一种适用于兆瓦级超临界二氧化碳透平膨胀机的叶轮的制作方法

1.本实用新型涉及一种适用于兆瓦级超临界二氧化碳透平膨胀机的叶轮，属于透平膨胀机叶轮技术领域。


背景技术：

2.从发电市场形势分析，十三五以来，我国火电及煤电新增装机容量持续保持低位，火电及煤电市场面临严峻形势；而太阳能发电等新能源发电装机容量快速增长。根据市场形势、政策导向判断，清洁能源发电是未来重要发展方向，而超临界二氧化碳即sco2循环发电技术，其效率高、成本低、洁净度高以及结构紧凑等优点已得到广泛认可，在火力发电、第四代核能发电、聚光型太阳能热发电、余热发电、地热发电等领域具有良好的应用前景。国内sco2循环技术的研究处于理论研究和小型示范机组建设规划筹建阶段，有关研究的公开资料相对匮乏，总体处于设计方法研究、数值计算分析阶段，个别科研机构的研究略为领先。
3.透平膨胀机中的叶轮是包括轮毂和叶轮叶片的离心式叶轮，叶轮是超临界二氧化碳透平膨胀机的关键部件，透平膨胀机的故障也大多来源于叶轮的故障，其结构强度、气动性能、动力学特性、型线分布规律以及叶片厚度设计方案等均能对其安全高效运行产生不同程度的影响。故研究适用于兆瓦级超临界二氧化碳透平膨胀机的叶轮，能够在很大程度上为同等功率等级的透平机组的国产化提供技术支持。
4.因此，亟需提出一种新型的适用于兆瓦级超临界二氧化碳透平膨胀机的叶轮，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型研发目的是为了解决传统叶轮与转子的连接问题，即要同时考虑叶轮与转子的扭矩传递以及轴向和中心定位的问题，本实用新型提供了一种适用于兆瓦级超临界二氧化碳透平膨胀机的叶轮，可实现在较宽工况条件下透平的高效运行，提高设备运行安全可靠性，在很大程度上为同等功率等级透平机组的国产化提供技术支持。在下文中给出了关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。
6.本实用新型的技术方案：
7.一种适用于兆瓦级超临界二氧化碳透平膨胀机的叶轮，包括设置有中心通孔的轮毂和均匀周向布设在轮毂表面上的若干叶轮叶片，在每相邻两个叶轮叶片之间形成气道，且轮毂与叶轮叶片为一体结构，所述叶轮叶片的线型为直纹面叶片，叶轮叶片的厚度沿径向方向从叶根至叶顶逐渐减小，相邻两截面之间有相对扭转，且各截面的叶型曲线为空间曲线，所述叶轮叶片数量为质数；
8.所述轮毂的中心通孔与转子建立花键连接，并通过紧固零件使二者紧固，所述叶
轮叶片的最大外径为74.5mm，叶轮叶片的入口区域叶片半径r1为59.5mm，叶轮叶片的出口区域叶根半径r2为8.3mm，叶轮叶片的出口区域叶顶半径r3为27.2mm，叶轮叶片(的入口区域叶片的高度h为4.6mm，叶轮叶片的轴向长度l为24.5mm。
9.优选的：所述叶轮叶片的入口区域与轴向方向的夹角为入口倾角α1为90
°
。
10.优选的：所述叶轮叶片的出口区域与轴向方向的夹角为出口倾角α2为0
°
。
11.优选的：所述叶轮叶片的入口区域与轮毂进气侧圆周线p切线方向的夹角为进气角β1，进气角β1的取值范围为0～10
°
。
12.优选的：所述叶轮叶片的出口区域与轮毂出气侧圆周线q的切线方向的夹角为出气角β2，出气角β2的取值范围为-55～-60
°
。
13.优选的：所述叶轮叶片的叶片的叶顶和叶根间的直线距离弦长d的变化范围在38～57之间。
14.优选的：所述叶轮叶片的前缘和尾缘均为圆弧形结构。
15.优选的：所述叶轮叶片2的数量为13。
16.本实用新型具有以下有益效果：
17.1.本实用新型攻克了叶轮与转子的连接难点，既能进行扭矩传递，又考虑到了轴向和中心定位，通过花键连接传递扭矩，由转子端面进行轴向定位，转子端口外圆柱面进行中心定位，凭借紧固零件将叶轮与转子固定在一起，使叶轮更加稳定的运行，保证了膨胀机叶轮轴系的安全性和可靠性；
18.2.本实用新型通过热力计算、气动分析与强度校核，优化了叶片型线分布，提高了气动效率，并且可以实现在变工况下高效率运行，为兆瓦级超临界二氧化碳透平膨胀机国产化发展提供有利支持。
附图说明
19.图1是本实用新型的立体图；
20.图2是本实用新型的主视图；
21.图3是本实用新型叶轮叶片的子午面示意图；
22.图4是本实用新型叶轮叶片的叶片型线示意图；
23.图5是本实用新型的使用状态图；
24.图6是本实用新型轮毂和转子的装配示意图；
