CN209523782U - 一种用于5mw等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳 - Google Patents
一种用于5mw等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于发电设备技术领域，具体涉及一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，是针对现有超临界二氧化碳向心透平的蜗壳品种单一、流量较小、蜗管出口处流量分布不均匀的现状所提出的，其按功能划分为进气段和蜗管，进气段和蜗管内腔相交部位形成深蜗舌结构；蜗管的子午剖面型线为非对称圆形型线和非对称椭圆形型线，并以子午剖面A为基准，顺时针将剖面依次定义为子午剖面B至J，且沿位置角θ的递增方向子午剖面的截面积逐渐增大。本实用新型向心透平蜗壳的性能良好，流动损失小，可在变工况条件下安全稳定高效运行，且便于加工。
Description
技术领域：
本实用新型属于发电设备技术领域，具体涉及一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳。
背景技术：
超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术具有良好的发展潜力，在核能发电、船舶动力系统、工业废热发电等领域均具有广阔的应用前景。向心透平是影响机组效率的核心设备，蜗壳是向心透平重要的组成部件，性能良好的蜗壳，可使超临界二氧化碳以合适的角度和速度均匀地流入喷嘴，提高向心透平效率，减小工质对喷嘴叶片的冲击，延长向心透平的使用寿命，因此蜗壳型线至关重要。目前应用于超临界二氧化碳向心透平的蜗壳品种单一，多用于2MW功率等级以下的超临界二氧化碳向心透平，蜗壳适宜的流量较小，一般低于25kg/s，且蜗管出口处流量分布不均匀。因此研发设计一种适用于5MW等级的超临界二氧化碳向心透平蜗壳成为亟待解决的技术问题，并且随着超临界二氧化碳发电技术的成熟与功率等级的提升，该蜗壳具有广阔的市场前景。
实用新型内容：
本实用新型为克服上述缺陷，提供了一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，该向心透平蜗壳的性能良好，流动损失小，变工况条件下总压损失小。
本实用新型采用的技术方案在于：一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，按其功能划分依次为进气段和蜗管，且蜗管外缘呈螺旋线型，所述进气段包括上下设置的进气段上截线和进气段下截线，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均≤3°，进气段和蜗管内腔相交部位形成蜗舌结构，且进气段和蜗管内腔相交部位形成的蜗舌位置角β＜45°，蜗舌部位的圆角半径r为5mm；蜗管的子午剖面型线为非对称圆形型线和非对称椭圆形型线，并以子午剖面A为基准，顺时针将剖面依次定义为子午剖面B、子午剖面C、子午剖面D、子午剖面E、子午剖面F、子午剖面G、子午剖面H、子午剖面I和子午剖面J，所述子午剖面A、子午剖面B、子午剖面C、子午剖面D、子午剖面E、子午剖面F和子午剖面G的位置角θ的变化范围为90°～360°，且在该位置角θ变化范围内的子午剖面为非对称圆形型线，圆形中心到蜗壳中心线的距离y的变化范围为256.7～295.6mm，圆形半径Rc的变化范围在34.2～73.1mm；子午剖面H、子午剖面I和子午剖面J的位置角θ的变化范围为11.25°～45°，且在该位置角θ变化范围内的子午剖面为非对称椭圆形型线，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′的变化范围为232.11～245.9mm，椭圆形的长半轴长度LR的变化范围为14～24mm，椭圆形的短半轴长度SR的变化范围为9.61～23.4mm，且沿位置角θ的递增方向子午剖面的截面积逐渐增大，喷嘴环外径d为445mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面A的位置角θ为360°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为295.6mm，圆形半径Rc为73.1mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面B的位置角θ为315°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为290.3mm，圆形半径Rc为67.8mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面C的位置角θ为270°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为284.7mm，圆形半径Rc为62.2mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面D的位置角θ为225°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为278.8mm，圆形半径Rc为56.3mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面E的位置角θ为180°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为272.3mm，圆形半径Rc为49.8mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