亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法技术

本发明专利技术提供一种亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法，设计合理，方法简单，能够极大的提高二氧化碳膨胀机的设计速度，以及对应方案的选型。不同于传统水机组蒸汽轮机的高温透平方法，设计方法方便快捷，从质量流量及轴向速度出发，通过计算子午流道面积的方法，快速确定叶片首级及末级高度，从而可快速对二氧化碳高温透平进行方案选型与一维设计，更适用于小焓降、大流量的二氧化碳高温膨胀机。高温膨胀机。

【技术实现步骤摘要】
亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法


[0001]本专利技术涉及超临界二氧化碳循环发电
，具体为亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法。

技术介绍

[0002]随着近些年来发电技术的发展，研究表明发电机组采用超临界二氧化碳代替水蒸气作为循环工质，在一定的功率范围内具有循环效率高、设备结构紧凑、基建初投资小等优点，因此超临界二氧化碳循环发电系统是一项非常具有技术前景的发电方式。
[0003]在超临界二氧化碳发电技术中，发电机主要由高温气体膨胀机拖动，因此二氧化碳高温气体膨胀机的气动设计性能直接决定发电机组的整体循环效率，由于二氧化碳高温气体膨胀机具有小焓降、大流量等特点，传统水机组蒸汽轮机设计方法并不能直接照搬过来进行二氧化碳透平设计，并且现有技术中对于二氧化碳高温气体膨胀机的气动设计较为复杂，因此无法快速的对其方案进行选型，影响了超临界二氧化碳发电的大规模应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法，设计合理，方法简单，能够极大的提高二氧化碳膨胀机的设计速度，以及对应方案的选型。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法，包括，
[0007]根据二氧化碳物性和所述膨胀机当地马赫数限制，确定所述膨胀机末级静叶出口工质最大绝对速度，进而按照最佳径高比计算中径处静叶出口工质绝对速度；
>[0008]根据所述的静叶出口工质绝对速度和选定的所述膨胀机的最佳速比，确定叶片进出口气流角，进而计算中径处子午方向的中径子午绝对速度；
[0009]根据所述子午绝对速度和所述膨胀机进出口状态参数，得到首级入口面积和末级出口面积；
[0010]根据叶高
‑
效率曲线及佳径高
‑
效率曲线，确定首末级叶高及中径，从而确定子午流道尺寸；
[0011]根据所述叶片进出口气流角及所述中径子午绝对速度，得到流量系数及级负荷系数，从而确定膨胀机总级数；
[0012]根据叶片稠度与效率关系曲线选定最佳中径叶片稠度，并计算得到叶片数；
[0013]根据所述的叶片数计算各级静、动叶出口气流角，确定静、动叶的叶片安装角，再根据所选流型及弦长展向分布规律计算叶片的叶顶、叶根及中间部分各截面的设计参数；完成所述亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机的设计。
[0014]可选的，还包括如下设计限定，
[0015]各级叶片的速度三角相等，中径直径和所述中径子午绝对速度均为常数。
[0016]可选的，所述根据二氧化碳物性和所述膨胀机当地马赫数限制，确定所述膨胀机末级静叶出口工质最大绝对速度，具体为如下公式，
[0017]Ma＝c
2max
/vs<0.8，
[0018]其中，Ma为当地马赫数，c
2max
为膨胀机末级静叶出口工质最大绝对速度，vs为当地音速。
[0019]可选的，胀机设计方法，其特征在于，所述按照最佳径高比计算中径处静叶出口工质绝对速度，具体方法如下，
[0020]根据反动式透平最佳径高比θ＝d
a
/l
b
分布区间[θ
min
,θ
max
]，计算中径处静叶出口工质绝对速度c
2a
＝c
2max
*θ
min
/(θ
min
+0.5)；
[0021]其中，d
a
为中径直径，l
b
为叶高，c
2max
为膨胀机末级静叶出口工质最大绝对速度。
[0022]可选的，所述计算中径处子午方向的中径子午绝对速度，具体采用如下公式，
[0023]c
m,a
＝c
2a
*cosα2，
[0024]其中，c
m,a
为中径子午绝对速度，c
2a
为中径处静叶出口工质绝对速度，α2为静叶出口绝对气流角。
[0025]可选的，所述首级入口面积，具有采用如下公式，
[0026]A
l,3
＝v
l,3
/v
f,1
*A
f,1
，
[0027]其中，A
f,1
及v
f,1
