CN108953178A - 一种超临界循环发电装置及其喷射激波升压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界循环发电装置及其喷射激波升压装置，喷射激波升压装置包括引射区和流道，引射区包括接收室，接收室的一侧设有高压进气管，上下两侧分别设有引射流体进气管；流道沿流体方向依次包括引射段、收缩段和扩压段，收缩段内设有激波诱导块，激波诱导块沿气流方向设有诱导前缘、斜坡、平台区和诱导后缘，斜坡和平台区相交处形成突变点，收缩段的内壁设有反射曲面，反射曲面的中心与平台区对应设置。本发明，使超音速气流通过激波墙后被迅速提高压力和温度，气流速度大幅降低，从而提高压缩效率，并经过扩压段进一步降低流速和提升压力，实现高压缩比，并且结构简单，加工制造方便，无运动部件，运行更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及超临界循环发电系统，具体涉及一种超临界循环发电装置及其喷射激波升压装置。
背景技术
在动力转换技术领域，超临界CO2布雷顿循环系统以其高热效率和低运行成本等特点，将逐步取代常规蒸汽朗肯循环成为主流核能转换形式。本系统中压缩机作为系统的核心设备，传统的压缩机通过动能势能的转化来提高压力，不仅运行效率较低，还存在结构复杂，运动元件多，维护成本高，运行范围窄，轴端易泄漏等诸多问题。当系统参数波动时容易导致压缩机出现喘振，从而导致设备破损。
相对于传统的压缩机，激波压缩技术运行效率更高，尤其在单级压比较高的条件具有无法比拟的优越性。但是，当前激波压缩技术依然存在一些问题，例如，设备中依然存在旋转冲压转子，从而导致结构复杂，轴端泄漏无法解决。
有鉴于此，急需对现有的超临界循环发电系统的结构进行改进，以方便操作，提高防泄漏效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的超临界循环发电系统存在的压缩结构复杂和动密封泄漏的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种喷射激波升压装置，包括：
引射区，包括接收室，所述接收室的一侧设有高压进气管，上下两侧分别设有引射流体进气管；
流道，沿流体方向依次包括引射段、收缩段和扩压段，所述引射段的内径逐渐减小，所述收缩段的内径先变小后变大，所述扩压段的内径逐渐增大，所述收缩段内设有激波诱导块，所述激波诱导块沿气流方向设有诱导前缘、斜坡、平台区和诱导后缘，所述斜坡和所述平台区相交处形成突变点，所述收缩段的内壁设有反射曲面，所述反射曲面的中心与所述平台区对应设置；
超音速气流在诱导前缘产生斜激波，该斜激波到达反射曲面形成反射波，反射波经斜坡再次反射到反射曲面，经过多次反射后达到平台区的平面上，反射波在平面处被驻留，斜激波汇集成正激波，其他斜激波如此反复也被驻留在正激波附近，形成一道激波墙；超音速气流通过激波墙被迫降低流速，同时提升压力和温度，经过激波墙提升压力的高压高速气流进入扩压段，提升压力和降低流速。
在另一个优选的实施例中，所述高压进气管的内端依次设有驱动收缩段、喷嘴和驱动扩张段。
在另一个优选的实施例中，所述诱导前缘为一尖端，所述诱导后缘为一钝端。
在另一个优选的实施例中，所述激波诱导块设置在所述流道的中部。
在另一个优选的实施例中，所述斜坡与所述平台区之间的夹角为1～10°。
本发明还提供了一种超临界循环发电装置，包括如权利要求1～5任一项所述的喷射激波升压装置，且所述高压进气管的外端与热源的出口相通，所述扩压段的出气口依次与所述回热器、所述热源的进口连通形成循环回路，所述热源的出口还与透平机连通，所述透平机与电机连通，流体由所述透平机、所述回热器、所述冷却器进入所述引射流体进气管。
与现有技术相比，本发明，使超音速气流通过激波墙后被迅速提高压力和温度，气流速度大幅降低，从而提高压缩效率，并经过扩压段进一步降低流速和提升压力，实现高压缩比，并且结构简单，加工制造方便，无运动部件，运行更加稳定。
