具有附加出口的表面热交换器的制作方法

1.本发明涉及航空的一般领域。本发明特别针对用于涡轮机的表面热交换器以及包括这种热交换器的涡轮机。


背景技术：

2.涡轮机(特别是用于飞行器的涡轮机)包括需要润滑和/或冷却的各种构件和/或设备项目，例如滚子轴承和齿轮。根据构件和/或设备项目的功率，由这些部件释放的热量可能非常高，由这些部件释放的热量通过流体传输并疏散到飞行器中可用的冷源。
3.已知为涡轮机配备一个或多个热交换系统，以在润滑流体(通常是油)与冷源(空气、燃料等)之间进行热交换。甚至存在不同类型的热交换系统，例如燃料/油热交换器(fuel cooled oil cooler，fcoc)和空气/油热交换器(air-cooled oil cooler，acoc)。
4.fcoc热交换器具有在燃料于涡轮机的燃烧室中燃烧之前对燃料进行加热以及对由涡轮机的热耗散加热的油进行冷却的双重功能。然而，出于安全原因，燃料的温度受到限制，因此fcoc热交换器不足以吸收所有的热耗散。
5.通过acoc热交换器(特别是表面型热交换器，sacoc)来获得附加冷却。表面热交换器通常位于涡轮机的次级通道中，并利用次级空气流来冷却在涡轮机中流通的油。这些热交换器呈金属表面件的形式，以使得油能够在通道中穿过。次级空气流沿着由该表面件承载的翅片而被引导，翅片具有增大与次级空气流接触的接触表面以及获取热量的作用。然而，sacoc热交换器的缺点是由于sacoc热交换器扰乱了空气流，因而sacoc热交换器在相关的次级通道中产生附加的压力损失，这对涡轮机的性能以及燃料消耗率有影响。
6.sacoc热交换器的气动热性能(在次级空气流一侧上耗散的热功率与引起的压力损失之间的比)低。
7.此外，由于为了满足涡轮机的规格趋势的需求而产生的更高的旋转速度需求和功率需求，润滑流体的冷却需求也在增加。
8.热交换系统(例如在fr-a1-3 096 444和fr-a1-3 096 409中描述的热交换系统)是已知的，在这些热交换系统中，流动条件被修改以使得能够确保具有最佳气动热性能的热耗散，从而有助于减少压力损失。当这些热交换系统被安装在涡轮机的次级通道中时，这些热交换系统包括成型的上游壁和下游壁，成型的上游壁和下游壁使得能够对进入和离开热交换器的空气流的流量进行更好的控制。更具体地，上游壁具有渐扩的轮廓，以能够使进入热交换器的热交换空间的空气流减慢，下游壁具有会聚的轮廓，以能够使离开热交换器的空气流加速。
9.然而，在热交换器出口处的壁的“会聚”轮廓仍然可能导致绕过热交换器的空气流的部分(即未穿过热交换器的空气流)在流动再循环区域中成为湍流空气流。交换器出口处的壁的轮廓可以被修改，以使得壁的轮廓的“会聚”程度较小。然而，热交换器的总长度受到安装有热交换器的次级通道的尺寸的限制。出口壁的会聚的减少一方面导致热交换器的中心空间的减少，从而不利于热交换，另一方面导致出口空气流的过早加速，从而不利于表面
热交换器的阻力。


技术实现要素：

10.本发明的目的是通过提供一种使得能够对离开交换器的空气流进行更好地控制的表面热交换器来克服该缺点。
11.为此，本发明涉及用于飞行器涡轮机的表面热交换器，该表面热交换器包括：
[0012]-支撑壁，
[0013]-面板，面板大致平行于支撑壁布置，
[0014]-隔板，隔板被构造成在垂直于支撑壁的方向上将支撑壁连接到面板，隔板在隔板之间限定了通路，第一空气流在通路中流动，隔板大致彼此平行并且平行于第一空气流的第一流动方向，
[0015]-翅片，翅片位于通路中，并且翅片以大致彼此平行并且平行于第一流动方向的方式延伸，翅片旨在被第一空气流扫过，
[0016]
面板包括：
[0017]-中心部分，中心部分大致平行于支撑壁并且与支撑壁相距第一距离，
