CN115135864A - 燃气涡轮发动机回热器 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机(100)，包括：安装成围绕定义近端和远端方向的轴线旋转的转子(105)；耦接到转子的压缩机(110)；耦接到转子且设置在压缩机远端的涡轮机(115)；燃烧室(120)；燃气涡轮排气口(190)；以及回热器(130)，包括环形热交换器(135)，所述环形热交换器(135)包括：设置在热交换器远端的轴向进气口(140)和设置在热交换器近端的轴向排气口(145)；以及设置在热交换器内半径近端的径向进气口(150)和设置在热交换器内半径远端的径向排气口(155)，其中热交换器限定了轴向进气口和轴向排气口之间的第一流道以及径向进气口和径向排气口之间的第二流道；第一腔室(170)，包括径向设置在热交换器外侧的区域，并在压缩机和热交换器轴向进气口之间提供一条流道；第二腔室(175)，在热交换器轴向排气口和燃烧室之间提供一条流道；第三腔室(180)，在涡轮机和热交换器径向进气口之间提供一条流道；以及第四腔室(185)，在热交换器径向排气口和燃气涡轮排气口之间提供一条流道。

Description

燃气涡轮发动机回热器

技术领域

本发明所公开的主题通常涉及一种燃气涡轮发动机回热器，特别涉及一种微型涡轮机回热器。

背景技术

微型涡轮机是一种燃气轮机，最大输出功率可达100千瓦，最大功率条件下每分钟转数在70,000到140,000之间。

微型涡轮机可用于分布式能源，并采用压缩机、燃烧室、涡轮机和发电机，从而将燃料转化成当地的电力来源。其占地面积小、转速高、工作温度高的特点给设计带来了巨大挑战。

回热器采用逆流热交换器从废气中回收热量，否则这些热量就会被浪费。对于燃气涡轮发动机来说，如果排气温度超过压缩机出口温度，回热器就可以从废气中提取热量，从而在与燃料混合且在燃烧室中进一步加热之前从压缩机出口预热空气。更具体地说，回热器的热交换器设置成提供第一流道和第二流道，涡轮机的废气进入第一流道，压缩机的压缩空气进入第二流道，这样便于从第一流道向第二流道进行热传递。然后，第二流道的预热压缩空气可以传递到燃烧室与燃料混合并且进一步加热，而第一流道的冷却废气则可以排放到大气中。这样，回热器可以显著提高燃气轮机的效率，使其能够从一定数量的燃料中提取更多的有效能。

对于微型涡轮机来说，假设涡轮机出口和压缩机出口之间存在较大的温差，则使用回热器可以显著提高效率，这种情况下效率可以提高一倍或者更多。这种效率的提高使得微型涡轮机更具商业吸引力，因此，微型涡轮机在这方面的创新无疑有助于未来这项技术的广泛应用。

回热器使燃气涡轮发动机的设计变得笨重。然而对于微型涡轮机，人们希望保持发动机的整体紧凑性。现有技术实现的回热器性能不符合要求，过于笨重，尤其对于微型涡轮发动机而言。

因此，人们希望提供一种在提高效率的同时保持发动机紧凑性的燃气涡轮发动机回热器，这或多或少需要对回热器进行重新设计。

附图说明

下面参照附图通过示例的方式对所公开的设置进行描述，其中：

图1描述了包含回热器的燃气涡轮发动机的第一示例；

图2描述了包含回热器的燃气涡轮发动机的第二示例；以及

图3描述了包含回热器的燃气涡轮发动机的第三示例。

具体实施方式

图1描述了根据本公开的包含回热器130的燃气涡轮发动机100的第一示例。图中所示的燃气涡轮发动机为微型涡轮机，最大输出功率可达100千瓦，最大功率条件下每分钟转数在70,000到140,000之间。

燃气涡轮发动机100包括安装成围绕轴线旋转的转子105。所示的是发动机100的截面，但本领域技术人员将很容易地认识到，大多数部件基本呈环形围绕转子105的旋转轴。可以考虑使用该轴来定义近端和远端方向。根据本公开每一个附图中燃气涡轮发动机100的方向，近端方向向左延伸，远端方向向右延伸。

燃气涡轮发动机100包括设置在近端的压缩机110，即压缩机轮，以及设置在远端的涡轮机115，即涡轮机轮，二者均耦接到转子105。

如图1所示，燃气涡轮发动机100可以包括发电机108，用于将转动转化成电能。转子105可以耦接到发电机108的磁性转子上，所述发电机108设置在压缩机110的近端。例如，转子105可以定义或耦接到磁性转子106的转子芯106上，所述转子芯106可以包括一个或多个插座，设置成容纳一个或多个永磁体。或者，磁性转子可以包括围绕所述转子芯106延伸的磁套。

