CN218030297U - 一种mw级超临界二氧化碳两级轴流透平 - Google Patents

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周根标
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汪传美
杨刚
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霍海燕
王晓红
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本实用新型涉及一种透平机组，具体涉及一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平。解决了现有SCO2轴流透平采用两级直叶片式结构，存在透平机组效率较低，难以满足实际应用需求的技术问题。本实用新型包括两个轴承、两个轴承箱、转子、机壳、两个密封单元、承缸和叶片单元；叶片单元包括第一级静叶组、第一级动叶组、第二级静叶组和第二级动叶组；第一级静叶组包括多个第一级静叶；第一级动叶组包括多个第一级动叶；第二级静叶组包括多个第二级静叶；第二级动叶组包括多个第二级动叶；第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶和第二级动叶均为弯扭叶片；相邻动叶与静叶的弯扭朝向相反。本实用新型的叶型与其他各部件配合较优，使机组效率得到提升。

Description

一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平
技术领域
本实用新型涉及一种透平机组，具体涉及一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平。
背景技术
化石燃料的大量消耗不仅给人类带来能源危机，还引起了诸多环境问题和气候问题。除了发展可替代的清洁能源外，当前最实际有效的解决方式就是提高能源的利用效率。目前，水蒸汽为工质的热力循环系统已经发展到了一个非常成熟的阶段，循环中各部件的效率也达到了很高的水平，很难再通过优化设计各部件的方式进一步提高循环效率。近年来，以超临界二氧化碳(SCO2)为工质的布雷顿动力循环系统获得广泛关注，相比于采用其他工质的循环方式，其环保、结构紧凑，循环效率高(相比蒸汽循环高3％～5％)，被认为是应用潜力非常大的“第四代能源系统”。因此，研究SCO2布雷顿循环系统及其关键部件具有重要意义，透平机组作为SCO2循环系统的核心关键部件之一，对循环系统高效可靠运行至关重要。
目前国内外关于SCO2循环发电的研究均处于试验和示范项目建设阶段，并未商业化。以试验为主的SCO2透平流量小，功率小，结构形式采用向心式而非大功率轴流式，不适用于后期商业化推广应用。以示范为主的SCO2透平与商业化推广应用结合紧密，透平结构采用轴流式。目前国内外示范项目较少，公开资料描述SCO2轴流透平较少，仅有的关于SCO2轴流透平描述级数为两级，且叶片采用直叶片，该结构的透平机组效率较低，难以满足实际应用需求。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决现有SCO2轴流透平采用两级直叶片式结构，存在透平机组效率较低，难以满足实际应用需求的技术问题，而提供一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平。本实用新型轴流式SCO2透平机组，将级数设计为两级，并将叶片设计为弯扭叶片叶型，本实用新型结构可大幅提高SCO2轴流透平效率。
本实用新型的技术解决方案为：
一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，包括两个轴承、两个轴承箱、转子、机壳、两个密封单元、承缸和叶片单元；
所述叶片单元包括沿转子轴向从左至右依次排布并留有间隙的第一级静叶组、第一级动叶组、第二级静叶组和第二级动叶组；
所述第一级静叶组包括固定连接在机壳上的多个第一级静叶，多个第一级静叶穿过承缸且在转子外围周向均布；
所述第一级动叶组包括沿转子周向均布且固定连接在转子上的多个第一级动叶；
所述第二级静叶组包括固定连接在机壳上的多个第二级静叶，多个第二级静叶穿过承缸且在转子外围周向均布；
所述第二级动叶组包括沿转子周向均布且固定连接在转子上的多个第二级动叶；
其特殊之处在于：
所述第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶和第二级动叶均为弯扭叶片；
多个第一级静叶、多个第二级静叶的弯扭叶片弯扭朝向相同；
多个第一级动叶、多个第二级动叶的弯扭叶片弯扭朝向相同；
相邻的第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶、第二级动叶的弯扭叶片弯扭朝向相反。
进一步地，所述第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶和第二级动叶的各参数定义为：节距为d、弦长为s、最大厚度为w、喉宽为h；
叶型参数满足以下条件：
第一级静叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.792，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.262；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.798，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.262；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.790，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.262；
第一级动叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.662，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.738，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.824，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
第二级静叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.651，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.28；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.708，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.28；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.608，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.28；
第二级动叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.620，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.35；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.727，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.738，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.31。
进一步地，所述机壳为筒状结构。
进一步地，多个第一级动叶与多个第二级动叶在周向上采用错位设置；多个第一级静叶与多个第二级静叶在周向上采用错位设置。
进一步地，所述间隙的宽度为6-10mm。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，叶片单元设计为两级，并将两级叶片的动叶和静叶均设计为弯扭叶片，相邻动叶组和静叶组的弯扭叶片弯扭朝向设计为相反，大幅提高了SCO2轴流透平效率。
2、本实用新型一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，提供了叶片单元各级的弯扭叶型结构参数，所设计叶型的参数与其他部件匹配性较优，使机组效率≥87％，相比两级直叶片的机组效率提高了1％～2％。
3、本实用新型一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，其机壳为筒状结构，筒式结构可降低高温高压机壳应力和变形，进而提高机组效率。
4、本实用新型一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，相邻叶片组之间的间隙设计合理，提高了透平机组效率。
附图说明
图1为本实用新型一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平实施例的结构示意图；
图2为本实用新型一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平的流道示意图；
图3为本实用新型一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平的静叶结构示意图；
图4为本实用新型一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平的动叶结构示意图。
附图标记：
1-轴承，2-轴承箱，3-转子，4-机壳，5-密封单元，61-第一级静叶组，62-第一级动叶组，71-第二级静叶组，72-第二级动叶组，8-承缸。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本实用新型进行详细的说明。
本实用新型一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，其结构如图1所示，包括两个轴承1、两个轴承箱2、转子3、机壳4、两个密封单元5、承缸8和叶片单元。机壳4采用筒状结构，可降低高温高压机壳应力和变形，机壳4套装在转子3中部，两个密封单元5套装在转子3上且位于机壳4内部两端位置处，承缸8套装在转子3中部且固定连接在机壳4内壁，叶片单元位于两个密封单元5之间，第一级静叶组61和第二级静叶组71分别穿过承缸8固定连接在机壳4内壁，第一级动叶组62和第二级动叶组72分别固定连接在转子3上，静叶组叶片和动叶组叶片交替设置，转子3通过两端设置的两个轴承1进行支撑，两个轴承1分别位于转子3两端的两个轴承箱2内，采用两个轴承箱进行双支撑，保证结构的稳定性使透平运行平稳，进而提高透平机组的效率。
叶片单元包括沿转子3轴向从左至右依次排布并留有间隙的第一级静叶组61、第一级动叶组62、第二级静叶组71和第二级动叶组72；间隙宽度为6-10mm，间隙宽度会影响到相邻组间叶片的协同耦合，本实用新型设计合理的间隙宽度保证叶片之间配合度较高，使透平机组的效率较高。
第一级静叶组61包括固定连接在机壳4上的74个第一级静叶，74个第一级静叶穿过承缸8且在转子3外围周向均布；第一级动叶组62包括沿转子3周向均布且固定连接在转子3上的75个第一级动叶。第二级静叶组71包括固定连接在机壳4上的64个第二级静叶，64个第二级静叶穿过承缸8且在转子3外围周向均布；第二级动叶组72包括沿转子3周向均布且固定连接在转子3上的75个第二级动叶。第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶和第二级动叶均为弯扭叶片。74个第一级静叶、64个第二级静叶的弯扭叶片弯扭朝向相同；75个第一级动叶、75个第二级动叶的弯扭叶片弯扭朝向相同；相邻的第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶、第二级动叶的弯扭叶片弯扭朝向相反，75个第一级动叶与75个第二级动叶在周向上采用错位设置；74个第一级静叶与64个第二级静叶在周向上采用错位设置。通过叶片之间的高度配合工作，使机组效率最大化。本实用新型的两级流道如图2所示，沿级数递增，流道的宽度越大，叶片的叶高随着增大。本实用新型的核心在于将第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶、第二级动叶的叶型均设计为弯扭叶片，并对各级的叶型参数进行匹配设计，达到提高机组效率的目的。
如图3和图4所示，各级叶型的参数节距d、弦长s、最大厚度w和喉宽h满足以下条件：
第一级静叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.792，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.262；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.798，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.262；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.790，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.262；
第一级动叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.662，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.738，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.824，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
第二级静叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.651，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.28；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.708，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.28；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.608，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.28；
第二级动叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.620，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.35；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.727，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.738，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.31。
本实用新型提供的叶型参数，设计合理，各级间叶片组工作协同性好，并与其他部件匹配性较优，使机组效率≥87％，相比两级直叶片的机组效率提高了1％～2％。
本实用新型经透平专业理论计算、CFD分析等方式，均得到了较好的验证结果。

