包括成形引导元件的板式热交换器的制作方法

1.本发明涉及一种热交换器，特别是用于涡轮机的热交换器。


背景技术：

2.技术背景特别地包括文献us-a1-2019/285349、fr-a1-3 077 630、de-a1-199 43 389、fr-a1-918 616、de-a1-196 44 711以及gb-a-634 608。
3.通常，特别地用于飞行器的涡轮机在气体的流动方向上从上游到下游包括至少一个压缩机、燃烧室、至少一个涡轮以及喷嘴。压缩机被构造成增大空气的压力，然后该空气被输送到燃烧室。在燃烧室中，空气与燃料混合并燃烧。然后，燃烧气体穿过涡轮，涡轮通过从离开燃烧室的气体收集一些压力能并且将压力能转化成机械能来驱动压缩机旋转。喷嘴喷射废气以产生用于涡轮机的推进力。
4.热交换器被安装在涡轮机中，以使得热能能够从一种流体朝向另一种流体传递。
5.例如，可以使用热交换器来将热能从热废气朝向旨在被引入到燃烧室的上游的气体传递，以特别有利于涡轮机的燃料燃烧。还可以使用热交换器来冷却用于对压缩机和涡轮的转子进行引导的装置的润滑剂，例如油，压缩机和涡轮各自由构成定子的第一组固定部件以及构成转子的第二组部件构成，第二组部件能够相对于定子旋转。
6.为了等效的空气动力学性能，具有翅片的热交换器由于其低质量而特别用于涡轮机。
7.第一流体(例如热废气)与第二流体(例如空气)之间的这种热交换器包括用于第一流体的流通级以及在第一流体的两个连续的流通级之间形成的第二流体的流通路径。第一流体的流通级例如包括两个平行板和一系列翅片，两个平行板间隔开以限定用于第一流体的流通通道，一系列翅片例如大致垂直地布置于板之间。
8.图1和图2分别示出了这种热交换器1的示例以及这种热交换器的级2、3。在该交换器1中，第一流体沿着被表示为x的纵向方向流动，第二流体沿着被表示为y的方向与第一流体大致垂直地流动。应当注意，在这种热交换器的其他示例中，可以设置成第一流体和第二流体在交换器的芯部中沿着平行的方向相对于彼此反向地流通。然而，在这种情况下，两种流的方向被设计成在交换器的入口和出口附近大致垂直相交，使得两种流在交换器的不同面上离开。
9.每个级2、3包括彼此相距一距离的两个平行板6，两个平行板沿着方向x纵向地延伸，以限定用于第一流体的流通通道7。
10.为了对交换器1内的第一流体进行分隔，每个级2、3还包括两个外分隔部5，两个外分隔部大致垂直于板6布置并沿着方向x纵向地延伸，使得板5、6限定出流通通道7。每个级2、3还包括大致垂直地布置在板6之间的一系列翅片9，以在流通通道7中限定出一系列导管。
11.第二流体的流通路径4被设置在第一流体的两个流通级2、3之间。为了对交换器1内的第二流体进行分隔，交换器1包括板8，这些板大致垂直于板5、6布置并沿方向y纵向地
延伸，使得板6、8限定出流通路径4。翅片9的排大致垂直地布置在第一流体的两个流通级2、3之间，以在流通通道4中限定一系列导管。
12.然而，热交换器1在交换器的入口处具有第一流体穿过的横截面的突然减小，并且在交换器的出口处具有第一流体穿过的横截面的突然增大(参见图2，图2示出了通道7的出口以及第一流体穿过的横截面s0、s1、s2的演变)。
13.通过分配器d向交换器1供应第一流体，分配器将第一流体从与方向x大致垂直的流动方向x1引导直到方向x，以使第一流体到达流通通道7的入口。歧管c将第一流体从方向x引导直到与方向x大致垂直的流动方向x2。类似地，沿着方向y流通的第二流体可以到达板5并突然朝向流通路径4重新定向。
14.由于板5、8和翅片的存在，流通通道7的横截面和流通路径4的横截面小于流体在分配器d和歧管c中的通道横截面。
15.此外，流体的通道横截面的变化越大，流体的通道横截面在交换器的入口处的这种突然减小以及流体的通道横截面在交换器的出口处的这种突然增大都越大。更具体地，当第一流体的通道横截面的高度与第二流体的通道横截面的高度之间(即翅片9的高度与板5、8的高度之间)存在显著偏差时，可能会遇到进入交换器的流体的通道横截面的突然减小以及离开交换器的流体的通道横截面的突然增大。
16.这种类型的架构的缺点之一尤其是这导致显著的能量损失(也被称为压力损失)。特别地，这种压力损失可能对应于总允许压力损失的20％以上。
