JP7085543B2

JP7085543B2 - 熱交換器

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Publication number: JP7085543B2
Application number: JP2019523591A
Authority: JP
Inventors: トゥビアナ，エフライム
Original assignee: サフラン
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2022-06-16
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: EP3538832B1; RU2742365C2; EP3538832A1; BR112019009201A2; RU2019113787A; CA3042754A1; RU2019113787A3; FR3058510B1; US20190277576A1; CN109952485A; CN109952485B; JP2019535990A; FR3058510A1; BR112019009201B1; WO2018087480A1

Description

本発明は、特にタービンエンジン用の熱交換器に関する。

従来の技術
タービンエンジンは、例えば、ガス流方向の上流から下流に向かって、１つ以上の圧縮機段と、燃焼室と、１つ以上のタービン段と、排気ガスを噴出するノズルとを備えるガス発生器を備える。

熱交換器は、１つの流体から別の流体への熱エネルギー伝達を可能にするために、タービンエンジンに設置される。

このような熱交換器は、例えば、高温の排気ガスから、燃焼室の上流に導入されることが意図されたガスに熱エネルギーを伝達するために使用され、特に、タービンエンジンの燃料消費を促進する。この熱交換器はまた、ガス発生器のロータを案内するために、様々な手段の潤滑剤（例えば、オイル）を冷却するために使用することができる。

そのような交換器は、例えば、ＳＬＭ（選択的レーザ溶融法）によって一般に示される粉末層上で選択的に溶融する付加製造によって得られる。ＳＬＭ付加製造の原理は、高出力レーザを用いた粉末（金属、プラスチック、セラミックなど）の薄い二次元（２Ｄ）層の溶融に基づく。ＳＬＭ技術は、複雑な幾何学的形状および良好な機械的特性を有する部品を製造することを可能にするという利点を有する。

空気熱性能が等しいので、フィンを備えた熱交換器は特に、その質量が小さいために、タービンエンジンにおいて特に使用される。

長手方向Ｘに流れる第１の流体（例えば、高温排気ガス）と第２の流体（例えば、空気）との間のこのような熱交換器は、例えば、第１の流体のための循環通路を画定するように、互いに離れた２つの平行なプレートと、プレート間に垂直に配置された複数のフィン列とを備える。

より具体的には、フィンの列は、長手方向に延在する。各フィンは、プレートに垂直な前縁および後縁によって長手方向に画定される。

このような構造は特に、部分的には、フィンの各前縁のレベルでの流れにおける再循環領域の存在に起因して、第１の流体からの機械的エネルギーの著しい損失をもたらすという欠点を有する。この再循環面積が局所的な加速を引き起こす、第１の流体の通過のための断面の変化のために、さらに著しい。

さらに、ＳＬＭ製造によって、垂直配向（プレートおよびフィンが構造支持体に垂直）では、このような構造は、製造から必要とされる寸法および幾何学的公差を尊重することを可能にしない。実際、法線が層の追加の方向と平行である張出層の溶融は特に、そのような張出層の溶融中に非溶融粉末のみが支持体として働くという事実のために、製造上の問題を引き起こす。

従来技術はまた、文献国際公開第２０１０／０９８６６６号および中国特許出願公開第０４７７６７３６号明細書を含む。

国際公開第２０１０／０９８６６６号中国特許出願公開第０４７７６７３６号明細書

したがって、本発明の目的は、粉末層上で選択的に溶融することによる付加製造によって得られる場合に、改善された空気熱特性を有し、所望の寸法および幾何学的公差を尊重する、等しい質量を有する熱交換器を提案することである。

詳細な説明
この目的のために、本発明は、長手方向Ｘに流れる第１の流体と第２の流体との間に熱交換器を提案し、
前記交換器は、
前記第１の流体の循環通路を画定するように、互いに離れた２つの平行なプレートと、
前記プレートの間に垂直に配置された、フィンの少なくとも１つの第１の列およびフィンの少なくとも１つの第２の列であって、フィンの前記第１および第２の列は、長手方向に延在し、前記第１の列のフィンは、好ましくは、前記第２の列のフィンに対して互い違いの列に配置され、各フィンは、第１の縁部および第２の縁部によって長手方向に画定され、前記第１の縁部は、それぞれの端部に対応するプレートとの接続領域を含む、フィンの少なくとも１つの第１の列およびフィンの少なくとも１つの第２の列と、
を備え、
前記第１の縁部の前記接続領域は、前記プレートに垂直であり方向Ｘに平行な平面Ｐにおいて、プレートに対する法線Ｎに対してそれぞれ角度Ａおよび角度Ｂだけ傾斜し、前記それぞれのフィンの前記第１の縁部および前記第２の縁部は、前記平面Ｐにおいて同一の輪郭を有することを特徴とする。

