CN107044347B - 一种回热器和燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回热器和燃气轮机。回热器包括壳体、位于壳体内的换热器以及第一环形集气腔和第二环形集气腔，其中：换热器包括环形设置且具有相隔离冷流道和热流道的换热核心部；第一环形集气腔一端具有高压空气进气口，另一端具有沿周向分布且与换热核心部的冷流道的进口连通的若干个进气歧管；第二环形集气腔一端具有高压空气出气口，另一端具有沿周向分布且与换热核心部的冷流道的出口连通的若干个出气歧管；壳体内具有与换热核心部的热流道的进口连通的高温燃气进气腔，以及与换热核心部的热流道的出口连通的高温燃气出气腔。相比现有技术，该方案可以减轻回热器的整体质量，从而缩短回热器达到热平衡所需时间，提高换热效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种回热器和燃气轮机。
背景技术
燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，并将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。根据结构形式的不同，燃气轮机可以分为重型燃气轮机、轻型燃气轮机和微型燃气轮机。
以微型燃气轮机为例，微型燃气轮机主要包括压气机、燃烧室和涡轮，其工作过程为：压气机从大气中吸入空气并将空气压缩，压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合后燃烧产生高温燃气，然后高温燃气流入涡轮中膨胀做功，而推动涡轮做功后的燃气直接排放到大气中，此时排放的燃气温度仍然可达到500℃～700℃。为了充分利用能源并提高工作效率，现有的燃气轮机通常还包括回热器，用于将压气机压缩后的空气与涡轮排出的燃气进行换热，一方面可以充分利用燃气轮机的排气余热，另一方面还可以提高燃烧室燃烧的基础温度。
现有技术存在的缺陷在于，由于压气机压缩后的高压空气需要在回热器内进行换热，因此回热器的壳体需要有足够的厚度来承载高压空气，这样就导致回热器的整体质量较重，进而导致回热器达到热平衡所需的时间较长，影响换热效率。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种回热器和燃气轮机，以减轻回热器的整体质量，从而缩短回热器达到热平衡所需时间，提高换热效率。
本发明实施例提供了一种回热器，包括壳体、位于壳体内的换热器以及分别位于换热器两侧的第一环形集气腔和第二环形集气腔，其中：
所述换热器包括环形设置且具有相隔离冷流道和热流道的换热核心部；
所述第一环形集气腔一端具有高压空气进气口，另一端具有沿周向分布且与所述换热核心部的冷流道的进口连通的若干个进气歧管；
所述第二环形集气腔一端具有高压空气出气口，另一端具有沿周向分布且与所述换热核心部的冷流道的出口连通的若干个出气歧管；
所述壳体内具有与所述第二环形集气腔同侧设置且与换热核心部的热流道的进口连通的高温燃气进气腔，以及与所述第一环形集气腔同侧设置且与换热核心部的热流道的出口连通的高温燃气出气腔。
优选的，所述高温燃气进气腔的进气口处设置有进气流道，所述进气流道的通道截面面积朝靠近所述换热器的方向逐渐增大。
更优的，所述进气流道包括外壳和套设于所述外壳内的内壳，所述外壳和内壳之间的区域形成进气流道的通道。
进一步，所述外壳靠近所述换热器的一端与所述第二环形集气腔的外壁连接，所述内壳靠近所述换热器的一端与所述换热核心部的环形内壁连接。
可选的，所述壳体靠近所述第一环形集气腔的一侧设置有膨胀节；和/或，所述壳体靠近所述第二环形集气腔的一侧设置有膨胀节。
优选的，所述膨胀节为波纹管膨胀节。
优选的，所述膨胀节为不锈钢膨胀节。
优选的，所述换热器为板翅式换热器。
