TWI638091B - Expansion chamber diversion structure for micro-turbine generator - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種微渦輪發電機，包括一壓縮器、一導流道、一擴張室及一複熱器，該擴張室包含一氣體入口、一氣體出口及一導流結構，該氣體入口位於該擴張室之一端，透過該導流道與該壓縮器相連通，該氣體入口係用於接收經該壓縮器壓縮後的氣體，該氣體出口位於該擴張室之另一端，該氣體出口與該複熱器相連通，以用於排出該氣體並使該氣體流入該複熱器，該導流結構自該擴張室的內壁朝內部延伸，使該氣體繞經該導流結構後自該氣體出口流入該複熱器中。

Description

用於微渦輪發電機之擴張室導流結構

本發明係揭露一種微渦輪發電機，更特別的是關於一種具導流結構的微渦輪發電機。

微渦輪發電機是利用燃氣渦輪驅動發電機產生電力之裝置，廣泛運用於飛機、汽車等設備，習知微渦輪發電機通常具有壓縮器、導流道、擴張室及複熱器，壓縮器將氣體壓縮並經由導流道將壓縮氣體導入擴張室，擴張室將壓縮氣體之流速降低及均勻度提高，避免壓縮氣體以過快的流速或不均勻的狀態進入複熱器，從而降低複熱器之熱交換的效率，造成能源轉換效率不佳。

然而，習知微渦輪發電機之擴張室具有以下所述之四個問題之至少一者：第一，擴張室的長度或寬度過大，此係因為習知擴張室要求壓縮氣體於擴張室中之擴散角度不超過7度，為了限制壓縮氣體之擴散角度，因此必須增加擴張室的長度或寬度，從而造成體積過大的問題；第二，壓縮氣體之壓損過大，壓縮氣體於擴張室擴散的過程中必定會有壓損，若壓損過大，則會導致複熱器之熱交換的效率降低，從而造成能源轉換效率不佳的問題；第三，壓縮氣體之流速過快，第四，壓縮氣體之均勻度不佳。

亦即，在微渦輪發電機之擴張室設計的領域中，為配合所應用設備之需求條件，至少必須考量擴張室的體積、壓縮氣體之壓損、壓縮氣體之流 速及壓縮氣體之均勻度等四個設計要求，但在習知微渦輪發電機應用於某些設備的過程中，仍具有不足之處，存在改善的空間。

本發明之一目的在於提供一種微渦輪發電機，其擴張室具有體積小、壓縮氣體之壓損小、壓縮氣體之流速不過快及壓縮氣體之均勻度高等優點，從而使該微渦輪發電機適合應用於許多種設備。

本發明之另一目的在於提供一種微渦輪發電機，其擴張室具有構造簡單的優點，因此容易製作且成本低。

為達上述目的及其他目的，本發明係提供一種具導流結構的微渦輪發電機，該微渦輪發電機包括一壓縮器、一導流道、一擴張室及一複熱器，該擴張室包含一氣體入口、一氣體出口以及一導流結構。

