一种热交换器及其制造方法和应用与流程

1.本技术涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种热交换器及其制造方法和应用。


背景技术：

2.飞机发动机在运行过程中，通过压缩机对气体进行压缩，然后被输送到燃烧室，与燃油混合，混合物在燃烧室被点燃后产生动力，在此过程中，发动机的温度会不断升高，温度最高的模块可以超过1500℃。因此发动机运行的同时，需要对很多内部介质进行冷却，以降低温度对发动机材料寿命带来的影响。这些介质包括发动机滑油、高压压缩机用于冷却高压涡轮的气体等。
3.目前，热交换器(又称散热器或换热器)已经被广泛的应用于飞机发动机对各种介质进行冷却。换热器按外观形状可以分为块状换热器和环形换热器(又称表面换热器)。
4.块状换热器由于几何形状和体积上的限制，需要在发动机上找到独立的空间进行安装。这对本已紧凑的发动机空间提出了很高的设计要求。同时，块状散热器的几何形状会导致利用发动机气流进行冷却的散热气对发动机的气动性产生影响。
5.而环形换热器可以分布在发动机风扇机匣内侧或整流罩内外侧，相较于块状散热器可以减少对安装空间的要求。环形散热器的组成主要包含了散热器底板，介质管道和翅片三部分。介质管道用来传输需要冷却的高温介质；介质管道与翅片通过底板连接并传递温度；底板光滑的一侧与风扇机匣连接，另一侧翅片暴露在外涵道冷气中，主要通过热对流降温，从而使介质温度降低。但是，现有的环形散热器为了增加换热效率，通常会在底板上增加翅片数量，从而进一步增加了散热器的重量，且目前散热器的散热形式主要基于散热器表面的翅片与冷空气对流换热，换热方式较为局限。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供了一种热交换器及其制造方法和应用，引入了新的换热形式，可以提高换热效率，可以减轻热交换器重量。
7.一方面，本技术实施例提供了一种热交换器，包括底板；
8.底板设有多个第一介质流道，多个第一介质流道中任意两个第一介质流道之间设有第二介质流道；第二介质流道用于通过第二介质来冷却或加热流经第一介质流道中的第一介质；
9.第一介质流道的入口与第二介质流道的出口设于底板的第一端面，第一介质流道的出口与第二介质流道的入口设于底板的第二端面；
10.第一介质流道呈非线性形状。
11.可选的，还包括冷却气流引导口；第二介质为冷却气流；
12.冷却气流引导口用于将沿第一方向流动的冷却气流向第二介质流道的入口方向引入。
13.可选的，第二介质流道的截面形状为v字型、圆形、椭圆形和方形中的任一种。
14.可选的，非线性形状为螺旋形或波浪形。
15.可选的，底板的第三端面设有至少一个扰流结构；第三端面位于第一端面与第二端面之间；
16.扰流结构包括多个对称设置的翅片，多个对称设置的翅片用于对经过的第二介质形成涡流。
17.可选的，扰流结构包括第一翅片、第二翅片、第三翅片和第四翅片；
18.第一翅片与第二翅片关于第一方向对称设置；
19.第三翅片与第四翅片关于第一方向对称设置；
20.第一翅片与第三翅片之间的夹角为钝角。
21.可选的，底板的第三端面设有翅片阵列；
22.翅片阵列包括多个间距排列的翅片，多个间距排列的翅片中每个翅片均设有缺口；多个间距排列的翅片中任意相邻两个翅片的缺口的位置交错。
23.可选的，缺口的形状为矩形、三角形和圆形中的任一种。
24.另一方面，本技术实施例提供了一种热交换器的制造方法，包括：
25.通过3d打印技术形成内部为晶格结构的底板；
26.在底板上形成多个第一介质流道；第一介质流道呈非线性形状；
27.在多个第一介质流道中任意两个第一介质流道之间形成第二介质流道；第二介质流道用于通过第二介质来冷却或加热流经第一介质流道中的第一介质；
