CN111351378A - 燃料油换热器 - Google Patents

Abstract

一种用于在第一流体(60)和第二流体(62)之间进行热交换的涡轮发动机换热器(50)，该换热器(50)包括：参考轴线(58)；管状网体的网络(100)，包括多个网体，每一个网体沿参考方向(58)依次用被称为前分支的至少两个曲线型分支、两个前分支相遇的汇合部、和被称为后分支的至少两个曲线型分支形成，分支从汇合部分叉；其中网体以错开的行叠置。本发明还涉及包括换热器的涡轮发动机，和用于制造换热器的制造方法。

Description

燃料油换热器

技术领域

本发明涉及涡轮机热交换器领域。更确切地说，本发明提出用于涡轮机的油/燃料换热器。本发明还涉及轴流式涡轮机，特别是涡轮喷气发动机。本发明还提出用于制造换热器的过程。

背景技术

文件US 2018/0057942 A1公开了用于飞机且通过增材制造而制造的油/燃料换热器。该换热器包括形成在两个歧管之间形成的直平行通道组。燃料流过这些通道并被油加热，所述油流过通过引导壁和圆柱形壁界定的空腔。已知的换热器不允许流过通道的燃料的均质分配。这表明，在空腔的所有区域中无法完全利用热交换能力。

换热器的另一例子在US文件9,976,815 B1中给出，其包括并行布置的非线性管网络。这种现有技术的换热器不允许两种均质分配。

最后，文件US 2018/0187984 A1描述了换热器，其包括所谓的螺旋二十四面体结构，即周期性地三倍变化的最小表面面积。这种换热器具有的缺点是，与两流体接触的表面相同，这对换热器不总是有利的，尤其是在所涉及的两流体具有不同流率的情况下。为了针对流动中的这种固有差异进行补偿，必要的是对螺旋二十四面体结构增加鳍片，以形成障碍物，减慢流体中之一。然而，鳍片难以整合到所谓的螺旋二十四面体中。这种设计还需要特殊的制造过程，在该情况下需要LBM(激光束机加工)。

发明内容

技术问题

本发明的目的是解决现有技术中的至少一个问题。本发明的目的是优化热交换、压力降和涡轮机的操作。本发明还用于提供简单且紧凑的方案。

技术方案

本发明涉及在第一流体和第二流体之间的换热器，特别是涡轮机换热器，换热器该包括：参考方向；和管的网络，所述管界定用于第一流体的内通道，网体网络包括多个网体，每一个网体沿参考方向依次用被称为前分支的至少两个曲线型分支、两个前分支相遇的汇合部、和被称为后分支的至少两个曲线型分支形成，所述后分支从汇合部分叉；

其中多个网体至少包括第一网体、第二网体和第三网体，且其中第一网体的至少一个前分支连接到第二网体的至少一个后分支，且第一网体的至少另一前分支连接到第三网体的至少一个后分支。

根据优选实施例，换热器包括一个或多个以下技术特征(以任何可能的组合)：

沿参考方向叠置5到40个网体；

200到3000个网体；

形成分支和汇合部的壁的厚度为0.4到0.8mm；

对于给定网体，前分支的数量与随后分支的数量不同；

对于给定网体，前分支的数量等于后分支的数量；

第一网体的前分支的数量与第二网体的前分支的数量不同，和/或第一网体的后分支的数量与第二网体的后分支的数量不同；

每一个网体的分支数量为4、6、8、10或12个；

网体中的至少一个支撑至少一个内部或外部鳍片；

管状网体网络布置在入口分隔部和出口分隔部之间。管状网体网络打开到入口分隔部和出口分隔部的孔口中。管状网体网络将第一流体从入口歧管引导到出口歧管，入口歧管部分地通过入口分隔部界定且出口歧管部分地通过出口分隔部界定；