該氣體入口位於該擴張室之一端，透過該導流道與該壓縮器相連通，該氣體入口係用於接收經該壓縮器壓縮後的氣體；該氣體出口位於該擴張室之另一端，該氣體出口與該複熱器相連通，以用於排出該氣體並使該氣體流入該複熱器；該導流結構自該擴張室的內壁朝內部延伸，使該氣體繞經該導流結構後自該氣體出口流入該複熱器中。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該氣體入口中心的延伸線方向和該氣體出口中心的延伸線方向具有一角度。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該氣體入口中心的延伸線方向和該氣體出口的延伸線方向不重疊。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該導流結構將該擴張室分隔出複數個迴流區。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該擴張室包括一第一迴流壁及一第二迴流壁，該第一迴流壁連接於該氣體入口的一側及該氣體出口的一側，該第二迴流壁連接於該氣體入口的另一側及該氣體出口的另一側；及該導流結構為一導流片，該第一迴流壁及該導流片形成一第一迴流區，該第二迴流壁及該導流片形成一第二迴流區，該氣體依序流經該氣體入口、該第一迴流區、該第二迴流區及該氣體出口。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該導流片具有一固定段及一延伸段，該固定段固定於該第一迴流壁的內壁，該延伸段連接於該固定段且朝該擴張室的內部延伸。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該第二迴流壁之其中一壁面連接於該氣體出口之另一側，該壁面設置於該氣體出口之另一側的延伸線上，且該壁面與該第一迴流壁之距離為該第二迴流壁之複數壁面當中相距最遠的。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該氣體在該擴張室的第二迴流區之擴散角度大於7度。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該導流片為低流阻機翼造型。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該氣體在該導流道內流通的流速大於在該擴張室之氣體出口流入該複熱器的流速。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該氣體入口的截面積小於該氣體出口的截面積。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，更包含一燃燒室及一渦輪，該氣體依序流經該壓縮器、該導流道、該擴張室、該複熱器、該燃燒室及該渦輪，該氣體經該壓縮器壓縮及排出後在該複熱器中與該渦輪排出之氣體進行熱交換。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，更包含複數導流板，設置於該氣體出口及該複熱器的入口。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該等導流板的方向係彼此平行。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該氣體入口的方向平行於該擴張室之寬度的方向，該氣體出口的方向平行於該擴張室之長度的方向。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該擴張室之寬度為該擴張室之長度的三倍。

於本發明微渦輪發電機的一實施例中，該擴張室導流結構之氣體入口的截面積為該導流道之截面積的二至五倍。

藉此，本發明微渦輪發電機之擴張室藉由該導流結構，具有體積小、壓縮氣體之壓損小、壓縮氣體之流速不過快及壓縮氣體之均勻度高等優點。

10‧‧‧氣體入口

11,12‧‧‧側

20‧‧‧氣體出口

21,22‧‧‧側

30‧‧‧第一迴流壁

31,32,41‧‧‧壁面

40‧‧‧第二迴流壁

41‧‧‧壁面

50‧‧‧導流結構

51‧‧‧固定段

52‧‧‧延伸段

60‧‧‧導流板

100‧‧‧擴張室

1100‧‧‧導流

2000‧‧‧複熱器

D1‧‧‧寬度

D2‧‧‧長度

D3‧‧‧距離

R1‧‧‧第一迴流區

R2‧‧‧該第二迴流區

Θ₁,θ₂,θ₃‧‧‧角度

[第1圖]係本發明微渦輪發電機的擴張室之第一實施例的示意圖。

[第2圖]係本發明微渦輪發電機之導流結構的另一實施例的示意圖。

[第3圖]係本發明微渦輪發電機的擴張室之第二實施例的示意圖。

[第4A圖至第4C圖]係比較本發明的擴張室之氣體入口有不同截面積的圖。

[第5A圖至第5B圖]係比較本發明的擴張室之氣體入口有不同截面積的圖。

[第6A圖至第6C圖]係比較本發明的擴張室之第二迴流壁有不同形狀的圖。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後： 請參照第1圖，第1圖係本發明微渦輪發電機的擴張室100之第一實施例的示意圖。該微渦輪發電機包括一壓縮器、一導流道1100、該擴張室100、一複熱器2000、一燃燒室及一渦輪，氣體依序流經該壓縮器、該導流道1100、該擴張室100、該複熱器2000、該燃燒室及該渦輪，氣體經該壓縮器壓縮及排出後在該複熱器2000中與該渦輪排出之氣體進行熱交換，以產生電能，如第1圖所示，該擴張室100包含一氣體入口10、一氣體出口20及一導流結構50，該導流結構50自該擴張室100的內壁向內部延伸，使該氣體繞經該導流結構50後自該氣體出口20流入該複熱器2000中。

