CN109751253A - 一种适用于小型燃气轮机的大流量高压比单级离心压气机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于小型燃气轮机的大流量高压比单级离心压气机，属于叶轮机械压气机的技术领域，其关键在于单级离心压气大流量的情况下实现高压比，同时压气机具有较高的效率。本发明涉及的离心压气机旋转部件离心叶轮比转速控制在效率最优的范围之内，气流从离心叶轮流出后具有非常高的动能，专门设计的径向有叶扩压器将气流绝大部分的动能转化为压能，并保证在径向扩压器叶片通道内不出现严重的气流分离区。基于本发明的大流量高压比单级离心压气机技术，可将现有的3‑10MW小型燃气轮机所采用的多级压气机方案可大大简化，仅采用单级离心压气机即可满足燃气轮机的性能要求，这将大大降低小型燃气轮机的造价，极大的提升燃气轮机产品的市场竞争力。
Description
技术领域
本发明属于叶轮旋转机械领域，具体涉及一种适用于小型燃气轮机的大流量高压比单级高速离心压气机以及采用该压气机的3-10MW小型燃气轮机。
背景技术
常规离心压气机应用流量范围绝大部分低于轴流压气机和混流压气机，但随着离心压气机气动设计技术的不断提升，离心压气机能够突破以往的流量范围上限，应用于更大的流量范围内。因此，在特定的产品应用上，多级轴流压气机的技术方案将大大简化，可使用级数较少的离心压气机，甚至单级离心压气机，就能够满足性能要求。
目前市场上存在的3-10MW功率档次小型燃气轮机压气机部分多采用多级轴流压气机方案，级数高达十几级。例如：美国索拉公司的C40型燃气轮机。若能在压气机的气动设计上实现突破，仅用单级压气机来完成燃气轮机的气体增压的目的，将大大简化现有的3-10MW小型燃气轮机结构，降低制造的生产成本和装配难度。
本发明提出的一种适用于小型燃气轮机的大流量高压比单级高速离心压气机，采用自主开发的离心压气机设计和分析程序优化设计，配置高速高效率的离心叶轮、叶片尾缘特殊处理的径向有叶扩压器和常规的轴向扩压器。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种适合于小型燃气轮机的大流量高压比单级高速离心压气机，主要针对3-10MW功率档次的小型燃气轮机。
本发明提出的一种适合于小型燃气轮机的大流量高压比单级高速离心压气机，其结构包括：离心叶轮、径向有叶扩压器和轴向扩压器。
所述离心叶轮具有以下特征：总压比大于8.5，进口轮毂比不低于0.4，转速大于18000转/分钟，进口轮毂直径与叶轮出口外径比值小于0.26，叶轮线速度可达620m/s以上。
可选地，离心叶轮可为带分流叶片或不带分流叶片型式。
所述径向有叶扩压器为楔形扩压器的优化版，扩压器叶片压力面尾缘部分设计成过渡圆弧型或椭圆型，与常规的楔形扩压器叶片尾缘直线型相比，能够避免气流在此区域出现大范围分离，从而达到减少流动损失、提升效率的目的。
所述的轴向扩压器采用目前常规的翼型扩压器即可。
可选地，轴向扩压器可为无叶型、叶片型、通道型等等。
可选地，轴流扩压器可采用一排或两排串联的结构布置型式。
本发明还涉及一种3-10MW功率档次的小型燃气轮机，采用以上所述的大流量高压比单级高速离心压气机。
基于本发明的技术方案的单级离心压气机的3-10MW小型燃气轮机，具有压气机级数少、结构简单、制造成本低等特点，产品市场竞争力强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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。
图1是本发明实施的大流量高压比单级高速离心压气机的三维模型图。
附图标记说明：
1、离心叶轮；2、径向有叶扩压器；3、轴向扩压器。
图2是数值模拟计算得出的所设计的一款大流量高压比单级高速离心压气机的总压比分布曲线。
图3是数值模拟计算得出的所设计的一款大流量高压比单级高速离心压气机的绝热效率分布曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明提出了一种适合于小型燃气轮机的大流量高压比单级高速离心压气机，主要包括：离心叶轮1、径向有叶扩压器2和轴向扩压器3。空气从大气环境中进入离心压气机，经过高速旋转部件离心叶轮1进行增压，通过径向有叶扩压器2将从离心叶轮1流出的压缩气体的动能最大程度上转化为压能，并且在径向有叶扩压器2流道内引导气流均匀流动，最终气流通过90度弯管转向轴向扩压器3，实现气流从轴向方向流出离心压气机，进入燃气轮机的燃烧室内。
具体实施方式以一款流量为15kg/s，总压比为9的单级高速离心压气机为主进行详细介绍，该款离心压气机的性能指标与3MW左右的小型燃气轮机对压缩***的要求接近。
通过优化设计后，离心叶轮1总压比9.7、进口轮毂比0.4、进口轮毂直径与叶轮出口外径比值0.22、叶轮出口线速度645m/s、叶轮叶片出口叶高18mm，采用钛合金材质五轴铣制。
径向有叶扩压器叶片数19，叶片压力面尾缘部分设计成椭圆型，引导气流均匀通过扩压器叶片通道。
为验证所设计的压气机性能，采用计算机数值模拟的方式获得它的总压比和绝热效率分布曲线，如图2和图3所示。计算结果显示：在设计流量15kg/s时，离心压气机的总压比高于9，绝热效率达到了81%，在获得高压比的同时，压气机具有较高的绝热效率。从图中我们也能够看到，所设计的压气机具有较宽的喘振裕度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改。
Claims (4)
1.一种适用于小型燃气轮机的大流量高压比单级离心压气机，所述离心压气机包括：离心叶轮、径向有叶扩压器和轴向扩压器；气流通过旋转部件离心叶轮增压，利用径向有叶扩压器将绝大部分动能转化为压能，提升气流的静压，然后通过轴向扩压器逐步转到轴流方向流出压气机。
2.根据权利要求1所述的离心叶轮，其特征在于：总压比大于8.5，进口轮毂比不低于0.4，转速大于18000转/分钟，进口轮毂直径与叶轮出口外径比值小于0.26，叶轮出口线速度可达620m/s以上。
3.根据权利要求1所述的径向有叶扩压器，其特征在于：扩压器叶片压力面尾缘区域设计成过渡圆弧型或椭圆型，与常规的楔形扩压器叶片尾缘直线型相比，能够避免气流在此区域出现大范围分离，有助于减少流动损失，提升压气机效率。
4.根据权利要求1所述的一种小型燃气轮机，包括：采用根据权利要求1所述的大流量高压比单级高速离心压气机，燃气轮机功率等级在3-10MW之间。
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