具有侧壁的本体，壁的内表面界定空腔，第二流体在该空腔中流动；

换热器本体的侧壁为大致圆柱形，直径优选为7到25cm且高度优选为10到60cm，圆柱轴线对准参考方向；

用于第一流体的旁路通道，以绕过管状网体网络，旁路通道布置在换热器的中央位置且基本上对准参考方向。网络由此围绕旁路布置在环形空间中；

旁路通道的直径优选为本体直径的30％到60％；

换热器为并行和/或逆向流。由此，两个流体的主流动方向并行且具有相同方向或并行且相反方向；

侧壁的内表面和/或至少一个引导元件，其沿大致平行于参考方向的流动方向且至少在大部分本体高度上在空腔的第一部件中引导第二流体；

引导构件进一步沿与参考方向相反的方向至少在大部分本体高度上在空腔的另一部分中引导第二流体；

引导元件包括至少一个分隔壁，其在平行于参考方向的平面中部分地且从入口分隔部延伸；

换热器用铝制造；

换热器用单个部件制造。由此，所有网体网络、收集器、旁路和换热器本体制造为一个部件，在单个制造操作期间一同制造。

换热器适于接收作为第一流体的燃料和作为第二流体的油；

用于第二流体的旁路整合在换热器中；

排放和/或恒温类型阀布置在用于第一流体的旁路通道或用于第二流体的旁路中；

换热器中网体的分布不必定是均质的。由此，网体的数量可在内侧径向或径向外侧更密集。网体密度可以在流体入口附近轴向地更高，以在流体进入换热器时有助于流体的非常混乱的流动。还有，网体直径可以沿流动方向例如根据连续的网体级而与网体密度成反比地改变。

本发明还涉及包括轴承且特别是驾驶风扇的传动装置以及如上所述的换热器的飞机涡轮喷气发动机。

本发明还涉及用于制造根据本发明的换热器的过程，该过程包括以下步骤：

(a)设计换热器；

(b)沿平行于参考方向的打印方向通过增材制造来制造换热器。

本发明可替换地通过换热器限定，其中至少一个网体让其前分支中的仅一个连接到第二网体的后分支。

本发明可以替换地通过换热器限定，其中多个网体包括根据参考方向依次布置的网体级，沿垂直于参考方向的方向，给定级的网体的每一个汇合部相对于邻近级的汇合部偏开(可选地以交错的行偏开)。

所提供的优点

在热交换方面，所提出的方案是紧凑、轻质且高效的方案。管状网体网络的特殊结构允许流体在所有网体上方重新分配，这确保换热器的所有区域，甚至最远的区域(径向)，具有最佳热交换。该方案可以降低尺寸且因此降低换热器的重量，同时保持相同效率。弯曲管的形状和管之间交叉区域的重复促进紊流并因此改善热传递。此外，管状网体网络形成自支撑结构，其改善组件的设计并消除了对换热器中任何额外机械支撑件的需要。在换热器在极冷情况下操作时，中央旁路的存在避免堵塞的风险。最后，换热器是单体部件，消除了泄漏的风险，同时保证非常良好的对应力阻抗。

附图说明

图1显示根据本发明的涡轮机；

图2示出了根据本发明的换热器；

图3显示第一网体变化例，具有布置在一平面中的四个分支；

图4显示了第二网体变化例，具有四个分支，布置在两个相割的平面中；

图5示出了第三网体变化例，称为具有五个分支的不对称的结构；

图6显示第四网体变化例，具有旋转对称的六个分支；

图7显示第五网体变化例，具有镜面对称的六个分支；

图8显示第六网体变化例，具有镜面对称的八个分支；

图9示出了用于汇合部的不同替换实施例。

具体实施方式

图1显示了轴流式涡轮机或涡轮喷气发动机或涡轮发动机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。在操作期间，传输到转子12的涡轮机10的机械功率驱动两压缩机4和6。后者包括与定子叶片排关联的多排转子叶片。围绕其旋转轴线14的转子旋转由此可以产生空气流动并逐渐将其压缩到燃烧室8的入口。

