热电联产系统的制作方法

本技术涉及热电联产系统(combinedheatandpowersystems)领域。

背景技术：

热电联产(chp)系统使用热机来同时产生电力(其可以例如用于发电或可以用于驱动机械系统)和有用的热量。例如，这可以允许将发电厂中产生的废热重新用于加热水或其他目的。另一个较小规模的示例可以是在家庭或营业场所内提供的chp系统，该系统不仅可以燃烧燃料来加热空间或水，还可以将来自燃料的能量中的一部分转化为电。应当理解，chp系统的许多其他应用是可能的。多种类型的热机可以用作chp系统的基础，例如，燃气轮机、内燃机或燃料电池。

技术实现要素：

至少一些示例提供了一种热电联产系统，包括：

轴；压缩器，耦合到轴以压缩进气以形成压缩气体；同流换热器，用于加热压缩气体以形成经加热压缩气体；燃烧器，用于使燃料和经加热压缩气体燃烧以形成燃烧气体；涡轮，耦合到轴以使燃烧气体膨胀以形成废气；负载，耦合到轴；废气出口，用于将废气排出到加热器，该加热器用于基于来自废气的热量来加热流体；同流换热器通道，提供废气从涡轮通过同流换热器流向废气出口的路径；旁路通道，提供废气从涡轮绕过同流换热器流向废气出口的路径，其中：同流换热器、燃烧器壳体、涡轮壳体、废气出口、同流换热器通道和旁路通道形成固结材料的整体。

至少一些示例提供了用于热电联产系统的部件，该部件包括：同流换热器，用于加热从压缩器接收到的压缩气体以形成经加热压缩气体；燃烧器壳体，用于容纳燃烧器，该燃烧器用于使燃料和经加热压缩气体燃烧以形成燃烧气体；涡轮壳体，用于容纳涡轮转子以形成涡轮，该涡轮用于使燃烧气体膨胀以形成废气；废气出口，用于将废气排出到加热器，该加热器用于基于来自废气的热量来加热流体；同流换热器通道，提供废气从涡轮通过同流换热器流向废气出口的路径；旁路通道，提供废气从涡轮绕过同流换热器流向加热器的路径，其中：同流换热器、燃烧器壳体、涡轮壳体、废气出口、同流换热器通道和旁路通道形成固结材料的整体。

可以提供一种用于制造上述部件的方法，其中，通过增材制造来制造该部件。

可以提供表示上述部件的设计的计算机可读数据结构。计算机可读存储介质可以存储该数据结构。该存储介质可以是非暂态存储介质。

至少一些示例提供了一种计算机实现的方法，该方法用于生成表示热电联产系统的部件的电子设计文件；该方法包括：生成指定部件的电子设计文件，该部件包括：同流换热器，用于加热从压缩器接收到的压缩气体以形成经加热压缩气体；燃烧器壳体，用于容纳燃烧器，该燃烧器用于使燃料和经加热压缩气体燃烧以形成燃烧气体；涡轮壳体，用于容纳涡轮转子以形成涡轮，该涡轮用于使燃烧气体膨胀以形成废气；废气出口，用于将废气排出到加热器，该加热器用于基于来自废气的热量来加热流体；同流换热器通道，提供废气从涡轮通过同流换热器流向废气出口的路径；旁路通道，提供废气从涡轮绕过同流换热器流向加热器的路径，其中：同流换热器、燃烧器壳体、涡轮壳体、废气出口、同流换热器通道和旁路通道形成固结材料的整体。

附图说明

本技术的其他方面、特征和优点将从下面结合附图阅读的示例描述中变得显而易见，其中：

图1示意性地示出了热电联产系统；

图2示意性地示出了用于热电联产系统的部件。

图3a、图3b和图4至图6示意性地示出了用于热电联产系统的部件的各种横截面；

图7和图8示意性地示出了用于热电联产系统的部件和比率选择器的示例；

图9示意性地示出了增材制造；和

图10示出了使用增材制造产生部件的方法。

具体实施方式

在一些chp系统中，燃气涡轮发动机可以用作发热和发电的基础。例如，chp系统可包括轴、耦合到轴以压缩进气从而形成压缩气体的压缩器、用于加热压缩气体以形成经加热压缩气体的同流换热器、用于燃烧燃料和经加热压缩气体以形成燃烧气体(combustiongas)的燃烧器、以及耦合到轴以使燃烧气体膨胀以形成废气的涡轮。负载可以耦合到轴。负载可以是例如机械负载(例如，由涡轮驱动的凸轮、活塞或驱动轴)，或者可以是用于基于轴的旋转而生成电的发电机。因此，当在发电模式下使用时，燃烧器中燃料的燃烧驱动涡轮，从而使轴旋转，并且由此提供动力来驱动负载。

chp系统还具有废气出口，用于将废气从涡轮排出至用于基于来自废气的热量来加热流体的加热器。因此，在热量产生模式中，由燃料和经加热压缩气体的燃烧产生的废气中的热量可用于加热另一流体(例如，空气或水)，则这可用于提供有用的热量(例如，用于加热空间或建筑物内的供水或空气)。在一些操作模式中，chp系统可以以同时生成热量/电能的二重热/电(dualheat/power)模式操作，但chp系统也可以仅支持生成热量/电能之一的单操作模式。

在典型的基于涡轮的chp系统中，来自涡轮的所有废气将在到达通向加热器的废气出口之前被引导通过同流换热器。这意味着，一旦一些热量已经被用于加热来自压缩器的压缩气体以形成被供应到燃烧器的经加热压缩气体，则仅向加热器供应任何剩余的热量。通过利用废气中的热量来加热同流换热器内的压缩气体，可以提高燃烧器的效率，因为当供应到燃烧器中的压缩气体更热时，燃料可以更有效地燃烧。

