CN105937415B - 一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置 - Google Patents

Abstract

一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置，其中，导向蜗壳进口布置有流量测试及通流控制系统，高温高压的超临界二氧化碳工质通过导向蜗壳后进入喷嘴环中膨胀，喷嘴叶片型线采用对攻角不敏感的大头圆弧叶型，并增加可调通流面积装置，通过流量传感器电信号对喷嘴叶片倾斜角进行自适应调节，改变通流面积以适应大范围流量工况。进入叶轮时，工质内能及动能转化为机械功输出，叶轮出口设有背压测试及扩压器控制系统，通过背压传感器电信号对可变几何参数自适应背压扩压器进行调节，适应大范围背压，提高透平运行效率。本发明的优势在于可适应大范围背压及流量工况，气动效率高，自适应性强，显著降低了运行成本，具有广阔的市场前景。

Description

一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置

技术领域：

本发明涉及向心透平装置，具体涉及一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置。

背景技术：

在透平装置中，变工况(流量和背压变化)会带来透平运行效率的降低，甚至可能导致安全性事故。目前，国内外已经开始研发适用于微型燃气轮机向心透平喷嘴前缘的椭圆型大头圆弧型线，相比基准叶型，大头圆弧叶型对攻角不敏感，在大正负攻角下均能减小流动分离，保持较高的效率。同时将可调通流面积装置应用于向心透平中能够根据流量工况实时改变喷嘴通流面积，不仅避免了部分进气导致的鼓风损失等，更进一步提高了通流的适应性，有助于提高透平运行的经济效益，具有广阔的市场前景。

采用流量测试及通流控制系统能够对透平流量进行实时监控，时刻掌握透平的运行状态，将流量传感器测得的流量数据转换为电信号用于实现透平运行自动化是近年来的研究热点。在向心透平导向蜗壳进口布置流量传感器，传感器的电信号传输至数据采集卡中，由数据采集卡接入计算机流量调控设备中进行分析处理，计算机传达的控制命令经由驱动电路实现对可调通流面积装置的控制。可调通流面积装置对喷嘴倾斜角进行的自适应调节能够在流量变工况时迅速响应，实现自动化控制。

扩压器广泛应用于向心透平叶轮出口，可以降低叶轮出口压力，增加透平输出功，设计良好的扩压器还可以减小叶轮出口高速流体在排气管道中的摩擦损失。向心透平叶轮出口布置背压测试及扩压器控制系统，将背压传感器的电信号传输至数据采集卡中，由数据采集卡接入计算机背压调控设备中进行分析处理，计算机传达的控制命令经由驱动电路完成对铰接旋转装置的控制，即对可变几何参数自适应背压扩压器的几何形状进行修正。这一方案既可以适应大范围背压，确保背压变工况下的透平稳定运行，且有利于提高向心透平的运行效率。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种以超临界二氧化碳为工质、功率小于500kW的可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置。本发明能够实现大范围背压及流量变动工况下超临界二氧化碳向心透平的自动安全高效运行，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置，包括导向蜗壳、流量测试及通流控制系统、喷嘴环、叶轮和背压测试及扩压器控制系统；其中，导向蜗壳外部设有超临界二氧化碳工质进气道，超临界二氧化碳工质经过导向蜗壳进口处的流量测试及通流控制系统后沿蜗壳出口内圆进入喷嘴环流道，在喷嘴环流道中进行膨胀，超临界二氧化碳工质经过喷嘴环流道后压力降低，速度增大，并进入高速旋转的叶轮中，在动叶流道中推动叶轮叶片做功，超临界二氧化碳工质的内能和动能转化为叶轮的机械功输出到轴端，叶轮出口设有背压测试及扩压器控制系统，超临界二氧化碳工质经过扩压器后压力增大，流速减小，沿装置出气道重新进入离心压缩机中增压，达到超临界二氧化碳向心透平装置进口所需的压力时再次由导向蜗壳进入透平中做功，如此循环；其中，流量测试及通流控制系统用于对喷嘴倾斜角进行自适应调节。

本发明进一步的改进在于：喷嘴环采用椭圆型前缘的大头圆弧叶型及可调通流面积喷嘴环。

本发明进一步的改进在于：叶轮采用向心透平叶轮。

本发明进一步的改进在于：流量测试及通流控制系统包括流量传感器、数据采集卡、计算机流量分析调控设备、驱动电路及可调通流面积装置；其中，工作时，工质经过导向蜗壳进口处的流量传感器，流量传感器测得超临界二氧化碳工质的流量值并转换为电信号传输至数据采集卡中，由数据采集卡接入计算机流量调控设备中进行分析处理，该设备能够将流量信号转化为对应的喷嘴倾斜角调节角度，由计算机传达控制命令经由驱动电路实现对可调通流面积装置的控制，完成自适应调节。

