CN116710727A - 用于涡轮发动机的逆流热交换器、涡轮发动机和用于制造该交换器的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮发动机的逆流热交换器(1)，包括第一回路和第二回路，第一回路和第二回路分别被构造成接收第一气流(10)和第二气流(20)，每个回路具有次级入口歧管、交换部件和次级出口歧管(13)；第一回路和第二回路的交换部件由交换壁来界定，交换壁被构造成在第一方向(X)上引导第一气流(10)和第二气流(20)；并且其中第一回路的次级入口歧管和次级出口歧管(13)在基本上垂直于第一方向(X)的第二方向(Y)上延伸，并且开口于交换器(1)的一个同一面上。

Description

用于涡轮发动机的逆流热交换器、涡轮发动机和用于制造该 交换器的方法

技术领域

本发明内容涉及用于涡轮发动机的气体-气体热交换器，特别是逆流热交换器。

背景技术

已知用于涡轮发动机的逆流气体-气体热交换器使得可以通过离开低压涡轮的主要流路的气体来加热离开高压压缩机的主要流路的气体，使得可以供应航空器机舱的环境控制系统，或者使得可以将航空器的不同系统维持在其操作温度范围内，例如确保符合机械容差值。

然而，希望提高效率和可靠性和/或减小这种类型的交换器的体积。

发明内容

本发明内容的目的是至少部分地解决这些缺点。

为此目的，本发明内容涉及一种用于涡轮发动机的逆流热交换器，其包括第一回路和第二回路，第一回路和第二回路分别被构造成接收第一气流和第二气流，每个回路包括次级入口歧管、交换部件和次级出口歧管；第一回路和第二回路的交换部件由交换壁来界定，交换壁被构造成沿着第一方向引导第一气流和第二气流；并且第一回路的次级入口歧管和次级出口歧管沿着与第一方向基本上垂直的第二方向延伸，并且开口于交换器的同一面上。

应当理解，第一回路和/或第二回路可以包括多于一个次级入口歧管和/或多于一个次级出口歧管。

由于交换器的结构具有第一回路，其具有开口于交换器的同一面上的次级入口和出口歧管，所以可以制造更容易合并到涡轮发动机中的更紧凑的交换器。这也使得可以减少交换器的前表面以及交换长度，并且因此在给定的性能水平下减少交换器的重量和体积。

在某些实施例中，热交换器沿着空间的三个维度具有基本上相等的维度，这使得可以通过减少回路的长度和通过减少边缘效应来限制负载损失。这也使得可以改进气流流动的均匀性，此外这可以被体现为两个回路之间的交换级数的减少，因此降低了气体分布不良的风险。最后，对于给定的性能，热气流和冷气流的更均匀分布可以改善交换器的热机械阻力。

应当理解，由于第一气流和第二气流沿着第一方向被引导，所以交换器是逆流交换器。还应当理解，由于第一流沿着第一方向被引导，所以第一流沿着第一方向经由第一面进入到交换部件中并且经由与第一面相对的第二面离开交换部件，交换部件被夹在第一面和第二面之间。相反地，第二流经由交换部件的第二面进入并经由第一面离开。

此外，该结构特别适用于增材制造，例如通过粉末床选择性熔化。

作为非限制性示例，第一回路可以包括至少两个次级入口歧管和至少两个次级出口歧管。

在某些实施例中，第一回路的次级入口歧管和次级出口歧管分别开口于主入口歧管和主出口歧管中。

这些主入口和出口歧管使得可以分别将第一气流朝向次级入口歧管分配，并从次级出口歧管收集第一气流。

在某些实施例中，第一回路至少包括第二次级入口歧管和/或第二次级出口歧管，主入口歧管和主出口歧管之中的主对应歧管包括主要管道和在主要管道中汇合的至少两个辅助管道，每个次级入口歧管和/或每个次级出口歧管连接到辅助管道。

多个次级入口或出口歧管允许更好地控制第一回路中的第一气流，进一步改善流动的均匀性并因此改善交换器的热机械阻力。

在某些实施例中，第一回路的次级入口和/或出口歧管中的至少一个可以具有与其他次级歧管不同的截面。次级入口或出口歧管也可以被安置成使得至少两个相邻的次级收集器具有与其他次级歧管之间的间距不同的间距。