在以下讨论的技术中，chp系统既有同流换热器通道又有旁路通道，该同流换热器通道提供废气从涡轮通过同流换热器流向废气出口的路径，旁路通道提供废气从涡轮绕过同流换热器流向废气出口的路径。因此，废气中的一部分可以根本不流经同流换热器，而是直接流向废气出口并流向加热器，而不用于加热同流换热器内的压缩气体。这似乎是反直觉的，因为绕过同流换热器可能降低燃烧器的燃烧效率。但是，发明人认识到，燃烧器的这种降低的效率可以换得在加热器处以更高效率加热流体。因此，提供附加的旁路通道使得chp系统能够控制所产生的热量/电能之间的相对比率，从而提供更大的灵活性。例如，在一些应用中，可以在至少一些操作模式中优选地使发热的优先级高于发电，这在所有废气都通过同流换热器的情况下是不可能的。

在一些示例中，可以静态地配置通过同流换热器通道和旁路通道的废气的量，使得在运行时不可改变废气中通过同流换热器通道的部分与废气中通过旁路通道的部分之间的比率。例如，当设计chp系统时，可以选择同流换热器通道和旁路通道的相对尺寸，以提供期望的、废气中通过每个通道的相应部分之间的比率。如果期望产生较多的热量，则旁路通道可以相对于同流换热器通道制作得更大，而在较大部分的热量要被用于提高燃烧器效率其他系统中，旁路通道可以被配置为使废气总量的较小部分通过旁路通道。例如，可以改变旁路通道的入口的几何形状，以便相对于同流换热器通道提供通过旁路通道的不同流量。

其他示例可以提供比率选择器，用于可变地调整废气中通过同流换热器通道的第一部分与废气中通过旁路通道的第二部分之间的比率。这允许用户根据其当前需求来调整由chp系统分别产生的热量和电能。例如，如果在家庭中使用chp系统来提供电力和热水，则在冬季，用户可能更倾向于将较大比例的能量用于在加热器处对水进行加热，而将较少的能量用于发电，而在夏季，则需要较少的能量来加热水，因此可以将较多的能量用于发电。因此，通过在夏季选择比冬季更高的第一部分相对于第二部分的比率，可以更好地满足用户的需求。因此，比率选择器允许系统适当地偏向于倾向发热或发电。

比率选择器可以支持第一部分和第二部分都为非零的至少一个操作模式。因此，比率选择器可以支持中间操作点(对应于第一和第二部分之间的不同比率的若干个不同的中间操作点)，而不是简单地以二元开/关方式操作(在该二元开/关方式中，所有废气都通过同流换热器通道或所有废气都通过旁路通道)。这提供了可以同时发热和发电的操作模式，而热量和电能输出量之间的比率可调整。

可以提供燃料供应控制器，用于根据废气中通过旁路通道的第二部分来改变对燃烧器的燃料供应速率。例如，燃料供应可以控制燃料供应的速率，使得燃料供应的速率随着第二部分的增加而增加。当废气中的较大部分通过旁路通道时，同流换热器处的温度将趋于下降，从而降低燃烧器的效率，并且略微降低加热器处的热量输出，这可部分抵消由旁路通道提供的热量输出的增益。在某些应用中，这种热量下降是可以接受的。然而，如果增加提供给燃烧器的燃料的速率，则这可以增加燃烧器的温度，以获得期望的热量输出水平。

例如，比率选择器可以包括可调整屏障，用于调整旁路通道的入口中被该屏障阻挡的部分。例如，可调整屏障可以是活塞或壁，其被移动到适当位置以遮盖旁路通道的入口的一部分(取决于需要多少废气绕过同流换热器通道)。即使没有可调整屏障遮盖同流换热器通道，该方法也可以运作，因为旁路通道通常具有比通过同流换热器的同流换热器通道更低的压降，因此当两个通道都打开时，与同流换热器通道相比，气流将倾向于优先流经旁路通道。当旁路通道入口的更大的部分被屏障遮盖，废气中的更大部分通过同流换热器通道。

在一个示例中，同流换热器可以包括环形热交换器，该环形热交换器被布置在扩散器的出口周围的环形空间中，该扩散器用于将废气从涡轮供应到同流换热器，并且旁路通道可以包括环形旁路通道，该环形旁路通道在同流换热器下游围绕扩散器出口延伸。这种布置可以紧凑地制造。此外，可调整屏障可以移入和移出环形旁路通道的中心孔，以选择性地阻挡旁路通道的入口的一部分(旁路通道的入口可以围绕环形旁路通道的内径延伸)。通过这种方法，可以使用相对较小的屏障(例如，移入和移出旁路通道的中心孔的圆柱形活塞)来控制废气中通过同流换热器通道的部分与废气中通过旁路通道的部分之间的比率。

可以提供压缩器出口歧管，用于将压缩气体从压缩器供应到同流换热器。在一些示例中，燃烧器可以被实现为围绕涡轮和扩散器中的至少一者延伸的环形燃烧器。在一些情况下，压缩器出口歧管可以包括围绕环形燃烧器延伸的环形通道。通过将压缩器出口歧管放置在环形燃烧器的外部，这将倾向于意味着压缩气体(通常是通过chp系统的最冷的气体，因为其尚未到达燃烧器或同流换热器)延伸通过设置在chp系统的外侧末端上的通道。这在chp系统要被用在家庭环境或用户可能与系统外部紧密接触的其他环境中的情况下尤其有用。通过使最冷的气体位于系统的外部，这降低了用户在系统的热壳体上烫伤自己的可能性。有效地，压缩器出口歧管可用于将用户与较热的燃烧器隔离。

在一些示例中，系统通常可以具有环形设计，在该设计中，不仅燃烧器具有环形设计，而且压缩器出口歧管、同流换热器通道、旁路通道(以及加热器本身(在加热器也与其他部件集成的实施例中))也具有环形设计，这使得系统更紧凑，从而减少系统所需的空间的总体积。

然而，如果燃烧器位于系统内部，则它可能不会暴露于外部环境空气，而这可能导致过热问题。此外，来自燃烧器的热量也可以加热涡轮壳体，这可导致涡轮壳体膨胀，从而使更多的燃烧气体泄漏到涡轮转子叶片的尖端与涡轮壳体内部之间，从而降低涡轮的效率。可以通过提供来自压缩器出口歧管的排放通道以将沿涡轮的壳体和燃烧器的壳体中的至少一者引导压缩气体的一部分来解决这些问题。更具体地，如果使用环形设计的燃烧器，则排放通道可以将压缩气体供应在与环形燃烧器的内径相对应的燃烧器的表面上。通过在涡轮和/或燃烧器壳体上引导较冷的压缩气体的一部分，则这有助于冷却这些部件以便提供更高的效率，即使这些部件位于chp系统的单个集成部件的内部。