在本发明实施例技术方案中，高压空气通过高压空气进气口进入第一环形集气腔，进而通过进气歧管进入换热器中与由高温燃气进气腔输入的高温燃气进行热交换，换热后的高压空气通过出气歧管进入第二环形集气管，然后由高压空气出气口排出回热器，在此过程中，高压空气在第一环形集气腔、换热器和第二环形集气腔形成的封闭管路中循环而不会进入回热器的壳体内，这样，回热器的壳体可以按非压力容器进行设计，壳体厚度相对较薄，相比现有技术，该方案可以大大减轻回热器的整体质量，从而缩短回热器达到热平衡所需时间，提高换热效率。
本发明还提供了一种燃气轮机，包括压气机、燃烧室、涡轮以及上述任一技术方案中的回热器，所述压气机与所述回热器的高压空气进气口连通，所述燃烧室与所述回热器的高压空气出气口连通，所述涡轮与所述回热器的高温燃气进气腔连通。
可选的，所述压气机包括离心式压气机、轴流式压气机或混合流式压气机。
本发明实施例提供的燃气轮机整体质量较轻，工作效率较高。
附图说明
图1为本发明实施例回热器内高压空气流动路径示意图；
图2为本发明实施例回热器内高温燃气流动路径示意图。
附图标记：
10-壳体
20-换热器
30-第一环形集气腔
40-第二环形集气腔
21-换热核心部
31-高压空气进气口
32-进气歧管
41-高压空气出气口
42-出气歧管
11-高温燃气进气腔
12-高温燃气出气腔
13-进气流道
14-外壳
15-内壳
16-膨胀节
具体实施方式
为了减轻回热器的整体质量，从而缩短回热器达到热平衡所需时间，提高换热效率，本发明实施例提供了一种回热器和燃气轮机。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的回热器，包括壳体10、位于壳体内的换热器20以及分别位于换热器20两侧的第一环形集气腔30和第二环形集气腔40，其中：
换热器20包括环形设置且具有相隔离冷流道和热流道的换热核心部21；
第一环形集气腔30一端具有高压空气进气口31，另一端具有沿周向分布且与换热核心部21的冷流道的进口连通的若干个进气歧管32；
第二环形集气腔40一端具有高压空气出气口41，另一端具有沿周向分布且与换热核心部21的冷流道的出口连通的若干个出气歧管42；
壳体10内具有与第二环形集气腔40同侧设置且与换热核心部21的热流道的进口连通的高温燃气进气腔11，以及与第一环形集气腔30同侧设置且与换热核心部21的热流道的出口连通的高温燃气出气腔12。
在本发明实施例技术方案中，高压空气通过高压空气进气口31进入第一环形集气腔30，进而通过进气歧管32进入换热器20中与由高温燃气进气腔11输入的高温燃气进行热交换，换热后的高压空气通过出气歧管42进入第二环形集气管40，然后由高压空气出气口41排出回热器，在此过程中，高压空气在第一环形集气腔30、换热器20和第二环形集气腔40形成的封闭管路中循环而不会进入回热器的壳体10内，这样，回热器的壳体可以按非压力容器进行设计，壳体厚度相对较薄，相比现有技术，该方案可以大大减轻回热器的整体质量，从而缩短回热器达到热平衡所需时间，提高换热效率。
在本发明实施例中，在回热器设计阶段，可通过CFD(Computational FluidDynamics，计算流体动力学，简称CFD)对第一环形集气腔30和第二环形集气腔40进行仿真分析，以得到能够最大限度减少高压空气压力损失的结构尺寸。换热器20的具体类型不限，在本发明的优选实施实例中，换热器20为板翅式换热器。
在本发明的优选实施实例中，高温燃气进气腔11的进气口处设置有进气流道13，进气流道13的通道截面面积朝靠近换热器20的方向逐渐增大。采用该技术方案，上述结构的进气流道13可等效于扩压管，高温燃气在经过进气流道13进入高温燃气进气腔11时可实现减速扩压的目的。更优的，进气流道13包括外壳14和套设于外壳内的内壳15，外壳14和内壳15之间的区域形成进气流道13的通道。通过设置内壳15，使得高温燃气进入高温燃气进气腔11时的热负荷得以缓冲，避免对换热器20造成直接冲击，提高了回热器的工作可靠性。
