用于热交换器应用的故障容错通道布置的系统的制作方法

本公开的领域大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及用于燃气涡轮发动机中使用的热交换器的系统。

背景技术：

至少一些已知的燃气涡轮发动机包括一个或多个热交换器，其构造成冷却和加热燃气涡轮发动机内的流体。一些热交换器包括空气-油热交换器、燃料-油热交换器和空气-空气热交换器。为了防止从热交换器内的一个流体流泄漏到同一热交换器内的另一个流体流，可以使用双壁或冗余壁结构。双壁或冗余壁结构增加了燃气涡轮发动机的重量并降低了燃气涡轮发动机的燃料效率。

技术实现要素：

在一个方面，提供了一种热交换器组件，其构造成在第一流体和第二流体之间传递热。热交换器组件包括热交换器主体和在热交换器主体内沿第一方向布置的多列流体通道。多列流体通道包括流体通道的至少一个第一流体列和流体通道的至少两个第二流体列。第一流体列散布(interspersed)在两个第二流体列之间。第一流体列包括多个第一流体通道，第一流体通道构造成引导第一流体通过热交换器主体。多个第一流体通道每个包括椭圆形横截面流体通道。这至少两个第二流体列包括多个第二流体通道，第二流体通道构造成引导第二流体通过热交换器主体。多个第二流体通道每个包括椭圆形横截面流体通道。多个第一流体通道相对于多个第二流体通道偏移。

在另一方面，提供了一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括核心发动机，该核心发动机包括以串联流动布置的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。燃气涡轮发动机还包括低压压缩机和低压涡轮，低压涡轮通过轴和动力齿轮箱驱动地联接到低压压缩机。燃气涡轮发动机还包括联接到动力齿轮箱的热交换器组件。热交换器组件包括热交换器主体和在热交换器主体内沿第一方向布置的多列流体通道。多列流体通道包括流体通道的至少一个第一流体列和流体通道的至少两个第二流体列。第一流体列散布在两个第二流体列之间。第一流体列包括多个第一流体通道，第一流体通道构造成引导第一流体通过热交换器主体。多个第一流体通道每个包括椭圆形横截面流体通道。这至少两个第二流体列包括多个第二流体通道，第二流体通道构造成引导第二流体通过热交换器主体。多个第二流体通道均包括椭圆形横截面流体通道。多个第一流体通道相对于多个第二流体通道偏移。

在又另一方面，提供了一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括核心发动机，该核心发动机包括以串联流动布置的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。燃气涡轮发动机还包括外接(或称为限制，即circumscribing)核心发动机的内壳体和外接内壳体的外壳体。内壳体和外壳体在其间限定了罩下空间(或称为下部空间，即undercowlspace)。燃气涡轮发动机还包括设置在罩下空间内的热交换器组件。热交换器组件包括热交换器主体和在热交换器主体内沿第一方向布置的多列流体通道。多列流体通道包括流体通道的至少一个第一流体列和流体通道的至少两个第二流体列。第一流体列散布在两个第二流体列之间。第一流体列包括多个第一流体通道，第一流体通道构造成引导第一流体通过热交换器主体。多个第一流体通道每个包括椭圆形横截面流体通道。这至少两个第二流体列包括多个第二流体通道，第二流体通道构造成引导第二流体通过热交换器主体。多个第二流体通道每个包括椭圆形横截面流体通道。多个第一流体通道相对于多个第二流体通道偏移。

附图说明

当参考附图阅读接下来详细的说明书时，将更好地理解本公开的这些和其它特征、方面和优点，在这些附图中在所有附图中相似的符号代表了相似的零件，其中：

图1-9示出了本文描述的方法和装置的示例实施例。

图1是飞行器的透视图。

图2是根据本公开的示例性实施例的可以与图1中所示的飞行器一起使用的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。