对次级歧管的间距和截面的控制允许附加地控制交换器中的流的流动均匀性和交换器的热机械阻力。

在某些实施例中，第二回路包括至少一个次级入口歧管和/或一个第二次级出口歧管。

多个次级入口或出口歧管允许更好地控制通过第二回路的第二气流，从而进一步改善流动的均匀性并且因此改善交换器的热机械阻力。

在某些实施例中，第一回路包括多个次级入口歧管和多个次级出口歧管，其被构造成使得至少一个次级入口歧管与至少两个次级出口歧管连通。

该结构使得可以优化第一回路内的第一气流的循环。

在某些实施例中，第二回路包括多个次级入口歧管和多个次级出口歧管，其被配置成使得至少一个次级入口歧管与至少两个次级出口歧管连通。

该结构使得可以优化第二回路内的第二气流的循环。

在某些实施例中，第二回路的次级入口歧管和次级出口歧管分别被构造成使得在第二回路的入口和出口处的第二气流的流动方向基本上沿着第一方向。

维持第二回路的流动方向基本上沿着第一方向使得可以减少穿过交换器的第二气流的负载损失。

在某些实施例中，第二回路的次级入口和出口歧管中的至少一个在沿着与第二方向正交的平面的截面中具有V形截面。

该V形截面使得可以改善第二气流在交换部件中的分布和交换部件的第二气流的收集，同时减少负载损失。

在某些实施例中，第一回路的次级入口和出口歧管中的至少一个在沿着与第二方向正交的平面的截面中具有V形截面。

该V形截面使得可以改善第一气流在交换部件中的分布和交换部件的第一气流的收集，同时减少负载损失。

在某些实施例中，V形部分的壁与第一方向具有小于45°的角度，优选地小于30°。

这样的角度使得可以限制第二气流在交换壁的入口和出口处的偏转，并且与具有接近90°的角度的已知解决方案相比可以减少负载损失。

在某些实施例中，交换壁包括翅片。

翅片使得可以增加交换表面并且因此改善交换器的性能。此外，翅片允许更好地控制交换部件内的气流，并且因此进一步改善气体的分布。在高压气流的情况下，翅片还改善了交换的热机械阻力。

本发明内容还涉及包括如前文所限定的交换器的涡轮喷气发动机。

在某些实施例中，第一回路连接到压缩机，并且第二回路连接到涡轮。

配备有这种交换器的涡轮喷气发动机具有从涡轮中的气体(燃烧后)中提取热量以将其传递给压缩机中的气体(燃烧前)的优点，从而提高燃烧温度，并且因此提高涡轮喷气发动机的热效率。

本发明内容还涉及一种用于制造如前文所限定的交换器的方法，该交换器通过包括至少一个粉末床增材制造步骤的制造方法来生产。

由于气体-气体热交换器是通过增材制造方法(例如粉末床激光熔化方法)生产的，所以可以使逆流热交换器的形状适应于涡轮发动机中可用的空间的体积和形状。特别地，这种热交换器的结构允许通过限制对支撑部件的依赖来通过增材制造进行设计。此外，与传统的钎焊制造方法相比，这种制造方法更容易实现。

在本发明内容中，术语“方向”被用于无取向的直线，并且术语“取向”被用于定义取向；术语“入口”和“出口”与气体的循环方向有关地进行使用；应当理解，当管道或歧管允许气体沿着一个方向循环时，管道或歧管沿着该方向“延伸”，而与截面的形状和其他方向上的维度无关。

附图说明

本发明内容的主题的其他特征和优点将从下面参考附图以非限制性示例的方式给出的实施例的描述中变得明显。

[图1]图1是包括逆流热交换器的涡轮发动机的截面图。

[图2]图2是逆流热交换器的示意性立体图。

[图3]图3是交换器的示意性侧视图。

[图4]图4是沿着图2的截面IV-IV的示意性截面图。

[图5]图5是沿着图2的截面V-V的截面图。

[图6]图6是逆流热交换器的第二实施例的类似于图5的示意性局部截面图。

具体实施方式

图1以沿着经过其中心线A1-A1的竖直平面的半截面图示出了配备有逆流热交换器1(以下称为“交换器”)的涡轮发动机101。

涡轮发动机101沿着空气流的循环从上游到下游包括风扇102、低压压缩机103(也称为“增压器”)、高压压缩机104、燃烧室105、高压涡轮106和低压涡轮107。这些不同的元件被安装在吊舱120内，以获得包括吊舱120和涡轮发动机101在内的推进组装。

