确定涡轮机的等熵效率

文档序号：1685614 发布日期：2020-01-03 浏览：46次 >En<

阅读说明：本技术 确定涡轮机的等熵效率 (Determining isentropic efficiency of a turbomachine ) 是由 V·斯米利亚诺夫斯基 H·M·金德尔 J·克默林 A·库斯克 F·克拉默 L·赫可曼 F 于 2019-06-27 设计创作，主要内容包括：本申请涉及确定涡轮机的等熵效率,并公开一种用于确定涡轮机(20)的等熵效率的方法,该涡轮机(20)包括旋转轴线(21)、入口(22)和出口(23)。该方法包括以下步骤：确定入口(22)处的流体质量流(<Image he="57" wi="58" file="DDA0002109554920000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>)的切向速度(cu1)；引导出口(23)处的流体质量流穿过块(2),块(2)包括多个流动通道(5)和纵向轴线,多个流动通道(5)布置成彼此平行、成直线性地延伸并且连接彼此,并且块(2)安装成使其绕纵向轴线可旋转；通过用于确定块(2)的角动量(1)的装置,确定出口(23)处的流体质量流的角动量(S2)；根据入口(22)处的流体质量流的切向速度(cu1)和出口(23)处的流体质量流的经确定的角动量(S2),通过欧拉方程确定旋转流的等熵效率。(The present application relates to determining isentropic efficiency of a turbine and discloses a method for determining isentropic efficiency of a turbine (20), the turbine (20) comprising a rotational axis (21), an inlet (22) and an outlet (23). The method comprises the following steps: determining the fluid mass flow at the inlet (22) (( ) Tangential velocity (c) u1 ) (ii) a Directing the fluid mass flow at the outlet (23) through the block (2), the block (2) comprising a plurality of flow channels (5) and a longitudinal axis, the plurality of flow channels (5) being arranged parallel to each other, extending linearly and connecting each other, and the block (2) being mounted such that it is rotatable about the longitudinal axis; determining the angle of the fluid mass flow at the outlet (23) by means for determining the angular momentum (1) of the mass (2)Momentum (S) 2 ) (ii) a According to the tangential velocity (c) of the fluid mass flow at the inlet (22) u1 ) And a determined angular momentum (S) of the fluid mass flow at the outlet (23) 2 ) The isentropic efficiency of the rotating flow is determined by the euler equation.)

确定涡轮机的等熵效率

技术领域

本发明涉及一种用于确定涡轮机(例如，涡轮)的等熵效率的方法。此外，本发明涉及一种用于确定流体质量流的角动量的装置、一种涡轮机以及一种机动车辆。

背景技术

涡轮机(特别是涡轮)的等熵效率很难测量，因为其基于热力学方程，热力学方程需要入口温度和出口温度以计算焓差。然而，由于传热效应，出口处的温度通常太低，因此计算出的效率总体上太高。

发明内容

本发明的目的是提供一种从所描述背景中改进的用于确定涡轮机的等熵效率的方法，该方法尤其能够确定实际效率。

通过如专利权利要求1所述的用于确定涡轮机的等熵效率的方法，通过如专利权利要求9所述的用于确定流体质量流的角动量的装置，通过如专利权利要求12所述的涡轮机，以及通过如专利权利要求15中所述的机动车辆来实现这个目的。从属权利要求包含本发明的其他有利实施例。

根据本发明的用于确定涡轮机(例如，涡轮)的等熵效率的方法涉及一种包括旋转轴线、入口和出口的涡轮机。该方法包括以下步骤：确定入口处的流体质量流

的切向速度c_u1。切向速度被理解为流体质量流

在相对于涡轮机的旋转轴线的周边方向上的速度分量。在进一步步骤中，流体质量流在出口处被引导穿过块，块包括多个流动通道和纵向轴线，该多个流体通道(例如，管道)布置成彼此平行、成直线性地延伸并且连接彼此。块安装成使其绕纵向轴线可旋转。出口处的流体质量流的角动量S₂通过用于确定块的角动量的装置来确定。随后，根据入口处的流体质量流的切向速度c_u1和出口处的经确定的流体质量流的角动量S₂，通过欧拉方程确定旋转流的等熵效率。

根据本发明的方法基于在流体质量流通过涡轮机(例如，通过涡轮)期间的角动量获取。虽然已知涡轮机入口处的角动量S₁，特别是其可以由切向速度c_u1、质量流

距旋转轴线的距离R、以及质量流

来计算，但是涡轮机出口处的角动量S₂是未知的。在流穿过块期间，剩余的角动量S₂减小到零，并导致块绕其纵向轴线枢转。通过用于确定角动量的装置查明(例如测量)引起枢转的角动量。根据入口处的角动量与根据本发明在出口处查明的角动量的差，或者根据入口处的切向速度与从出口处的角动量S₂查明的出口处的切向速度c_u2的差，通过欧拉方程可靠地计算等熵效率。根据本发明的方法确定等熵效率具有以下优点，一方面，其提供非常可靠的结果，另一方面，其与由热传递引起的效果无关。

等熵效率η对应于比功w与等熵比焓变化Δh的比率，即η＝w/Δh。根据欧拉方程：w＝u_2*c_u2–u_1*c_u1。在这种情况下，c_u1是入口处的切向速度，c_u2是出口处的切向速度。u是涡轮机的圆周速度，具体分别地是入口处的旋转叶片尖端的圆周速度(u₁)或出口处的旋转叶片尖端的圆周速度(u₂)。c_u分别地是入口处的可用流体速度(c_u1)或出口处的可用流体速度(c_u2)。角动量S是质量流量

