CN108979864A - 一种微型燃气轮机及回热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种回热器，由冷侧薄板和热侧薄板沿圆周方向交错叠合形成环状，冷侧薄板的一面为包括第一换热区和导流区的第一蚀刻面，另一面为第一光面，第一换热区由沿回热器轴向延伸的换热槽构成，导流区包括冷流导入区和冷流导出区，两者均由沿回热器径向延伸的导流槽构成；热侧薄板的一面为第二蚀刻面，另一面为第二光面，第二蚀刻面整体均为第二换热区，第二换热区由沿回热器轴向延伸的换热槽构成；第一蚀刻面与第二光面叠合后形成冷流通道；第二蚀刻面与第一光面构成沿回热器轴向分布的热流通道。该回热器可以保证热侧薄板和冷侧薄板在叠合焊接后的密封性，避免换热的流体之间相互掺混。本发明还涉及一种微型燃气轮机。

Description

一种微型燃气轮机及回热器
技术领域
本发明涉及微型燃气轮机用回热器设计制造技术领域，尤其涉及一种微型燃气轮机及回热器。
背景技术
微型燃气轮机作为能源岛供能系统的核心部分，近些年来得到了长足发展，能源岛采用高效能微型燃气轮机作为动力，当采用高紧凑度回热器时，仅发电效率就可达到30％。回热器作为微型燃气轮机的核心部件之一，主要作用是利用向心涡轮排出的高温燃气加热离心压气机排出的高压低温空气，以此来提高燃烧室入口空气温度，有效利用余热，从而提高微型燃气轮机整体的热效率。
目前常用的微型燃气轮机回热器为原表面回热器，其由若干换热芯体沿周向焊接组成，单位换热芯体由两块波纹板、若干封条和导流板焊接组成。波纹板由薄平板模压出波纹后再进行二次冲压，使其形成中心矩形波纹区以及周围踏平区。两块波纹板之间的间隙形成空气流通通道，踏平区之间的间隙安放导流板，不同芯体之间相邻波纹板的间隙形成燃气流通通道，踏平区之间的间隙安放导流板。
原表面回热器的波纹板厚一般为0.1mm左右，波纹振幅(高度)一般为1mm左右，由于原表面回热器的空气流通通道以及燃气流通通道的截面的高宽比一般大于1，因此在进行二次冲压时，极易造成板材的破裂，由于燃气与空气存在压差，一旦波纹板产生裂缝或密封条焊接不严，将造成不可避免的泄漏问题，给压气机做工能力带来负面影响。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种回热器，以解决目前原表面回热器在进行二次冲压时容易导致板材破裂的问题，保证回热器的密封，避免不同换热介质相互混合。
本发明的另一目的还在于提供一种采用上述回热器的微型燃气轮机。
为达到上述目的，本发明所公开的回热器，用于微型燃气轮机中，所述回热器由冷侧薄板和热侧薄板沿圆周方向交错叠合形成环状，并扩散焊接为一体，其中，
所述冷侧薄板的一面为第一蚀刻面，另一面为第一光面，所述第一蚀刻面包括第一换热区和导流区，所述第一换热区由多条沿所述回热器轴向延伸的换热槽构成，所述导流区包括冷流导入区和冷流导出区，所述冷流导入区和冷流导出区分别位于所述第一换热区轴向上的两端，且均由沿所述回热器径向延伸的导流槽构成；
所述热侧薄板的一面为第二蚀刻面，另一面为第二光面，所述第二蚀刻面整体均为第二换热区，所述第二换热区由多条沿所述回热器轴向延伸的换热槽构成；
所述第一蚀刻面与所述第二光面叠合后形成冷流通道，所述冷流通道的入口和出口沿所述回热器的径向分布；
所述第二蚀刻面与所述第一光面构成沿所述回热器轴向分布的热流通道。
优选的，所述冷侧薄板和所述热侧薄板均为等腰梯形，且所述梯形的下底构成所述回热器的内圈，上底构成所述回热器的外圈。