图3是热交换器的示意图。

图4是描绘图3中所示热交换器内的椭圆形流体通道上的力的力图。

图5是带有椭圆形流体通道的图3中所示的热交换器的透视图。

图6是描绘图3中所示热交换器内的圆形流体通道上的力的力图。

图7是带有圆形流体通道的图3中所示的热交换器的透视图。

图8是描绘图3中所示热交换器内的跑道形流体通道上的力的力图。

图9是带有跑道形流体通道的图3中所示的热交换器的透视图。

尽管各种实施例的特定特征可在一些附图中示出且在其它附图中未示出，但这只是为了方便。任何附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合来参照和/或请求保护。

除非另外指出，在本文中所提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。相信这些特征可在包括本公开的一个或多个实施例的多种系统中应用。因此，附图不意图包括本文公开的实施例的实践要求的由本领域的普通技术人员已知的所有常规特征。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求书中，将参考许多术语，其应被定义为具有以下含义。

单数形式“一个”、“一种”、和“该”包括复数参照，除非上下文另外清楚地指出。

“可选”或“可选地”意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。

如贯穿说明书和权利要求使用的近似语言可应用于修饰可许可修改而不造成其相关的基本功能的改变的任何数量表达。因此，由诸如“大约”、“近似”和“大致”的一个或多个用语修饰的值不限于说明的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及贯穿说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换，此范围是相等的且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。

以下详细描述通过示例且非限制的方式示出了本公开的实施例。预期本公开具有用于冷却飞行器发动机中的流体的系统的一般应用。

本文描述的热交换器组件的实施例在燃气涡轮发动机组件中的分离的流体之间交换热。热交换器组件包括多列流体通道。每列流体通道包括在该列中竖直布置的多个流体通道，并且在该列流体通道内的每个通道构造成引导相同的流体。在各种实施例中，每个通道包括长方形或椭圆形形状的横截面。流体通道的这些列以交替的式样水平地布置在热交换器组件内。也就是说，加热流体被引导在第一列流体通道中，并且两个相邻列的流体通道引导冷却流体。在一列内的流体通道相对于两个相邻列内的流体通道偏移。热交换器组件是通过铣削单个固体块或通过增材制造方法形成的整块结构(或称为单块结构，即monolithicconstruction)。

本文描述的热交换器组件提供优于燃气涡轮发动机中的流体之间的交换热的已知方法的优点。更具体地，将列中的通道布置成以偏移式样使得不同流体之间的应力场最小化。另外，通道的椭圆形形状结合流体通道的布置也使不同流体之间的应力场最小化。流体通道的布置确保了如果一个通道泄漏，该通道将泄漏到引导相同的流体而不是引导不同流体的通道中，从而确保一个通道中的故障不会导致整个热交换器故障。最后，流体通道的形状和布置提高了热交换器组件的可靠性，消除了对双壁或冗余壁结构的需要，减少了燃气涡轮发动机的重量和成本。

图1是飞行器100的透视图。在示例性实施例中，飞行器100包括机身102，机身102包括机头104、机尾106和在它们之间延伸的中空细长主体108。飞行器100也包括在横向方向112上远离机身102延伸的机翼110。机翼110包括在正常飞行期间在飞行器100的运动方向116上的前部前缘114和在机翼110的相对边缘上的后部后缘118。飞行器100还包括至少一个发动机120，其构造成驱动带叶片的可旋转构件或风扇以产生推力。发动机120联接到机翼110和机身102中的至少一个，例如，以靠近机尾106的推动器构造(未示出)。

图2是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机120的示意性剖视图。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机120实施在高旁通涡轮风扇喷气发动机中。如图2中所示，涡轮风扇发动机120限定轴向方向a(平行于设置用于参考的纵向轴线202延伸)和径向方向r。通常，涡轮风扇120包括风扇组件204和设置在风扇组件204下游的核心涡轮发动机206。