28.在底板的第一端面形成第一介质流道的入口与第二介质流道的出口；
29.在底板的第二端面形成第一介质流道的出口与第二介质流道的入口。
30.另一方面，本技术实施例提供了一种热交换器在发动机系统中的应用，热交换器为上述的热交换器，发动机系统包括风扇罩和整流罩；热交换器用于对发动机系统中的第一介质进行换热；热交换器位于风扇罩的内侧；或；热交换器位于整流罩的内外侧。
31.本技术实施例提供的一种热交换器及其制造方法和应用具有如下有益效果：
32.通过在底板设有多个第一介质流道，多个第一介质流道中任意两个第一介质流道之间设有第二介质流道；第二介质流道用于通过第二介质来冷却或加热流经第一介质流道中的第一介质；第一介质流道的入口与第二介质流道的出口设于底板的第一端面，第一介质流道的出口与第二介质流道的入口设于底板的第二端面；第一介质流道呈非线性形状。如此，引入了新的换热形式，可以提高换热效率，可以减轻热交换器重量。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本技术实施例提供的一种热交换器的结构示意图；
35.图2是本技术实施例提供的另一种热交换器的结构示意图；
36.图3是本技术实施例提供的一种螺旋形第一介质流道的结构示意图；
37.图4是本技术实施例提供的一种沿图2中a-a’方向的截面示意图；
38.图5是本技术实施例提供的一种第二介质流道截面形状的示意图；
39.图6是本技术实施例提供的一种引入外涵道气流的机制示意图；
40.图7是本技术实施例提供的另一种热交换器的结构示意图；
41.图8是本技术实施例提供的另一种热交换器的结构示意图；
42.图9是本技术实施例提供的一种缺口形状的翅片示意图；
43.图10是本技术实施例提供的一种热交换器的制造方法的流程示意图；
44.图11是本技术实施例提供的一种由x型晶格结构组成的螺旋式热交换器的截面示意图；
45.图12是本技术实施例提供的一种发动机系统的示意图；
46.附图标记说明：
47.1-底板；2-第一介质流道；3-第二介质流道；4-冷却气流引导口；
48.5-扰流结构；51-第一翅片；52-第二翅片；53-第三翅片；54-第四翅片；
49.6-翅片阵列；61-翅片；
50.1201-热交换器；1202-风扇罩；1203-低压涡轮；1204-高压涡轮；1205-燃烧室；1206-高压压气机；1207-低压压气机。
具体实施方式
51.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
52.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
53.以下介绍本技术一种热交换器的具体实施例，如图1所示，图1是本技术实施例提供的一种热交换器的结构示意图，包括底板1；底板1设有多个第一介质流道2，多个第一介质流道2中任意两个第一介质流道2之间设有第二介质流道3；第二介质流道3用于通过第二介质来冷却或加热流经第一介质流道2中的第一介质；第一介质流道2的入口与第二介质流道3的出口设于底板1的第一端面a，第一介质流道2的出口与第二介质流道3的入口设于底板1的第二端面b；第一介质流道2呈非线性形状。
54.本技术实施例中，多个第一介质流道2中任意两个第一介质流道2之间设有第二介质流道3，第二介质流道3用于通过第二介质来冷却或加热流经第一介质流道2中的第一介质，第二介质流道3增加了热交换器的换热面积，同时也可以减轻热交换器的重量，相较于现有技术中单一的换热方式，本技术引入了新的换热形式，可以提高换热效率；第一介质可以是高温介质，由于第一介质流道2呈非线性形状，如此可以最大化高温介质流经热交换器
的行程，使高温介质得到充分换热。
55.一种可选的实施方式中，非线性形状为螺旋形或波浪形。