17.因为这种压力损失发生的区域对热交换的贡献相对较小，因此减少这种压力损失是非常重要的。此外，高的压力损失可能导致流动分布不均匀的问题，这可能降低交换器的性能。在入口和出口处的流动偏转未被控制或未被引导，导致在分配器d的给定横截面和歧管c的给定横截面内的速度分布不均匀。
18.由于在具有等热性能的情况下在质量方面的严格限制，本发明的目的是提出一种其压力损失减少的、具有等价的热性能和等价的质量的热交换器。
19.在申请fr-a1-3 077 630中，申请人已经提出了一种在用于第一流体的流通通道的入口和出口处配备有成形元件的热交换器。申请人提出对该文献中描述的技术进行改进。


技术实现要素：

20.为此，本发明涉及第一流体与第二流体之间的板式热交换器，该板式热交换器特别用于飞行器涡轮机，第一流体旨在沿着第一方向流通，并且第二流体旨在沿着第二方向流通，第二方向不同于第一方向，所述交换器包括堆叠的级，堆叠的级用于第一流体的流通，每个级包括：
[0021]-两个平行板，两个平行板彼此相距一距离，以在两个平行板之间限定出通道，该通道用于第一流体的流通，
[0022]-一系列翅片，一系列翅片大致垂直地布置在板中的每一个板处，以限定出一系列导管，一系列导管用于第一流体在所述流通通道中的流通，
[0023]-第一成形元件，第一成形元件用于使第一流体进入到流通通道中，这些第一成形元件在通道的入口处位于板中的每一个板处，以限定出用于将第一流体引导至该通道内的
第一会聚路径，和/或
[0024]-第二成形元件，第二成形元件用于第一流体从流通通道流出的出口，这些第二成形元件在通道的出口处位于板中的每一个板处，以限定出用于将第一流体引导至该通道外的第二渐扩路径，
[0025]
其特征在于，第一成形件和第二成形件中的每一个在横截面中具有锯齿形状部，锯齿形状部包括：
[0026]-第一外周边缘，第一外周边缘包括大致笔直的第一端部、第二端部以及凸形弯曲部分，大致笔直的第一端部用于连接到板中的限定了流通通道中的第一流通通道的一个板，第二端部位于成形元件的尖端处，凸形弯曲部分在第一端部与第二端部之间延伸；
[0027]-第二外周边缘，第二外周边缘包括大致笔直的第三端部、第四端部以及凹形弯曲部分，大致笔直的第三端部用于连接到板中的限定了流通通道中的与第一通道相邻的第二流通通道的一个板，第四端部位于成形元件的尖端处并且相对于第三端部大致垂直地定向，并且第四端部与第二端部形成小于90
°
的角度，凹形弯曲部分在第三端部与第四端部之间延伸，
[0028]
第一成形件和第二成形件的凹形弯曲部分和凸形弯曲部分具有不同的曲率以限定第一路径和第二路径。
[0029]
本发明的目的是显著减少第一流体在流通通道的入口和出口处的压力损失。这由成形元件实现，成形元件被成形成确保在通道的入口处的流动的逐步加速以及在出口处的流动的逐步减速。这些元件还被成形成引入流动的逐步偏转，同时逐渐改变流体穿过的横截面积，以避免该流动中的回流区域。特别地，本发明使得能够在显著减少等总尺寸下的压力损失，改善流动的分布(均化)，并减少等负载损失下交换器的分配器和歧管的体积(因为90
°
的偏转在流的引导方面短得多)，这使得能够具有更好的耐压性并减少分配器和歧管的质量。分配器和歧管可以集成到交换器中，也可以是被装配到交换器的独立部件。
[0030]
根据本发明的热交换器包括以下特征中的一项或多项，这些特征被单独地采用或被彼此组合地采用：
[0031]-位于成形元件的尖端处的第二端部大致垂直于第一端部定向；
[0032]-位于成形元件的尖端处的第二端部与第一端部形成角度，该角度介于60
°
至95
°
之间，优选地介于70
°
至90
°
之间；
[0033]-第一成形元件和第二成形元件的尖端是锥形的；
[0034]-第一成形元件由歧管承载，歧管被装配到板的入口，第二成形元件由分配器承载，分配器被装配到板的出口；
[0035]-第一成形元件和第二成形元件与板集成；
[0036]-凸形弯曲部分的曲率对应于如下的椭圆的四分之一，该椭圆在第二端部处具有较大的半径a1、并且在第一端部处具有较小的半径b1，凹形弯曲部分的曲率对应于如下的椭圆的一部分(例如四分之一)，该椭圆在第四端部处具有较大的半径a2、并且在第三端部处具有较小的半径b2，椭圆具有相同的中心，并且a2和b2分别大于a1和b1；
[0037]-第一成形元件全部相同，并且第二成形元件全部相同；
[0038]-[函数1]
[0039]
a2＝a1+h
·
