微型燃气轮机及原表面回热器的制作方法

本发明涉及微型燃气轮机技术领域，更具体地说，涉及一种微型燃气轮机及原表面回热器。

背景技术

全球化石能源储备的不断减少向能源的高效利用提出更高的要求。若不对传统热力机械、热电厂或工业废排气等废弃热能进行二次利用，将造成巨大的能源损耗。在追求新能源利用的同时，提高传统能源的利用率也成为一种势在必行的目标。

例如，微型燃气轮机作为能源岛供能系统的核心部分，近些年来得到了长足发展，能源岛采用高效能微型燃气轮机作为动力，当采用回热器时，仅发电效率就可达到30％。回热器作为微型燃气轮机的核心部件之一，主要作用是利用向心涡轮排出的高温燃气加热离心压气机排出的高压低温空气，以此来提高燃烧室入口空气温度，有效利用余热，从而提高微型燃气轮机整体的热效率。

原表面回热器由若干换热芯体沿周向焊接组成，单位换热芯体由两块波纹板、若干封条和导流板焊接组成。波纹板由薄平板模压出波纹后再进行二次冲压，使其形成中心矩形波纹区以及周围踏平区。两块波纹板之间的间隙形成空气流通通道，踏平区之间的间隙安放导流板，不同芯体之间相邻波纹板的间隙形成燃气流通通道，踏平区之间的间隙安放导流板。为了增强换热，在流体流向方向也存在波纹，增加了流体间的掺混，诱导产生分离和旋涡，大大增强了换热能力。

但是，目前的原表面回热器也存在很多问题。使用cw波纹板(crosscorrugated，交叉波纹板，波纹板冲压成型后的表面形式)时，冷热侧流体流通截面面积可分为相等与不相等两种。回热器在微型燃气轮机中使用时，由于高压低温空气与低压高温燃气的物性差异很大，在流量一致的前提下，若采用相等流通截面面积设计，冷热两侧流体的流动速度可相差数倍，导致换热恶化，且高温燃气的压降很大。即采用不相等流通截面面积设计比较合理，但目前并没有统一合理的设计准则，有人提出利用冷热侧流体压比确定面积比，但忽略了温度的重要影响，并不是十分合理。

由于空气流动需要由径向转为轴向，采用导流结构十分必要。但是目前导流结构均设计成三角形板状，且导流方向与侧边平齐，呈直线形式，导致流体从导流区进入换热区时，需要急转过很大角度，容易在入口处诱导分离，堵塞流道，增加压降，同时导致换热恶化。

其次，回热器的换热功能由波纹区就可实现，导流区仅仅起到导流作用，采用导流板设计为回热器增加了不必要的重量。由于微型燃气轮机回热器流通通道的当量直径一般为1mm左右，所以不合理的导流板设计极易堵塞流道，恶化矩形波纹区换热效果，得不偿失。

因此，如何优化原表面回热器的性能，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种原表面回热器，以优化原表面回热器的性能；本发明还提供了一种微型燃气轮机。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种原表面回热器，包括多个沿周向层叠布置的换热芯体，所述换热芯体包括位于中部的矩形波纹区和位于所述矩形波纹区两侧的第一弧形侧边踏平区和第二弧形侧边踏平区；

所述第一弧形侧边踏平区的第一侧设置有对冷流体进行导流的冷流体导流区，其第二侧设置有对热流体进行导流的热流体导流区；

所述冷流体导流区内设置有连接所述换热芯体的内圈边缘至所述矩形波纹区的弧形导流薄片，所述弧形导流薄片设置有沿所述换热芯体的径向至其轴向的导流弧面；所述热流体导流区内设置有沿所述换热芯体的轴向布置的平直导流薄片。

优选地，在上述原表面回热器中，所述矩形波纹区为横截面为波纹型的波纹板，所述波纹板包括波峰部和波谷部，任意相邻的所述波峰部和所述波谷部均包括第一直径的波峰半圆和第二直径的波谷半圆，以及连接所述波峰半圆和所述波谷半圆的竖直连接部；

所述第一直径和所述第二直径的直径比值为所述热流体的静压与静温比对所述冷流体的静压与静温比的比值。

优选地，在上述原表面回热器中，所述第一弧形侧边踏平区和所述第二弧形侧边踏平区均位于所述波纹板振幅的中心。

优选地，在上述原表面回热器中，所述弧形导流薄片和所述平直导流薄片的高度为所述波纹板的振幅高度，所述弧形导流薄片和所述平直导流薄片固装于相临的两个所述第一弧形侧边踏平区之间。