附图说明
图1为本发明的喷射激波升压装置的结构示意图；
图2为本发明的工作原理图。
具体实施方式
本发明提供了一种超临界循环发电装置及其喷射激波升压装置，使超音速气流通过激波墙后被迅速提高压力和温度，气流速度大幅降低，从而提高压缩效率，并经过扩压段进一步降低流速和提升压力，实现高压缩比，并且结构简单，加工制造方便，无运动部件，运行更加稳定。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种带喷射激波升压装置100，包括引射区和流道。引射区包括接收室3，接收室3的一侧设有高压进气管1，上下两侧分别设有引射流体进气管2。流道沿流体方向依次包括引射段7、收缩段8和扩压段10，引射段7的内径逐渐减小，收缩段8的内径先变小后变大，扩压段10的内径逐渐增大，收缩段8内设有激波诱导块9，激波诱导块9沿气流方向设有诱导前缘11、斜坡12、平台区14和诱导后缘15，斜坡12和平台区14相交处形成突变点，收缩段的内壁设有反射曲面13，反射曲面13的中心与平台区14相对设置。
本实施例中的平台区14的平面与反射点在反射曲面13上的法线相垂直，该反射点是指将斜坡12产生的斜激波反射到平台区14上的反射点，使斜激波被反射到平台区14上时，以基本垂直的角度到达平台区14的平面上，形成与超音速气流来流方向相垂直的正激波，由斜坡12产生的系列斜激波会在突变点处突变为正激波。
超音速气流在诱导前缘11产生斜激波，该斜激波到达反射曲面13形成反射波，反射波经斜坡12再次反射到反射曲面13，经过多次反射后达到平台区14的平面上，反射波在平面处被驻留，斜激波汇集成正激波，其他斜激波如此反复也被驻留在正激波附近，形成一道激波墙；超音速气流通过激波墙被迫降低流速，同时提升压力和温度，经过激波墙提升压力的高压高速气流进入扩压段，提升压力和降低流速。
具体地，高压驱动流体通过高压进气管1，因为引射效应，引射流体从引射流体进气管2进入接收室3，并跟随高速驱动流体一同通过引射段7，进入收缩段8。在引射段7和收缩段8中高速驱动流体的一部分动能传给引射流体，并形成混合流体，在热量传递后，混合流体温度将高于引射流体，由于超临界流体密度随温度升高会发生大幅降低的固有特性，从而导致引射流体升温膨胀升速，此时混合流体的速度依然可以保持超声速。该超音速气流在激波诱导前缘11和斜坡12产生斜激波，并经过反射曲面13和斜坡12的多次反射后到达突变点形成一道正激波；超音速气流经过反射曲面13前沿形成的斜激波达到激波诱导块9的突变点后，受上述正激波的干扰被反射到反射曲面13上并被反射回激波诱导块9的平台区14上，在正激波的附近形成一道激波墙。通过激波墙迅速提高压力和温度，速度大幅降低，并经过扩压段10进一步降低流速和提升压力，实现高压缩比。本技术方案结构简单，加工制造方便，压缩机无运动部件少，运行更加稳定。
高压进气管1的内端依次设有驱动收缩段4、喷嘴5和驱动扩张段6，通过驱动收缩段4，由喷嘴5喷出，驱动流体经过喷嘴5后形成超声速气流，经过驱动扩张段6进一步降压升速至高超声速。
诱导前缘11为一尖端，诱导后缘15为一钝端。超音速气流经过尖锐物体会形成激波，而诱导后缘15由于不需要分流，不需要再加工成尖端，易于加工。
激波诱导块9设置在流道的中部，使得超音速气流能够在流道内形成对称的分流，从而形成固定的激波和激波墙，保证了足够气体量的情况下，气体压缩效率更高，实现更高的单级压比。
斜坡12与平台区14之间的夹角为1～10°，可根据斜激波的传播路径调整。
本发明的有益效果为：
1.使超音速气流通过激波墙后被迅速提高压力和温度，气流速度大幅降低，从而提高压缩效率，并经过扩压段进一步降低流速和提升压力，实现高压缩比，并且结构简单，加工制造方便，无运动部件，运行更加稳定；
2.平台区与将斜坡产生的斜激波反射到平面上的反射点在反射曲面上的法线相垂直，使斜激波被反射到平面上时，以基本垂直的角度到达平面上，形成与超音速气流来流方向相垂直的正激波，从而降低气流速度，提高气流压力，压缩效率得到大幅提高；
