热交换器的制造方法
【专利说明】热交换器
相关申请的交叉引用
[0001 ]本申请根据35U.S.C.§119(a)要求于2013年10月11日在英国提交的以下申请的优先权，以下申请各自的内容通过援引并入本文:GB 1318098.9,GB 1318109.4,GB1318100.3、GB 1318107.8、GB 1318099.7，并且根据 35U.S.C.§§120 和 365 要求于 2014年 6 月5日提交的并且也通过援引并入本文的美国专利申请号14/296603的优先权以及在先申请日权益。
发明领域
[0002]本发明涉及例如可以用在航空航天应用或工业应用或其他应用中的类型的热交换器。本发明还涉及包括此类热交换器的发动机，例如飞行器发动机或航空航天用发动机并且涉及包括此类热交换器或发动机的飞行器。
发明背景
[0003]GB-A-2241319披露了一种具有相互嵌套的螺旋导管区段的热交换器。在设备末端处，入口歧管位于一个壁上并且出口歧管位于另一个壁上。然而，建造此类将经受显著温度变化并且处于能够承受在某些热交换器中、例如使用在可再使用交通工具中时所希望的众多循环的形式的热交换器是困难的。
[0004]并且，由于显著的气流经过热交换器而径向地流过这些导管，所以气流在导管上的阻力对导管产生了高的径向力并且这些导管难以支持和持续很长的时间。另外，热交换器具有相当有限的循环功能，并且难以将热交换器配置成使之容纳在发动机中并且提供具有低重量和低压降的系统。还有，为了实现足够的性能，已经证明有必要设计在大气空气进入此类热交换器下游的压缩区段之前将大气空气冷却到低于(TC的温度的循环。这不幸地可能非常容易地因为在包括该热交换器来进行空气冷却的交通工具可能起飞的低层大气中通常存在显著量的水蒸气而导致该热交换器非常快速地被冰堵塞，从而使整个交通工具不可用。已经证明这是一个异常困难的问题，这个问题已经被关注了很多年并且一直显著妨碍了能够提供可以用相对经济的水平起飞吸气模式运行的、并且要么以此模式继续(例如旨在能够将三百乘客在月4.6小时内以大致马赫数为5的巡航模式从比利时布鲁塞尔输送至澳大利亚悉尼的LAPCAT交通工具)、要么切换(像SKYLON交通工具)至火箭模式从而离开大气层进入轨道中的可再使用交通工具。
[0005]GB-A-2241537披露了一种航空推进系统的空气进气管，包括用于冷却进入空气的第一热交换器、在该第一热交换器下游的水分离器、在该水分离器下游的液态氧注入器、以及在该液态氧注入器下游的第二热交换器。该注入器降低气流温度，使得在该水分离器下游的气流中剩余的水被转换成小的干的冰晶体。该结构需要使用两个完全分开的热交换器并且在沿着这两个热交换器之间的输送管的流动路径中占据非常大的轴向距离。并且，使用液态氧来将流动的温度从5°C与13°C之间降低至零下50°C或更低，使得需要使用大量的液态氧来冷却在已经存在可以在下游在该推进系统中使用的含氧空气的输送管中的空气。
概述
[0006]根据第一方面提供了一种热交换器，该热交换器具有供第一流体流动的至少一个第一管道区段，该第一流体与在经过该至少一个第一管道区段的流动路径中的第二流体进行热交换，以及，支撑该至少一个第一管道区段的支撑件，其中该至少一个管道区段在第一位置处安装到该支撑件上，并且其中该至少一个管道区段在其上的第二位置处是可相对于该支撑件响应于热变化而移动的。
[0007]可选地，该至少一个第一管道区段包括多个导管以用于进行热交换。
[0008]可选地，这些导管以其第一端连接至该至少一个第一管道区段的入口集管并且以其第二端连接至出口集管。
[0009]可选地，所述第一位置位于这些集管中的、固定地安装至该支撑件上的一者处，这些集管中的另一者是可相对于该支撑件响应于热变化而移动的。
[0010]可选地，这些集管中的另一者被安装至可相对于所述支撑件移动的可移动支撑件上。
