CN110469369A - 一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构 - Google Patents

一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构 Download PDF

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赵振兴
王雨琦
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Abstract

本发明公开了一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，包括蜗壳以及设置在内蜗壳的静叶叶栅、动叶叶栅和分流叶片；其中，分流叶片安装在相邻两个动叶叶栅之间，相邻两个静叶叶栅之间形成静叶叶栅流道，动叶叶栅与分流叶片之间形成动叶叶栅流道；工作时，超临界二氧化碳工质由蜗壳进入，由蜗壳均匀配气至静叶叶栅流道中，工质在静叶叶栅流道中压力逐渐降低，流速逐渐增大，随后进入动叶叶栅流道中，在动叶叶栅流道中，超临界二氧化碳工质推动叶轮旋转输出功，最终沿轴向排出。本发明中，分流叶片的加入及叶轮进口几何角的改进方案在保证运行安全性的同时，大幅提高了该径流式透平结构的气动效率，具有重要的工程意义及广阔的应用前景。

Description

一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构
技术领域
本发明属于超临界二氧化碳径流式透平技术领域，具体涉及一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构。
背景技术
随着世界能源储量不断减少，环境污染日益严重，节能减排越来越成为发展的重要方向。二氧化碳作为大气中的一种常见物质，获取十分容易。同时，相较于传统的工质水蒸汽，二氧化碳临界点压力和温度较低，容易达到。在超临界状态下，二氧化碳具有高密度、低黏度、流动性强、做功能力强、***损耗小等特性。此外，采用超临界二氧化碳为工质的循环具有结构紧凑、加工工艺简单、循环效率高等优点。因此，超临界二氧化碳被认为是新世纪最具发展潜力的循环工质之一，而采用超临界二氧化碳为工质的发电循环也被认为是取代传统发电循环，实现能源高效利用的重要途径之一。
径流式透平具有结构紧凑、加工工艺简单、做功能力强以及小流量条件下效率较高等特点，在未来的布雷顿循环发展中有着重要作用。目前，针对以超临界二氧化碳为工质的径流式透平的研究逐年增多，但由于工质密度大的特征，超临界二氧化碳透平的尺寸较小，容易在静叶和动叶流道间形成较大的二次流损失，进而对透平的气动性能产生影响。同时，叶片容易受到较大的气动载荷，继而产生较大的等效应力，对透平的安全运行不利。
分流叶片技术通常用于离心式压缩机中，能够改善压缩机叶轮出口处的流动状况。而针对径流式透平的设计需求，本发明关注减少kW级小型超临界二氧化碳径流式透平的气动损失，提高透平运行的安全性，提供一种带分流叶片的透平结构。
发明内容
本发明主要针对现有技术的不足，提供了一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，用于提高kW级小型超临界二氧化碳径流式透平的等熵效率、改善流动效果、减小能量损失、增强运行安全性，并且具有广阔的工程应用前景。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，包括蜗壳以及设置在内蜗壳的静叶叶栅、动叶叶栅和分流叶片；其中，
分流叶片安装在相邻两个动叶叶栅之间，相邻两个静叶叶栅之间形成静叶叶栅流道，动叶叶栅与分流叶片之间形成动叶叶栅流道；工作时，超临界二氧化碳工质由蜗壳进入，由蜗壳均匀配气至静叶叶栅流道中，工质在静叶叶栅流道中压力逐渐降低，流速逐渐增大，随后进入动叶叶栅流道中，在动叶叶栅流道中，超临界二氧化碳工质推动叶轮旋转输出功，最终沿轴向排出。
本发明进一步的改进在于，该径流式透平结构内任意一处的二氧化碳工质状态均处于超临界状态，即温度高于31.1℃，压力高于7.4MPa。
本发明进一步的改进在于，该径流式透平转速为20000-50000rpm，功率为200-300kW，流量为4-8kg/s，膨胀比为1.5-2，进口温度为500-600℃。
本发明进一步的改进在于，动叶叶栅与分流叶片(4)的进口几何角均为70°。
本发明进一步的改进在于，分流叶片与动叶叶栅(3)吸力面和压力面的距离均为d＝0.5s，其中s为动叶叶栅的栅距。
本发明进一步的改进在于，分流叶片采用叶根处的弦长为lb＝0.6l，分流叶片叶顶处的弦长lt＝0.4l，其中l为动叶叶栅弦长。
本发明进一步的改进在于，蜗壳内外壁面均采用多段渐开线构成。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
本发明结合了现有技术的优势，提出了一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，在径流式透平动叶叶栅间加装分流叶片，同时蜗壳内外壁面均采用多段渐开线构成，确保良好的进气状况。由于超临界二氧化碳工质密度较大，因此在径流式透平的出口叶片稠度较大，进口叶片稠度较小，在叶轮的动叶叶栅中部加装分流叶片可以有效提高透平等熵效率，同时改善叶轮入口吸力面侧和压力面侧的流动状况，降低气动损失。
进一步，分流叶片叶根处的弦长为lb＝0.6l，叶顶处的弦长lt＝0.4l能够降低半开式叶轮中动叶叶栅通道中的二次流损失，进口叶片角为70°的结构能够更好地适应叶轮入口处的流动状况，减小叶型损失；同时，分流叶片能够分担部分主叶片的气动载荷，降低单个叶片所受到的等效应力，满足透平机械的强度要求及安全运行需求。
综上所述，本发明一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构能够使超临界二氧化碳布雷顿循环中的透平部件结构紧凑、气动效率高、运行安全，具有广泛的工程应用前景。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明带分流叶片的叶轮结构示意图。
附图标记说明：
1、蜗壳，2、静叶叶栅，3、动叶叶栅，4、分流叶片，5、静叶叶栅流道，6、动叶叶栅流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行更详细的描述：
结合图1和图2，本发明提供的一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，包括蜗壳1、静叶叶栅2、动叶叶栅3和分流叶片4，其中分流叶片4安装在相邻两个动叶叶栅3之间，相邻两个静叶叶栅2形成静叶叶栅流道5，动叶叶栅3与分流叶片4之间形成动叶叶栅流道6。工作时，超临界二氧化碳工质由蜗壳1进入，由蜗壳1均匀配气至静叶叶栅流道5中。工质在静叶叶栅流道5中压力逐渐降低，流速逐渐增大，随后进入动叶叶栅流道6中。在动叶叶栅流道6中，超临界二氧化碳工质推动叶轮旋转输出功，最终沿轴向排出。
采用三维计算流体动力学的数值分析方法，对未加入分流叶片的透平及加入本发明所述结构分流叶片的超临界二氧化碳径流式透平进行模拟计算，结果如表1所示。从表中可以看出，加入本发明分流叶片结构的径流式透平输出功率从原来的246kW提高至266kW，等熵效率从原来的83.09％提高到了85.35％，效率绝对值提高了2.26个百分比。同时通过对比三维流场发现，进口叶片角为70°的变化使得动叶叶栅和分流叶片前缘更加匹配流体流动情况，避免叶轮进口处产生较大的旋涡，减小了叶型损失。
表1加入分流叶片前后的数值分析结果对比
综上所述，本发明提供的一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，能够使超临界二氧化碳布雷顿循环中的透平部件结构紧凑、气动效率高、能量损耗小、运行安全，具有广泛的工程应用前景。