面F的位置角θ为135°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为265.1mm，圆形半径Rc为42.6mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面G的位置角θ为90°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为256.7mm，圆形半径Rc为34.2mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面H的位置角θ为45°，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′为245.9mm，椭圆形的长半轴长度LR为24mm，短半轴长度SR为23.4mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面I的位置角θ为22.5°，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′为237.8mm，椭圆形的长半轴长度LR为18mm，短半轴长度SR为15.3mm。
优选地，所述进气段上截线和进气段下截线分别与水平安装线的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管在子午剖面J的位置角θ为11.25°，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′为232.11mm，椭圆形的长半轴长度LR为14mm，短半轴长度SR为9.61mm。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型是在以一维、全三维的气动、热力计算分析下完成的，计算精度高，使得本实用新型的安全性和高效性有机结合，并且丰富了超临界二氧化碳向心透平的蜗壳品种，为合理利用超临界二氧化碳资源提供了技术与产品支撑。
2、本实用新型向心透平蜗壳的性能良好，流动损失小，变工况条件下总压损失小于1％；可与流量为60～90kg/s范围内的5MW功率等级的超临界二氧化碳向心透平匹配；蜗管截面在90°～360°位置角θ范围内，选用非对称圆形型线，在11.25°～45°位置角θ范围内，选用非对称椭圆形型线，既保证11.25°～45°位置角θ范围内蜗壳均匀配气所需的截面面积，又使全周的喷嘴环外径均为定值，便于加工；蜗舌采用深蜗舌形式，扩大蜗管中的引流区域，使蜗管中大部分区域的超临界二氧化碳能以合理的角度和速度流入喷嘴，并且流量分布较为均匀；可在变工况条件下，安全稳定高效运行。
3、本实用新型便于加工，并且丰富了向心透平蜗壳的品种，具有广阔的市场前景。
附图说明：
图1是本实用新型蜗壳的结构示意图；
图2是本实用新型蜗壳的内腔型线结构示意图；
图3是本实用新型蜗壳的各子午剖面叠合示意图；
图4是本实用新型蜗壳子午剖面型线参数的示意图；
图5是本实用新型蜗壳内流场的静压分布云图；
图6是本实用新型蜗壳内流场的速度矢量图；
其中：1进气段、101进气段上截线、102进气段下截线、2蜗管、3环形加速段、4水平安装线。
具体实施方式：
如图1和图2所示，本实用新型为一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其内腔线型结构按其功能划分依次为进气段1、蜗管2和环形加速段3，蜗管2外缘呈螺旋线型，所述进气段1包括上下设置的进气段上截线101和进气段下截线102，所述进气段上截线101和进气段下截线102分别与水平安装线4的夹角α均≤3°，进气段1和蜗管2内腔相交部位形成蜗舌结构，且进气段1和蜗管2内腔相交部位形成的蜗舌位置角β＜45°，蜗舌部位的圆角半径r为5mm。蜗舌采用深蜗舌形式，扩大蜗管2中的引流区域，使蜗管2中大部分区域的超临界二氧化碳能以合理的角度和速度流入喷嘴，并且流量分布较为均匀。
蜗管2的子午剖面型线分为非对称圆形型线和非对称椭圆形型线两种，沿位置角θ的递增方向，子午剖面的截面积逐渐增大。以子午剖面A为基准，顺时针将剖面依次定义为子午剖面B、子午剖面C、子午剖面D、子午剖面E、子午剖面F、子午剖面G、子午剖面H、子午剖面I和子午剖面J，所述子午剖面A、子午剖面B、子午剖面C、子午剖面D、子午剖面E、子午剖面F和子午剖面G的位置角θ的变化范围为90°～360°，且在该位置角θ变化范围内的子午剖面为非对称圆形型线，圆形中心到蜗壳中心线的距离y的变化范围为256.7～295.6mm，圆形半径Rc的变化范围在34.2～73.1mm；子午剖面H、子午剖面I和子午剖面J的位置角θ的变化范围为11.25°～45°，且在该位置角θ变化范围内的子午剖面为非对称椭圆形型线，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′的变化范围为232.11～245.9mm，椭圆形的长半轴长度LR的变化范围为14～24mm，椭圆形的短半轴长度SR的变化范围为9.61～23.4mm，喷嘴环外径d为445mm。蜗管2的子午剖面位置角θ在90°～360°范围内，选用非对称圆形型线；位置角θ在11.25°～45°范围内的子午剖面型线为非对称椭圆形型线，既保证11.25°～45°位置角范围内蜗壳均匀配气所需的截面面积，又使全周的喷嘴环外径均为定值，即子午剖面与喷嘴高度基准线DL′的交点均在椭圆形型线下象限点的左侧，便于加工；位置角θ在90°～360°范围内的子午剖面型线为非对称圆形型线；位置角θ在45°～90°范围内的蜗壳区域根据子午剖面H和子午剖面G扫略而成。本实用新型可与喷嘴叶片外径为370～400mm、喷嘴叶片高度小于14mm的向心透平匹配，该向心透平蜗壳的性能良好，流动损失小，变工况条件下总压损失小于1％；蜗管出口处超临界二氧化碳流量分布较为均匀，气流能以合理的角度与速度均匀地流入喷嘴；可在变工况条件下，超临界二氧化碳质量流量为60～90kg/s的范围内安全、稳定、高效地运行。