距旋转轴线的距离R和切向速度c_u的乘积，即

c_u与流入速度相同(遵循质量守恒)，即

其中A是流动横截面，ρ是入口处的气体密度，

是质量流。根据理想气体方程ρ＝p/(T*R_s)，通过在质量流的入口处测量的压力p和入口处测量的温度T计算入口处的气体密度ρ。

根据下面的公式确定Δh，其中Δh由dH表示：

在一个有利的变型中，根据公式

通过确定的切向速度c_u1计算入口处的流体质量流

的角动量S1，其中R是质量流距旋转轴线的距离。在该变型中，等熵效率η由入口处的流体质量流的经确定的角动量S₁和出口处的流体质量流的经确定的角动量S₂确定。流体质量流的压力p和温度T优选在入口处测量，并且根据

计算入口处的切向速度c_u1，其中A是流动横截面，Rs是比气体常数。

在另外的或可替代的变型中，出口处的切向速度c_u2根据出口处的流体质量流的角动量S₂确定，并且等熵效率η通过出口处的切向速度c_u2与入口处的切向速度c_u1的差来确定。在这种情况下，可以根据

计算出口处的切向速度c_u2，其中

是流体质量流，R是质量流距旋转轴线的距离。

所描述的变型具有以下优点：只需要测量被高精度确定的简单变量就可以确定效率，并且可以以简单的方式计算效率。

在一个有利的变型中，用于确定块的角动量的装置包括布置在块上的扭转测量装置(例如扭杆)。通过使用扭转测量装置(例如扭杆)，可以实现精确确定涡轮机出口处的流体质量流的角动量的简单且可靠的选择。

流动通道的长度L与直径D的比率可以是例如2至3(2≤L/D≤3)。

块优选地安装成通过轴承(例如通过两个气密轴承)使其绕其纵向轴线可旋转。例如，块可以包括第一端和第二端，其中第一端布置在涡轮机的出口处，第二端布置在第一端的下游。换句话说，流体质量流从第一端穿过块流到第二端。第一轴承，优选地是流体密封轴承，可以布置在第一端处，并且第二轴承，优选地是流体密封轴承，可以布置在第二端处。流体密封轴承的使用具有以下优点：离开涡轮机出口的整个流体质量流流过块，并且以这种方式可以完全检测出口处的流体质量流的角动量。

根据本发明的用于确定流体质量流的角动量的装置包括块和用于确定块的角动量的装置。该块包括纵向轴线和被布置成彼此平行、成直线性地延伸并且连接彼此的多个流动通道。块安装成使其绕纵轴可旋转。用于确定块的角动量的装置优选地包括扭转测量装置。扭转测量装置包括扭杆或被设计成扭杆。根据本发明的装置能够简单且精确地确定流体质量流的角动量。

根据本发明的涡轮机包括旋转轴线、入口和出口。在出口处，用于确定流体质量流的角动量的上述装置流体地布置在出口的下游并连接到出口。根据本发明的涡轮机被设计用于根据本发明的上述方法确定等熵效率。根据本发明的涡轮机具有与根据本发明的方法结合的上述优点。块优选地安装成通过流体密封轴承(例如通过两个流体密封轴承)使块绕其纵向轴线可旋转。

涡轮机可以包括涡轮和/或压缩机。涡轮机可以设计成例如机械增压器(supercharger)，特别是被设计成涡轮增压器。此外，涡轮机可以设计成燃气轮机、蒸汽轮机或喷气发动机。涡轮机可以设计成径向机器。

根据本发明的机动车辆包括根据本发明的上述涡轮机。根据本发明的机动车辆具有与根据本发明的涡轮机和根据本发明的上述方法相同的优点。机动车辆可以是例如客运汽车、卡车、摩托车、公共汽车、小型货车或厢式货车。

附图说明

下面将参考附图基于示例性实施例更详细地解释本发明。

图1示意性地示出用于确定流体质量流的角动量的装置。

图2示意性地示出根据本发明的涡轮机。

图3示意性地示出根据本发明的机动车辆。

具体实施方式

图1示出用于确定流体质量流的角动量的装置。装置1包括由多个流动通道5制成的块2，该流动通道5(例如，各个管道5)布置成彼此平行、成直线性地延伸并且连接彼此。块2包括入口3和出口4，或包括第一端3和第二端4。流体质量流通过块2的流动方向，即具体地通过各个流动通道5的流动方向，由附图标记7标识。

此外，块2包括中心轴线或纵向轴线6。块2安装成使其绕中心轴线6可旋转。为此，在所示的变型中，第一轴承8布置在第一端3的区域中，第二轴承9布置在第二端4的区域中。轴承8和轴承9优选地是流体密封轴承。这具有如下效果：流体质量流完全通过块2的流动通道5被引导，并且不能流过块2。

在块2绕其纵向轴线6枢转的情况下，用于确定块2的角动量的装置布置在块2上。在这种情况下，该装置可以是例如扭杆11。扭杆11可以布置，优选地固定在例如块2的侧表面10上。

如果通过入口3流入块2的流体质量流具有角动量S2，则这因此导致角动量传递到各个流动通道5并且引起块2绕其纵向轴线6的枢转。通过扭杆11或另一相应的装置，可以以简单的方式测量该角动量。由于各个流动通道5的直线性路线，离开出口4的流体质量流的角动量等于零。因此，流体质量流的角动量S2已完全转换为块2的角动量。

图2示意性地示出根据本发明的涡轮机20(例如涡轮)。涡轮机20包括旋转轴线21、入口22和出口23。流入入口22的流体质量流的流动方向由附图标记24标识。入口22处的流体质量流距旋转轴线21的距离R由附图标记25标识。

在根据本发明的方法的范围内，流体质量流量