JP2006098035A - Regenerative heat exchanger - Google Patents
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- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
ガスタービン等に使用される熱交換器に関する Regarding heat exchangers used in gas turbines, etc.
ガスタービンの高効率化のために排気ガスの熱エネルギーを圧縮機出口の空気に伝えて回収する再生熱交換器が使われている。特に、小型のガスタービンには、小型・軽量化のために、ターボ機械の外周側に環状に配置された熱交換器が採用されている。 In order to improve the efficiency of gas turbines, regenerative heat exchangers that recover the heat energy of exhaust gas by transferring it to the air at the outlet of the compressor are used. In particular, a small gas turbine employs a heat exchanger arranged in an annular shape on the outer peripheral side of the turbomachine in order to reduce the size and weight.
代表的な小型ガスタービンであるキャプストン(Capstone)社のマイクロガスタービンには、M1戦車用ガスタービンAGT1500用に開発された熱交換器の構成や技術を習った小型軽量の新形式の再生熱交換器が採用されている。 A typical small gas turbine, Capstone's micro gas turbine, is a new compact and lightweight regenerative heat trained from the heat exchanger configuration and technology developed for the M1 tank gas turbine AGT1500. An exchanger is used.
キャプストン社のマイクロガスタービンの構成図を図7に示す。圧縮機から出た高圧空気は内径側から熱交換器に入り、内径側へ出て燃焼器へ入って、燃料の燃焼によって高温ガスとなり、タービンを駆動後に回転軸方向から熱交換器へと入り、軸方向へ出る。この間に、前記の高圧空気と熱交換器内で熱交換する。 A block diagram of a capstone micro gas turbine is shown in FIG. The high pressure air from the compressor enters the heat exchanger from the inner diameter side, exits to the inner diameter side, enters the combustor, becomes a high-temperature gas by the combustion of fuel, and enters the heat exchanger from the rotating shaft direction after driving the turbine. , Exit in the axial direction. During this time, heat is exchanged with the high-pressure air in the heat exchanger.
キャプストン社のマイクロガスタービンには、図8及び図9に示すPrimary Surface Recuperator(PSR)が使われており、インガソルランド(Ingersoll−Rand)社のガスタービンには、図8及び図10に示すBrazed Plate and Fin Recuperator(PFR)が使われている。 The primary surface recuperator (PSR) shown in FIGS. 8 and 9 is used for the capstone micro gas turbine, and the gas turbine of Ingersoll-Rand is shown in FIGS. Brazed plate and fin recuperator (PFR) is used.
両方の再生熱交換器は、図9及び図10に示すように、細かなプレス加工を施した複雑な形状の流路が形成されている。この流路形成のプレス加工には、高価な精密金型が使用され、その償却には数十万台程度の販売台数が必要であるため、少量多種生産には不向きである。 As shown in FIGS. 9 and 10, both regenerative heat exchangers have a complicatedly shaped flow path formed by fine press processing. The press forming process for forming the flow path uses an expensive precision die, and its depreciation requires a sales number of about several hundred thousand units.
また、図7で説明したように、空気が内径側から入り、内径側へと流出し、高温のガスが空気に逆行して軸方向に流れる構成の円筒形状の再生熱交換器は、ガスタービン全体のサイズが大きくなる。 In addition, as described with reference to FIG. 7, a cylindrical regenerative heat exchanger configured such that air enters from the inner diameter side, flows out to the inner diameter side, and high-temperature gas flows in the axial direction against the air is a gas turbine. The overall size increases.
汎用性のあるコルゲートフィンを使った角型の熱交換器要素を複数個演習場に配列し、少量生産でも採算が取れる再生熱交換器が開発されている。この熱交換器の構成を図11に示す。この構成では、円周上に熱交換器要素がない部分ができるとともに、熱交換器要素の外周を個別にシールするためのケースが必要であり、構成が複雑で熱交換器が占める容積の中で無駄な容積が大きい。 A regenerative heat exchanger has been developed in which a number of square heat exchanger elements using versatile corrugated fins are arranged in a practice area, and profitable even in small-scale production. The configuration of this heat exchanger is shown in FIG. In this configuration, there is a portion where there is no heat exchanger element on the circumference, and a case for individually sealing the outer periphery of the heat exchanger element is required, and the configuration is complicated and the volume occupied by the heat exchanger is required. The wasteful volume is large.