該擴張室100另可包含一第一迴流壁30及一第二迴流壁40，當該氣體入口10及該氣體出口20皆未開啟時，該氣體入口10、該第一迴流壁30、該氣體出口20及該第二迴流壁40形成封閉的擴張室。雖然如第1圖所示之實施例中迴流壁的數量為兩個，但本發明之迴流壁的數量不以兩個為限，而是，隨著該導流結構50將該擴張室100分隔出一或多個迴流區，該迴流壁的數量亦可能對應增加或減少，所謂「迴流」是指在該區域中或沿著該壁面的流體方向有180度之變化。

該氣體入口10用於接收經該壓縮器壓縮後的氣體，於本實施例中，該擴張室100之氣體入口10的截面積等於該導流道1100之截面積，且該氣體在該導流道1100內流通的流速大於在該擴張室100出口進入該複熱器2000的流速。

該氣體出口20用於排出氣體並讓該氣體從該複熱器2000之入口流入，於本實施例中，該氣體入口10的方向與該氣體出口20的方向錯開，也就是說，氣體入口10並非正對氣體出口20，壓縮氣體不會直接從該氣體入口10衝入該氣體出口20，該氣體入口10的方向大約平行於該擴張室之寬度W的方向，該氣體出口20的方向大約平行於該擴張室之長度L的方向，該氣體入口10的截面積小於該氣體出口20的截面積。

在其他可能的實施例中，該氣體入口10的方向與該氣體出口20的方向錯開的情形還包括：(1)該氣體入口10中心的延伸線方向和該氣體出口20中心的延伸線方向具有一角度，該角度於本實施例中約為90度，但於其他可能的實施例中可為其他角度，例如60度；(2)該氣體入口10中心的延伸線方向和該氣體出口20中心的延伸線方向不重疊。

該第一迴流壁30連接於該氣體入口10的一側11及該氣體出口20的一側21，該第二迴流壁40連接於該氣體入口10的另一側12及該氣體出口20的另一側22，雖然第1圖對於該第一迴流壁30及該第二迴流壁40之形狀及位置提供了較佳的一態樣，但該第一迴流壁30及該第二迴流壁40之形狀並不以此為限。

該第一迴流壁30及該導流結構50形成一第一迴流區R1，該第二迴流壁40及該導流結構50形成一第二迴流區R2，氣體依序流經該氣體入口10、該第一迴流區R1、該第二迴流區R2及該氣體出口20，該導流結構50可為導流片。

雖然第1圖對於該導流結構50之形狀、位置及數量提供了較佳的一態樣，但該導流結構50之形狀、位置及數量並不以此為限，例如，該導流結構50可為具有一或多個彎折處而呈彎曲狀的導流片，又例如，該導流結構50可設置於該第二迴流壁40的內壁面且朝該擴張室100的內部延伸，此外，該導流結構50的實施態樣不以導流片為限，亦可能是非片狀的結構，若該導流結構50包括導流片，則該導流片的數量可為一個或多個。

於本實施例中，該氣體入口10的方向與該氣體出口20的方向不但錯開而且甚至接近垂直，因此壓縮氣體不會直接從該氣體入口10衝入該氣體出口20，此外，由於該氣體入口10的截面積遠小於該氣體出口20的截面積，根據質量守恆定律，氣體流速將因為從截面積小之處流至截面積大之處而減慢，故本實施例有利於減慢壓縮氣體之流速，進一步地，本實施例藉由該導流結構50在該擴張室100內部產生迴流區，可更進一步降低壓縮氣體之流速並提升壓縮氣體之均勻度。

本實施例藉由該導流結構50在該擴張室100內部產生迴流區R1,R2，可使得壓縮氣體在擴張室100的內部依據導流方向循序擴張，以逐漸降低流速並提高均勻度，所以不會大幅增加壓損，且無須增加該擴張室100之體積，再者，本實施例之擴張室100的構造簡單，具有容易製作、低成本的優點。

如第1圖所示之本實施例的擴張室100的外型、導流結構之位置及角度、氣體入口10之寬度皆經過特別之設計，因此能特別顯著地具有上述功效。 然而，本發明所屬技術領域中具有通常知識者了解是，擴張室的外型、導流結構之位置及角度、氣體入口之寬度等因素皆為可調整的，本發明所屬技術領域中具有通常知識者即使因應需求或刻意調整擴張室的外型、導流結構之位置及 角度、氣體入口之寬度，仍可能不脫離本發明所欲保護之範圍，故本發明之範圍不以第1圖所示之實施例為限。

