CN111005771B - 旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮，包括机匣、喷嘴和进气盘，喷嘴和进气盘收容于机匣内，喷嘴固定于机匣，喷嘴包括环体和多个喷嘴叶片，环体包括周面，各喷嘴叶片由环体的周面沿径向向外延伸至机匣的内壁，所述多个喷嘴叶片在周面上沿周向间隔布置并形成流通面积不同的多个导气区；进气盘设置于喷嘴的上游，进气盘设有沿轴向贯通的导孔，进气盘能够沿周向转动以使导孔与喷嘴的对应的导气区沿轴向相对。本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮具有较好的全工况性能，解决了现有技术涡轮变工况工作时效率大幅下降的问题。

Description

旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮
技术领域
本发明涉及叶轮机械领域，尤其涉及一种旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮。
背景技术
超临界二氧化碳布雷顿循环由于其循环效率高、结构尺寸小、工作温度范围宽而在太阳能与核能发电、交通动力等领域受到广泛关注。涡轮作为循环中唯一的功输出部件而显得尤为重要，涡轮的性能好坏直接决定了整体系统的性能表现。
由于超临界二氧化碳密度大的特点，在小功率等级的循环系统中，超临界二氧化碳工质在涡轮入口处的体积流量往往较小，会导致喷嘴叶片叶高较小，引起涡轮性能下降，而部分进气的结构方式可以在保证流通面积的同时增大叶高，改善小功率系统中涡轮的性能，因此在超临界二氧化碳循环系统中得到诸多应用。部分进气涡轮的喷嘴结构一般由设计工况确定，因此在非设计工况下工质在涡轮喷嘴中的流动与设计工况的流动状态相差较大，从而导致涡轮效率大幅下降。
对于需要变工况条件下运行的系统如交通动力系统和太阳能发电系统，涡轮效率的下滑会极大地影响系统性能。目前，主要应用可变喷嘴技术来应对变工况的情况，该技术是通过喷嘴叶片的移动来改变喷嘴喉口，进而改善涡轮性能，但是该技术的叶片型线固定且存在叶片结构复杂、可靠性低、成本高等缺点。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮，其能够根据不同工况改变喷嘴的流通面积，改善部分进气轴流式涡轮在变工况下的性能，解决现有技术涡轮变工况工作时效率大幅下滑的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮，其包括机匣、喷嘴和进气盘，喷嘴和进气盘收容于机匣内，喷嘴固定于机匣，喷嘴包括环体和多个喷嘴叶片，环体包括周面，各喷嘴叶片由环体的周面沿径向向外延伸至机匣的内壁，所述多个喷嘴叶片在周面上沿周向间隔布置并形成流通面积不同的多个导气区；进气盘设置于喷嘴的上游，进气盘设有沿轴向贯通的导孔，进气盘能够沿周向转动以使导孔与喷嘴的对应的导气区沿轴向相对。
在一实施例中，喷嘴还包括多个间隔部，各间隔部由环体的周面沿径向向外延伸至机匣的内壁，各间隔部与各导气区在周面上沿周向交替布置。
在一实施例中，各导气区的周向尺寸与进气盘的导孔的周向尺寸相同。
在一实施例中，各导气区的喷嘴叶片的数量不同。
在一实施例中，设置于不同导气区的喷嘴叶片的形状不同。
在一实施例中，同一导气区内的所有喷嘴叶片的形状相同。
在一实施例中，所述多个喷嘴叶片沿周向间隔布置在环体的整个周面上，各导气区由相邻的多个喷嘴叶片形成，各喷嘴叶片包括叶片出口安装角，所述多个喷嘴叶片的多个叶片出口安装角的角度均不相同。
在一实施例中，所述多个喷嘴叶片的叶片出口安装角沿环体的顺时针方向逐渐递减。
在一实施例中，所述多个喷嘴叶片的叶片出口安装角沿环体的逆时针方向逐渐递减。
在一实施例中，旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮还包括叶轮，叶轮收容于机匣内且沿轴向设置于喷嘴的下游，叶轮包括轮盘和多个叶轮叶片，轮盘包括与机匣内壁相对的盘面，所述多个叶轮叶片沿周向间隔布置在轮盘的盘面上。
本发明的有益效果如下：
在根据本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮中，当旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮在不同工况下工作时，可以通过外部控制系统控制进气盘的旋转，以将进气盘的导孔旋转到与该工况相对应的导气区所在位置，从而旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮在不同工况下工作时能够采用具有与之相对应的流通面积的导气区进行导气，使涡轮具有较好的全工况性能，解决了现有技术涡轮变工况工作时效率大幅下降的问题。
附图说明
图1是根据本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮的第一实施例的组装图，其中仅示出部分组成构件。
图2是图1的局部分解图，其中，仅示出喷嘴、叶轮和进气盘。
图3是根据本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮的第二实施例的组装图，其中仅示出部分组成构件。
