CN110043323A - 一种超音速向心透平 - Google Patents

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李海宾
周辉
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Abstract

本发明公开了一种超音速向心透平，用于解决传统的单级向心透平已不能满足进口压力的要求越来越高，系统要求的膨胀比不断增加的技术问题。本发明实施例包括拉法尔喷管、向心叶轮以及围设于向心叶轮的圆环壳体；圆环壳体的外侧壁上均匀分布有多个气体进口，拉法尔喷管设置于圆环壳体内，并且拉法尔喷管的进口端与气体进口相连通，拉法尔喷管的出口端朝向向心叶轮的中心。本实施例中，在气体进口与对应的气体出口之间设置拉法尔喷管，利用拉法尔缩放喷管使高压气体压力能转化成高速动能，喷管出口马赫数通常可达到2以上，径向进入的高速气流将推动向心叶轮旋转至额定转速，使气体在向心叶轮中持续膨胀，从而满足使用需求。

Description

一种超音速向心透平
技术领域
本发明涉及透平研发技术领域，尤其涉及一种超音速向心透平。
背景技术
随着环境污染问题、能源短缺问题的不断加剧，太阳能、地热能、生物质能及工业余热等低温热源的开发利用得到广泛的关注，有机工质具有低沸点蒸发的物性，因此在余热回收热功转化过程中常采用有机朗肯循环(简称ORC)。有机工质向心透平作为有机朗肯循环发电系统中的驱动装置，其运行的安全可靠性受到广泛重视；
在太阳能光热发电系统中，太阳能集热板的面积限制了锅炉的负荷，如果保证了较高的蒸汽初参数则往往导致蒸汽流量很小。向心式蒸汽透平相比于轴流式透平具有体积小、转速高、结构紧凑的特点,更加适用于这种小容积流量、高比焓降的场合。特别是随着材料及制造工艺的发展，向心式蒸汽透平的开发越来越受到人们的重视；
同样随着天然气和煤制气的广泛应用，气体消耗量不断攀升。对天然气压力能进行回收并利用其进行发电成为本领域内的研发热点，燃气上游压力较高，而用户端需求压力基本稳定，中间的压差调节需要高压比的向心透平膨胀机来承担，由于用户用气量的不稳定，需要膨胀机具有较大的流量变化范围。
在船舶或火箭等紧凑性的应用场合往往需要高膨胀比的透平，比如舰船用倒车工况下，一般只在进出港的时候有应用，平时很少用到，但倒车透平却必不可少，通常采用速度级轴流涡轮或者高膨胀比向心透平来解决，在火箭发动机中也有较为广泛的应用。
向心透平具有结构简单紧凑、制造工艺简单、造价低廉、安装方便、效率高(目前的单级向心透平等熵效率可以达到90％以上)、单级膨胀比高(单级向心透平能代替两级甚至更多的轴流透平)等特点。广泛应用于中小型燃气轮机、涡轮增压器、制冷装置和液化装置的膨胀透平等。
向心透平大多是单级，且最大单级膨胀比为15。由于向心透平结构的特殊性，多级向心透平实现的难度很大，随着进口压力的要求越来越高，系统要求的膨胀比不断增加，传统的单级向心透平已满足不了需求。
因此，为解决上述的技术问题，寻找一种超音速向心透平成为本领域技术人员所研究的重要课题。
发明内容
本发明实施例公开了一种超音速向心透平，用于解决传统的单级向心透平已不能满足进口压力的要求越来越高，系统要求的膨胀比不断增加的技术问题。
本发明实施例提供了一种超音速向心透平，包括拉法尔喷管、向心叶轮以及围设于所述向心叶轮的圆环壳体；
所述圆环壳体的外侧壁上均匀分布有多个气体进口，所述拉法尔喷管设置于所述圆环壳体内，并且所述拉法尔喷管的进口端与所述气体进口相连通，所述拉法尔喷管的出口端朝向所述向心叶轮的中心。
可选地，所述拉法尔喷管包括一体成型的收缩段、喉部以及扩张段；
所述进口端设置于所述收缩段上，所述出口端设置于所述扩张段上，所述收缩段、喉部、扩张段依次进行连接。
