CN114543119A - 一种螺旋板式回热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气涡轮回热器技术领域，具体公开了一种螺旋板式回热器，包括呈圆柱状的壳体；所述壳体包括内壁、外壁、底板、以及位于内壁与外壁之间且与外壁之间形成空气入口的换热构造；所述内壁、外壁、底板之间形成用于安装换热构造的腔室；所述换热构造沿壳体周向呈环形分布的多根空气通道、沿壳体周向呈环形分别设置多根燃气通道，以及间隔设置在每根空气通道内的若干组换热件；所述空气通道、燃气通道由外壁向内壁间隔设置。本发明能够有效的提高换热效率，延缓气流流出的速度，降低流动过程中所产生的噪声，提高噪声频率和衰减率。

Description

一种螺旋板式回热器

技术领域

本发明涉及回热器技术领域，更具体地讲，涉及一种螺旋板式回热器。

背景技术

在换热器现有技术方案中，螺旋板式换热器是两块金属板绕卷形成一对同心圆的螺旋型流道，一侧流道始于中心，终于边缘，另一侧流道始于边缘，终于中心。两种流体在隔板两侧逆流流动进行热交换。螺旋板式换热器具有传热效率高、低温热能回收率高、运行可靠性强等优点。某型高温燃气涡轮的总体布置形式比较适合采用螺旋板式换热器当作回热器，回热器的功能是用涡轮做完功的热气加热参与燃烧前的空气，可大幅减少燃油消耗。

传统的螺旋板式换热器用专用卷板机进行卷制，每张金属板上均匀布设定距柱，维持两张金属板之间的距离，然而定距柱在流道内阻碍流体运动，增加额外的重量，增加流体动能损失，降低单位重量的能效，减低单位压力损失的对流换热效率。传统的螺旋板式换热器流道间距较小，冷热流道各自的间距相近，整体重量大。某型高温燃气涡轮上的回热器换热介质是冷热两股气体，体积流量相差几倍，在传统流道里冷侧和热侧动能损失不协调，难以匹配高温燃气涡轮总体气动参数。高温燃气涡轮回热器内高温燃气进口温度非常高，整体温差大，螺旋板式换热器回收低温热能的优势反而变成劣势。

在现有的火焰筒固定结构技术方案中，火焰筒在高温、剧烈振动和严重热冲击等恶劣条件下工作，会产生很大的热应力、蠕变应力和疲劳应力，从而产生裂纹、变形掉块、烧蚀和腐蚀等故障。火焰筒在工作时承受着巨大的气动载荷和振动载荷，以及因受热冲击引起的胀缩，火焰筒的定位与与支撑设计要求结构简单，可靠，燃烧室装拆方便，充分考虑热补偿，在轴向和径向有自由变形的空间。

采用圆柱销钉，矩形销钉，安装边等定位方式，基本满足火焰筒定位与支撑结构的设计要求，但是很难解决径向与轴向的协调变形问题，容易造成配合面应力集中。球铰式装配要求高，装拆不方便，大尺寸定位结构阻碍流体运动，对燃烧室的局部气动性能有较大影响。

在现有的高温燃气涡轮尾喷管排气消声技术方案中，高温燃气涡轮排气时，排气与大气剧烈混合，两者混合时将引起速度和压力的强烈波动，从而产生声波。排气射流与大气之间的相对速度引发剪切作用，在排气出口附近产生的湍流会产生高频噪声，而在排气口的更下游，湍流会产生低频噪声。实验证明，噪声强度与排气速度的8次方成正比。现有方法是更改尾喷管结构，通过更快更短的混合区域抑制噪声，这会降低低频噪声，增加高频噪声，高频噪声衰减更快，可达到听者可听频率之外。比如使用包含波纹状或叶状噪声抑制器的尾喷管，增加排气与大气之间的接触面积。

深波纹、叶片或多叶片可降低噪音水平，但会增加重量，降低性能水平，性能损失会限制波纹或叶片的深度或数量。吸音衬里通常由蜂窝状背衬支撑的多孔表层组成，在外表面和高温燃气涡轮管道之间提供分隔，衬里将声能转化成热量，可以起到很好的噪声抑制效果，但是阻力和重量会增加，降低做功与重量的比值，导致整体油耗增加。