[0011]可选地，每个所述第一管道区段包括螺旋区段，该螺旋区段具有多个导管，这些导管以螺旋形并排延伸并且成排地彼此间隔开。
[0012]可选地，所述第一管道区段中的这些导管被安排成在径向方向上彼此间隔开的I到40个排中，例如4个这样的排中。
[0013]可选地，这些导管被安排成在轴线方向上彼此间隔开的约10至1000个排中，例如约70至100个这样的排中。
[0014]可选地，这些导管是约2至3米长的并且从第一集管延伸至第二集管。
[0015]可选地，这些导管具有的直径为约1_。
[0016]可选地，这些导管具有的壁厚度为约20至40微米。
[0017]可选地，多个所述螺旋区段是彼此互相嵌套的并且是定向成相对于彼此成角度地间隔开的。
[0018]可选地，所述螺旋区段被配置成总体圆柱形滚筒的形状。
[0019]可选地，该支撑件包括至少一个圆形箍，所述第一管道固定至该至少一个圆形箍上。
[0020]可选地，该支撑件包括多个所述圆形箍，这些圆形箍被配置成在大致圆柱形的穿孔滚筒结构中彼此间隔开，并且其中所述第一管道的集管被固定至多个所述圆形箍上。
[0021]可选地，该热交换器包括支撑结构，该支撑结构以环形方式延伸并且至少部分地径向地在所述集管与对应的该至少一个第一管道的另外一个集管之间延伸，该另外一个集管是由引导构件支撑的，该引导构件被安排成相对于该穿孔滚筒结构响应于热变化而环圆周地移动。
[0022]可选地，所述集管是刚性的或基本上刚性的并且流体地联接至柔性管道上。
[0023]可选地，该柔性管道是流体地联接至刚性或基本上刚性的歧管上的。
[0024]可选地，该歧管是相对于该支撑件轴向地固定在位的、但是自由地径向移动的，例如径向地延伸。
[0025]可选地，在所述第一管道区段中的这些导管排包括由间隔件彼此间隔开的多个排，这些间隔件被安排成用于抵抗施加到这些导管上的空气动力学载荷。
[0026]可选地，在两个相邻的所述第一管道区段的导管之间提供了载荷元件，例如垫片，以用于在其间传输载荷、同时允许响应于热变化而在其间进行相对滑动运动。
[0027]可选地，该载荷元件与这些间隔件基本上对齐以形成总体上径向延伸的载荷路径结构，以用于对施加到这些导管上的空气动力学载荷做出反应、同时允许在相邻的所述第一管道区段之间响应于热变化而进行相对移动。
[0028]可选地，所述热交换器包括配置成系列的多个所述载荷路径结构，其中该多个所述载荷元件是彼此总体上环圆周地间隔开的。
[0029]根据第二方面，提供了一种交通工具发动机，该交通工具发动机包括:燃烧区段，以及根据第一方面的、有或没有其任何可选特征的热交换器，该热交换器被适配成用于在引向该燃烧区段的流动路径中冷却作为该第二流体的空气。
[0030]可选地，所述交通工具发动机包括氦供应源以用于提供氦作为该第一流体、或提供另一种工作流体，例如氢。
[0031]根据第三方面，提供了一种飞行机器，例如飞行器或轨道运载火箭，该飞行机器包括根据该第一方面的、有或没有其任何可选特征的热交换器。
[0032]根据第四方面，提供了一种飞行机器，例如飞行器或轨道运载火箭，该飞行机器包括根据该第二方面的、有或没有其任何可选特征的发动机。
[0033]根据第五方面，提供了一种热交换器，该热交换器具有:供第一流体流动的多个第一管道区段，该第一流体与在经过这些第一管道区段的一个流动路径中的第二流体进行热交换；以及支撑该多个第一管道区段的支撑件，这些第一管道区段各自包括多个用于热交换的导管，每个第一管道区段包括螺旋区段，该螺旋区段具有多个导管，这些导管以螺旋形并排延伸并且成排地彼此间隔开，其中，在相互径向地间隔开的多个排中的导管之间提供了至少一个载荷元件以用于抵抗施加至这些导管上的空气动力学载荷。
[0034]可选地，所述载荷元件包括将径向间隔开的多排中的导管例如通过钎焊固定在一起的间隔件。