可选地，所述收缩段的管径从进口端向所述喉部逐渐收缩；
所述扩张段的管径从靠近所述喉部的一端向所述出口端逐渐放大。
可选地，所述拉法尔喷管的轴线和所述拉法尔喷管与圆环壳体的外侧壁的接触面的切线相互成15°夹角。
可选地，所述向心叶轮上连接有转动轴。
可选地，所述向心叶轮包括轮盘和叶片；
所述叶片包括有多片，多片所述叶片均匀设置于所述轮盘上，多片叶片相互之间形成供气体流入的流道。
可选地，所述拉法尔喷管焊接于所述圆环壳体的内部。
可选地，所述拉法尔喷管螺纹连接于所述圆环壳体的内部。
可选地，所述拉法尔喷管与所述圆环壳体为一体成型结构。
可选地，还包括设置于圆环壳体外，且与所述转动轴相互连接的轴承。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本实施例中，利用拉法尔喷管使高压气体压力能转化成高速动能，喷管出口马赫数通常可达到2以上，径向进入的高速气流将推动向心叶轮旋转至额定转速，在向心叶轮中气体持续膨胀，对空分用膨胀机而言，单级压比可达到20以上；对蒸汽向心透平而言，单级等熵焓降可超900KJ/Kg，占用空间仅为双列调节级的一半左右；在ORC的应用场合中，如工质为R245fa或R123时，热源温度不变的条件下进一步提高入口压力，甚至进口气体允许进入两相区，最大程度的提高透平的做功量；该结构设计在保证膨胀做功的同时占用空间小，在圆环壳体内布置拉法尔喷管，有利于气体均匀导入与向心叶轮中，同时确保喷管的外径不超出限制。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种超音速向心透平的结构示意图；
图2为本发明提供的一种超音速向心透平的内部结构示意图；
图3为本发明提供的一种超音速向心透平中的拉法尔喷管的结构示意图；
图示说明：圆环壳体1；向心叶轮2；叶片3；气体进口4；拉法尔喷管5；收缩段51；喉部52；扩张段53；进口端54；出口端55。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种超音速向心透平，用于解决传统的单级向心透平已不能满足进口压力的要求越来越高，系统要求的膨胀比不断增加的技术问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。基于本发明中的实施例，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。
实施例一
请参阅图1至图3，本实施例提供的一种超音速向心透平包括：
向心叶轮2、圆环壳体1和多个拉法尔喷管5，圆环壳体1围绕在向心叶轮2的四周，圆环壳体1的外侧壁上均匀分布有多个用于供气体进入的气体进口4，拉法尔喷管5设置于该圆环壳体1内，并且拉法尔喷管5的进口端54与气体进口4相连通，拉法尔喷管5的出口端55朝向该向心叶轮2的中心，气流经拉法尔喷管5沿向心叶轮2的径向进入到向心叶轮2中。
本实施例中，利用拉法尔喷管5使高压气体压力能转化成高速动能，喷管出口马赫数通常可达到2以上，径向进入的高速气流将推动向心叶轮2旋转至额定转速，在向心叶轮2中气体持续膨胀，对空分用膨胀机而言，单级压比可达到20以上；对蒸汽向心透平而言，单级等熵焓降可超900KJ/Kg，占用空间仅为双列调节级的一半左右；在ORC的应用场合中，如工质为R245fa或R123时，热源温度不变的条件下进一步提高入口压力，甚至进口气体允许进入两相区，最大程度的提高透平的做功量；该结构设计在保证膨胀做功的同时占用空间小，在圆环壳体1内布置拉法尔喷管5，有利于气体均匀导入与向心叶轮2中，同时确保喷管的外径不超出限制。