在现有的燃油分配技术方案中，高温燃气涡轮燃油系统主要包含燃油分配器、燃油总管、燃油喷嘴和放油活门。燃油总管是燃油喷嘴供油的主管路，燃油总管供油的模式和稳定性关系到燃油喷嘴的工作状态和工作性能，从而关系到燃烧室的可靠点火和稳定燃烧，直接影响到燃烧室的燃烧效率、出口温度分布等性能参数。燃油总管通常呈环形安装于燃烧室机匣外侧。在燃油分配器的设计中，通常是靠燃油压力与弹簧力作用在活门上，燃油压力增加到一定程度时克服弹簧力的作用接通油路。

高温燃气涡轮起动时，靠近燃油总管进油口的燃油喷嘴易先建压，远离燃油总管进油口的燃油喷嘴建压较慢，使燃烧室周向供油不均匀，影响点火等性能。燃油分配器体积较大、质量较大，选择安装位置受限，安装和固定结构繁多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种螺旋板式回热器，能够有效的提高换热效率，延缓气流流出的速度，降低流动过程中所产生的噪声，提高噪声频率和衰减率。

本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

一种螺旋板式回热器，包括呈圆柱状的壳体；所述壳体包括内壁、外壁、底板、以及位于内壁与外壁之间且与外壁之间形成空气入口的换热构造；

所述内壁、外壁、底板之间形成用于安装换热构造的腔室；

所述换热构造沿壳体周向呈环形分布的多根空气通道、沿壳体周向呈环形分别设置多根燃气通道，以及间隔设置在每根空气通道内的若干组换热件；所述空气通道、燃气通道由外壁向内壁间隔设置，换热构造与内壁之间形成燃气入口。

所述空气通道和燃气通道靠近内壁一端的端口沿内壁的周向均匀设置。

空气从空气入口进入到空气通道内，并沿空气通道向空气出口一侧运动，进入到燃烧室内；高温燃气从燃气入口进入到燃气通道内且继续流动，并进入燃烧室内，通过在空气通道、燃气通道的间隔设置实现了空气与高温燃气的换热；由于装置内部压力相差较大，温度变化剧烈，通过在空气通道内设置换热件将增加结构强度度，充分利用较大的温差，协调冷侧和热侧的动能损失，匹配高温燃气涡轮总体气动参数；

设置若干组空气流道和高温燃气流道使得气流分成多个流道，提高噪声频率和衰减率。

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现换热，并提高传热单元数，提高本装置的换热效率，满足换热需求；

所述换热构造包括位于在外壁与内壁之间且呈沿壳体周向呈环形分布的多块螺旋板、以及位于外壁内侧内且与外壁内侧配合形成空气入口的圆环状顶板、以及安装在底板上用于支撑螺旋板的支撑件；

靠近所述外壁的螺旋板与外壁之间形成与空气入口连通的空气通道，靠近所述内壁的螺旋板与内壁之间形成与燃气通道连通的燃气入口；

所述螺旋板的两端分别与圆环状顶板、底板连接。

在一些可能的实施方式中，为了避免空气或高温燃气在流动过程中损失过大；

所述螺旋板包括由外至内依次连接的圆弧曲面段一、段二、圆弧曲面段三；其中圆弧曲面段一的半径为D，圆弧曲面段三的半径为d,内壁的半径e,D＞d＞e。

在一些可能的实施方式中，所述换热件包括多组由圆环状顶板向底板一侧倾斜设置的换热单元，相邻两组换热单元之间形成空气流道；每组所述换热单元包括沿空气通道长方向依次连接的翅片，相邻的两块翅片之间设置通孔。

空气进入到空气通道后，空气经过翅片自然会分成很多小股气流，增大了空气的换热面积；

在一些可能的实施方式中，在同一块所述翅片中，其远离内壁一端距离圆环状顶板的距离大于其靠近内壁一端距离圆环状顶板的距离。

在一些可能的实施方式中，为了实现高温燃气流动时的降噪，所述螺旋板呈瓦楞状结构，其瓦楞状结构中凸起设置在靠近外壁的一侧；每个所述凸起沿内壁的轴向呈螺旋设置，相邻两块所述螺旋板中凸起的螺旋方向相反。

螺旋板设置为瓦楞状，其形成凸起和凹坑使得声波在传递过程中不断反射，往前传递的声波和反射的声波振幅接近，相位相反，实现消声效果；高温燃气绕着圆周运动，产生涡流，降低中心部位压力，延缓气流流出的速度，降低噪声；

在一些可能的实施方式中，所述内壁沿其轴线的长度小于换热构造沿其轴线的长度，两者之间间隙配合形成与通道连通的燃气入口；在所述底板上设置有与最外侧的燃气通道连通的燃气出口，在内壁上设置有与空气通道连通的空气出口。

