有机工质向心透平数值模拟及变工况内流特性研究

基于国内外研究现状,分别对设计工况下和非设计工况下有机朗肯循环向心透平的工作状态进行了三维数值模拟。以透平功率、效率、反动度、静叶损失系数、动叶损失系数作为评价指标,分析了透平在非设计工况下的性能;同时开展了透平在非设计工况下流动状况的描述。结果表明:设计工况下透平输出功率为122.3 kW,透平等熵效率为83.54%;在非设计工况下,透平功率和效率在转速比为0.8~1.0时的增幅较大,透平反动度和静叶损失系数均与转速呈线性关系,而动叶损失系数在转速比为0.8~1.2时存在最小值;当转速低于设计转速时,在动叶前缘吸力面存在涡流,当转速高于设计转速时,涡流存在于动叶压力面的前缘,造成此现象的主要原因是动叶转速与静叶出口流速的周向分量之间存在差值。

高速S-CO_(2)向心透平几何参数优化及变工况特性分析

透平是热力循环中实现热功转换的核心设备,优化透平几何参数以改善气动性能,是提升系统热效率的关键。该文以面向某船舶主机烟气余热利用的超临界二氧化碳布雷顿循环透平设计参数为基础,给出向心透平主要几何参数,采用耦合CO_(2)真实物性参数的CFX仿真方法,分析几何参数动、静叶包角以及叶轮出口几何角对透平性能的影响规律并进行参数优化,进一步研究非设计工况下的透平运行特性。结果表明:增大静叶包角会使动叶前缘出现扰动涡流并减少余速损失,增大叶轮出口几何角,动叶包角对透平效率的影响规律不变,但效率峰值点会沿动叶包角减小的方向移动;动、静叶包角和叶轮出口几何角分别为49°、21.5°、25°时透平设计点总-静等熵效率高达87.99%,相比优化前,提高0.54个百分点;透平偏离设计点±20%工况下等熵效率大于80%。结果可为超临界二氧化碳高速向心透平设计提供一定参考。

分流叶片长度及周向偏移量对ORC向心透平性能的影响

利用分流叶片能有效改善叶片通道内的流动阻塞问题,降低流动损失。针对某带分流叶片的有机朗肯循环(ORC)向心透平,研究了不同分流叶片长度和周向偏移量对透平性能的影响,对不同叶片布置方案进行数值模拟,分析了内部流动状况、叶片载荷和损失分布。结果表明:分流叶片能有效削弱通道中的涡流,改善流动状况,使通道内部的压力分布合理;同时在一定程度上分担了主叶片的载荷。与分流叶片长度系数相比,周向偏移量对熵产率的影响较为明显;随着长度系数和周向偏移量的增加,高熵产率范围和总压损失系数均呈现先减后增的趋势,等熵效率的变化则相反,当l=0.5、d=0.5时等熵效率最大,为91.26%,而功率与叶片长度大体呈正相关;将长度系数和周向偏移量分别控制在0.5~0.6时,能保持较为理想的流动状况及叶片载荷分布,高熵产率范围较小,有利于透平性能的提升。

天然气余压发电透平发电机组控制特性研究

本文研究了透平发电机组的物理模型,重点详细介绍了透平膨胀机调速系统、同步发电机、励磁系统的工作原理。并据此利用MATLAB/Simulink建立起透平发电机组数学模型,主要包括透平膨胀机及其调速系统、同步发电机及励磁系统、电力负载模型等。然后根据建立的仿真模型对透平发电机组运行工况进行了常规PID仿真研究,在此基础上,对系统的控制方法进行优化,采用模糊PID控制进行了空载启动和投切负载的仿真研究,根据仿真结果对比了常规PID和模糊PID的控制性能,仿真结果显示模糊PID控制器比常规PID控制器的启动时间更短、超调量更小,使得发电机组的响应过程更加快速、稳定。

有机工质向心透平气动设计与性能优化研究

为提升有机工质向心透平的效率与性能,对400 kW有机工质向心透平进行了一维气动设计。在一维气动设计结果的基础上进行建模,并结合三维数值模拟预测了有机工质向心透平在设计工况下的性能。以向心透平等熵效率为目标,采用均匀试验法对动叶轮的子午流道进行优化设计。结果表明:与原始向心透平相比,优化后的向心透平流场压力分布层次更加分明,整体熵增减小,产生的摩擦损失、尾迹损失明显减小,叶片做功能力增大,向心透平内部的流动情况得到了改善,等熵效率由原来的82.33%提高到85.92%,输出功率也增大了18.04 kW。