25.图中1-轮毂，2-叶轮叶片，3-转子，4-紧固零件，11-中心通孔。
具体实施方式
26.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本实用新型。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
27.本实用新型所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明
确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
28.具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式的一种适用于兆瓦级超临界二氧化碳透平膨胀机的叶轮，包括设置有中心通孔11的轮毂1和均匀周向布设在轮毂1表面上的若干叶轮叶片2，在每相邻两个叶轮叶片2之间形成气道，且轮毂1与叶轮叶片2为一体结构，如图1所示，所述叶轮叶片2的线型为直纹面叶片，叶轮叶片2的厚度沿径向方向从叶根至叶顶逐渐减小，相邻两截面之间有相对扭转，且各截面的叶型曲线为空间曲线，所述叶轮叶片2的数量为13；
29.如图6所示，所述轮毂1的中心通孔11与转子3建立花键连接，并通过紧固零件4使二者紧固，紧固零件4采用m27*3-9w倒锥螺纹，花键设计可达到4h级配合精度，解决轮毂1与转子3的连接问题，既能做到扭矩传递，又能兼顾轴向与中心的定位，即通过花键连接传递扭矩，由转子3端面进行轴向定位，转子3端口外圆柱面进行中心定位，凭借紧固零件将轮毂1与转子3固定在一起。
30.如图4所示，所述叶轮叶片2的最大外径为74.5mm，叶轮叶片(2)的入口区域叶片半径r1为59.5mm，叶轮叶片2的出口区域叶根半径r2为8.3mm，叶轮叶片2的出口区域叶顶半径r3为27.2mm，叶轮叶片2的入口区域叶片的高度h为4.6mm，叶轮叶片2的轴向长度l为24.5mm；所述叶轮叶片2的入口区域与轴向方向的夹角为入口倾角α1为90
°
。所述叶轮叶片2的出口区域与轴向方向的夹角为出口倾角α2为0
°
。
31.如图2所示，所述叶轮叶片2的入口区域与轮毂1进气侧圆周线a的切线方向的夹角为入口叶片角β1，叶轮叶片2的出口区域与轮毂1出气侧圆周线b的切线方向的夹角为出口叶片角β2，如图3所示，将叶轮叶片2的叶根截面定义为截面m-m，叶轮叶片2的叶顶截面定义为截面n-n，且随截面m-m至截面n-n的截面高度变化，β1的取值范围为0～10
°
，β2的取值范围为-55～-60
°
，弦长d的变化范围在38～57之间。
32.叶轮叶片2的厚度沿径向方向从轮毂向机匣呈渐缩状态。叶轮叶片2采用前缘、尾缘均为圆弧形的结构。
33.在二氧化碳透平膨胀机的使用中，叶轮叶片2靠近轮毂1一侧设计较厚，主要是因为叶轮作为做功部件要承受较大的冲击载荷和离心载荷，需同时满足热应力和热应变、强度、刚度等许用考核标准。靠近轮毂1一侧的叶轮叶片2最大厚度为3.62mm，偏向进口段。叶轮叶片2的叶顶端叶片最大厚度为2.06mm，比较均匀，中间区段偏厚。
34.叶轮叶片2前缘、尾缘均为圆弧形结构，叶片厚度沿径向方向从轮毂1一侧到叶顶端呈渐缩趋势，轮毂1一侧叶轮叶片2从入口区域至出口区域，叶轮叶片2厚度先赠大后减小，最大厚度为3.62mm，最小厚度为1.49mm，且最大厚度在弧段49.88％位置，最小厚度在叶轮叶片2的出气端尾缘，叶轮叶片2的叶片进气段前缘厚度为2.16mm，在叶顶一端，叶轮叶片2的厚度变化不大，最大厚度为2.06mm，最小厚度为0.85mm，最大厚度在弧段47.32％位置，最小厚度也在叶片出气端尾缘，叶轮叶片2的叶片进气段前缘厚度为1.35mm。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
38.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
39.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
40.需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
41.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。