定位。轴向方向对应于沿叶轮机械的旋转轴线的方向。径向方向垂直于旋转轴线。上游和下游是指涡轮机中空气流动的主流动方向。
图1是轴向涡轮喷气发动机2的简化展示。涡轮喷气发动机2包括第一低压压缩机4和第二高压压缩机6、燃烧室8和一个或多个涡轮机10。在操作中，传输到转子12的涡轮机10的机械功率使得两个压缩机4和6运动。后者包括与多排定子叶片关联的多排转子叶片。转子绕其旋转轴线14的旋转由此可以产生空气流动并将其逐渐压缩，直到其到达燃烧室8。
风扇16联接到转子12并产生分为主流18和次流20的空气流，次流20沿发动机经过通过环形管道(被部分示出)，以随后在涡轮机以外与主流连结。
减速齿轮22可相对于相关涡轮机降低风扇和/或低压压缩机的旋转速度。次流动可加速，以便产生对于飞机飞行必要的反推力。
转子12包括通过两个轴承26安装在壳体上的传动轴24。
壳体表面28径向向内界定次流动20。
为了让涡轮喷气发动机2的旋转元件润滑，提供润滑回路30。该回路30包括管道32，用于向需要油的涡轮喷气发动机构件2传送油，特别是向齿轮箱22和轴承26。为此目的，回路30包括泵34，用于在回路30和贮存器36中推进油。
换热器40设置为调节回路30中油的温度。换热器40可定位在次流动20中，以通过次流动的冷空气让油冷却。在图1中以虚线显示了优选但非限制性的区域，用于植入换热器。换热器可以接触并符合壳体28的形状。其可以部分嵌入到壳体28中。替换地或额外地，换热器40还可以设置在泄放阀下游，以用热空气加热流体。换热器的有利特征可以用于在涡轮机中和在其他位置中的其他流体之间交换热量。
回路30包括用于控制油的温度、压力和流率的所有机构，以获得最适宜的操作(传感器、阀、增压器、节流装置等)。
贮存器36可附接到涡轮发动机2的机舱或附接到压缩机壳体。贮存器36可定位在两个环形壁之间，以引导同心流动；例如在次流动20和围绕涡轮机2的流动之间，或在主流动18和次流动20之间。
图2显示了换热器40的平面图，例如如图1所示的那个，见于垂直于涡轮机2的轴线14的平面中。换热器40具有大致弓形形状。其大致匹配涡轮机的环形壳体28。其与形成了第一流体的次流动的空气相交叉，且接收形成第二流体的油。其具有基体42。
基体42包括网络44和包壳46。包壳46通过外表面48和内表面50界定。内表面50界定流动路径52，其中次流动的空气行进通过基体42。外表面48接触不行进到基体42中的次流动的空气颗粒。
网络44界定流动路径48的多个细分部分，其是廊道54的形式。
在基体的任何点处，基体42和轴线14的总体曲率限定径向方向和周向(或切向)方向。图2中的点A是基体的上中点。在该点处的径向方向标记为R(A)且周向方向标记为T(A)。
外表面48在该平面图中可见，因为包壳46具有沿轴线14变化的尺寸。这些变化是周向和径向的，如在图2的基体的左侧和右侧的外表面48可见，以及在上方和下方可见。
标记P示出了在几个轴向位置处的包壳的外部轮廓。在作为平面图的图2中，P1表示最小轮廓，例如在上游处，在该处外表面48和内表面50相遇。P2是最大轮廓。
图3在垂直于轴线14且在图4的III：III示出的平面中示出了换热器40且特别是其基体42的放大部分。显示了仅少量廊道54，且尺寸不按比例绘制。具体说，各种壁和廊道54的厚度被夸大，以有助于理解附图。
在该例子中，网络44是让第二流体经过的管的交织结构或格栅。任何类型的管路均可用在该基体中。在这里仅示出了示例性例子。网络44界定廊道54。廊道54的截面标记为S。“截面”应按一表面(廊道的3D表面)和一平面(图3的平面)相交所形成的曲线来理解。在图3的平面中，截面是方形的或菱形的。在上游或下游平面，菱形可以具有变化的尺寸。例如，在轮廓P沿给定方向(例如径向)扩展时，廊道54可以按其与包壳的放大形式成比例的量径向发展。
相反地，廊道54可以具有与包壳相反的行为。
廊道尺寸的变化具体可以用于在空气于基体中流动时降低空气可经历的空气动力损失。
廊道54的截面S还可沿轴线改变形状，从一个形式变为另一形式，例如从菱形变为矩形、方形、甚至圆形或椭圆形，或反之亦然。
