ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
HEAT EXCHANGER FOR AIRCRAFT

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Для настоящей заявки на патент испрашивается приоритет по европейской заявке на патент № 18187435.5, поданной 08.06.2018, описание которой включено путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение касается теплообменника для летательного аппарата, в частности вертолета.
Более конкретно, теплообменник представляет собой газожидкостный теплообменник, в показанном случае - воздушно-масляный.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, вертолеты, как правило, оборудуются множеством трансмиссионных блоков, которые адаптированы для передачи движущей силы от одной или нескольких турбин на главный и/или хвостовой винт, и/или от турбины на множество вспомогательных устройств, предназначенных, например, для обеспечения электропитания, необходимого для работы пилотажно-навигационных приборов.
В известных образцах конструкции смазочная текучая среда (обычно масло) циркулирует внутри трансмиссионного блока для одновременного смазывания движущихся частей трансмиссионного блока и охлаждения упомянутых движущихся частей.
Для обеспечения эффективности процесса смазывания и охлаждения необходимо охлаждать смазочную текучую среду, циркулирующую внутри трансмиссионных блоков.
С этой целью вертолеты оборудуются охлаждающими системами, которые содержат, в основном, следующее:
- теплообменник для обеспечения обмена теплом между маслом трансмиссионного блока и воздухом, циркулирующим внутри системы охлаждения; и
- вентилятор, адаптированный для обеспечения циркуляции воздуха между теплообменником и вентилятором.
В известных решениях теплообменник содержит следующее:
- контур транспортировки масла, соединяющий первичную впускную станцию с первичной выпускной станцией; и
- контур транспортировки масла, соединяющий вторичную впускную станцию с вторичной выпускной станцией.
В частности, масло характеризуется первым температурным значением на первичной впускной станции и вторым температурным значением (более низким, чем первое температурное значение) на первичной выпускной станции.
С другой стороны, воздух характеризуется третьим температурным значением на вторичной впускной станции и четвертым температурным значением (более высоким, чем первое температурное значение) на вторичной выпускной станции.
Другими словами, масло отдает тепло воздуху, охлаждаясь внутри теплообменника, в то время как воздух одновременно с этим нагревается.
Известные типы теплообменников также содержат множество модулей, каждый из которых образован следующим:
- стенкой, взаимно противоположные поверхности которой окружены, соответственно, маслом и воздухом;
- множеством первичных ребер, обращенных к внутренней стороне контура транспортировки масла и выступающих в виде консоли с первичной поверхности; и
- множеством вторичных ребер, обращенных к внутренней стороне контура транспортировки воздуха и выступающих в виде консоли с вторичной поверхности.
В частности, вторичные ребра распространяются ортогонально по отношению к стенке и имеют участки определенной длины вдоль первичного направления, продолжающегося от вторичной впускной станции к вторичной выпускной станции.
Вторичные ребра также размещаются в порядке, обеспечивающем образование множества последовательных рядов, располагающихся вдоль первичного направления.
Вторичные ребра взаимно непосредственно соседствующих рядов расположены вразбежку вдоль вторичного направления, ортогонального по отношению к первичному направлению.
В частности, ребра в каждом ряду располагаются на медианном срезе непосредственно соседствующего ряда.
Вследствие вышеуказанной конфигурации воздух нагревается особенно интенсивно в конце каждого из рядов, что снижает остаточную теплообменную способность воздуха.
Более конкретно, периферические области участка воздушного потока, находящиеся в контакте с вторичными ребрами, нагреваются за счет процесса переноса тепла, в то время как центральная область указанного участка начинает нагреваться тогда, когда вступает в контакт со вторичными ребрами следующего ряда.
Такое явление частичного нагрева наблюдается в конце каждого ряда, пока не достигается состояние, при котором температура воздуха практически сравнивается с температурой рядов вторичных ребер, на которые попадает воздух. В таких условиях обмена теплом между воздухом и вторичными ребрами практически не происходит, вследствие чего масло не охлаждается.
Поэтому в данной отрасли хорошо известна необходимость в оптимизации процесса теплообмена между воздухом и маслом, при одних и тех же значениях веса теплообменника и перепада давлений между вторичной впускной и вторичной выпускной секцией.
Кроме того, известные типы теплообменников изготовляются с использованием технологии пайки, т.е. путем сваривания различных частей в одно целое.
