CN110159353A - 一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置 - Google Patents

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Abstract

一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，属于透平技术领域，本发明包括蜗壳、喷嘴叶栅和透平叶轮，透平叶轮设置在蜗壳的中心处，透平叶轮的周向上设置有多个喷嘴叶栅，透平叶轮由轮盘和叶片组成，叶片的两端分别设置有叶片进口和叶片出口，叶片靠近叶片进口的一端为叶顶，远离叶片进口的另一端为叶根；叶轮叶片翼型在前缘的切线与转子半径方向上形成的夹角为进口叶片角α，进口叶片角α为70°；叶轮叶片翼型在尾缘的切线与转子轴向所形成的夹角为出口叶片角β，出口叶片角β为53°，叶片的外径D1为592.7mm，叶片轴向长度h与叶片外径D1满足以下几何关系h＝0.16D1。本发明结构紧凑、转速较低、效率高和辅助系统少，具有广泛的工程应用前景。

Description

一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置
技术领域
本发明涉及一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，属于透平技术领域。
背景技术
为了进一步提高热力循环效率及降低成本，目前关于循环优化及新型动力循环的研究方兴未艾，其中超临界二氧化碳布雷顿循环被认为是最有前景的替代循环之一。超临界二氧化碳作为一种目前广受关注的超临界流体，具有密度大、粘度小、临界参数低的特点，因而将其作为工质的布雷顿循环具有结构紧凑、效率高、安全可靠等优点。超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括主要包括压缩机、透平、热源、发电机及一系列辅助设备。其中透平主要作用是将高温高压的超临界二氧化碳工质所具有的内能转化为发电机转轴所需要的能量，作为热功转换的核心部件，透平的设计制造水平及性能对整个热力循环的效率具有重大的影响。向心透平具有膨胀比高、焓降大、轴向尺寸紧凑的特点，在低流量工况下具有广泛的应用。
由于超临界二氧化碳的密度大，其向心透平具有尺寸小、转速高的特点，其设计转速通常高达数万转。如此高转速条件下，普通轴端密封装置不能满足密封的需求，且轴系的安全性下降。同时若想利用此类透平进行发电，则需要多个传动装置进行减速，其势必会导致系统复杂、轴系长、机械损失增加、占地面积大等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，进而提供一种结构紧凑、转速较低、高效率、辅助系统少的兆瓦级超临界二氧化碳透平装置。
本发明的技术方案：
一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，包括蜗壳、喷嘴叶栅和透平叶轮，透平叶轮设置在蜗壳的中心处，透平叶轮的周向上设置有多个喷嘴叶栅，透平叶轮由轮盘和叶片组成，叶片的两端分别设置有叶片进口和叶片出口，叶片靠近叶片进口的一端为叶顶，远离叶片进口的另一端为叶根；
叶轮叶片翼型在前缘的切线与转子半径方向上形成的夹角为进口叶片角α，进口叶片角α为70°；
叶轮叶片翼型在尾缘的切线与转子轴向所形成的夹角为出口叶片角β，出口叶片角β为53°；
叶片的外径D1为592.7mm，叶片轴向长度h与叶片外径D1满足以下几何关系：h＝0.16D1，其具体数值为92mm；
叶顶的厚度为6mm，叶根的厚度为10mm，叶片进口的边缘的叶高为8.56mm，叶片出口的边缘的叶高为38mm；
叶片叶根所在圆周的直径D2为172.4mm，叶片叶顶所在圆周的直径D3为248.4mm。
进一步，叶片进口的临界二氧化碳工质总压为14.6MPa，总温为600℃，叶片出口的临界二氧化碳工质总压为8.5MPa，运行时工质始终处于超临界状态。
进一步，透平装置的输出功率为5.8MW，叶轮转速为9000rpm，质量流量为81.94kg/s。
进一步，喷嘴叶栅前缘采用椭圆型前缘，椭圆率为2.0，短轴长度为20mm，喷嘴叶栅尾缘采用圆形尾缘，直径为3mm，喷嘴叶栅叶片数量为17个，进口气流角为45°，出口气流角为10°。
进一步，蜗壳内壁面采用多段渐开式弧线，蜗壳进口通道直径a＝179.3mm，蜗壳出口处的直径c＝856mm，蜗壳进口通道圆心至轮盘31的轴向长度b＝130.8mm。
进一步，叶片的数量为18个。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用蜗壳引导进气，沿径向均匀配气，蜗壳内壁面采用多段渐开式弧线，该设计能够有效减小流体在蜗壳内流动引起的流动损失，降低流动噪声；喷嘴叶栅进口叶片角为45°，与蜗壳配气角度匹配良好，出口叶片角为10°，与叶轮进口气流角匹配，蜗壳及喷嘴叶栅的气流角匹配能够减少流动损失，提高气动效率；除此之外，采用蜗壳进气可以为喷嘴叶栅提供周向均匀的参数，采用椭圆形前缘及圆形尾缘的喷嘴叶片可适应较大范围来流攻角变化，减少来流方向不稳定带来的流动分离损失，同时能够降低气流激振力，减小气流对叶轮叶片的冲击，延长叶轮的使用寿命，且这一类型的喷嘴叶片相较轴流透平更易适应各种变工况；本发明采用9000rpm的低转速设计可以降低透平运行中产生的离心应力，便于结构强度设计，且无需减速器等配件，能够使透平机组结构紧凑，可靠性强；叶片进口角为70°，此叶片进口角度与喷嘴出口气流角匹配良好，减少了气动损失，大幅提高了透平的运行效率；透平叶轮外径为592.7mm，为现有超临界二氧化碳向心透平的3至4倍，能够有效提高叶轮做功能力，其轴向长度与叶轮外径满足的几何关系使叶轮在轴向的流动状况良好；叶轮叶片厚度随着叶高方向逐渐减小，叶片厚度的变化保证叶片工作时强度及耐压要求，同时确保了叶片对于流体的约束作用；综上所述，本发明一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置的设计方法能够使透平部件结构紧凑、气动效率高，具有广泛的工程应用前景。