若該導流結構50為導流片，則該導流片可具有一固定段51及一延伸段52，該固定段51固定於該第一迴流壁30的內壁，該延伸段52連接於該固定段51且朝該擴張室100的內部延伸，該導流片之固定段51平行於該第一迴流壁30的其中一壁面31，該導流片之延伸段52與該壁面31之延伸線的角度θ₁較佳地介於30度至60度，該氣體出口20位於該壁面31之延伸線上，此外，若該氣體出口20的寬度D1為X，則該導流片之延伸段52的長度D2較佳地為介於0.35X至0.55X，該導流片在該固定段51與該延伸段52之間具有一轉折點53，該轉折點53與該氣體出口20之一側21的距離D3較佳為介於0.2X至0.3X。

此外，該第一迴流壁30的另一壁面32較佳為一斜面，該壁面32與連接其的該氣體入口10之一側11的延伸線之間的角度θ₂介於0度至90度，不包含0度及90度，該氣體入口10的方向與該擴張室100之長度L方向之間的角度θ₃為介於0度至90度，若兩角度θ₂,θ₃相同，則該氣體入口10的方向將平行於該壁面32。

再者，若該角度θ₃為0度，使得該氣體入口10的方向平行於該氣體出口20的方向，則該導流片可設置於該氣體入口10之方向的延伸線與該氣體出口20之方向的延伸線之間，以避免氣體沿直線直接從該氣體入口10衝入該氣體出口20。

於另一實施例中，氣體出口20面積為14451mm²，複熱器入口面積為97016mm²，該面積為氣體出口20面積的6.7倍，因此根據質量守恆定律，出，口流速下降6.7倍。當壓縮氣體流速為37m/s時，擴張室壓損為0.11%，擴散角為 4.29度，在相同條件下，傳統之擴張室需要671mm，但本案之擴張室長度僅為146mm，故本案之擴張室的體積明顯較小。

此外，如不採用導流片之設計，僅與壓縮器流道面積相同之氣流會進入複熱器中，因此其中85%為熱傳之面積換算，以複熱器全壓損2.5%為例，熱交換效率將從88%降至46.8%，因此，本發明之導流片50具有顯著之功效。

如第2圖所示，該導流片的形狀可採用低流阻機翼造型，此實施例藉由將該導流片設計成流線型，可降低風阻，因此可減少壓縮氣體迴流過程中的壓損。

接著，請參照第3圖，第3圖係本發明微渦輪發電機之第二實施例的示意圖。該微渦輪發電機之第二實施例的元件大致第1圖所示之微渦輪發電機相同，其中，第二實施例之微渦輪發電機更包含複數導流板60，設置於該氣體出口20及該複熱器2000的入口，該等導流板60可彼此平行，以將流至該氣體出口20的氣體均勻地引導至該複熱器2000，避免氣體在該三角區域內直接沿較短路徑移動，影響均勻度並造成壓損。

此外，應注意的是，本實施例之複熱器2000的入口僅為示例而已，於其他可能的實施例中，該複熱器2000的入口可為三角形以外的形狀，例如矩形或梯型，亦即，本發明所適用之複熱器種類及其入口形狀不以此為限。

請參照第4A圖至第4C圖，於第4A圖中，該壁面32不是斜面，該擴張室100之氣體入口20的截面積等於該導流道1100之截面積，作為比較，於第4B圖中，該擴張室100之氣體入口20的截面積為該導流道1100之截面積的兩倍，於第4C圖中，該擴張室100之氣體入口20的截面積為該導流道1100之截面積的四倍。

比較第4A圖至第4C圖，可發現第4B圖之均勻度最佳，因此，當該擴張室100之氣體入口20的截面積設計成該導流道1100之截面積的二至五倍時，壓縮氣體具有較佳之均勻度，且於大約兩倍時，壓縮氣體具有最佳之均勻度。

