618 kW氦氙混合工质向心透平气动设计及分析

本文针对空间核电源系统中高效、轻质的向心透平,采用一维设计结合三维数值计算的方法,设计出以氦氙混合气体为工质的向心透平.使用ANSYS CFX对向心透平的气动特点以及流场特性进行了数值模拟,分析了叶轮内部流动和损失分布情况,数值结果显示出所设计的向心透平有较好的气动性能,效率为84.4％,功率为618.3 kW,本文还...     

向心透平叶轮内部的流动分析与结构优化

采用非可展直纹抛物面法设计出适用于有机朗肯低温余热发电系统的小型向心透平叶轮。对初步设计的叶轮叶片进行数值模拟分析,以验证模拟方法的正确性,并从叶轮5%、50%和95%叶高截面处分别对叶轮内部的静压、总压、温度和速度分布进行流场分析,发现初步设计叶轮结构存在优化空间。对叶轮进行结构优化和数值分析,结果表明,优化后的叶轮性能明显优于原设计,透平等熵效率提高了1%。     

有机工质向心透平静叶叶型优化研究

为提高10kW有机工质向心式透平的气动性能,利用Design Expert软件和ANSYS Workbench软件建立了静叶型线优化平台。以静叶效率为优化目标,将静叶型线的4个角度参数控制为设计变量,采用BoxBehnken试验设计方法进行试验设计,并对所有设计方案进行数值模拟计算,对有机工质向心透平的静叶型线进行了响应面分析及优化。优化后静叶效率达到90.911%,相比于原叶型,采用优化叶型后静叶效率提高了2%,流场分布更佳。研究成果可为有机工质向心透平的设计提供参考。     

ORC向心透平叶轮扭曲规律对其性能的影响

以环己烷为工质,进行了200kW向心透平的热力设计和结构设计,并采用数值模拟方法研究透平内部的流动情况,分析了透平叶轮扭曲规律对透平性能的影响.结果表明:所设计的向心透平对于跨声速工况有着良好的流动特性,叶轮的扭曲程度会影响叶轮流道形状和出口气流与轴向的夹角;不同的叶轮扭曲规律下,透平轮周效率变化的最大值为2.44%,叶轮扭曲规律是叶轮结构优化设计的重要影响因素.     

500 kW有机工质向心透平气动设计

对500kW等级ORC向心透平进行气动设计,利用NREC-Rital模块进行一维热力计算,并进行动静叶造型设计。利用Numeca软件进行向心透平气动性能校核,仿真结果表明:设计的向心透平设计点气动性能优良,满足设计要求。     

部分进气超临界二氧化碳向心透平气动性能研究

基于给定的热力参数,设计了1台超临界二氧化碳向心透平,功率为75kW,部分进气度为0.3,并采用六面体结构化网格、有限体积法和RNGk-ε双方程湍流模型对该透平进行了详细的流场分析。结果表明,所设计的部分进气超临界二氧化碳向心透平输出功率达到73.25kW,效率为66.27%,基本满足设计要求。喷嘴及动叶流道的压力、温度及马赫数分布合理,表明设计方案可行。靠近喷嘴堵塞弧段壁面及动叶非进气弧段流动紊乱,旋涡多,熵增较大,存在明显的部分进气损失。     

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。     

有机工质向心透平设计与变工况分析

分别采用迭代法和筛选法对向心透平进行热力设计和气动设计,通过三维数值模拟分析了向心透平的变工况性能。结果表明:在不同入口质量流量下,总对总效率随相对转速的变化规律不同,入口质量流量越大,总对总效率最高点对应的相对转速越小;在设计入口质量流量下,向心透平在一定的相对转速范围内可以保持稳定高效运行;入口质量流量一定时,向心透平输出功率随相对转速的增大先提高后降低;相对转速一定时,向心透平输出功率随入口质量流量的增大而提高,随着相对转速的增大,向心透平输出功率的变化速率减缓。     

3MW生物质发电超临界CO_2向心透平设计

进行生物质发电用3MW SCO_2向心透平设计,借鉴筛选法的参数约束范围,利用向心透平设计系统进行一维热力计算,并进行静动叶造型。进行三维气动性能校核,仿真结果表明:所设计的向心透平设计点气动性能优良,满足设计要求。     

