一种回转体布局的燃气轮机回热器及其换热过程的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种回转体布局的燃气轮机回热器及其换热过程。包括壳体（1），壳体（1）内设有热交换器（2）；所述热交换器（2）由一组呈扇形状的换热芯体组成（21），各换热芯体（21）环向布置形成一环形体，各换热芯体（21）相互独立，在换热芯体（21）两侧设固定支撑臂（22）和浮动支撑臂（23）；热交换器（2）形成高温燃气、高压气体形成逆流向的通道。本发明通过回转体布局，集成了十多个回热器芯体，以增大散热能力；采用逆流方式布置燃气和压缩空气的流道，使得散热效率达到最高；并根据燃气侧和压缩空气侧温度、压力、密度的不同，采用不同高度的翅片结构进行优化，提高回热器的综合散热能力。
【专利说明】一种回转体布局的燃气轮机回热器及其换热过程
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种回转体布局的燃气轮机回热器,属于换热器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]燃气轮机动力装置作为舰船主动力装置，具有体积小、重量轻、启动快、运行维护方便、辅机和系统简单等优点。随着造船界对于舰船高速推进系统主动力装置要求的不断提高，燃气轮机所具有的单机比功率大、尺寸小、重量轻、变速性能好、操作简单、维护方便、滑油消耗量少以及水下噪音小等一系列优点显得日益突出。
[0003]间冷回热循环(ICR-1ntercoolingRecuperated)燃气轮机是在简单循环燃气轮机基础上增加了压缩空气中间冷却器、排气回热器等部件的燃气轮机，其突出优点是在设计工况及低工况下均具有较高的热效率，弥补了简单循环燃气轮机在低工况下热效率低的缺点，从而为军民用舰船采用全燃动力装置创造了条件。采用ICR燃气轮机可使总运行油耗下降23 %?25 %，功率输出增加25%?30%。
[0004]回热器，作为ICR循环燃气轮机的关键部件，其工作条件，比较复杂:燃气具有腐蚀性，需要承受950K以上的高温，400K的温差，其内部承受十几个大气的压力。燃气轮机回热器属于气-气热交换器，气体的换热系数比较小，为达到一定的换热效率，回热器的体积有可能变得很庞大。因此，对燃气轮机回热器的结构布局，变得非常重要。
[0005]燃气轮机的回热器设计与制造，有三大难点:1.散热量较大，特别是大型船舶用燃气轮机，回热器的散热量达到2-3万千瓦，甚至更高；2.燃气和压缩空气的流动阻力小，一般只有自身压力的5%左右，特别是燃气侧的流动阻力，紧紧只容许在5kPa左右；3.热负荷、热膨胀、热冲击大，回热器的可靠性要求高。同时，回热器也有一个特点，燃气的进口压力小，接近于正常大气压，密封要求不高，容许少量泄漏。
【发明内容】
[0006]本发明针对上述缺陷，目的在于提供一种结构简单、换热性能好的一种回转体布局的燃气轮机回热器及其换热过程。
[0007]为此本发明采用的技术方案是:本发明包括壳体(1)，壳体(I)内设有热交换器
(2);所述热交换器(2)由一组呈扇形状的换热芯体组成(21)，各换热芯体(21)环向布置形成一环形体，各换热芯体(21)相互独立，在换热芯体(21)两侧设固定支撑臂(22)和浮动支撑臂(23 );热交换器(2 )形成高温燃气、高压气体形成逆流向的通道。
[0008]所述热交换器(2) —端连接扩压管(3)、整流罩(4)，扩压管(3)和整流罩(4)之间形成燃气进气腔(5 )，该进气腔(5 )设置在所述热交换器(2 )外圆周外侧，热交换器(2 )内圆周延伸形成一燃气出气腔(6)，燃气从热交换器(2)外部径向的沿燃气进气腔(5)流向燃气出气腔(6)。
[0009]所述热交换器的另一端设置高压气体进气管(7)、高压进气出气管(8)，高压气体进气管(7)上沿其圆周方向均布有若干环形设置的和所述换热芯体换热进口(8)连通的压缩空气进气歧管(9)，高压气体出气管(8)上沿其圆周方向均布有若干环形设置的和所述换热芯体换热出口(9)连通的压缩空气出气歧管(10):所述压缩空气出气歧管(10)设置在压缩空气进气歧管(9)内侧，使压缩空气和高温燃气流向逆向。
