一种适用于5-6MW等级超临界二氧化碳向心透平的叶轮制造技术

一种适用于5‑6MW等级超临界二氧化碳向心透平的叶轮及叶轮叶片的造型方法，属于透平叶轮的研发制造技术领域。本实用新型专利技术包括轮盘和叶片，轮盘上呈逆时针布置有叶片，叶片包括叶片根部、叶片弧形部和叶片顶部；叶轮叶片入口区域、叶轮叶片出口区域在子午面内的型线与轴向方向的夹角为入口倾角α1和出口倾角α2；叶轮叶片入口区域与轮盘进气侧圆周线A的切线方向的夹角为入口叶片角β1，为90度；叶轮叶片出气侧区域与轮盘出气侧圆周线B的切线方向的夹角为出口叶片角β2，出口叶片角β2从轮盘侧至轮盖侧为68度至22.9度。本实用新型专利技术叶轮叶片压力面与吸力面的斜率与曲率光顺，气动效率高，强度满足校核标准，可在变工况条件下安全高效运行。

An Impeller for 5-6MW Supercritical Carbon Dioxide Centrifugal Turbine

【技术实现步骤摘要】
一种适用于5-6MW等级超临界二氧化碳向心透平的叶轮
本专利技术涉及一种向心透平的叶轮及叶轮的造型方法，属于透平叶轮的研发制造

技术介绍
超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术具有良好的发展潜力，在核能发电、太阳能发电、工业废热发电等领域均具有广阔的应用前景。超临界二氧化碳向心透平是影响超临界二氧化碳布雷顿循环机组的核心部件，是目前国内外都在竞相研发的新型动力装置，其内部工质二氧化碳往往在高温高压条件下工作，超临界二氧化碳也具有其独特的物性变化特点，因此以超临界二氧化碳为工质的向心透平设计具有很大的难度。目前国内研发机构所设计的超临界二氧化碳向心透平功率等级较低，一般不超过2MW；叶轮是影响超临界二氧化碳向心透平输出功率与效率的关键部件，但是目前叶轮品种单一，叶轮叶片型面不光顺，效率低，使用寿命短。因此，研发设计一种应用于5-6MW功率等级超临界二氧化碳向心透平的叶轮已成为急待解决的技术问题，并且该叶轮具有广阔的市场前景。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中上述的不足，提供了一种适用于5-6MW等级超临界二氧化碳向心透平的叶轮及叶轮叶片的造型方法。在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。本技术的技术方案：一种适用于5-6MW等级超临界二氧化碳向心透平的叶轮，包括轮盘和叶片，所述的轮盘上呈逆时针布置有叶片，叶片包括叶片根部、叶片弧形部和叶片顶部；叶轮入口半径R1为153mm，叶轮出口根部半径R2为20.54mm，叶轮出口顶部半径R3为91.87mm；叶轮入口叶片高度Z1为20.88mm，叶轮叶片轴向长度Z2为81.41mm；叶轮叶片入口区域、叶轮叶片出口区域在子午面内的型线与轴向方向的夹角为入口倾角α1和出口倾角α2，入口倾角α1为90度，出口倾角α2为0度；叶轮叶片入口区域与轮盘进气侧圆周线A的切线方向的夹角为入口叶片角β1，入口叶片角β1为90度；叶轮叶片出气侧区域与轮盘出气侧圆周线B的切线方向的夹角为出口叶片角β2，出口叶片角β2从轮盘侧至轮盖侧为68度至22.9度。进一步地、所述的叶片前缘周向角与尾缘周向角的差值为叶片包角dθ，叶片包角dθ为21.5度。进一步地、所述的叶片厚度沿径向方向从叶片根部至叶片顶部呈减薄趋势；前缘点处叶型厚度沿径向方向从叶根至叶顶为3.64mm至1.8mm，截面叶型厚度最大值沿径向方向从叶根至叶顶为7.3mm至3.64mm；进一步地、所述的叶片的个数为15个，叶片在轮盘的周向均匀分布，叶片与轮盘一体铸造成型。一种适用于5-6MW等级超临界二氧化碳向心透平的叶轮叶片的造型方法，具体包括如下步骤：步骤一、构造叶轮叶片子午面型线；步骤二、构造Z-θ流面型线；步骤三、确定叶型厚度的分布规律；步骤四、根据该叶轮叶片子午面型线，Z-θ流面型线和叶型厚度的分布规律确定叶片截面的叶片型线，将各叶片截面沿径向扫略成体，构造叶轮叶片。进一步地、步骤一中叶轮叶片子午面型线的构造方法是：首先构造叶片的内子午型线和外子午型线；叶片的内子午型线和外子午型线构造方法是，采用二次贝塞尔曲线构造内外子午线，保证内外子午线一阶连续，根据叶轮的基本尺寸确定子午线的端点a与b，子午线的入口倾角为α1，子午线的出口倾角为α2，α1与α2分别为叶轮叶片入口区域、出口区域在子午面内的型线与Z向方向的夹角，过点a和点b分别沿Z向顺时针旋转α1度和α2度得直线L1和直线L2，直线L1与L2相交于点c，子午线上点P的坐标为(Z(t)，R(t))，利用顺序控制点a、c、b表示子午线：P(t)＝(Z(t)，R(t))＝(1-t)2a+2t(1-t)c+t2bt∈[0，1]其次根据内子午型线和外子午型线构造子午面内部型线；内外子午线进气侧端点的连线与内外子午线出气侧端点的连线相交于点ZR，以ZR点为起点向内子午线AA方向做一射线ZL，该射线分别与外子午线EE、内子午线AA相交，交点分别为ZR1与ZR2，然后将线段ZR1-ZR2等分，得该线段的等分点，按此方法以ZR为起点将ZL线从与Z轴垂直方向旋转到与Y轴垂直方向，便可分别生成系列点集，将点集系列分别以光顺曲线连结，则分别构造出子午面内部型线。进一步地、所述的Z-θ流面型线的构造方法，采用二次贝塞尔曲线构造Z-θ流面型线，保证Z-θ流面型线一阶连续；其中点a’与点b’分别是子午面中根据叶轮的基本尺寸确定子午线的端点a与b的对应值；Z-θ面型线的前缘周向角为θ1，尾缘周向角为θ2，叶片包角dθ即前缘周向角θ1与尾缘周向角θ2的差值；Z-θ流面型线的入口叶片角为β1，出口叶片角为β2；β1为叶轮叶片入口区域与轮盘进气侧圆周线A的切线方向的夹角；β2为叶轮叶片出气侧区域与轮盘出气侧圆周线B的切线方向的夹角；入口叶片角β1与出口叶片角β2影响工质的流动方向与做功能力；过点a’和点b’分别沿负θ向逆时针旋转β1度和β2度做直线L3和直线L4，直线L3与L4相交于点d，Z-θ流面型线上点P的坐标为(Z(t)，R(t))，利用顺序控制点a’、d、b’表示Z-θ流面型线；P(t)＝(Z(t)，R(t))＝(1-t)2a′+2t(1-t)d+t2b′t∈[0，1]Z-θ流面型线的入口叶片角β1选取为90度，出口叶片角β2则根据叶片出气侧区域各部位的径向半径而构造。进一步地、所述的出口叶片角β2的构造方法是：叶轮叶片出气侧区域的根部、中部、顶部的径向半径不同，因此其出气侧的圆周速度U不同，出气侧的圆周速度公式：其中n为叶轮的工作转速，rad/min；R为叶轮叶片出气侧区域的径向半径。为了使超临界二氧化碳在不同径向半径处均沿轴向流出，出气侧绝对速度C的方向为轴向方向，出气侧绝对速度C的值根据热力计算获得；超临界二氧化碳在不同径向半径处的出口相对速度W的方向需发生扭转，设叶轮出气侧工质的流动方向与叶轮叶片出口处中弧线的方向一致，不同径向半径处的叶轮出口叶片角与叶轮出口相对气流角相等，出口叶片角β2在不同径向半径处需发生改变，获得出口叶片角β2与出气侧的圆周速度U和出气侧绝对速度C的计算公式如下：利用出口叶片角β2获取叶片出口叶片角β2值的构造。进一步地、叶型厚度TN分布规律的构造方法，根据叶片强度与寿命要求，通过计算与校核确定叶片各截面的叶型厚度分布，在叶片前5％轴向区间与后25％轴向区间内的叶片厚度分别沿着轴向方向逐渐增厚、逐渐减薄，使内背弧成流线型，通过给定中弧线上五个关键点处的厚度构造叶型厚度分布规律，五个关键点分别为：前缘点a、5％轴向位置、50％轴向位置、75％轴向位置、98％轴向位置，将五个关键点的厚度值以光顺曲线连接，并保证该曲线在各关键点一阶连续，形成叶型厚度的分布规律。进一步地、叶片截面内弧、背弧型线与前缘、尾缘型线的构造方法，在中弧线上，以中弧线各点处的叶型厚度值为球直径，构造一系列球面PT；以该中弧线所对应的子午面型线绕Z轴旋转形成流面S，球面PT与流面S相交为一系列封闭的空间曲线LT，以光顺曲线分别做该系列封闭空间曲线靠近Z轴侧和远离Z轴侧的切线，分别形成内弧型线CURI和外弧型线CURE。为满足叶片前缘的强度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于5‑6MW等级超临界二氧化碳向心透平的叶轮，其特征在于：包括轮盘(1)和叶片(2)，所述的轮盘(1)上呈逆时针布置有叶片(2)，叶片(2)包括叶片根部(3)、叶片弧形部(4)和叶片顶部(5)；叶轮入口半径R1为153mm，叶轮出口根部半径R2为20.54mm，叶轮出口顶部半径R3为91.87mm；叶轮入口叶片高度Z1为20.88mm，叶轮叶片轴向长度Z2为81.41mm；叶轮叶片入口区域、叶轮叶片出口区域在子午面内的型线与轴向方向的夹角为入口倾角α1和出口倾角α2，入口倾角α1为90度，出口倾角α2为0度；叶轮叶片入口区域与轮盘进气侧圆周线A的切线方向的夹角为入口叶片角β1，入口叶片角β1为90度；叶轮叶片出气侧区域与轮盘出气侧圆周线B的切线方向的夹角为出口叶片角β2，出口叶片角β2从轮盘侧至轮盖侧为68度至22.9度。

【技术特征摘要】
1.一种适用于5-6MW等级超临界二氧化碳向心透平的叶轮，其特征在于：包括轮盘(1)和叶片(2)，所述的轮盘(1)上呈逆时针布置有叶片(2)，叶片(2)包括叶片根部(3)、叶片弧形部(4)和叶片顶部(5)；叶轮入口半径R1为153mm，叶轮出口根部半径R2为20.54mm，叶轮出口顶部半径R3为91.87mm；叶轮入口叶片高度Z1为20.88mm，叶轮叶片轴向长度Z2为81.41mm；叶轮叶片入口区域、叶轮叶片出口区域在子午面内的型线与轴向方向的夹角为入口倾角α1和出口倾角α2，入口倾角α1为90度，出口倾角α2为0度；叶轮叶片入口区域与轮盘进气侧圆周线A的切线方向的夹角为入口叶片角β1，入口叶片角β1为90度；叶轮叶片出气侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李翔宇，张春梅，梁培培，姜东坡，赵俊明，冯永志，李佳佳，刘海旭，王二丹，孙中伟，
申请(专利权)人：哈尔滨电气股份有限公司，
类型：新型
国别省市：黑龙江,23