フィンに関連するこのような幾何学的特徴は、等しい質量で、熱交換器の空気熱性能を著しく改善するだけでなく、粉末層上で選択的に溶融することによる付加製造によって得られる場合に、所望の寸法および幾何学的公差を尊重することを可能にする。

実際、一方では、このような幾何学的特徴により、フィンの前縁（流れの方向に応じる第１の縁部または第２の縁部）のそれぞれのレベルにおける流れの再循環領域を大幅に低減することが可能になり、その結果、機械的エネルギー損失を低減することが可能になる。この減少は、第１の流体の通過のための断面に変化がないため、さらに著しい。これに対して、従来技術の熱交換器に関しては、投入損失の低減は約１５％であると推定される。

一方、ＳＬＭ製造では、必要に応じて窪んだ縁部を構造支持体の側部に配置することによって、接続領域は、フィンを製造するための第１および第２のプライマをそれぞれ構成する。したがって、製造中、溶融する張出層はなく、換言すれば、溶融していない粉末は、支持体として使用されず、必要な寸法および幾何学的公差に従うことを促進する。

本発明による熱交換器は、互いに個別にとられた、または互いに組み合わされた、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。
参照される特徴は、
－角度Ａは角度Ｂに等しいことと、
－角度Ａおよび／または角度Ｂは平面Ｐにおいて４０°より大きく、好ましくは、４５°以上であることと、
－平面Ｐにおいて、第１の縁部の長さの９０％超が法線Ｎに対して傾斜しており、好ましくは、９５％超であることと、
－前記第１の縁部は、法線Ｎに対して傾斜している少なくとも１つの直線部分および／または少なくとも１つの円形部分および／または少なくとも１つの楕円形部分を含むことと、
－前記第１の縁部は、法線Ｎに対して傾斜しており、かつ同一点に集まる方向を有する２つの直線部分を含むことと、
である。

第２の目的として、上記のような交換器を製造する方法であって、前記長手方向Ｘに平行な製造軸Ｚに沿って粉末層で選択的に溶融することによる付加製造によって、前記交換器を製造するステップを含む方法を、本発明は含む。

あるいは、前記フィンは、それぞれ、第１の窪んだ縁部および第２の突出縁部を含み、前記交換器は、構造支持体上に製造され、前記第１の窪んだ縁部は、前記支持体の側面上に配向される。

本発明は、第３の目的として、上述のような熱交換器を備えるタービンエンジンを含む。

非限定的な例によってなされた以下の説明を読み、添付の図面を参照すると、本発明は最もよく理解され、本発明の他の詳細、特徴および利点はより明確になる。

本発明による熱交換器の斜視図（２つの段を有する）であり、各段は２つのプレートおよびプレート間に配置された複数のフィン列を備える。本発明による熱交換器の斜視図（２つの段を有する）であり、各段は２つのプレートおよびプレート間に配置された複数のフィン列を備える。平面Ｐにおける図１および図２の熱交換器のフィンの詳細図である。第２の実施形態による平面Ｐにおける熱交換器の斜視図である。平面Ｐにおける図４の熱交換器のフィンの詳細図である。本発明に従って、付加製造によって、交換器（または交換器段）を製造するための機械の概略図である。図３から図５までのものと類似した平面Ｐにおける詳細図であり、本発明によるフィンの実施形態の変形例を示す図である。図３から図５までのものと類似する、平面Ｐにおける詳細図であり、本発明によるフィンの実施形態の変形例を示す図である。図３から図５までのものと類似する、平面Ｐにおける詳細図であり、本発明によるフィンの実施形態の変形例を示す図である。図３から図５までのものと類似する、平面Ｐにおける詳細図であり、本発明によるフィンの実施形態の変形例を示す図である。

詳細な説明
図１及び図２には、長手方向Ｘに流れる第１の流体（例えば、高温排気ガス）と第２の流体（例えば、空気）との間の熱交換器１が示されている。

より具体的には、交換器１には、第１の流体を循環させるための第１および第２の段２、３が設けられている。第１段２と第２段３との間には、第２流体を循環させるための第１経路４が配置されている（段間循環経路）。第２の流体（図２には示されていない）を循環させるための第２の通路５が、第２の段３の自由側に配置されている。

図示の例は決して限定するものではなく、必要に応じて、交換器１は、Ｎ個の段を有することができ、各段は、第１の流体を循環させるための通路を画定し、２つの隣接する段は、第２の流体を循環させるための経路によって分離される。

