CN105164387B - 用于中间冷却器和水取出设备的换热器 - Google Patents

Abstract

提供了一种换热器组件，其可模块化地构造，以用于一列式或偏离发动机的安装。还提供了一种水取出装置，其可独立地使用或与换热器一起使用来从流体流路移除水。

Description

用于中间冷却器和水取出设备的换热器

技术领域

本实施例大体涉及换热器。更具体地，本实施例涉及换热器中间冷却器，其可符合各种管道形状，减少现有中间冷却器系统的占地面积，并且可安装成与涡轮轴成一列(inline)，或可从涡轮轴线偏移。

背景技术

例如在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中加压并且在燃烧器中与燃料混合，以用于生成向下游流动并穿过涡轮级膨胀的热燃烧气体。在膨胀期间，这些涡轮级从燃烧气体取出能量，并且使燃烧气体的压力降低。燃烧气体可继续穿过多个低级涡轮。一个或更多个涡轮轴连接至一个或更多个压缩机级来操作压缩机。

涡轮发动机通常在电力工业中用来产生用于地区的住宅和商业用途中的能量。这些涡轮系统可利用换热器中间冷却器，以便在功率生成过程期间冷却行进穿过涡轮发动机的空气的温度。中间冷却器是用于在多级压缩过程的级之间冷却流体(包括液体或气体)的机械装置，典型地为移除热的换热器。它们用于许多应用中，包括例如涡轮发动机的空气压缩机，以借助几乎等压(恒定压力)的冷却来增加进气供给密度从而改善它们的容积效率。

已知的中间冷却器封装件或系统存在各种困难。例如，在功率生成工业中，利用的中间冷却器是极大、昂贵且难以运输的。

合乎需要的是，如果这种系统放置成与涡轮成一列，那么改善换热器中间冷却器的空气动力和封装，以便改善其中的空气动力性能。这将消除用于现有中间冷却器的大的区域或不动产的需求。此外，由于用于将流引导至中间冷却器的管道是极为昂贵的，故功率生成设备的成本将降低。

此外，现有中间冷却器系统的换热器利用对如下结构的焊接或硬焊翅片连接，在该结构中流体可行进穿过以用于冷却。沿着流体承载管道焊接多个翅片的工序是费时单调且制造起来十分昂贵的。

此外，合乎需要的是，消除在中间冷却器内硬焊翅片的需要，以便改善这种结构的制造和安装。

发明内容

提供了一种用于中间冷却器的符合容积管道的翅片换热器。中间冷却器具有由多个节段形成的换热器。该多个节段可布置为符合流路行进穿过的管道。中间冷却器包括主体，该主体具有用于流体行进穿过的多个开口。在主体的外表面上，多个翅片被刨削(skive)到主体中来接合流路。根据其它实施例，换热器可配置在备选装置(例如过滤器壳体)中，来控制进入空气的温度以及控制湿气。

根据一些实施例，多个模块可由节段形成，以简化换热器的组装，并且在维护期间提供移除部分的更简单接近，或改善中间冷却器内的接近。在一些实施例中提供分叉(bifurcation)来空气动力学地改善模块之间的连接区域。此外，分叉将适应模块之间的各种尺寸方面的热膨胀。

根据其它实施例，提供一种水取出装置。水取出装置可配置在流路(例如非限制性实例，中间冷却器内的流路)内。水取出装置可具有一个或更多个级，以通过容纳水滴来控制空气流路中的水含量，水滴的动量通过空气流路径中的转向而线性地运送。

所有上述概括的特征应理解为仅为示范的，并且可从本文中的公开中发现本实施例的许多另外的特征和目的。因此，不进一步阅读整个说明书、权利要求以及在此一同包括的附图，就不能理解本总结的限制性解释。