56.具体的，如图2和图3所示，图2是本技术实施例提供的另一种热交换器的结构示意图，图3是本技术实施例提供的一种螺旋形第一介质流道的结构示意图，与图1不同的是，图1中第一介质流道采用螺旋形(波浪形)设计，图2和图3中第一介质流道采用螺旋形设计；不管将第一介质流道设计为螺旋形还是波浪形，或其他非线性形状，目的都是为了增加高温介质流经热交换器的行程，使高温介质换热充分。其中，波浪形的换热行程虽然不如螺旋式，但是波浪形的优点是可以简化制造加工的复杂度，并且可以减少热交换器本体的厚度。
57.一种可选的实施方式中，第二介质流道3的截面形状为v字型、圆形、椭圆形和方形中的任一种。如此，可以进一步减轻热交换器的重量。
58.具体的，如图4所示，图4是本技术实施例提供的一种沿图2中a-a’方向的截面示意图，第二介质流道3的截面形状为v字型，采用v字型设计可以对热交换器上下面起到支撑作用，提高结构强度。
59.需要说明的是，实际应用中可以根据结构强度及热交换器重量需求对第二介质流道3的截面形状进行设计优化，第二介质流道3的截面形状包括但不限于上述v字型、圆形、椭圆形和方形，如图5所示，第二介质流道3的截面形状也可以为圆角矩形。
60.一种可选的实施方式中，热交换器还包括冷却气流引导口；第二介质为冷却气流；冷却气流引导口用于将沿第一方向流动的冷却气流向第二介质流道3的入口方向引入。其中，第一方向指的是从第二介质流道3的入口指向其出口的方向。
61.具体的，冷却气流引导口与风扇外涵道连通，第一介质流道2的入口与发动机润油(滑油)系统连通，即，第一介质具体可以是高温润油(滑油)，第二介质具体可以是外涵道气流；如图6所示，图6是本技术实施例提供的一种引入外涵道气流的机制示意图，为了减小热交换器结构本身对发动机气动性能的影响，可以将热交换器结构嵌入在风扇壳体内部(风扇机匣)；通过热交换器表面开设的冷却气流引导口4，使外涵道气流在流经热交换器时将部分气流进入热交换器内部，并通过第二介质流道3进行传输，于其出口排出；由图可以看出，高温介质从相反方向引入，即第一介质流道2与第二介质流道3为逆流布置，逆流布置的好处是，可以最大化热交换器的系统温差，使换热效率达到最优化。
62.本技术实施例中，为了进一步提高换热效率，可以在热交换器面向外涵道气流表面增设扰流结构。
63.因而，一种可选的实施方式中，如图7所示，底板1的第三端面c设有至少一个扰流结构5；第三端面c位于第一端面a与第二端面b之间；扰流结构5包括多个对称设置的翅片，多个对称设置的翅片用于对经过的第二介质形成涡流。如此，在利用第二介质流道进行换热的同时，还可以通过扰流结构5对高温介质进一步进行换热；且通过增加涡流的方式，可以减少传统线性扰流片的使用数量，达到减轻重量的效果。
64.具体的，扰流结构5包括第一翅片51、第二翅片52、第三翅片53和第四翅片54；第一翅片51与第二翅片52关于第一方向对称设置；第三翅片53与第四翅片54关于第一方向对称设置；第一翅片51与第三翅片53之间的夹角为钝角。需要说明的是，图7仅是扰流结构5多种排布方式中一种排布方式的示例，在能够形成涡流的基础上，根据实际应用需求可以增加或减少每个扰流结构5中翅片的数量。
65.另一种可选的实施方式中，如图8所示，底板1的第三端面c设有翅片阵列6；翅片阵列6包括多个间距排列的翅片61，多个间距排列的翅片中每个翅片61均设有缺口；多个间距排列的翅片中任意相邻两个翅片61的缺口的位置交错。具体的，如图9所示，缺口的形状可以为矩形、三角形和圆形中的任一种。
66.此外，翅片61的排列方向平行于第一方向；翅片61设置缺口以及相邻翅片61的缺口交错排布的好处是第二介质如冷却气流经过时，可以增加湍流，从而可以进一步提高换热效率。