3.通过斜坡和平台区，形成激波墙，从而实现气体压力的迅速提高，保证了足够气体量的情况下，气体压缩效率更高，实现更高的单级压比，解决了超临界工质布雷顿动力转换技术中压缩机结构复杂和轴端气体泄漏的问题，撤销实时补气系统，大幅减少高压高纯气体的补充成本，防止有害物的扩散，提升超临界工质布雷顿动力转换技术的经济性。
如图2所示，本发明还提供了一种超临界循环发电装置，可以用于超临界工质布雷顿循环系统或其他高压气体循环系统，采用喷射激波升压装置100取代了常规的超临界工质压缩机，包括上述结构的喷射激波升压装置100，且高压进气管1的外端与热源900的出口相通，扩压段10的出气口依次与回热器400、热源900的进口连通形成循环回路，热源900的出口还与透平机200连通，透平机200与电机300连通，流体由透平机200、回热器400、冷却器500进入引射流体进气管2。
高压超临界CO2经过热源900升温至500℃以上，一部分工质经过高温高压主流管路800进入透平机200做功，驱动发电机300输出电能，另一部分工质经过高温高压引射管路700进入喷射激波升压装置100。透平机200排出的低压高温超临界CO2依然保持在临界压力(7.36MPa)以上，再进入回热器400，进行部分余热回收后，进入冷却器500将温度进一步降低至高于临界温度1～5℃，约32～36℃，在引射作用下被吸入喷射激波升压装置100，通过能量和动量的传递，使混合气体具有超声速的特性，经过激波墙后被迅速提高压力和温度，气流速度大幅降低，从而提高压缩效率，并经过扩压段10进一步降低流速和提升压力，实现高压缩比后升压至15MPa以上，再进入热源900进行下一轮循环。
本发明的喷射激波升压装置，结构简单，加工制造方便，运动部件少，运行更加稳定，并且可以有效地减少高转速旋转机械动密封泄漏的问题。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种喷射激波升压装置，其特征在于，包括：
引射区，包括接收室，所述接收室的一侧设有高压进气管，上下两侧分别设有引射流体进气管；
流道，沿流体方向依次包括引射段、收缩段和扩压段，所述引射段的内径逐渐减小，所述收缩段的内径先变小后变大，所述扩压段的内径逐渐增大，所述收缩段内设有激波诱导块，所述激波诱导块沿气流方向设有诱导前缘、斜坡、平台区和诱导后缘，所述斜坡和所述平台区相交处形成突变点，所述收缩段的内壁设有反射曲面，所述反射曲面的中心与所述平台区对应设置；
超音速气流在诱导前缘产生斜激波，该斜激波到达反射曲面形成反射波，反射波经斜坡再次反射到反射曲面，经过多次反射后达到平台区的平面上，反射波在平面处被驻留，斜激波汇集成正激波，其他斜激波如此反复也被驻留在正激波附近，形成一道激波墙；超音速气流通过激波墙被迫降低流速，同时提升压力和温度，经过激波墙提升压力的高压高速气流进入扩压段，提升压力和降低流速。
2.根据权利要求1所述的喷射激波升压装置，其特征在于，所述高压进气管的内端依次设有驱动收缩段、喷嘴和驱动扩张段。
3.根据权利要求1所述的喷射激波升压装置，其特征在于，所述诱导前缘为一尖端，所述诱导后缘为一钝端。
4.根据权利要求1所述的喷射激波升压装置，其特征在于，所述激波诱导块设置在所述流道的中部。
5.根据权利要求1所述的喷射激波升压装置，其特征在于，所述斜坡与所述平台区之间的夹角为1～10°。
6.一种超临界循环发电装置，其特征在于，包括如权利要求1～5任一项所述的喷射激波升压装置，且所述高压进气管的外端与热源的出口相通，所述扩压段的出气口依次与所述回热器、所述热源的进口连通形成循环回路，所述热源的出口还与透平机连通，所述透平机与电机连通，流体由所述透平机、所述回热器、所述冷却器进入所述引射流体进气管。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20201027 |
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