在风扇102的下游，空气流被分成经过低压压缩机103的第一空气流部分(也称为主气流)F1和在低压压缩机103周围旁通流动的第二空气流部分(也称为次气流)F2。

风扇102和低压压缩机103由低压涡轮107经由主低压轴SL驱动，而高压压缩机104由高压涡轮106经由主高压轴SH驱动。主低压轴SL通常在主高压轴SH内部延伸。

如上面所提及，涡轮发动机101是配备有交换器1的涡轮发动机。如图1中非常示意性地图示出的，这种交换器1经由进气管道(未示出)供应离开高压压缩机104的压缩空气，该气流形成第一气流10。该压缩空气在交换器1内部被离开低压涡轮107的热气体加热，形成第二气流20，然后经由返回管道(未示出)被送往燃烧室105的方向。交换器1的存在具有减少涡轮发动机101的燃料消耗(并因此提高热效率)的优点，因为进入燃烧室105的空气已经被离开低压涡轮107的热气体预热。

在一个实施例中，交换器1可以例如具有基本上立方体或长方体的形状，如图2中所示。在图2至图6的实施例中，交换器1在由第一方向X、第二方向Y和第三方向Z所形成的正交参考系XYZ中被示出。

在图2至图6中，没有填充物的箭头示意性地指示第一气流10通过交换器1的局部循环方向，并且具有实心填充物的箭头示意性地指示第二气流20通过交换器1的局部循环方向。

为了便于阅读，大量存在的元件(例如辅助管道16、19)的附图标记未针对每个元件示出。

一般来说，交换器1包括接收第一气流10的第一气体回路和接收第二气流20的第二气体回路。

图3和图4示意性地表示了交换器1沿着两个垂直方向的两个视图，图4具有沿着图2的截面IV-IV的截面图。

在图2至图4的实施例中，第一气体回路具有主入口歧管14、若干次级入口歧管11、交换部件12、若干次级出口歧管13和主出口歧管17。在第一回路中，第一流10经由主入口歧管14进入交换器1，然后穿过次级入口歧管11，其中第一流10分布在第一回路的交换部件12中。第一流10然后在次级出口歧管13中被收集并经由主出口歧管17离开交换器1。

主入口歧管14和主出口歧管17使得可以限制交换器1的入口和出口处的负载损失。

在图2至图6的实施例中并且如图2至图4中所示，第二气体回路示出了若干次级入口歧管21、交换部件22和若干次级出口歧管23。第二流20经由次级入口歧管21进入交换器1，其中第二流20分布在第二回路的交换部件22中。第二流20然后在次级出口歧管23中被收集并离开交换器1。

第一气体回路和第二气体回路不相互连通，使得气流10、20不混合，但是安置在第一回路和第二回路的交换部件12、22之间的交换壁30促进第一气流10和第二气流20之间的热交换，并且使得可以沿着第一方向X引导第一气流10和第二气流20。

特别地，交换器1是逆流热交换器1，即在第一回路和第二回路的交换部件12、22中，两个气流10、20基本上在同一个方向但在相反取向上循环。

第二回路基本上沿着第一方向X延伸，使得第二气流20在第二回路的入口和出口处的流动方向沿着第一方向X。

第一回路的次级入口歧管11和次级出口歧管13沿着基本上垂直于第一方向X的第二方向Y延伸，并开口于交换器1的同一面上。沿着第二方向Y延伸的第一回路的次级入口歧管11和次级出口歧管13还连接到沿着第一方向X延伸的第一回路的交换部件12，并且因此每个都具有弯头(elbow)。

次级入口歧管11的弯头位于入口管道11和交换部件12之间的连接处。次级入口歧管11的弯头被用来沿着第一方向X朝向第一回路的交换部件12重新引导沿着第二方向Y进入第一回路的流。

次级出口歧管13的弯头位于次级出口歧管13和交换部件12之间的连接处。次级出口歧管13的弯头被用来借助于基本上沿着第二方向Y延伸的次级出口歧管13、沿着第一方向X朝向第一回路的出口重新引导来自第一回路的交换部件12的流。