包壳46具有布置在其外表面48和其内表面50之间的空腔49，空腔49允许第二流体的循环流动。
包壳46的空腔49在结合部51处流体连接到网络44。至少两个结合部51设置为用于在网络44中输入和输出第二流体。结合部51适当定位为有助于第二流体的流动。
整个网络44和包壳46整体通过增材制造过程制造，例如用金属粉末(例如铝或钛)进行ALM(层叠制造)。层的厚度可以为10微米到150微米，其可以为基体的内壁实现0.40mm到0.8mm的最小厚度。包壳46的壁可以更厚且被优化，以便不会太重，同时仍然确保基体的所需机械强度。
就在基体中形成管路44而不需要加强臂或肋而言，结构是自支撑的。
通过壁56和58在第一和第二流体之间发生热交换。
壁56和58的厚度可以根据空间的三个维度变化。例如，随包壳46和通路54生长，壁厚度也会增加。替换地，厚度可独立于包壳46或廊道54的变化而变化。替换地，壁56和58的厚度可以是恒定的。
鳍片60可布置在廊道54中，以使得流体之间的交换表面最大化，例如鳍片沿第一流体的路径连续倾斜，由此在廊道54中形成螺旋通道。
图3在E1和E2两处示出了包壳的厚度。这些标记代表外表面48和内表面50之间的距离，其是在给定点处且垂直于表面测量的(或如果内表面和外表面不共享相同的法向，则通常是沿两法向的平均方向)。以与壁56和58相同的方式，包壳E的厚度可针对包壳的每一个点沿空间的三个方向改变，且尤其是沿轴线14。
图3显示了关键点62、64、66、68、70、72、74，其在本文是被置于基本上相同径向位置处的突脊54。点76和78是相同周向位置的两个边缘。
空腔49允许第二流体一方面在入口歧管(在图4中标记为80)和网络44之间流动而另一方面在网络44和出口歧管(在图4中标记为82)之间流动。入口歧管80和出口歧管82优选与基体42整体形成且通过适当通道流体连接到空腔49。如图4可见，歧管80、82有利地定位在基体42的相同周向侧43。
将歧管80、82彼此连接的旁路84可布置在基体42中。通过闸门或阀(未示出)的动作，这允许使网络44分路(shunt)，并直接将第二流体从入口歧管80传输到出口歧管82。
参考图3和4，在与歧管80、82相同的基体42的一侧43可以看到，固定凸缘90可例如设置有接收螺纹94的隆起部92。另一凸缘(未示出)可布置在基体中的另一位置，例如在凸缘90的相反侧。
最后，图3显示了中间点A(如在图2上)，且点B使得包壳的极周向点具化。
图4示出了垂直于图3的方向R(A)的平面图，其是从基体42的外侧径向观察的。
该视图示出了包壳46且具体示出了其轴向尺寸E3，该轴向尺寸周向地变化(E3'大于E3)。同样，该图显示了基体L(L'>L)的周向宽度的变化。
基体可以具有任何空气动力对称或不对称形状，以适于其整合到涡轮发动机中的其植入区域。植入区域可以包括“障碍物”，例如各种类型的传感器、阀或管道，且基体可以相对于其通常曲率局部或全局地变形，以避免与这些“障碍物”机械干涉。
可以看到，以允许空气更好地渗入到基体中，包壳可成形为翼状物(具有上游前端边缘、下游尾端边缘、抽吸和压力表面)。
用于边缘包壳46的替换形式显示为点划线。
点B使得轴向位置具化，在该处周向尺寸最大。点B'示出了最小周向尺寸。B和B'的周向宽度之间的差可为至少为10％(L(B)/L(B')>1.1)。如所示的，该比例接近5。
类似地，点A'示出了外表面的上游中间位置。A和A'的径向坐标可以相差至少10％(R(A)/R(A')>1.1)。
关键点62、64、66、68、70、72、74显示为点划线，以显示非直线或不平行于轴线14的廊道54的尺寸。在示出的例子中，可以看到，廊道54与包壳46共享相同的趋势(扩展/缩回)。
图4还示出了紧固凸缘90和如上所述的歧管80、82和旁路84以及得到图3的视图截面的平面III：III。
图5示意性地在平行于轴线14的平面中示出了换热器40，如前所示。为了有助于对图的理解，未按比例绘制。在该视图中，存在保护格栅96，用于保护基体42且特别是网络44。该格栅可与基体42整体制造。