表示首级静叶入口面积及比体积，A
l,3
及v
l,3
表示末级动叶出口面积及比体积。
[0028]所述末级动叶出口面积，具有采用如下公式，A
l,3
＝qv
l,3
/c
m.a
。
[0029]可选的，所述流量系数及级负荷系数，具有采用如下公式，
[0030][0031][0032]其中，u
a
表示中径圆周速度，α2和α3分别表示动叶入口及动叶出口绝对气流角。
[0033]可选的，所述膨胀机总级数，具有采用如下公式，
[0034][0035]其中，Δh
s
为膨胀机等熵焓降，η
s
为等熵效率。
[0036]可选的，所述叶片数，具有采用如下公式，
[0037]z
b
＝πd
a
/s
a
，
[0038]其中，z
b
表示叶片数，s
a
表示中径节距。
[0039]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0040]本专利技术一种亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机快速设计方法，不同于传统水机组蒸汽轮机的高温透平方法，设计方法方便快捷，从质量流量及轴向速度出发，通过计算子午流道面积的方法，快速确定叶片首级及末级高度，从而可快速对二氧化碳高温透平进行方案选型与一维设计，更适用于小焓降、大流量的二氧化碳高温膨胀机。
具体实施方式
[0041]下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0042]本专利技术亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法，
[0043]首先，根据工质当地马赫数限制，确定末级静叶出口工质最大绝对速度，进而按照最佳径高比计算中径处静叶出口工质绝对速度；
[0044]其次，根据所述的静叶出口工质绝对速度和选定的所述膨胀机的最佳速比，确定叶片进出口气流角，进而计算中径处子午方向的中径子午工质绝对速度；根据所述子午绝对速度和所述膨胀机进出口状态参数，得到首级入口面积和末级出口面积
[0045]再次，根据叶高
‑
效率曲线及佳径高
‑
效率曲线，确定首末级叶高及中径，从而确定子午流道尺寸；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法，其特征在于，包括，根据二氧化碳物性和所述膨胀机当地马赫数限制，确定所述膨胀机末级静叶出口工质最大绝对速度，进而按照最佳径高比计算中径处静叶出口工质绝对速度；根据所述的静叶出口工质绝对速度和选定的所述膨胀机的最佳速比，确定叶片进出口气流角，进而计算中径处子午方向的中径子午绝对速度；根据所述子午绝对速度和所述膨胀机进出口状态参数，得到首级入口面积和末级出口面积；根据叶高
‑
效率曲线及佳径高
‑
效率曲线，确定首末级叶高及中径，从而确定子午流道尺寸；根据所述叶片进出口气流角及所述中径子午绝对速度，得到流量系数及级负荷系数，从而确定膨胀机总级数；根据叶片稠度与效率关系曲线选定最佳中径叶片稠度，并计算得到叶片数；根据所述的叶片数计算各级静、动叶出口气流角，确定静、动叶的叶片安装角，再根据所选流型及弦长展向分布规律计算叶片的叶顶、叶根及中间部分各截面的设计参数；完成所述亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机的设计。2.根据权利要求1所述的亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法，其特征在于，还包括如下设计限定，各级叶片的速度三角相等，中径直径和所述中径子午绝对速度均为常数。3.根据权利要求1所述的亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法，其特征在于，所述根据二氧化碳物性和所述膨胀机当地马赫数限制，确定所述膨胀机末级静叶出口工质最大绝对速度，具体为如下公式，Ma＝c
2max
/vs<0.8，其中，Ma为当地马赫数，c
2max
为膨胀机末级静叶出口工质最大绝对速度，vs为当地音速。4.根据权利要求1或3所述的亚音速等中径轴流反动式超临界二氧化碳膨胀机设计方法，其特征在于，所述按照最佳径高比计算中径处静叶出口工质绝对速度，具体方法如下，根据反动式透平最佳径高比θ＝d
a
/l
b
分布区间[θ
min
,θ
max
]，计算中径处静叶出口工质绝对速度c
2a
＝c
2max
*θ
min
/(θ
min
+0.5)；其中，d
a

【专利技术属性】
技术研发人员：李凯伦，李红智，姚明宇，张一帆，白文刚，张旭伟，乔永强，李晨照，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：