[0035]可选地，所述至载荷元件包括一个例如垫片的元件，该元件被提供在两个相邻的所述第一管道区段的导管之间以用于在其间传输载荷、同时允许响应于热变化而在其间进行相对滑动运动。
[0036]可选地，所述元件是固定至一个所述第一管道区段中的导管上的并且可滑动地接合另一个所述第一管道区段。
[0037]可选地，所述载荷元件包括至少一个I形梁元件。
[0038]可选地，一个所述第一管道区段中的这些导管被安排成在径向方向上彼此间隔开的I到40个排中，例如4个这样的排中。
[0039]可选地，所述导管从第一集管至第二集管为约I至3米长。
[0040]可选地，这些导管具有的直径为约1_。
[0041]可选地，这些导管具有的壁厚度为约20至40微米。
[0042]可选地，这些导管被安排成在轴线方向上彼此间隔开的约10至1000个排中，例如约70至100个、或者70至200或500个这样的排中。
[0043]在一些实施例中，导管是至少部分地由合金材料、例如镍合金或铝合金制成的。可选地，每个导管包括由第一材料制成的第一部分和由第二材料制成的第二部分。该第一部分可以终止于此类导管的一端处，例如集管处，并且该第二部分可以终止于此类导管的第二端处，例如另外一个集管处。该第一部分和第二部分可以例如通过套管彼此相连接。这可以通过在该热交换器的相对热的区域处使用第一材料来提高温度能力、但出于密度或损失的原因在较冷区域处使用第二材料。
[0044]例如，铝合金可以用于较冷区域中并且陶瓷和耐热合金可以用于较热区域中。该第一部分和第二部分各自可以以其一端连接该中间集管上。
[0045]可选地，该多个螺旋区段是彼此互利的并且是定向成相对于彼此成角度地间隔开的。
[0046]可选地，所述螺旋区段被配置成圆柱形滚筒的形状。
[0047]可选地，该支撑件包括至少一个圆形箍，所述第一管道固定至该至少一个圆形箍上。
[0048]可选地，该支撑件包括多个所述圆形箍，这些圆形箍被配置成在大致圆柱形的穿孔滚筒结构中彼此间隔开，并且在这些圆形箍中提供了至少一个纵梁构件以用于在与至少一个所述荷载元件基本上径向地对齐的位置处接合地支撑相邻的所述导管。
[0049]可选地，在大致径向延伸的载荷路径结构中提供了多个所述载荷元件以用于抵抗施加至这些导管上的空气动力学载荷做出反应。
[0050]可选地，该载荷路径结构被适配成准许多个相邻的所述第一管道区段的导管之间响应于热变化而相对移动。
[0051 ]根据第六方面，提供了一种交通工具发动机，该交通工具发动机包括:燃烧区段，以及根据第五方面的、有或没有其任何可选特征的热交换器，该热交换器被适配成用于在引向该燃烧区段的流动路径中冷却作为该第二流体的空气。
[0052]可选地，所述交通工具发动机包括氦供应源以用于提供氦作为该第一流体。
[0053]根据第七方面，提供了一种飞行机器，例如飞行器或轨道运载火箭，该飞行机器包括根据本发明第五方面的、有或没有其任何可选特征的热交换器。
[0054]根据第八方面，提供了一种飞行机器，例如飞行器或轨道运载火箭，该飞行机器包括根据该第六方面的、有或没有其任何可选特征的发动机。
[0055]根据第九方面提供了一种热交换器，该热交换器具有供第一流体流动的至少一个第一管道区段，该第一流体与在经过该至少一个第一管道区段的流动路径中的第二流体进行热交换，其中每个第一管道区段包括经由至少一个导管从入口到出口的流动路径;并且其中在该流动路径中提供了在该入口与出口之间的中间集管，以用于与中间流体流动路径进行流动连通。
[0056]可选地，该入口和出口各自包括集管导管。
[0057]可选地，这些集管导管是笔直的。
[0058]可选地，该至少一个第一管道区段包括从该入口延伸至该中间集管以用于其间的流动的多个第一流动导管、以及从该中间集管延伸至该出口以用于其间的流动的多个第二流动导管。
[0059]可选地，第一流动导管的长度加上第二流动导管的长度是约2至3米。
[0060]可选地，这些第一流动导管和/或这些第二流动导管的直径是约1_。