制动室98和加速室99可以设置为让空气流减速并随后加速。这些室98、99可以采取喷嘴的形式，其具有突然可变的截面。这些室98、99与基体42的包壳46整体制造。
图5还显示了在图3中示出的线76和78。可以看到，廊道54的(径向)高度沿轴线变化。在这种情况下，廊道54的高度变化遵循包壳46的变化趋势，即在基体的第一轴向半部增加，随后减小。
如果包壳和廊道的变化显示为从上游到下游增加和减少，则本领域技术人员可理解各种替换实施例是可行的，特别是扩展之后减小，或替换地按照转折点循环变化或更复杂地变化。
在基体42的上游和下游，包壳的外表面48和内表面50相遇。该结合部可布置为使得压力降最小化，例如与叶片或机翼类似地通过前端边缘和尾端边缘实现。字母J表示上游连结部。
类似地，网络44的壁56与基体的上游和下游相遇且可具有前端边缘和尾端边缘。
用于根据本发明的换热器的基体目的是整合到飞机涡轮喷气发动机中，但是并不限于此。根据本发明的换热器优选用于在空气和油之间交换热量，但不限于该用途。
在示出的实施例中，换热器的轴线14与涡轮发动机的轴线重合，但是本发明并不限于该设计且换热器的轴线可以不同于涡轮发动机的轴线。

Claims (15)

1.一种用于换热器(40)的基体(42)，该基体(42)包括：
包壳(46)，具有在空间界定了用于第一流体的流动路径(52)的内表面(50)，和外表面(48)；包壳(46)，大致是弓形形状，限定了轴向方向(14)、径向方向(R)和周向方向(T)，该轴向方向是第一流体的主流动方向，且外表面(48)，限定基体(42)的外轮廓(P)，在垂直于主方向(14)的平面中可见；和
网络(44)，在流动路径(52)中延伸，且第二流体在该流动路径中流动；
其中
沿轴向方向(14)，外轮廓(P)径向且周向地变化。
2.如权利要求1所述的基体(42)，其中外轮廓(P)在基体(42)的上游部分中径向且周向地扩展。
3.如权利要求1所述的基体(42)，其中外轮廓(P)在基体(42)的下游部分中径向且周向地渐缩。
4.如权利要求1所述的基体(42)，其中包壳具有轴向、周向且径向变化的厚度(E)。
5.如权利要求1所述的基体(42)，其中网络(44)将流动路径(52)细分为多个廊道(54)，每一个廊道(54)在垂直于轴向方向(14)的平面中具有轴向变化的截面(S)。
6.如权利要求5所述的基体(42)，其中外轮廓(P)和廊道(54)的截面(S)根据共同的趋势变化。
7.如权利要求1所述的基体(42)，其中包壳(46)和网络(44)通过增材制造整体制造。
8.如权利要求1所述的基体(42)，其中网络(44)是管路的交织结构，管路形成廊道(54)，该廊道在流动路径(52)中界定均匀或非均匀的多个规则或不规则的几何形状。
9.一种换热器(40)，包括如前述权利要求中任一项所述的基体(42)，进一步包括用于第二流体的出口歧管(82)和入口歧管(80)，歧管(80、82)与基体(42)整合，且歧管(80、82)两者周向地布置在基体(42)的同一侧(43)。
10.如权利要求9所述的换热器(40)，进一步包括旁路(84)将入口歧管(80)连接到出口歧管(82)，旁路(84)与基体整合。
11.如权利要求10所述的换热器(40)，其中旁路(84)允许沿大致轴向方向的第二流体流动。
12.如权利要求9所述的换热器(40)，进一步包括与基体整合的紧固凸缘(90)。
13.如权利要求10和12所述的换热器(40)，其中旁路(84)、歧管(80、82)和至少一个紧固凸缘(90)周向地布置在基体(42)的同一侧(43)。
14.如权利要求9所述的换热器(40)，进一步包括流动路径(52)上游的保护格栅(96)，保护格栅(96)与基体(42)整合。
15.如权利要求9所述的换热器(40)，进一步包括网络(44)上游的制动室(98)和网络(44)下游的加速室(99)，制动室(98)和加速室(99)与基体(42)整合。
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