附图说明
图1是本发明结构立体图；
图2是叶轮俯视图；
图3是叶轮主视图；
图4是叶轮部分剖视图；
图5是喷嘴叶栅示意图；
图6是蜗壳结构示意图；
图7是蜗壳的正视图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
具体实施方式一：一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，包括蜗壳1、喷嘴叶栅2和透平叶轮3，透平叶轮3设置在蜗壳1的中心处，透平叶轮3的周向上设置有多个喷嘴叶栅2，透平叶轮3由轮盘31和叶片32组成，叶片32的两端分别设置有叶片进口4和叶片出口7，叶片32靠近叶片进口4的一端为叶顶5，远离叶片进口4的另一端为叶根6；如此设置，本装置采用蜗壳引导进气，沿径向均匀配气，蜗壳内壁面采用多段渐开式弧线，该设计能够有效减小流体在蜗壳内流动引起的流动损失，降低流动噪声，工作时，超临界二氧化碳工质由蜗壳进入，经蜗壳均匀配气分配至喷嘴叶栅中，工质在喷嘴叶栅中压力逐渐降低，流速逐渐增大，随后进入透平叶轮中，在透平叶轮中，超临界二氧化碳工质推动叶轮旋转输出功，最终在透平叶轮出口沿轴向排出。
具体实施方式二：结合实施方式一对本实施方式说明，叶轮叶片翼型在前缘的切线与转子半径方向上形成的夹角为进口叶片角α，进口叶片角α为70°，如此设置，与传统的90°叶轮进气有着较大的差异，这一叶轮进口角度与喷嘴出口气流角匹配良好，减少了气动损失，大幅提高了透平的运行效率；叶轮叶片翼型在尾缘的切线与转子轴向所形成的夹角为出口叶片角β，出口叶片角β为53°；如此设置，叶片进口角α及出口叶片角β的大小设置，使得叶轮能够适应大流量工况，在工作时减少撞击和脱涡损失。
具体实施方式三：结合实施方式一和二说明本实施方式，叶片的外径D1为592.7mm，叶片轴向长度h与叶片外径D1满足以下几何关系：h＝0.16D1，其具体数值为92mm，进一步优化，叶片32的数量为18个；如此设置，叶轮直径为现有超临界二氧化碳向心透平的3至4倍，能够有效提高叶轮做功能力而叶片轴向长度与叶片外径的关系，使叶轮在轴向的流动状况良好；叶顶5的厚度为6mm，叶根6的厚度为10mm，叶片进口4的边缘的叶高为8.56mm，叶片出口7的边缘的叶高为38mm；叶片叶根6所在圆周的直径D2为172.4mm，叶片叶顶5所在圆周的直径D3为248.4mm；如此设置，叶轮叶片厚度随着叶高方向逐渐减小，叶片厚度的变化保证叶片工作时强度及耐压要求，同时确保了叶片对于流体的约束作用。
进一步优化，叶片进口4的临界二氧化碳工质总压为14.6MPa，总温为600℃，叶片出口7的临界二氧化碳工质总压为8.5MPa，使叶轮运行时工质始终处于超临界状态；再进一步优化，透平装置的输出功率为5.8MW，叶轮转速为9000rpm，质量流量为81.94kg/s；叶轮的转速为现有超临界二氧化碳向心透平的4分之1至5分之1，转速的降低能够有效提高透平运行时的安全性以及工程应用的可行性。
具体实施方式四：结合实施方式一至三说明本实施方式，喷嘴叶栅2前缘采用椭圆型前缘，椭圆率为2.0，短轴长度为20mm，喷嘴叶栅2尾缘采用圆形尾缘，直径为3mm，喷嘴叶栅2叶片数量为17个，进口气流角为45°，出口气流角为10°；如此设置，喷嘴叶栅进口叶片角为45°，与蜗壳配气角度匹配良好，出口叶片角为10°，与叶轮进口气流角匹配，蜗壳及喷嘴叶栅的气流角匹配能够减少流动损失，提高气动效率；除此之外，采用蜗壳进气可以为喷嘴叶栅提供周向均匀的参数，采用椭圆形前缘及圆形尾缘的喷嘴叶片可适应较大范围来流攻角变化，减少来流方向不稳定带来的流动分离损失，同时能够降低气流激振力，减小气流对叶轮叶片的冲击，延长叶轮的使用寿命，且这一类型的喷嘴叶片相较轴流透平更易适应各种变工况。
进一步优化，蜗壳1内壁面采用多段渐开式弧线，蜗壳1进口通道直径a＝179.3mm，蜗壳1出口处的直径c＝856mm，蜗壳1进口通道圆心至轮盘31的轴向长度b＝130.8mm；如此设置，蜗壳内壁面采用多段渐开式弧线，该设计能够有效减小流体在蜗壳内流动引起的流动损失，降低流动噪声。
数值验证：
表1
表2
采用三维数值分析方法，对原始透平及本发明的兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置进行数值分析，表1为原始透平的关键参数；数值结果如表2；表2为原始透平与本发明透平设计工况参数对比，从表中可以看出，本发明透平输出功率从原来的5864kW提高至6058kW，等熵效率从原来的81.87％提高到了84.57％，效率绝对值提高了2.7个百分比；进口叶片角度由90°改变为70°，同时通过对比三维流场发现，进口叶片角的变化使得叶轮前缘更加匹配流体流动情况，避免了叶轮进口涡的产生，减小了该处的撞击和脱涡损失。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (6)

