背叶片自动调节装置及应用其的透平机械的制作方法

本公开属于流体机械、能源动力装备和发电系统领域，涉及一种背叶片自动调节装置及应用其的透平机械。

背景技术：

透平机械(turbomachinery)是具有叶片的旋转式流体机械的统称。作为透平机械的一种，压缩机是一种通过使用机械能来增加可压缩流体压力的机器，可以分为轴流式压缩机和离心式压缩机，其中离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机，即透平式压缩机，工质通过压缩机时，被叶轮上高速旋转的叶片带动，在离心力的作用下流通至叶轮边缘，经扩压器实现增压作用，离心压缩机可以分为单级结构和多级结构，其中单级压缩机装配有单个转子，多级压缩机带有串联的多个转子。

超临界二氧化碳(sco2)布雷顿循环作为一项革新性的能源动力技术，使用超临界二氧化碳作为动力循环系统工质，以其效率高、成本低、洁净度高以及结构紧凑等优点越来越受到国内外研究机构的重视和认可。特别是二氧化碳具有临界压力适中、较好的稳定性和核物理性质、无毒以及储量丰富等优点，sco2循环被认为是核反应堆(第四代核电)最具应用前景的动力循环之一，同时在新型燃机、火电以及太阳能发电机组中均具有潜在的应用。

sco2动力循环中压气机不仅是实现膨胀机热功转换的前提，更是系统最大的耗能部件，其性能的优劣直接影响着整个发电系统的性能与运行稳定性。区别于以水、空气、燃气作为工质的叶轮机械，sco2压气机面临着更复杂的工质特性、高温高压的工作参数及高功率密度等挑战。尤其是sco2压气机叶轮前后绝对压差大、sco2工质密度接近于液体而导致轴承所受轴向推力巨大，极易损坏轴承，影响系统安全服役。虽然能采取透平与压气机背靠背的型式避免轴向力过大的问题，但是只适用于小功率机组，sco2动力循环的扩大化依然绕不过压气机轴向力过大的问题。

背叶片的结构常用于水力机械，譬如泵、水轮机等，特别适合于输送含有固体颗粒等条件苛刻液体介质的密封，比如螺旋离心泵。叶轮背叶片常见于离心泵叶轮，是布置在后盖板上的若干径向叶片，一方面可以降低密封处的压力，阻止轴封处的泄漏，另一方面还可以平衡部分的轴向力。背叶片随着叶轮旋转，并强迫带动液体旋转，使液体的旋转角度比没有背叶片时的大。由流体力学得知，此时作用在叶片后盖板上的液体的部分压力水头转化成为速度水头，从而使后泵腔的液体压力值得到下降，于是，使作用在叶轮上的轴向力得到部分平衡。

sco2压气机出口处压力达20mpa以上，在其叶轮背部布置背叶片结构不仅能起到平衡轴向力的作用，还能起到降低密封压力的作用，具有重要的工程实践意义。另外，相比于其他动力部件，sco2压气机的工况范围广，启停过程所耗时间周期长，因此其产生的轴向力也会随之发生变化。传统的背叶片结构一旦设计，其产生的轴向平衡力便不可调，而且背叶片有可能因产生平衡力过大，出现过度平衡的问题。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种背叶片自动调节装置及应用其的透平机械，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种背叶片自动调节装置，包括：测力传感器，设置于推力轴承与轴10之间，用于测定推力轴承向轴所产生的轴向推力；至少一可调式背叶片，固定于叶轮20的背面，其相对于轴径向的角度可调。

在本公开的一些实施例中，可调式背叶片通过可旋式紧固件安装在叶轮背部，可调式背叶片被可旋式紧固件固定的位置位于其中部。

在本公开的一些实施例中，还包括：控制机构，用于根据测力传感器所测得的轴向推力，调整可调式背叶片相对于轴径向的角度。

在本公开的一些实施例中，控制机构包括：背叶片旋转角度控制机构，与至少一可调式背叶片连接；计算装置，根据测力传感器实时测得轴向推力，计算可调式背叶片的所需旋转角度；可编程逻辑控制器，其依据可调式背叶片的所需旋转角度，控制背叶片旋转角度控制机构进行动作，调整至少一可调式背叶片的旋转角度至所需旋转角度。