图4是图3的局部分解图，其中，仅示出喷嘴、叶轮和进气盘。
图5是图4中的喷嘴的相邻三个喷嘴叶片的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1喷嘴 2进气盘
11环体 21导孔
111周面 3叶轮
12喷嘴叶片 31轮盘
β叶片出口安装角 311盘面
13间隔部 32叶轮叶片
G导气区
具体实施方式
附图示出本发明的实施例，且将理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施，因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本发明。
本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮主要应用于超临界二氧化碳布雷顿循环系统，也可扩展用于燃气涡轮等其它工质涡轮的应用场景。参照图1至图4，根据本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮包括机匣(未示出)、喷嘴1、进气盘2和叶轮3。当然，根据本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮还包括其它现有的组成部件，在本文中不再具体说明。
喷嘴1收容并固定于机匣内。喷嘴1与机匣固定不动。喷嘴1包括环体11和多个喷嘴叶片12。
在一实施例中，环体11设有多个固定孔，固定件(例如螺栓)穿过对应的固定孔而将环体11固定于机匣上。环体11包括周面111，周面111沿径向面向机匣的内壁。
各喷嘴叶片12由环体11的周面111沿径向向外延伸至机匣的内壁，所述多个喷嘴叶片12在周面111上沿周向间隔布置并形成流通面积不同的多个导气区G。具体地，各喷嘴叶片12沿径向抵接于机匣的内壁，相邻的喷嘴叶片12之间形成导气通道，多个相邻的导气通道形成导气区G。
所述多个喷嘴叶片12可以有多种方式来形成流通面积不同的导气区G，在第一实施例中，如图1和图2所示，喷嘴1还包括多个间隔部13，各间隔部13由环体11的周面111沿径向向外延伸至机匣的内壁(即，各间隔部13沿径向抵接于机匣的内壁)，各间隔部13与各导气区G在周面111上沿周向交替布置。喷嘴1的环体11、喷嘴叶片12和间隔部13一体成型。在该实施例中，喷嘴1通过间隔部13形成多个间隔开的导气区G，各导气区G的周向尺寸相同，且各导气区G的周向尺寸与下文所述的进气盘2的导孔21的周向尺寸相同，换句话说，各导气区G对应环体的弧长等于导孔21的内周的尺寸。各导气区G的流通面积不同，流通面积的不同可以通过改变对应导气区G内的喷嘴叶片12来实现，例如，在一实施例中，各导气区G的喷嘴叶片12的数量不同，具体地，在该实施例中，位于同一导气区G内的喷嘴叶片12的形状需要相同，而位于不同导气区G的喷嘴叶片12的形状可以相同也可以不同，各导气区G的喷嘴叶片12的数量不同保证了不同导气区G内的相邻的喷嘴叶片12沿周向间隔的距离不同，从而使得各导气区G形成的流通面积不同。当涡轮在变工况下工作时，下文所述的进气盘2的导孔21可以转动至流通面积与涡轮的工况相匹配的导气区G，解决现有技术涡轮变工况工作时效率大幅下降的问题。当然改变各导气区G的流通面积不限于改变喷嘴叶片12的数量，例如，在另一实施例(参照图1)中，设置于不同导气区G的喷嘴叶片12的形状不同，且在同一个导气区G内的所有喷嘴叶片131的形状需要保持相同。需要说明的是，喷嘴叶片12的形状不同指的是除了高度相同外，其它参数(例如叶片安装角、叶片型线等)均可以不同。具体地，在该实施例中，不同导气区G的喷嘴叶片12的数量相同，当然也可以不同。需要说明的是，各导气区G的流通面积分别针对根据本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮在不同工况下所要求具备的流通面积和导流能力进行设计。本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮能够针对不同的工况来选择喷嘴1对应的导气区G，从而使得喷嘴1的各导气区G的流通面积能够与涡轮的工况要求的流量相匹配，由此提高了旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮在不同工况下的效率，解决了现有技术涡轮变工况工作时工作效率大幅下降的问题。
在第二实施例中，如图3和图4所示，所述多个喷嘴叶片12沿周向间隔布置在环体11的整个周面111上，各导气区G由相邻的多个喷嘴叶片12形成(即，相邻两个喷嘴叶片12之间形成导流通道，多个相邻的导流通道形成导气区G)。参照图5，各喷嘴叶片12包括叶片出口安装角β，所述多个喷嘴叶片12的多个叶片出口安装角β的角度均不相同。在该实施例中，在环体11的整个周面111设置叶片出口安装角β均不同的多个喷嘴叶片12，每相邻的两个喷嘴叶片12之间形成的导流通道不相同，从而任意相邻的多个导流通道形成的周向尺寸相同的导气区G的流通面积均不相同。在该实施例中，与图1所示的第一实施例不同的是，喷嘴1未设置间隔部13，因此，喷嘴1沿环体11的整个周面111形成连续布置的导气区G，当涡轮在某种工况下工作时，喷嘴1的相应的相邻的喷嘴叶片12形成的导气区G满足涡轮的流量需求，则外部控制系统控制下文所述的进气盘2转动一定的角度，以将进气盘2的导孔21与所述导气区G沿轴向正对，从而适应涡轮在变工况下工作时对喷嘴流通面积的要求。进一步地，所述多个喷嘴叶片12的多个叶片出口安装角β的角度沿周向逐渐变化，当下文所述的进气盘2转动时，进气盘2的导孔21对应的导气区G的流通面积也是连续变化的，从而使得涡轮性能变化平稳，可实现更宽的变工况区间。在一实施例中，所述多个喷嘴叶片12的叶片出口安装角β沿环体11的顺时针方向逐渐递减。在另一实施例中，所述多个喷嘴叶片12的叶片出口安装角β沿环体11的逆时针方向逐渐递减。相邻的叶片出口安装角β可相差1度或2度，具体情况可根据涡轮的工况要求进行设定。