1.一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，包括蜗壳(1)、喷嘴叶栅(2)和透平叶轮(3)，其特征在于，所述透平叶轮(3)设置在蜗壳(1)的中心处，所述透平叶轮(3)的周向上设置有多个喷嘴叶栅(2)，所述透平叶轮(3)由轮盘(31)和叶片(32)组成，所述叶片(32)的两端分别设置有叶片进口(4)和叶片出口(7)，所述叶片(32)靠近叶片进口(4)的一端为叶顶(5)，远离叶片进口(4)的另一端为叶根(6)；
叶轮叶片翼型在前缘的切线与转子半径方向上形成的夹角为进口叶片角α，进口叶片角α为70°；
叶轮叶片翼型在尾缘的切线与转子轴向所形成的夹角为出口叶片角β，出口叶片角β为53°；
叶片的外径D1为592.7mm，叶片轴向长度h与叶片外径D1满足以下几何关系：h＝0.16D1，其具体数值为92mm；
所述叶顶(5)的厚度为6mm，所述叶根(6)的厚度为10mm，叶片进口(4)的边缘的叶高h1为8.56mm，叶片出口(7)的边缘的叶高h2为38mm；
叶片叶根(6)所在圆周的直径D2为172.4mm，叶片叶顶(5)所在圆周的直径D3为248.4mm。
2.根据权利要求1所述的一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，其特征在于，所述叶片进口(4)的临界二氧化碳工质总压为14.6MPa，总温为600℃，所述叶片出口(7)的临界二氧化碳工质总压为8.5MPa，运行时工质始终处于超临界状态。
3.根据权利要求1所述的一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，其特征在于，所述透平装置的输出功率为5.8MW，叶轮转速为9000rpm，质量流量为81.94kg/s。
4.根据权利要求1所述的一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，其特征在于，所述喷嘴叶栅(2)前缘采用椭圆型前缘，椭圆率为2.0，短轴长度为20mm，所述喷嘴叶栅(2)尾缘采用圆形尾缘，直径为3mm，所述喷嘴叶栅(2)叶片数量为17个，进口气流角为45°，出口气流角为10°。
5.根据权利要求1所述的一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，其特征在于，所述蜗壳(1)内壁面采用多段渐开式弧线，所述蜗壳(1)进口通道直径a＝179.3mm，所述蜗壳(1)出口处的直径c＝856mm，所述蜗壳(1)进口通道圆心至轮盘(31)的轴向长度b＝130.8mm。
6.根据权利要求1所述的一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，其特征在于，所述叶片(32)的数量为18个。
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