CN116104774A - 一种超临界二氧化碳离心式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明属于压缩机领域，公开了一种超临界二氧化碳离心式压缩机，包括叶轮、径向扩压器和蜗壳，叶轮包括轮毂、多个长叶片和多个短叶片，多个长叶片沿轮毂圆周方向均匀间隔设置在所述轮毂的一侧，每两个相邻的所述长叶片之间设有一个所述短叶片，所述长叶片远离所述轮毂中心的一端与所述短叶片远离所述轮毂中心的一端位于同一圆周上，所述短叶片沿所述轮毂径向的长度小于所述长叶片沿所述轮毂径向的长度。本发明的短叶片沿轮毂径向的长度小于长叶片沿轮毂径向的长度，短叶片可以有效的控制叶片表面的附面层流动，抑制叶片头部流动分离，减弱漩涡和回流，改善流场并提高压缩机稳定性，从而增大堵塞流量和稳定工作范围，进而提高压缩机的喘振裕度。

Description

一种超临界二氧化碳离心式压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，尤指一种超临界二氧化碳离心式压缩机。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术是近几年快速发展的前沿技术，该技术是采用超临界二氧化碳作为工质的闭式循环涡轮机发电技术，其主要特点是：循环工质为二氧化碳，其热力学状态维持在临界点附近及以上，具有循环效率高、功率密度大、热源适用性广等优势。

超临界二氧化碳压缩机的主要功能是提高系统内工质压力，是超临界二氧化碳发电系统中的核心部件，具有转速高、运行工况复杂等特点。

压缩机喘振是一种气流沿着压缩机流动方向发生的低频率、高振幅的气流振荡现象。从压缩机的特性曲线来看，压缩机有一定的流量稳定工作范围，当工质流量小到一定程度时就会引起喘振，导致工质流量忽大忽小、压力时高时低，甚至引起工质倒流，同时发生强烈的机械振动，影响整个发电系统的安全。

超临界二氧化碳压缩机由于入口接近临界点，密度等物性剧烈变化，则更容易引起压缩机流量的变化，从而导致喘振。因此，超临界二氧化碳压缩机的喘振现象更应受到重视。

压缩机的喘振可以用喘振裕度M来衡量，喘振裕度越大，说明压缩机可以稳定运行的范围越宽，喘振裕度M的计算公式为：

其中，

为喘振点总压比；

为设计点总压比；m_d为设计点质量流量，单位为kg/s；m_s为喘振点质量流量，单位为kg/s。一般常规压缩机的喘振裕度在20％～30％。

2010年，桑迪亚国家实验室搭建了超临界二氧化碳压缩机试验平台，并对其设计的超临界二氧化碳压缩机进行了试验研究，结果证明了在临界点附近进行超临界二氧化碳压缩的可行性。国内针对超临界二氧化碳压缩机的研究起步较晚，近年来，对于超临界二氧化碳离心式压缩机的研究逐渐增多，但关于提高超临界二氧化碳压缩机的喘振裕度的研究还比较少，目前，还没有任何机构解决或者公开一种以超临界二氧化碳为工质的宽喘振裕度离心式压缩机。

发明内容

本发明的目的是提供一种超临界二氧化碳离心式压缩机，可以提高压缩机的喘振裕度。

本发明提供的技术方案如下：

一种超临界二氧化碳离心式压缩机，包括叶轮、径向扩压器和蜗壳，所述叶轮包括轮毂、多个长叶片和多个短叶片，多个所述长叶片沿所述轮毂圆周方向均匀间隔设置在所述轮毂的一侧，每两个相邻的所述长叶片之间设有一个所述短叶片，所述长叶片远离所述轮毂中心的一端与所述短叶片远离所述轮毂中心的一端位于同一圆周上，所述短叶片沿所述轮毂径向的长度小于所述长叶片沿所述轮毂径向的长度。

在一些实施方式中，所述短叶片沿所述轮毂径向的长度为所述长叶片沿所述轮毂径向的长度的50％～70％。

在一些实施方式中，所述短叶片的形状与所述长叶片的形状相同。

在一些实施方式中，所述短叶片设置于相邻两个所述长叶片的中心。

在一些实施方式中，还包括叶轮盖，所述叶轮盖盖设在所述叶轮上，所述轮毂的半径与所述叶轮盖的半径的比为0.3～0.5。

在一些实施方式中，所述叶轮的叶顶间隙小于或等于0.3mm。

在一些实施方式中，所述径向扩压器由两个平行壁面构成，形成了一个工质流道。

在一些实施方式中，所述径向扩压器为无叶扩压器。

在一些实施方式中，所述径向扩压器的进口宽度和出口宽度分别与所述叶轮的出口宽度相同。

在一些实施方式中，所述径向扩压器的出口半径与所述径向扩压器的进口半径比为1.5～1.7。

本发明的技术效果在于：

(1)本发明的短叶片沿轮毂径向的长度小于长叶片沿轮毂径向的长度，短叶片可以有效的控制叶片表面的附面层流动，抑制叶片头部流动分离，减弱漩涡和回流，改善流场并提高压缩机稳定性，从而增大堵塞流量和稳定工作范围，进而提高压缩机的喘振裕度。