Claims (5)

1.一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，包括两个轴承(1)、两个轴承箱(2)、转子(3)、机壳(4)、两个密封单元(5)、承缸(8)和叶片单元；
所述叶片单元包括沿转子(3)轴向从左至右依次排布并留有间隙的第一级静叶组(61)、第一级动叶组(62)、第二级静叶组(71)和第二级动叶组(72)；
所述第一级静叶组(61)包括固定连接在机壳(4)上的多个第一级静叶，多个第一级静叶穿过承缸(8)且在转子(3)外围周向均布；
所述第一级动叶组(62)包括沿转子(3)周向均布且固定连接在转子(3)上的多个第一级动叶；
所述第二级静叶组(71)包括固定连接在机壳(4)上的多个第二级静叶，多个第二级静叶穿过承缸(8)且在转子(3)外围周向均布；
所述第二级动叶组(72)包括沿转子(3)周向均布且固定连接在转子(3)上的多个第二级动叶；
其特征在于：
所述第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶和第二级动叶均为弯扭叶片；
多个第一级静叶、多个第二级静叶的弯扭叶片弯扭朝向相同；
多个第一级动叶、多个第二级动叶的弯扭叶片弯扭朝向相同；
相邻的第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶、第二级动叶的弯扭叶片弯扭朝向相反。
2.根据权利要求1所述的一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，其特征在于：
所述第一级静叶、第一级动叶、第二级静叶和第二级动叶的各参数定义为：节距为d、弦长为s、最大厚度为w、喉宽为h；
叶型参数满足以下条件：
第一级静叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.792，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.262；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.798，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.262；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.790，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.262；
第一级动叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.662，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.738，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.824，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
第二级静叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.651，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.28；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.708，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.28；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.608，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.28；
第二级动叶叶型：
0％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.620，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.35；
50％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.727，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.33；
100％叶高方向截面：节距d与弦长s的比值为0.738，最大厚度w与弦长s的比值为0.3，喉宽h与节距d的比值为0.31。
3.根据权利要求2所述的一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，其特征在于：所述机壳(4)为筒状结构。
4.根据权利要求3所述的一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，其特征在于：多个第一级动叶与多个第二级动叶在周向上采用错位设置；
多个第一级静叶与多个第二级静叶在周向上采用错位设置。
5.根据权利要求4所述的一种MW级超临界二氧化碳两级轴流透平，其特征在于：所述间隙的宽度为6-10mm。
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