[0061]可选地，这些第一流动导管和/或这些第二流动导管具有的壁厚度约为20至40微米。
[0062]可选地，每个所述第一管道区段包括螺旋区段，该螺旋区段具有螺旋形并排延伸并且成排地彼此间隔开的这些第一和第二流动管道。
[0063]可选地，所述热交换器包括用于控制该中间流动路径中的压力的控制器。
[0064]可选地，该控制器包括流量阀。
[0065]可选地，该中间集管包括用于封闭第一流体的外封闭件以及用于将中间流体流注入该外封闭件中的注入器。
[0066]可选地，该注入器包括导管，该导管具有一系列沿其长度间隔开的、用于将流体注入该外封闭件中的流动孔。
[0067]可选地，该外封闭件和该注入器各自包括笔直长形导管。
[0068]可选地，所述这些排包括沿着该外封闭件的纵向方向彼此间隔开的多排导管，呈所述间隔开的多排的这些导管在沿着该外封闭件的长度的对应间隔开的位置处流体地联接至该外封闭件上。
[0069]在一些实施例中，导管是至少部分地由合金材料、例如镍合金或铝合金制成的。可选地，每个导管包括由第一材料制成的第一部分和由第二材料制成的第二部分。该第一部分可以终止于此类导管的一端处，例如集管处，并且该第二部分可以终止于此类导管的第二端处，例如另外一个集管处。该第一部分和第二部分可以例如通过套管彼此相连接。这可以通过在该热交换器的相对热的区域处使用第一材料来提高温度能力、但出于密度或损失的原因在较冷区域处使用第二材料。
[0070]例如，铝合金可以用于较冷区域中并且陶瓷和耐热合金可以用于较热区域中。该第一部分和第二部分各自可以以其一端连接该中间集管上。
[0071]第十方面提供了一种热交换器，该热交换器具有供第一流体流动的至少一个第一管道区段，该第一流体与在经过该至少一个第一管道区段的流动路径中的第二流体进行热交换，其中每个第一管道包括经由至少一个导管从入口到出口的流动路径;其中所述导管中的至少一个导管具有沿其长度延伸的第一部分和第二部分，这两部分是由彼此不同的材料形成的。
[0072]根据第十一方面提供了一种用于操作根据该第九方面的、有或没有其任何可选特征的热交换器的方法，该方法包括使氦流经该至少一个第一管道并且流经该中间流体流动路径。
[0073]可选地，所述操作热交换器的方法包括使空气作为该流动路径中的第二流体流经该至少一个第一管道。
[0074]根据第十二方面，提供了一种诸如交通工具发动机的发动机，该发动机包括:燃烧区段，以及根据第九或十方面的、有或没有其任何可选特征的热交换器，该热交换器被适配成用于在引向该燃烧区段的流动路径中冷却作为该第二流体的空气。
[0075]可选地，所述发动机包括氦供应源以用于提供氦作为该第一流体。
[0076]根据第十三方面，提供了一种飞行机器，例如飞行器或轨道运载火箭，该飞行机器包括根据该第九或十方面的、有或没有其任何可选特征的热交换器。
[0077]根据第十四方面，提供了一种飞行机器，例如飞行器或轨道运载火箭，该飞行机器包括根据该第十二方面的、有或没有其任何可选特征的发动机。
[0078]根据第十五方面提供了一种用于热交换器的制成结构，该热交换器具有供第一流体流动的至少一个第一管道区段，该第一流体与在经过该至少一个第一管道区段的流动路径中的区段流体进行热交换，该支撑结构包括总体上圆柱形的穿孔滚筒结构。
[0079]可选地，所述支撑结构包括多个轴向相互间隔开的箍支撑件。
[0080]可选地，所述支撑结构包括多个径向相互间隔开的纵梁构件，这些纵梁构件被适配成在总体上径向对齐的载荷路径结构处支撑地接合所述第一管道区段。
[0081 ]可选地，这些箍支撑件形成有多个托架和/或附接结构，以用于将这些第一管道区段的集管导管定位在这些箍支撑件上。
[0082]可选地，这些箍支撑件和纵梁构件被配置成在其间具有总体上矩形或方形的流动空间。
[0083]可选地，所述支撑结构包括至少一个沿对角线安装的撑托元件，该撑托元件延伸跨过这些空间中