[0018]-下游部分，下游部分具有相对于支撑壁倾斜的大致取向，下游部分包括上游端部和自由下游端部，上游端部连接到中心部分，自由下游端部与支撑壁相距第二距离，并且自由下游端部与支撑壁一起界定出通路的主出口，第二距离小于第一距离。
[0019]
根据本发明，所述下游部分包括至少两个固定襟翼，固定襟翼从上游到下游以一个在另一个后方的方式布置，并且被构造成在固定襟翼之间界定出从通路离开的至少一个附加出口。
[0020]
因此，该解决方案使得能够实现上述目标。特别地，为第一空气流增加通路的附加出口使得能够补偿交换器的下游部分的过度会聚。第一空气流穿过比主出口更靠近面板的附加出口防止了第二空气流绕过热交换器。增加附加出口的数量还能够使第一空气流在表面热交换器的整个高度上以均匀的速度流动穿过表面热交换器。
[0021]
表面热交换器可以包括被单独地采用或被彼此组合地采用的以下特征中的一项或多项：
[0022]-襟翼的数量介于两个至五个之间，
[0023]-襟翼中的每一个襟翼在相对于支撑壁以预定角度倾斜的平面中延伸，
[0024]-襟翼的预定角度的值从中心部分到主出口减小，
[0025]-襟翼的角度中的每一个角度的值介于5
°
至45
°
之间，
[0026]-附加出口或每个附加出口由高度限定，该高度的值小于或等于第二距离，
[0027]-径向高度或每个径向高度和第二径向距离均介于第一距离的5％至60％之间，
[0028]-襟翼中的每一个襟翼通过翅片的至少一部分和/或通过在支撑壁与襟翼之间上升的支撑元件来连接到支撑壁，
[0029]-襟翼的至少一部分包括位于相邻的襟翼的上游边缘附近的下游边缘，上游边缘和下游边缘大致被布置在垂直于支撑壁的同一平面中，
[0030]-表面热交换器通过增材制造来制成，
[0031]-表面热交换器被机加工和/或钎焊。
[0032]
本发明还涉及包括至少一个具有前述特征中任一项特征的表面热交换器。
附图说明
[0033]
通过以下详细描述并且为了理解该详细描述而参照附图，本发明的其他特征和优点将变得明显，在附图中：
[0034]
[图1]图1是本发明所应用于的涡轮机的示例的轴向横截面视图；
[0035]
[图2]图2是表面热交换器的实施例的透视图；
[0036]
[图3]图3示出了包括覆盖翅片的面板的热交换器的局部视图；
[0037]
[图4]图4是在没有面板的中心部分的情况下图3的热交换器的透视图；
[0038]
[图5]图5是根据本发明的热交换系统的实施例的轴向横截面视图；
[0039]
[图6]图6示出了根据本发明的表面热交换器的轴向横截面；以及
[0040]
[图7]图7是根据本发明的图6的热交换器的一部分的轴向横截面视图。
具体实施方式
[0041]
图1示出了本发明所应用于的具有纵向轴线x的涡轮机的轴向横截面视图。所示出的涡轮机是旨在安装在飞行器上的双流涡轮机1。当然，本发明不限于这种类型的涡轮机。
[0042]
该双流涡轮机1通常包括气体发生器2，在气体发生器的上游安装有风扇或风扇模块3。
[0043]
在本发明中，术语“上游”和“下游”参照相对于涡轮机1中的气体的流动轴线(在此为沿着纵向轴线x-x)的位置来使用。“纵向”或“纵向地”是指平行于纵向轴线x-x的任何方向。
[0044]
气体发生器2包括气体压缩机组件(在此包括低压压缩机4a和高压压缩机4b)、燃烧室5以及涡轮组件(在此包括高压涡轮6a和低压涡轮6b)。典型地，涡轮机包括低压轴7和高压轴8，低压轴连接低压压缩机和低压涡轮以形成低压体，高压轴连接高压压缩机和高压涡轮以形成高压体。被定心在纵向轴线上的低压轴7在此通过齿轮箱10来驱动风扇轴9。旋转引导轴承也被用于引导低压轴7相对于涡轮机的静止结构旋转。
[0045]