进一步，外壳14靠近换热器20的一端与第二环形集气腔40的外壁连接，内壳15靠近换热器20的一端与换热核心部21的环形内壁连接。采用该技术方案，外壳14靠近换热器20的一端与第二环形集气腔40的外壁连接可以有效减小回热器的轴向长度，从而进一步减轻回热器的整体质量；内壳15靠近换热器20的一端与换热核心部21的环形内壁连接可以避免高温燃气直接通过换热核心部21界定出的内孔进入高温燃气出气腔12，造成热量损失。
在本发明的优选实施例中，壳体10靠近第一环形集气腔30的一侧设置有膨胀节16，以补偿回热器内第一环形集气腔30、第二环形集气腔40、换热器20以及高温燃气进气腔11和高温燃气出气腔12由于温度变化和机械误差等原因造成的附加应力，提高了回热器的工作可靠性。需要说明的是，壳体10靠近第二环形集气腔40的一侧也可以设置膨胀节16。具体的，在本发明实施例中，膨胀节16可选用能够沿回热器的轴向方向伸缩的波纹管膨胀节，以对回热器的轴向长度变形进行补偿。优选的，膨胀节16为不锈钢膨胀节，不锈钢的塑性较好，同时较耐腐蚀，采用不锈钢膨胀节时其厚度可相对减薄，从而能够进一步减轻回热器的整体质量。
本发明还提供了一种燃气轮机，包括压气机、燃烧室、涡轮以及上述任一技术方案中的回热器，压气机与回热器的高压空气进气口连通，燃烧室与回热器的高压空气出气口连通，涡轮与回热器的高温燃气进气腔连通。本发明实施例提供的燃气轮机整体质量较轻，工作效率较高。其中，压气机的具体类型不限，例如可以为离心式压气机、轴流式压气机或混合流式压气机。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种回热器，其特征在于，包括壳体、位于壳体内的换热器以及分别位于换热器两侧的第一环形集气腔和第二环形集气腔，其中：
所述换热器包括环形设置且具有相隔离冷流道和热流道的换热核心部；
所述第一环形集气腔一端具有高压空气进气口，另一端具有沿周向分布且与所述换热核心部的冷流道的进口连通的若干个进气歧管；
所述第二环形集气腔一端具有高压空气出气口，另一端具有沿周向分布且与所述换热核心部的冷流道的出口连通的若干个出气歧管；
所述壳体内具有与所述第二环形集气腔同侧设置且与换热核心部的热流道的进口连通的高温燃气进气腔，以及与所述第一环形集气腔同侧设置且与换热核心部的热流道的出口连通的高温燃气出气腔；
所述高温燃气进气腔的进气口处设置有进气流道，所述进气流道的通道截面面积朝靠近所述换热器的方向逐渐增大；所述进气流道包括外壳和套设于所述外壳内的内壳，所述外壳和内壳之间的区域形成进气流道的通道，所述外壳靠近所述换热器的一端与所述第二环形集气腔的外壁连接，所述内壳靠近所述换热器的一端与所述换热核心部的环形内壁连接；
所述壳体靠近所述第一环形集气腔的一侧设置有膨胀节。
2.如权利要求1所述的回热器，其特征在于，所述壳体靠近所述第二环形集气腔的一侧设置有膨胀节。
3.如权利要求2所述的回热器，其特征在于，所述膨胀节为波纹管膨胀节。
4.如权利要求2所述的回热器，其特征在于，所述膨胀节为不锈钢膨胀节。
5.如权利要求1～4任一项所述的回热器，其特征在于，所述换热器为板翅式换热器。
6.一种燃气轮机，其特征在于，包括压气机、燃烧室、涡轮以及如权利要求1～5任一项所述的回热器，所述压气机与所述回热器的高压空气进气口连通，所述燃烧室与所述回热器的高压空气出气口连通，所述涡轮与所述回热器的高温燃气进气腔连通。
7.如权利要求6所述的燃气轮机，其特征在于，所述压气机包括离心式压气机、轴流式压气机或混合流式压气机。
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