本发明进一步的改进在于：根据喷嘴出口的几何形状与流动工质的关系，流量与喷嘴调节角度的对应关系如下：

其中，为质量流量，α为喷嘴出口气流角，D_N为喷嘴出口直径，τ_N为喷嘴出口减窄系数，ρ_N为喷嘴出口工质密度，C_N为喷嘴出口工质速度，l_N为喷嘴叶高，计算机流量分析调控设备该设备能够将流量信号转化为对应的喷嘴倾斜角调节角度α，从而改变超临界二氧化碳工质在喷嘴流道中的通流面积，完成自适应调节。

本发明进一步的改进在于：背压测试及扩压器控制系统包括背压传感器、数据采集卡、计算机背压分析调控设备、驱动电路及铰接旋转装置；其中，背压传感器的电信号传输至数据采集卡中，由数据采集卡接入计算机背压调控设备中进行分析处理，该设备能够将背压信号转化为对应的铰接旋转调节角度，由计算机传达控制命令经由驱动电路实现对可变几何参数自适应背压扩压器的几何形状进行修正，以适应大范围背压工况。

本发明进一步的改进在于：根据伯努利方程及扩压器几何形状，背压变化与扩压器截面形状的对应关系如下：

其中，p_b为扩压器出口背压，p_out为叶轮出口压力，V_out为叶轮出口工质速度，ρ为叶轮出口与扩压器出口的超临界二氧化碳工质平均密度，r_b、r_out分别为扩压器出口和叶轮出口截面的半径，l为扩压器轴向长度，β为扩压器挡板与轴向的夹角，实际流动中由于粘性和可压缩性的影响，通过实验测量修正系数K调节精度进行改进，计算机背压分析调控设备能够将背压信号p_b的变化转化为扩压器出口半径r_b的变化，从而得到对应的铰接旋转调节角度β，由计算机传达控制命令经由驱动电路实现对可变几何参数自适应背压扩压器的几何形状进行修正，以适应大范围背压工况。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明成功整合现有技术的优势，对向心透平的各部件进行了改进创新，提出了一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置。喷嘴叶片采用椭圆型前缘的大头圆弧叶型并增加了可调通流面积装置，大头圆弧叶型对攻角的变化不敏感，因此在大正负攻角下均能减小超临界二氧化碳工质与喷嘴叶片的流动分离，保持较高的流动效率。在导向蜗壳进口处布置有流量传感器，实时监测向心透平工作过程中的流量变化，并将流量传感器的电信号通过数据采集卡输入计算机流量调控设备中进行分析处理，产生的结果信号通过驱动电路对可调通流面积装置的喷嘴倾斜角进行自适应调节，改变通流面积，实现对大范围流量工况的适应。因此，不必采用复杂的部分进气变工况调节方式，装置结构简单紧凑且省去了部分进气损失，进一步提高了整机效率。超临界二氧化碳向心透平装置出口布置有背压测试及扩压器控制系统，测试系统中背压传感器的电信号同样通过数据采集卡输入计算机背压调控设备中，结果信号输入驱动电路，对铰接旋转装置进行调控，修正可变几何参数自适应背压扩压器的几何形状，实现大范围背压自适应。该系统能够降低叶轮出口压力，增加透平输出功，还可以减小叶轮出口高速流体在排气管道中的摩擦损失，采用这一自适应背压扩压器能够在出口背压改变时，保证叶轮出口压力不变，确保大范围背压下的稳定运行。

因此，本发明具有气动效率高，结构简单，自动化程度高，运行成本低等优势，该向心透平装置能够适应大范围背压及流量工况，实现自动化运行，用于以超临界二氧化碳为工质、功率小于500kW的微型动力循环中，具有极其广阔的市场前景。

附图说明：

图1为本发明一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置的核心部件图。

图2为本发明一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置的可调通流面积喷嘴装置放大图。

图3为本发明一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置叶轮子午剖面与背压测试及扩压器控制系统图。

图1中，1-导向蜗壳，2-流量测试及通流控制系统，3-喷嘴环，4-叶轮；图3中，5-背压测试及扩压器控制系统。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1及图3，本发明一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置，包括进口导向蜗壳1、流量测试及通流控制系统2、喷嘴环3、叶轮4以及背压测试及扩压器控制系统5。其中，导向蜗壳1进口处设有超临界二氧化碳工质进气道，装置运行时，工质经过导向蜗壳进口处的流量传感器，流量传感器测得超临界二氧化碳工质的流量值并转换为电信号传输至数据采集卡中，由数据采集卡接入计算机流量调控设备中进行分析处理，该设备能够将流量信号转化为对应的喷嘴倾斜角调节角度，由计算机传达控制命令经由驱动电路实现对可调通流面积装置的控制，完成自适应调节。超临界二氧化碳工质沿蜗壳出口内圆进入喷嘴环3中，喷嘴环中的喷嘴叶片采用椭圆型前缘的大头圆弧叶型，并加装了可调通流面积装置，具体调节方式如图2所示，在喷嘴叶片流道中，压力能转换为动能。喷嘴出口低压高速的超临界二氧化碳工质进入叶轮4中进行绝热膨胀做功，驱动向心透平装置叶轮转动输出功。参照图3，叶轮出口布置有背压测试及扩压器控制系统，背压传感器的电信号同样通过数据采集卡输入计算机中，由驱动电路对铰接旋转装置进行调控，修正可变几何参数自适应背压扩压器的几何形状。超临界二氧化碳工质在扩压器中压力增大，流速减小。向心透平装置的各个部件确保了该装置能够适应大范围背压及流量工况，在变工况时保持运行稳定，同时降低了气动损失，保持较高的流动效率。

其中，喷嘴环3的喷嘴叶片采用椭圆型前缘的大头圆弧叶型，这一叶型对气流攻角不敏感，能够减小较大正负攻角下明显的流动分离现象，保持较高的效率。如图2所示，喷嘴叶片中部的摆动中心采用销钉固定，通过驱动电路控制可调通流面积装置中的销钉转动以改变喷嘴倾斜角，从而改变喷嘴喉部宽度，调整喷嘴流道的通流面积，适应流量大范围变化的工况。

本发明采用流量测试及通流控制系统2对喷嘴环3的叶片倾斜角进行自适应调节，系统中的流量传感器测得超临界二氧化碳工质的流量值并转换为电信号传输至数据采集卡中，由数据采集卡接入计算机流量调控设备中进行分析处理。根据喷嘴出口的几何形状与流动工质的关系，流量与喷嘴调节角度的对应关系如下：

其中，为质量流量，α为喷嘴出口气流角，D_N为喷嘴出口直径，τ_N为喷嘴出口减窄系数，ρ_N为喷嘴出口工质密度，C_N为喷嘴出口工质速度，l_N为喷嘴叶高。因此，该计算机流量分析调控设备能够将流量信号转化为对应的喷嘴倾斜角调节角度α，改变超临界二氧化碳工质在喷嘴流道中的通流面积，完成自适应调节。该方案可适应大范围流量工况，并有效避免了部分进气这一装置复杂，效率损失较大的流量调节方式，使向心透平装置更为紧凑，节约了制造成本及空间，并极大地提高了装置运行时的经济效益。

参照图3，给出了可适应大范围背压及流量工况的全周进气超临界二氧化碳向心透平装置叶轮子午剖面与背压测试及扩压器控制系统示意图。超临界二氧化碳工质在上下两侧沿径轴流式叶轮4的动叶前缘进入叶轮中进行绝热膨胀，工质推动叶轮叶片向转轴输出功，在叶轮出口进入背压测试及扩压器控制系统5中，压力增大，流速减小，扩压器能够降低叶轮出口压力，增加透平输出功，并减小叶轮出口高速流体在排气管道中的摩擦损失，背压测试及扩压器控制系统5中的可变几何参数自适应背压扩压器底部设有含铰接旋转装置的挡板，能够改变扩压器截面形状，系统运行时，背压传感器的电信号传输至数据采集卡中，由数据采集卡接入计算机背压调控设备中进行分析处理。根据伯努利方程及扩压器几何形状，背压变化与扩压器截面形状的对应关系如下：

