涡旋膨胀机研究进展及展望

随着“双碳”目标的提出,涡旋膨胀机作为回收低品位能量的机械装置备受关注。首先,对近年来涡旋膨胀机的理论研究成果进行了综述,主要包括型线理论、热动力学和计算流体力学(CFD)仿真。然后,对涡旋膨胀机在有机朗肯循环(ORC)中的应用进行了总结,梳理了涡旋膨胀机在跨临界CO_(2)制冷循环中的应用研究成果。最后,对涡旋膨胀机未来的研究方向进行了展望。结果表明:变壁厚涡旋膨胀机因其可以在不增加泄漏线长度的情况下增加内容积比,因此将成为未来型线优化的主要方向;CFD仿真已成为重要的研究工具;润滑油是影响涡旋膨胀机性能的关键因素,提高润滑油的黏度有利于提升效率,而过量的润滑油则会使其性能下降;工作压力是影响涡旋膨胀机性能的最主要的因素,过膨胀、欠膨胀以及泄漏现象都会使其性能下降。此外,涡旋膨胀压缩一体机集成了膨胀机和压缩机两个功能单元于一个机壳中,显著简化了系统结构并提高了能量回收效率,是提升新能源车用CO_(2)热泵空调系统性能的有效途径。基于当前的研究成果和行业需求,提出涡旋膨胀机未来应继续深入研究和优化型线设计、减少泄漏、优化工作压力等,以满足日益增长的能量回收和环境保护需求。

地热能全流发电用两相单螺杆膨胀机理论膨胀过程热力特性研究

针对地热能发电技术存在的系统效率与热源利用率低的问题,对全流循环发电系统中替代传统汽轮机使用的单螺杆膨胀机进行了热力特性分析。基于质量守恒方程、能量守恒方程与湿蒸汽维里状态方程,建立了考虑液体闪蒸与气液平衡的单螺杆膨胀机理论全流膨胀过程的热力学模型,探索了进气温度与干度对气液两相工质状态及膨胀机热力特性的影响机理。结果表明:当进气温度由140℃升高至170℃时,湿蒸汽工质的质量、压力和温度均得到提升,单螺杆膨胀机的输出功率也由210 kW提升至约260 kW,等熵效率在进气温度为160℃时取得77%的最佳值;进气干度的提高会减少进入工作腔湿蒸汽工质质量,进而导致膨胀结束后介质压力与温度的降低,但显著促进了膨胀机的性能参数包括输出功率和等熵效率的提高,当进气干度为0.3时,单螺杆膨胀机的输出功率超过了500 kW,等熵效率也可达76.5%。上述研究结果对应用于地热能全流发电的两相单螺杆膨胀机的热力特性分析与改善以及全流发电技术的优化有一定的参考意义。

氦低温透平膨胀机热力性能数值模拟与实验测试

为了深入研究氦透平膨胀机在降温过程及低温条件下的热力学特性,依托ADS 500 W/4.5 K低温制冷机建设了80 K温区的实验系统,进行了氦透平膨胀机的低温变工况测试。测试的氦透平膨胀机主轴轴径为12.00 mm,采用动压氦气体轴承支承,最高转速可以达到252130 r·min^(-1)。在膨胀比为1.88时,膨胀机最大出口温降达到8.1 K;在膨胀比为2.07时,等熵效率达到最高值71.2%。以实验用氦透平膨胀机尺寸及测试工况为基础,建立了透平的数值模型。采用商业软件ANSYS CFX对透平的热力性能及降温特性进行了数值模拟,得到了相应的理论温降曲线。研究结果表明:所建数值模型能够较好地预测该氦透平膨胀机的温降过程,膨胀机出口温度的实验值和计算值结果最大相对偏差为0.45%;所测试的低温氦透平具有优良的热力性能和降温特性,测试的动压氦气体轴承表现出良好的支承稳定性,数值计算和实验结果可为后续相关研究和大科学装置的应用提供参考。

基于小型ORC涡旋膨胀机变工况特性研究及实验验证

涡旋膨胀机作为有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)核心部件之一,其运行特性直接影响了ORC的性能。首先,建立了涡旋膨胀机的三维瞬态仿真模型,通过数值模拟的方法,系统地分析了不同工况下吸气压力、排气压力、转速和对涡旋膨胀机输出功率和等熵效率的影响;其次,分析了不同工况对涡旋膨胀机瞬态性能的影响,较为全面地分析了其中的机理;最后,通过实验室搭建的ORC低温余热无油发电系统试验台验证了数值模型的准确性,实验结果与数值模拟结果吻合良好,验证了数值模拟方法的可靠性和适用性。研究结果对涡旋膨胀机的设计和优化具有重要的参考价值。