長手方向Ｘにおける第１の流体の流れは、（図１に示すように）上流から下流へ、または下流から上流への流れであり得ることに留意されたい。

熱交換器１では、第１の流体と第２の流体との間に混合物は存在しない。

交換器１の各段２、３は第１の流体を循環させるための通路７を画定するように、互いに離れた２つの平行なプレート６と、前記プレート６の間に垂直に配置された複数の熱伝導フィン９の列８ａ、８ｂ（この場合、１０）とを備える。

より具体的には列８ａ、８ｂは、長手方向（Ｘ方向）に延在する。２つの隣接する列８ａ、８ｂのフィン９は、互い違いの列に配置されている。各フィン９は、第１の縁部１０および第２の縁部１１によって長手方向に画定され、第１の縁部１０は、その端部の各々において、対応するプレート６との接続領域１２ａ、１２ｂを備える。

第１の縁部１０の接続領域１２ａ、１２ｂは、それぞれ、プレート６に垂直で方向Ｘに平行な平面Ｐにおいて、プレート６の法線Ｎに対して角度Ａおよび角度Ｂだけ傾斜している。フィン９の各々の第１の縁部１０及び第２の縁部１１は、平面Ｐにおいて同一の輪郭を有する。

図１～図２に示す実施形態（それぞれ図４の実施形態）によれば、フィン９は、同一であり（すなわち、それらは、同じ幾何学的および寸法特徴を有する）、長手方向に一定の量（またはクリアランス）だけ離間している。１つの同じ列８ａ、８ｂ上に、２つの連続するフィン９は、１つのフィン９（より具体的には、１つのフィン９の長手方向寸法）に等しい間隔だけ離間されている。

「互い違いの列配置」という語は、列ごとの反復配置を意味し、２つの列のうちの１つの列において、フィン９は、隣り合う列に対して１／２段だけずれている。

変形形態では、間隔は、可変であってもよく、交換器１は、長手方向に部分に分割されてもよく、各部分は、それ自体の間隔を有する。

変形形態では、２つの隣接する列８ａ、８ｂのフィン９は、平面Ｐにおいて部分的に覆うことができる。

本発明によれば、平面Ｐにおいて、接続領域１２ａが直線である場合、角度Ａ（角度Ｂについて、それぞれ）は、接続領域１２ａと法線Ｎとの間の角度に対応する。

本発明によれば、平面Ｐにおいて、接続領域１２ａ（接続領域１２ｂ、それぞれ）が湾曲している場合、角度Ａ（角度Ｂに対して、それぞれ）は、接続領域１２ａに対する接線Ｔ（対応するプレート６の近傍に位置する点の高さで）と法線Ｎとの間の角度に対応する。

有利には、平面Ｐにおいて、第１の縁部１０（第２の縁部１１、それぞれ）の長さの９０％以上が法線Ｎに対して傾斜しており、好ましくは、９５％以上である。

角度Ａおよび／または角度Ｂは、４０°より大きく、好ましくは、４５°以上である。

図１～図３に示す第１の実施形態によれば、各フィン９について、平面Ｐにおいて、第１の縁部１０（第２の縁部１１、それぞれ）は、法線Ｎに対して傾斜し、同一点に集まる方向を有する２つの直線部分１３を備える。

より具体的には、第１エッジ１０は、略Ｖ字形状を有する。各直線部１３は、対応するプレート６から収束している。２つの直線部１３は、フィレット１４（凹形状）によって封止されている。角度Ａは、角度Ｂに等しく、４５°に等しい。

図４及び図５に示す第２の実施形態によれば、各フィン９について、平面Ｐにおいて、第１の縁部１０は、法線Ｎに対して傾斜した１つの単一の直線部分１５を含む。したがって、各フィン９は、平行四辺形の形状を有する。角度Ａは、角度Ｂに等しく、４５°に等しい。

図６は、熱交換器１または熱交換器１の段２、３を、付加製造によって、特に高エネルギービーム１９５で粉末層１６０を選択的に溶融することによって製造するための機械１００を示す。

熱交換器１（または熱交換器１のステージ２、３）は、有利にも、長手方向Ｘに平行な製造軸Ｚ（構造支持体１８０に垂直なプレート６およびフィン９）に沿って製造される（図３および図５参照）。

機械１００は、
粉末１６０（この場合、金属）を収容する供給トレイ１７０と、
トレイ１７０からこの粉末１６０の上部を静かに移動させて、構造支持体１８０上にこの粉末１６０の第１の層１１０を広げる、ローラ１３０と、
を備える。
構造支持体１８０は、製造軸Ｚに沿って平行移動可能である（支持体１８０は、例えば、プレート、別の部品の一部、またはゲートとすることができる）。