优选的，任意一所述冷侧薄板和所述热侧薄板均被模压为渐开线形状。
优选的，所述第一换热区为矩形，所述第一换热区沿所述回热器轴向上的边长与所述冷侧薄板的上底相等，所述导流区为所述第一换热区两端的三角形区域，且所述导流槽与所述冷侧薄板的腰平行。
优选的，所述第一换热区和所述第二换热区的换热槽的横截面均为半圆形。
优选的，所述第一换热区的换热槽的横截面直径为D1，所述第二换热区的换热槽的横截面直径为D2，冷流的静压与静温的比值为A1，热流的静压与静温的比值为A2，其中D1/D2＝A2/A1。
优选的，所述第一换热器中的所述换热槽为直线型、波浪线型、或Z字型中的一种或者多种组合。
优选的，所述第二换热区的所述换热槽为直线型、波浪线型、或Z字型中的一种或者多种组合。
优选的，所述导流槽为直线型、圆弧形或样条曲线型中的一种或多种组合。
本发明所公开的微型燃气轮机中，设置有回热器，其中，该回热器为上述任意一实施例中所公开的回热器。
由以上技术方案可以看出，本发明中所公开的回热器，由冷侧薄板和热侧薄板沿圆周方向交错叠合形成环状，并扩散焊接为一体；冷侧薄板上通过蚀刻形成了换热区和导流区，燃气测薄板上通过蚀刻形成了换热区，在冷侧薄板和热侧薄板叠合之后形成冷流通道和热流通道，其中，冷流通道的入口和出口由冷流导入区和冷流导出区形成，冷流通道的换热区由第一换热区形成；热流通道的为一个轴向通道，其入口和出口均沿回热器的轴向。
可见，无论是冷侧薄板上的导流区还是换热区，亦或是热侧薄板上的换热区，导流槽和换热槽均是通过蚀刻形成的，蚀刻工艺是一种成熟的工艺，可以精确控制槽的深度和形状，不存在现有技术中因冲压导致材料破裂的问题，采用该种工艺形成导流槽和换热槽就可以保证热侧薄板和冷侧薄板在叠合焊接后的密封性，避免换热的流体之间相互掺混。
本发明中所公开的微型燃气轮机由于采用了上述回热器，因而也具备上述回热器相应的技术优点，本文中对此不再进行赘述。
附图说明
图1为本发明实施例中所公开的回热器的整体示意图；
图2为本发明实施例中所公开的空气侧薄板的结构示意图；
图3为本发明实施例中所公开的空气侧薄板的细节示意图；
图4为本发明实施例中所公开的燃气侧薄板的结构示意图；
图5为本发明实施例中所公开的燃气侧薄板的细节示意图；
图6为空气侧薄板模压为渐开线形式后的结构示意图；
图7为第一换热区的换热槽为波浪线形式时的空气侧薄板结构示意图；
图8为第一换热区的换热槽为直线形式时的空气侧薄板结构示意图；
图9为第一换热区的换热槽为Z字型时的空气侧薄板结构示意图；
图10为图1中A部分的局部放大示意图。
其中，1为回热器，11为空气侧薄板，111为空气导入区，112为导流槽，113为第一换热区，114为空气导出区，115为第一换热区的换热槽，12为燃气侧薄板，121为第二换热区，122为第二换热区的换热槽。
具体实施方式
本发明的核心之一是供一种回热器，以解决目前原表面回热器在进行二次冲压时容易导致板材破裂的问题，保证回热器的密封，避免不同换热介质相互混合。
本发明的另一核心还在于提供一种具有上述回热器的微型燃气轮机。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明中，以适用于微型燃气轮机的回热器1为例来进行说明，冷流具体为空气，热流为燃气，因此冷侧薄板可称为空气侧薄板11，热侧薄板可称为燃气侧薄板12，冷流通道可称为空气通道，热流通道可称为燃气通道。应当理解，上述描述仅仅是为了帮助本领域技术人员对于方案的理解，不应当构成对本发明保护范围的影响，冷流和热流还可以为其他具有温度差异的流体。
