热交换的方法和装置 本发明的背景
本发明总的涉及热交换，更具体地说，涉及燃烧气体涡轮发动机内进行热交换的方法和装置。
燃烧气体涡轮发动机通常具有一个用于对空气加压的压气机，压缩过的空气与燃油混合，并流入燃烧室，燃油/空气混合物在燃烧室内点火燃烧而产生热燃烧气体。该燃烧气体进入上述涡轮，涡轮吸收燃烧气体中的能量带动压气机旋转，并产生有用功推进飞行中的飞机，或者作为一种载荷例如发电机的动力。
至少有一些公知的燃烧气体涡轮发动机应用热交换器来提高燃烧气体涡轮发动机的效率，例如通过提高从压气机排出的空气的温度或降低用于冷却涡轮的空气的温度来达到上述目的。至少有一些公知的燃烧气体涡轮发动机还应用热交换器来降低从涡轮排出的燃烧气体的温度。热交换器通常具有许多内含第一流体并悬浮在第二流体地横向流中的小直径管子。当第一流体流过上述管子而第二流体在管子表面区流过时，第一与第二流体之间便进行热交换。但是，这种热交换器是复杂的，并包含有许多钎接接头，因此制造颇为困难，此外，管子的钎接接头或其他区域可能在载荷作用下发生破裂，从而可能使第一流体与第二流体相混合。
本发明概述
本发明的一方面，提供一种在第一流体与第二流体之间进行热交换的方法，该方法包括制备一种具有由至少两个构件层组成的堆叠构件的热交换器，其特征在于，每个支承构件层由支承件的格架构成，并用至少一个隔板基本上密封隔开上述的至少两个构件层，从而使每层都成为一个流体通道。上述方法还包括导引第一流体流过第一流体通道，并导引第二流体流过与上述第一流体通道邻接的第二流体通道，从而促使第一与第二流体之间进行热交换。
本发明的另一方面，提供一种用于在第一流体与第二流体之间进行热交换的热交换器。该热交换器具有一个至少由两个支承构件层组成的堆叠构件(其中，上述的构件层由支承件的格架构成)，和至少一个与上述的至少一个构件层相连接的隔板，该至少一个隔板基本上密封隔开上述的至少两个构件层从而使每一层成为一个流体通道。上述的至少一个隔板做成可在第一流体流过第一流体通道和第二流体流过与第一流体通道相邻接的第二流体通道时促使第一流体与第二流体之间进行热交换。
本发明的又一方面，提出一种具有至少一个压气机和至少一个位于压气机下游并与压气机流体连通的涡轮组件的燃烧气体涡轮发动机。上述涡轮组件具有至少一个排气口。上述发动机还具有一个热交换器，该热交换器具有一个由至少两个支承构件组成的堆叠构件(其中每个构件层由支承件的格架构成)，和至少一个与上述的至少一层构件层相连接的隔板，该至少一个隔板基本上密封隔开上述的至少两层构件层从而使每一层成为流体通道，上述的至少一个隔板设置成当压缩空气流过第一流体通道和第二流体流过与上述第一流体通道相邻接的第二流体通道时，促使上述的从至少一个压气机排出的压缩空气与第二流体之间进行热交换。
附图简述
图1简单示出示例性的燃烧气体涡轮发动机；
图2是和燃烧气体涡轮发动机(例如图1所示的发动机1)一起使用的示例性热交换装置的透视图；
图3是和图2所示热交换装置一起使用的示例性热交换器的透视图；
图4是图3所示热交换器的局部的透视图；和
图5是图3所示的热交换器的另一个局部的透视图。
本发明的详细说明
虽然本文结合燃烧气体涡轮发动机来说明和示出本发明，但是应当明白，本发明一般可用于任何系统以及燃烧气体涡轮发动机内的任何部位的热交换。因此，本发明的应用并不局限于燃烧气体涡轮发动机和下面所述的具体实施例。
图1示出一种具有低压压气机12、高压压气机14和燃烧室16的燃烧气体涡轮发动机10，该发动机10还具有高压涡轮18和低压涡轮20。压气机12与涡轮20由第一传动轴24连接，压气机14与涡轮18由第二传动轮26连接。发动机10具有进气口或者说上游侧28和排气口或者说下游侧30。在一个实施例中，发动机10是在商业上可从General Electric Power System，Schenechtady，New York购买的涡轮发动机。
工作时，空气流通过低压压气机12和高压压气机14到达燃烧室16，压缩过的空气在燃烧室16与燃油混合并点火燃烧而产生热的燃烧气体，该燃烧气体从燃烧室16排入包含多个喷嘴(图1未示出)的涡轮喷嘴组件(图1未示出)，并用来驱动涡轮18和20，涡轮20又带动低压压气机12转动，涡轮18则带动高压压气机14转动。