機械１００は、また、構造支持体１８０上のローラ１３０で粉末層を広げた後、余分な粉末１６０を回収するためのリサイクルトレイ１４０を含む。

機械１００は、さらに、
レーザビーム１９５発生器１９０と、
所望の粉末部分１６０を溶融するように、このビーム１９５を構造支持体１８０の全体に向けることができるステアリングシステム１５０と、
を備えている。
レーザビーム１９５の整形および焦点面上でのその径の変化は、それぞれ、ビーム拡張器（ｂｅａｍｄｉｌａｔｏｒ）１５２およびフォーカスシステム１５４の手段によって行われ、これらは、すべて光学システムを構成する。

より具体的には、ステアリングシステム１５０は、例えば、粉末層１６０に到達する前にレーザビーム１９５が反射される、配向可能な少なくとも１つのミラー１５５を備えている。このミラー１５５の角度位置は、例えばガルバノメトリックヘッド（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｒｉｃｈｅａｄ）によって制御され、レーザビーム１９５は予め確立されたプロファイルに従って、粉末１６０の第１の層１１０の所望の部分を走査する。

熱交換器１（または熱交換器１のステージ２、３）は、製造軸Ｚに沿って（方向Ｘに平行に）製造される（プレート６およびフィン９が構造支持体１８０に垂直である）。図３に示すように、フィン９の外形が窪んだ縁部１０と突出縁部１１とを含む場合、窪んだ縁部１０は、張出層が溶融するのを回避するために、構造プレートの側部に配向されなければならない。

機械１００を使用する交換器１（または交換器１のステージ２、３）の製造は、以下のステップを含む。

粉末１６０の第１の層１１０は、ローラ１３０を用いて構造支持体１８０上に堆積される。粉末１６０のこの第１の層１１０の少なくとも一部分は、レーザビーム１９５によってこの粉末１６０の溶融温度よりも高い温度にされ、第１の層１１０のこの部分の粉末粒子１６０が溶融され、構造支持体１８０に固定された単一の部品から第１のコードン１１５を形成する。

次に、支持体１８０は、第１の層１１０から既に画定された厚さに対応する高さから下げられる。粉末１６０の第２の層１２０は、第１の層１１０およびこの第１のコードン１１５上に堆積され、次いで、この第１のコードン１１５の上に部分的にまたは完全に位置する少なくとも１つの部分がレーザビーム１９５への照射によって加熱され、その結果、第２の層１２０のこの部分の粉末粒子１６０が第１の要素１１５の少なくとも１つの部分とともに溶融され、第２のコードン１２５を形成する。これら２つのコードン１１５および１２５の集合体は、単一の部品からなるブロックを形成する。

次いで、部品を構成するプロセスは、すでに形成された集合体上に粉末１６０の追加の層を追加することによって、層ごとに続く。ビーム１９５による走査は、製造される部品の幾何学的形状に応じた形状を与えることによって、各層を構成することを可能にする。

したがって、三次元（３Ｄ）交換器１（または交換器１のステージ２、３）は、製造軸Ｚに沿った二次元（２Ｄ）層の重ね合わせによって得られる。

粉末１６０は、第１の流体と第２の流体との間の熱伝達を最大にし、したがって熱交換器１の効率を高めるために、良好な熱伝導率を有する材料で作られることが有利である。

有利には、粉末１６０が金属であり、好ましくは、鋼または金属合金、例えばニッケルベースである。

図７～図１０は、本発明の異なる実施形態を示す。

図７に示す第１の実施形態によれば、平面Ｐにおいて各フィン９について、第１の縁部１０は、１つの単一の凹状楕円形部分１６を含む。楕円形部分１６は、構造楕円１７（点線で表される）の部分に対応し、その中心は、２つのプレート６から等距離に位置し、接続領域１２ａ、１２ｂに対して長手方向にオフセットされ、構造楕円１７は、プレート６に接している。楕円形部分１６は、１８０°よりわずかに小さい角度を中心に有する。

図８に示す第２の実施形態によれば、平面Ｐにおいて各フィン９について、第１の縁部１０は、２つの凸状の楕円形部分１８を含む。

より具体的には、各楕円形部分１８は、対応するプレート６から収束する。２つの楕円形部分１８は、フィレット１９（凹形状）によって封止されて、第１および第２の変曲点Ｉ、Ｊを形成する。楕円形部分１８は、それぞれ、９０°（楕円の４分の１）に実質的に等しい中心角度を有する構築楕円２０（点線で表される）の部分に対応する。これらの構成楕円２０は、重ね合わされ、整列され、同じ寸法特徴を有する。