在示例性实施例中，核心涡轮发动机206包括限定环形入口220的近似管状的外壳体208和由外壳体208外接的管状内壳体210。外壳体208或内壳体210以串联流动关系包围：压缩机区段，其包括增压器或低压(lp)压缩机222和高压(hp)压缩机224；燃烧区段226；涡轮区段，其包括高压(hp)涡轮228和低压(lp)涡轮230；和喷气排气喷嘴区段232。外壳体208还包括外径向表面209。高压(hp)轴或卷轴234将hp涡轮228驱动地连接到hp压缩机224。低压(lp)轴或卷轴236将lp涡轮230驱动地连接到lp压缩机222。压缩机区段、燃烧区段226、涡轮区段和喷嘴区段232一起限定了核心空气流动路径237。罩下空间214由内壳体210和外壳体208之间的容积限定。

在示例实施例中，风扇组件204包括可变节距风扇238，其具有以间隔开的关系联接到盘242的多个风扇叶片240。尽管风扇组件204被描述为包括可变节距风扇238，但是风扇组件204可包括传统的固定节距风扇。风扇叶片240从盘242径向向外延伸。借助于风扇叶片240可操作地联接到适当的变桨机构(或称为节距改变机构，即pitchchangemechanism)(pcm)244，每个风扇叶片240可相对于盘242绕俯仰轴线(或称为变桨轴线，即pitchaxis)p旋转，该变桨机构构造成改变风扇叶片240的节距。在其它实施例中，pcm244被构造为一致地共同改变风扇叶片240的节距。风扇叶片240、盘242、pcm244和lp压缩机222一起可通过lp轴236跨过动力齿轮箱246而绕纵向轴线202旋转。

盘242由可旋转的前毂248覆盖，该前毂248在空气动力学上轮廓构造成提升通过多个风扇叶片240的气流。另外，风扇组件204包括环形风扇壳体或外发动机舱250，其周向地围绕风扇238和/或核心涡轮发动机206的至少一部分。在示例性实施例中，发动机舱250可以构造成通过多个周向间隔的出口导向导叶252相对于核心涡轮发动机206支撑。此外，发动机舱250的下游区段254可以在核心涡轮发动机206的外部上方延伸，以在其间限定旁通气流通道256。

在涡轮风扇发动机120运行期间，一定体积的空气258通过风扇组件204和/或发动机舱250的相关入口260进入涡轮风扇120。当空气体积258通过风扇叶片240时，空气体积258的第一部分262被指引或导引到旁通气流通道256中，并且空气体积258的第二部分264被指引或导引到核心空气流动路径237中，或者更具体地说，到lp压缩机222中。第一部分262和第二部分264之间的比率通常被称为旁通比。当第二部分264导引通过hp压缩机224并进入燃烧区段226(在那里它与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体266)中时，第二部分264的压力便增加。

燃烧气体266导引通过hp涡轮机228，在此来自燃烧气体266的热能和/或动能的一部分通过hp涡轮转子叶片270和hp涡轮定子导叶268的连续级而提取，该hp涡轮定子导叶268联接到外壳体208，该hp涡轮转子叶片270联接到hp轴或卷轴234，从而使hp轴或卷轴234旋转，而其驱动hp压缩机224的旋转。然后燃烧气体266导引通过lp涡轮机230，在此通过lp涡轮转子叶片274和lp涡轮定子导叶272的连续级从燃烧气体266中提取热能和动能的第二部分，该lp涡轮定子导叶272联接到外壳体208，该lp涡轮转子叶片274联接到lp轴或卷轴236，其驱动lp轴或卷轴236、lp压缩机222的旋转、并且跨过动力齿轮箱246驱动风扇238的旋转。

随后，燃烧气体266导引通过核心涡轮发动机206的喷气排气喷嘴区段232，以提供推进推力。同时，随着第一部分262在从涡轮风扇120的风扇喷嘴排气区段276排出之前被导引通过旁通气流通道256，第一部分262的压力相当大地增加，也提供推进推力。hp涡轮机228、lp涡轮机230和喷气排气喷嘴区段232至少部分地限定热气体路径278，用于将燃烧气体266导引通过核心涡轮发动机206。