风扇3被风扇壳体11覆盖并且产生主空气流和次级空气流，风扇壳体由短舱12承载，主空气流在主通道v1中流通穿过气体发生器2，次级空气流在围绕气体发生器2的次级通道v2中流通。次级空气流v2被次级喷嘴13喷射，次级喷嘴使短舱终止，而主空气流通过位于气体发生器2的下游的喷射喷嘴14喷射到涡轮机外部。在下文中，风扇壳体和短舱被考虑为一体。
[0046]
在涡轮机的构造的该示例中，引导轴承15和齿轮箱10必须被润滑和/或冷却以确保涡轮机的性能。由引导轴承和齿轮箱产生的功率耗散在来自流体供应源的流体中，流体供应源被安装在涡轮机中，该流体能够对涡轮机的各种构件和/或设备项目进行润滑和/或冷却。当然，涡轮机的其他设备项目产生大量的热量，这些热量必须从环境中获取。
[0047]
为此，涡轮机1包括布置在风扇壳体11中的表面热交换器20(以下被称为“交换器20”)。热交换器20用于对旨在对这些构件和/或设备项目进行润滑和/或冷却的流体进行冷却。在该示例中，流体是油，并且用于对油进行冷却的冷源是在涡轮机1中流通的空气流。
[0048]
参照图2至图7，交换器20包括支撑壁21，该支撑壁在平行于纵向轴线x-x的纵向方
向l上延伸。支撑壁21是大致平坦的。该支撑壁21可以不是完全平坦的而是弯曲的，以跟随风扇壳体11的壁的轮廓，风扇壳体的壁旨在承载热交换器20，并且风扇壳体的壁为大致圆筒形(具有纵向轴线x-x)。热交换器20可以占据风扇壳体11的整个壁、或者布置在风扇壳体的壁的部段上。
[0049]
交换器20还包括沿纵向方向l以预定长度延伸的面板22。面板22与支撑壁21大致平行地布置。面板22被布置在支撑壁21的上方或下方。在说明书的其余部分中，术语“上方/外部”和“下方/内部”参照相对于布置有支撑壁21的平面的定位来使用，在这种情况下，平面xy包括纵向轴线x-x以及垂直于纵向轴线x-x的横向轴线y-y。“横向”或“横向地”是指平行于横向轴线y-y的任何方向，“径向”或“径向地”是指垂直于平面xy的任何方向。
[0050]
如图3和图4所示，面板22和支撑壁21通过隔板23连接在一起。这些隔板23中的每一个隔板从支撑壁21沿径向方向r上升到面板22，并且沿着纵向方向l延伸。尽管隔板可以具有弯曲的形状，但隔板23是平坦的。隔板23沿着横向方向t规则地相继地布置。隔板彼此平行地布置以在隔板之间限定一系列笔直通路24，第一空气流f1流动穿过一系列笔直通路。该第一空气流f1对应于次级空气流f的进入次级通道v2并穿过交换器20的部分。由隔板23形成的通路24在空气流f1的第一流动方向上定向。该流动方向对应于纵向方向l。
[0051]
热交换器20还包括翅片25，翅片被布置在通路24中，使得翅片被空气流f1扫过。尽管翅片可以是弯曲的，但翅片25优选地是笔直的且平坦的。如图3和图4所示，翅片也可以在纵向方向l上具有不连续的外边缘。翅片25中的每一个翅片沿径向方向r上升，并且在空气流f1的流动方向上延伸。更特别地，翅片25以彼此平行且平行于隔板23的方式布置、并且沿着横向方向t均匀地布置在通路24中的每一个通路中。
[0052]
参考图5和图6，面板22包括内表面22a和外表面22b。内表面22a面对支撑壁21，使得内表面也被进入交换器20的空气流f1扫过。外表面22b被第二空气流f2扫过。该第二空气流f2对应于次级空气流f的进入次级通道v2并绕过交换器20的部分。空气流f2在大致平行于纵向方向l的方向上在外表面22b上流动。
[0053]
在优选实施例中，面板22包括中心部分26。中心部分26在支撑壁21上方在与xy平面大致平行的平面中在中心长度lc上延伸，该中心长度可以小于或等于翅片25的长度。特别地，如图6所示，中心部分与支撑壁21在径向方向r上相距第一预定距离d0。此外，中心部分26沿着横向方向t在一宽度上延伸，该宽度至少等于布置有隔板23的宽度。替代地，中心部分26可以相对于支撑壁21倾斜，使得面板22至少部分地具有弯曲的空气动力学轮廓。中心部分26与支撑壁21之间的距离d0可以沿着纵向方向l而变化(参见图3和图4)。