虽然图1的示例使用了发电机108，但人们将认识到，发电机108是可选的，可以根据燃气涡轮发动机100的应用情况省略。

如图1所示，涡轮机115可以与转子105构成一个整体式部件。本发明所用的整体式部件是由不含不连续接头或接缝的材料形成或构成的连续部件，可以包括一种材料也可以包括多种材料。例如，相同材料的两段或不同材料的两段可以焊接在一起形成连续接头，从而形成整体式部件。或者，可以采用增材或减材制造工艺，以便利用一种材料或多种材料形成整体式部件。在图1的示例中，整体式部件包括转子芯106、转子105和涡轮机115，压缩机110耦接到整体式部件上。其他整体式组合也是可能的。例如，转子芯106、转子105和压缩机110可以形成一个整体式部件，涡轮机115耦接到该部件上。因此，转子105可以与转子芯106、压缩机110和涡轮机115中的一个或多个构成一个整体式部件。使用这种整体式部件，无需在发电机附近的磁性转子和压缩机、涡轮机附近的动力转子之间安装柔性联轴器，所述柔性联轴器易碎，且容易断裂。这种整体式部件还有助于通过减少故障模式提高可靠性。

回热器的设计重点是优化热流，提取尽可能多的废热反馈到系统，最大程度地减少热量损失，并控制占用面积。影响这些设计要求的一个重要因素是回热器所采用的整体流道。本公开的发明人已经确定，现有技术实现的回热器，特别是那些用于小型燃气涡轮发动机(如微型涡轮机)的回热器，采用的流道会导致过多的热量损失、效率损失，特别是对于微型涡轮机，使体积增加过大且不可接受。

因此，本公开的发明人重新设计了回热器流道，以提高整体性能并减少占地面积。

目前，应参照图1所示的包含回热器130的燃气涡轮发动机100的具体示例来描述本发明公开的这种改进的回热器流道。

为了便于了解贯穿图1中整个燃气涡轮发动机100的流道，用与每个阶段相对应的带圈数字标注四个连续的阶段1到4。

第一流道阶段

根据第一流道阶段，压缩机110的压缩空气进入第一腔室170。该腔室与轴承座118、涡轮机机壳119和热交换器135的径向外表面流体连通。如图1所示，所述第一腔室170的位置有利于在涡轮机机壳119附近建立环形涡，便于从涡轮机机壳119获得热量。当气流绕过热交换器135外侧并被引导至热交换器135的轴向进气口140时，会吸收更多的热量。

因此，第一腔室170在压缩机110和热交换器135轴向进气口140之间提供一条流道.

根据所述第一流道阶段对流道的定位有利于从涡轮机机壳119、轴承座118和热交换器135中提取一定的热量。

所述热交换器135的外表面可以包括表面粗化、肋条或肋片中的一种或多种，以便增强热提取。

在第一流道阶段，空气的压力约为300千帕(3巴)，温度为470K。

然后，第一流道阶段的空气在热交换器135的轴向进气口140和轴向排气口145之间由热交换器135通过第一热交换器流道160加热。

第二流道阶段

根据第二流道阶段，热交换器135轴向排气口145的加热空气进入第二腔室175。所述第二腔室175与波纹管178流体连通，这样设置是为了减少局部压力变化。气流被引导至燃烧室120。

因此，第二腔室175在热交换器135轴向排气口145和燃烧室120之间提供一条流道。

第二流道阶段的空气压力为300千帕(3巴)，温度为900K，已被热交换器145加热。

第二流道阶段的空气与燃料结合，在燃烧室120内燃烧，然后通过涡轮机115，以此驱动转子105，转子105的转动又被压缩机110用于压缩燃气涡轮发动机100的进气，并由发电机108转化成电能。燃烧室内的空气压力为3巴，温度为1200K。

第三流道阶段

根据第三流道阶段，涡轮机排气口125的废气进入第三腔室180。如图1的示例所示，第三腔室180可以与扩压器182流体连通。本示例中的扩压器是锥形的，便于制造，可以包括保温层，如内部保温层和/或保温帽184。这种保温层可以防止第三腔室180的热量损失。扩压器有助于降低废气的速度。

在本示例中，扩压器182是定义第三腔室180的径向内表面，可以看出所述第三腔室180在涡轮机115和热交换器135径向进气口150之间向远端方向发散。

废气由第三腔室180引导至热交换器135的径向进气口150。

第三流道阶段的废气压力约为100千帕(1巴)，温度为970K。

然后，第三流道阶段的废气被引导至第二热交换器流道165，所述第二热交换器流道165横跨热交换器135的径向进气口150和径向排气口155，所述热交换器135的设置是为了便于从第二热交换器流道165到第一热交换器流道160的热传递。

第四流道阶段

根据第四流道阶段，从热交换器135径向排气口155排出的冷却废气进入第四腔室185，并被引导至燃气涡轮发动机100的排气口190。

这种第四流道阶段是可选的，因为废气可以直接从热交换器135排出。

在图1的具体示例中，第四腔室185包括围绕燃气涡轮发动机100的远端延伸的部分。因此，第四腔室185包括从热交换器135的径向排气口155向远端方向延伸的第一部分，且继续延伸到从燃气涡轮发动机100的远端向近端方向延伸的第二部分，并与第一腔室170位于热交换器135径向外侧的一部分重叠。