风扇16联接到转子12并产生空气流动，该空气流动沿该机器通过环形管道(被部分示出)分为主流动18和次流动20，随后在涡轮机出口处于主流动汇合。

变速机构(例如减速齿轮箱22)可相对于相关涡轮机降低低压压缩机和/或风扇的旋转速度。次流动可被加速，以产生让飞机飞行所需的推力响应。

转子12包括通过两个轴承26安装在壳体上的驱动轴24。

为了对涡轮喷气发动机2的旋转部分进行润滑，设置润滑***30。该回路30包括管32，以将油运输到涡轮喷气发动机的部件，例如齿轮箱22和轴承26。为此目的，回路30包括泵34，以使得油在回路30和箱36中运动。部件的油返回管线和其相关排放泵未示出。

图1还显示了燃料***40，其具有管42、低压泵44、高压泵48和箱46，例如装在机翼中。

对轴承22、26和26进行润滑的油被加热且必须被冷却。为此目的，燃料冷却油冷却器换热器(Fuel Cooled Oil Cooler exchanger：FCOC 50)设置为调节回路32中的油温度。使用存储在机翼中的燃料(其在高飞行高度时是冷的)允许让油冷却。

图2示出了根据本发明的换热器。

换热器50包括换热器矩阵，换热器矩阵包括布置在入口分隔部70和出口分隔部72之间的管状网体的网络(network of tubular mesh)100。通过管状网体的网络100形成的流动路径通过分隔部70、72向外打开。管状网体网络100将第一流体60(例如燃料)从入口歧管96引导到出口歧管98。管状网体网络100包括几级错开的网体。每一个网体包括从汇合部支出的曲线型管形式的分支。网络100具有一组通道，其分离并汇合在一起，同时确保它们之间流体的重新分配。通过相对于换热器的中心径向和/或周向地演化，给定的流体颗粒可因此从一个网体到达另一网体。网络100可具有对称性(或不具有对称性)。

换热器50可包括具有侧壁82的本体，侧壁围绕网络100，两个壁70、72和侧壁82的内表面部分界定空腔84，第二流体62(例如油)在空腔中流动。换热器50的侧壁82可具有大致圆柱形形状，直径优选为7到25cm，且高度优选为10到60cm，圆柱轴线对准参考方向58。

换热器50可包括用于第一流体60的旁路通道86，以绕过网络100，旁路通道86形成在换热器50的中央位置，旁路通道86基本上对准参考方向58。旁路通道86的直径可以是本体直径的30％到60％。旁路通道86的存在可以强化结构且有助于管状网体网络100的维护。

换热器50可以是并行的(即沿相同方向的第一和第二流体流动)和/或逆流的(它们沿相反方向流动)。在所示的例子中，在换热器的一个部分中是平行流和在换热器的另一部分中是逆向流。出于该目的，引导元件88设置为沿基本上平行于参考方向58的流动方向将第二流体62引导到空腔84的一部分中。此外，引导元件88在本体的至少大部分高度上沿与参考方向58相反的方向将第二流体62引导到空腔的另一部分中。引导元件88可以包括至少一个分隔壁，该至少一个分隔壁在平行于参考方向58的平面中延伸且布置在两个分隔部70、72之间。图2中的引导元件88允许第二流体62的返回流动。

第一流体的旁路通道86可包括阀74，其具有排出和/或恒温类型。还有，换热器可以包括用于第二流体的旁路92，其整合到换热器50的本体中。在图2的例子中，旁路92形成在用作引导元件88的分隔壁的下部部分中。替换地，旁路通道92可制造在一模块中，该模块与换热器本体50的壁82整合，该模块可与换热器50的壁整合。排出和/或恒温类型的阀94可安装在旁路通道92中。

图3代表本发明的另一实施例，其中用作用于管状网体网络100的基础样式的网体103包括布置在一平面中的四个分支，该四个分支沿取向58依次包括两个前分支103.1、一个汇合部103.2和两个后分支103.3。该基础样式可叠置，以形成管的平坦或弯曲板(未示出)。上级的网体103(图3右侧的顶部和底部)可以相对于下级的103网体(图3的右侧中间)旋转例如90度。该第二结构允许流体的更好的三维重新分配。