在一些可能的实施方式中，所述内壁的内侧与底板相互配合形成燃烧室，在所述燃烧室内安装有点火装置；所述点火装置包括点火器和燃烧装置。

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现消除重力、喷嘴离燃油进口远近对油压的影响，提高各喷嘴燃油分配的均匀度；

所述燃烧装置包括安装在底板上且依次穿过内壁和外壁的总供油管、与总供油管位于燃烧室一端连接且设置有分配腔的燃油分配装置、多根分别与燃油分配腔连通且沿内壁径向均匀设置的供油支管、以及与多根供油支管分别连接的多个喷嘴；所述燃油分配装置呈类锥形，其大端安装在底板上且与底板同轴设置。

在一些可能的实施方式中，所述外壁和内壁呈波纹状，其波峰和波谷沿周向均匀设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过设置多组空气通道和燃气通道，并使得两者间隔设置，能够有效的提高换热效率，充分利用较大的温差，协调冷侧和热侧的动能损失，匹配燃气涡轮总体气动参数；

本发明通过将螺旋板设置呈瓦楞状，使得气流流动所产生的声波在传递过程中不断反射，往前传递的声波和反射的声波振幅接近，相位相反，实现消声效果；高温燃气绕着燃气通道做圆周运动，产生涡流，降低中心部位压力，延缓气流流出的速度，降低噪声；

本发明通过在空气通道内设置换热单位，同时换热单元将进入空气通道内的空气分为多股小气流，一方面换热单元中的翅片将与小气流接触，增加了换热面积，空气气流分割为小气流将使得加快噪声衰减；另外翅片的设置还能够有效的实现相邻两块螺旋板的固定，增加其连接强度；

本发明通过均匀设置多根供油支管，相比现有技术能够有效的消除重力及喷嘴离燃油进口远近对油压的影响，提高各喷嘴燃油分配的均匀度；结构简单，重量轻。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为本发明的剖面结构示意图；

图3为本发明图2中A处的放大示意图；

图4为本发明中燃气出口的位置示意图；

图5为本发明中空气、燃气的流动示意图；

图6为本发明中螺旋板、换热构造的连接关系示意图；

图7为本发明的俯视图；

其中：1、外壁；2、内壁；3、底板；4、换热构造；41、螺旋板；42、翅片；5、点火装置；10、空气入口；20、燃气入口；30、空气出口；40、燃气出口；100、空气通道；200、燃气通道。

具体实施方式

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面对本发明进行详细说明。

如图1-图7所示：

一种螺旋板式回热器，包括呈圆柱状的壳体；所述壳体包括内壁2、外壁1、底板3、以及位于内壁2与外壁1之间且与外壁1之间形成空气入口10的换热构造4；

所述内壁2、外壁1、底板3之间形成用于安装换热构造4的腔室；

所述换热构造4沿壳体周向呈环形分布的多根空气通道100、沿壳体周向呈环形分别设置多根燃气通道200，以及间隔设置在每根空气通道100内的若干组换热件；所述空气通道100、燃气通道200由外壁1向内壁2间隔设置，换热构造4与内壁2之间形成燃气入口20。

所述空气通道100和燃气通道200靠近内壁2一端的端口沿内壁2的周向均匀设置。

空气从空气入口10进入到空气通道100内，并沿空气通道100向空气出口30一侧运动，进入到燃烧室内；高温燃气从燃气入口20进入到燃气通道200内且继续流动，并进入燃烧室内，通过在空气通道100、燃气通道200的间隔设置实现了空气与高温燃气的换热；

由于装置内部压力相差较大，温度变化剧烈，通过在空气通道100内设置换热件将增加结构强度度，充分利用较大的温差，协调冷侧和热侧的动能损失，匹配高温燃气涡轮总体气动参数；

优选的，空气通道100和燃气通道200均为多组；

如图5所示，在该图所展示的技术方案中，空气通道100和燃气通道200均为三组，三组空气通道100共用一个空气入口10，燃气通道200共用一个燃气入口20。

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现换热，并提高传热单元数，提高本装置的换热效率，满足换热需求；

所述换热构造4包括位于在外壁1与内壁2之间且呈沿壳体周向呈环形分布的多块螺旋板41、以及位于外壁1内侧内且与外壁1内侧配合形成空气入口10的圆环状顶板、以及安装在底板3上用于支撑螺旋板41的支撑件；