特别地，在图2至图5的实施例中，第一回路的次级入口歧管11和次级出口歧管13的数量为七个。然而，该数量是以非限制性示例的方式给出的。交换器1可以具有至少一个次级入口歧管11，优选地至少两个次级入口歧管11。交换器可以具有至少一个次级出口歧管13，优选地至少两个次级出口歧管13。应当理解，第一回路可以包括不同数量的次级入口歧管11和次级出口歧管13。还要注意但不限于，第一回路的次级入口歧管11和次级出口歧管13在垂直于第二方向Y的截面XZ中具有沿着第二方向Y基本上不变的截面——除了弯头外。

注意，次级入口歧管11和次级出口歧管13在垂直于第二方向Y的截面XZ中具有相同的截面，并且次级入口歧管11和次级出口歧管13沿着与第一方向X和第二方向Y相垂直的第三方向Z彼此间隔开一个相同的距离。将理解的是，次级入口歧管11和/或次级出口歧管13中的至少一个可以具有不同的截面。应当理解，次级入口歧管11和/或次级出口歧管13中的至少一个可以与相邻管道间隔开与其他管道之间的距离不同的距离。

在图2至图5的实施例中，第二回路的次级入口歧管21和次级出口歧管23的数量为八个。然而，该数量是以非限制性示例的方式给出的。交换器1可以具有至少一个次级入口歧管21，优选地至少两个次级入口歧管21。交换器1可以具有至少一个次级出口歧管23，优选地至少两个次级出口歧管23。应当理解，第二回路可以包括不同数量的次级入口歧管21和出口导管23。

注意，在交换器1的端部处的第二回路的次级入口歧管21和次级出口歧管23与中间的次级入口歧管21和次级出口歧管23沿着第三方向Z的宽度不同，并且第二回路的次级入口歧管21和次级出口歧管23沿着第三方向Z彼此间隔一个相同的距离。

在图2至图5的实施例中，第二回路的次级入口歧管21和次级出口歧管23对应于分别形成在次级出口歧管13和次级入口歧管11之间的开口。应当理解，然而第二回路可以包括从交换器向外突出的次级入口歧管21和次级出口歧管23。

在图2至图6的实施例中并且如图2至图4中所示，主入口歧管14包括主要入口管道15和七个辅助入口管道16，这些辅助入口管道16在主要入口管道15中汇合。辅助入口管道16的数量然后对应于次级入口歧管11的数量，使得每个入口管道连接到辅助入口管道16。辅助入口管道16的数量以非限制性示例的方式给出。

在图2至图6的实施例中并且如图2至图4中所示，主出口歧管17包括主要出口管道18和七个辅助出口管道19，这些辅助出口管道19在主要出口管道18中汇合。辅助出口管道19的数量然后对应于次级出口歧管13的数量，使得每个次级出口歧管13连接到辅助出口管道19。辅助出口管道19的数量以非限制性示例的方式给出。

应当理解，辅助管道16、19可以独立地被实施在主入口歧管14和/或主出口歧管17上。

还应当理解，虽然第二回路未示出具有主歧管，但是不排除这样的实施例，连接到第二回路的任何管道则具有主歧管的功能。

图5是沿着图2的截面V-V的截面图。

虚线示意性地表示交换部件12、22基本上沿着截面V-V中看到的第一方向X的延伸，并且已经示出了气流10、20的对应轨迹的示例。

特别地，应当理解，界定交换部件12、22的交换壁30可以形成致密的网格和/或具有翅片或者本领域技术人员已知的任何结构，以使得可以增加交换表面并提供对交换部件12、22中的气流的控制。

应当注意，为了解释的目的，流的表示是图5的平面中的投影。特别地，第一气流10被示为在第一方向X上进入和离开，但是在图5中描述的实施例中，第一气流10沿着与平面XZ的方向相垂直的第二方向Y进入和离开第一回路。

在图5的截面(即，垂直于第二方向Y并经过交换器1并因此与图5的平面相平行的平面)中，第一回路的次级入口歧管11和次级出口歧管13具有V形截面，并且第一回路的次级入口歧管21和次级出口歧管23具有V形截面。第一回路的次级入口歧管11和第二回路的出口管道23则形成W形结构。以同样的方式，第二回路的次级入口歧管21和第一回路的次级出口歧管13形成W形结构。

特别地，V形截面的壁与第一方向X具有小于45°的角度，优选地小于30°。

图6示出了第二实施例，其是图5中所示的第一实施例的变体。图6是与图5的截面图相类似的截面图。为此，图6是示出了图5的实施例的修改的示意图，其中虚线示意性地示出交换部件12、22基本上沿着截面图V-V中看到的方向X的延伸。该第二实施例类似于第一实施例。