燃气轮机透平叶片旋转内部冷却通道研究现状与发展趋势

【目的】透平叶片高效内部冷却技术对提高燃气轮机热效率至关重要,高温透平动叶作为燃气轮机的重要部件,对其冷却性能的把握显得尤为重要。由于科里奥利力(科氏力)、浮升力和通道结构对高温透平动叶内部通道冷却性能影响显著,因此,基于这些影响,总结归纳高温透平动叶内部冷却通道的研究现状与发展趋势。【方法】介绍了旋转内部冷却通道的新型结构设计,提出了一种适用于双层壁叶片构型的新型旋转内部冷却通道结构。【结论】双侧强化U形通道可以利用科氏力的强化换热作用,导致其冷却性能优于传统旋转U形通道,燃机透平动叶内部冷却有着广阔的提升空间。

气浮空气循环机密封轴向气动力研究

针对传统空气循环机双侧高速转子端的轴向力理论经验公式精度偏低,数值计算耗时长的问题,建立包含双侧高速转子的窄缝间隙计算域几何模型,并通过试验校核了模型的准确性。对含双侧高速转子的窄缝间隙内部流场进行数值计算,探讨窄缝间隙对轴向气动力的作用规律,并对传统机械轴向气动力的计算公式进行修正,提出适用于气浮ACM轴向气动力计算公式。结果表明:提出的公式在压气机端的最小误差由原来的59%降低到13%,最大误差由原来的261%降低到75%,在涡轮端最小误差由原来的63%降低到2%,最大误差由原来的98%降低到8%,表明修正后轴向气动力公式减小了轴向力的计算误差,因此提出的公式更加适用于气浮空气循环机的轴向气动力计算。

耗能不花钱的发动机设计

热泵产生的热量是输入电能的COP倍,COP=3-6,利用其能效高的特点,设计了热泵发动机,将热泵的热利用引申到一个新的领域——热泵的机械利用;为了提高热机效率,采用了将热泵串联起来升温的方法,又将热泵热利用引申到另一个新的领域——热泵的高温利用。综合以上两个领域的研究,设计出了一种耗能不花钱的发动机,指出了该发动机带来的三个有益效果:一是不用花钱就能输出能量,二是大力推广就解决了能源危机,三是减少了温室效应,有利于早日实现“双碳”目标。

超高压液驱活塞压缩机液封结构设计及优化

以某300 MPa超高压液驱活塞压缩机为研究对象,重新将其设计为液体密封结构,用甘油(C 3H 8O 3)作密封液体,利用篦齿结构实现降压,提高了超高压压缩机的活塞密封寿命和密封效果。CFD仿真分析了液驱活塞压缩机循环密封液体的流场及油液各处的压力分布和循环流量。从齿宽、齿高、间距和齿数等参数对篦齿的降压效果进行了数值仿真,并分析其变化规律。结果表明:基于优化后的篦齿几何参数,CFD仿真计算显示该密封设计完全符合设计要求,为超高压液驱活塞压缩机密封选择提供了理论指导。

不同叶高水平的透平叶片气动特性分析

为了能够通过CFD手段优化透平叶片气动性能,本文使用雷诺平均方法针对工程上应用的66、44以及22 mm共3种典型叶高水平的透平模型进行了数值模拟,并将计算结果同实验测量结果进行了对比。同时,使用大涡模拟数值方法对22 mm叶高的模型进行非定常计算,得到了与实验结果吻合更好的等熵效率、质量流量等流场宏观参数,在三维流场上透平叶片的叶根与叶顶处的流动更为复杂。研究结果表明:雷诺平均方法可以对66和44 mm叶高的透平模型进行较准确的评估,对于22 mm叶高的透平,只有大涡模拟方法才能够清晰地捕捉到端壁区域紊乱的流动细节。叶片端部区域损失较大,雷诺平均方法处理得到的短叶片端壁区域丢失了流动的脉动细节,导致无法进行准确计算其端壁区域的流动。

转速对制冷波转子射流损失影响定量分析

在制冷波转子的工程应用中,射流损失受转速的影响较大,是制约设备高效制冷的关键因素.为定量分析波转子转速对射流损失的影响规律,确定较优的设计转速,通过分析波转子通道与高压射流喷嘴之间的渐开渐闭过程,研究不同转速下射流阶段的气体掺混程度和涡流强度的变化规律.结果表明:随着转速增大,波转子通道与高压进气喷嘴之间接通时间缩短,导致在渐开过程中管内原有气体的掺混占比减小,在研究范围内,掺混占比由28.84%减小至9.31%;随着转速增大,波转子通道与高压进气喷嘴之间闭合以后的涡流强度逐渐降低,且降低趋势渐缓;波转子制冷效率随转速先增大后减小,在6000r/min附近达到效率高点,当转速超过6000r/min时,制冷效率下降明显.综合考虑波转子的设计转速在4000~7000r/min时制冷效率最佳,研究结果对制冷波转子的工程设计具有指导意义.