在本公开的一些实施例中，计算装置按照下式计算可调式背叶片的所需旋转角度θ：

其中，f为测力传感器实时测得轴向推力；

ρ为流体密度；

ω为叶轮旋转角速度；

re为旋转角度θ为0时，可调式背叶片径向外侧边缘距旋转中心的距离；

rh为旋转角度θ为0时，可调式背叶片径向内侧边缘距旋转中心的距离。

在本公开的一些实施例中，包括：t片的背叶片，4≤t≤8，该t片的背叶片均为可调式背叶片。

在本公开的一些实施例中，测力传感器为推拉双向测力传感器40，其能够测得推力轴承32和轴10之间的推拉双向轴向力。

根据本公开的另一个方面，还提供了一种透平机械，包括：轴10；叶轮20，设置于轴10的径向外侧；n个推力轴承，设置于轴10的径向外侧，用于支撑轴10；m个测力传感器40，设置于一推力轴承与轴10之间，用于测定该推力轴承向轴所产生的轴向推力；t片的可调式背叶片，固定于叶轮20的背面，该可调式背叶片相对于轴径向的角度可调；控制机构，用于根据推拉双向测力传感器所测得的轴向推力，调整可调式背叶片相对于轴径向的角度；其中，n≥1，m≥1，t≥1。

在本公开的一些实施例中，包括：t′片的背叶片，其中：该t′片的背叶片全部为可调式背叶片，t′＝t；或该t′片的背叶片包括：t片的可调式背叶片，t′＞t。

在本公开的一些实施例中，该透平机械为超临界二氧化碳压气机、压缩机、汽轮机、膨胀机或涡轮机。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开背叶片自动调节装置及应用其的透平机械采用了可调式背叶片的形式，实现了背叶片轴向平衡力的可调及自动控制，具有很强的创新性及工程实现价值。

附图说明

图1为本公开实施例应用背叶片自动调节装置的超临界二氧化碳压气机的结构示意图。

图2是图1所示超临界二氧化碳压气机中在轴向平衡力最大和最小时可调式背叶片倾斜角度的示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-轴；

20-叶轮；21-静密封件；

31、32-推力轴承；

40-推拉双向测力传感器；

51～56-可调式背叶片；

61-计算机；

62-可编程逻辑控制器(plc)。

具体实施方式

本公开提供了一种背叶片自动调节装置及应用其的透平机械，能根据轴向力实时调节背叶片产生的平衡力，具有很强的创新性及工程价值。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种应用背叶片自动调节装置的超临界二氧化碳压气机。图1为本公开实施例应用背叶片自动调节装置的超临界二氧化碳压气机的结构示意图。图2是图1所示超临界二氧化碳压气机中在轴向平衡力最大和最小时可调式背叶片倾斜角度的示意图。

如图1和图2所示，本实施例应用背叶片自动调节装置的超临界二氧化碳压气机包括：轴10；叶轮20，设置于轴10的径向外侧；2个推力轴承(31、32)，设置于轴10的径向外侧，用于支撑固定轴10；1个推拉双向测力传感器40，设置于一推力轴承与轴10之间，用于测定该推力轴承向轴所产生的轴向推力；6片的可调式背叶片(51～56)，固定于所述叶轮20的背面，该可调式背叶片相对于轴径向的角度可调；控制机构，用于根据推拉双向测力传感器所测得的轴向推力，调整可调式背叶片相对于轴径向的角度；其中，n≥1，m≥1，t≥1。

以下分别对本实施例应用背叶片自动调节装置的超临界二氧化碳压气机的各个组成部分进行详细描述。

关于本实施例中的轴10和叶轮20，其和本领域内通常超临界二氧化碳压气机的相关部件并无不同，此处不再详细说明。

请参照图1和图2，本实施例中，在叶轮的背面均匀设置了6片的背叶片，且该6片的背叶片均为可调式背叶片，即均可调整相对于轴径向的角度。6片的可调式背叶片均通过可旋式紧固件安装在叶轮背部，随叶轮和轴旋转。其中，可调式背叶片被可旋式紧固件固定的位置位于其中部。

在本公开其他实施例中，背叶片的数目可以调整，可为4～8个，一般取4叶或6叶。并且，也可以设置为部分背叶片为可调式背叶片，部分背叶片为固定式背叶片。

需要说明的是，通过调整背叶片相对于轴径向的角度，可以改变背叶片对工质的旋转带动作用，从而改变工质流速实现工质静压的可调。图2的(a)中，背叶片沿轴径向设置，此时其产生轴向平衡力最大；图2的(b)中，背叶片沿垂直于轴径向的方向设置，此时产生轴向平衡力最小。