rd[0040]
其中，h是板之间的距离，rd是用于对对应路径的横截面的变化进行控制的参数。
[0041]-[函数2]
[0042][0043]
[函数3]
[0044]
b1＝b
2-h
[0045]
其中，间距是两个相邻的流通通道之间的间距；
[0046]-[函数4]
[0047]a1，n+1
＝a
1，n
+ra[0048]
或[函数5]
[0049]a1，n+1
＝a
1，n
·
rg[0050]
其中，ra和rg是这些数列的因子，第一数列是等差数列，第二数列是等比数列；
[0051]-翅片大致垂直地布置在板之间。
[0052]
本发明还涉及一种包括至少一个如上所述的热交换器的涡轮机。
[0053]
本发明还涉及用于制造根据本发明的热交换器的方法，该方法包括通过在粉末床上进行选择性熔融的增材制造来制造热交换器的步骤。
[0054]
有利地，与通过钎焊来制造热交换器的方法相比，通过在粉末床上使用选择性熔融的增材制造来制造根据本发明的热交换器的方法是简单的。特别地，相比于通过钎焊，通过在粉末床上使用选择性熔融的增材制造来制造根据本发明的交换器更容易。
[0055]
此外，由于用于制造根据本发明的交换器的方法，在制造热交换器时不一定需要具有特定的支撑件。
附图说明
[0056]
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：
[0057]
[图1]图1是用于飞行器涡轮机的板式热交换器的示意性透视图，
[0058]
[图2]图2是在根据现有技术的热交换器的出口处的第一流体的流动的示意图，
[0059]
[图3]图3是根据本发明的板式热交换器的歧管或分配器的示意图，
[0060]
[图4]图4是图3的一部分的放大视图并且示出了热交换器的成形元件，
[0061]
[图5a-5b]图5a和图5b是示出热交换器的成形元件的曲率的示例的示意图，
[0062]
[图6]图6是与图4类似的视图，并且示出了第一流体离开交换器的流动，以及
[0063]
[图7]图7是与图4类似的视图，并且示出了第一流体在交换器的入口处的流动。
具体实施方式
[0064]
本发明涉及一种热交换器1，热交换器的示例在图1中示出并在前文进行了描述。因此，上述描述适用于根据本发明的热交换器。
[0065]
除了上述特征之外，根据本发明的交换器1在通道7的入口和出口处还包括成形元件10，该成形元件被设计成优化第一流体的流动的偏转，同时避免回流区域的出现以及压
力损失的产生。
[0066]
图3仅示出了根据本发明的热交换器1的一部分，更具体地示出了该交换器的在此对应于歧管c的一侧，歧管用于第一流体从上述通道7流出的出口。以下描述也适用于分配器d，分配器被安装在通道的入口以向这些通道7供应第一流体。
[0067]
如上所述，第一流体在歧管c中沿方向x由通道7收集，并沿方向x2偏转。在分配器d中，第一流体沿方向x1流动，并沿方向x重新定向。
[0068]
成形元件10可以由歧管d或分配器d承载，并且例如与歧管或分配器集成或一体地形成。替代地，成形元件10可以直接设置在板6的端部处，并且因此独立于歧管c和分配器d，板界定了在板之间的通道7。
[0069]
成形元件10位于板6处，并且一方面具有限定出会聚路径的功能，另一方面具有限定出渐扩路径的功能，会聚路径用于在入口处将第一流体引导到通道7，渐扩路径用于在出口处从通道7引导第一流体。
[0070]
成形元件10中的每一个成形元件位于两个相邻板6的共用侧部上，并沿着该侧部延伸。这些板6中的一个板限定了第一通道7，而这些板中的另一个板限定了相邻的通道7。因此，成形元件10中的每一个成形元件具有大致细长的形状。成形元件10中的每一个成形元件在横截面中具有大致锯齿形状部，如在图4中可以更清楚地看到的。
[0071]
锯齿形状部包括：
[0072]-第一外周边缘b1，第一外周边缘包括大致笔直的第一端部b11、第二端部b12以及凸形弯曲部分b13，第一端部用于连接到板6中的第一板(限定第一流通通道7)，第二端部位于成形元件10的尖端14处并且大致垂直于第一端部b11定向，凸形弯曲部分在第一端部b11与第二端部b12之间延伸；
[0073]-第二外周边缘b2，第二外周边缘包括大致笔直的第三端部b21、第四端部b22以及凹形弯曲部分b23，第三端部用于连接到板6中的第二板(限定与第一通道相邻的第二流通通道7)，第四端部位于成形元件10的尖端14处并且大致垂直于第三端部b21定向，凹形弯曲部分在第三端部b21与第四端部b22之间延伸。
