Design and Blade Number Ratio Analysis of Organic Rankine Cycle Radial-Inflow Turbine on Vehicle

The organic Rankine cycle is widely used in industrial waste heat, engine waste heat and other waste heat recovery applications, and as a key component of the system, it affects the efficiency and output power of the system. In this paper, a centripetal turbine is designed for the organic Rankine cycle, using vehicle exhaust gas as the heat source. Numerical simulations are performed to analyze the effect of the ratio of the number of guide vane blades to the number of impeller blades (vane number ratio) on the turbine performance and flow field. The results show that the effect of the number of impeller blades on the turbine entropy efficiency, the average exit velocity and the temperature of the guiding grate becomes less and less as the ratio of the number of blades increases. The optimum turbine performance is obtained when the number of impeller blades and the ratio of the number of blades are 17 and 1.5882, respectively, and the expansion performance of the guide impeller is improved and the isentropic efficiency of the turbine is improved by 3.84% compared with the preliminary number of blades.

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。

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。

阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流,这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性,数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响,分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明:两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内;对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸,入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%,扬程降低1.2 m;阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率;尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°,这两个叶片的压力面脱流加剧,产生逐渐向下游耗散的失速团,叶片承受2倍转频的非稳态激振力;尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右,最大径向力达到均匀入流的7倍左右,径向力矢量发生偏移,离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。

部分进汽径流式透平推力评估方法研究

由于部分进汽径流透平内部存在进汽弧段和非进汽弧段,使得叶轮正面与背面的压力沿周向分布非常不均匀,这种不均匀性会对叶轮推力的计算带来很大困难。文章通过对部分进汽度对径流透平推力评估带来的影响进行研究,提出部分进汽径流透平的推力计算方法,使得在方案设计初期快速并相对精确地评估叶轮的推力情况,最大限度地消除部分进汽带来的推力误差,缩小推力范围,保证机组安全稳定运行。

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。

背压向心汽轮机出口变工况特性数值仿真

背压式向心汽轮机适用于工业蒸汽的余压回收,而该应用场景常因流量不稳定造成汽轮机的出口工况变动,使机组的运行效率受到影响。为了掌握变工况时汽轮机的工作特性,本文使用商用软件ANSYS对背压汽轮机中的向心涡轮进行数值计算,绘制出向心涡轮特性曲线;同时,针对性能较差的小流量工况,文章采用了部分进汽的方式优化涡轮性能,并借助全圆周定常计算论证了部分进汽优化方式在向心汽轮机上的可行性。结果表明,出口压力会对涡轮的通流特性产生较大影响,随着出口总压的减小,流量逐步增大并最终趋于临界值,涡轮整体性能较为理想;但若出口压力持续增大,则涡轮的通流能力变差,其气动效率将急剧下降。采用部分进汽方式调节涡轮性能时,若速比小于0.85,可采用较大部分进汽度及分散进汽方式适当提升输出功;而若速比大于0.85,通道流量始终处于较低水平,此时应通过降低部分进汽度并采用集中进汽的方式可改善流动状态,提升涡轮气动效率。

冰沟富水断层浅埋隧道涌水预测与堵水技术方案

随着我国经济的发展和基础设施建设的增多,复杂地质条件隧道工程建设逐渐增多,尤其是西部地区地形和水文地质条件复杂,往往面临着富水、浅埋、穿越断层破碎带等多种不良地质,施工期间易发生涌水、塌方等地质灾害,给隧道建设带来很大的挑战。以中兰客专香山隧道穿越冰沟富水断层浅埋段为工程背景,在地质勘探的基础上,采用经验公式和数值模拟预测隧道施工过程的最大涌水量,基于“堵水限排”的理念,对堵水方案进行研究。研究结果表明,香山隧道下穿冰沟断层浅埋段为中等富水区,需采用有效的注浆堵水方案控制涌水量;采用5m径向注浆后,隧道涌水量为0.64m^(3)/(m·d),此方案堵水效果明显;径向注浆可以有效加快施工进度,节省投资。研究结果可为隧道下穿富水断层浅埋段提供指导。

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。

向心涡轮内部流动数值模拟分析

利用三维数值模拟方法对向心涡轮内部流动进行数值模拟,分析了岛型导叶的气动特点、通道中的二次流动和各个涡系的发展以及不同叶尖间隙对流动的影响。结果表明:在一定范围内岛型导叶对气流角变化不敏感;在靠近动叶进口处二次流动比较明显,流动比较复杂,而通道中各个涡系的演化发展都集中在靠近动叶吸力面一侧;随着的罩壳半径的减小,动叶叶尖处间隙流动逐渐增强;适量的间隙流动有利于改善通道顶部区域流动。

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。

考虑井壁径向流入的大位移井井筒压降计算

根据大位移井井筒流动特征 ,应用质量守衡、动量守衡原理建立了考虑井壁流体径向流入的任意倾角的大位移井筒压降计算模型。普通水平管内单相液流压降模型和Dikken的压降模型是所建模型的特例。在井筒为单相层流、紊流的情况下 ,对考虑了井壁流体流入的摩擦系数进行了分析讨论 ,对不同井长和井产量用实例分别计算了单相流情况下井筒的压力分布和压降。计算结果表明 ,在井筒较长、井产量较高时 ,不能忽略井筒压力降。

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.

空气系统径向内流引气的流动特性数值分析

对有/无导流盘引气结构的空气系统径向内流引气进行数值模拟,并对两者的流场和气流沿程总温进行对比分析。研究表明导流盘能显著降低气流的沿程总温,总温降高达40K,而无导流盘引气结构的总温降仅为10K。导流盘能减少气流的流动阻力,在小流量情况下的减阻作用更为明显。两种引气结构的旋流系数峰值随引气流量的增加而增大。在大引气流量下,带导流盘引气结构的旋流系数峰值高达3.0,其减阻优势严重削弱。通过对外作功和降低气流的旋转速度,导流盘具有减阻降温的作用,可以显著地提高空气系统的引气品质。

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。

向心透平叶轮子午面形状等腰梯形设计法

基于一元流动的子午面形状校核原理,研究出等腰梯形设计法。该方法依托3D软件,经过9步骤,方便快捷设计出子午面形状。将等腰梯法设计的子午面形状,与Vista RTD设计的进行比较,形状非常吻合,误差最大值在5%左右。结果表明:两个模型气动性能无明显差异,在输出功、压比、等熵效率方面,新方法的模型略优于Vista RTD的模型。

微型燃气轮机向心透平的设计和研究

在研究微型燃气轮机向心透平结构特点和工作原理的基础上,建立了向心透平设计计算的数学模型.利用计算机辅助设计技术完成向心透平的热力计算和通流部分的结构设计,应用参数化设计思想和三维建模技术实现其变参数时的快速实体建模,应用有限元分析方法进行叶轮的结构分析和优化,基于虚拟操作平台实现其装配顺序规划、碰撞检测和装配仿真.

小功率向心透平叶轮内部流动及其分离特性的研究

本文通过准三元流动分析和进一步发展的分离流动计算方法,对在变工况下工作的涡轮增压器造平φ75mm叶轮的内部流场进行了数值计算和分析,深入地揭示了小功率向心透平叶轮内部的流动规律及分离特性,提出了抑制分离、改善流动的叶轮改型的关键措施及进一步研究的方向。对增压器一类的小功率向心造平叶轮的设计和改进研究具有实用意义。