然而，提供这样的用于沿涡轮和/或燃烧器的壳体引导压缩气体的排放通道可能是有挑战性的，因为可能还需要将燃烧气体从燃烧器引导到涡轮。该系统可以包括多个喷嘴导向叶片(ngv)，用于将燃烧气体从燃烧器导向至涡轮。例如，ngv可以向燃烧气体流引入切向分量，使得燃烧气体被引导至与旋转轴相切的涡轮转子。用于将压缩气体供应到涡轮壳体和/或燃烧器壳体的排放通道可以包括延伸通过ngv的一个或多个腔室。因此，每个ngv可以包括中空结构，其中每个ngv的外表面将燃烧气体从燃烧器引导到涡轮中，并且ngv的内表面沿涡轮壳体和/或燃烧器壳体引导压缩气体，以便提供冷却。虽然这样的中空的ngv的制造可能很复杂，但是可以使用增材制造技术来实现，如下所述。

因此，尽管人们通常期望来自压缩器的所有压缩气体被引导到同流换热器中，并且然后在流经同流换热器之后进入燃烧器中，但当提供了排放通道时，压缩气体中流经排放通道的部分可以沿燃烧器的壳体和/或涡轮的壳体延伸，以便冷却燃烧器/涡轮壳体。此后，压缩气体可以在排放通道下游的各个点被重新引入到流体流中。

在一个示例中，排放通道用于将压缩气体中流经排放通道的部分通过燃烧器的壳体中的至少一个孔排出到燃烧器中。人们通常预期压缩气体过冷而无法高效燃烧，但当压缩气体沿相对较热的涡轮/燃烧器壳体经过时，它可能被加热，从而使其足够热以支持高效燃烧，而无需通过同流换热器。因此，例如，将排出流体的流直接注射到燃烧器中可以降低压缩器出口歧管和涡轮入口歧管的复杂性。

在其他示例中，通过排放通道的压缩气体流可以在经过同流换热器之前或之后在燃烧器的上游排出。在另一示例中，排放通道气体可以被从排放通道被注射到位于燃烧器下游但在涡轮上游的流中。这对于通过用流经排放通道的压缩气体稀释燃烧气体来降低所遇到的温度可能是有用的，这可有助于冷却涡轮。

在一些示例中，同流换热器、燃烧器的壳体、涡轮的壳体、废气出口、同流换热器通道和旁路通道可以形成固结材料的整体。因此，同流换热器、燃烧器壳体、涡轮壳体、废气出口、同流换热器通道和旁路通道中的每一者可以形成为单个部件(例如，通过增材制造)，而非由多个单独制造的部件组装chp系统。这可以使整体系统更加紧凑。

在一些实施方式中，加热器可以被提供为与上述集成材料分开的部件。在这种情况下，废气出口可以简单地将已流经同流换热器通道或旁路通道的废气排出到外部，然后单独制造的管道可以从废气出口收集废气并且将其提供给单独的加热器，该加热器用于基于来自废气的热量来加热水或其他流体。

可选地，加热器也可以与chp系统的其他部件集成，以便形成为与同流换热器、燃烧器壳体、涡轮壳体、废气出口、同流换热器通道和旁路通道相同的固结材料的整体的一部分。在这种情况下，同流换热器/旁路通道与加热器之间的废气出口可以是集成部件内的内部出口，而不是通向单独管道的外部出口。

轴、压缩器和涡轮转子不必须形成为与上述其他部件相同的材料体。这些可以单独组装。

在加热器与上述其他部件集成的实施例中，在一些情况下，同流换热器可以包括被布置在扩散器出口周围的环形空间中的环形热交换器，并且加热器可以包括围绕环形热交换器的周边布置的另外的环形热交换器。这种布置可以提供紧凑的设计，从而以相对节省空间的方式处置给定的体积流速。

也可以与上述部件集成的其他部件包括以下项中的至少一者：用于将废气从涡轮供应到同流换热器的扩散器；用于将压缩气体从压缩器供应到同流换热器的压缩器出口歧管的至少一部分；用于将燃烧气体从燃烧器供应到涡轮的涡轮入口歧管的至少一部分；用于将燃料供应到燃烧器的燃料入口通道的至少一部分。

在一些示例中，同流换热器通道可以使废气通过涡轮与废气出口之间的90度或更小的转弯。例如，采用环形设计，废气可以在同流换热器的中心孔中离开扩散器，经过90度的转弯，然后直接通过流换热器通道流出并可选地通过加热器，而不进行进一步的转弯。这对于效率是有利的，因为避免需要大于90度的转弯可以有助于降低通过系统的压降。

上面讨论的部件(其在材料的整体内包括同流换热器、燃烧器壳体、涡轮机壳体、废气出口、同流换热器通道和旁路通道)，可以作为与chp系统的其他元件独立的部件来制造和销售，用于下游方然后与其他部件(例如，轴、压缩器、负载和涡轮转子)一起组装成chp系统。在一些情况下，chp部件还可以包括如所讨论的加热器、扩散器、压缩器出口歧管的部分、涡轮机入口歧管的部分和燃料入口通道的部分中的一者或多者。

在本申请的任何示例中讨论的chp部件可以通过增材制造来形成。在增材制造中，为了生产整个制品，可以通过连续地构建一层又一层的材料来制造制品。例如，增材制造可以通过选择性激光熔化、选择性激光烧结、电子束熔化等来进行。用于形成chp部件的材料可以变化，但在一些示例中可以是金属或合金，例如，铝、钛或钢。