(2)超临界二氧化碳离心式叶轮的叶顶间隙t≤0.3mm，以降低叶顶间隙泄露流损失，并提高喘振裕度。

(3)径向扩压器为无叶扩压器，扩压度小，可降低流动分离的风险，避免了叶片式扩压器流道内叶片表面极易发生流动分离导致流动失速甚至压缩机喘振的现象，因此，可以提高超临界二氧化碳压缩机的喘振裕度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本申请实施例提供的一种超临界二氧化碳离心式压缩机的截面示意图；

图2是本申请实施例提供的叶轮示意图；

图3是本申请实施例提供的叶轮入口示意图；

图4是本申请实施例提供的轮叶顶间隙的示意图；

图5是本申请实施例提供的叶轮及径向扩压器的示意图。

附图标号说明：

10、叶轮；11、轮毂；12、长叶片；121、第一长叶片；122、第二长叶片；13、短叶片；14、叶轮盖；20、径向扩压器；21、轮毂壁；22、护罩壁；30、蜗壳。

具体实施方式

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的一个实施例中，如图1所示，一种超临界二氧化碳离心式压缩机，包括叶轮10、径向扩压器20和蜗壳30，叶轮10与径向扩压器20连通，径向扩压器20与蜗壳30连通，叶轮10旋转时，工质被抽入并被叶轮10压缩，被迫进入径向扩压器20中，然后进入蜗壳30，以便以升高的压力传送至发动机的一个进气歧管中。

叶轮10的作用是对二氧化碳工质做功，提升工质压力，径向扩压器20的作用为将叶轮10出口的高压高速工质的动压能转换成静压能，使工质压力进一步提高，并降低工质流速，以减小下游的沿程流动损失。蜗壳30的作用是将径向扩压器20后的气体顺畅地引流到下游管路中，蜗壳30中的损失主要为流动损失，而自径向扩压器20排出的工质流速较低，因此，蜗壳30中的气动损失一般较小，无需特殊设计。

如图2所示，叶轮10包括轮毂11、多个长叶片12和多个短叶片13，多个长叶片12沿轮毂11圆周方向均匀间隔设置在轮毂11的一侧面，每两个相邻的长叶片12之间设有一个短叶片13，长叶片12远离轮毂11中心的一端与短叶片13远离轮毂11中心的一端位于同一圆周上，优选地，长叶片12远离轮毂11中心的一端和短叶片13远离轮毂11中心的一端可均位于轮毂11的外圆周上，短叶片13沿轮毂11径向的长度小于长叶片12沿轮毂11径向的长度。

长叶片12为叶轮10的主叶片，短叶片13也可称为分流叶片，短叶片13沿轮毂11径向的长度小于长叶片12沿轮毂11径向的长度，短叶片13可以有效的控制叶片表面的附面层流动，抑制叶片头部流动分离，减弱漩涡和回流，改善流场并提高压缩机稳定性，从而增大堵塞流量和稳定工作范围，进而提高压缩机的喘振裕度。

本发明的超临界二氧化碳离心式压缩机，可以明显减小压缩机内部的气流分离和二次损失，并提升超临界二氧化碳压缩机的喘振裕度，本发明的超临界二氧化碳离心式压缩机具有≥50％的喘振裕度，可以满足超临界二氧化碳机组安全稳定运行要求。

优选地，短叶片13沿轮毂11径向的长度为长叶片12沿轮毂11径向的长度的50％～70％。短叶片13的形状与长叶片12的形状相同。短叶片13的形状与长叶片12的形状相同且短叶片13的长度为长叶片12长度的50％～70％时，短叶片13减弱漩涡和回流的效果更好，使得提高压缩机的喘振裕度的效果更好。