67.以下介绍本技术一种热交换器的制造方法的具体实施例，图10是本技术实施例提供的一种热交换器的制造方法的流程示意图，本说明书提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。具体的如图10所示，该方法可以包括：
68.s1001：通过3d打印技术形成内部为晶格结构的底板；
69.s1003：在底板上形成多个第一介质流道；第一介质流道呈非线性形状；
70.s1005：在多个第一介质流道中任意两个第一介质流道之间形成第二介质流道；第二介质流道用于通过第二介质来冷却或加热流经第一介质流道中的第一介质；
71.s1007：在底板的第一端面形成第一介质流道的入口与第二介质流道的出口；
72.s1009：在底板的第二端面形成第一介质流道的出口与第二介质流道的入口。
73.一种可选的实施方式中，是通过3d打印将底板结构包括第一介质通道和第二介质通道进行制造。第一介质通道为实心结构，第二介质通道及其他第一介质通道与第二介质通道连接处结构为晶格结构，如x型晶格结构，
74.具体的，如图11所示，图11是本技术实施例提供的一种由x型晶格结构组成的螺旋式热交换器的截面示意图，除包裹螺旋形第一介质流道2的圆柱几何体外，底板1的其它部分均采用x型晶格结构，晶格的尺寸和形状可以根据实际应用进行优化，第二介质可以直接从晶格结构中穿过，增加整个系统的热对流。引入晶格结构不仅可以减轻热交换器的总体重量，同时可以增加热交换器内部对流，使热交换器的换热效率较实体结构有进一步提升。除此以外，晶格结构的设计也在一定程度上帮助噪音的吸收，降低风噪的影响。
75.需要说明的是，由于第二介质可以直接从晶格结构中穿过，因而图11中未示出第二介质流道，在某些应用场景中，通过3d打印形成该底板1时，不需要再进一步加工，根据具体应用场景及结构设计，对第一介质流道2之间的通道的晶格密度进行调整，达到最优化。
76.进一步地，在3d打印的过程中，将第二介质流道周围的晶格尺寸或第一介质流道2之间的通道的晶格尺寸设计为大于第一介质流道2周围的晶格尺寸，如此可以增大冷却气体流量，提升换热效果。
77.以下介绍本技术一种热交换器在发动机系统中的应用的具体实施例，图12是本技术实施例提供的一种发动机系统的示意图，热交换器1201可以是由上述热交换器实施例中任意可选的实施方式组合形成，发动机系统主要包括风扇罩1202和整流罩，还包括低压涡轮1203、高压涡轮1204、燃烧室1205、高压压气机1206、低压压气机1207；其中整流罩图中未示出，整流罩位于风扇罩1202的外侧；热交换器1201用于对发动机系统中的第一介质进行换热；热交换器1201位于风扇罩1102的内侧；或者，热交换器1201也可以位于整流罩的内外
侧。
78.需要说明的是，本技术实施例提供的一种热交换器除了可以在发动机系统中应用，也可用在发动机之外的许多应用中。例如，其不仅可冷却发动机系统中的润油(滑油)，也可用于冷却从诸如发电机控制器的电子设备提取热量的流体。除了冷却燃气涡轮发动机系统所使用的多种流体之外，热交换器还可冷却安装在飞机机身上但不是发动机的其他部分的设备。在其它应用中，热交换器可安装成远离发动机系统，例如安装在飞机的外表面上。此外，热交换器可用于多种其它应用中，以冷却或加热从中通过的各种流体。
79.本技术实施例中热交换器在发动机系统中的应用及热交换器制造方法与热交换器实施例基于同样的申请构思。
80.需要说明的是：上述本技术实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
81.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
82.以上所述仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。