可以通过提供表示要制造的设计的特征的电子设计文件，并且将设计文件输入到计算机来控制增材制造过程，该计算机将设计文件转换为提供给制造设备的指令。例如，计算机可以将三维设计切割成连续的二维层，并且表示每层的指令可以被提供给增材制造机器，例如，用于控制激光扫描粉末床以形成相应的层。因此，在一些实施例中，该技术还可以在表示上述chp部件的设计的计算机可读数据结构(例如，计算机自动化设计(cad)文件)中实现，而非提供物理chp部件。因此，chp部件还可以以控制增材制造机器以形成这种chp部件的数据的形式出售(然后由下游方使用他们自己的增材制造机器来制造它))，而非以其物理形式出售chp部件。可以提供存储数据结构的存储介质。

此外，可以提供一种计算机实现的方法，用于生成表示如上所述的chp部件的电子设计文件。在一些情况下，该方法可以包括：根据指定热电联产系统的设计要求的设计规范数据来调整部件的至少一个参数。例如，设计规范数据可以指定用于热模式和电能模式两者的预期功率输出，因此计算机实现的方法可以基于所需的功率水平自动选择设计的各种参数。例如，经调整的参数可以包括设计的各个部件的整体尺寸以及设计的不同元件的尺寸之间的比率。例如，至少一个参数可以包括以下项中的至少一者：同流换热器通道的水力直径与旁路通道的水力直径之间的比率；同流换热器的正面面积(frontalarea)；同流换热器的流动长度；涡轮壳体的尺寸；燃烧器壳体的尺寸；和加热器的尺寸。

例如，通过调整同流换热器通道的水力直径与旁路通道的水力直径的比率，这使得能够调整由系统产生的热量和电能的相对量，因为通常较宽的旁路通道可以允许更多的能量用于热量而不是电能，另一方面，相对于同流换热器通道较窄的旁路通道可以允许操作点偏向于电能模式。

更一般地，可以基于设计规范数据来调整控制通过chp系统的质量流的任何参数。例如，同流换热器的正面面积、涡轮壳体尺寸、燃烧器正面面积或燃料输送通道的尺寸都可以被调整。此外，可以改变影响同流换热器效率的参数，例如，同流换热器通道的正面面积和流动长度。加热器的尺寸也可以改变。

上面讨论的技术可以应用于任何chp系统。然而，它们可能尤其适用于较小规模的chp系统，例如微型chp系统或具有最大功率输出为100kw或少于100kw的chp系统，因为上述chp部件的设计提供了适于这种应用的系统的特别紧凑的设计。

图1示意性地示出了热电联产(chp)系统2。热电联产系统2包括可旋转轴4，其中，压缩器6和涡轮8安装在可旋转轴4上。负载24可以耦合或附接到轴4。热电联产系统2还包括同流换热器10和燃烧器12。

在操作中，压缩器6和涡轮8在轴4上的高速旋转将诸如空气之类的进气吸入压缩器6中，在压缩器6处，进气被压缩以形成压缩气体。从压缩器6流出的压缩气体流具有从轴4向外的径向分量和围绕轴4的旋转分量。压缩气体从压缩器6流出，并且被供应到同流换热器10，在同流换热器10处，压缩气体被进一步加热以形成经加热压缩气体。在同流换热器10内形成经加热压缩气体的进一步加热可以通过与废气的热交换来实现，该废气也在不同的通道中通过同流换热器10(即，同流换热器10是热交换器)。可以通过控制同流换热器10的至少最后部分内的管道形状来控制流出同流换热器10的气流，以在气流中产生涡流，从而有助于被注射到燃烧器12中的燃料的有效燃烧。

离开同流换热器10的经加热压缩气体进入燃烧器12，在燃烧器12处，经加热燃烧气体与燃料(例如，可燃液体或气体)混合，并且用于支持燃烧，以产生从燃烧器12引出并进入涡轮8的高温燃烧气体。进入涡轮8的燃烧气体在流经涡轮8时膨胀，以从中提取功以形成废气。涡轮8由此驱动压缩器6以及附接到轴4的任何负载24(例如，发电机或机械配件(例如，变速器或齿轮箱))的旋转。

chp系统2包括同流换热器通道28，该同流换热器通道28为废气提供通过同流换热器10从涡轮8流到废气出口18的路径，其中，来自废气的热量在来自压缩器6的压缩气体到达燃烧器12之前加热该压缩气体。chp系统2还包括旁路通道22，该旁路通道22为废气提供从涡轮绕过同流换热器10流到废气出口的路径。废气出口18被配置为：将废气排出到加热器26，以基于来自废气的热量对诸如水之类的流体进行加热。

chp系统2还可以包括比率选择器30，用于可变地调整废气中通过同流换热器通道28的第一部分与废气中通过旁路通道22的第二部分之间的比率。应当理解，比率选择器30不是必需的，并且在一些系统中，上述比率可以在设计系统时被静态地设置，例如，通过选择同流换热器通道28和旁路通道22的相对横截面积。在一些示例中，比率选择器30包括可调整屏障，用于调整旁路通道22的入口中被可调整屏障阻挡的部分。例如，当可调整屏障完全遮盖旁路通道22的入口时，废气中通过旁路通道的部分(第二部分)基本上为零，并且废气中通过同流换热器通道的部分(第一部分)为1，使得比率也为1。在一些示例中，比率选择器被配置为支持第一部分和第二部分都为非零的至少一种操作模式，例如，1/2和1/2或1/4和3/4。在这些示例中，该比率具有介于0和1之间的值。

燃料供应控制器13可以被提供为控制对燃烧器12的燃料供应。在一些实施例中，燃料供应控制器13可以提供恒定的燃料供应速率，而与chp系统的操作模式无关。然而，在其他实施例中，燃料供应控制器13可以改变供应到燃烧器12的燃料的速率。在包括比率选择器30的实施例中，燃料供应的速率可以取决于废气中通过旁路通道的第二部分。例如，第二部分较高时的燃料供应速率可以高于第二部分较低时的燃料供应速率。这可以通过供应更多的燃料以抵消由于增加废气流中通过旁路通道的部分而引起的燃烧效率的轻微下降，从而有助于维持期望的热量输出水平。

