[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

技術領域：

本發明涉及向心透平裝置，具體涉及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。

背景技術：

在透平裝置中，變工況(流量和背壓變化)會帶來透平運行效率的降低，甚至可能導致安全性事故。目前，國內外已經開始研發適用于微型燃氣輪機向心透平噴嘴前緣的橢圓型大頭圓弧型線，相比基準葉型，大頭圓弧葉型對攻角不敏感，在大正負攻角下均能減小流動分離，保持較高的效率。同時將可調通流面積裝置應用于向心透平中能夠根據流量工況實時改變噴嘴通流面積，不僅避免了部分進氣導致的鼓風損失等，更進一步提高了通流的適應性，有助于提高透平運行的經濟效益，具有廣闊的市場前景。

采用流量測試及通流控制系統能夠對透平流量進行實時監控，時刻掌握透平的運行狀態，將流量傳感器測得的流量數據轉換為電信號用于實現透平運行自動化是近年來的研究熱點。在向心透平導向蝸殼進口布置流量傳感器，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流量調控設備中進行分析處理，計算機傳達的控制命令經由驅動電路實現對可調通流面積裝置的控制。可調通流面積裝置對噴嘴傾斜角進行的自適應調節能夠在流量變工況時迅速響應，實現自動化控制。

擴壓器廣泛應用于向心透平葉輪出口，可以降低葉輪出口壓力，增加透平輸出功，設計良好的擴壓器還可以減小葉輪出口高速流體在排氣管道中的摩擦損失。向心透平葉輪出口布置背壓測試及擴壓器控制系統，將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，計算機傳達的控制命令經由驅動電路完成對鉸接旋轉裝置的控制，即對可變幾何參數自適應背壓擴壓器的幾何形狀進行修正。這一方案既可以適應大范圍背壓，確保背壓變工況下的透平穩定運行，且有利于提高向心透平的運行效率。

發明內容：

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種以超臨界二氧化碳為工質、功率小于500kW的可適應大范圍背壓及流量的超臨界二氧化碳透平裝置。本發明能夠實現大范圍背壓及流量變動工況下超臨界二氧化碳向心透平的自動安全高效運行，具有廣闊的應用前景。

為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案來實現：

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，包括導向蝸殼、流量測試及通流控制系統、噴嘴環、葉輪和背壓測試及擴壓器控制系統；其中，導向蝸殼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進口處的流量測試及通流控制系統后沿蝸殼出口內圓進入噴嘴環流道，在噴嘴環流道中進行膨脹，超臨界二氧化碳工質經過噴嘴環流道后壓力降低，速度增大，并進入高速旋轉的葉輪中，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的機械功輸出到軸端，葉輪出口設有背壓測試及擴壓器控制系統，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用于對噴嘴傾斜角進行自適應調節。

本發明進一步的改進在于：噴嘴環采用橢圓型前緣的大頭圓弧葉型及可調通流面積噴嘴環。

本發明進一步的改進在于：葉輪采用向心透平葉輪。

本發明進一步的改進在于：流量測試及通流控制系統包括流量傳感器、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。

本發明進一步的改進在于：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：

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。