[发明专利]一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置

说明书

一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，属于透平技术领域，本发明包括蜗壳、喷嘴叶栅和透平叶轮，透平叶轮设置在蜗壳的中心处，透平叶轮的周向上设置有多个喷嘴叶栅，透平叶轮由轮盘和叶片组成，叶片的两端分别设置有叶片进口和叶片出口，叶片靠近叶片进口的一端为叶顶，远离叶片进口的另一端为叶根；叶轮叶片翼型在前缘的切线与转子半径方向上形成的夹角为进口叶片角α，进口叶片角α为70°；叶轮叶片翼型在尾缘的切线与转子轴向所形成的夹角为出口叶片角β，出口叶片角β为53°，叶片的外径D1为592.7mm，叶片轴向长度h与叶片外径D1满足以下几何关系h＝0.16D1。本发明结构紧凑、转速较低、效率高和辅助系统少，具有广泛的工程应用前景。

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，属于透平技术领域。

背景技术

为了进一步提高热力循环效率及降低成本，目前关于循环优化及新型动力循环的研究方兴未艾，其中超临界二氧化碳布雷顿循环被认为是最有前景的替代循环之一。超临界二氧化碳作为一种目前广受关注的超临界流体，具有密度大、粘度小、临界参数低的特点，因而将其作为工质的布雷顿循环具有结构紧凑、效率高、安全可靠等优点。超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括主要包括压缩机、透平、热源、发电机及一系列辅助设备。其中透平主要作用是将高温高压的超临界二氧化碳工质所具有的内能转化为发电机转轴所需要的能量，作为热功转换的核心部件，透平的设计制造水平及性能对整个热力循环的效率具有重大的影响。向心透平具有膨胀比高、焓降大、轴向尺寸紧凑的特点，在低流量工况下具有广泛的应用。

由于超临界二氧化碳的密度大，其向心透平具有尺寸小、转速高的特点，其设计转速通常高达数万转。如此高转速条件下，普通轴端密封装置不能满足密封的需求，且轴系的安全性下降。同时若想利用此类透平进行发电，则需要多个传动装置进行减速，其势必会导致系统复杂、轴系长、机械损失增加、占地面积大等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，进而提供一种结构紧凑、转速较低、高效率、辅助系统少的兆瓦级超临界二氧化碳透平装置。

本发明的技术方案：

一种兆瓦级超临界二氧化碳向心透平装置，包括蜗壳、喷嘴叶栅和透平叶轮，透平叶轮设置在蜗壳的中心处，透平叶轮的周向上设置有多个喷嘴叶栅，透平叶轮由轮盘和叶片组成，叶片的两端分别设置有叶片进口和叶片出口，叶片靠近叶片进口的一端为叶顶，远离叶片进口的另一端为叶根；

叶轮叶片翼型在前缘的切线与转子半径方向上形成的夹角为进口叶片角α，进口叶片角α为70°；

叶轮叶片翼型在尾缘的切线与转子轴向所形成的夹角为出口叶片角β，出口叶片角β为53°；

叶片的外径D1为592.7mm，叶片轴向长度h与叶片外径D1满足以下几何关系：h＝0.16D1，其具体数值为92mm；

叶顶的厚度为6mm，叶根的厚度为10mm，叶片进口的边缘的叶高为8.56mm，叶片出口的边缘的叶高为38mm；

叶片叶根所在圆周的直径D2为172.4mm，叶片叶顶所在圆周的直径D3为248.4mm。

进一步，叶片进口的临界二氧化碳工质总压为14.6MPa，总温为600℃，叶片出口的临界二氧化碳工质总压为8.5MPa，运行时工质始终处于超临界状态。

进一步，透平装置的输出功率为5.8MW，叶轮转速为9000rpm，质量流量为81.94kg/s。

进一步，喷嘴叶栅前缘采用椭圆型前缘，椭圆率为2.0，短轴长度为20mm，喷嘴叶栅尾缘采用圆形尾缘，直径为3mm，喷嘴叶栅叶片数量为17个，进口气流角为45°，出口气流角为10°。

进一步，蜗壳内壁面采用多段渐开式弧线，蜗壳进口通道直径a＝179.3mm，蜗壳出口处的直径c＝856mm，蜗壳进口通道圆心至轮盘31的轴向长度b＝130.8mm。