請參照第5A圖至第5B圖，於第5A圖中，該壁面32是斜面，該擴張室100之氣體入口20的截面積等於該導流道1100之截面積，作為比較，於第5B圖中，該擴張室100之氣體入口20的截面積為該導流道1100之截面積的三倍。

比較第5A圖至第5B圖，可發現第5B圖之均勻度較佳，因此，當該擴張室100之氣體入口20的截面積設計成該導流道1100之截面積的大約三倍時，壓縮氣體具有最佳之均勻度。

請參照第6A圖至第6C圖，該壁面32是斜面，於第6C圖中，該第二迴流壁40之其中一壁面41連接於該氣體出口20之另一側22，該壁面41設置於該氣體出口20之另一側22的延伸線上，且該壁面41與該第一迴流壁30之距離為該第二迴流壁40之複數壁面當中相距最遠的。

比較第6A圖至第6C圖，可發現第6A圖至第6C圖之均勻度相同，但以第6C圖之擴張室的體積最小，因此，將該第二迴流壁40縮短至第6C圖為最佳。

綜上所述，本發明微渦輪發電機之擴張室藉由該導流結構，具有體積小、壓縮氣體之壓損小、壓縮氣體之流速不過快及壓縮氣體之均勻度高等優點。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意 的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

1. 一種具導流結構的微渦輪發電機，該微渦輪發電機包括一壓縮器、一導流道、一擴張室及一複熱器，該擴張室包含：一氣體入口位於該擴張室之一端，透過該導流道與該壓縮器相連通，該氣體入口係用於接收經該壓縮器壓縮後的氣體；一氣體出口位於該擴張室之另一端，該氣體出口與該複熱器相連通，以用於排出該氣體並使該氣體流入該複熱器；以及一導流結構，自該擴張室的內壁朝內部延伸，將該擴張室分隔出複數個迴流區，使該氣體繞經該導流結構後自該氣體出口流入該複熱器中；其中，該擴張室包括一第一迴流壁及一第二迴流壁，該第一迴流壁連接於該氣體入口的一側及該氣體出口的一側，該第二迴流壁連接於該氣體入口的另一側及該氣體出口的另一側；及該導流結構為一導流片，該第一迴流壁及該導流片形成一第一迴流區，該第二迴流壁及該導流片形成一第二迴流區，該氣體依序流經該氣體入口、該第一迴流區、該第二迴流區及該氣體出口。
2. 如請求項1所述之微渦輪發電機，其中該氣體入口中心的延伸線方向和該氣體出口中心的延伸線方向具有一角度。
3. 如請求項1所述之微渦輪發電機，其中該氣體入口中心的延伸線方向和該氣體出口的延伸線方向不重疊。
4. 如請求項1所述之微渦輪發電機，其中該導流片具有一固定段及一延伸段，該固定段固定於該第一迴流壁的內壁，該延伸段連接於該固定段且朝該擴張室的內部延伸。
5. 如請求項1所述之微渦輪發電機，其中，該第二迴流壁之其中一壁面連接於該氣體出口之另一側，該壁面設置於該氣體出口之另一側的延伸線上，且該壁面與該第一迴流壁之距離為該第二迴流壁之複數壁面當中相距最遠的。
6. 如請求項1所述之微渦輪發電機，其中該氣體在該擴張室的第二迴流區之擴散角度大於7度。
7. 如請求項1所述之微渦輪發電機，其中該導流片為低流阻機翼造型，其中該氣體在該導流道內流通的流速大於在該擴張室之氣體出口流入該複熱器的流速，其中該氣體入口的截面積小於該氣體出口的截面積。
8. 如請求項1所述之微渦輪發電機，更包含一燃燒室及一渦輪，該氣體依序流經該壓縮器、該導流道、該擴張室、該複熱器、該燃燒室及該渦輪，該氣體經該壓縮器壓縮及排出後在該複熱器中與該渦輪排出之氣體進行熱交換。