Использование данной технологии налагает ограничения на геометрические формы и конфигурации используемых первичных и вторичных ребер.
В данной отрасли также известна необходимость в обеспечении возможности конструирования теплообменника, который характеризовался бы особой гибкостью в отношении геометрических форм и расположения первичных ребер и вторичных ребер.
В US 2016/0115864, EP-B-2712805, FR-A-2988822 и WO2016/018498 описаны теплообменники для известных типов летательных аппаратов.
В GB-A-2496692 раскрыт теплообменник по ограничительной части п. 1.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание такого теплообменника для летательного аппарата, который бы обеспечивал простое и недорогое решение хотя бы одной из перечисленных выше задач.
Вышеуказанная задача решается в настоящем изобретении в той мере, в которой она касается теплообменника для трансмиссионного блока летательного аппарата, по п. 1.
Настоящее изобретение также касается способа охлаждения первичной текучей среды, подлежащей охлаждению с использованием процесса обмена теплом с вторичной охлаждающей текучей средой внутри летательного аппарата, по п. 14.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведен предпочтительный вариант осуществления исключительно в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, где
Фиг. 1 представляет собой частично покомпонентное изображение в перспективе вертолета, содержащее теплообменник, выполненный в соответствии с принципами настоящего изобретения;
Фиг. 2 представляет собой вид спереди (в сильно увеличенном масштабе) теплообменника, показанного на Фигуре 1, с удаленными для наглядности частями;
Фиг. 3 представляет собой покомпонентное изображение в перспективе теплообменника, показанного на Фигурах 1 и 2, с удаленными для наглядности частями;
Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе, выполненном вдоль линии IV-IV Фиг. 2; и
Фиг. 5 представляет собой вид в разрезе, выполненном вдоль линии V-V Фиг. 2.
На Фиг. 1 номеру позиции 1 соответствует вертолет, содержащий пару турбин, главный винт и хвостовой винт (показан не полностью).
НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вертолет 1 также содержит
- главный трансмиссионный блок 3, который адаптирован для передачи движущей силы от турбин на вал 4, приводящий в действие главный винт; и
- группа вторичных трансмиссионных блоков 6, которые известны сами по себе и показаны только схематически, адаптированных для передачи движущей силы от главного трансмиссионного блока 3 (т.е. предназначенных, например, для обеспечения мощности, необходимой для работы соответствующего бортового оборудования или приводного вала 5 хвостового винта).
Вертолет 1 также содержит
- теплообменник 10 для охлаждения смазочной текучей среды (в показанном случае - масла), циркулирующей внутри трансмиссионного блока 3; и
- вентилятор 11 (показан только схематически на Фиг. 1), адаптированный для обеспечения циркуляции воздуха в теплообменнике 10.
В показанном случае теплообменник 10 представляет собой газожидкостный теплообменник, в частности - воздушно-масляный.
Другими словами, в теплообменнике 10 реализован процесс обмена теплом между охлаждаемым потоком масла и нагреваемым потоком воздуха.
На сопровождающих чертежах потоки масла (охлаждаемый поток) и воздуха (нагреваемый вследствие обмена теплом с маслом поток) обозначены соответствующими серыми стрелками.
С другой стороны, потоки масла, охлажденного после обмена теплом с воздухом, и холодного воздуха обозначены соответствующими белыми стрелками.
Теплообменник 10 содержит, в основном,
- контур 20 подачи масла; и
- контур 30 подачи воздуха.
Контур 20, в свою очередь, содержит
- впуск 21 для масла, подлежащего охлаждению;
- выпуск 22 для охлажденного масла; и
- группа модулей 23 подачи масла (Фиг. 2, 3 и 5), которые гидравлически соединены с впуском 21 и выпуском 22.
Контур 30, в свою очередь, содержит
- впуск 31 для воздуха, все еще подлежащего нагреву, гидравлически соединенный с вентилятором 9;
- выпуск 32 для нагретого воздуха, гидравлически соединенный с вентилятором 9; и
- группа модулей 33 подачи воздуха (Фиг. 2-4), которые гидравлически соединены с впуском 31 и выпуском 32.
На Фиг. 2 и 3 модули 23 и 33 попеременно чередуются вдоль направления Z и удлинены вдоль направления Y, ортогонального по отношению к направлению Z.