请同时参考图1，本发明所公开的回热器1，用于微型燃气轮机中，尤其是具有全环形燃烧室的微型燃气轮机中，该回热器1由空气侧薄板11和燃气侧薄板12沿圆周方向交错叠合形成环状，并且通过扩散焊焊接为一体式结构，请参考图2至图5，空气侧薄板11的一面为第一蚀刻面，另一面为第一光面，第一蚀刻面包括第一换热区113和导流区，第一换热区113由多条沿回热器1轴向延伸的换热槽构成，并且导流区包括空气导入区111和空气导出区114，空气导入区111和空气导出区114分别位于第一换热区113轴向上的两端，如图2中所示，并且导流区由沿回热器1径向延伸的导流槽构成；燃气侧薄板12的一面为第二蚀刻面，另一面为第二光面，第二蚀刻面整体为第二换热区121，如图4中所示，第二换热区121由多条沿回热器1轴向延伸的换热槽构成；第一蚀刻面与第二光面叠合后形成空气通道，空气通道的入口和出口沿回热器的径向分布，空气通道的换热部位沿回热器的轴向分布，第二蚀刻面与第一光面构成沿回热器1轴向分布的燃气通道。
如图1中所示，燃气通道中的燃气流向沿回热器1的轴向，空气通道中的空气的流向是沿回热器1的径向进出，沿回热器1的轴向与燃气换热，并且空气与燃气的流向相反，即空气与燃气逆流换热。
所谓交错叠合的意思具体是，任意相邻两个燃气侧薄板12之间为一个空气侧薄板11，任意相邻两个空气侧薄板11之间为一个燃气侧薄板12。
实际生产过程中，通常是将厚度为0.5mm左右的不锈钢薄板根据设计剪裁成为需要的形状，然后通过化学蚀刻技术在不锈钢薄板上蚀刻出需要的换热槽与导流槽。
由上述实施例中所公开的方案可以看出，本发明所公开的回热器1中，无论是空气侧薄板11上的导流区还是换热区，亦或是燃气侧薄板12上的换热区，导流槽和换热槽均是通过蚀刻形成的，蚀刻工艺是一种成熟的工艺，可以精确控制槽的深度和形状，不存在现有技术中因冲压导致材料破裂的问题，采用该种工艺形成导流槽和换热槽就可以保证燃气侧薄板和空气侧薄板在叠合焊接后的密封性，避免换热的流体之间相互掺混。
为了方便导流区的设置，本实施例中的空气侧薄板11和燃气侧薄板12均为等腰梯形，如图2至图5中所示，梯形的下底构成回热器1的内圈，上底构成回热器1的外圈，整个回热器1呈中间厚边缘薄的环形；第一换热区113为矩形，第一换热区113沿回热器1轴向上的边长与空气侧薄板11的上底相等，如图2中所示，导流区为第一换热区113两端的三角形区域，导流槽的角度不受限制，只要保证能够将空气导流为沿回热器的轴向流动即可，本实施例中优选的将导流槽设计为与空气侧薄板11的腰平行，如图2中所示。
如图6中所示，空气侧薄板11和燃气侧薄板12均被模压为渐开线形状，在叠合形成环状的过程中，空气侧薄板11和燃气侧薄板12的下底构成平滑的内环，空气侧薄板11和燃气侧薄板12的上底构成锯齿状的外圈。
由于空气与燃气的体积流量相差甚远，二者流速差异极大，考虑到压力与温度的共同影响，第一换热区113和第二换热区121的换热槽的横截面形状均为半圆形，第一换热区113的换热槽的横截面直径为D1，第二换热区121的换热槽的横截面直径为D2，空气的静压与静温的比值为A1，燃气的静压与静温的比值为A2，并且满足以下关系：D1/D2＝A2/A1，其中，空气和燃气的静温可取定性温度，静压可取平均压力。定性温度为查询物性参数时使用的温度，空气和燃气的静温可取流体流经回热器进出口的算数平均温度，平均压力为查询物性参数时使用的压力，空气和燃气的静温可取流体流经回热器进出口的算数平均压力，该种设计使得冷热两侧流体(空气与燃气)速度基本一致，换热效果最好，且燃气的压降损失大幅减少。