空気流路と高温ガス流路を分ける円周を一周する波型プレートと波型プレートで形成されるV字型の流路にコルゲートフィンを挿入する。 A corrugated fin is inserted into a V-shaped channel formed by a corrugated plate that circulates around the circumference that separates the air channel and the hot gas channel.
コルゲートフィンの両側面のなす角度を上記のV字型の角度とほぼ同じとして、流路への挿入を容易にする。 The angle formed by both side surfaces of the corrugated fin is made substantially the same as the above-mentioned V-shaped angle to facilitate insertion into the flow path.
上記の波型プレートとコルゲートフィンをプレス加工または板曲げ加工で製作する。 The corrugated fin and corrugated fin are manufactured by pressing or plate bending.
図1から図5に実施例1の構成を示す。図1は、再生熱交換器全体の正面断面図と側面図を示したものであり、正面断面図の上部は空気流路(100)を、下部はガス流路(200)を示したものである。圧縮機で作り出された高圧空気は、熱交換器の空気流路(100)の入口(110)から入り、燃焼器へと向かう内円筒(600)に設けられた出口(150)から流出する。空気流路(100)とガス流路(200)を形成する波型プレート(300)と外円筒(500)及び内円筒(600)は、ロウ付けや溶接等で接合されている。正面断面図中の空気流路(100)とガス流路(200)は、コルゲートフィン(400)を省略して示している。 1 to 5 show the configuration of the first embodiment. FIG. 1 shows a front sectional view and a side view of the entire regenerative heat exchanger. The upper part of the front sectional view shows an air flow path (100) and the lower part shows a gas flow path (200). is there. The high pressure air produced by the compressor enters from the inlet (110) of the air flow path (100) of the heat exchanger and flows out from the outlet (150) provided in the inner cylinder (600) toward the combustor. The corrugated plate (300), the outer cylinder (500), and the inner cylinder (600) forming the air channel (100) and the gas channel (200) are joined by brazing, welding, or the like. The air channel (100) and the gas channel (200) in the front sectional view are shown with the corrugated fins (400) omitted.
空気流路(100)は、波型プレート(300)で形成され、内径側が開放されており、内円筒(600)と接し、空気の漏れが防止されている。出口(150)の部分の内円筒(600)が開放されている。空気流路(100)は、封止部(140)で塞がれている。また、高温ガス出口(120)は、波型プレート(300)の外周部で塞がれている。空気流路(100)内の波型プレート(300)に接合されたコルゲートフィン(400)は、入口(110)から切断線(130)の間に設けられている。 The air flow path (100) is formed of a corrugated plate (300), the inner diameter side is open, and is in contact with the inner cylinder (600) to prevent air leakage. The inner cylinder (600) at the outlet (150) is open. The air flow path (100) is closed with a sealing portion (140). Further, the hot gas outlet (120) is closed by the outer peripheral portion of the corrugated plate (300). The corrugated fin (400) joined to the corrugated plate (300) in the air flow path (100) is provided between the inlet (110) and the cutting line (130).
タービンから出た高温ガスは、ガス流路(200)の入口(210)から入り、外円筒(500)に設けられた出口(250)から外部へ放出される。波型プレート(300)で形成されたガス流路(200)は、波型プレート(300)を介して空気流路(100)と接し、熱交換をして空気が加熱される。コルゲートフィン(400)は、波型プレート(300)にロウ付けや溶接等で接合されており、切断線(230)で切断されており、ガス流路(200)は軸方向へは封止部(240)で塞がれている。また、波型プレート(300)で形成されたガス流路(200)は、外周側へ開放されているので、外円筒(500)でふさがれている。 The hot gas exiting from the turbine enters from the inlet (210) of the gas flow path (200) and is discharged to the outside from the outlet (250) provided in the outer cylinder (500). The gas flow path (200) formed by the corrugated plate (300) is in contact with the air flow path (100) via the corrugated plate (300), and heat exchange is performed to heat the air. The corrugated fin (400) is joined to the corrugated plate (300) by brazing, welding, or the like, and is cut along a cutting line (230), and the gas flow path (200) is a sealing portion in the axial direction. Blocked at (240). Moreover, since the gas flow path (200) formed by the corrugated plate (300) is open to the outer peripheral side, it is blocked by the outer cylinder (500).