在图6的实施例中，第一回路的次级入口歧管11和次级出口歧管13被定位成交错布置，即第一回路的次级入口歧管11和次级出口歧管13不再基本上沿着第一方向X对齐。然而，沿着第一方向X引导第一流10。

此外，第二回路的次级入口歧管21和次级出口歧管23被定位成交错布置，即第二回路的次级入口歧管21和次级出口歧管23不再基本上沿着第一方向X对齐。然而，沿着第一方向X引导第二流20。

因此，在沿着图6的垂直于第二方向Y的平面的视图中，第一回路的次级入口歧管11沿着第一方向X与第二回路的次级出口歧管23对齐，并且往复地，第二回路的次级入口歧管21沿着第一方向X与第一回路的次级入口歧管13对齐。

如图6的气流循环示例所示，这种交错结构使得可以将第一回路的次级入口歧管11与第一回路的至少两个次级出口歧管13连接，并且将流分成两部分，同时限制负载损失。类似地，交错结构使得可以将第二回路的次级入口歧管21与第二回路的至少两个次级出口歧管23连接，并且将流分成两部分，同时限制负载损失。

交错结构还使得可以将第一回路的次级出口歧管13与第一回路的至少两个次级入口歧管11连接，并且收集来自两个次级入口歧管11的流，同时限制负载损失。类似地，交错结构还使得可以将第二回路的出口管道23与第二回路的至少两个入口管道连接，并且收集来自两个次级入口歧管21的流，同时限制负载损失。

交换器1具有特别适合于增材制造方法的实施例的结构。然后可以通过增材制造(例如通过粉末床激光熔化技术)全部或部分地实现用于制造交换器1的方法。

尽管本发明已经参考具体的示例性实施例进行了描述，但是很显然，在不脱离由权利要求所限定的本发明的一般范围的情况下可以对这些示例进行修改和改变。特别地，所示出/提及的不同实施例的各个特征可以在附加实施例中进行组合。因此，描述和附图必须被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的逆流热交换器(1)，包括：

第一回路和第二回路，所述第一回路和所述第二回路分别被构造成接收第一气流(10)和第二气流(20)，每个回路包括次级入口歧管(11，21)、交换部件(12，22)和次级出口歧管(13，23)，其特征在于：

第一回路和第二回路的交换部件(12，22)由交换壁(30)来界定，交换壁(30)被构造成沿着第一方向(X)引导第一气流(10)和第二气流(20)；以及

第一回路的次级入口歧管(11)和次级出口歧管(13)沿着与第一方向(X)基本上垂直的第二方向(Y)延伸，并且开口于交换器(1)的同一面上。

2.根据权利要求1所述的热交换器(1)，其中第一回路的次级入口歧管(11)和次级出口歧管(13)分别开口于主入口歧管(14)和主出口歧管(17)中。

3.根据权利要求2所述的热交换器(1)，至少包括第二次级入口歧管(11)和/或第二次级出口歧管(13)，主入口歧管(14)和主出口歧管(17)之中的主对应歧管包括主要管道(15，18)和在主要管道(15，18)中汇合的至少两个辅助管道(16，19)，

每个次级入口歧管(11)和/或每个次级出口歧管(13)连接到辅助管道(16，19)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器(1)，其中第一回路包括多个次级入口歧管(11)和多个次级出口歧管(13)，其被构造成使得至少一个次级入口歧管(11)与至少两个次级出口歧管(13)连通。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的热交换器(1)，其中第二回路的次级入口歧管(21)和次级出口歧管(23)分别被构造成使得在第二回路的入口和出口处的第二气流的流动方向基本上沿着第一方向(X)。

6.根据权利要求5所述的热交换器(1)，其中第二回路的至少一个次级入口歧管(21)和次级出口歧管(23)在沿着与第二方向(Y)正交的平面(XZ)的截面中具有V形截面。

7.根据权利要求6所述的热交换器(1)，其中V形截面的壁与第一方向具有小于45°的角度，优选地小于30°。

8.一种涡轮发动机(101)，包括根据权利要求1至7中任一项所述的热交换器(1)。

9.根据权利要求8所述的涡轮发动机(101)，其中第一回路连接到压缩机(104)，并且第二回路连接到涡轮(107)。

10.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的热交换器(1)的方法，包括至少一个粉末床增材制造步骤。