[0074]
成形件10的凹形弯曲部分b23和凸形弯曲部分b13具有不同的曲率，以限定出前述的会聚路径和渐扩路径12。
[0075]
如在图4中可以看到的，成形元件10的尖端14都沿相同的方向定向并且是锥形的，即尽可能细。成形元件的厚度例如小于或等于0.5mm。
[0076]
图5a中的示意图示出了每个成形元件10的锯齿形状部的两个部分b13和b23的曲率的差异。
[0077]
凸形弯曲部分b13的曲率对应于如下的椭圆e1的四分之一或更少，该椭圆在第二端部b12处具有较大的半径a1、并且在第一端部b11处具有较小的半径b1。
[0078]
凹形弯曲部分b23的曲率对应于如下的椭圆e2的四分之一，该椭圆在第四端部b23处具有较大的半径a2、并且在第三端部b21处具有较小的半径b2。
[0079]
如在图5a中可以看到，椭圆e1和e2具有相同的中心o，并且椭圆e2比椭圆e1更大，即a2和b2分别大于a1和b1。
[0080]
在示出本发明的第一实施例的图3至图7所示的示例中，成形元件10都是相同的。
[0081]
以下方程使得能够计算a1、a2、b1以及b2的值，以下方程作为示例给出。
[0082]
[函数1]
[0083]
a2＝a1+h
·
rd[0084]
其中，h是板6之间的距离，h因此是通道7的高度，如图6所示，
[0085]
并且rd是对对应路径12的横截面的变化进行控制的参数。
[0086]
[函数2]
[0087][0088]
[函数3]
[0089]
b1＝b
2-h
[0090]
其中，间距是两个相邻通道7之间的间距，如图6所示。
[0091]
替代地，成形元件10是不同的，并且根据预定的等差数列或等比数列来确定尺寸。
[0092]
[函数4]
[0093]a1，n+1
＝a
1，n
+ra[0094]
或[函数5]
[0095]a1，n+1
＝a
1，n
·
rg[0096]
其中，ra和rg是这些数列的因数(raisons)。
[0097]
[函数3]
[0098]
b1＝b
2-h
[0099]
例如，根据本发明的交换器的成形元件10可以通过在粉末床上使用选择性熔融的增材制造来生产。如上所述，当这些成形元件10与板6集成时，成形元件可以与板6一起制造，或者当成形元件与歧管c或分配器d集成时，成形元件可以与歧管或分配器一起制造。
[0100]
图5b示出了椭圆e1和e2的替代实施例。椭圆e1和e2具有相同的中心o，并且椭圆e2比椭圆e1更大。b2大于b1但是其大于a1。a2大于a1。
[0101]
此外，图5b的方框部分示出了针对成形元件的曲率所选择的感兴趣的区域不一定是大椭圆的四分之一，而是可以表示小于椭圆的四分之一。

技术特征：
1.第一流体与第二流体之间的板式热交换器(1)，所述板式热交换器特别用于飞行器涡轮机，所述第一流体旨在沿着第一方向(x)流通，并且所述第二流体旨在沿着第二方向(y)流通，所述第二方向不同于所述第一方向，所述交换器包括堆叠的级(2，3)，所述堆叠的级用于所述第一流体的流通，每个级包括：-两个平行板(6)，所述两个平行板彼此相距一距离，以在所述两个平行板之间限定出通道(7)，所述通道用于所述第一流体的流通，-一系列翅片(9)，所述一系列翅片被布置在所述板(6)之间，以限定出一系列导管，所述一系列导管用于所述第一流体在所述流通通道(7)中的流通，-第一成形元件(10)，所述第一成形元件用于使所述第一流体进入到所述流通通道(7)中，这些第一成形元件(10)在所述通道的入口处位于所述板中的每一个板处，以限定出用于将所述第一流体引导至该通道内的第一会聚路径(12)，和/或-第二成形元件(10)，所述第二成形元件用于所述第一流体从所述流通通道流出的出口，这些第二成形元件(10)在所述通道的出口处位于所述板(6)中的每一个板处，以限定出用于将所述第一流体引导至该通道外的第二渐扩路径(12)，其特征在于，所述第一成形件和第二成形件(10)中的每一个在横截面中具有锯齿形状部，所述锯齿形状部包括：-第一外周边缘(b1)，所述第一外周边缘包括大致笔直的第一端部(b11)、第二端部(b12)以及凸形弯曲部分(b13)，所述大致笔直的第一端部用于连接到所述板(6)中的限定了所述流通通道(7)中的第一流通通道的一个板，所述第二端部位于所述成形元件(10)的尖端(14)处，所述凸形弯曲部分在所述第一端部与所述第二端部(b11，b12)之间延伸；-第二外周边缘(b2)，所述第二外周边缘包括大致笔直的第三端部(b21)、第四端部(b22)以及凹形弯曲部分(b23)，所述大致笔直的第三端部用于连接到所述板(6)中的限定了所述流通通道(7)中的与所述第一通道相邻的第二流通通道的一个板，所述第四端部位于所述成形元件的尖端处并且相对于所述第二端部(b12)以小于90