Внутри каждого из модулей 23 масло течет по соответствующему U-образному тракту P, образованному парой секций Q и R подачи и возврата, обе из которых располагаются параллельно направлению Y (Фиг. 5).
Каждый тракт P, кроме того, содержит секцию S, размещающуюся между секциями Q и R.
На Фиг. 3 и 5 каждый из модулей 23 содержит впускную секцию 24, которая гидравлически соединяется с впуском 21, и выпускную секцию 25, которая гидравлически соединяется с выпуском 22.
Каждый из модулей 23 содержит
- пару параллельных стенок 26, располагающихся друг напротив друга вдоль направления X и лежащих на соответствующих плоскостях, ортогональных по отношению к направлению X;
- стенку 27, размещающуюся между стенками 26 напротив секций 24 и 25 вдоль направления Y и лежащую на плоскости, ортогональной по отношению к направлению Y;
- разделитель 28, размещающийся ортогонально по отношению к стенке 27, который продолжается от секций 24 и 25 по направлению к стенке 27 вдоль направления Y, будучи отделенным от стенки 27; и
- пару стенок 29, продолжающихся между стенками 26, а также между стенкой 27 и секциями 24 и 25.
В частности, стенки 29 располагаются друг напротив друга и ортогонально по отношению к направлению Z.
Разделитель 28 также располагается параллельно стенкам 26.
Каждый из модулей 23, кроме того, содержит группу ребер 15, удлиненных вдоль направления Z и продолжающихся между стенками 29.
Разделитель 28, стенки 29 и участок стенки 26, ограничивающий секцию 24 каждого из модулей 23, ограничивают ветвь Q подачи масла тракта P внутри модуля 23.
Разделитель 28, стенки 29 и участок стенки 26, ограничивающий секцию 25 каждого из модулей 23, ограничивают ветвь R возврата масла тракта P внутри модуля 23.
Разделитель 28, стенка 27, стенки 29 и участки стенок 26, непосредственно прилегающие к стенке 27, ограничивают изогнутую ветвь S тракта P.
Плотность расположения ребер 15 является более низкой в секции S в сравнении с ветвями Q и R, что необходимо для обеспечения проходимости изогнутого тракта для масла внутри соотнесенного модуля 23.
Впуск 31 и выпуск 32 контура 30 располагаются друг напротив друга вдоль направления X.
На Фиг. 2-4 каждый из модулей 33 содержит
- пару параллельных стенок 35, располагающихся друг напротив друга вдоль направления Z и лежащих на соответствующих плоскостях, ортогональных по отношению к направлению Z и находящихся в тепловом контакте с соответствующими стенками 29 взаимно непосредственно прилегающих модулей 23 вдоль направления Z;
- группа стенок 36а и 36b, продолжающихся между стенками 35 и вдоль направления X, а также
- пару взаимно противоположных и параллельных стенок 37 и 38, лежащих на соответствующих плоскостях, ортогональных по отношению к направлению X, и ограничивающих группу соответствующих впусков и выпусков 39 и 40 воздуха, рассредоточенных вдоль направления Y.
В частности, стенки 29 и 35 соответствующих модулей 23 и 33, взаимно соседствующих вдоль направления Z, накладываются друг на друга.
Каждый из модулей 33 ограничивает собой группу ячеек 45, расположенных рядом друг с другом вдоль направления Y и продолжающихся, в основном, вдоль направления X.
Каждая из ячеек 45 ограничивается
- парой взаимно параллельных и противоположных стенок 36a и 36b, вдоль направления X;
- соответствующими секциями пары стенок 35, вдоль направления Z; и
- соответствующими секциями стенок 37 и 38, продолжающимися между соответствующими стенками 36a и 36b.
Каждая ячейка 45 также содержит
- один из впусков 39, ограниченный соответствующей секцией стенки 37; и
- пару выпусков 40 воздуха, ограниченных соответствующими секциями стенки 38.
Впуски 39 и выпуски 40 каждой из ячеек 45 гидравлически связаны с впуском 31 и выпуском 32, соответственно, контура 30.
Модуль 33 также содержит группу ребер 55, размещающихся между стенками 36 и адаптированных для ускорения теплообмена между воздухом, поток которого проходит внутри каждого из модулей 33, и маслом, протекающим внутри модулей 23, непосредственно прилегающих к модулям 33.