进一步地，请参阅图3，本实施例中的拉法尔喷管5包括收缩段51、喉部52以及扩张段53，其中上述的进口端54设置于收缩段51上，出口端55设置于扩张段53上，收缩段51、喉部52、扩张段53依次进行连接。
进一步地，拉法尔喷管5为一体成型结构。
进一步地，收缩段51的管径从进口端54逐渐向喉部52逐渐收缩，扩张段53的管径从靠近喉部52的一端向出口端55逐渐放大。
需要说明的是，拉法尔喷管5的收缩段51是由大变小向中间收缩至一个窄喉。窄喉之后又由小变大逐渐向外扩张。喷管中的气体受高压流入喷嘴的收缩段51，穿过喉部52后由扩张段53逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。
进一步地，请参阅图2，本实施例中的拉法尔喷管5的轴线和拉法尔喷管5与圆环壳体1的外侧壁的接触面的切线相互成15°夹角。
需要说明的是，为了获取更大的气体流量，需要在有限空间内布置更多的拉法尔喷管5，拉法尔喷管5可在轴向方向斜置，如按照上述的15°夹角布置时，可增加30％拉法尔喷管5的数量。
进一步地，本实施例中的向心叶轮2中包括轮盘和设置于轮盘上的叶片3；
其中，多块叶片3相互之间形成供气体流入的流道，叶片3的数量根据流道合理匹配出最佳叶片数。
进一步地，本实施例中的向心叶轮2还连接有转动轴，向心叶轮2主要作用是通过旋转将气体的动能高效的对外转换成轴旋转动能。本实施例中的转动轴上还连接有轴承，轴承位于圆环壳体1外。
进一步地，请参阅图2，本实施例中的拉法尔喷管5设置于圆环壳体1的内部，其安装方式包括有焊接、通过螺栓进行螺纹连接或直接与圆环壳体1一同铸造。
需要说明的是，本实施例中并不会对拉法尔喷管5的固定方式进行限制。
应用例
请参阅图1至图3，本应用例提供的一种超音速向心透平包括：
在一个适当的压比P3/P1时，气流在收缩段51内加速，至喉部52马赫数Ma＝1时，然后在扩张段53内减速，至出口Ma＜1，且出口压力和临界压力相等，即P3＝Pe，这种流动状态称为拉法尔尾喷管的临界状态。
当处于临界状态时，喷管内无激波，管内的整个流动可视为等熵流动。当P3＞Pe时，气流在喷管收缩段51仍然加速，至喉部52Ma＜1，在扩张段53减速至出口，出口马赫数Ma＜1，此过程属于亚临界流道状态：当P3＜Pe此时喷管内的流道称为超临界状态，气体在收缩段51加速至喉部52Ma＝1，气体在扩张段53继续加速，至出口马赫数Ma＞1，气流在喷管出口产生压缩波；本方案所述拉法尔喷管5均是在超临界状态下工作，高速气流在喷管出口达到超临界状态，高速气流进入向心叶轮2，由于向心叶轮2的静动叶有一定的圆周速度差，动叶可承担部分焓降，气流在向心叶轮2中继续膨胀并将速度转换成向心叶轮2的旋转动能，轴向排出气体，气流在叶轮局部依然为超音速状态。
拉法尔喷管5和向心叶轮2的焓降分配通过调整反动度来实现，通常的轴流速度级反动度较低，为0.02～0.05之间，超音速气流经过叶片3之间形成的流道，流体呈现被压缩的特点，使得动叶出口压力高于动叶入口压力，涡轮级不可避免地出现负反动度设计特点，本方案利用向心叶轮2的与喷管的圆周速度差，选择较大的反动度，合理的范围在0.3～0.5之间；
向心叶轮2主要作用是通过旋转将气体的动能高效的对外转换成轴旋转动能，向心叶轮2的流道内，激波与附面层的作用对气动性能有较大影响，通过将激波与相邻叶片3作用点位置向上游移动至合理位置，避免了两种分离趋势叠加引起的流动恶化现象(激波与附面层作用引起分离、气流绕流大曲率壁面引起分离)，有利于推迟或者遏制吸力侧激波与附面层作用后的流动分离，提高叶栅气动性能，增加涡轮的做功能力。