瞬态载荷作用下氦透平转子的时域响应分析

采用有限元法研究瞬态冲击下转子动力特性的时域响应,研究核聚变装置在实验过程中产生的交流损耗给氦透平膨胀机带来的冲击问题。同时研究了轴承刚度、阻尼和轴承间距等因素对转子的振动位移以及自我调节能力的影响。研究结果表明:瞬态冲击造成转子轨迹紊乱,扩大轴心运动范围,转子的最大振幅与载荷呈线性关系;增大刚度可有效减小转子的最大振幅;增大轴承的刚度、阻尼和跨距有利于提高转子自我调节能力,使其快速回到稳定状态。

用于离子束刻蚀设备的冷却系统

为解决因离子束刻蚀基片的温度效应,采用冷却液和氦气冷却相结合的冷却方式,对离子束刻蚀的基片进行冷却,解决了一般冷却液冷却不充分导致基片升温过高的问题,且根据该冷却系统原理设计出工件台和控温系统,装载至M431-12/UM型离子束刻蚀设备上。通过试验验证,结果证明无论是八英寸硅片还是铝制基片盘,在冷却液和氦气冷却相结合的冷却方式下,冷却效果良好,表面温度均未超过50℃,而铝制基片盘表面温度仅为38℃;同时,若将冷却液换成换热类液体,可实现工件台温度控制,其可用于离子束沉积系统等薄膜生长设备的基片温度控制。

凝胶白球合成分布式控制系统设计与应用

针对凝胶白球的生产特性及自动化控制要求,设计了凝胶白球合成生产控制系统。介绍了凝胶白球的生产工艺流程,并且详细阐述了分布式控制系统的硬件结构设计、程序设计、以及主要复杂工艺的实施方案。实现了对凝胶白球合成的工艺控制和过程管理,经实验生产验证,此系统有效地提高了工厂设备的可靠性,发挥了优化工艺车间的资源配置、降低能耗、节约维护及管理人员费用的作用,取得了良好的经济效益。

离心透平转子的动力学分析与试验

针对某离心式透平膨胀机转子,采用MADYN2000进行动力学建模,对高速轴进行了无阻尼临界转速分析与临界转速图谱分析,选定了轴承刚度范围。确定轴承结构后校验了轴承的动态特性,该轴系的阻尼临界转速满足API617设计要求,并用不平衡响应计算为叶顶密封间隙设计提供了依据。在机组试验过程中,可重复观察到显著的跨临界现象,并对试验期间出现的油膜涡动情况进行了剖析。达到额定转速后的轴承振动趋于良好,经停机拆解未发现叶顶密封有磨损痕迹。试验结果表明,离心透平转子的临界转速和轴承温度计算与试验结果基本吻合,转子动力学分析在新机组的开发过程中具有良好的指导意义。

转子结构参数对双螺杆压缩机性能影响规律的研究

为最大限度地提高双螺杆压缩机的性能,以5、6齿双螺杆压缩机为研究对象,对转子的长径比、齿间及齿顶间隙、扭转角角度等转子结构参数进行系统的分析,研究结果表明:在啮合间隙处于0.02~0.1 mm之间,啮合间隙每增大0.02 mm时,容积效率下降3%~4%,绝热效率下降1.5%~2.4%,比功率下降33%~48%,齿顶间隙对双螺杆压缩机性能的影响大于啮合间隙;随着长径比(L/D)增大,容积效率提高2%~7%,比功率提高40%~70%,绝热效率提高1.5%~5%;扭转角值增大,容积效率、比功率、绝热效率均呈降低趋。研究还进一步探究了转子结构设计参数对质量流量、体积流量、Blow-hole area(泄漏三角形)影响变化规律。研究结果可为双螺杆压缩机的设计研究和优化升级提供一定的理论参考。

