專利名稱：一種燃氣輪機原表面回?zé)崞鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型燃氣輪機的回?zé)崞?，具體地說是一種為提高燃氣輪機的熱效率而使用的一種原表面換熱器。
背景技術(shù)：
回?zé)崞饔迷谖⑿腿細廨啓C中，有效利用從渦輪出口的燃氣余熱來加熱壓氣機出口的高壓空氣，從而提高裝置的熱效率。一般采用由平行薄平板疊加所組成的板式換熱器，為強化換熱并增加板片的剛度，在平板上壓制出波紋，兩相鄰波紋板之間用設(shè)計的密封條隔開，形成一個通道，冷、熱流體間隔地在每個通道中流動?，F(xiàn)借助附圖1來說明一種現(xiàn)有技術(shù)的分體式回?zé)崞鳌?br> 圖1(a)、(b)所示為現(xiàn)有技術(shù)的分體式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)示意圖，其中，自壓氣機出來的空氣沿9自左下方圓通道6流進回?zé)崞?，流經(jīng)中心傾斜一定角度的波紋換熱通道被加熱，從右上方圓形通道7流出進入燃燒室。燃氣從回?zé)崞鱾?cè)面10進入回?zé)崞鳎c空氣進行換熱，冷卻后從另一側(cè)面10流出。形成一個換熱通道的兩塊換熱板2、3波紋方向成一定夾角，空氣側(cè)換熱通道的兩片換熱板四周用兩個“L”形密封條19密封，留出空氣進、出口，這樣形成空氣進、出口通道4、5；兩片換熱板外面在上下邊緣用平直密封條20密封形成燃氣側(cè)換熱通道，兩側(cè)分別形成燃氣進出口通道。由圖可見，這種現(xiàn)有技術(shù)的回?zé)崞靼ê附映烧w的波紋片，上下兩個圓形空氣進出口通道。
現(xiàn)有技術(shù)波紋板采用的是波紋尺寸相同的CC(Cross Corrugated，交錯人字波紋)表面及改進的CC表面，這是兩種強化換熱表面，流體在這些表面形成的通道流動時，存在二次流可改變主流方向。對于前一種表面形成的兩側(cè)流體流動通道是相同的，流道的橫截面面積也是相同的。
但是，目前的回?zé)崞鞔嬖谙铝械膯栴}分體式回?zé)崞髦胁捎玫氖荂C波紋表面及改進的CC表面，從強化傳熱的機理來看，利用二次流并不斷改變主流方向流體的流向可強化換熱，以空氣側(cè)為例，空氣自圓形通道進入回?zé)崞髦?，有一次流和二次流兩種形式，首先進入如圖1(a)中所示的進、出口三角區(qū)8，然后進入換熱板芯子部分平行四邊形區(qū)，由于換熱板通道具有一定的傾角，越靠近三角區(qū)8頂部，流動阻力越大，流動速度降低，導(dǎo)致流體流動分布的嚴重不均勻，特別是該結(jié)構(gòu)使部分流體很難到達三角區(qū)頂部，空氣很難流經(jīng)回?zé)崞黜敳繀^(qū)域與燃氣進行換熱，也即該結(jié)構(gòu)回?zé)崞黜敳看嬖诳諝夂茈y到達的“死區(qū)”。這種情形不僅引起換熱不均勻，換熱效率顯著下降，而且也影響回?zé)崞鞯膲勖?br> 這種采用波紋表面的回?zé)崞?，對于每塊換熱板三角區(qū)8的波紋進行了改進，換熱板三角區(qū)的波紋高度低于芯子部分平行四邊形區(qū)波紋高度，使得兩塊換熱板2、3在三角區(qū)并未接觸，三角區(qū)采用這種表面雖然能起到一定的導(dǎo)流作用，但是，這樣使得回?zé)崞鲹Q熱面積大大減小，降低了換熱效率。
另外，這種回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)在形成一個換熱通道時，兩塊換熱板2、3在流動方向上交錯成一定角度，交叉角度越大，加強了流體的縱向流動，換熱性能越好，但同時壓損也越大。尤其是對空氣側(cè)，燃氣輪機系統(tǒng)是要靠提高空氣的壓力和溫度用來對外作功的，而如果在回?zé)崞髦袎簱p太大的話，那對于整個燃氣輪機效率來說是很不利的。事實上，壓損是影響回?zé)崞餍实闹匾蛩亍４送怆S著壓損的增大，使得回?zé)崞魅菀捉Y(jié)垢堵塞。