进一步地，所述进气段上截线101和进气段下截线102分别与水平安装线4的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，形成深蜗舌结构，相比于平蜗舌形式，缩小了由于气流惯性导致的0°位置角θ至蜗舌部位位置角β的不均匀区域，使位置角θ在39°～360°的区域都能起到气流引导作用，扩大蜗管2中引流区域在全周区域内的比例，使蜗管2中大部分区域的超临界二氧化碳都能以合理的角度和速度流入喷嘴。
如图3和图4所示，各子午剖面的圆形与椭圆形型线均与基准线DL相切，圆形型线的半径Rc与该圆形中心到基准线DL的距离x相等，椭圆形型线的长半轴的长度LR与该椭圆形中心到基准线DL的距离x′相等。
所述蜗管2在子午剖面A的位置角θ为360°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为295.6mm，圆形半径Rc为73.1mm。
所述蜗管2在子午剖面B的位置角θ为315°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为290.3mm，圆形半径Rc为67.8mm。
所述蜗管2在子午剖面C的位置角θ为270°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为284.7mm，圆形半径Rc为62.2mm。
所述蜗管2在子午剖面D的位置角θ为225°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为278.8mm，圆形半径Rc为56.3mm。
所述蜗管2在子午剖面E的位置角θ为180°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为272.3mm，圆形半径Rc为49.8mm。
所述蜗管2在子午剖面F的位置角θ为135°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为265.1mm，圆形半径Rc为42.6mm。
所述蜗管2在子午剖面G的位置角θ为90°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为256.7mm，圆形半径Rc为34.2mm。
所述蜗管2在子午剖面H的位置角θ为45°，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′为245.9mm，椭圆形的长半轴长度LR为24mm，短半轴长度SR为23.4mm。
所述蜗管2在子午剖面I的位置角θ为22.5°，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′为237.8mm，椭圆形的长半轴长度LR为18mm，短半轴长度SR为15.3mm。
所述蜗管2在子午剖面J的位置角θ为11.25°，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′为232.11mm，椭圆形的长半轴长度LR为14mm，短半轴长度SR为9.61mm。
应用本实用新型的蜗壳提供如下实施例：采用工质为超临界二氧化碳，吸入蜗壳进口总压为14.6MPa，进口总温为873K，质量流量为81.94kg/s，与一转速为18000r/min的向心透平匹配。经过三维数值计算，在设计条件下，该向心透平功率可达5.9MW，蜗壳出口总压为14.53MPa，蜗壳总压损失小于1％；蜗壳截面的静压分布云图如图5所示，在蜗壳出口处静压分布均匀，在蜗管2内部无低压区和旋涡；蜗壳2截面的速度矢量图如图6所示，气流在蜗壳出口圆上每点的速度方向与对应位置处的出口圆切线的夹角均为40°～50°，该角度能良好地与喷嘴入口叶片角相匹配。并且，在变工况条件下，蜗壳可稳定、均匀地分配气流。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本实用新型整体构思下的不同实现方式，而且本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，按其功能划分依次为进气段(1)和蜗管(2)，且蜗管(2)外缘呈螺旋线型，其特征在于：所述进气段(1)包括上下设置的进气段上截线(101)和进气段下截线(102)，所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均≤3°，进气段(1)和蜗管(2)内腔相交部位形成蜗舌结构，且进气段(1)和蜗管(2)内腔相交部位形成的蜗舌位置角β＜45°，蜗舌部位的圆角半径r为5mm；蜗管(2)的子午剖面型线为非对称圆形型线和非对称椭圆形型线，并以子午剖面A为基准，顺时针将剖面依次定义为子午剖面B、子午剖面C、子午剖面D、子午剖面E、子午剖面F、子午剖面G、子午剖面H、子午剖面I和子午剖面J，所述子午剖面A、子午剖面B、子午剖面C、子午剖面D、子午剖面E、子午剖面F和子午剖面G的位置角θ的变化范围为90°～360°，且在该位置角θ变化范围内的子午剖面为非对称圆形型线，圆形中心到蜗壳中心线的距离y的变化范围为256.7～295.6mm，圆形半径Rc的变化范围在34.2～73.1mm；子午剖面H、子午剖面I和子午剖面J的位置角θ的变化范围为11.25°～45°，且在该位置角θ变化范围内的子午剖面为非对称椭圆形型线，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′的变化范围为232.11～245.9mm，椭圆形的长半轴长度LR的变化范围为14～24mm，椭圆形的短半轴长度SR的变化范围为9.61～23.4mm，且沿位置角θ的递增方向子午剖面的截面积逐渐增大，喷嘴环外径d为445mm。