双螺杆压缩机工作性能参数仿真及试验研究

双螺杆压缩机是将低压气体转换为高压气体的一种旋转机械装置,现阶段存在着影响双螺杆压缩机内部流场性能参数的研究不够全面,缺少相关试验分析,并且四大工作性能参数对双压缩机性能的影响尚未系统化、定性化描述的问题。以5~6齿双螺杆压缩机为研究对象,利用Pro.e和Pumplinx软件为研究手段,建立双螺杆压缩机3D流体域模型,采用动网格技术分析了功率、流量、比功率、压力四大工作性能参数在瞬态流场特性下的变化规律,同时,进行了试验验证。结果表明,功率仿真数据与试验数据相比较,差异率为0.13%,排气量差异率为0.933%,比功率差异率为4.92%,压力差异率为0.388%。由此可知仿真值与试验值差异率均小于5%,吻合度较好,研究结果完善了双螺杆压缩机性能参数评价标准,为后续双螺杆压缩机性能优化提供了一种新方法。

双向进气型脉冲管膨胀机能流分析研究

通过建立双向进气型的脉冲管膨胀机系统焓流模型,分析识别了能流在系统内部流向及变化规律,构建了热端换热器换热物理模型,分析出双向进气结构在模型中对热端换热器的焓流熵流影响。建立系统内小孔阀计算模型,并开展实验测试,获得焓流随时间变化关系。该研究有助于其进行性能预测。

氦透平膨胀机相似模化方法分析与实验验证

由于氦透平膨胀机在设计工况下进行低温性能测试的实验平台和配套设施很难满足要求,且低温工况较难达到,因此通常用膨胀机在空气中的实验来检验其性能,并通过相似模化方法得到膨胀机低温下的性能。通过分析工质在透平膨胀机中的流动及能量转化过程,发现特性比U1/CS、膨胀比P1/P2、马赫数Ma、雷诺数Re是影响膨胀机性能的关键参数。结合相似理论,以透平膨胀机变工况性能预测程序计算结果为依据,筛选出了以U1/CS为第一相似准则,以Ma、k^(−1)·Ma^(−2)、Ma·k^(−1)、k·Ma^(2)作为第二相似准则的四组相似准则数。以流体动力学计算结果为依据,从四组相似准则中选择出了模化误差最小的相似准则,即U1/CS与Ma·k^(−1)组合。结果表明:相似模化前后氦气与空气透平膨胀机间等熵效率的最大误差在±1.4%以内,且在内部流场预测(马赫数、速度分布)等方面具有良好的模化效果;氦透平膨胀机在设定工况下和空气透平膨胀机在相似模化工况下的等熵效率实验数据显示,两者变化趋势一致且误差小于1%。

叶顶间隙对氮低温透平膨胀机效率影响的数值模拟

氮低温制冷循环系统为高能同步辐射光源提供80 K温区冷量,其最核心的部件为氮透平膨胀机,透平叶顶间隙会改变流场分布,对效率产生较大影响。首先根据设计工况初步确定了氮透平的几何结构,随后利用数值模拟对流场进行计算,研究了叶顶间隙参数对流场分布以及整体效率的影响。结果表明,叶顶间隙的存在会使工作轮入口叶顶出现涡流,改变流场分布。在等叶顶间隙情况下,叶顶间隙相对出口叶高小于1.5%时,间隙每增加0.5%,等熵效率降低1.5%左右;在不等叶顶间隙情况下,径向间隙对透平效率的影响要明显大于轴向间隙。

CO_(2)气液两相小型膨胀机的研究进展

随着国际社会环境意识的提高,臭氧层破坏、温室效应问题受到持续广泛的关注,越来越多的学者将注意力集中于环保制冷剂。CO_(2)因简单易得、安全可靠、传热性能和流动性好等优点受到重视。本文对CO_(2)气液两相小型膨胀机的研究进展进行分析和总结,发现在循环中将节流阀换成CO_(2)膨胀机可有效提高系统的制冷效率,经过计算得到带膨胀机跨临界CO_(2)循环的制冷、制热效率分别比R134a循环高6.9%、4.6%,比带节流阀的循环高25.76%、16.17%;CO_(2)膨胀机的等熵效率越高,系统制冷、制热效率越大,若CO_(2)膨胀机的等熵效率大于32%,则带CO_(2)膨胀机的系统性能优于带回热器循环的系统性能。不同CO_(2)膨胀机由于结构不同导致效率、泄漏和摩擦损失不同,活塞式、转子式等膨胀机结构简单,但同时泄漏损失也较大;滑片式、旋转叶片式、涡旋式等膨胀机效率得到了很大提高,但其结构较为复杂,制造难度大,生产成本较高;同时对当前存在的一些问题提出了解决办法,如进行合理的设计减小泄漏与摩擦损失、将压缩功提供给压缩机、在膨胀过程中加入其他气体以及设计可调节膨胀比的CO_(2)膨胀机。目前CO_(2)膨胀机的研究基本集中于实验室,在工程中应用较少。因此未来应以实验和理论相结合,进一步研究CO_(2)膨胀机效率提升、关键零部件技术开发等问题。

