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。

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。

叶片型线对纯径流式向心透平气动性能的影响

以实验室的某纯径流式可调向心透平为研究对象,应用计算流体力学软件FLUENT,比较分析了几种不同曲线为动叶叶型对透平性能的影响;在此基础上,提出以阿基米德螺线为中弧线的叶片参数化造型方法,结果得到气动性能良好的叶片型线,阿基米德螺线叶型的叶轮效率比连锁螺线提高8%;参数优化后的叶型比原曲线叶轮效率提升5%左右。以优化后的曲线为叶轮型线,在不同操作参数下,得到了透平的轴效率特性曲线。研究可为小功率向心透平的叶片设计和优化提供指导。

2.2MW四级串联式向心透平气动设计

使用Concepts NREC向心涡轮设计工具,结合CFD(Computational Fluid Dynamics)计算校核,实现了2.2MW四级串联式向心透平的气动设计。计算结果表明:各级向心透平动叶进口攻角处于-15.0°~-30.6°范围,动叶通道流场均匀无分离。各级动叶出口气流设计为轴向流出,通过级间流场光顺的转弯段,级后静叶前缘无明显攻角,表明各级动静之间流动匹配良好。最终整机在3.786kg/s的较小流量下,以92.2%的总总等熵效率实现了2.3MW的总输出功率。

小型海洋温差能向心透平的性能研究

针对海洋温差能发电系统设计了发电功率为3 kW的向心透平,并使用CFD技术对设计的透平进行仿真研究和变工况分析,最后分析了动静叶径向间隙以及转子叶片数量对向心透平性能的影响。结果表明:设计的透平性能良好,等熵效率为84.96%;随着转速升高,透平的效率先增大后减少;透平的最佳转速也会随入口压力的增大而增加。入口压力升高会增加透平的输出功;随着转速的增大,流量逐渐减小。合理选择喷嘴与动叶轮之间的径向间隙,可使喷嘴出口处工质流动更加均匀;另外,将透平的转子叶片数量增加到8个,可提高透平性能。

有机朗肯循环低品位热能发电系统向心透平的设计与性能研究

自行研发了用于有机朗肯循环低品位热能发电系统的向心透平,并以压缩空气为工质,在透平性能实验台上对向心透平的性能进行了测试研究。实验结果表明:透平的最高转速为63 945r/min时,透平进出口温降最高为51.7℃,透平的膨胀功率为4.369kW,发电机的电功率为2.567kW;在不同流量、不同入口温度条件下,使透平在额定转速附近运行,转速为59 553 r/min时透平效率和机电效率同时达到了最大值:65.3%和79.1%,而透平膨胀功率为2.809kW,稍大于设计功率;在不同条件下,得到透平的最大效率为65.7%,发电机的最大机电效率为79.5%。因此,研发的向心透平具有较好的性能。

中高温太阳能有机朗肯循环系统向心透平气动设计研究

对中高温太阳能有机朗肯循环发电系统的有机工质进行对比分析;对发电系统的有机工质向心透平进行设计研究。根据给定的热源参数和发电功率,对甲苯、C12(十二烷)、D4(八甲基环四硅氧烷)、MDM(八甲基三硅氧烷)、MM(六甲基二硅氧烷)等工质进行详细的气动设计和多参数对比分析;根据分析结果选用甲苯为工质进行向心透平气动设计、三维造型设计和计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟验证。计算结果表明:选用甲苯为工质的ORC系统质量流量最小,系统热效率最高;模拟结果与设计结果基本一致,模拟状态参数的相对误差在2%以内,模拟的功率和轮周效率误差分别为3.16%和2.9%,表明热力设计的准确性;同时通过整机模拟,证实了该ORC向心透平具有良好的气动性能和热力学性能。

叶轮顶部间隙对向心透平总体性能影响的研究

对微型燃机向心透平叶轮顶部间隙流动在级环境下进行了全三维粘性数值模拟．研究结果表明:顶部间隙小于 2％时,间隙每增加1％,级效率降低1．5％,而级通流能力有所降低;径向与轴向间隙变化对级性能影响有很大差别, 径向间隙增加对级效率降低的影响是轴向间隙增加的8．3倍,径向间隙增加使通流能力增强的程度是轴向间隙增加使通流能力减弱的4．2倍。此外,将间隙流场与文献报道试验结果进行了比较,差别主要在工作轮顶部区域。

向心透平级内流动的数值研究

本文基于三维N-S方程组,采用结构化网格,用数值方法模拟了一台75 kW微型燃气轮机中涡轮级内的流动。湍流模型采用Baldwin-Lomax模型,计算方法基于Jameson格式。结果表明:静叶流道在吸力面一侧,沿子午流线的前25％区域气流快速膨胀,而压力面在60％以后逐渐膨胀。一定的气流入口角能有效控制导叶内横向二次流动,并使得气流出口角更加均匀,其出口气流的落后角也有明显的减小。在叶轮流道内部的损失区主要集中在吸力面一侧,叶顶间隙的泄漏流动使得吸力面与叶顶间的角隅区的损失有明显加大,控制叶轮的径向间隙对控制流动损失有明显作用。

低温热源有机工质向心透平变工况特性分析

有机物朗肯循环发电系统广泛应用于工业余热、太阳光热和地热等低温热源回收利用领域。作为关键做功部件,膨胀机的性能对有机物发电系统效率和输出功率有着重要的影响。该文针对温度为150-200℃的工业烟气余热,选择R600a为循环工质,进行了适用于有机物朗肯循环发电系统的150k W级有机工质向心透平初步设计和变工况性能研究。在一维气动热力计算和CFD数值模拟基础上,获得了向心透平设计工况气动性能,研究了入口压力、入口温度以及转速对向心透平变工况性能的影响。结果表明,入口压力对有机工质向心透平性能影响最大,转速次之,入口温度的影响最小。同设计工况相比,入口压力变化约±6.25%（±0.1MPa）时,向心透平功率变化约±7.4%（±12 k W）,效率变化约±1.2%（±1%）,流量变化约±6.58%（±0.27 kg/s）。