整机环境下离心压气机叶轮流固耦合不确定性量化分析

针对流固耦合不确定性量化计算中精度和成本难以有效平衡的问题,从某涡轮增压器离心压气机双向流固耦合计算出发,提出了考虑叶片热态变形和蜗壳非对称影响的离心压气机内流场计算简化模型,并结合集成代理模型和蒙特卡罗方法,开展了整机环境下离心压气机叶轮流固耦合的不确定性量化分析。数值结果表明:在保证计算精度的前提下,相较于整机流固耦合模型,提出的简化模型将计算时间缩短了83%~98%;材料属性不确定性对叶轮效率的影响大于转速不确定性,密度、泊松比和弹性模量3种不确定性因素对叶轮效率的影响程度相当,转速对叶片热态变形不确定性的影响程度在转速不确定性中最为显著;叶片热态变形不确定性对叶轮效率的影响主要体现在效率均值的变化,而与热态变形无关的转速自身、叶轮出口非对称流场等不确定性因素对叶轮效率的影响主要体现在分散度的变化。研究工作突显了流固耦合分析在离心压气机不确定性量化分析中的必要性,为今后开展鲁棒优化设计提供了理论基础。

离心压气机进口径向总压畸变不确定性分析

针对离心压气机实际运行过程中的进口畸变不确定性问题,提出了一种离心压气机进口径向总压畸变不确定性参数化表征模型。以跨声速Radiver离心压气机为研究对象,采用非嵌入式多项式混沌法和Sobol敏感性分析方法,研究了压气机气动性能受叶尖畸变、轮毂畸变两类进口径向总压畸变不确定性的影响,获得了对压气机气动性能影响最为显著的不确定性因素,并分析了不确定性因素影响压气机气动性能的相关流动机理。结果表明:相比于均匀来流,叶尖畸变、轮毂畸变均使压气机级多变效率下降近1.0%;轮毂畸变、叶尖畸变分别对级总压比、扩压器总压损失系数带来的影响较为显著,级多变效率受轮毂畸变影响下降1.4%,叶尖畸变使损失系数增大11.0%;相较于轮毂侧和叶尖侧畸变峰之间的相对位置,压气机气动性能对畸变峰的数值大小更敏感;受进口径向总压畸变影响下的压气机的性能恶化与扩压器叶片进口冲角不均匀分布导致的流动分离现象密切相关。研究工作表明了进口畸变不确定性在离心压气机不确定性分析中的重要性,对未来发展离心压气机鲁棒优化设计具有一定的学术意义和工程应用价值。

燃气轮机透平动叶横流带肋通道中气膜冷却研究进展

【目的】燃气轮机透平进口温度已经远超叶片材料的许用温度,发展更加高效的透平冷却技术,尤其是气膜冷却技术至关重要。在透平动叶中部区域的气膜冷却通常由横流带肋通道供应,因此对近年来横流带肋通道中气膜冷却研究进展进行了综述。【方法】介绍了不同冷气供应方式下气膜冷却性能的差异,归纳了肋片角度、肋片形式、气膜孔与肋片的相对位置、横流通道进口雷诺数对流动和气膜冷却性能的影响,总结了针对横流带肋冷气条件下气膜孔型设计的研究进展。【结果】横流带肋通道内部冷却结构和横流通道进口雷诺数对气膜冷却性能影响显著,横流进气改变了孔出口下游的冷却效率分布,同时孔进口处流动受气膜孔与肋片的相对位置及雷诺数变化的影响。展向非对称气膜孔型和对横流进气不敏感的气膜孔型可有效提升气膜冷却性能。【结论】为进一步推动横流带肋通道气膜冷却技术的发展,建议深入研究各影响因素与气膜冷却性能之间的关系,并对适用于横流带肋进气的专用气膜孔型进行优化设计。

基于刷丝束叉排管束模型的透平机械刷式密封泄漏流动特性和封严机理研究

【目的】为获得刷式密封的精细化泄漏流动特性,并揭示其封严机理,建立基于刷丝束叉排管束模型的刷式密封泄漏流动特性数学模型。【方法】数值求解三维雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程和剪切应力输运(shear stress transport,SST) k-ω湍流模型,研究刷式密封泄漏量和刷丝束间隙的流动特性。数值模拟获得的泄漏量和压力分布与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。获得了4种压比和转速下的刷式密封泄漏量和刷丝束间的泄漏流动曲线。【结果】随着进出口总静压比的增大,刷丝束内部开始出现细小漩涡并逐渐发展,对泄漏流的阻碍作用变大,刷式密封泄漏量增大的趋势逐渐减缓,最后一排刷丝承受的压差占比从13.1%增加至26.3%。【结论】在所研究的转速范围内,转速对刷式密封的泄漏量的影响可以忽略。压比不同时,泄漏流在末排刷丝与后夹板间隙处的径向流动与围栏高度处轴向流动强度存在差异,导致后夹板下方涡系结构不同,通过刷丝束间精细化泄漏流动分析,揭示了刷式密封的封严机理。研究结果可为三维叉排管束模型在刷式密封泄漏流动研究中的应用提供参考。

