[发明专利]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

说明书

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。