图4显示了一实施例，网体104具有四个分支，其中两个后分支布置在一平面中，该平面相对于前分支正割。

图5示出了网体105的一实施例，网体105具有五个分支，包括具有两个后分支和三个前分支。该构造是不对称的。

图6显示了具有旋转对称结构的六个分支的网体106的另一实施例。前分支或后分支可均匀分布，在分支所在平面之间具有约120度角度。

图7显示了具有镜面对称结构的六个分支的网体107的实施例。前分支或后分支可均匀分布，分支所在平面之间具有约120度角度。

图8示出了具有镜面对称结构的八个分支的网体108的实施例。前分支或后分支可均匀分布，在分支所在平面之间具有约90度角度。

这些不同的网体展示是作为例子给出的。本领域技术人员应根据需要且特别是根据流率或换热器的期望紧凑型来调整分支的数量和其取向、网体的数量、其相对取向。

图9显示了具有作为中间管的汇合部的网体109.1。在该构造中，内部通道的截面约等于每一个分支的通道截面之和的一半。该构造实现压力降，这对减慢流率来说是期望的。

替换地，网体109.2和109.3可以以这种方式设计：后分支直接连结到前分支，在汇合部103.2处形成隔室。隔室改善组件的机械强度。网体109.2的汇合部包括用于改善结构强度的倒圆部。例如，水滴形状(在平行于参考方向的平面中可见)可有助于通过增材制造实现，因为对于制造过程期间提供强化来说不是必要的。

网体109.3具有汇合部，其包括锋利的角度，以防止流体停滞和降低压力降。例如，三角形或五角形这样的锐角形状(在平行于参考方向的平面中可见)有助于通过增材制造实现，因为对于在制造期间提供强化来说其不是必要的。分支的截面可以是圆形形状。其他截面形状(方形。三角形、矩形、椭圆形)可以控制紊流和/或优化管状网体网络100的强度。图9的三个示例性汇合部可与根据图3到8的网体变化例(显示了分支的各种数量或布置方式)的组合。

还有，网体103、104、105、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3可以以任何适当布置方式叠置，包括沿与圆柱坐标或笛卡尔坐标关联的方向。

针对分支数量和规定如上所述的网体103、104、104、105、106、106、107、108、109.1、109.2、109.3的结构并不限于附图给出的例子。

网体网络结构的复杂性不可通过常规制造方式获得且因此根据本发明通过增材制造用粉末(可以是钛或铝)实现。层的厚度可以是20μm到50μm，其可以形成一种管厚，其形成约0.4到0.6mm的网体和0.60mm的分隔部/壁在基于过程(未示出)的本发明中，执行两个步骤：

(a)设计换热器50；

(b)通过增材制造沿打印方向制造换热器50，打印方向平行于参考方向58。

通过增材制造，可以通过矩阵相交的计划复杂形状的流动路径。

还有，本发明并不限于用于油/燃料热交换。

Claims (22)

1.一种在第一流体(60)和第二流体(62)之间的换热器(50)，该换热器(50)包括：

参考方向(58)；和

管的网络(100)，其界定用于第一流体(60)的内通道，网络(100)多个网体(103、104、104、105、106、106、107、108、109.1、109.2、109.3)，网体(103、104、105、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3)每一个根据参考方向(58)依次用被称为前分支(103.1)的至少两个曲线型分支、两个前分支(103.1)相遇的汇合部(103.2)、和被称为后分支(103.3)的至少两个曲线型分支形成，所述后分支从汇合部(103.2)分叉；

其中

多个网体(103、104、105、105、106、107、107、108、109.1、109.2、109.3)包括至少一个第一网体(103、104、104、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3)、至少一个第二网体(103、104、104、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3)和不同于第二网体(103、104、105、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3)的至少一个第三网体(103、104、104、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3)，