图2是燃烧气体涡轮发动机例如图1所示的发动机10用的示例性的热交换装置50的透视图。该热交换装置50具有一个热交换器52、一条用于通入第一流体56的进气管道54、一条用于通入第二流体60的进气管道58、一条排出第一流体56的出气管道62和一条排出第二流体60的出气管道64。热交换器52承接来自进气管道54的第一流体56，并承接来自进气管道58的第二流体60。管道52、58、62和64可按任何合适的方式分别与发动机10的相应部分(未示出)相连接。正如下面所述，当流体56和60流过热交换器52时，流体56与60之间发生热交换。在一个实施例中，来自进气管道54的第一流体56的温度高于来自进气管道58的第二流体60的温度。在另一个实施例中，来自进气管道58的第二流体60的温度高于来自进气管道54的第一流体56的温度。另外，在一个实施例中，出气管道62的第一流体56的温度高于出气管道64的第二流体60的温度，而在另一个实施例中，出气管道64的第二流体60的温度高于出气管道62的第一流体56的温度。在又一个实施例中，出气管道62和64的相应的第一和第二流体56和60的温度基本相等。
第一流体进气管道54与热交换器52相连接，而对热交换器52的第一侧面70供给第一流体56。第一流体出气管道62与热交换器52相连接，而承接来自热交换器52的第二侧面72的第一流体56。第二流体进气管道58与热交换器52相连接而对热交换器52的第三侧面74供给第二流体60，第二流体出气管道64与热交换器52相连接，而承接来自热交换器52的第四侧面76的第二流体60。
在一个实施例中，第一流体进气管道54与一个将来自压气机14的空气流供入进气管道54的气源(未示出)流体连通，第二流体进气管道58则与一个将来自涡轮20的废流体供入进气管道58的气源(未示出)流体连通。在另一个实施例中，第一流体进气管道54与一个将来自压气机14的空气流供给进气管道54的气源(未示出)流体连通，热交换器52利用来自第二流体进气管道58的另一股流体冷却来自压气机14的空气流。
图3是图2所示的热交换器52的透视图。图4是构成热交换器52的一部分的格架块形构件100的透视图，图5是作为格架块形构件100之一部分的透视图。热交换器52具有多个组成格架块形构件100的构件层102和104，该构件层102和104互相堆叠而成构件100。具体地说，每个构件层102叠置在相邻的至少一层构件层104上，而每个构件层104则与相邻的两个构件层102相叠置。构件100的每层102由单个支承件106在相应的支承点108上互相连接而成的格架所制成。在该示例性实施例中，由支承件106构成多个呈三维阵排的基本均匀叠置的四面体而形成构件层102和104，然后总的构成构件100。但是应当明白，支承件106、构件层102和104、构件100和热交换器52的具体尺寸、几何形状和布局都将随热交换装置50的具体用途之不同而变化。
在热交换器52工作过程中，格架块形构件100(更具体地说是支承件106)机械支承着热交换器52的结构。在一个实施例中，构件100(更具体地说是支承件106)由细钢丝段(连续的钢丝线切成的小段)制成。在另一个实施例中，构件100由一种基片制成。在又一个实施例中，构件100按注模法制成。在再一个实施例中，构件100用铸造方法制成。另外，在一个实施例中，支承件106用金属材料例如(但不限于)IN718合金钢，铝，或铜来制造，并要根据其工作温度及所要求的抗腐蚀性能来选用。在一个实施例中，构件100采用由美国MA，Wilmington，01887的JAM公司出售的材料制造。
在相邻的构件层102与104之间由多个第一隔板120相连接，从而将相邻构件层102与104密封隔开。第一隔板120将相邻的构件层102与104密封隔开，便在相邻的构件层102与104内形成相应的通道110和112，使流体不会在相邻构件层102与104之间(更具体地说是相邻的通道110与112之间)漏泄。在该示例性实施例中，上述隔板120做成一个单片式部件。在一个实施例中，每个构件层102的支承件106与相应的第一隔板120相连接，它又与相邻构件层104的支件106相连接，因此，第一隔板120完全隔开了相邻的构件层102与104，并在相邻的构件层102与104之间形成机械连接。