2.如权利要求1所述的一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其特征在于：所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管(2)在子午剖面A的位置角θ为360°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为295.6mm，圆形半径Rc为73.1mm。
3.如权利要求1所述的一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其特征在于：所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管(2)在子午剖面B的位置角θ为315°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为290.3mm，圆形半径Rc为67.8mm。
4.如权利要求1所述的一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其特征在于：所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管(2)在子午剖面C的位置角θ为270°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为284.7mm，圆形半径Rc为62.2mm。
5.如权利要求1所述的一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其特征在于：所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管(2)在子午剖面D的位置角θ为225°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为278.8mm，圆形半径Rc为56.3mm。
6.如权利要求1所述的一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其特征在于：所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管(2)在子午剖面E的位置角θ为180°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为272.3mm，圆形半径Rc为49.8mm。
7.如权利要求1所述的一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其特征在于：所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管(2)在子午剖面F的位置角θ为135°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为265.1mm，圆形半径Rc为42.6mm。
8.如权利要求1所述的一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其特征在于：所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管(2)在子午剖面G的位置角θ为90°，圆形中心到蜗壳中心线的距离y为256.7mm，圆形半径Rc为34.2mm。
9.如权利要求1所述的一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其特征在于：所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管(2)在子午剖面H的位置角θ为45°，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′为245.9mm，椭圆形的长半轴长度LR为24mm，短半轴长度SR为23.4mm。
10.如权利要求1所述的一种用于5MW等级超临界二氧化碳向心透平的蜗壳，其特征在于：所述进气段上截线(101)和进气段下截线(102)分别与水平安装线(4)的夹角α均为3°，蜗舌部位所在的位置角β为39°，所述蜗管(2)在子午剖面J的位置角θ为11.25°，椭圆形中心到蜗壳中心线的距离y′为232.11mm，椭圆形的长半轴长度LR为14mm，短半轴长度SR为9.61mm。
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|---|---|---|---|---|
| CN112524092A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-19 | 霍宏宇 | 一种变基圆螺旋压水室 |
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2019
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|---|---|---|---|---|
| CN112524092A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-19 | 霍宏宇 | 一种变基圆螺旋压水室 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |