[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

摘要

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。

主权项

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：sinα=m·πDNτNρNCNlN]]>其中，为质量流量，α为喷嘴出口气流角，DN为喷嘴出口直径，τN为喷嘴出口减窄系数，ρN为喷嘴出口工质密度，CN为喷嘴出口工质速度，lN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：pb-pout=12KρVout2(1-π2rout2π2rb4)]]>tanβ=rb-routl]]>其中，pb为扩压器出口背压，pout为叶轮出口压力，Vout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，rb、rout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pb的变化转化为扩压器出口半径rb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。