對于采用CC表面的回?zé)崞?，燃氣?cè)、空氣側(cè)流道截面面積相等，這對于兩側(cè)體積流量相近時，換熱效果較好，但是若兩側(cè)體積流量差別較大時，如在微型燃氣輪機中燃氣與空氣兩側(cè)的體積流量相差3倍多，流速相差較大，換熱效果明顯下降。
現(xiàn)有技術(shù)中對于改進的CC表面，只是對這種表面波紋形狀進行了改進，并未確定這種表面形成的空氣、燃氣兩側(cè)流道截面面積之比，也并未確定如何改進這種表面才能使回?zé)崞鲀蓚?cè)介質(zhì)換熱效果最好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種能夠使冷熱流體均能按照更加合理形式流動的燃氣輪機回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)，以提高回?zé)崞鳠峤粨Q效率，并大大提高緊湊度及回?zé)崞魇褂脡勖娜細廨啓C原表面回?zé)崞鳌?br> 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種帶導(dǎo)流片的原表面回?zé)崞?，包括回?zé)崞髦黧w，在回?zé)崞髦黧w的右下角及左上角安裝氣體進出口通道，回?zé)崞髦黧w是由若干換熱板焊接而成，高壓空氣自空氣進口通道流進回?zé)崞髦黧w，從空氣出口通道流出，通過間隔焊接換熱板的左、右邊框形成空氣進出口，通過間隔焊接換熱板的上、下部邊框而形成燃氣進出口，燃氣從燃氣進口流進回?zé)崞髦黧w，從另一側(cè)燃氣出口流出，其改進之處在于，換熱板分三部分構(gòu)成中心呈平行四邊形的換熱波紋片，位于換熱波紋片左右兩側(cè)的三角形踏平區(qū)，換熱板周圍留有用來焊接及密封的邊框條，其中，踏平區(qū)用來安放導(dǎo)流片。
對于回?zé)崞鲗?dǎo)流區(qū)，除了充分實現(xiàn)使流體均勻進入波紋換熱區(qū)的作用外，由于導(dǎo)流部分面積在整個換熱面積中占相當比例，對于緊湊式高效回?zé)崞?，我們對?dǎo)流區(qū)進行強化換熱。本發(fā)明導(dǎo)流片我們可采用CC波紋片、平直翅片或鋸齒形翅片的結(jié)構(gòu)方式，使導(dǎo)流充分，壓降減小，而且增大換熱面積，有效提高換熱效率，此外，采用導(dǎo)流片的換熱板工藝簡單，使回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)更加緊湊。
本發(fā)明對于相鄰兩塊換熱板波紋方向交叉角的選取考慮換熱性能與壓損的最佳匹配，選取為60°，流體進入換熱通道后產(chǎn)生二次流動，這樣不僅獲得較高的換熱效率，而且使壓損不致過高，整個結(jié)構(gòu)重量輕，緊湊性好，提高了回?zé)崞鞯氖褂脡勖?br> 本發(fā)明換熱板采用MCC(Modified Cross Corrugated，改進的交錯人字波紋)波紋板進行了改進，即空氣和燃氣流通截面積不等，根據(jù)空氣燃氣兩側(cè)的壓力恢復(fù)系數(shù)及體積流量確定，使兩側(cè)流體流速相差不大，兩側(cè)介質(zhì)的換熱效果達到最佳。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細描述。發(fā)明中的其他目的和優(yōu)點也可在其中得以體現(xiàn)。