附图说明

这些示范实施例的上述和其他特征和优点以及获得他们的方式将变得更显而易见，并且通过参考结合附图进行的实施例的下列说明，换热器中间冷却器特征将更好理解，在附图中：

图1是一列式换热器的等距视图；

图2是具有一列式换热器中间冷却器的发电装置构造的等距规划；

图3是具有用于换热器中间冷却器的备选偏离发动机(off engine)构造的图1的发电装置的平面图；

图4是换热器中间冷却器的等距视图。

图5是换热器的节段的等距视图。

图6是换热器中间冷却器的侧截面图。

图7是备选换热器中间冷却器的侧截面图。

图8是又一备选换热器中间冷却器的侧截面图。

图9是示出模块化设计的换热器的等距视图。

图10是示出备选模块化设计的备选换热器的等距视图。

图11是允许热膨胀和收缩的换热器中间冷却器的分叉的等距视图。

图12是具有水取出装置的一个实施例的中间冷却器的侧截面图。

图13是图11的水取出装置的详细截面图。

图14是具有备选水取出实施例的示范中间冷却器的侧截面图。

具体实施方式

现在将详细地参照提供的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。作为公开实施例的说明而不是限制来提供各实施例。事实上，对于本领域专业人员显而易见的是，在本实施例中可进行各种更改和变化而不脱离本公开的精神和范畴。例如，例示或描述为一个实施例的部分的特征可与其他实施例一起使用以进一步形成更多实施例。因此，本发明意图覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的这种更改和变化。

参照图1-14，燃气涡轮发动机的各种实施例绘出为具有管道，该符合管道的翅片换热器中间冷却器。中间冷却器允许与涡轮发动机的一列式或偏离发动机的安装，并且具有降低制造、安装成本和与安装相关的成本(例如地产成本和运输相关成本)的特征。其他用途有利地在该公开的范围内。

术语首和尾是相对于发动机轴线使用的，并且分别通常指在发动机轴线的方向上朝涡轮发动机的前部或涡轮发动机的后部。术语径向地通常用于指示与发动机轴线垂直的方向。

首先参考图1，绘出符合翅片换热器中间冷却器30的容积管道的等距视图。中间冷却器30用在用于功率生成的发电装置中，或者备选地，该结构可构造为用于在航空或利用燃气涡轮发动机的其它领域中使用。中间冷却器30包括入口端32和出口端34，壳体36在入口与出口之间延伸，在该壳体36中配置有换热器40。中间冷却器30用于在接合涡轮结构之前冷却压缩级中的空气，该涡轮结构用在用于利用燃气涡轮发动机的其它过程的功率生成中。

现在参照图2，显示了具有功率生成涡轮发动机的典型装置的等距布局，在该涡轮发动机中可利用换热器中间冷却器30。在该示范构造中，实施例规定中间冷却器30配置为与用于功率生成的涡轮轴轴线成一列。换热器中间冷却器30定位成与压缩机的轴线成一列，并且绘出了示范发电装置的涡轮结构。如之前提到的，这种构造的优点为可因此使被冷却的空气流与涡轮轴成一列(31)，即对准，并且不必移动成与涡轮和压缩机系统不对准(131)。这降低了该任务通常要求的与管道相关的巨大成本。此外，中间冷却器30具有比现有中间冷却器系统小的占地面积，并且因而需要更小的装置地产来安置中间冷却器30。

参照图3，绘出备选实施例，其中，中间冷却器30可安置在各种位置中。尽管绘出了三个中间冷却器30，但是通常这些中间冷却器30可与系统独立地使用，并且因而附图绘出了可配置中间冷却器30的各种位置。附图不应解释为要求利用三个单独的中间冷却器。在图3的实施例中，中间冷却器30绘出为与发电装置的压缩机和涡轮轴线不成一列或离轴。该结构可配置在两个管道中的任一个中，该管道传统地与已知的中间冷却器设计一起利用或可安置成在示出管道的端部处替换已知的中间冷却器设计。管道可为圆形或其它几何形状的截面，并且还可为直管道或弯曲的。因而，换热器在一列式和离轴设计两者中都符合管道。