[0054]
特别地如图5和图6所示，面板22还包括上游部分27，该上游部分位于交换器20的通路24的主入口ep一侧(在次级空气流f的流通方向上)。上游部分包括壁28，该壁具有渐扩的轮廓以对进入通路24的空气流f1进行引导并使该空气流减速。更特别地，壁28的轮廓在由纵向方向l和径向方向r限定的平面中是大致波纹状或弯曲的。上游部分27可以覆盖翅片25的下游部分(未示出)，并且上游部分在入口长度le上延伸，入口长度小于中心部分26的长度lc。
[0055]
上游部分27还包括自由上游端部27a，该自由上游端部与支撑壁21一起界定了通路24的主入口ep。该主入口ep在径向方向r上由预定入口距离d1限定。入口距离d1的值优选地小于距离d0，使得空气流f1在进入通路24时减速。上游部分27还包括与自由上游端部27a
相对的下游端部27b，如图6所示。该下游端部27b将上游部分27连接到中心部分26的上游边缘26a。上游部分27的外表面27c与中心部分26的外表面26c具有连续的表面。
[0056]
参照图6，面板22还包括下游部分29，该下游部分位于交换器20的通路24的主出口sp一侧(在空气流f1的流通方向上)，并且下游部分在纵向方向l上在出口长度ls上延伸。该长度ls小于中心部分26的长度lc。该下游部分29被构造成对离开交换器20的通路24的空气流f1进行引导并使该空气流加速。下游部分在一宽度上被布置在沿着横向方向t延伸的平面中，该宽度与上游部分27和中心部分26延伸的宽度相当，并且下游部分可以覆盖翅片25的下游部分(未示出)。下游部分29具有相对于布置有支撑壁21的平面xy大致倾斜的角度取向，以形成从中心部分26朝向支撑壁21的大致减小的轮廓(在空气流f1的流通方向上)。下游部分29设置有上游端部29a和下游端部29b，上游端部将下游部分连接到中心部分26的下游边缘，下游端部29b是与上游端部29a相对的自由端部。下游端部29b与支撑壁21以第二预定距离d2分隔开，第二距离被称为出口距离。该出口距离d2限定了通路24的主出口sp，空气流f1流动穿过通路24的主出口。距离d2的值小于距离d0的值，距离d2的值和距离d0的值都是在径向方向r上测量的。距离d2的值介于距离d0的值的5％至60％之间。
[0057]
面板22的中心部分26、上游部分27以及下游部分29例如使用增材制造(或3d打印)方法(例如在粉末床上的选择性熔融方法)一体地制成。
[0058]
在优选实施例中，下游部分29还包括固定襟翼30i，其中，i＝1，
……
，n，其中，n是表示固定襟翼30i的最大数量的整数。如图6和图7所示，这些襟翼30i从上游到下游以一个在另一个后方的方式从面板22朝向支撑壁21布置，使得下游部分29具有大致会聚的轮廓。两个相邻襟翼30i的布置界定了通路24的附加出口sj，其中，j＝1，
……
，m，其中，m是表示附加出口的最大数量的整数。
[0059]
下游部分29包括数量为n的襟翼30i，数量n介于两个至五个之间，优选地介于三个至五个之间，使得附加出口sj的数量m介于一个至四个之间，优选地介于两个至四个之间。襟翼30i中的每一个襟翼具有上游边缘31i以及与上游边缘31i相对的下游边缘32i。根据襟翼30i的数量n，下游部分29至少包括一个外襟翼301和一个内襟翼30n，如图7所示。更具体地，外襟翼301被布置在任何其他襟翼30i的上游，使得外襟翼的上游边缘311表示下游部分29的上游端部29a，下游部分的上游端部将下游部分连接到中心部分26。外襟翼301包括与中心部分26的外表面26c具有表面连续性的外表面30c。内襟翼30n被布置在任何其他襟翼30i的下游，使得内襟翼的下游边缘32n表示下游部分29的自由下游端部29b，下游部分的自由下游端部与支撑壁21一起界定出通路24的主出口sp。