在一些实施例中，短叶片13设置于相邻两个长叶片12的中心。短叶片13设置于相邻两个长叶片12的中心时，短叶片13一直叶片头部流动分离的效果最好。示例性的，相邻的两个长叶片12沿叶轮10的转动方向依次为第一长叶片121和第二长叶片122，短叶片13设置于第一长叶片121与第二长叶片122之间，假设叶轮10逆时针转动，则第一长叶片121位于短叶片13的下方，第二长叶片122位于短叶片13的上方，短叶片13上的任意一个点到第二长叶片122的距离等于短叶片13上的同一个点到第一长叶片121的距离。

如图3所示，叶轮10上还设有叶轮盖14，轮毂11的半径R1与叶轮盖14的半径R2的比为0.3～0.5。在满足轴的刚性条件下，减小轮毂11的半径，可降低进气口气流流速，以减小叶轮10的流动损失。

进一步地，叶轮10的叶顶间隙t小于或等于0.3mm，以降低叶顶间隙泄漏流损失，并提高喘振裕度。如图4所示，叶轮10与径向扩压器20的壁面之间的间隙即为叶轮10的叶顶间隙t，叶顶间隙越小，泄漏流损失越小，以有效地提高喘振裕度。

进一步地，本实施例的径向扩压器20为无叶扩压器，无叶扩压器由两个光滑的壁面构成，如图5所示，例如，可以是由一个轮毂壁21和一个护罩壁22限定的，从而形成工质离开叶轮10时的一个流道，轮毂壁21可以是一个轴承壳体的一部分，也可以是压缩机壳体的一个背板，护罩壁22是压缩机壳体的一部分。

径向扩压器20紧邻叶轮10，并在叶轮10的顶端处具有一个进口，径向扩压器20在远离径向扩压器20进口的一端处具有一个出口，从叶轮10出来的工质从径向扩压器20的进口进入径向扩压器20，并从径向扩压器20的出口排出径向扩压器20然后进入蜗壳30内。

径向扩压器20的进口宽度B2和出口宽度B3分别与叶轮10的出口宽度B1相同，径向扩压器20的出口半径R4与进口半径R3之比为1.5～1.7，以降低径向扩压器20的扩压度，其中，径向扩压器20的出口半径是指径向扩压器20的出口距离叶轮10的中心轴线的距离，径向扩压器20的进口半径是指径向扩压器20的进口距离叶轮10的中心轴线的距离。工质在叶轮10的作用下以螺旋状进入径向扩压器20，工质具有旋转速度，所以在径向扩压器20流道内，工质仍沿对数螺旋线的路径流动，由于径向扩压器20的扩压度小，可降低流动分离的风险，避免了叶片式扩压器流道内叶片表面极易发生流动分离导致流动失速甚至压缩机喘振的现象，因此，可以提高超临界二氧化碳压缩机的喘振裕度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳离心式压缩机，包括叶轮、径向扩压器和蜗壳，其特征在于，所述叶轮包括轮毂、多个长叶片和多个短叶片，多个所述长叶片沿所述轮毂圆周方向均匀间隔设置在所述轮毂的一侧，每两个相邻的所述长叶片之间设有一个所述短叶片，所述长叶片远离所述轮毂中心的一端与所述短叶片远离所述轮毂中心的一端位于同一圆周上，所述短叶片沿所述轮毂径向的长度小于所述长叶片沿所述轮毂径向的长度。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳离心式压缩机，其特征在于，所述短叶片沿所述轮毂径向的长度为所述长叶片沿所述轮毂径向的长度的50％～70％。

3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳离心式压缩机，其特征在于，所述短叶片的形状与所述长叶片的形状相同。

4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳离心式压缩机，其特征在于，所述短叶片设置于相邻两个所述长叶片的中心。

5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳离心式压缩机，其特征在于，还包括叶轮盖，所述叶轮盖盖设在所述叶轮上，所述轮毂的半径与所述叶轮盖的半径的比为0.3～0.5。

6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳离心式压缩机，其特征在于，所述叶轮的叶顶间隙小于或等于0.3mm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种超临界二氧化碳离心式压缩机，其特征在于，所述径向扩压器由两个平行壁面构成，形成了一个工质流道。

8.根据权利要求7所述的一种超临界二氧化碳离心式压缩机，其特征在于，所述径向扩压器为无叶扩压器。

9.根据权利要求7所述的一种超临界二氧化碳离心式压缩机，其特征在于，所述径向扩压器的进口宽度和出口宽度分别与所述叶轮的出口宽度相同。

10.根据权利要求7所述的一种超临界二氧化碳离心式压缩机，其特征在于，所述径向扩压器的出口半径与所述径向扩压器的进口半径比为1.5～1.7。

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