圖1(a)是現(xiàn)有技術(shù)原表面回?zé)崞髡w結(jié)構(gòu)示意圖；圖1(b)是現(xiàn)有技術(shù)原表面回?zé)崞鲹Q熱板結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)是本發(fā)明帶導(dǎo)流片原表面回?zé)崞髡w結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(b)是本發(fā)明換熱板結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(a)是本發(fā)明帶導(dǎo)流片及封條的原表面回?zé)崞鞑糠中咀臃纸馐疽鈭D；圖3(b)是圖3(a)中沿A-A的剖面圖；圖3(c)是圖3(a)中沿B-B的剖面圖；圖4(a)是本發(fā)明空氣側(cè)導(dǎo)流片采用CC波紋片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4(b)是本發(fā)明燃氣側(cè)導(dǎo)流片采用CC波紋片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5(a)是本發(fā)明空氣側(cè)導(dǎo)流片采用平直翅片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5(b)是本發(fā)明燃氣側(cè)導(dǎo)流片采用平直翅片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6(a)是本發(fā)明空氣側(cè)導(dǎo)流片采用鋸齒形翅片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6(b)是本發(fā)明燃氣側(cè)導(dǎo)流片采用鋸齒形翅片的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
附圖是本發(fā)明的具體實施例。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體內(nèi)容作進一步詳細說明參照圖2(a)所示，原表面回?zé)崞饔芍黧w1與空氣進、出口圓形通道6、7焊接組成，主體1由多塊換熱板2、3焊接在一起形成，換熱板焊接時形成空氣進、出口4、5，空氣進、出口外接圓形通道6、7分別與空氣入口4、空氣出口5平行，被分別焊接在回?zé)崞鲀蓚€對角，空氣沿9所示的方向流進入口4，經(jīng)導(dǎo)流片11進入換熱波紋區(qū)12進而沿另一側(cè)導(dǎo)流片11導(dǎo)出主體1，沿空氣出口5流出回?zé)崞?，燃氣從回?zé)崞鱾?cè)面沿10所示的方向進入主體1，沿另一側(cè)10流出。
在形成一個空氣側(cè)換熱通道時，空氣進、出口4、5未被封住，將形成一系列各自平行的空氣進、出口4、5，在空氣進、出口4、5上分別焊接上對應(yīng)的氣體進、出口通道6、7，氣體進、出口通道6、7焊接在主體1時，截面為切掉圓缺的圓，其圓缺的弦長分別與空氣進、出口4、5寬度相吻合，而且，氣體進、出口通道6、7還可以選用圓形、矩形、橢圓型等。
參照圖2(b)所示，換熱板2、3分兩部分構(gòu)成中心呈平行四邊形的換熱波紋片12、13，位于換熱板上的換熱波紋片12、13左右兩邊的三角形的踏平區(qū)14，踏平區(qū)14用來安放導(dǎo)流片11。
回?zé)崞魍ㄟ^邊框條上的密封條焊接在一起，利用中間換熱波紋板波峰與波谷的接觸為支撐。