热交换器300的示例性实施例(图3中示出)可位于燃气涡轮发动机120内的各种位置。热交换器280联接到动力齿轮箱246并在来自核心涡轮发动机206的润滑剂流(油)和燃料之间进行热交换。热交换器280还可以在两个油的流之间交换热。在另一实施例中，热交换器280可以与动力齿轮箱246一体形成，而不是联接到动力齿轮箱246的分离部件。热交换器282设置在罩下空间214内并在两个空气流之间交换热，例如来自罩下空间214的空气和来自lp压缩机222和hp压缩机224的引气(或称为排出空气，即bleedair)。另一个空气-空气热交换器284联接到发动机舱250并在两个空气的流之间交换热。热交换器280,282和284可位于燃气涡轮发动机120内的任何位置，这使得热交换器280,282和284能够如本文所述地操作。用于热交换器280,282和284的其它应用包括在燃料流和空气流，润滑剂(油)流和空气流以及制冷剂流和空气流之间交换热。热交换器280,282和284可以与泵、控制器、阀或燃气涡轮发动机120的任何其它部件一体形成。

图2中描绘的示例性涡轮风扇发动机120仅作为示例并且在其它实施例中涡轮风扇发动机120可以具有任何其它合适的配置。还应当理解，还在其它实施例中，本公开的各方面可以结合到任何其它合适的燃气涡轮发动机中。例如，在其它实施例中，本公开的方面可以结合到例如涡轮螺旋桨发动机中。

图3是热交换器300的横截面。热交换器300包括热交换器主体302。在示例性实施例中，热交换器主体302是整体结构的矩阵式热交换器，其通过由增材制造方法来打印单个块或通过铣削单个块的材料而制造。热交换器主体302包括多个第一列304和多个第二列306，多个第二列306与多个第一列304相互交叉。多个第一列304的每个列304包括多个第一流动通道307，其延伸进和出页面，如图3中所示。多个第二列306的每个列306包括多个第二流动通道308，所述多个第二流动通道308也相对于多个第一流动通道307和多个第二流动通道308的彼此平行地延伸进和出页面。在一个实施例中，如图3-5中所示，流动通道307和308包括具有形心309的椭圆形或长方形横截面。在另一个实施例中，如图6-7中所示，流动通道307和308包括具有形心309的圆形横截面。在又另一个实施例中，如图8-9中所示，流动通道307和308包括具有形心309的跑道形横截面。第一流动通道307相对于第二流动通道308偏移以预定距离或节距310(或称为孔距，即此处的pitch)(参见图3)。

图3-9示出了具有均匀横截面积的流动通道307和308。然而，流动通道307和308可包括变化的横截面积或可包括不同的横截面。例如，第一列304可包括具有圆形横截面的第一流动通道307，第二列306可包括具有椭圆形横截面的第二流动通道308。另外，多个第一流动通道307中的每个第一流动通道307的横截面积可以与多个第一流动通道307内的其它第一流动通道307的横截面积不同。第一和第二流动通道307和308的横截面和横截面积可以变化，以通过热交换器300实现所需的热传递速率或所需的压力降。

在操作期间，热交换器300构造成在第一流动通道307中流动的第一流体和第二流动通道308中的第二流体之间传递热。第一流体和第二流体可包括空气、燃料和油。第一通道304和第二通道306可以以逆流流动布置或平行流动布置来构造。

在示例性实施例中，热交换器300由烧结金属材料的整体形成，例如使用增材制造工艺。在一个实施例中，热交换器300通过增材制造工艺形成。烧结金属材料包括超合金材料，例如但不限于钴铬合金、铝合金、钛合金和奥氏体镍铬基超合金等等。如本文所用，“增材制造”是指产生三维物体并且包括一次一层地顺序形成物体的形状的步骤的任何工艺。增材制造工艺包括例如三维打印、激光网形制造(laser-net-shapemanufacturing)、直接金属激光烧结(dmls)、直接金属激光熔化(dmlm)、选择性激光烧结(sls)、等离子体转移电弧、自由形式制造等等。一种示例性类型的增材制造工艺使用激光束来烧结或熔化粉末材料。增材制造工艺可以采用粉末材料或线材作为原材料。此外，增材制造工艺通常可涉及制造物体(物品、部件、零件、产品等)的快速方式，其中顺序地形成多个薄的单元层以产生物体。例如，可以提供(例如，敷设)粉末材料层并用能量束(例如，激光束)照射，使得每层内的粉末材料的颗粒顺序烧结(熔合)或熔化以凝固该层。