図2(a)は、波型プレート(300)で形成される空気流路(100)とガス流路(200)、円筒状の再生熱交換器の中心との位置関係、(b)は波型プレート(300)の各面を示している。空気流路(100)は、側面(320)、(340)、外周面(330)で囲まれ、内周面は開放されている。ガス流路(200)は、側面(320)、(341)、内周面(310)で形成され、外周面は開放されている。 2A shows the positional relationship between the air channel (100) formed by the corrugated plate (300), the gas channel (200), and the center of the cylindrical regenerative heat exchanger, and FIG. Each side of the mold plate (300) is shown. The air flow path (100) is surrounded by side surfaces (320), (340) and an outer peripheral surface (330), and the inner peripheral surface is open. The gas flow path (200) is formed of side surfaces (320), (341) and an inner peripheral surface (310), and the outer peripheral surface is open.
図3(a)に、コルゲートフィン(400)の構成を、(b)に波型プレート(300)で形成される空気流路(100)とガス流路(200)内にコルゲートフィン(400)を収めた状況を示す。コルゲートフィン(400)は、位置決め部(410)、(460)、フィン部(420)、(440)、接合部(430)、(450)で形成されている。コルゲートフィン(400)の接合部(430)と(450)のなす角度は、波型プレート(300)の側面(320)と(340)のなす角度とほぼ等しく設定されている。コルゲートフィン(400)は、波型プレート(300)を挟んでほぼ鏡像関係となるように配置されている。 3 (a) shows the configuration of the corrugated fin (400), and FIG. 3 (b) shows the corrugated fin (400) in the air channel (100) and the gas channel (200) formed by the corrugated plate (300). Shows the situation. The corrugated fin (400) is formed of positioning portions (410) and (460), fin portions (420) and (440), and joint portions (430) and (450). The angle formed by the joint portions (430) and (450) of the corrugated fin (400) is set to be approximately equal to the angle formed by the side surfaces (320) and (340) of the corrugated plate (300). The corrugated fins (400) are arranged so as to have a substantially mirror image relationship with the corrugated plate (300) interposed therebetween.
図4(a)(b)に、波型プレート(300)を製作する板の曲げ線(405)、内周面(310)、(311)、(312)、側面(320)、(321)、(322)、(340)、(341)、(342)、外周面(330)、(331)、(332)、及び曲げ後の形状を示す。 4 (a) and 4 (b), a bending line (405) of the plate for producing the corrugated plate (300), inner peripheral surfaces (310), (311), (312), side surfaces (320), (321). , (322), (340), (341), (342), outer peripheral surfaces (330), (331), (332), and the shape after bending.
図5(a)にコルゲートフィン(400)の形状を、(b)に曲げ加工前の板とその曲げ線(405)及び曲げ前後の各部の関係を示す。コルゲートフィン(400)は、位置決め部(410)、(460)、フィン部(420)、(421)、(440)、(441)・・・、接合部(430)、(431)、(450)、(451)・・・で形成されている。 FIG. 5 (a) shows the shape of the corrugated fin (400), and FIG. 5 (b) shows the relationship between the plate before bending, its bending line (405), and each part before and after bending. The corrugated fin (400) includes positioning portions (410), (460), fin portions (420), (421), (440), (441)..., Joint portions (430), (431), (450 ), (451)...
図6に、流路軸方向端部の封止部(140)、(240)の封止加工形状を示す。(a)は波型プレート(300)で形成される空気流路(100)とガス流路(200)の側面(340)、(321)、(341)、内周部(311)、外周部(331)を示す。(b)は、スペーサ(145)の設置位置を示す。(c)は、ガス流路(200)の側面(340)、(321)、内周面(311)を押しつぶしてロウ付けや溶接で封止した例を示す。(d)は、空気流路(100)の側面(341)、(321)、外周面(331)を押しつぶしてロウ付けや溶接で封止した例を示す。(e)は、ガス流路(200)の外周側にスペーサ(145)を挿入して封止した例を、(f)は、空気流路(100)の内周側にスペーサ(145)を挿入して封止した例を示す。 FIG. 6 shows the sealing shape of the sealing portions (140) and (240) at the ends in the flow path axial direction. (A) Side surfaces (340), (321), (341), an inner peripheral part (311), an outer peripheral part of the air flow path (100) and the gas flow path (200) formed by the corrugated plate (300) (331). (B) shows the installation position of the spacer (145). (C) shows an example in which the side surfaces (340) and (321) and the inner peripheral surface (311) of the gas flow path (200) are crushed and sealed by brazing or welding. (D) shows an example in which the side surfaces (341) and (321) and the outer peripheral surface (331) of the air flow path (100) are crushed and sealed by brazing or welding. (E) shows an example in which a spacer (145) is inserted and sealed on the outer peripheral side of the gas flow path (200), and (f) shows a spacer (145) on the inner peripheral side of the air flow path (100). The example inserted and sealed is shown.