參照圖3(a)所示，換熱波紋板2上四周預(yù)留有邊框，相鄰兩個邊框分別形成兩個“L”形邊框條19，位于換熱板2的兩個對角上，換熱板2、3焊接形成空氣通道時，“L”形密封條沿邊框條19將換熱板2、3焊接而成，未被封住段各自作為空氣進、出口4、5，在空氣進、出口4、5延伸進呈三角形的CC導(dǎo)流片11， CC波紋片高度將與空氣進、出口4、5高度尺寸相吻合，焊接時4、5將保持它們各自的尺寸。對于回?zé)崞髦黧w1焊接只需對邊框封條進行即可，置于三角踏平區(qū)的導(dǎo)流片只需點焊固定即可。
另外，換熱波紋板3上、下部留有邊框條20，直密封條沿邊框條20將換熱板3、2焊接形成了燃氣換熱通道，從而得到側(cè)面邊框上的燃氣入口17和另一側(cè)面邊框上的燃氣出口18。沿燃氣進、出口17、18分別放置呈梯形的CC導(dǎo)流片11。在導(dǎo)流區(qū)安放CC波紋翅片11，方向與流體各自進、出回?zé)崞鞯姆较蛞恢?，兩塊換熱板上的導(dǎo)流片分別呈90°的夾角。
加工制造一臺回?zé)崞?，很重要的就是要具有盡可能高的面密度(即單位體積的換熱面積)，要求盡可能以最佳介質(zhì)流動方式，增加擾動，從而強化換熱，為達到此目的，選擇換熱板的結(jié)構(gòu)型式是很重要的。
參照圖3(b)、(c)所示，波紋板2、3之間間隔分別形成空氣、燃氣流動通道15、16，換熱板2芯子部分是呈平行四邊形的波紋板12，波紋板12上的波形由波峰25和波谷26組成，同樣的，換熱板3芯子部分是呈平行四邊形的波紋板13，波紋板13上的波形由波峰23和波谷24組成。當形成一個空氣通道15時，波紋板12上的波谷26與波紋板13上的波峰23相接。相對的，波紋板12上的波峰25與波紋板13上的波谷24相接就形成了一個燃氣通道16。波紋板12上的波峰25與波紋板13上波谷24的內(nèi)切圓21尺寸相同，同樣波紋板12上的波谷26與波紋板13上波峰23內(nèi)切圓22尺寸相同。這樣我們通過調(diào)節(jié)內(nèi)切圓21和22的半徑比，就可以得到空氣通道截面15面積與燃氣通道截面16面積的不同比。換熱板2的波谷26的內(nèi)切圓22半徑與波峰25的內(nèi)切圓21半徑比值為空氣與燃氣的壓比，同樣，換熱板3的波峰23的內(nèi)切圓22半徑與波谷24的內(nèi)切圓21半徑比值為空氣與燃氣的壓比。當兩塊或更多換熱板焊接時，波峰和波谷沿著流動通道延伸，流體在波峰和波谷之間流動，波峰與波谷形成的流動通道決定著介質(zhì)流動的特性。
另一個實施例，為了取得適宜的壓降分布，在裝配換熱板時為了得到不同類型的流動通道，波紋板可以有不同的模式。如圖3(b)中，換熱板2上的芯子部分波紋板12的波谷26和換熱板3上的芯子部分波紋板13的波谷24取各自不同的深度，同樣可以調(diào)節(jié)空氣、燃氣通道截面面積。
換熱板2的波谷26和換熱板3的波峰23相接形成一個空氣側(cè)換熱通道，空氣換熱通道15由換熱板2的波谷26和換熱板3的波峰23交錯一定的角度形成。換熱板2的波谷26和換熱板3的波峰23由于交叉有一個接觸點，在換熱板被焊接在一起時，加強了回?zé)崞鞯膹姸?。波?6和波峰23的交叉角度在45°～75°，最佳角度為60°。
回?zé)崞魅細鈧?cè)換熱通道是由換熱板2的波峰25與換熱板3的波谷24相接形成。換熱板2的波峰25和換熱板3的波谷24交錯一定的角度形成燃氣流動通道16。換熱板2的波峰25與換熱板3的波谷24具有相同的高度。在焊接時，采用具有適宜厚度的密封條使波峰25與波谷24有一個接觸點。這將避免空氣在另一流動通道15中流動時，因為具有較高的壓力，從而使兩側(cè)的流動通道15、16發(fā)生變形。