图2、图3a、图3b和图4至图6示出了用于chp系统的chp部件200。图3a示出了图2所示的chp部件200沿该部件的中心轴(沿图2中的剖面线a)的横截面。在该示例中，chp部件200包括涡轮8的壳体(涡轮壳体34)、燃烧器12的壳体(燃烧器壳体36)、同流换热器10、同流换热器通道28和旁路通道22、废气出口18和加热器26。因此，在该示例中，废气出口是chp部件200的主体内的中间出口(在加热器26的入口处)。其他示例可以使用与其他部件分离的外部加热器，在这种情况下，废气出口18可以是废气离开chp部件并流经外部管道到达加热器的点。要由加热器26加热的水可以通过如图2所示的进水口47供应到加热器中，该进水口47将水供应到如图3a所示围绕chp部件的周边而经过的周边(环形)通道48。类似地，经加热的水可以通过图3a所示的环形出水通道49离开加热器26，该环形出水通道49可以从环形加热器26周围收集热水。热水可以在从通道49延伸的单个出水口(在图2至图6所示的图中不可见)处从环形出水通道49流出。

图3b示出了图2中所示的chp部件200的横截面图，该横截面与该部件的直径交叉(沿着图3a中的剖面线b)。如图3a和3b所示，同流换热器10可以包括被布置在扩散器20的出口周围的环形空间中的环形热交换器(即，扩散器20将废气排入同流换热器10的中心孔21)。扩散器20被配置为将废气从涡轮8供应到同流换热器10。扩散器20的使用促进在涡轮8上建立更大的压降，从而使得能够从燃烧气体中提取更多的功，同时使废气处于适于排放到大气的压力下。在一些示例中，热电联产系统2包括用于将燃烧气体从燃烧器供应到涡轮的涡轮入口歧管16。同流换热器通道28还被配置为使废气通过涡轮和废气出口之间的90度或更小的转弯。尽管通过同流换热器10的通道在图3a中看起来是垂直延伸的，但这是横截面的假象，并且从图3b可以看出，实际上通道具有径向和切向分量，使得它们在弯曲路径中将废气从同流换热器的内孔21引导到同流换热器10的外周(outercircumference)(或在弯曲路径中将压缩气体从同流换热器10的外周引向内孔21(准备好供应到燃烧器12))。

如图3a所示，旁路通道22包括环形旁路通道，该环形旁路通道在同流换热器10的下游围绕扩散器20的出口延伸。在一些示例中，比率选择器30包括可调整屏障(例如，活塞)，该可调整屏障被配置为移入和移出同流换热器10的内孔21，以选择性地阻挡环形旁路通道22的入口22a的一部分。

chp部件200还可以包括压缩器出口歧管14，用于将压缩气体从压缩器6供应到同流换热器10。在一些示例中，燃烧器12包括围绕涡轮8和扩散器20中的至少一者延伸的环形燃烧器。然后，压缩器出口歧管14包括围绕环形燃烧器12延伸的环形通道，但这不是必需的。例如，压缩器出口歧管14可以包括围绕燃烧器12周向布置的多个压缩器出口歧管管道(例如，在垂直于轴4的平面中)。另外，可以在压缩器出口歧管14的至少第一部分内设置导流叶片140或其它导流结构，以细分通道。因此，通常，在本申请中，术语“通道”、“歧管”、“管道”等可以指单个通道或输送流体的不同部分的多个细分通道。流过压缩器出口歧管14的压缩气体可用于冷却燃烧器12的外表面。还将理解的是，燃烧器12的其他构造可以用于chp部件200中，例如，罐式燃烧器或管状燃烧器。

chp部件200包括用于容纳燃烧器12的燃烧器壳体36和用于容纳涡轮转子(图3a中未示出)以形成涡轮8的涡轮壳体34。chp部件200还可以包括来自压缩器出口歧管14的排放通道32，用于沿着涡轮壳体34和燃烧器壳体36中的至少一者引导压缩气体的一部分。因此，热量可以以提高涡轮8的效率的方式从涡轮壳体34传递到压缩气体。例如，由于涡轮壳体34在使用中比涡轮转子膨胀得更多，因此涡轮转子与涡轮壳体34之间的间隙增大，从而降低了转子的效率。通过将热量从涡轮壳体34传递到压缩气体，涡轮壳体在使用中膨胀变小，因此涡轮转子和涡轮壳体34之间的间隙减小，从而提高了效率。此外，通过用压缩气体冷却涡轮壳体34来从涡轮壳体34迁移热量可以减轻对涡轮壳体34的设计约束，例如，允许将较便宜的材料用于涡轮壳体34，因为其峰值温度将较低。

更具体地，排放通道32可以被配置为在燃烧器壳体36的对应于环形燃烧器12内径的表面上供应压缩气体。chp部件200还可以包括多个喷嘴导向叶片38，用于将燃烧气体从燃烧器12引导至涡轮8。然后，排放通道32包括延伸通过喷嘴导向叶片38的一个或多个腔室，以便例如沿着燃烧器壳体36的对应于环形燃烧器12内径的表面引导压缩气体的一部分。在一些示例中，排放通道32被配置为通过燃烧器壳体36中的至少一个孔36a将压缩气体的所述部分排出到燃烧器12中。例如，一个或多个孔36a可以位于燃烧器壳体36的对应于环形燃烧器12内径的表面上。

在一些示例中，同流换热器10、燃烧器壳体36、涡轮壳体34、废气出口18、同流换热器通道28和旁路通道22形成固结材料的整体。在一些示例中，加热器26也是固结材料的整体的一部分。例如，同流换热器10可以包括被布置在扩散器20的出口周围的环形空间中的环形热交换器。加热器26则包括围绕环形热交换器的周边布置的另外的环形热交换器。扩散器20、压缩器出口歧管14的至少一部分和涡轮入口歧管16的至少一部分也可形成固结材料的整体的一部分。固结材料的整体还可以包括用于(在燃料供应控制器13的控制下(燃料供应控制器13可以是与集成chp部件200分离的部件))将燃料供应到燃烧器12的燃料入口通道42的至少一部分。燃料入口通道42可以将燃料供应到环形燃料分配通道43中，该环形燃料分配通道43围绕部件200的周边经过。来自分配通道43的燃料被注射到燃烧器中。