其中，p_b为扩压器出口背压，p_out为叶轮出口压力，V_out为叶轮出口工质速度，ρ为叶轮出口与扩压器出口的超临界二氧化碳工质平均密度，r_b、r_out分别为扩压器出口和叶轮出口截面的半径，l为扩压器轴向长度，β为扩压器挡板与轴向的夹角，实际流动中由于粘性和可压缩性的影响，通过实验测量修正系数K可以对调节精度进行改进。因此，计算机背压分析调控设备能够将背压信号p_b的变化转化为扩压器出口半径r_b的变化，从而得到对应的铰接旋转调节角度β，由计算机传达控制命令经由驱动电路实现对可变几何参数自适应背压扩压器的几何形状进行修正，以适应大范围背压工况。此系统保证了叶轮出口压力的稳定，使整个向心透平装置能够在大范围背压变化时保持运行稳定。

Claims (3)

1.一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置，其特征在于：包括导向蜗壳(1)、流量测试及通流控制系统(2)、喷嘴环(3)、叶轮(4)和背压测试及扩压器控制系统(5)；其中，导向蜗壳(1)外部设有超临界二氧化碳工质进气道，超临界二氧化碳工质经过导向蜗壳(1)进口处的流量测试及通流控制系统(2)后沿蜗壳出口内圆进入喷嘴环(3)流道，在喷嘴环(3)流道中进行膨胀，超临界二氧化碳工质经过喷嘴环(3)流道后压力降低，速度增大，并进入高速旋转的叶轮(4)中，在动叶流道中推动叶轮叶片做功，超临界二氧化碳工质的内能和动能转化为叶轮(4)的机械功输出到轴端，叶轮(4)出口设有背压测试及扩压器控制系统(5)，超临界二氧化碳工质经过扩压器后压力增大，流速减小，沿装置出气道重新进入离心压缩机中增压，达到超临界二氧化碳向心透平装置进口所需的压力时再次由导向蜗壳进入透平中做功，如此循环；其中，流量测试及通流控制系统(2)用于对喷嘴倾斜角进行自适应调节；

流量测试及通流控制系统(2)包括流量传感器、数据采集卡、计算机流量分析调控设备、驱动电路及可调通流面积装置；其中，工作时，工质经过导向蜗壳进口处的流量传感器，流量传感器测得超临界二氧化碳工质的流量值并转换为电信号传输至数据采集卡中，由数据采集卡接入计算机流量调控设备中进行分析处理，该设备能够将流量信号转化为对应的喷嘴倾斜角调节角度，由计算机传达控制命令经由驱动电路实现对可调通流面积装置的控制，完成自适应调节；

根据喷嘴出口的几何形状与流动工质的关系，流量与喷嘴调节角度的对应关系如下：

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

其中，为质量流量，α为喷嘴出口气流角，D_N为喷嘴出口直径，τ_N为喷嘴出口减窄系数，ρ_N为喷嘴出口工质密度，C_N为喷嘴出口工质速度，l_N为喷嘴叶高，计算机流量分析调控设备该设备能够将流量信号转化为对应的喷嘴倾斜角调节角度α，从而改变超临界二氧化碳工质在喷嘴流道中的通流面积，完成自适应调节；

背压测试及扩压器控制系统(5)包括背压传感器、数据采集卡、计算机背压分析调控设备、驱动电路及铰接旋转装置；其中，背压传感器的电信号传输至数据采集卡中，由数据采集卡接入计算机背压调控设备中进行分析处理，该设备能够将背压信号转化为对应的铰接旋转调节角度，由计算机传达控制命令经由驱动电路实现对可变几何参数自适应背压扩压器的几何形状进行修正，以适应大范围背压工况；

根据伯努利方程及扩压器几何形状，背压变化与扩压器截面形状的对应关系如下：

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

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

其中，p_b为扩压器出口背压，p_out为叶轮出口压力，V_out为叶轮出口工质速度，ρ为叶轮出口与扩压器出口的超临界二氧化碳工质平均密度，r_b、r_out分别为扩压器出口和叶轮出口截面的半径，l为扩压器轴向长度，β为扩压器挡板与轴向的夹角，实际流动中由于粘性和可压缩性的影响，通过实验测量修正系数K调节精度进行改进，计算机背压分析调控设备能够将背压信号p_b的变化转化为扩压器出口半径r_b的变化，从而得到对应的铰接旋转调节角度β，由计算机传达控制命令经由驱动电路实现对可变几何参数自适应背压扩压器的几何形状进行修正，以适应大范围背压工况。

2.根据权利要求1所述的一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置，其特征在于：喷嘴环(3)采用椭圆型前缘的大头圆弧叶型及可调通流面积喷嘴环。

3.根据权利要求1所述的一种可适应大范围背压及流量的超临界二氧化碳透平装置，其特征在于：叶轮(4)采用向心透平叶轮。