绿色工质HP-1高温热泵系统中膨胀阀开度与流量匹配特性

节流过程作为热泵系统中的重要环节,对系统运行有着重要影响.以新型环保工质HP-1准二级压缩高温热泵为对象,考虑电子膨胀阀的阀体开度和制冷剂性质等参数影响,利用MATLAB建立系统循环和电子膨胀阀的数学模型,对系统在变工况下的电子膨胀阀开度与流量匹配特性进行模拟,并利用实验数据通过幂律拟合的方法得到了HP-1的流量系数关联式.研究结果表明:椭圆锥形阀体结构的电子膨胀阀可用于HP-1高温热泵系统,能够适应系统在变工况下的节流特性,蒸发温度在50~90℃、冷凝温度在60~120℃范围变化时,该种类型阀体用于主节流阀的开度调节范围为49.8%~69.8%,用于补气路节流阀的开度调节范围为41.5%~56.0%,且经过实验验证具有良好适用性;获得的拟合关联式与实际数据的相对偏差在-7.8%~+7.5%之间,能够准确地预测电子膨胀阀的流量特性.根据制冷剂性质选择与之匹配的电子膨胀阀,并对其控制系统进行优化改进,这对于实际机组的运行性能至关重要.本研究为高温热泵用电子膨胀阀的选型与控制系统的优化提供了良好的研究基础.

透平叶轮内湿蒸汽凝结水滴流动的三维数值模拟

以水蒸汽为介质的透平膨胀机,其内部流场可能会出现湿蒸汽凝结现象,形成的水滴将进一步导致叶片损伤和机组效率降低。因此,研究透平叶轮内湿蒸汽凝结水滴的流动,对于评估叶片侵蚀损伤和气动设计,具有重要意义。本文在Euler-Lagrange两相流动模型的基础上,开发水滴示踪程序,用以捕捉三维流场中凝结水滴的运动轨迹。计算结果表明,该程序能较好地追踪水滴的运动及碰撞信息。

围带对透平膨胀机叶轮气动性能的影响研究

应用CFD方法对透平膨胀机叶轮流场进行计算。首先将计算结果与实验数据进行对比,验证了计算方法的准确性和可靠性。然后对比分析不同围带参数对叶轮气动性能的影响,包括围带宽度、倒角以及叶顶间隙。结果表明,适当宽度的围带有利于提高叶轮气动性能;围带出口内缘倒角有助于提高叶轮气动性能,外缘倒角则会产生不利影响;叶顶间隙会导致叶轮气动性能降低,且随着间隙增大,不利影响更加显著。

回气带液对滚动转子压缩制冷系统性能影响实验研究

按蒸发器出口回液量将回气带液分为四种情形,通过实验方法分析在各回液状态下制冷系统及压缩机性能。结果表明:当蒸发器出口为‘0’过热时,此时的制冷量Q0相对于过热度ΔTSH>0时增大6%～10%,COP提高8%～16%,随回液量进一步加大系统性能降低。小回液量的情况下可以降低压缩机排气温度及有利回油,在回液量达到一定程度时不仅系统性能下降且可能使压缩机磨损加剧和排气阀寿命减小。

气体轴承在低温透平膨胀机上的应用

简要介绍了气体轴承的发展及其在低温透平膨胀机上的应用状况。分析表明 ,开发具有良好性能的新型箔片径向气体轴承 ,研制高稳定性的全动压气体轴承不仅具有巨大的经济效益 ,而且具有较高的学术价值。

提高膨胀机制冷量的研究与应用

由于某炼油厂氮氧站装置内的膨胀机制冷量不足,无法维持空分设备的热平衡,致使装置运行不平稳,无法保证氮气的制备量。为保证生产运行,对膨胀机的运行情况进行分析研究,并对改造过程及方法进行了总结。