现在参照图4，绘出示范换热器40的等距视图。如前所述，换热器40配置在中间冷却器30内，并且空气流在换热器40的外侧上方经过，以冷却空气流或从换热器40内的流体流移除热。换热器40具有入口端部或面41、出口端部或面43以及其间的通道45。换热器40由多个节段50形成，节段50在轴向前端42与轴向尾端44之间延伸。除了使节段50在轴向方向上延伸之外，节段50在径向方向上堆叠在彼此的顶部上，以增大换热器40的径向尺寸。因而，换热器40由跨过流管道的多个环状圈区段或节段形成，并且从而允许用于换热的渗透流区域。沿径向方向放置的节段50提供圆柱形网格，该圆柱形网格允许在空气流动穿过换热器40时传热。示出的实施例的换热器通常为圆柱形，但是，可利用其他形状来使换热器符合其中安置换热器40的管道。例如，该结构可跨过径向长度沿径向方向渐缩。此外，还可利用不同于绘出的圆形横截面的其它几何形状。此外，如之前提到的，可使换热器40弯曲来配合弯曲管道的弯曲轴线。

现在参照图5，绘出一个节段50。节段50包括主体52，主体52周向地延伸并且具有轴向长度。多个流路或通路54跨过轴向长度，该流路或通路54沿着周向方向延伸，从而允许例如需要冷却的油或备选地允许冷却流体的流动，该冷却流体用于降低移动穿过换热器40的空气温度。节段50还包括在径向方向上延伸的多个翅片56。翅片56在刨削工序中由也限定主体52的单片材料形成。通过刨削翅片，消除将多个翅片硬焊至主体52的工序，并且因而可降低用于生产节段50的成本。主体结构52通常是挤出的，并且在随后的工序中，刨削步骤将翅片56从单片金属切开。翅片56可沿一个或更多个方向切开，例如如图所示，沿着轴向和周向方向。备选地，翅片56也可以以与螺旋翅片结构相似的一些角度延伸。

此外，翅片56示为从主体径向地延伸，以便从主体52向外延伸。但是，根据其它实施例，翅片56可被切开成以便或者径向向内，或者既径向向内又向外地延伸。

如之前所描述的，主体52包括多个流路或通路以用于待冷却的流体或冷却空气流的流体。备选地根据一个实施例，轴向最前的流通路54可为空白(blank)。即，最前的流路可不将任何流体流接收在其中，以便预防由进入换热器40的外来物体引起的流体泄漏(也称为外来物体损坏)。此外，在节段50的该前端处，主体52的前缘58弯曲来改善节段50的空气动力特性。同样地，前缘可具有增加的材料厚度，以降低由在空气流路中遭遇换热器40的外来物体引起的损坏。后缘可备选地为弯曲的。对于前缘，可利用各种其它的形状或布置来改善换热器40的整个组件的整体空气动力特性。

现在参照图6-8，各种附图绘出了换热器40在中间冷却器30内可具有的备选剖面。首先参照图6，换热器40绘出为在侧截面看时具有矩形剖面。该矩形形状由换热器40的前端42处以及换热器的尾端处的面形状部分地形成。前端42可如在备选实施例中所描述的那样变化。

现在参照图7，绘出备选几何形状。根据该实施例，换热器140的前端142利用渐缩前面来形成多边形剖面。可期望这种形状来改善空气动力特性或备选地限制由气流内物体引起的损坏。根据另一实施例，并且参照图8，换热器240可包括为圆凸形(torus shaped)的前剖面242。此外，这可出于各种理由而实施，包括但不限于，空气动力特性和限制由流路中材料引起的损坏。

现在参照图9，换热器40可形成为各种模块化设计或形状。在绘出的实施例中，结构显示为具有裂口60，裂口60径向地延伸穿过示范换热器40，以允许结构构造成两个模块70并且连接在一起。但是，可形成备选实施例，其中，可利用多个割线来形成更为模块化的形状而不限制结构的功能。例如，根据图10显示的实施例，换热器具有由两个线性裂口160-162限定的限定四半(quadrant)的四个模块化区段170。但是，这些实施例可形成为在模块的径向外部表面处具有各种轴向和/或角度长度的多个形状。

再次参照图2，以等距视图示出发电装置布局，其在工序的前端处具有过滤器壳体80。过滤器壳体通过入口82吸入空气并且为空气过滤掉一些材料，该空气被引导至低压压缩机并随后被引导至内冷却器30。换热器的结构可备选地用于根据备选实施例的过滤器壳体中。在该实施例中，主体52不周向地弯曲，而是可替代地为平直的或可形成为提供各种几何形状。如果发电装置处于高温度和高湿度环境下，则可对主体供应流体，以同样冷却空气。根据备选实施例，如果发电装置位于极低温环境且引入空气的温度需要升高，那么可利用加温流体。因而，换热器可用作预热器或预冷却部分，其在功率生成的低压压缩机步骤之前的一些位置处位于过滤器壳体80内。可选地，可通过由空气的冷却导致的自然冷凝或在本文中进一步描述的其他可选方法从进入过滤器的空气移除水。根据本公开的一些实施例，节段的主体结构可用于提供用于预热进入入口82的空气的加热流体。如果发电装置位于极高温度或高湿度环境中，那么如前所述，可利用其它节段来冷却流体。根据其它实施例，全体节段可用于加热或冷却。

现在参照图11，显示了一个示范换热器40的等距视图。出于简洁性而以虚线示出的分叉90配置在限定换热器40的模块化部分的裂口60中的各个处。分叉90抑制空气流在连接换热器40的模块的结构上方经过。分叉90因而抑制在其他情况下将发生的压力损失。分叉90还具有第二功能，其中分叉90允许换热器40的热生长。从起动至正常操作，换热器40将径向地92和轴向地94生长。此外，模块将周向地96在大小方面增大，以便裂口60或160、162将在尺寸方面增大。这部分地是由于穿过换热器40的径向和轴向温度分布。在操作期间，分叉90补偿或适应换热器40的热膨胀。绘出的分叉90具有空气动力剖面98来辅助连结模块的空气流移动结构。此外，分叉90将接受来自流体源和/或用于这种流体的管道系统的连接，其中，该流体将行进穿过换热器40。

如图11所绘出的，视图显示了流体如何移动到裂口60中，并然后可周向地移动穿过限定模块的节段50的管道或通路54。流体可从一个裂口到另一个进行单次行进。流体还可经由跨接管91移动跨过裂口60。在又一备选方案中，流体可在不完全旋转后离开，或可在穿过裂口中的至少一个离开之前绕换热器完成至少一个或更多个完全或部分的旋转。本领域技术人员将理解，由穿过换热器40行进的流体行进的弧形距离可基于换热器的半径和流体或者行进穿过换热器40的空气所需的冷却量而变化。

现在参照图12和13，中间冷却器30的侧截面图绘出为包括换热器40。行进穿过换热器40的流路接合壳体36的后壁或尾壁38。尾壁38具有内部表面，该内部表面包括围绕中间冷却器30的轴线周向地延伸的水取出设备46(图12)。设备46包括挡板(baffle)47，挡板47具有基本垂直于挡板47延伸的多个竖板(riser)48。挡板47可为平直的或可为曲线的，以配合后壁38的外形。竖板48可相对于挡板47以除90度之外的一些角度暴露，但通常形成多个通路64。头部49位于竖板48的与挡板47相反的端部处，并且降低通路64的开口大小。这有助于保留俘获在通路64内的水。吸收材料可放置在通路64的内表面上和/或沿着头部49的外表面放置，来保留水滴并且阻止它们再次附带到邻近水取出装置46经过的空气流中。本实施例利用大体平行于挡板47的头部49，使得头部49与竖板48形成T形横截面。但是，可利用备选形状，例如Y形横截面或其它设计。在任何情况下，通路64均比在头部49的端部之间形成的颈部66宽。如图12所绘出，水取出设备46沿着内冷却器30的后表面38定位。