如图3a所示，在集成部件的底部形成用于同流换热器10和加热器18的热交换器的优点是：这些元件需要最多的金属，因此是最重的(由于分隔热交换器通道的壁的附加质量)，因此通过将这些元件设置在部件的同一侧，这可以使得通过增材制造更直接简单地制造部件，因为在制造期间部件的其他部分不需要承受热交换器的重量。如图3a所示，可以沿从底部到顶部的构建方向来制造该部件，使得首先放置旁路通道22和热交换器部件10、18，然后将对应于燃烧器10、涡轮壳体34等的密度较小的部分放置在热交换器部件的顶部。

图4和图5示意性地示出了如图3a所示的通过chp部件200的相同横截面，但是放大显示了涡轮入口歧管16和压缩器出口歧管14的第一部分(图5以透视图示出了横截面，而图4示出了端视图)。箭头示出了不同流体流过部件的方向。如上关于chp系统2所述，来自压缩器的压缩气体通过压缩器出口歧管14进入chp部件200。压缩器出口歧管14包括导流叶片140，用于将压缩气体引导在燃烧器12的外部周围，同时减少压缩气体的涡流和周向流动。如图3a所示，导流结构140可以沿压缩器出口歧管14的大部分长度延伸，以形成围绕燃烧器12周向布置的多个压缩器出口歧管管道。这确保了压缩气体围绕燃烧器12的周边均匀分布，同时进一步减少了压缩气体的周向流动。替代地，导流叶片140可以被完全地包含在压缩器出口歧管14的第一部分内，例如图4中可见的部分。在一些示例中，一个或多个导流结构140可以是中空的，例如以便允许一个或多个燃料入口通道42经过导流结构140，从而将燃料供应到燃烧器12。导流结构140还可以提供机械支撑，使得当通过增材制造来制造chp部件200时，chp部件200的其他部分能够形成在该部件的下面部分之上。

如上面关于热电联产系统2所述，压缩气体从压缩器出口歧管流入同流换热器10，在同流换热器10处压缩气体被加热，然后流入到燃烧器12中，在燃烧器12处与燃料混合以产生高温燃烧气体。尽管在上述示例中，燃料被直接供应到燃烧器12中(经由燃料入口通道42和燃料分配通道43)，但这不是必需的。例如，燃料的至少一部分可以被添加到燃烧器12上游的压缩气体中，例如在压缩器出口歧管14中。燃料的至少一部分可以被添加到比压缩器更上游的位置。在这样的示例中，燃料和压缩气体混合物仅在进入燃烧器12后被点燃。

然后，燃烧气体流出燃烧器12进入涡轮入口歧管16。在图4和图5所示的示例中，涡轮入口歧管16包括多个喷嘴导向叶片38，用于将燃烧气体从燃烧器12引导至涡轮8。

通过压缩器出口歧管14进入chp部件200的压缩气体的一部分被引导到排放通道32中以形成排放气体。在图4和图5所示的示例中，排放通道32包括一个或多个腔室32a，该腔室32a延伸通过喷嘴导向叶片38，从而允许排放气体(压缩气体)流过喷嘴导向叶片38的内部。由于喷嘴导向叶片38的外表面暴露于热的燃烧气体，因此这还起到从喷嘴导向叶片38迁移热量的作用，从而提高它们的结构完整性和使用寿命。

延伸通过喷嘴导向叶片38的腔室32a将压缩气体的一部分引导到形成排放通道的一部分排放管道32b中。排放管道32b被布置在围绕涡轮8的环形空间中，使得流过喷嘴导向叶片38中的每个腔室32a的压缩气体流入单个排放管道32b中。这确保了排气(bleedgas)围绕涡轮8的周边均匀分布。

排气从排放管道32b被引导到两个歧管(燃烧器壳体排放歧管32c和涡轮壳体排放歧管32d)中。燃烧器壳体排放歧管32c是在环形燃烧器壳体36的内径内部形成的流动通道，以便沿着燃烧器壳体36引导排气(即，压缩气体)的一部分。换句话说，燃烧器壳体排放歧管32c在燃烧器壳体36中形成单独的内部燃烧器衬里，其中，排气可以流过该衬里。替代地，可以引导排气以便直接冲击到燃烧器壳体36上。涡轮壳体排放歧管32d是在涡轮壳体的外径和环形扩散器壳体40的外径内部形成的流动通道，以便沿着涡轮壳体34和扩散器壳体40引导排气(即，压缩气体)的一部分。如上所述，这有助于从涡轮壳体中迁移热量并提高涡轮的效率。应当理解，不必同时具有燃烧器壳体排放歧管32c和涡轮壳体排放歧管32d两者，并且在一些示例中，排放通道32将仅包括燃烧器壳体排放歧管32c或涡轮壳体排放歧管32d。

以与压缩器出口歧管中的导流结构140相似的方式，燃烧器壳体排放歧管32c和/或涡轮壳体排放歧管32d可以在燃烧器壳体排放歧管32c和涡轮壳体排放歧管32d的入口处分别包括一个或多个导流结构321、322，以便将排气引导到相应的排放歧管中，同时减少排气的涡流和周向流动。导流结构321可以沿着燃烧器壳体排放歧管32c的大部分长度延伸，以形成围绕燃烧器壳体36周向布置的多个燃烧器壳体排放管道。以类似的方式，导流结构322可以沿着涡轮壳体排放歧管32d的大部分长度延伸，以形成围绕涡轮壳体34和扩散器壳体40周向布置的多个涡轮壳体排放歧管管道。这在图6中示出，图6示出了通过如图2至图5所示的相同chp部件200的横截面图，该横截面图与部件的直径交叉(沿着图3a中的剖面线c)。图6示出了通过多个导流结构140被分成多个压缩器出口歧管管道的压缩器出口歧管14。燃烧器壳体排放歧管32c通过导流结构321被分成多个燃烧器壳体排放歧管管道，并且涡轮机壳体排放歧管32d通过导流结构322被分成多个涡轮壳体排放歧管管道。尽管图6示出了每个导流结构140、321、322分别通过压缩器出口歧管14、燃烧器壳体排放歧管32c和涡轮壳体排放歧管32d均匀地分布在环形结构周围，但这不是必需的，并且应当理解，导流结构140、321、322的任何分布都是可能的。如上所述，导流结构140、321、322还可以提供当通过增材制造来制造部件时允许chp部件200的其他部分形成在部件的下面部分之上所需的机械支撑。