因此，第四腔室185可以包括围绕第一腔室170远端部分的区域，以此定义第一腔室170和第四腔室185之间的接口188，所述接口可以包括径向设置在热交换器外侧且轴向设置在热交换器的远端和近端之间的部分，其中，所述接口横跨热交换器轴向长度的至少一半。这样，第一腔室170内的空气被夹在热交换器的径向外表面和第四腔室185内的冷却废气之间，便于在第一流道中从第四腔室185径向向内和从热交换器135径向向外进一步获得有用的热量。

所述接口188可以包括表面粗化、肋条、肋片或其他增加表面积和热交换能力的手段中的一种或多种，用于与第四腔室185流体连通的一侧，从而便于从冷却废气中提取更多热量，否则额外的热量就会损失。

第四流道阶段的废气压力约为100千帕(1巴)，温度为550K。

热交换器

从图1的示例中可以看出，本发明公开的回热器130包括用于建立两个流道的热交换器135、轴向进气口140和轴向排气口145之间的供压缩机(相对较冷)的空气流通的第一流道165，以及径向进气口150和径向排气口155之间的供涡轮机(相对较热)的废气流通的第二流道165。当热交换器135的设置使第一流道和第二流道不能流体连通时，应将热交换器135设置成便于从第二流道165向第一流道160进行热传递。如图1中示例所示，优选的是，第一流道160和第二流道165通常以相反的方向流动，热交换器135是一个逆流式热交换器，因为这有助于通过增加整个热交换通道的总体温度差实现最佳传热。

保温材料可以径向设置在第三腔室180内侧和/或径向设置在热交换器135内侧。这种保温有利于减少第三腔室内的热涡轮机废气和第四腔室内的冷却废气之间在远端方向不必要的热传递，即防止绕过热交换器135的短路。例如，可以设置保温帽184。或者，可以在热交换器135的径向内侧以及在第三和第四腔室之间的整个区域充分填充保温材料。

经过改装的排气口

在图2和图3所示的第二和第三示例中，燃气涡轮发动机200和300包括根据上述第一示例所述的回热器，只是其中的第四腔室285、385从径向排气口255、355延伸到靠近径向排气口255、355设置的燃气涡轮排气口290、390。也就是说，在这些示例中，第四腔室285、385没有围绕燃气涡轮发动机200、300的远端延伸，因此第四腔室285、385延伸的距离较短，缩小了燃气涡轮发动机200、300的体积。

在图3的示例中，省略了靠近第三腔室180的扩压器。

回热器、第一到第四腔室和热交换器中的一个或多个可以是环形的，并且与转子105的轴线同轴。

如图1至图3的示例所示，热交换器135可以设置在压缩机110和/或涡轮机125的远端。

应认识到，本发明所公开的示例不是限制性的，可以进行大量的修改和替换。

Claims (15)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：

安装成围绕定义近端和远端方向的轴线旋转的转子；

耦接到转子的压缩机；

耦接到转子且设置在压缩机远端的涡轮机；

燃烧室；

燃气涡轮排气口；以及

回热器，包括：

环形热交换器，所述环形热交换器包括：设置在热交换器远端的轴向进气口和设置在热交换器近端的轴向排气口；以及设置在热交换器内半径近端的径向进气口和设置在热交换器内半径远端的径向排气口，其中热交换器限定了轴向进气口和轴向排气口之间的第一流道以及径向进气口和径向排气口之间的第二流道；

第一腔室，包括径向设置在热交换器外侧的区域，并在压缩机和热交换器轴向进气口之间提供一条流道；

第二腔室，在热交换器轴向排气口和燃烧室之间提供一条流道；

第三腔室，在涡轮机和热交换器径向进气口之间提供一条流道；以及

第四腔室，在热交换器径向排气口和燃气涡轮排气口之间提供一条流道。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中：

第四腔室包括围绕第一腔室远端部分的区域，以此定义第一腔室和第四腔室之间的接口。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述接口可以包括径向设置在热交换器外侧且轴向设置在热交换器的远端和近端之间的部分。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述接口横跨热交换器轴向长度的至少一半。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述接口与第四腔体流体连通的一侧比与第一腔室流体连通的另一侧更粗糙。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述接口包括与第四腔室流体连通的表面粗化、肋条和/或肋片中的一种或多种。

7.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，包括：

在压缩机和涡轮机之间支撑转子的轴承座；以及

耦接到轴承座的涡轮机机壳，其中：

第一腔室的近端与轴承座和涡轮机机壳流体连通；

8.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中：

第三腔室在涡轮机和热交换器径向进气口之间向远端方向径向发散；

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述发散定义了大体上呈截头圆锥形的曲面。

10.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，包括：

设置在第三和第四腔室之间的保温材料。

11.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述保温材料的至少一部分径向设置在第三腔室内侧。

12.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，包括：

径向设置在热交换器内侧的保温帽，用来防止远端方向的热传递。

13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述保温帽设置在靠近所述热交换器径向进气口的远端处。

14.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述转子和涡轮机为整体式部件的组成部分。

15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述压缩机为整体式部件的组成部分。

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