[0010]所述固定支撑臂(22)设置在高压气体一侧，浮动支撑臂(23)设置在高温燃气的一侧；固定支撑臂(22)暴露在空气之中，浮动支撑臂(23)设置在整流罩(4)内部。
[0011]一种回转体布局的燃气轮机回热器的换热过程，按照以下步骤进行:
高温燃气从扩压管(3)、整流罩(4)进入燃气进气腔(5)，高压气体从高压气体进气管
(7)、压缩空气进气歧管(9)进入换热芯体换热进口(8)，换热过程中，高温燃气从热交换器
(2)外部的间隙中从热交换器(2)的外圆周流向热交换器(2)内圆周形成的燃气出气腔(6);高压气体从热交换器(2)内部形成的通道从热交换器(2)内端流向外端形成和高温燃气的逆流向，形成热交换；
在进行热交换前，通过高温燃气侧的扩压管(3)、整流罩(4)和燃气进气腔(5)，以及燃气出气腔(6)的直径选择，将高温燃气的流速控制在25-35m/s ；
对压缩空气进气和出气，使其流速亦控制在25-35m/s。
[0012]本发明的优点是:针对回热器散热量问题，我们选用了结构紧凑、承压能力和刚度较大的板翅式热交换器，并通过回转体布局，集成了十多个回热器芯体，以增大散热能力；采用逆流方式布置燃气和压缩空气的流道，使得散热效率达到最高；并根据燃气侧和压缩空气侧温度、压力、密度的不同，采用不同高度的翅片结构进行优化，提高回热器的综合散热能力。
[0013]针对燃气轮机回热器流动阻力问题，我们在流道设计时，通过燃气侧的扩压管、整流罩和进气管，以及燃气出气管的直径的安排，将燃气的流速，控制在30m/s左右。对压缩空气进气和出气，根据不同温度下密度的不同，同样采用了等流速设计。
[0014]针对燃气轮机回热器的热负荷及热冲击问题，在材料选用上，采用耐热性能好，线性膨胀系数小，热蠕变强度高的耐热不锈钢。在减少热负荷和热冲击方面，通过设计，使得每一个回热器芯体，都具有相对独立的悬挂，和单独的进出压缩空气流道，避免了芯体之间的互相牵连，降低回热器整体的线性膨胀，减少热负荷冲击；每个单独的芯体，都采用柔顺化设计，降低芯体零部件的刚度，避免热膨胀下的应力集中。芯体的悬挂装置，主固定支撑设计在回热器的低温侧外面，与环境空气接触，使得热负荷与热变形减少；辅助浮动支撑，设计在整流罩内部，通过整流罩的保护，避免了热负荷的直接冲击，得到缓冲。由于采用了回转体设计，热交换器整体是轴向对称，流体的流场和温度场，也是对称平衡的，避免了热应力弓I起的应力集中。同时，充分利用了热交换器燃气侧压力接近常压的特点，燃气流道的壁厚设计较薄，降低了流道的刚度，以适应热负荷引起的外壳变形，而不影响密封性。
[0015]通过采取以上的措施，回转体布局的燃气轮机回热器，效法自然界中，草本植物抵抗风雨时围团成蔟、每片叶子都归根于根系、相互独立的柔顺方法，将之运用到回热器中，采用回转对称的布局、每个芯体独立悬挂，通过降低回热器的刚度，使其适应由于回热器高温引起的热变形和热冲击，提高回热器的抗高温热冲击和热变形的能力，满足燃气轮机的回热工况需要，同时，降低制造成本，提高可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图。
[0017]图2为图1的正向视图。
[0018]图3为图2的A-A向视图。
[0019]图4为本发明的热交换器结构示意图。
[0020]图5为图4的正视图。
[0021]图6为图4的侧视图。
[0022]图7为图4的俯视图。
[0023]图中I为壳体、2为热交换器、3为扩压管、4为整流罩、5为燃气进气腔、6为燃气出气腔、7为高压气体进气管、8为高压气体出气管、9为压缩空气进气歧管、10为压缩空气出气歧管、11为进气分配罩、12为出气汇流罩；
21为换热芯体、22为固定支撑臂、23为浮动支撑臂。
【具体实施方式】
[0024]本发明的回热器包括壳体I，将燃气轮机动力涡轮导出的高温燃气，通过燃气扩压3、燃气整流罩4共同构成高温燃气的燃气进气腔5，流入回热器换热芯体21，与550K左右的压缩空气进行热交换。高温燃气，在回热器内部沿径向通过换热芯体21，汇总到热交换器2的中心，由燃气出气腔6流出回热器，通往外部。回热器热交换器2由一组扇形的板翅式换热芯体21组成，通过扇形角度的彼此相接，共同形成了回转体的布局。换热芯体21之间没有直接的联接关系，相互独立，避免了热膨胀引起的相互之间的热应力。每个回热器换热芯体21，通过回热器固定支撑臂22和回热器浮动支撑臂23，独立悬挂在回热器燃气通道内。燃气轮机高压压气机的压缩空气进气，通过高压气体进气管7和压缩空气进气分配罩11，均匀分配到压缩空气进气歧管9，进入回热器换热芯体21，沿与燃气逆流方向，流出回热器换热芯体21，在换热芯体21流通后经压缩空气出气歧管10，汇总到压缩空气出气汇流罩12,通过压缩空气出气管8,流入燃气轮机燃气发生器。
[0025]本发明的固定支撑臂22、浮动支撑臂23使换热芯体21径向方向得到约束，使换热芯体21能和压缩空气进气歧管9、压缩空气出气歧管10准确对接，避免因换热芯体21在径向上的移动造成密封性的问题及避免歧管和换热芯体21之间的碰撞造成两者的损伤；同时浮动支撑臂23的设置使换热芯体21轴向方向有一定的浮动，缓冲因高温燃气、高压气体带来的冲击，保护热交换2的使用寿命。
[0026]本发明通过燃气侧的扩压管、整流罩和进气管，以及燃气出气管的直径的安排，将燃气的流速，控制在30m/s左右。对压缩空气进气和出气，根据不同温度下密度的不同，同样采用了等流速设计。设计回热器芯体时，通过调整扇形角度和芯体两端的宽度，弥补燃气在不同温度时，由于密度不同，造成的流速不均，增大燃气侧流道的翅片高度，降低流速，减少流动阻力。通过上述措施，将流动阻力，降低到容许的范围。
[0027]本发明的压缩空气进气歧管9、压缩空气出气歧管10的根数和换热芯体21的个数一致，每根压缩空气进气歧管9、压缩空气出气歧管10分别对应一个换热芯体21，因此高压气体在每个换热芯体的流动时相互独立的，相邻之间的换热芯体21之间也存在间隙，因此增大的换热面积，提高了换热效果。
【权利要求】
1.一种回转体布局的燃气轮机回热器,其特征在于,包括壳体(I),壳体(I)内设有热交换器(2);所述热交换器(2)由一组呈扇形状的换热芯体组成(21)，各换热芯体(21)环向布置形成一环形体，各换热芯体(21)相互独立，在换热芯体(21)两侧设固定支撑臂(22)和浮动支撑臂(23);热交换器(2)形成高温燃气、高压气体形成逆流向的通道。
2.根据权利要求1所述的一种回转体布局的燃气轮机回热器，其特征在于，所述热交换器(2) —端连接扩压管(3)、整流罩(4)，扩压管(3)和整流罩(4)之间形成燃气进气腔(5)，该进气腔(5)设置在所述热交换器(2)外圆周外侧，热交换器(2)内圆周延伸形成一燃气出气腔(6)，燃气从热交换器(2)外部径向的沿燃气进气腔(5)流向燃气出气腔(6)。
3.根据权利要求1所述的一种回转体布局的燃气轮机回热器，其特征在于，所述热交换器的另一端设置高压气体进气管(7)、高压进气出气管(8)，高压气体进气管(7)上沿其圆周方向均布有若干环形设置的和所述换热芯体换热进口(8)连通的压缩空气进气歧管(9)，高压气体出气管(8)上沿其圆周方向均布有若干环形设置的和所述换热芯体换热出口(9)连通的压缩空气出气歧管(10):所述压缩空气出气歧管(10)设置在压缩空气进气歧管(9)内侧，使压缩空气和高温燃气流向逆向。
4.根据权利要求2所述的一种回转体布局的燃气轮机回热器，其特征在于，所述固定支撑臂(22)设置在高压气体一侧，浮动支撑臂(23)设置在高温燃气的一侧；固定支撑臂(22 )暴露在空气之中，浮动支撑臂(23 )设置在整流罩(4)内部。
5.一种回转体布局的燃气轮机回热器的换热过程，其特征在于，按照以下步骤进行: 高温燃气从扩压管(3)、整流罩(4)进入燃气进气腔(5)，高压气体从高压气体进气管(7)、压缩空气进气歧管(9)进入换热芯体换热进口(8)，换热过程中，高温燃气从热交换器(2)外部的间隙中从热交换器(2)的外圆周流向热交换器(2)内圆周形成的燃气出气腔(6);高压气体从热交换器(2)内部形成的通道从热交换器(2)内端流向外端形成和高温燃气的逆流向，形成热交换； 在进行热交换前，通过高温燃气侧的扩压管(3)、整流罩(4)和燃气进气腔(5)，以及燃气出气腔(6)的直径选择，将高温燃气的流速控制在25-35m/s ； 对压缩空气进气和出气，使其流速亦控制在25-35m/s。
【文档编号】F02C7/10GK104295374SQ201410445138
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】吴一鹏 申请人:高邮市荣清机械电子有限公司