一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械及調控方法

本發明屬于熱動力及流體機械領域，特別涉及一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械及調控方法。

背景技術：

1、現今，隨著各個領域科學技術的飛速發展，能源消耗日益劇增。當下就全世界角度而言，傳統的化石能源依然是絕大多數國家能源結構中的主流應用。但化石能源枯竭的危機和相關的環保問題變得迫在眉睫。隨著“碳達峰”與“碳中和”的雙碳目標的提出，能源與動力工程領域也因此迎來了巨大挑戰。在各類新型清潔能源的發展還并不成熟，目前無法在實際應用中短時間內完全替代傳統能源的大背景下，研究如何更加高效實現熱能與機械功的轉換顯得更加實際且行之有效。

2、在功能轉化的熱力學循環方面，目前，基于水蒸汽循環的電力生產量占全球電力生產總量的80%。但根據長久以來的科研摸索與進展，傳統的水蒸汽朗肯循環的技術十分成熟，已經達到很高水平，由于水蒸汽自身性質、透平機械材料和結構上的限制等，繼續發展并大幅提高效率的難度相當大。近些年來，面對這一全人類在能源領域的共性瓶頸，世界各國科研人員開始將目光轉向超臨界二氧化碳的布雷頓循環上。

3、超臨界二氧化碳（supercritical?carbon?dioxide,?后文簡稱sco2）是指溫度和壓力二者均超過臨界值（溫度為304.13k、壓力為7.3773mpa）的二氧化碳流體。二氧化碳自身無毒無害且具有穩定的化學性質，所以無論是在試驗階段還是工業生產中都有極高的安全性。另外二氧化碳廣泛分布在大氣中，在空氣中有一定的占比，對環境沒有直接污染，這些也早就了它易于獲得并且環境友好的特征。達到超臨界狀態時的二氧化碳流體密度大、粘性小和較大的比熱容等多種物理特性，這讓其成為熱力循環中性質優良的理想工質。和其他超臨界流體相比，二氧化碳的臨界點并不苛刻，相對而言較容易達到。這些性質都能讓其在熱力循環中有效降低成本并大幅提升能量轉化效率。

4、此外，超臨界二氧化碳布雷頓循環與常見傳統的熱力循環相比，裝置可以更加緊湊。在能源與動力工程領域中，在保證效率沒有降低的條件下減小設備的體積，可以讓裝置有更多使用的可能，使其存在廣泛適配于傳統化石能源、核能、太陽能和地熱等多種形式能源的發電系統中。

5、sco2向心透平機械，是sco2布雷頓循環過程中熱能同機械功轉換的核心裝置。它的效率、安全性和其他各項性能將會直接關系到整個系統的運行情況。透平效率的每1%提升都能帶來循環效率約1%的提升。進一步來說，向心透平在實際應用中帶來的好處遠遠不止于理論上的提升。它為轉子系統帶來了諸多實用的改進，例如在密封件的使用上更為經濟高效、在面對機械振動時表現出更強的穩定性、擁有更高的葉片載荷承受能力，以及能夠構建出更為簡潔清晰的系統結構。這些改進使得向心透平不僅能夠適應各種復雜的運行條件，還能夠確保在長期運行中保持較低的維護成本。

6、在sco2向心透平機工作的過程中，輪背空腔的泄漏流在腔室內產生了較大的壓力場，造成了極大的軸向載荷，該部分載荷與輪轂面產生的軸向載荷難以平衡，二者形成的合力對透平輪盤運行的穩定性和安全性均產生了較大影響。在世界范圍內僅有的數次實驗中，均因為這一超高量級的軸向力的存在，sco2透平裝置工作壽命嚴重縮短，并存在較大的安全隱患。因此在進行透平葉輪設計時，還要著重考慮輪背空腔內的流場特性，使輪背空腔內的流動也符合安全要求，并以期找到平衡軸向力的優化方案。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械及調控方法，解決了現有的高速葉輪因輪背空腔的泄漏流形成的壓力場與輪轂面所受到的應力難以平衡，產生了較大的軸向載荷，導致葉輪存在較大的安全隱患。

2、為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

3、本發明提供的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，包括透平葉輪和噴嘴基座，其中，所述噴嘴基座置于透平葉輪的葉背側，所述透平葉輪的輪背和噴嘴基座之間設置有間隙；