优选地，在上述原表面回热器中，所述导流弧面为圆弧结构的导流弧面。

优选地，在上述原表面回热器中，所述导流弧面为样条曲线结构的导流弧面。

优选地，在上述原表面回热器中，所述弧形导流薄片包括连接至所述波峰部和所述波谷部的过滤连接段的多个，多个所述弧形导流薄片之间非等距布置。

优选地，在上述原表面回热器中，所述弧形导流薄片包括连接至所述波峰部和所述波谷部的过滤连接段的多个，多个所述弧形导流薄片之间等距布置。

优选地，在上述原表面回热器中，所述第一弧形侧边踏平区和所述第二弧形侧边踏平区沿所述换热芯体轴向两端的边缘侧边均为弧形结构；所述所述第一弧形侧边踏平区和所述第二弧形侧边踏平区均为波纹板二次冲压成型的波纹板踏平区。

一种微型燃气轮机，包括机体和设置于所述机体内的原表面回热器，所述原表面回热器为如上任意一项所述的原表面回热器。

本发明提供的原表面回热器，包括多个沿周向层叠布置的换热芯体，换热芯体包括位于中部的矩形波纹区和位于矩形波纹区两侧的第一弧形侧边踏平区和第二弧形侧边踏平区。多个换热芯体层叠布置呈回形结构，冷流体和热流体分别由相邻的矩形波纹区通过进行换热。第一弧形侧边踏平区的第一侧设置有对冷流体进行导流的冷流体导流区，其第二侧设置有对热流体进行导流的热流体导流区。冷流体导流区内设置有连接换热芯体的内圈边缘至矩形波纹区的弧形导流薄片，弧形导流薄片设置有沿换热芯体的径向至其轴向的导流弧面；热流体导流区内设置有沿换热芯体的轴向布置的平直导流薄片。冷流体在流通时，由换热芯体的径向内侧通入，经矩形波纹板内换热后，由第二弧形侧边踏平区流出，为了保证冷流体在矩形波纹区内分布均匀，避免靠近换热芯体内圈和外圈冷流体分布不均，设置弧形导流薄片，将径向通入的冷流体沿径向均匀分布后再通入矩形波纹区进行热交换。弧形导流薄片设置沿换热芯体的径向至轴向过渡的导流弧面，使得冷流体压降均匀，提高换热效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的原表面回热器的结构示意图；

图2为图1中换热芯体的结构示意图；

图3为图2中换热芯体的波纹板层叠结构示意图；

图4为图3中踏平区相对于矩形波纹区的位置示意图；

图5为波纹板的线型结构示意图；

图6-1为圆弧结构导流薄片的断面示意图；

图6-2为样条曲线结构的导流薄片的断面结构示意图；

图7为矩形波纹区的层叠结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种原表面回热器，优化了原表面回热器的性能；本发明还提供了一种微型燃气轮机。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图7所示，图1为本发明提供的原表面回热器的结构示意图；图2为图1中换热芯体的结构示意图；图3为图2中换热芯体的波纹板层叠结构示意图；图4为图3中踏平区相对于矩形波纹区的位置示意图；图5为波纹板的线型结构示意图；图6-1为圆弧结构导流薄片的断面示意图；图6-2为样条曲线结构的导流薄片的断面结构示意图；图7为矩形波纹区的层叠结构示意图。

本实施例提供了一种原表面回热器21，包括多个沿周向层叠布置的换热芯体18，换热芯体18包括位于中部的矩形波纹区2和位于矩形波纹区2两侧的第一弧形侧边踏平区41和第二弧形侧边踏平区42。多个换热芯体18层叠布置呈回形结构，冷流体和热流体分别由相邻的矩形波纹区2通过进行换热。第一弧形侧边踏平区41的第一侧设置有对冷流体进行导流的冷流体导流区，其第二侧设置有对热流体进行导流的热流体导流区。冷流体导流区内设置有连接换热芯体的内圈边缘至矩形波纹区的弧形导流薄片11，弧形导流薄片11设置有沿换热芯体的径向至其轴向的导流弧面12；热流体导流区内设置有沿换热芯体的轴向布置的平直导流薄片14。冷流体在流通时，由换热芯体18的径向内侧通入，经矩形波纹板2内换热后，由第二弧形侧边踏平区流出，如图1中，路径15为冷流体的流通路径，路径16为热流体的流通路径，二者在矩形波纹区相对流通换热。

为了保证冷流体在矩形波纹区2内分布均匀，避免靠近换热芯体18内圈和外圈冷流体分布不均，设置弧形导流薄片11，将径向通入的冷流体沿径向均匀分布后再通入矩形波纹区2进行热交换。弧形导流薄片11设置沿换热芯体18的径向至轴向过渡的导流弧面12，使得冷流体压降均匀，提高换热效果。

在本案一具体实施例中，矩形波纹区2为横截面为波纹型的波纹板，波纹板包括波峰部9和波谷部10，任意相邻的波峰部9和波谷部10均包括第一直径的波峰半圆6和第二直径的波谷半圆7，以及连接波峰半圆6和波谷半圆7的竖直连接部8。第一直径和第二直径的直径比值为热流体的静压与静温比对所述冷流体的静压与静温比的比值。