[0060]
此外，襟翼30i被布置在与径向方向r相反的方向上，使得襟翼30i的下游边缘32i位于相邻襟翼30i的上游边缘31i附近。更特别地，如图7所示，相邻襟翼30i的上游边缘31i和下游边缘32i大致在径向方向r上被布置在与所述支撑壁21垂直的同一平面中。
[0061]
在优选实施例中，襟翼30i中的每一个襟翼被布置在如下的平面中，该平面在横向方向t上在与布置有通路24的宽度至少相等的宽度上延伸。
[0062]
如图7所示，襟翼30i中的每一个襟翼相对于支撑壁21以预定角度33i倾斜。预定角度33i中的每一个预定角度的值可以在0
°
至45
°
之间变化。两个相邻襟翼的角度33i的值限定了附加出口sj的开口。更特别地，当上游襟翼30i的角度33i的值(在空气流f1的流通方向或流动方向上)接近0
°
时，该襟翼30i被布置在与支撑壁21的平面大致平行的平面中。打开
附加出口sj以使得能够减小空气流f1的流量。相反地，当上游襟翼30i的角度33i的值接近45
°
时，附加出口sj的开口增大，空气流f1的流量也增大。优选地，预定角度33i中的每一个预定角度的值介于5
°
至30
°
之间。
[0063]
此外，襟翼30i的角度33i可以具有不同的值，使得附加出口sj可以沿着下游部分29具有不同的开口。
[0064]
在优选实施例中，襟翼30i的预定角度33i的值沿着纵向方向l从面板22的中心部分26向通路24的主出口sp减小。因此，外襟翼301具有足够小的角度331，以防止空气流f2从面板22的中心部分26的下游分离。
[0065]
此外，多个相邻襟翼30i的存在使得下游部分29能够不被加长，这将减小中心部分26的长度lc，从而不利于空气流f1与油之间的热交换。
[0066]
在一个变型中，襟翼30i的角度33i都具有相同的值。襟翼30i都被布置在彼此平行的平面中。
[0067]
如图7所示，两个相邻襟翼的上游边缘31i之间的距离限定了附加出口sj的高度hj。高度hj的值可以彼此不同或彼此相同。另一方面，高度hj的所有值都小于或等于对通路24的主出口进行限定的距离d2的值。
[0068]
另外，附加出口的每个高度hj表示介于距离d0的5％至60％之间。
[0069]
交换器20还包括支撑元件34，支撑元件使得能够将襟翼30i连接到支撑壁21。每个支撑元件34与襟翼30i一致对应而从支撑壁21沿径向方向上升。因此，支撑元件34的数量可以等于下游部分29的襟翼30i的数量n。由于襟翼30i相对于支撑壁21倾斜，支撑元件34具有大致梯形的形状。在特定实施例中，包括外襟翼301的一些襟翼30i通过翅片25的下游部分连接到支撑壁21。在实施例的该示例中，支撑元件34的数量小于襟翼30i的数量n。支撑元件34可以比翅片25更厚。翅片25、隔板23以及支撑元件34可以彼此独立地或一起地通过钎焊来附接到支撑壁21。替代地，翅片25、隔板23以及支撑元件34可以与支撑壁21一起形成单个整体件。当然，交换器20作为整体可以通过任何其他制造方法(例如机加工、锻造或钎焊)来制造。
[0070]
根据本发明的热交换器20具有在整个距离d0上使空气流f1的流动速度或流通速度均匀的特别优点。
[0071]
此外，具有不同的角度取向的多个固定襟翼的存在使得能够在不使出口长度ls增大的情况下消除绕过热交换器的空气流f2的再流通区域。这减少了由热交换器引起的阻力。