通過焊接密封條形成了燃氣換熱通道，從而得到側(cè)面邊框上的燃氣入口17和另一側(cè)面邊框上的燃氣出口18。因空氣、燃氣兩種介質(zhì)質(zhì)量流量相差不大，而燃氣是由透平做功后排出來的，它的壓力只比大氣壓略高，空氣是經(jīng)過壓縮機壓縮后壓力可達到3～6bar，這里我們?nèi)?.8bar，因而空氣密度比燃氣密度大，為了使兩側(cè)流速相差不大，所以燃氣進出、口比空氣進、出口迎風(fēng)橫截面積要大。
此外，本發(fā)明的另一個實施例是空氣出口5比空氣進口4尺寸要大，對于功率100kW的微型燃氣輪機，空氣出口5比空氣進口4尺寸寬16％，也即空氣出口三角區(qū)要比空氣入口三角區(qū)面積要大。這是因為隨著空氣的流動，空氣溫度升高，壓力減小，密度減小，流速增大，為了使空氣進、出口流體流速相差不大，所以增大空氣的出口尺寸。
導(dǎo)流片11很重要的作用就是使介質(zhì)在換熱板中流動均勻，壓損要盡可能的小，以保證高壓空氣在透平中做功最大。導(dǎo)流片我們采用了直通道，壓損小，介質(zhì)在導(dǎo)流片中的流動方向與各自進、出口流動方向一致。當兩種介質(zhì)分別從各自進口流入，對于每一股流體它們流經(jīng)整個換熱通道的路徑是相同的，也即壓降是相同的，避免了通道內(nèi)流體流動不均。
參照圖4(a)、(b)所示，導(dǎo)流區(qū)采用CC波紋表面，其表面將換熱片沖壓一定的波形，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高，在傳熱阻力的綜合性能方面具有相當大的優(yōu)越性。
參照圖5(a)、(b)所示，導(dǎo)流區(qū)采用平直翅片，其流動阻力系數(shù)較小，具有較高的承壓強度。
參照圖6(a)、(b)所示，導(dǎo)流區(qū)采用鋸齒形翅片，它可以看作現(xiàn)有技術(shù)所采用平直翅片被切成許多短小的片斷，相互錯開一定的間隔而形成的間斷式翅片。這種翅片能有效地對氣體進行擾動，促進流體形成湍流，破壞邊界層，從而有效的提高換熱效率。實踐表明，在壓力損失相同的條件下，它的傳熱系數(shù)要比平直翅片高30％以上。由于這種翅片換熱效率高，可以使回?zé)崞鬟M一步緊湊。
本發(fā)明提供的帶導(dǎo)流片的原表面回?zé)崞?，其換熱板分三部分構(gòu)成中心呈平行四邊形的換熱波紋片，位于每一個換熱板左右兩邊三角形的用來安放導(dǎo)流片的踏平區(qū)，四周用來焊接及密封的邊框條。加工換熱板時，只是在中心平行四邊形區(qū)的沖壓波紋，換熱板左右兩邊是預(yù)留的三角形平板區(qū)，由于沖壓成形的波紋曲線尺寸非常小，空氣、燃氣側(cè)通道平均當量直徑只有1.5mm左右，所以波紋區(qū)與平板區(qū)分界線處褶皺較小，對流體流動阻力影響可忽略。然后，將加工好的導(dǎo)流片安放進平板區(qū)，只需點焊固定即可。導(dǎo)流片是分別按照空氣、燃氣各自的進、出口方向安放進去的，兩塊換熱板上的導(dǎo)流片呈90°的夾角。采用這種帶導(dǎo)流片的波紋板回?zé)崞?，?dǎo)流片的作用是非常明顯的，可將兩側(cè)氣體均勻的分布至換熱板芯部進行換熱，對于每一股流體它們流經(jīng)整個換熱通道的路徑是相同的，也即壓降是相同的，避免了因流動不均所引起的所謂“短路”現(xiàn)象。此外，在導(dǎo)流區(qū)流體流動的壓降是很小的，充分實現(xiàn)使流體均勻進入波紋換熱區(qū)的作用。
權(quán)利要求