微型燃机向心透平叶轮顶部间隙流动的数值模拟

对自行研制的100kW微型燃气轮机向心透平叶轮,在级环境设计工况下的顶部间隙流动进行了全三维黏性数值模拟研究,其动静间隙信息传递采用混合平面方法,湍流模型采用SpalartAllmaras模型.结果表明向心透平叶轮顶部间隙流场在轮壳相对运动速度很高的情况下,其影响因素除了所熟知的叶轮叶片顶部间隙两侧压差以及已得到试验验证的轮壳相对运动外,还有另一个重要因素是叶轮叶片表面次流,其存在使得叶轮顶部间隙流场更加复杂;叶轮进口较大的负冲角是该向心透平叶轮叶片表面较强次流形成的主要原因,在研究向心透平叶轮顶部间隙流场时不应忽略.

向心透平导向叶栅的结构优化

以R245fa为工质,采用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT,运用标准k-ε模型,对叶片数分别为15,17,19,21,23,25,27,叶片安装角分别为24°,28°,32°,36°,40°的导向叶栅进行了数值研究.计算结果显示,当叶片数为21,安装角为28°时,导向叶栅的出口周向平均速度、出口平均温度、速度系数等与原设计相比均有了很大的改善.在此叶片数和安装角下,采用线性拟合得到了满足设计流量所需的叶高.研究表明优化后流道内流动情况良好,为高效导向叶栅的设计提供了参考.

10kW向心透平内二次流形成机理与损失分析

为有效改善和提升有机工质向心透平的效率和性能,对10 kW向心透平进行热力设计和模拟计算,分析了静叶栅和动叶轮内部各种涡系的形成机理和表现形式,给出了静叶栅不同截面静压利用系数的分布以及动叶内部截面的总压分布。结果表明:静叶栅内存在压力面到吸力面的横向流动,在前缘和尾缘分别存在马蹄涡和尾迹涡,但并未捕捉到通道涡,马蹄涡的压力面分支会在1/2弦长位置到达吸力面;动叶轮中的涡系主要由前缘压力涡、通道涡以及泄漏涡组成,在动叶前缘压力侧轮毂面形成的涡与端部发展起来的通道涡相互交汇,加剧了此处的流动损失;0.6倍动叶叶高截面的流动状况最佳,由于动叶顶部泄漏涡与通道涡的相互掺混,使叶顶附近截面的流线分布较为复杂。

基于向心透平热力设计优化的有机朗肯循环工质选择

以120 k W有机朗肯循环系统中的向心透平设计为目标,基于多种工质进行设计方案的确定,通过热力计算确定各透平的几何尺寸、通流部件进出口气流参数、轮周效率和轴效率,并综合比较各工质透平的热力性能。结果表明,基于R245fa设计的向心透平具有较小的结构尺寸和冲击损失,较高的轮周效率和轴效率,因此确定R245fa为设计时的最佳工质。

微型燃气轮机向心透平性能试验装置与测量系统

为开发100 kW微型燃气轮机,自主设计建造了高速高精度向心透平性能试验装置。对其主体部分的关键问题,如转子支撑、动平衡等,进行了深入分析与探讨。试验台功率吸收装置采用高速水力测功器,最高转速为50 000 r/min,最大吸收功率150 kW。针对水力测功器标定系统的不足,给出了一种简单实用的解决方案,并对水力测功器力传感器进行了标定。对该试验台向心透平总静效率的测量误差及其影响因子进行了分析。结果表明:效率极限误差为±0.011 4,流量对效率误差的影响因子要较其它物理量大,因而应尽可能提高流量的测量精度。

向心透平稳态全工况性能预测及其实验研究

将向心透平膨胀机喷咀入口至叶轮后扩压管出口模拟为单喷管,通过理论分析,推导出向心透平稳态全工况特性通用模型框架。基于实测数据,应用广义最小二乘法,获得通流特性和效率特性二个模型。用该模型预测其它两台透平膨胀机的特性,结果表明:模型实用范围和精度都较好。因此,在设计向心透平时,它可作为典型特性模型,为全工况优化设计提供依据。

微型燃气轮机向心透平导向器的流场分析与设计研究

对微型燃气轮机向心透平导向器叶片型线的设计原则进行了探讨,设计出了5种尾缘厚度的导向器叶片,并分别对其通道流场进行了全三维黏性数值模拟. 研究结果表明:以该型线设计原则设计出的高亚音速向心透平导向器叶片具有较高的流动效率,并且可以有效减小向心透平的径向尺寸;尾缘相对厚度对导向器叶片流动特性及效率影响较大,尾缘相对厚度每增加1%.叶轮进口气流角将减小约0.03°,速度系数将降低约0.1%.考虑到目前高温合金精密铸造的工艺水平,导向器叶片尾缘厚度取0.6～1.0 mm、尾缘相对厚度小于15%可以获得较高的气动性能.

有机朗肯循环向心透平变工况特性与调节方式研究

有机朗肯循环透平在变工况下的调节特性对系统的高效运行有重要意义。基于循环优化参数,设计了应用于低温热源的有机工质向心透平,探讨了向心透平的性能随进口压力和转速的变化规律,并研究了透平进口压力、出口背压和工质质量流量变化时不同调节方式对透平性能的影响。结果表明:当透平进口压力或出口背压变化时,转速调节能使透平的效率更高;当工质质量流量变化时,部分进气调节的调节性能更好。