Предпочтительно, каждая из ячеек 45 содержит ряд 61 ребер 55, лежащих на соответствующих плоскостях, ортогональных по отношению к направлению X; ребра 55 ряда 61 выступают на все более увеличивающихся расстояниях из стенки 36a вдоль направления Y (если двигаться вдоль направления X от соответствующего впуска 39 по направлению к соответствующим выпускам 40).
Каждая из ячеек 45 также содержит ряд 62 дополнительных ребер 55, которые выступают на все более увеличивающихся расстояниях из стенки 36b вдоль направления Y (если двигаться вдоль направления X от соответствующего впуска 39 по направлению к соответствующим выпускам 40).
Ряды 61 и 62 ребер 55 каждой из ячеек 45 сближаются по направлению друг к другу, если двигаться от соответствующего впуска 39 по направлению к соответствующим выпускам 40, параллельно направлению X.
Каждая из ячеек 45 ограничивает собой
- камеру 52, ограниченную соотнесенным впуском 39 и соотнесенными рядами 61, 62; и
- пару камер 53, каждая из которых ограничена соотнесенной стенкой 36a, соотнесенным рядом 61 или 62 и соотнесенной секцией 51.
Ребра 55 каждой из ячеек 45 продолжаются вдоль направления Z между соотнесенными стенками 35.
Ребра 55 каждой из ячеек 45 характеризуются толщиной вдоль направления X и длиной вдоль направления Y.
В частности, взаимно соседствующие ребра 55 каждой из ячеек 45 рассредоточены вдоль направления X, будучи разделены соответствующими воздушными каналами 56.
Взаимно соседствующие ребра 55, располагающиеся вдоль направления X одного и того же ряда 61 и 62, частично перекрывают друг друга вдоль направления Y.
Каналы 56 обеспечивают гидравлическую связь между камерой 52 и камерами 53.
Каждый из каналов 56 продолжается вдоль направления Y и является открытым на своем противоположном конце по отношению к направлению Y и закрытым вдоль направлений X и Z.
В силу указанной конфигурации воздух перемещается внутри каждого из модулей 33 по тракту T, содержащему (Фиг. 4)
- секцию U, по существу параллельную направлению X и изображенную внутри камеры 52, начиная с впуска 39;
- секцию V, по существу параллельную направлению Y и изображенную внутри каналов 56;
- секцию W, по существу параллельную направлению X и изображенную начиная с внутренних камер 53 до соответствующих выпусков 40;
Общая сумма площадей секций, ортогональных по отношению к направлению Y каналов 56, превышает площадь впуска 39 каждой из ячеек 45.
Как следствие, движение воздуха при его перемещении от камер 52 до каналов 56 замедляется, и воздух вступает в контакт с ребрами 55, располагающимися вдоль секции V соответствующего тракта T.
Площадь каждого из выпусков 40 меньше площади соотнесенного впуска 39.
В показанном случае периметр каждой из ячеек 45 в секции, ортогональной по отношению к направлению X, является ромбовидным.
В частности, стенки 35 и стенки 36a и 36b, ограничивающие каждую из ячеек 45, образуют между собой острый угол α величиной менее 45 градусов (Фиг. 2).
Кроме того, теплообменник 10 изготовляется как цельный предмет.
В частности, теплообменник 10 изготовлен из алюминия.
В показанном случае теплообменник 10 изготовлен с использованием технологии послойной печати.
В частности, направление печати теплообменника 10 параллельно направлению Y.
В процессе эксплуатации работа трансмиссионного блока 3 приводит к перегреву смазочного масла, содержащегося в нем.
В теплообменнике 10 осуществляется процесс обмена теплом между потоком воздуха и смазочным маслом, что приводит к охлаждению последнего.
Более подробно, масло поступает в теплообменник 10 через впуск 21, проходит через контур 20 внутри модулей 23 и выходит из теплообменника 10 через выпуск 22.
Внутри каждого из модулей 23 масло течет от соотнесенной секции 24 по ветвям Q, R и S соотнесенного тракта P, пока оно не достигнет соотнесенной секции 25, а оттуда оно возвращается через выпуск 22.
Ввиду присутствия ребер 15 масло, протекая через модули 23, отдает тепло стенкам 29.
В то же самое время, пока что холодный воздух под действием вентилятора 11 поступает в теплообменник 10 через впуск 31, проходит через контур 30 внутри модулей 33 и выходит из теплообменника 10 в нагретом состоянии через выпуск 32.