1.一種燃氣輪機原表面回?zé)崞?，包括回?zé)崞髦黧w(1)，在回?zé)崞髦黧w(1)的右下角及左上角安裝氣體進出口通道(6、7)，回?zé)崞髦黧w(1)是由若干換熱板(2、3)焊接而成，高壓空氣自空氣進口通道(6)流進回?zé)崞髦黧w(1)，從空氣出口通道(7)流出，通過間隔焊接換熱板(2)的左、右邊框形成空氣進出口(4、5)，通過間隔焊接換熱板(3)的上、下部邊框而形成燃氣進出口(17、18)，燃氣從燃氣進口(17)流進回?zé)崞髦黧w(1)，從另一側(cè)燃氣出口(18)流出，其特征在于，換熱板(2、3)分三部分構(gòu)成中心呈平行四邊形的換熱波紋片(12)，位于換熱板的換熱波紋片(12)左右兩側(cè)的三角形的踏平區(qū)(14)，周邊留有用來焊接及密封的邊框條(19、20)，其中，踏平區(qū)(14)用來安放導(dǎo)流片(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機原表面回?zé)崞鳎涮卣髟谟?，所述的踏平區(qū)(14)是光滑平板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機原表面回?zé)崞鳎涮卣髟谟?，?dǎo)流片(11)是沿著空氣和燃氣各自進、出回?zé)崞髦黧w(1)的方向安放進踏平區(qū)(14)，兩塊換熱板(2、3)上的導(dǎo)流片(11)呈90°夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的燃氣輪機原表面回?zé)崞?，其特征在于，所述的?dǎo)流片(11)采用交錯人字波紋CC波紋片或平直翅片或鋸齒形翅片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的燃氣輪機原表面回?zé)崞?，其特征在于，所述的?dǎo)流片(11)是鋸齒形翅片，該鋸齒形翅片是由平直翅片切成的，相互錯開一定的間隔而行成的間斷式翅片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機原表面回?zé)崞?，其特征在于，換熱板(2)的波谷(26)的內(nèi)切圓半徑與波峰(25)的內(nèi)切圓半徑比值為空氣與燃氣的壓比，同樣，換熱板(3)的波峰(23)的內(nèi)切圓半徑與波谷(24)的內(nèi)切圓半徑比值為空氣與燃氣的壓比。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機原表面回?zé)崞?，其特征在于，所述的換熱板(2、3)在連接成換熱通道時，在換熱板(2)上換熱波紋片(12)的波谷(26)與換熱板(3)上換熱波紋片(13)的波峰(23)在波紋方向交錯45°-75°，兩塊換熱板(2、3)的波紋片(12、13)是點接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型燃氣輪機的回?zé)崞?，具體地說是一種為提高燃氣輪機的熱效率而使用的一種原表面換熱器，能夠提高緊湊度及回?zé)崞魇褂脡勖?。在回?zé)崞髦黧w的右下角及左上角安裝氣體進出口通道，高壓空氣自空氣進口通道流進回?zé)崞髦黧w，從空氣出口通道流出，通過間隔焊接換熱板的左、右邊框形成空氣進出口，通過間隔焊接換熱板的上、下部邊框而形成燃氣進出口，燃氣從燃氣進口流進回?zé)崞髦黧w，從另一側(cè)燃氣出口流出，換熱板的中心呈平行四邊形的換熱波紋片，位于換熱波紋片左右兩側(cè)的三角形踏平區(qū)，踏平區(qū)用來安放導(dǎo)流片，換熱板留有用來焊接及密封的邊框條。采用改進的波紋板，使兩側(cè)流體流速相差不大，兩側(cè)介質(zhì)的換熱效果達到最佳，提高換熱效果。
文檔編號F02C7/14GK1560437SQ20041002591
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日
發(fā)明者王秋旺, 梁紅俠, 羅來勤, 吳一寧, 柏巍, 豐鎮(zhèn)平, 李國君 申請人:西安交通大學(xué)