压气机叶顶间隙流动与控制研究进展

压缩空气储能被视为最具发展潜力的物理储能技术,作为其核心部件,压气机的性能表现在较大程度上决定着储能系统的经济性和效率。叶顶间隙流动因其复杂的三维流动特性,对压气机内部流场结构变化存在重要作用,是影响整机性能的关键因素。文章依照叶顶结构特点分类总结了带冠、无冠轴流压气机和开式/半开式、闭式离心压气机叶顶间隙流动产生的机理,根据压气机流动特性,进一步综述国内外压气机叶顶间隙流动的研究进展,形成以下结论:对于无冠轴流压气机,非定常叶顶间隙流动与失速、叶片噪声及振动问题密切相关,需扩充研究成果以优化叶顶设计;带冠轴流压气机缺乏实验和数据支撑,流动控制手段单一,可尝试跨领域应用控制技术;离心压气机叶顶间隙流动研究仍需探索变间隙特性和周向不均匀性对流动结构的影响,并提升应对流场变化的能力。未来研究可着重于高精度数值模拟方法的应用推广、跨领域控制技术的尝试和复合结构的探索。

10MW三次再热空气透平技术特点

综述了10MW三次再热空气透平开发、研制的技术路线及其独特性、先进性。阐述了全滑压范围内满负荷运行的研究方法,描述了双缸双转速的结构布局。该空气透平的开发对大容量机组的发展具有重要意义。

超临界二氧化碳离心压缩机气动设计与性能分析研究进展

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO_(2))Brayton循环具有效率高、结构紧凑等优点,在能源动力系统中有着良好的应用前景。离心压缩机作为该循环系统的重要部件,因其运行范围广、单级压比大、效率高等优点同样在能源、动力及化工行业得到广泛的应用。气动设计与性能分析是所有压缩机工作的基础,其包含一维气动设计与分析及全三维CFD(computational fluid dynamics)数值分析等关键部分。相对于传统离心压缩机,近临界点特殊的工质物性为SCO_(2)离心压缩机设计与分析带来了新的挑战。通过对近期相关文献的探讨,综述了SCO_(2)离心压缩机的设计方法以及相关学者的性能分析实验,着重介绍了一维设计方法和三维流动分析中的影响因素,并在综合分析后提出了关于SCO_(2)离心压缩机的设计和性能分析的研究重点。

基于火焰结构特征提取的振荡燃烧故障快速检测技术

随着先进燃气轮机不断向高负荷、低排放的趋势发展,燃烧室内发生振荡燃烧的概率持续增大,亟需发展新的检测技术,对振荡燃烧故障进行精确、快速检测。本文提出了基于火焰化学发光图像采集、本征正交分解特征提取、连续小波变换时频分析的振荡燃烧快速检测技术,该技术具有同时解析频谱和频谱随时间演变的能力。通过实验验证,对于振荡到稳定、稳定到振荡、一个主频到另一个主频等多种情况,利用火焰图像本征正交分解得到的模态时间系数,均可获得比压力信号更快的检测速度。在本文涉及的工况,检测速度可提升60%以上。

局部进气裂解油气向心涡轮气动性能分析

为解决低进气量条件下油气涡轮功率与效率提升困难的问题,本文结合裂解油气物性特点,针对性地提出了局部进气裂解油气向心涡轮设计方案。通过数值仿真详细分析了向心式油气涡轮在设计工况下的内部流动特征,并总结了非设计工况下轮周效率随压比、转速以及正癸烷裂解度的变化规律与影响机制。仿真结果表明,本文所设计油气涡轮在0.5 kg/s进气量条件下可实现38.8 kW功率输出,轮周效率为68%,能够满足油气涡轮气动设计需求。根据结果分析可知,随着压比的增大,轮周效率呈现出先增大后减小的趋势:低压比条件下轮周效率增大主要与转子入口攻角损失有关;高压比条件下轮周效率降低则主要是由于激波损失及其引发的附面层分离损失不断增大导致的。研究表明,轮周效率随转速、裂解度发生变化时与转子入口攻角有直接关系,其中,油气工质裂解度每提高20%,涡轮轮周效率可提高13%左右。