热交换器第一侧壁70具有多个与之相连接的第二隔板130，每个第二隔板130在开口132上方与相应的层通道110相连接，第二隔板130在开口132上方连接，从而使第二隔板130基本上阻止第一流体56进入层通道110。热交换器第二侧壁72也具有多个与之相连接的第二隔板130，其中，每个第二隔板130连接到第二侧壁72内的通向相应通道110的开口(未示出)上，所以第二隔板130便利于基本阻止第一流体56进入层通道110内。
在一个实施例中，第一隔板120由一种导热性基本良好的材料制成。另外，在一个实施例中，第一隔板120钎接到支承件106上。
热交换器第三侧面74具有多个与之相连接的第三隔板140。每个第三隔板140在开口142上方与相应的层通道112相连接，第三隔板140在开口142上方连接，使第三隔板140基本上阻止第二流体60进入层通道112内。热交换器第四侧面76也具有与之相连接的第三隔板100，其中，每个第三隔板140连接在第四侧面76上通向相应通道112之开口(未示出)上，所以该第三隔板140便利于基本阻止第二流体60流入层通道112内。上述第二隔板130也便利于在通道110内容纳第二流体56，第三隔板140也便利于在通道112内容纳第一流体56。
下面参看图1-5。在工作过程中，第一进气管道54承接第一流体56(在该示例性实施例中就是来自压气机14的压缩空气56)，第二进气管道58承接第二流体60(在该示例性实施例中，就是来自涡轮20的温度高于压缩空气56的废燃烧气体60)。第二隔板130和进气管道54导引压缩空气56通过开口132并进入构件层104的通道112。压缩空气通过第二侧面72内的通向通道112的开口从通道112流出，然后流过第一出气管道62。第三隔板140和进气通道58导引废流体60流过开口142并进入构件层102的通道110内，废流体60通过第四侧面76上的与通道110相通的开口从通道110流出，然后流过第二出气管道64。当废流体60流过通道110时，废流体60将热量转移到第一隔板120(更具体地说，是第一隔板120的邻接通道112的表面区)，当压缩空流体56流过通道112时，该空流体56吸收来自隔板120的邻接通道112的表面区的热量。因此，废流体60与压缩空流体56通过压缩空流体56的温度升高和废流体60的温度降低而进行热交换。热交换器52工作过程中，格架块形构件100(具体地说是支承件106)机械地支承着热交换器52的其他各个部件，并总体上支承热交换器52的结构，这有利于保护热交换器52使之不受由于流体56和60的压力以及热交换器52正常工作所产生的应力的影响。
上述的热交换装置对于增进尤其是燃烧气体涡轮发动机内的两股流体之间的热的交换是成本效益高且安全可靠的。更具体地说，上面所述的热交换装置，部分地由于用于构成该装置的格架块形构件的结构刚性和重量以及装置内的焊接接头数目减少而有利于提高热交换装置的强度又使该装置的重量减轻。另外，由于格架块形构件层间设置隔板，故当热交换装置内出现缺陷和/或故障(更具体地说是热交换装置内的格架块形构件和焊接接头由于制造问题或工作中出现的缺陷和/或故障)时，各层内独立的流体不会互相混合。因此，热交换装置的效率在规定时间之外都降低很少，这也可提高燃烧气体涡轮发动机的效率。结果，上述的热交换装置有利于两股流体之间的高效、经济而又安全可靠的热交换。
上面详细说明了热交换装置的示例性实施例。这些装置不限于上面所述的具体实施例，而是可以独立地并可与所述的其他部件分开地使用每种装置的部件，每个热交换装置的部件也可与其他的热交换装置的部件组合使用。
虽然上面按各种具体实施例说明了本发明，但是，熟悉本技术的人们将会明白，可以在所附权利要求书的精神和范围内加以改型而实施本发明。
零部件表
10 燃烧气体涡轮发动机 64 第二流体的流出管道
12 低压压气机 70 热交换器的第一侧面
14 高压压气机 72 热交换器的第二侧面
16 燃烧室 74 热交换器的第三侧面
18 高压涡轮 76 热交换器的第四侧面
20 低压涡轮 100 格架块形构件
24 第一传动轴 102 构件层
26 第二传动轴 104 构件层
28 进气侧 106 支承件
30 排气口 108 支承点
50 热交换装置 110 通道
52 热交换器 112 通道
54 进气管道 120 第一隔板
56 第一流体 130 第二隔板
58 进气管道 132 通道开口
60 第二流体 140 第三隔板
62 第一流体的流出管道 142 通道开口