换热芯体18由层叠布置的波纹板22和波纹板23构成，波纹板22上的波纹19的流向和波纹板23上的波纹20流向相反，二者层叠布置，波纹19和波纹20的布置结构如图7所示。本实施例中所述的矩形波纹板2，指代任一换热芯体18内的波纹板结构。

矩形波纹区2为通过多个波峰部9和波谷部10过渡连接的波纹结构，其波形结构5，对冷流体和热流体内流体的换热面积和流速有着重要影响。将波峰部9的波峰半圆6设置为第一直径，波谷部10的波谷半圆7设置为第二直径，第一直径和第二直径的直径比值为热流体的静压与静温比，与冷流体的静压与静温比的比值。

其中，静温可取冷流体或热流体的定性温度，静压可取冷流体或热流体的平均压力。

波峰半圆6和波谷半圆7通过竖直连接部8过渡连接，层叠布置的换热芯体18，相邻的两个矩形波纹区2分别流通冷流体和热流体，通过波峰部9和波谷部10的比例设置，使得冷流体和热流体内的流速基本一致，换热效果最好，且热流体的压降损失大幅减少。

在本案一具体实施例中，第一弧形侧边踏平区41和第二弧形侧边踏平区42均位于波纹板振幅的中心17。第一弧形侧边踏平区41和第二弧形侧边踏平区42位于波纹板振幅的中心17，使得每个换热芯体18的结构一致，便于换热芯体18的制备，也利于对冷流体和热流体的流量控制。

在本案一具体实施例中，弧形导流薄片26和平直导流薄片14的高度为波纹板的振幅高度，弧形导流薄片26和平直导流薄片14固装于相临的两个第一弧形侧边踏平区之间。弧形导流薄片16和平直导流薄片14均架撑于相邻的两个第一弧形侧边踏平区41之间，同时适应第一弧形侧边踏平区41位于波纹板振幅的中心17，使得弧形导流薄片11和平直导流拨片14在起到对相邻的两个第一弧形侧边踏平区41进行支撑的同时，对冷流体和热流体可按弧形导流薄片11的导流方向进行导流，提高导流均匀性。

在本案一具体实施例中，导流弧面12为圆弧结构的导流弧面。

具体地，导流弧面为样条曲线13结构的导流弧面。

冷流体通过导流弧面的结构由原表面回热器的径向换向至轴向后进行流通，圆弧结构12的导流弧面使得冷流体换向过程中平滑过渡，可有效避免冷流体通道突括或急转弯产生分离进而恶化进口的问题。当然，导流弧面可以设置为样条曲线13结构的圆弧过渡结构，提高冷流体流通过程中换向均匀性。

在本案一具体实施例中，弧形导流薄片11包括连接至波峰部和波谷部的过滤连接段的多个，多个弧形导流薄片11之间非等距布置。由于弧形导流薄片11将冷流体由换热芯体18的径向内侧输入，经轴向换向进入矩形波纹区后，沿径向方向冷流体的流通路径不同，为了保证均匀流量的冷流体分布到矩形波纹区，设置相邻的弧形导流薄片11之间非等距布置，降低不同路径的弧形导流薄片之间流量输送的差异，提高冷流体的输送均匀性。

当然，弧形导流薄片11包括连接至波峰部和波谷部的过滤连接段的多个，多个弧形导流薄片之间等距布置。弧形导流薄片11也可以设置为等距布置。

在本案一具体实施例中，第一弧形侧边踏平区41和第二弧形侧边踏平区42沿换热芯体18轴向两端的边缘侧边均为弧形结构；第一弧形侧边踏平区41和第二弧形侧边踏平区均为波纹板二次冲压成型的波纹板踏平区。踏平区用于安装密封条，由于矩形波纹区2为冷流体和热流体的流通区域，靠近换热芯体的内圈一侧为冷流体的冷流体入口26和冷流体出口27，换热芯体18沿轴向的两端分别为热流体入口30和热流体出口1，为了便于对冷流体的通入和排出，将第一弧形侧边踏平区41和第二弧形侧边踏平区42的边缘均设置为弧形结构，具体为踏平区靠近换热芯体18内侧的一端至换热芯体18外侧的宽度逐步变小。满足对原表面回热器的支撑强度的同时，将其边缘设置圆弧过渡，提高其装配安全性。

多个换热芯体18层叠布置，并在换热芯体的内圈和外圈接触处通过钎焊焊接为一体，构成完整的原表面回热器。同时，为了保证冷流体通道和热流体通道在通道边缘位置的密封性，通过设置密封条，保证冷流体或热流体沿预定方向进行流通。

具体地，冷流体通道上的密封条包括位于冷流体导流区的边缘的冷流体入口密封条24，位于冷流体通道内侧的内侧密封条25。热流体通道上的密封条包括位于换热芯体内外侧的内圈密封条29和外圈密封条28。

一种微型燃气轮机，包括机体和设置于所述机体内的原表面回热器，所述原表面回热器为如上任意一项所述的原表面回热器

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。