[發明專利]一種可適應大范圍背壓及流量的超臨界二氧化碳透平裝置

有效

• 申請號: 201610407223.9
• 申請日: 2016-06-08
• 公開（公告）號: CN105937415B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 張荻;王雨琦;謝永慧
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F01K7/32
• 分類號: F01K7/32;F01D9/02;G05D27/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 閔岳峰

1.一種可適應大范圍背壓及流量的超臨界二氧化碳透平裝置，其特征在于：包括導向蝸殼(1)、流量測試及通流控制系統(2)、噴嘴環(3)、葉輪(4)和背壓測試及擴壓器控制系統(5)；其中，導向蝸殼(1)外部設有超臨界二氧化碳工質進氣道，超臨界二氧化碳工質經過導向蝸殼(1)進口處的流量測試及通流控制系統(2)后沿蝸殼出口內圓進入噴嘴環(3)流道，在噴嘴環(3)流道中進行膨脹，超臨界二氧化碳工質經過噴嘴環(3)流道后壓力降低，速度增大，并進入高速旋轉的葉輪(4)中，在動葉流道中推動葉輪葉片做功，超臨界二氧化碳工質的內能和動能轉化為葉輪(4)的機械功輸出到軸端，葉輪(4)出口設有背壓測試及擴壓器控制系統(5)，超臨界二氧化碳工質經過擴壓器后壓力增大，流速減小，沿裝置出氣道重新進入離心壓縮機中增壓，達到超臨界二氧化碳向心透平裝置進口所需的壓力時再次由導向蝸殼進入透平中做功，如此循環；其中，流量測試及通流控制系統(2)用于對噴嘴傾斜角進行自適應調節；

流量測試及通流控制系統(2)包括流量傳感器、數據采集卡、計算機流量分析調控設備、驅動電路及可調通流面積裝置；其中，工作時，工質經過導向蝸殼進口處的流量傳感器，流量傳感器測得超臨界二氧化碳工質的流量值并轉換為電信號傳輸至數據采集卡中，由數據采集卡接入計算機流量調控設備中進行分析處理，該設備能夠將流量信號轉化為對應的噴嘴傾斜角調節角度，由計算機傳達控制命令經由驅動電路實現對可調通流面積裝置的控制，完成自適應調節；

根據噴嘴出口的幾何形狀與流動工質的關系，流量與噴嘴調節角度的對應關系如下：

$sin\mathrm{\α}=\frac{\stackrel{\·}{m}}{{\mathrm{\πD}}_N{\mathrm{\τ}}_N{\mathrm{\ρ}}_N{C}_N{l}_N}$

其中，為質量流量，α為噴嘴出口氣流角，D_N為噴嘴出口直徑，τ_N為噴嘴出口減窄系數，ρ_N為噴嘴出口工質密度，C_N為噴嘴出口工質速度，l_N為噴嘴葉高，計算機流量分析調控設備該設備能夠將流量信號轉化為對應的噴嘴傾斜角調節角度α，從而改變超臨界二氧化碳工質在噴嘴流道中的通流面積，完成自適應調節；

背壓測試及擴壓器控制系統(5)包括背壓傳感器、數據采集卡、計算機背壓分析調控設備、驅動電路及鉸接旋轉裝置；其中，背壓傳感器的電信號傳輸至數據采集卡中，由數據采集卡接入計算機背壓調控設備中進行分析處理，該設備能夠將背壓信號轉化為對應的鉸接旋轉調節角度，由計算機傳達控制命令經由驅動電路實現對可變幾何參數自適應背壓擴壓器的幾何形狀進行修正，以適應大范圍背壓工況；

根據伯努利方程及擴壓器幾何形狀，背壓變化與擴壓器截面形狀的對應關系如下：

$p_b-p_{out}=\frac{1}{2}{{\mathrm{K\ρV}}_{out}}^2(1-\frac{{\mathrm{\π}}^2{r_{out}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{r_b}^4})$

$tan\mathrm{\β}=\frac{r_b-r_{out}}{l}$

其中，p_b為擴壓器出口背壓，p_out為葉輪出口壓力，V_out為葉輪出口工質速度，ρ為葉輪出口與擴壓器出口的超臨界二氧化碳工質平均密度，r_b、r_out分別為擴壓器出口和葉輪出口截面的半徑，l為擴壓器軸向長度，β為擴壓器擋板與軸向的夾角，實際流動中由于粘性和可壓縮性的影響，通過實驗測量修正系數K調節精度進行改進，計算機背壓分析調控設備能夠將背壓信號p_b的變化轉化為擴壓器出口半徑r_b的變化，從而得到對應的鉸接旋轉調節角度β，由計算機傳達控制命令經由驅動電路實現對可變幾何參數自適應背壓擴壓器的幾何形狀進行修正，以適應大范圍背壓工況。