图4是描绘作用在具有椭圆形横截面的流体通道402诸如第一流动通道307或第二流动通道308上的力(两者都在图3中示出)的力图。图5是具有椭圆形横截面的流体通道402的热交换器300的透视图。图6是描绘作用在具有圆形横截面的流体通道602上的力的力图。图7是具有圆形横截面的流体通道602的热交换器300的透视图。图8是描绘作用在具有跑道形横截面的流体通道802上的力的力图。图9是具有跑道形横截面的流体通道802的热交换器300的透视图。流体通道402,602和802是第一流动通道307内的流体通道，流体通道404,604和804是第二流动通道308内的流体通道。作用在流体通道402,602和802上的力彼此相似。在热交换器300的操作期间，流体通道402,602和802在流体通道402,602和802的任一侧上受到两个水平力406，在流体通道402,602和802的顶部和底部上受到两个竖直力408，以及四个对角线力410。水平力406作用在水平方向407上，并且竖直力作用在竖直方向409上。水平力406包括压缩力，并且竖直力408包括拉伸力。水平力406、竖直力408和对角线力410主要通过第一流动通道307相对于第二流动通道308的不同热膨胀或通过第一流动通道307和第二流动通道308的机械(压力)加载而产生。

对角线力410导致引导不同流体的流体通道之间的零应力或接近零应力。由于流体通道之间的力引起的最高应力源自水平力406和竖直力408。水平力406和竖直力408导致引导相同的流体的流体通道之间的应力。因此，热交换器300的最可能的故障模式是在具有类似流体的流体通道之间，这不会导致热交换器300在操作中故障，因为每个通道中的流动已经是以平行流动。

上述偏移布置使流体通道308定向成，使得水平力406和竖直力408在具有相同流体的流体通道之间起作用。也就是说，如果由于或水平力406或竖直力408而发生故障，则流体通道402内的流体将泄漏到引导与流体通道402相同的流体的流体通道中。在引导不同力的流体通道之间作用的唯一力是对角线力410。因此，热交换器300被构造成，在两个具有总是在相同流体回路中的类似流体的流体通道之间发生故障(如果有的话)。由于对角线力410明显低于水平力406和竖直力408，因此不太可能在具有不同流体的两个流体通道之间发生故障。

上述热交换组件提供了一种用于在燃气涡轮发动机中的流体之间交换热的有效方法。具体地，将通道布置成以偏移式样使得承载不同流体的通道之间的应力场最小化。更具体地，通道的形状结合流体通道的布置，使承载不同流体的通道之间的应力场最小化。此外，流体通道的布置确保了如果一个通道泄漏，该通道将泄漏到引导相同的流体而不是引导不同流体的通道中，从而确保一个通道中的故障不会导致整个通道换热器故障。最后，流体通道的形状和布置提高了热交换器组件的可靠性，消除了对双壁或冗余壁结构的需要，减少了燃气涡轮发动机的重量和成本。

以上详细描述了热交换器组件的示例性实施例。热交换器组件以及操作这种系统和设备的方法不限于本文描述的特定实施例，而是方法的步骤和/或系统的部件可与本文描述的其它步骤和/或部件独立地和分离地使用。例如，这些方法还可以与需要流体之间的热交换的其它系统组合使用，并且不限于仅用本文所述的系统和方法来实践。相反，示例性实施例可以结合当前构造成接收和容纳热交换器组件的许多其它机械应用来实施和利用。

以上详细描述了用于在流体之间交换热的示例性方法和器械。所示的器械不限于本文所述的特定实施例，而是每个的部件可以与本文描述的其它部件独立并且分离地使用。每个系统部件也可以与其它系统部件结合使用。

此书面描述使用示例来描述本公开，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本公开可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。