[发明专利]一种超临界二氧化碳离心压缩机的叶轮进口设计方法

说明书

本发明公开了一种超临界二氧化碳离心压缩机的叶轮进口设计方法，旨在提供一种能限制叶轮进口凝结现象，保持几何紧凑性，热力循环效率高的设计方法。包括下述步骤：给定叶轮进口总温、叶轮进口总压、目标流量函数、机器马赫数及预旋进气角；计算得到叶轮进口总焓；确定叶轮进口总熵、叶轮进口静熵、可接受加速裕度经验系数及蒸汽分数值；计算最大膨胀马赫数，根据所得最大膨胀马赫数确定可接受膨胀马赫数；根据所得可接受膨胀马赫数确定叶轮进口绝对马赫数；根据所得叶轮进口绝对马赫数计算实际情况下的叶轮进口静参数；计算平均等熵指数，计算最佳叶轮进口轮盖相对轴向气流角，计算叶轮进口轮盖相对马赫数，计算叶轮进口形状系数。

技术领域

本发明涉及离心压缩机设计技术领域，更具体的说，是涉及一种超临界二氧化碳离心压缩机的叶轮进口设计方法。

背景技术

超临界二氧化碳(SCO₂)具有优良的热力学特性，例如较大的比热容与等温压缩系数，及较小的粘性。与过热蒸汽相比，以SCO₂作为流体工质的能源系统通常需要较小的压缩功并具有更高的循环效率。此外，SCO₂的密度非常大，因此，相较于传统的朗肯循环，SCO₂布雷顿循环具有更紧凑的结构。再者，CO₂的临界温度(304.13K)远低于其他常用的流体工质，这使得SCO₂布雷顿热力循环更容易实现。由于具备上述优点，SCO₂布雷顿循环广泛用于核能系统，余热回收系统，太阳能系统和地热系统等。

离心压缩机是SCO₂布雷顿循环的关键部件之一。当压缩机进口流体接近其临界点时，循环压缩功将进一步降低，而循环效率将进一步提高。但是，临界点附近CO₂的热力学特性表现出强烈的非线性，物性参数变化规律明显偏离完全气体状态方程，这使得基于完全气体假设的压缩机设计方法完全失效。另一方面，如果SCO₂压缩机的进口总参数非常接近临界点，则叶轮进口的设计将变得十分困难。流体工质的加速不仅发生在从叶轮进口总参数状态到静参数状态的过程；而且由于叶片前缘吸力面的几何曲率，流体加速也存在于叶片前缘附近区域。由于存在上述两个方面的加速过程，流体工质的热力学状态很可能越过工质饱和线，使得叶轮进口出现凝结现象(两相流)。叶轮进口附近的工质凝结现象会使得压缩机流动稳定性降低，且导致较大的气动损失。

在SCO₂压缩机的设计实践中，叶轮进口总参数应接近临界点，以实现较高循环效率。另一方面，为避免叶轮进口凝结现象，应限制叶轮进口附近的流动加速。这意味着对于给定的质量流量，叶轮进口的横截面积变得相对较大，使得压缩机的结构紧凑性降低。迄今为止，已有的设计方法不能很好地解决上述矛盾。需要发展一种新的叶轮进口设计方法，以达到限制叶轮进口凝结现象、确保压缩机结构紧凑性，同时不损失循环效率的综合效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种既可以限制叶轮进口凝结现象，又能保持压缩机的几何紧凑性，同时使得整个热力循环具有较高的循环效率的超临界二氧化碳压缩机的叶轮进口设计方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种超临界二氧化碳离心压缩机的叶轮进口设计方法，包括下述步骤：

(1)给定叶轮进口总温T_t1、叶轮进口总压p_t1、目标流量函数Φ、机器马赫数M_u2及预旋进气角α₁；根据叶轮进口总温T_t1及进口总压p_t1利用热力与输运特性数据库REFPROP得到叶轮进口总焓h_t1；

(2)确定叶轮进口总熵S_t1、叶轮进口静熵S₁、可接受加速裕度经验系数λ及蒸汽分数Q值：