Внутри каждого из модулей 33 поток воздуха движется внутри соотнесенных ячеек 45 между соответствующим впуском 39 и соответствующими выпусками 40 по соответствующему тракту T.
Кроме того, воздух вступает в контакт с ребрами 55 рядов 61 и 62 каждого из модулей 33.
Эти ребра 55 выступают из соотнесенной стенки 29 и, следовательно, нагреваются маслом, которое протекает внутри модулей 23, прилегающих к каждому из модулей 33.
Другими словами, тепло отдается маслом в каждом из модулей 23 ребрам 15 и стенке 29, от последней - ребрам 55, а от ребер 55 - воздуху, поток которого перемещается в модулях 33, прилегающих к вышеуказанному модулю 23.
Более подробно, пока что холодный поток воздуха перемещается внутри каждого из модулей 33, сначала внутри камеры 52 вдоль секции U соотнесенного тракта T; при этом основная составляющая вектора его скорости по  существу параллельна направлению X.
Затем поток воздуха отклоняется и перемещается внутри каналов 56 между ребрами 55 вдоль секции V соотнесенного тракта T; при этом основная составляющая вектора его скорости по существу параллельна направлению Y.
В такой ситуации движение воздуха замедляется и, таким образом, повышается эффективность процесса обмена теплом с ребрами 55.
Наконец, поток воздуха опять отклоняется и перемещается внутри камер 53 каждого из модулей 33 вдоль секции W соотнесенного тракта T (при этом основная составляющая вектора его скорости по существу параллельна направлению Х) до тех пор, пока не выходит из модуля 23 через секции 52.
Поток нагретого воздуха затем перемещается из секций 51 к выпуску 32.
По результатам анализа теплообменника 10 и метода охлаждения, реализованного в соответствии с настоящим изобретением, становятся ясными преимущества, которых можно достичь при их применении.
В частности, ребра 55 рядов 61 и 62 лежат на соответствующих плоскостях, ортогональных по отношению к направлению X, и выступают на все более увеличивающихся расстояниях из соответствующих стенок 36a и 36b, продолжаясь вдоль направления Y (если двигаться вдоль направления X от соотнесенного впуска 39 по направлению к соотнесенным выпускам 40).
Как следствие, траектория каждой частицы воздуха, поток которого перемещается от впуска 39 к одному из выпусков 40, проходит через один канал 56 и обеспечивает контакт с одним ребром 55.
Из этого следует, что температура воздуха по существу всегда ниже температуры ребер 55, с которыми он контактирует, в противоположность ситуации, наблюдающейся в известных решениях, описанных ранее.
Как результат, эффективность процесса обмена теплом между маслом и воздухом повышается еще больше в сравнении с известными решениями, описанными во введении к данному описанию, при одних и тех же значениях веса теплообменника 10 и перепада давлений воздуха между впуском 31 и выпуском 32.
Кроме того, общая сумма площадей секций, ортогональных по отношению к направлению Y каналов 56, превышает площадь впуска 39 каждой из ячеек 45.
Как следствие, поток воздуха претерпевает не только отклонение, но и замедление, когда он вступает в соприкосновение с ребрами 55.
Это еще больше повышает эффективность процесса обмена теплом между маслом и воздухом в сравнении с известными решениями, описанными во введении к данному описанию, при одних и тех же значениях веса теплообменника 10 и перепада давлений воздуха между впуском 31 и выпуском 32.
Наконец, ячейки 45 не имеют вырезов, что делает возможным изготовление теплообменника 10 в качестве цельного предмета с использованием технологии, известной как "послойная печать".  Данная технология обеспечивает особенную гибкость в том, что касается возможности изготовления ребер 55 различных форм.
Наконец, ясно, что, не отклоняясь от рамок настоящего изобретения, можно использовать различные модификации и варианты   изготовления/применения теплообменника 10 и способа охлаждения, описанных и проиллюстрированных в настоящем документе.
В частности, каждая ячейка 45 может содержать лишь один из рядов 61 или 62 ребер 55.
Модуль 33 может быть образован лишь одной ячейкой 45, вместо группы ячеек 45.
Трансмиссионный блок 3 может являться одним из трансмиссионных блоков 6.
Теплообменник 10 может устанавливаться не только на вертолет 1, но и на летательные аппараты иных типов, например, на конвертопланы или на аэропланы.