进气盘2沿轴向设置于喷嘴1的上游，进气盘2设有沿轴向贯通的导孔21，进气盘2能够沿周向转动以使导孔21与喷嘴1的对应的导气区G沿轴向相对。
在根据本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮中，喷嘴1的多个喷嘴叶片12形成流通面积不同的多个导气区G；而进气盘2的导孔21能够沿周向转动以使导孔21与喷嘴1的对应的导气区G沿轴向方向正对，即，当旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮在不同工况下工作时，可以通过外部控制系统控制进气盘2的旋转，以将进气盘2的导孔21旋转到与该工况相对应的导气区G所在位置，从而旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮在不同工况下工作时能够采用具有与之相对应的流通面积的导气区G进行导气，使涡轮具有较好的全工况性能，解决了现有技术涡轮变工况工作时效率大幅下降的问题；此外，喷嘴1与进气盘2的结构简单，降低了生产成本。
在上述的图1所示的第一实施例中，进气盘2的导孔21的周向尺寸(内周弧长)不小于各导气区G的周向尺寸。优选地，进气盘2的导孔21的周向尺寸与各导气区G的周向尺寸相同，从而实现最佳的导流效果，降低进气流的损失。导孔21沿径向的尺寸等于喷嘴叶片12沿径向的尺寸。
在根据本发明的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮中，叶轮3收容于机匣内且沿轴向位于喷嘴1的下游。如图1至图4所示，叶轮3包括轮盘31和多个叶轮叶片32，轮盘31包括与机匣内壁相对的盘面311，多个叶轮叶片32沿周向间隔布置在轮盘31的盘面311上。叶轮3在经由导气区G流入的流体的冲击下能够发生旋转。在图3所示的实施例中，喷嘴1的各喷嘴叶片12的叶片出口安装角β可根据涡轮工况进行设置，以实现叶轮3的最佳动叶攻角。
上面详细的说明描述多个示范性实施例，但本文不意欲限制到明确公开的组合。因此，除非另有说明，本文所公开的各种特征可以组合在一起而形成出于简明目的而未示出的多个另外组合。

Claims (6)

1.一种旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮，其特征在于，包括机匣、喷嘴(1)和进气盘(2)，喷嘴(1)和进气盘(2)收容于机匣内，
喷嘴(1)固定于机匣，喷嘴(1)包括环体(11)和多个喷嘴叶片(12)，环体(11)包括周面(111)，各喷嘴叶片(12)由环体(11)的周面(111)沿径向向外延伸并抵接于机匣的内壁，所述多个喷嘴叶片(12)在周面(111)上沿周向间隔布置并形成流通面积不同的多个导气区(G)；
进气盘(2)设置于喷嘴(1)的上游，进气盘(2)设有沿轴向贯通的导孔(21)，进气盘(2)能够沿周向转动以使导孔(21)与喷嘴(1)的对应的导气区(G)沿轴向相对；
喷嘴(1)还包括多个间隔部(13)，各间隔部(13)由环体(11)的周面(111)沿径向向外延伸并抵接于机匣的内壁，各间隔部(13)与各导气区(G)在周面(111)上沿周向交替布置。
2.根据权利要求1所述的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮，其特征在于，各导气区(G)的周向尺寸与进气盘(2)的导孔(21)的周向尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮，其特征在于，各导气区(G)的喷嘴叶片(12)的数量不同。
4.根据权利要求2所述的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮，其特征在于，设置于不同导气区(G)的喷嘴叶片(12)的形状不同。
5.根据权利要求3或4所述的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮，其特征在于，同一导气区(G)内的所有喷嘴叶片(12)的形状相同。
6.根据权利要求1所述的旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮，其特征在于，旋转式可变喷嘴部分进气轴流式涡轮还包括叶轮(3)，叶轮(3)收容于机匣内且沿轴向设置于喷嘴(1)的下游，叶轮(3)包括轮盘(31)和多个叶轮叶片(32)，轮盘(31)包括与机匣内壁相对的盘面(311)，所述多个叶轮叶片(32)沿周向间隔布置在轮盘(31)的盘面(311)上。
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