流过燃烧器壳体排放歧管32c的那部分排气通过位于对应于环形燃烧器12的内径的燃烧器壳体36的表面上的一个或多个孔36a从燃烧器壳体排放歧管32c(和排放通道32)排出。如图5所示，孔36a可以形成为孔36a的网格，以使排气围绕燃烧器12的内周(innercircumference)以及沿着燃烧器12的长度的一部分均匀地分布。如图3a所示，孔36a的网格可以沿燃烧器12的整个长度延伸，从而确保燃烧器壳体36的整个内表面被排气冷却，或者可以仅沿燃烧器壳体的一部分延伸。这也确保了排气均匀地分布到燃烧器12中，这增强了排气、经加热压缩气体和燃料的混合，从而提高了燃烧效率。

流过涡轮壳体排放歧管32d的那部分排气沿涡轮壳体34和扩散器壳体40流动，并在沿燃烧器壳体36的长度的位置处进入燃烧器壳体排放歧管32c中。然后，如上所述，排气能够通过孔36a的网格流入燃烧器中。涡轮壳体排放歧管32d可以在不同的位置处接合燃烧器排放歧管32c，例如，在燃烧器壳体36的对应于涡轮入口歧管16的部分处或在从同流换热器10到燃烧器12的入口处。可以选择涡轮壳体排放歧管32d接合燃烧器壳体排放歧管连的位置，以确保通过每个孔36a实现基本相同质量的排气质量流量，从而确保没有燃烧气体从燃烧器12进入任何排放通道32。

应当理解，将排气排入燃烧器12中并不是必需的。例如，排气可以在燃烧器12的上游排出，例如，进入同流换热器10和燃烧器12之间的歧管，以便在进入燃烧器12之前将排气与经加热压缩气体混合。替代地或附加地，可以在燃烧器12的下游(例如在涡轮机入口歧管16中)排出排气，以便在进入涡轮8之前稀释燃烧气体，从而降低进入涡轮的气体的温度。例如，延伸通过喷嘴导向叶片38的一个或多个腔室32a可以被配置为将排气排出喷嘴导向叶片38的后缘中的槽或喷嘴导向叶片38的表面上的一个或多个孔，以使排气能够流入涡轮入口歧管16。

图7和图8示意性地示出了通过图3a所示的chp部件200和如上关于chp系统2描述的比率选择器30的相同横截面。在图7和图8所示的示例中，比率选择器30与chp部件200分离，并且包括可调整屏障，以调整旁路通道22的入口22a中被可调整的屏障阻挡的部分。尽管比率选择器30与chp部件200分离，但是比率选择器30和chp部件200中的至少一者可以包括流体密封件(例如，o形环或活塞环)，以防止诸如废气之类的流体在比率选择器30和chp部件200之间的任何间隙之间泄漏。图7示出了处于第一位置的比率选择器30，而图8示出了处于第二位置的比率选择器30。

在电能模式下(比率选择器30处于第一位置)，冷气流从压缩器流入并被分流，因此压缩气体中的大部分通过压缩器出口歧管14流到同流换热器10的冷通道，在该处，基于来自流经同流换热器10的热通道的废气的热量来加热压缩气体，然后经加热压缩气体被供应到燃烧器12中。压缩气体(排气)的剩余部分流过排放通道32以沿燃烧器和涡轮壳体提供冷却流，在燃烧器和涡轮壳体处，冷却流被燃烧器12和涡轮8中较热的流体加热，然后通过燃烧器壳体中的孔注入到燃烧器中。

另一方面，在燃烧器中产生的热气流(废气)经过涡轮入口歧管，在涡轮入口歧管处，由喷嘴导向叶片将其引导到涡轮转子(涡轮叶轮)的叶片上，从而驱动涡轮和轴。涡轮使废气膨胀，并且废气流经扩散器21到同流换热器10内的孔中。在如图7所示的第一位置，比率选择器30至少部分地被包含在chp部件200中，例如在同流换热器10的内孔21内。在该位置，比率选择器30完全阻挡旁路通道22的入口22a，使得废气中通过旁路通道22的部分为零，并且所有废气都通过同流换热器通道28。换句话说，废气中通过同流换热器通道28的部分是1，使得废气中通过同流换热器通道28的部分与废气中通过旁路通道22的部分之间的比率也是1。这可以被认为是chp系统2的电能模式，因为所有的废气都通过同流换热器通道，从而增加了同流换热器10中的废气和压缩气体之间的热量传递。因此，进入燃烧器12的压缩气体和进入涡轮8的燃烧气体将处于较高的温度。这提高了涡轮8的热效率，而这又增加了耦合到轴4的负载24处的输出。在电能模式中，也可以对加热器26中的水进行一些加热，因为离开同流换热器10的废气通过水加热器18排出到外部。

在图8所示的第二位置，压缩气体的冷流(高压或hp流)与图7中的相同。然而，比率选择器30被完全包含在chp部件200的外部，例如，与chp部件200的外表面201邻接。在该位置，比率选择器30不阻挡旁路通道22的入口22a，使得废气(低压或lp流)中通过旁路通道22的部分为非零。在该位置，废气中通过同流换热器通道28的部分为非零，使得废气中通过同流换热器通道28的部分与废气中通过旁路通道22的部分之间的比率大于零且小于1，例如，0.2、0.5或0.8。在该位置，废气中通过同流换热器通道28的部分与废气中通过旁路通道22的部分之间的比率由chp部件200的参数决定，例如，同流换热器通道28的水力直径与旁路通道22的水力直径之间的比率，或者同流换热器10两端的压降与旁路通道22两端的压降之间的比率。这可以被视为chp系统2的热量模式，因为尽管一部分废气仍通过同流换热器通道28，但是在同流换热器10中这部分废气和压缩气体之间的热量传递可能非常低。因此，在废气出口18处的废气与在扩散器20的出口处的废气处于基本相同的温度。这增加了在加热器26中发生的热传递量，并因此提高由加热器26加热的流体(例如，水)的温度。