其中第一网体(103、104、105、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3)的至少一个前分支(103.1)连接到第二网体(103、104、、108、109.1、109.2、109.3)的至少一个后分支(103.3)，且第一网体(103、104、105、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3)的至少一个另一前分支(103.1)连接到第三网体(103、104、105、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3的至少一个后分支(103.3)。

2.如权利要求1所述的换热器(50)，其中换热器(50)包括沿参考方向(58)依次布置的5到40个网体(103、104、105、105、106、107、107、108、109.1、109.2、109.3)的叠置结构。

3.如权利要求1所述的换热器(50)，其中换热器(50)包括200到3000个网体(103、104、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3)。

4.如权利要求1所述的换热器(50)，其中分支(103.1、103.3)和汇合部(103.1)通过具有0.4到0.8mm厚度的壁形成。

5.如权利要求1所述的换热器(50)，其中网体中的至少一个包括多个前分支(103.1)，前分支与其后分支(103.3)的数量不同。

6.如权利要求1所述的换热器(50)，其中每一个网体(103、104、105、105、106、107、107、108、109.1、109.2、109.3)的分支的数量是6。

7.如权利要求1所述的换热器(50)，其中网体(103、104、105、105、106、107、108、109.1、109.2、109.3)中的至少一个支撑至少一个内部或外部鳍片。

8.如权利要求1所述的换热器(50)，其中管状网体的网络(100)布置在入口歧管(96)和出口歧管(98)之间。

9.如权利要求1所述的换热器(50)，进一步包括本体，设置有界定空腔(84)的圆柱形侧壁，第二流体(62)在空腔中流动。

10.如权利要求9所述的换热器(50)，其中侧壁(82)具有7到25cm的直径和10到60cm的高度，圆柱轴线对准参考方向(58)。

11.如权利要求1所述的换热器(50)，其中换热器(50)包括用于第一流体(60)的旁路通道(86)，允许其绕过网络(100)，旁路通道(86)设置在换热器(50)的中央位置且对准参考方向(58)。

12.如权利要求9和11所述的换热器(50)，其中旁路通道(86)的直径为侧壁直径的30％到60％。

13.如权利要求1所述的换热器(50)，其中第一和第二流体具有各自的一般流动方向，且第一流体的一般流动方向平行于第二流体的一般流动方向。

14.如权利要求1与权利要求9组合所述的换热器(50)，其中至少一个引导元件(88)和侧壁(82)在至少一半的本体高度上、沿大致平行于参考方向(58)的流动方向在空腔(84)的第一部分中引导第二流体(62)。

15.如权利要求14所述的换热器(50)，其中引导构件(88)和侧壁沿与参考方向(58)相反的流动方向在空腔的第二部分中进一步引导第二流体(62)。

16.如权利要求15与权利要求8组合所述的换热器(50)，其中引导元件是从界定了入口歧管的入口分隔部(70)延伸的分隔壁，该分隔壁沿平行于参考方向(58)的平面延伸。

17.如权利要求1所述的换热器(50)，其中换热器(50)是铝制造的单件部件。

18.如权利要求1所述的换热器(50)，其中用于第二流体的旁路(92)整合在换热器(50)中。

19.如权利要求1所述的换热器(50)，其中换热器(50)包括恒温类型的阀(74)，其布置在用于第一流体的旁路通道(86)或用于第二流体的旁路中。

20.一种飞机涡轮喷气发动机(2)，包括轴承(26)和对风扇(16)进行驱动的传动装置(22)，进一步包括如权利要求1到19中任一项所述的至少一个换热器(50)，其中第一流体(60)是燃料且第二流体(62)是油。

21.一种制造如权利要求1所述的换热器(50)的方法，该方法包括以下步骤：

(a)设计换热器(50)；

(b)沿平行于参考方向(58)的打印方向通过增材制造来制造换热器(50)。

22.如权利要求21所述的过程，其中其在步骤(b)中包括制造彼此平行的连续层，所述连续层在与层的平面垂直的平面中可见，网体被制造为具有水滴轮廓或五边形轮廓。

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