Claims (7)

1.一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，其特征在于，包括蜗壳(1)以及设置在内蜗壳(1)的静叶叶栅(2)、动叶叶栅(3)和分流叶片(4)；其中，
分流叶片(4)安装在相邻两个动叶叶栅(3)之间，相邻两个静叶叶栅(2)之间形成静叶叶栅流道(5)，动叶叶栅(3)与分流叶片(4)之间形成动叶叶栅流道(6)；工作时，超临界二氧化碳工质由蜗壳(1)进入，由蜗壳(1)均匀配气至静叶叶栅流道(5)中，工质在静叶叶栅流道(5)中压力逐渐降低，流速逐渐增大，随后进入动叶叶栅流道(6)中，在动叶叶栅流道(6)中，超临界二氧化碳工质推动叶轮旋转输出功，最终沿轴向排出。
2.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，其特征在于，该径流式透平结构内任意一处的二氧化碳工质状态均处于超临界状态，即温度高于31.1℃，压力高于7.4MPa。
3.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，其特征在于，该径流式透平转速为20000-50000rpm，功率为200-300kW，流量为4-8kg/s，膨胀比为1.5-2，进口温度为500-600℃。
4.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，其特征在于，动叶叶栅(3)与分流叶片(4)的进口几何角均为70°。
5.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，其特征在于，分流叶片(4)与动叶叶栅(3)吸力面和压力面的距离均为d＝0.5s，其中s为动叶叶栅的栅距。
6.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，其特征在于，分流叶片(4)采用叶根处的弦长为lb＝0.6l，分流叶片叶顶处的弦长lt＝0.4l，其中l为动叶叶栅弦长。
7.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的kW级超临界二氧化碳径流式透平结构，其特征在于，蜗壳(1)内外壁面均采用多段渐开线构成。
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