在操作中，空气流移动穿过内冷却器并且行进穿过换热器40。在移动穿过换热器40后，空气流迅速地转向并且接合沿壳体36的后壁38定位的取出设备46。由于壳体36的剖面壳体和形状的改变，空气流迅速地改变方向。但是，水微粒的动量沿之前限定的路径运送，以便水微粒被运送到取出装置46中并且被收集在通路64中。水穿过这些通路64排至所期望的取出点，并且可从内冷却器30酌情收集或倾倒。收集或取出点可在取出装置46或中间冷却器30的底部处，以便重力将所收集的水移出系统。

参照图14，利用备选实施例，其中，水取出装置146位于换热器40与壳体36的尾壁38之间。取出设备146遇到来自换热器的空气流并接合空气流，从而如前所述地在空气流被迫使转向时从空气俘获出水微粒。由设备146限定的通路收集水并且将水移动至聚集位置或排放点，在此可从中间冷却器30移除水。根据该备选实施例，多个取出装置146可位于换热器40与后壁38之间。此外，图12和图14的实施例的结合可与定位在换热器40紧后方的一个或更多个取出设备146一起利用，并且额外地，取出装置沿后壁38定位。

虽然在本文中已经描述和示出了多个发明性实施例，但本领域技术人员将容易想象用于执行功能并且/或者获得在本文中描述的结果和/或一个或更多个优点的多种其它手段和/或结构，并且认为这种变型和/或修改中的各个在本文描述的实施例的发明范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易理解，在本文中描述的所有参数、尺寸、材料和构造仅意图为示范性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于本发明性教导所用于的具体应用或多个应用。通过仅使用例行实验，本领域技术人员将理解或能够确定本文描述的具体发明性实施例的许多等同物。因而，应当理解的是，前述实施例仅作为实例呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可与具体描述和主张的不同地实践发明性实施例。本公开的发明性实施例涉及本文描述的各单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，如果此种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互矛盾，那么两个或更多个此种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何结合包括在本公开的发明性范围内。

实例用以公开包括实施例，包括最佳实施方式，并且还使本领域技术人员能够实践装置和/或方法，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。这些实例不意图为详尽的或将本公开限制为所公开的准确步骤和/或形式，并且根据上述教导，许多修改和变型是可能的。本文描述的特征可以以任何结合来结合。本文描述的方法的步骤可以以物理上可能的任何顺序执行。

在本文中限定和使用的所有定义应当理解为超过词典定义、通过引用并入的文档中的定义、和/或限定用语的普遍含义来进行控制。如本文在说明书中和在权利要求中使用的不定冠词“一”和“一个”，除非相反地清楚滴指出，否则应当理解为指“至少一个”。本文在说明书中和在权利要求中使用的短语“和/或”应当理解为指如此结合的元件中的“任一者或两者”，即在一些情况下相连地呈现，并且在其它情况下分离地呈现的元件。

还应当理解的是，除非相反地清楚指出，否则在包括多于一个步骤或动作的在本文中主张的任何方法中，该方法的步骤或行动的顺序不一定限于叙述的本方法的步骤或行动的顺序。

在权利要求中，以及在上述说明书中，所有的过渡短语例如“包括”、“包含”、“运送”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由…组成”等应当理解为开放的，即，指包含但不限于。如在美国专利局专利审查指南2111.03节中陈述的，只有过渡短语“由…构成”、“本质上由…构成”应当分别为封闭或半封闭的过渡短语。

Claims (27)