靠近所述外壁1的螺旋板41与外壁1之间形成与空气入口10连通的空气通道100，靠近所述内壁2的螺旋板41与内壁2之间形成与燃气通道200连通的燃气入口20；

所述螺旋板41的两端分别与圆环状顶板、底板3连接。

在一些可能的实施方式中，为了避免空气或高温燃气在流动过程中损失过大；

所述螺旋板41包括由外至内依次连接的圆弧曲面段一、段二、圆弧曲面段三；其中圆弧曲面段一的半径为D，圆弧曲面段三的半径为d,内壁2的半径e,D＞d＞e。

圆弧曲面段一、段二、圆弧曲面段三依次连接形成折流通道，一方面能够延长通道的长度，延缓气流流出的速度，。

其中当为多根空气通道100和燃气通道200时，圆弧曲面段一、段二、圆滑曲面端三均为多组，多组圆弧曲面段一、圆滑曲面端三分别形成与壳体同轴的圆柱；

进一步的，在实际使用中，空气将通过压气机出口的扩压器配合进入到空气通道100内，空气通道100入口的轴线与压气机出口的轴线同轴设置。

在一些可能的实施方式中，所述换热件包括多组由圆环状顶板向底板3一侧倾斜设置的换热单元，相邻两组换热单元之间形成空气流道；每组所述换热单元包括沿空气通道100长方向依次连接的翅片42，相邻的两块翅片42之间设置通孔。

空气进入到空气通道100后，空气经过多组换热单组自然会分成很多小股气流，增大了空气的换热面积；翅片42将对于小股气流换热，从而增加换热面积，提高换热效率，提高换热效率跟压力损失的比值；并能够有效的实现两块螺旋板41的固定。

在一些可能的实施方式中，在同一块所述翅片42中，其远离内壁2一端距离圆环状顶板的距离大于其靠近内壁2一端距离圆环状顶板的距离，倾斜设置的使得小股气流与翅片42的接触面积更大，进一步增加换热面积。

在一些可能的实施方式中，为了实现高温燃气流动时的降噪，所述螺旋板41呈瓦楞状结构，其瓦楞状结构中凸起设置在靠近外壁1的一侧；每个所述凸起沿内壁2的轴向呈螺旋设置，相邻两块所述螺旋板41中凸起的螺旋方向相反。

螺旋板41设置为瓦楞状，在其形成凸起和凹坑使得声波在传递过程中不断反射，往前传递的声波和反射的声波振幅接近，相位相反，实现消声效果；高温燃气绕着圆周运动，产生涡流，降低中心部位压力，延缓气流流出的速度，降低噪声；

在一些可能的实施方式中，所述内壁2沿其轴线的长度小于换热构造4沿其轴线的长度，两者之间间隙配合形成与通道连通的燃气入口20；在所述底板3上设置有与最外侧的燃气通道200连通的燃气出口40，在内壁2上设置有与空气通道100连通的空气出口30。

进一步的，燃气出口40其入口端的截面连接大于燃气通道200出口端的连接，这样能够实现燃气的膨胀消音。

在一些可能的实施方式中，所述内壁2的内侧与底板3相互配合形成燃烧室，在所述燃烧室内安装有点火装置5；所述点火装置5包括点火器和燃烧装置。

高温燃气通过燃气入口20进入分别到三根燃气通道200，并沿三根燃气通道200螺旋流动，进入到回热器内；同时空气通过空气入分别进入到三根空气通道100内，并沿空气通道100螺旋流动进入到回热器内，完成本装置的换热，其中换热后的高温燃气通过与三根燃气通道200均连通的燃气出口40将换热后的高温燃气排出，换热后的空气将通过空气出口30进入到燃烧室内。

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现消除重力、喷嘴离燃油进口远近对油压的影响，提高各喷嘴燃油分配的均匀度；

所述燃烧装置包括安装在底板3上且依次穿过内壁2和外壁1的总供油管、与总供油管位于燃烧室一端连接且设置有分配腔的、多根分别与燃油分配腔连通且沿内壁2径向均匀设置的供油支管、以及与多根供油支管分别连接的多个喷嘴；所述呈类锥形，其大端安装在底板3上且与底板3同轴设置。