図９に示す第３の実施形態によれば、各フィン９について、平面Ｐにおいて、第１の縁部１０は、１つの単一の凹状楕円形部分２１を含む。楕円形部分２１は９０°（楕円の４分の１）に実質的に等しい中心角度を有する楕円形部分に対応し、フィレット２２（凹形状）を介してプレート６の１つに接続される。

図１０に示された第４の実施形態によれば、平面Ｐにおいて、各フィン９について、第１の縁部１０は、１つの単一の凸状円形部分２３を含む。円形部分２３は、中心で９０°（円の４分の１）に実質的に等しい角度を有する円弧に対応し、フィレット２４（凹形状）を介してプレート６に接続される。

機械的および空気熱的性能を改善するために、鋭い縁部をフィレット（凹形状）または曲線（凸形状）に置き換えることができる。

フィン９の図示された異なる実施形態は、限定的なものではない。実際、本発明によれば、第１の縁部１０は１つ以上の直線部分および／または１つ以上の湾曲部分を含むことができるが、有利には（平面Ｐにおいて）第１の縁部１０（および第２の縁部１１のそれぞれ）の長さの９０％超が法線Ｎに対して傾斜しており、好ましくは、９５％である。

Claims

長手方向（Ｘ）に流れる第１の流体と第２の流体との間の熱交換器（１）の製造方法であって、
前記熱交換器は、
前記第１の流体を循環させるための通路（７）を画定するように、互いに離れた２つの平行なプレート（６）と、
前記プレート（６）の間に垂直に配置された、フィン（９）の少なくとも１つの第１の列およびフィン（９）の少なくとも１つの第２の列（８ａ、８ｂ）であって、前記第１および第２の列（８ａ、８ｂ）は、長手方向に延在し、前記第１の列（８ａ）のフィン（９）は、好ましくは、前記第２の列（８ｂ）のフィン（９）に対して互い違いの列に配置され、各フィン（９）は、第１の窪んだ縁部（１０）および第２の突出した縁部（１１）によって長手方向に画定され、前記第１の縁部（１０）は、それぞれの端部に、対応するプレート（６）との接続領域（１２ａ、１２ｂ）を含む、フィン（９）の少なくとも１つの第１の列およびフィン（９）の少なくとも１つの第２の列（８ａ、８ｂ）と、
を備え、
前記第１の窪んだ縁部（１０）の前記接続領域（１２ａ、１２ｂ）は、前記プレート（６）に垂直であり方向（Ｘ）に平行な平面（Ｐ）において、プレート（６）に対する法線（Ｎ）に対して、それぞれ角度Ａおよび角度Ｂだけ傾斜し、それぞれのフィン（９）の前記第１の窪んだ縁部（１０）および前記第２の突出した縁部（１１）は、前記平面Ｐにおいて同一の輪郭を有し、
当該製造方法は、前記長手方向（Ｘ）に平行な製造軸（Ｚ）に沿って粉末層（１６０）上で選択的に溶融することによる付加製造によって、前記熱交換器（１）を製造するステップを含み、熱交換器（１）が、構造支持体（１８０）上に製造され、前記第１の窪んだ縁部（１０）は、前記構造支持体（１８０）の側面上に配向される、
熱交換器（１）の製造方法。
一体構造の熱交換器として請求項１に記載の製造方法によって製造された熱交換器（１）。
角度（Ａ）が、角度（Ｂ）に等しいことを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器（１）。
角度（Ａ）および／または角度（Ｂ）が４０°より大きく、好ましくは、４５°以上であることを特徴とする、請求項２～３のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
平面（Ｐ）において、第１の縁部（１０）の長さの９０％以上が法線（Ｎ）に対して傾斜しており、好ましくは、９５％以上であることを特徴とする、請求項２～４のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
前記第１のエッジ（１０）が、法線（Ｎ）に対して傾斜している少なくとも１つの直線部分（１３，１５）および／または少なくとも１つの円形部分（２３）および／または少なくとも１つの楕円形部分（１６，１８，２１）を含むことを特徴とする、請求項２～５のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
前記第１の縁部（１０）が、法線（Ｎ）に対して傾斜しかつ同一点に集まる方向を有する２つの直線部分（１３）を含むことを特徴とする、請求項２～５のいずれか一項に記載の交換器（１）。
フィン（９）が、一定の量だけ長手方向に離間されていることを特徴とする、請求項２～７のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
請求項２～８のいずれか一項に記載の熱交換器（１）を備えるタービンエンジン。