1.一种换热器组件，包括：

轴向前面、轴向尾面和从所述轴向前面延伸至所述轴向尾面的通道、围绕所述轴向前面与所述轴向尾面之间的所述通道配置的多个周向节段；

所述多个周向节段中的各个由单片材料形成，具有沿周向方向延伸的内部流路；

各周向节段具有多个翅片，所述翅片通过刨削所述单片材料而形成，从而避免所述翅片的硬焊连接；

所述多个周向节段以径向向外延伸的布置堆叠；

所述多个周向节段在轴向布置中彼此邻接地配置；

其中，周向邻接的所述周向节段的所述内部流路沿周向方向对准。

2.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述翅片在径向或轴向方向中的一个上延伸。

3.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述翅片以径向向内或径向向外中的至少一种方式延伸。

4.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，至少一个轴向前部的所述周向节段的轴向前端具有空气动力学地特制的前缘。

5.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述轴向前面具有几何形状。

6.根据权利要求5所述的换热器组件，其特征在于，所述轴向前面具有渐缩、弯曲或平直中的一种。

7.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，还包括分叉，所述分叉允许径向和轴向方向上的热膨胀。

8.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述组件是模块化的。

9.根据权利要求8所述的换热器组件，其特征在于，模块化组件可分成两半。

10.根据权利要求8所述的换热器组件，其特征在于，模块化组件可分成四半。

11.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，还包括涡轮轴，所述涡轮轴延伸穿过所述通道。

12.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述换热器组件安置在从涡轮轴偏移的管道内。

13.一种翅片换热器组件，包括：

轴向前面、轴向后面和在轴向方向上形成在它们之间的流路；

多个节段，其周向地延伸并且围绕所述换热器组件的轴线配置；

所述节段布置成轴向地邻接彼此并且穿过所述流路径向地堆叠；

所述节段中的各个具有主体，所述主体具有周向地延伸穿过其的流通路以用于接收流体流；

所述节段中的各个具有由所述主体形成的多个翅片，并且消除了翅片的硬焊；

所述流路沿着所述轴向方向延伸穿过所述径向地堆叠的节段，以或者从行进穿过所述流通路的流体移除热，或者对行进穿过所述流通路的所述流体增加热。

14.根据权利要求13所述的翅片换热器组件，其特征在于，此外，所述轴向前面具有空气动力剖面。

15.根据权利要求13所述的翅片换热器组件，其特征在于，还包括所述节段的空气动力前缘。

16.根据权利要求13所述的翅片换热器组件，其特征在于，此外，所述翅片以径向向内和径向向外中的至少一种方式以及周向和轴向中的至少一种方式延伸。

17.根据权利要求13所述的翅片换热器组件，其特征在于，所述换热器组件是模块化的。

18.根据权利要求13所述的翅片换热器组件，其特征在于，所述换热器组件与涡轮和压缩机成一列地配置。

19.根据权利要求18所述的翅片换热器组件，其特征在于，涡轮轴延伸穿过所述换热器中的通道。

20.一种换热器组件，包括：

节段，其具有主体和延伸穿过所述主体的多个流通路；

所述节段具有多个翅片，所述翅片从所述主体沿径向向内和向外方向中的至少一者延伸；

第一排所述节段，其轴向地布置，和第二排所述节段，其沿所述径向方向从所述第一排所述节段在外地布置；

其中，邻接节段的流通路对准以用于接收流体流，所述第一排所述节段和所述第二排所述节段在径向堆叠；

流路，其跨过多个节段沿轴向方向限定。

21.根据权利要求20所述的换热器组件，其特征在于，所述节段为周向的。

22.根据权利要求20所述的换热器组件，其特征在于，所述节段为平直的。

23.根据权利要求20所述的换热器组件，其特征在于，所述换热器位于中间冷却器中。

24.根据权利要求20所述的换热器组件，其特征在于，所述换热器位于过滤器壳体中。

25.根据权利要求20所述的换热器组件，其特征在于，所述换热器配置在流路内。

26.根据权利要求20所述的换热器组件，其特征在于，所述换热器与涡轮发动机成一列地配置或者与燃气涡轮发动机离轴地配置。

27.根据权利要求26所述的换热器组件，其特征在于，中间冷却器配置在管道中或连接至与所述发动机隔开的管道。