燃油从主油路进油口流入，经过总供油管，进入燃油分配腔；

类锥型的燃油分配腔，尖端竖直向下，燃油从尖端向上填充燃油分配腔，随后燃油进入6根供油支管；

最后进入喷嘴，其中还总供油管从类锥形的尖端连接燃油分配腔。

在使用时，将燃气涡轮竖直放置，由一根总供油管呈辐射状分配到多根供油支管，消除重力，喷嘴离燃油进口远近对油压的影响，提高各喷嘴燃油分配的均匀度。结构简单，重量轻。

在一些可能的实施方式中，所述外壁1和内壁2呈波纹状，其波峰和波谷沿周向均匀设置。

本发明中螺旋板41之间布置有翅片42，对于螺旋板41固定，翅片42增强换热效果，流体流动阻力小；

本发明中螺旋板41呈瓦楞状提高换热效率，热变形量可控，同时冷热流道各自的间距随换热需求变化，冷侧(空气)和热侧(高温燃气)的流动空间可进行灵活的设计，动能变化协调，容易匹配总体气动参数的要求；可以适应燃气涡轮气体流量大，冷热工作介质温差大的特点。

在实际生产加工过程中，本发明采用3D打印增材技术实现生产加工；不需要较高的加工工艺，却具有更好的性能。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种螺旋板式回热器，其特征在于，包括呈圆柱状的壳体；所述壳体包括内壁、外壁、底板、以及位于内壁与外壁之间且与外壁之间形成空气入口的换热构造；

所述内壁、外壁、底板之间形成用于安装换热构造的腔室；

所述换热构造沿壳体周向呈环形分布的多根空气通道、沿壳体周向呈环形分别设置多根燃气通道，以及间隔设置在每根空气通道内的若干组换热件；所述空气通道、燃气通道由外壁向内壁间隔设置；

所述空气通道和燃气通道靠近内壁一端的端口沿内壁的周向均匀设置。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋板式回热器，其特征在于，所述换热构造包括位于在外壁与内壁之间且呈沿壳体周向呈环形分布的多块螺旋板、以及位于外壁内侧内且与外壁内侧配合形成空气入口的圆环状顶板、以及安装在底板上用于支撑螺旋板的支撑件；

靠近所述外壁的螺旋板与外壁之间形成与空气入口连通的空气通道，靠近所述内壁的螺旋板与内壁之间形成与燃气通道连通的燃气入口；

所述螺旋板的两端分别与圆环状顶板、底板连接。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋板式回热器，其特征在于，所述螺旋板包括由外至内依次连接的圆弧曲面段一、段二、圆弧曲面段三；其中圆弧曲面段一的半径为D，圆弧曲面段三的半径为d,内壁的半径e,D＞d＞e。

4.根据权利要求2所述的一种螺旋板式回热器，其特征在于，所述换热件包括多组由圆环状顶板向底板一侧倾斜设置的换热单元，相邻两组换热单元之间形成空气流道；每组所述换热单元包括沿空气通道长方向依次连接的翅片，相邻的两块翅片之间设置通孔。

5.根据权利要求4所述的一种螺旋板式回热器，其特征在于，在同一块所述翅片中，其远离内壁一端距离圆环状顶板的距离大于其靠近内壁一端距离圆环状顶板的距离。

6.根据权利要求2所述的一种螺旋板式回热器，其特征在于，所述螺旋板呈瓦楞状结构，其瓦楞状结构中凸起设置在靠近外壁的一侧；每个所述凸起沿内壁的轴向呈螺旋设置，相邻两块所述螺旋板中凸起的螺旋方向相反。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种螺旋板式回热器，其特征在于，所述内壁沿其轴线的长度小于换热构造沿其轴线的长度，两者之间间隙配合形成与通道连通的燃气入口；在所述底板上设置有与最外侧的燃气通道连通的燃气出口，在内壁上设置有与空气通道连通的空气出口。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种螺旋板式回热器，其特征在于，所述内壁的内侧与底板相互配合形成燃烧室，在所述燃烧室内安装有点火装置；所述点火装置包括点火器和燃烧装置。

9.根据权利要求8所述的一种螺旋板式回热器，其特征在于，所述燃烧装置包括安装在底板上且依次穿过内壁和外壁的总供油管、与总供油管位于燃烧室一端连接且设置有分配腔的燃油分配装置、多根分别与燃油分配腔连通且沿内壁径向均匀设置的供油支管、以及与多根供油支管分别连接的多个喷嘴；所述燃油分配装置呈类锥形，其大端安装在底板上且与底板同轴设置。

10.根据权利要求1所述的一种螺旋板式回热器，其特征在于，所述外壁和内壁呈波纹状，其波峰和波谷沿周向均匀设置。

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