尽管比率选择器30在图8中被示为被完全包含在chp部件200的外部，但这不是必需的。例如，比率选择器30的位置范围可以被完全包含在chp部件200内。例如，比率选择器30可以是基本环形的，使得废气可以流过比率选择器30中的内孔。比率选择器30可以被配置为比图7所示的第一位置更进一步移动到chp部件200中，使得比率选择器30阻挡同流换热器通道28的入口的一部分。在该位置，废气能够通过流经比率选择器30中的内孔并流入旁路通道的入口22a而流入旁路通道22。

应当理解，比率选择器可以在第一位置和第二位置之间的一个或多个中间位置操作，以便调整废气中通过同流换热器通道的第一部分和废气中通过旁路通道的第二部分之间的比率。这又改变了由部件200输出的在轴4中被转换成动力传递到负载24(例如，用于产生电能)的能量与由部件200输出的被加热器26转换成热量的能量的比率。如上所述，比率选择器30可以通过致动器(例如，活塞)在第一位置、第二位置和任何中间位置之间移动。致动器可以由控制器控制，以便选择性地移动比率选择器30，并因此在chp系统2的操作期间选择性地阻挡环形旁路通道22的入口22a的一部分。

图2至图8所示的chp部件200可以由固结的粉末材料形成(例如，通过作为增材制造工艺的一部分的金属粉末的能量束熔化)。这种技术非常适合于形成如图2至图8所示的管道、歧管和开口的复杂布置。这种增材制造的结构的特征在于，可以以材料对于气流是多孔的方式形成这种结构。因此，例如，上述燃烧器壳体36中的孔36a可以替代地(或附加地)由通过燃烧器壳体36的多孔部分的多孔开口提供。

在增材制造中，可以通过连续地构建一层又一层的材料来制造制品，以生产整个制品。例如，增材制造可以通过选择性激光熔化、选择性激光定心、电子束熔化等来进行。用于chp部件200的材料可以变化，但是在一些示例中可以是金属(例如，铝、钛或钢)或可以是合金。

图9示意性地示出了增材制造。在该示例中，激光熔融金属粉末88用于形成制品，例如，上述chp部件200或chp系统2的部件。制品200在降低的粉末床80上逐层形成，要熔融的金属粉末的薄层在粉末床80的顶部由粉末散布器82散布，然后通过由激光器84提供的扫描激光束熔化(熔融)。利用激光器84进行的激光束扫描以及床80的下降是由控制计算机86进行计算机控制的。控制计算机86又由计算机程序(例如，定义要制造的制品200的计算机数据)来控制。定义制品的数据被存储在计算机可读非暂态介质98上。图9示出了可用于执行增材制造的机器的一个示例。各种其他机器和增材制造工艺也适于根据本技术而使用，由此，用于在热交换器的芯部和入口/出口之间传送第一和第二流体的管道通道被交错。

可以通过提供定义要制造的制品200的计算机数据(例如，表示要制造的设计的特征的电子设计文件)并将设计文件输入到将设计文件翻译成被提供给制造设备的指令的计算机(例如，控制计算机86)来控制增材制造过程。例如，计算机可以将三维设计切割为连续的二维层，并且可以将表示每层的指令提供给控制计算机86，例如，用于控制激光器84在粉末床80上的扫描以形成相应的层。因此，在一些实施例中，该技术还可以在计算机可读数据结构(例如，计算机自动化设计(cad)文件)中实现(而非提供物理装置)，该计算机可读数据结构表示如上所述的装置的设计。因此，替代以物理形式销售chp部件200，也可以以控制增材制造机器以形成这种部件200的数据的形式出售。可以提供存储介质来存储该数据结构。存储介质可以是非暂态存储介质。

可以提供一种计算机实现的方法，用于生成表示热电联产系统2的部件200的电子设计文件。该方法包括生成指定部件200的电子设计文件的步骤。如上所述，部件200包括如上关于图2至图6所述的同流换热器10、燃烧器壳体36、燃烧器12、涡轮壳体34、废气出口18、同流换热器通道28和旁路通道22。

为了生产适合于特定应用或用途的部件200，例如，最大输出功率为100kw的chp系统，在一些示例中，该方法包括根据指定热电联产系统的设计要求的设计规范数据来调整部件的至少一个参数。例如，至少一个参数可以包括同流换热器通道的水力直径与旁路通道的水力直径之间的比率。至少一个参数可以与对同流换热器10中的压降有贡献的参数有关，例如，同流换热器10的水力直径、流动长度和正面面积。替代地或附加地，可能期望优化部件200的质量流以用于电能。在该示例中，根据设计规范数据来调整同流换热器10的正面面积、涡轮壳体32的尺寸、燃烧器12的正面面积和/或燃料输送通道的尺寸。在另一个示例中，可能期望优化同流换热器10的效率。在该示例中，根据设计规范数据调整同流换热器10的正面面积和/或流动长度。在另一示例中，根据设计规范数据调整要与部件200一起使用的加热器的尺寸或包括在部件200中的加热器的尺寸。

图10示出了使用增材制造来产生部件(例如，如上所述的chp部件200)的方法1000。方法1000开始于步骤1010，在步骤1010中，接收设计规范数据。在步骤1020，生成例如计算机辅助设计(cad)文件形式的电子设计文件。电子设计文件表示具有根据如上所述的设计规范数据调整的至少一个参数的chp部件。在步骤1030，将电子设计文件(例如cad文件)转换为用于控制增材制造机器的指令(例如，通过将3d设计切割成2d层，并生成用于控制每个2d层的激光扫描图案的指令)。在步骤1040，使用增材制造将chp部件制造为固结材料的整体。

在本申请中，词语“配置为……”用于表示装置的元件具有能够执行所定义的操作的配置。“配置为”并不意味着为了提供所定义的操作需要以任何方式改变装置的元件。

尽管本文参照附图详细描述了本发明的示例性实施例，但是应当理解，本发明不限于这些精确的实施例，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员可以在其中进行各种改变和修改。