°
的角度定向，所述凹形弯曲部分在所述第三端部与所述第四端部(b21，b2)之间延伸，所述第一成形件和第二成形件(10)的凹形弯曲部分和凸形弯曲部分(b13，b23)具有不同的曲率以限定所述第一路径和所述第二路径，并且所述凸形弯曲部分(b13)的曲率对应于如下的椭圆(e1)的四分之一，该椭圆在所述第二端部处具有较大的半径a1、并且在所述第一端部处具有较小的半径b1，所述凹形弯曲部分(b23)的曲率对应于如下的椭圆(e2)的一部分，该椭圆在所述第四端部处具有较大的半径a2、并且在所述第三端部处具有较小的半径b2，所述椭圆(e1，e2)具有相同的中心，并且a2和b2分别大于a1和b1。2.根据前一项权利要求所述的热交换器(1)，其中，位于所述成形元件(10)的尖端(14)处的所述第二端部(b12)与所述第一端部(b11)形成角度，所述角度介于60
°
至95
°
之间，优选地介于70
°
至90
°
之间。3.根据前一项权利要求所述的热交换器(1)，其中，所述第一成形元件和所述第二成形元件(10)的尖端(14)是锥形的。4.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(1)，其中，所述第一成形元件(10)由歧管(c)承载，所述歧管被装配到所述板(6)的入口，所述第二成形元件由分配器(d)承载，所
述分配器被装配到所述板的出口。5.根据权利要求1至4中任一项所述的热交换器(1)，其中，所述第一成形元件和所述第二成形元件(10)与所述板(6)集成。6.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(1)，其中，所述第一成形元件(10)全部相同，并且所述第二成形元件(10)全部相同。7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(1)，其中，[函数1]a2＝a1+h
·
r
d
其中，h是所述板(6)之间的距离，rd是对对应路径(12)的横截面的变化进行控制的参数。8.根据前一项权利要求所述的热交换器(1)，其中，[函数2][函数3]b1＝b
2-h其中，间距是两个相邻的流通通道(7)之间的间距。9.根据权利要求1至5中任一项所述的热交换器(1)，其中，[函数4]a
1，n+1
＝a
1，n
+r
a
或[函数5]a
1，n+1
＝a
1，n
·
r
g
其中，ra和rg是这些数列的因子，这些数列分别是等差序列和等比数列。10.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(1)，其中，位于所述成形元件(10)的尖端(14)处的第二端部(b12)大致垂直于所述第一端部(b11)定向。11.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(1)，其中，所述翅片(9)大致垂直地布置在所述板(6)之间。12.一种涡轮机，所述涡轮机包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(10)。

技术总结
公开了第一流体与第二流体之间的板式热交换器(1)，该板式热交换器特别用于飞行器涡轮机，第一流体旨在沿着第一方向(X)流通，并且第二流体旨在沿着第二方向(Y)流通，第二方向不同于第一方向，热交换器包括堆叠的级(2，3)以及在这些级的入口和出口处的成形元件(10)，堆叠的级用于第一流体的流通，这些成形元件(10)具有锯齿形的横截面，并在级的入口处限定出会聚的通道并且在级的出口处限定出渐扩的通道。通道。通道。


技术研发人员：以法莱姆
受保护的技术使用者：赛峰集团
技术研发日：2021.12.15
技术公布日：2023/9/26