为了进一步增强回热器1的换热能力，第一换热区113中的换热槽包括但不限于直线型、波浪线型或Z字型，并且可以为其中的一种或者多种的组合，如图7至图9中所示；同理，第二换热区121中的换热槽同样也是包括但不限于直线型、波浪线型或Z字型，并且可以为其中的一种或者多种的组合。
图2和图3中所示的导流槽为直线型导流槽，除了直线型，还可以将导流槽设计为圆弧形或者样条曲线形，导流槽可以为单一形状，也可为多种形状的组合，相邻两个导流槽的间距可以相等也可不相等，在相邻两个导流槽之间的间距设计为不相等的情况时，导流槽除了起到导流作用外，还能够起到整流作用。
本发明还公开了一种微型燃气轮机，该微型燃气轮机中安装有回热器，以提高微型燃气轮机的热效率，并且该回热器为上述任意一实施例中所公开的回热器。
由于采用了上述回热器，因此该微型燃气轮机兼具上述回热器相应的技术优点，本文中对此不再进行赘述。
以上对本发明所提供的微型燃气轮机及回热器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种回热器，用于微型燃气轮机中，其特征在于，所述回热器由冷侧薄板和热侧薄板沿圆周方向交错叠合形成环状，并扩散焊接为一体，其中，
所述冷侧薄板的一面为第一蚀刻面，另一面为第一光面，所述第一蚀刻面包括第一换热区和导流区，所述第一换热区由多条沿所述回热器轴向延伸的换热槽构成，所述导流区包括冷流导入区和冷流导出区，所述冷流导入区和冷流导出区分别位于所述第一换热区轴向上的两端，且均由沿所述回热器径向延伸的导流槽构成；
所述热侧薄板的一面为第二蚀刻面，另一面为第二光面，所述第二蚀刻面整体均为第二换热区，所述第二换热区由多条沿所述回热器轴向延伸的换热槽构成；
所述第一蚀刻面与所述第二光面叠合后形成冷流通道，所述冷流通道的入口和出口沿所述回热器的径向分布；
所述第二蚀刻面与所述第一光面构成沿所述回热器轴向分布的热流通道。
2.根据权利要求1所述的回热器，其特征在于，所述冷侧薄板和所述热侧薄板均为等腰梯形，且所述梯形的下底构成所述回热器的内圈，上底构成所述回热器的外圈。
3.根据权利要求2所述的回热器，其特征在于，任意一所述冷侧薄板和所述热侧薄板均被模压为渐开线形状。
4.根据权利要求2所述的回热器，其特征在于，所述第一换热区为矩形，所述第一换热区沿所述回热器轴向上的边长与所述冷侧薄板的上底相等，所述导流区为所述第一换热区两端的三角形区域，且所述导流槽与所述冷侧薄板的腰平行。
5.根据权利要求1所述的回热器，其特征在于，所述第一换热区和所述第二换热区的换热槽的横截面均为半圆形。
6.根据权利要求5所述的回热器，其特征在于，所述第一换热区的换热槽的横截面直径为D1，所述第二换热区的换热槽的横截面直径为D2，冷流的静压与静温的比值为A1，热流的静压与静温的比值为A2，其中，D1/D2＝A2/A1。
7.根据权利要求1所述的回热器，其特征在于，所述第一换热器中的所述换热槽为直线型、波浪线型、或Z字型中的一种或者多种组合。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的回热器，其特征在于，所述第二换热区的所述换热槽为直线型、波浪线型、或Z字型中的一种或者多种组合。
9.根据权利要求1所述的回热器，其特征在于，所述导流槽为直线型、圆弧形或样条曲线型中的一种或多种组合。
10.一种微型燃气轮机，设置有回热器，其特征在于，所述回热器为如权利要求1-9任意一项所述的回热器。
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