円筒形状の再生熱交換器において、1mm以下の板厚を有する板を板曲げによって製作可能な再生熱交換器を円周状に展開する波型プレートで低温ガス(空気)流路と高温ガス流路を形成し、両方の流路内にコルゲートフィンを挿入して、波型プレートに接合した高い温度効率を有する再生熱交換器を提供すること。 In a cylindrical regenerative heat exchanger, a regenerative heat exchanger capable of producing a plate having a thickness of 1 mm or less by plate bending is a corrugated plate that is developed in a circular shape, and a low temperature gas (air) flow path and a high temperature gas flow To provide a regenerative heat exchanger having a high temperature efficiency in which a path is formed and corrugated fins are inserted into both flow paths to join a corrugated plate.
本発明の再生熱交換器は、板曲げとプレスの両方で製作可能であるので、少量多種生産及び大量生産に適し、少量でも大量でも安価で生産可能である。 Since the regenerative heat exchanger of the present invention can be manufactured by both plate bending and pressing, it is suitable for low-volume multi-product production and mass production, and can be produced at low cost in both small and large quantities.
空気を軸方向から入り、半径方向に流出させ、高温ガスを軸方向から入り、外向き半径方向に流出させているので、波型プレートを介して空気とガスが接する面積を広く取ることができる。 Air enters from the axial direction and flows out in the radial direction, and hot gas enters from the axial direction and flows out in the radial direction outward, so that the area where the air and the gas come into contact with each other through the corrugated plate can be widened. .
空気流路とガス流路内のコルゲートフィンのフィン部と接合部が波型プレートを挟んで相対するほぼ鏡像関係となる位置に設置されているので、フインの熱伸びによる波型プレートへ作用する力が相殺される。 The corrugated fin fins and joints in the air flow channel and gas flow channel are installed in positions that are almost mirror images of each other across the corrugated plate, so that the corrugated fin acts on the corrugated plate due to fin thermal expansion. The power is offset.
波型プレートで形成される空気流路とガス流路がV字型形状を呈するので、コルゲートフィンを所定の位置より外周側に挿入することによって波型プレートとコルゲートフィンの隙間が大きくなり、コルゲートフィンの挿入、組み立てが容易になる。 Since the air flow path and the gas flow path formed by the corrugated plate have a V-shape, the gap between the corrugated plate and the corrugated fin is increased by inserting the corrugated fin to the outer peripheral side from the predetermined position. Easy to insert and assemble fins.
本明細書では、ガスタービンに用いられる高温ガスと空気を作動流体とする再生熱交換器を例として説明しているが、本発明は、一般的な高温流体と低温流体の熱交換器にも適用できる。 In this specification, a regenerative heat exchanger using hot gas and air as working fluids used in a gas turbine is described as an example. However, the present invention is also applicable to general high temperature fluid and low temperature fluid heat exchangers. Applicable.
(100)空気流路 (110)入口
(130)切断線 (140)封止部
(145)スペーサ (150)出口
(200)ガス流路 (210)入口
(230)切断線 (240)封止部
(250)出口
(300)波型プレート (310)、(311)、(312)内周部
(320)、(321)、(322)、(340)、(341)、(342)側面
(400)コルゲートフィン (410)、(460)位置決め部
(420)、(421)、(422)、(423)、(424)、(440)、(441)、(442)、(443)、(444)フィン部
(430)、(431)、(432)、(433)、(434)、(450)、(451)、(452)、(453)接合部
(500)外円筒 (600)内円筒(100) Air channel (110) Inlet (130) Cutting line (140) Sealing part (145) Spacer (150) Outlet (200) Gas channel (210) Inlet (230) Cutting line (240) Sealing part (250) outlet (300) corrugated plate (310), (311), (312) inner periphery (320), (321), (322), (340), (341), (342) side surface (400 ) Corrugated fin (410), (460) Positioning part (420), (421), (422), (423), (424), (440), (441), (442), (443), (444) ) Fins (430), (431), (432), (433), (434), (450), (451), (452), (453) Joint (500) Outer cylinder (600) Inner cylinder
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