4、所述噴嘴基座上開設有沿其周向布置的凹槽，所述凹槽內布置有用于調整透平葉輪輪背空腔的流體域幾何空間的調整件。

5、優選地，所述調整件包括可調式肋狀結構和動力結構，所述動力結構布置在可調式肋狀結構和凹槽底部之間。

6、優選地，所述透平葉輪和噴嘴基座均套裝在主軸上。

7、優選地，所述噴嘴基座上沿其周向布置有多個噴嘴，多個噴嘴的出口朝向透平葉輪的葉片一側，便于超臨界二氧化碳工質流體從透平葉輪的徑向進入。

8、優選地，所述噴嘴基座通過軸承與主軸連接。

9、優選地，所述主軸上套裝有機匣，所述機匣至于透平葉輪的葉片側。

10、優選地，還包括控制系統，所述控制系統的輸入端連接載荷采集單元，所述控制系統的輸出端連接動力結構。

11、優選地，所述載荷采集單元為推力傳感器，用于采集測量點受到的軸向載荷。

12、優選地，所述載荷采集單元還連接有用于將采集到的軸向載荷進行可視化讀取處理的軸向載荷監測設備。

13、一種葉輪機械軸向力的調控方法，基于所述的葉輪機械，包括以下步驟：

14、初始狀態下，可調式肋狀結構遠離動力結構的一表面與噴嘴基座的表面齊平；

15、該葉輪機械開始運行后，實時獲取設定的測量點的軸向載荷；

16、根據得到的軸向載荷控制調整件運動，用于調整透平葉輪輪背空腔的流體域幾何空間的調整件，進而用以達到平衡軸向力的目的。

17、與現有技術相比，本發明的有益效果是：

18、本發明提供的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，在置于透平葉輪輪背空腔的后側面的噴嘴基座上開設凹槽，并在凹槽內布置可調式肋狀結構及動力結構，通過動力結構帶動可調式肋狀結構沿軸向來回移動，使得輪背空腔內的泄漏流不再是做簡單的旋轉泰勒-庫埃特流動，而是在凸起或凹槽的作用下結合輪背盤的旋轉摩擦作用，進行復雜流動行為，在此狀況下輪背泄漏流沿輪盤半徑方向上的壓力下降速率會變快或變慢，以達到和葉輪處工質的壓力場產生的軸向載荷調節相平衡的狀態。

19、本發明提供的一種葉輪機械軸向力的調控方法，在初始狀態下，該肋狀結構的左側面應與基座的表面處于同一平面，在得到控制系統的指令后可以在后部連桿拉伸裝置的牽引下進行軸向移動。進行軸向移動后，該肋狀結構可在輪背空腔形成凸起（向外推動一定距離）或凹槽（向內拖動一定距離），此時輪背空腔內的泄漏流不再是做簡單的旋轉泰勒-庫埃特流動，而是在凸起或凹槽的作用下結合輪背盤的旋轉摩擦作用，進行復雜流動行為，在此狀況下輪背泄漏流沿輪盤半徑方向上的壓力下降速率會變快或變慢，從而增大或減小輪背空腔泄漏流產生的軸向推力，以達到和葉輪處工質的壓力場產生的軸向載荷調節相平衡的狀態。

技術特征：

1.一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，其特征在于，包括透平葉輪和噴嘴基座，其中，所述噴嘴基座置于透平葉輪的葉背側，所述透平葉輪的輪背和噴嘴基座之間設置有間隙；

2.根據權利要求1所述的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，其特征在于，所述調整件包括可調式肋狀結構和動力結構，所述動力結構布置在可調式肋狀結構和凹槽底部之間。

3.根據權利要求1所述的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，其特征在于，所述透平葉輪和噴嘴基座均套裝在主軸上。

4.根據權利要求3所述的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，其特征在于，所述噴嘴基座上沿其周向布置有多個噴嘴，多個噴嘴的出口朝向透平葉輪的葉片一側，便于超臨界二氧化碳工質流體從透平葉輪的徑向進入。

5.根據權利要求3或4所述的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，其特征在于，所述噴嘴基座通過軸承與主軸連接。

6.根據權利要求5所述的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，其特征在于，所述主軸上套裝有機匣，所述機匣至于透平葉輪的葉片側。

7.根據權利要求1所述的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，其特征在于，還包括控制系統，所述控制系統的輸入端連接載荷采集單元，所述控制系統的輸出端連接動力結構。

8.根據權利要求7所述的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，其特征在于，所述載荷采集單元為推力傳感器，用于采集測量點受到的軸向載荷。

9.根據權利要求7或8所述的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械，其特征在于，所述載荷采集單元還連接有用于將采集到的軸向載荷進行可視化讀取處理的軸向載荷監測設備。

10.一種葉輪機械軸向力的調控方法，其特征在于，基于權利要求1-9中任一項所述的葉輪機械，包括以下步驟：

技術總結
本發明提供的一種能夠增穩降低軸向力的葉輪機械及調控方法，包括透平葉輪和噴嘴基座，其中，所述噴嘴基座置于透平葉輪的葉背側，所述透平葉輪的輪背和噴嘴基座之間設置有間隙；所述噴嘴基座上開設有沿其周向布置的凹槽，所述凹槽內布置有用于調整透平葉輪輪背空腔的流體域幾何空間的調整件；本發明通過動力結構帶動可調式肋狀結構沿軸向來回移動，使得輪背空腔內的泄漏流不再是做簡單的旋轉泰勒?庫埃特流動，而是在凸起或凹槽的作用下結合輪背盤的旋轉摩擦作用，進行復雜流動行為，在此狀況下輪背泄漏流沿輪盤半徑方向上的壓力下降速率會變快或變慢，以達到和葉輪處工質的壓力場產生的軸向載荷調節相平衡的狀態。

技術研發人員：白博峰,馮彥力
受保護的技術使用者：西安交通大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/13