以某空气膨胀机为例，进口为压力2.2Mpa、常温的空气，出口压力为大气压，按上述实施例所述思路设计，喷管承担了较大的焓降，拉法尔喷管5数为15只，向心叶轮2流道数为19，拉法尔喷管5出口马赫数达到Ma3＝1.7，高速气流进入动叶的速度达到500m/s，气流在叶轮中持续膨胀做功，叶轮出口气体温度降低至零下150℃；动叶片3出口平均马赫数Ma＝0.76，透平轴效率达到70％以上；本设计也可应用于冷热电联产的微型燃气轮机当中。
以某船舶蒸汽倒车叶轮为例，机组在正倒车换向时，上游气流流量略有减少，压力提高至4.5Mpa的饱和蒸汽,排汽背压不变，进出口压比超过100，由于涡轮空间较小，选择拉法尔喷管5和向心叶轮2匹配的单级超音速透平，喷管出口气流的马赫数平均值达到2.5左右，喷嘴采用缩放型喷管结构。气流经过喷嘴，流体的内能、压力能转换为流体的高速动能。喷管喷出流体速度的周向分量是推动动叶轮转动，为了得到较大喷嘴出口速度周向分量，喷管的几何出气度取得相对较小，该角度的大小除了影响气流速度的周向分量外，过小的几何出气角会在一定程度上增加喷管的流动损失，同时增加气流流动沿周向的不均匀性；但为了流过较大的流量，需要在有限空间内布置更多的喷管通道，通道可在轴向方向斜置，如与圆周平面呈15°布置时，可增加30％的通道数。该蒸汽透平技术也可应用于太阳能光热发电领域。
以某厂废热回收利用ORC机组为例，工业废热温度约为300℃，通过与R245fa工质热交换后将有机工质加热至160℃，工质泵将工质增压在透平进口为3.27Mpa，出口背压为0.14Mpa，膨胀压比达到23.39，向心透平设计转速为26500RPM，由于有机工质密度较大，音速较低，极易达到超音速状态，因此按照本文所述方式设计，拉法尔喷管5出口速度为283m/s，实际马赫数达到2，向心叶轮2出口相对马赫数为1.1，扩压回收部分动能。做功后透平排汽温度约为77℃。
以上对本发明所提供的一种超音速向心透平进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超音速向心透平，其特征在于，包括拉法尔喷管、向心叶轮以及围设于所述向心叶轮的圆环壳体；
所述圆环壳体的外侧壁上均匀分布有多个气体进口，所述拉法尔喷管设置于所述圆环壳体内，并且所述拉法尔喷管的进口端与所述气体进口相连通，所述拉法尔喷管的出口端朝向所述向心叶轮的中心。
2.根据权利要求1所述的超音速向心透平，其特征在于，所述拉法尔喷管包括一体成型的收缩段、喉部以及扩张段；
所述进口端设置于所述收缩段上，所述出口端设置于所述扩张段上，所述收缩段、喉部、扩张段依次进行连接。
3.根据权利要求2所述的超音速向心透平，其特征在于，所述收缩段的管径从进口端向所述喉部逐渐收缩；
所述扩张段的管径从靠近所述喉部的一端向所述出口端逐渐放大。
4.根据权利要求1所述的超音速向心透平，其特征在于，所述拉法尔喷管的轴线和所述拉法尔喷管与圆环壳体的外侧壁的接触面的切线相互成15°夹角。
5.根据权利要求1所述的超音速向心透平，其特征在于，所述向心叶轮上连接有转动轴。
6.根据权利要求1所述的超音速向心透平，其特征在于，所述向心叶轮包括轮盘和叶片；
所述叶片包括有多片，多片所述叶片均匀设置于所述轮盘上，多片叶片相互之间形成供气体流入的流道。
7.根据权利要求1所述的超音速向心透平，其特征在于，所述拉法尔喷管焊接于所述圆环壳体的内部。
8.根据权利要求1所述的超音速向心透平，其特征在于，所述拉法尔喷管螺纹连接于所述圆环壳体的内部。
9.根据权利要求1所述的超音速向心透平，其特征在于，所述拉法尔喷管与所述圆环壳体为一体成型结构。
10.根据权利要求5所述的超音速向心透平，其特征在于，还包括设置于圆环壳体外，且与所述转动轴相互连接的轴承。
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