请继续参照图1，静密封件21安装在叶轮20背部的轴端，两个推力轴承(31、32)安装在轴10上，推拉双向测力传感器40布置在远离叶片的一个推力轴承32上。

也就是说，本实施例中，设置两个推力轴承(31、32)和一个推拉双向测力传感器40。而在本公开的其他实施例中，推力轴承和推拉双向测力传感器的数目还可以根据需要进行调整。

请继续参照图1，控制机构包括：计算机61、可编程逻辑控制器(plc)62和背叶片旋转角度控制机构(未示出)。其中，计算机61根据推拉双向测力传感器40实时测得轴向推力，计算得出可调式背叶片此时需要产生的适宜平衡力，进而计算可调式背叶片的所需旋转角度。可编程逻辑控制器依据背叶片的所需旋转角度，控制背叶片旋转角度控制机构进行动作，调整背叶片的旋转角度至所需旋转角度。

其中，计算机61通过下述公式计算背叶片的所需旋转角度θ：

其中，f为测力传感器实时测得轴向推力，其单位为n；

ρ——流体密度，单位为kg/m³；

ω——叶轮旋转角速度，单位为rad/s；

re——旋转角度θ为0时，背叶片径向外侧边缘距旋转中心的距离，单位为m；

rh——旋转角度θ为0时，背叶片径向内侧边缘距旋转中心的距离，单位为m；

以下介绍本实施例背叶片自动调节装置及应用其的压气机的工作原理：当轴10开始旋转，sco2压气机的叶轮20进行工作时，可调式背叶片(51～56)以相同转速随之运动，此时sco2压气机叶轮20产生的轴向力f1与可调式背叶片(51～56)产生的平衡力f2之差将作用在推力轴承(31、32)上；通过安装在推力轴承32上的推拉双向测力传感器40实时测得轴向推力，将压力信号传输给计算机，进行计算分析得出可调式背叶片的适宜角度，通过可编程逻辑控制器62和背叶片旋转角度控制机构调节可调式背叶片(51～56)的角度，最终使得压气机产生的轴向推力和背叶片产生的轴向平衡力之差的绝对值尽可能接近于零，实现轴承处所受推力小于其安全值的目标。此外，本实施例超临界二氧化碳压气机还能降低静密封件21前所需承受的密封压力，减小密封长度。

另外，运用计算机的数据智能分析，采集sco2压气机在启停过程中产生轴向推力的变化规律及背叶片调节的实时跟踪规律，在压气机在启停时设计背叶片的角度变化规律，实行背叶片角度的提前控制，从而进一步保护sco2压气机在启停过程中轴承的受力在安全范围内。

在本公开的另一个实施例中，还提供了一种背叶片自动调节装置。该背叶片自动调节装置实际为第一实施例超临界二氧化碳压气机中的背叶片自动调节装置。

请参照图1，该背叶片自动调节装置包括：推拉双向测力传感器40，设置于推力轴承32与轴10之间，用于测定该推力轴承向轴所产生的轴向推力；可调式背叶片(51～56)，固定于叶轮20的背面，该可调式背叶片相对于轴径向的角度可调；控制机构，用于根据推拉双向测力传感器所测得的轴向推力，调整可调式背叶片相对于轴径向的角度。关于轴10、叶轮20、推力轴承(31、32)、推拉双向测力传感器40、可调式背叶片(51～56)、控制机构的具体内容，可参照第一实施例的相关说明，此处不再重述。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)虽然本公开实施例以超临界二氧化碳压气机为例进行说明，但本领域技术人员同样可以将其应用于其他类型的压缩机、汽轮机、膨胀机、涡轮机；

(2)在某些应用场景下，推拉双向测力传感器还可以用推向测力传感器来代替；

(3)除了计算机之外，还可以采用其他类型的计算装置来实现旋转角度计算的任务，如单片机、fpga等。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开背叶片自动调节装置及应用其的压气机有了清楚的认识。

综上所述，本公开在压气机轴承处布置推拉双向测力传感器，实时测量压气机工况变化过程中轴承所受轴向力，将该压力值及时反馈到控制器，通过控制器来调节背叶片的旋转角度，使得其产生的轴向平衡力升高或降低，最终实现压气机产生的轴向推力和背叶片产生的轴向平衡力之差的绝对值尽可能接近于零，实现轴承处所受推力小于其安全值的目标。另外，通过采集sco2压气机在启停过程中产生轴向推力的变化规律及背叶片调节的实时跟踪规律，利用计算机进行数据智能分析处理，为下次压气机在启停时设计背叶片的角度变化规律，实行背叶片角度的提前控制，从而进一步保护sco2压气机在启停过程中轴承的受力在安全范围内，具有很强的创新性及工程实现价值。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。