非设计工况下有机工质向心透平性能数值研究

为了研究某向心透平在非设计工况下的运行特性,保证向心透平高效经济地运行,运用计算流体力学软件进行数值模拟,并且采用Peng-Robinson状态方程计算有机工质真实气体特性,分析了不同转速,进口总温和出口压力对向心透平性能的影响。结果表明,有机工质向心透平性能受变工况的影响较大,控制好合理的进出口参数和转速水平对透平的高效运行至关重要;相对于其它变量,转速对透平效率的影响最大,进口总温最小;在设计工况下,转速、进口总温和出口压力对透平效率的影响相对较小,同时保持了较高的透平效率。     

径向式汽轮机叶轮参数分析及优化

径向式汽轮机叶轮的叶片角度,叶轮进口直径和叶片宽度等因素直接影响着它的蒸汽利用率和机械效率。针对目前径向式汽轮机效率不高,能量损失偏大等问题,以某径向式汽轮机叶轮为研究对象,利用Proe、Ansys等软件对其进行流体域建模,然后进行网格划分、数值模拟、流场分析等一系列工作,分析了该径向式汽轮机的工作效率和损失,并提出了优化叶轮参数的具体方法。     

Effect of blade wrap angle in hydraulic turbine with forward-curved blades

Hydraulic turbine is used for recovering power by using reverse running pump. In order to improve the efficiency of turbine working condition, the impeller with forward-curved blades was applied instead of the impeller with backward-curved blades. The effects on the performance of hydraulic turbine and inner flow character with different blade wrap angles were studied by the method of numerical simulation. The results show that: with the blade wrap angle growth, the maximum efficiency increases, but the range of the flow rate at the high efficiency decreases rapidly; the flow state of hydraulic turbine which in small flow area obtains a remarkable improvement; the flow within the impeller improves and the friction loss increases; the hydraulic loss in the small flow area inside the impeller declines but it grows in the large flow area.     

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.     

向心透平内部流动的研究

对向心透平内部的流动进行了实验与数值的研究。蜗壳内采用单斜丝热线在同一位置旋转．在三个不同的方位测量后拟合计算得到气流的三维速度。在某些特征位置与数值结果的对比，说明了数值结果的可靠性与局限性。对导叶内的流动模拟，确定了入口角度对导叶内二次流动的影响。对叶轮内流动模拟，说明了叶顶泄漏流对主流的作用，以及叶轮内部壁角涡的形成与发展。这些工作对向心透平内部流动的认识提供了参考。     

变叶片数和长短叶片对某跨音速向心汽轮机气动性能的影响

利用三维数值模拟的方法对一跨音速向心汽轮机进行了气动设计优化分析,通过改变叶片数和采用长短叶片结构等方法分析其对叶轮内流场的影响,分析了TC-4P叶型的气动特点。结果表明:TC-4P叶型虽然只是普通的渐缩型流道的叶栅,但利用其斜切部的膨胀能力,对超音速工况一样具有良好的性能;叶轮采用长短叶片的方法可以有效地降低余速损失,并改善流动状况。     

基于内部流场分析的离心风机改型设计

本文以某型离心风机为基础,依靠数值模拟的方法,基于对风机内部流场的分析,对其进行优化改型设计。主要分为三个方面：其一,将叶轮的直叶片改型为前掠正弯叶片,控制端区低能流体堆积,抑止叶栅流道分离流动的发生;其二,根据弯掠优化得到的叶轮设计改型风机机壳,以适应弯掠叶轮的出口气动条件;并根据弯掠叶轮与改型机壳内部流动的分析,对叶轮采取根切的优化方法,保持风机全压和流量在合理的大小。得到的优化设计风机,在保持全压和流量基本与原型相等的条件下,效率提高5%以上。     

超临界氦气离心压气机流场分析

设计了一个包含离心叶轮、扩压器和回流器的单级超临界氦气离心压气机,并采用数值模拟方法对设计结果进行了三维数值模拟分析。通过对总特性、叶表压力分布、展向参数分布以及三维流场的分析,得到了高负荷超临界氦气离心压气机各部件内部的典型复杂流动特点。研究结果表明：相比常规工质,超临界氦气离心压气机单级压比较低,但叶轮与扩压器的负荷和级效率较高,且超临界氦气整体流动为亚音流,只在叶片前缘局部出现超音区。     

一种适用于车用增压器涡轮的前弯后掠式叶轮

本文给出了车用增压器涡轮叶轮的一种新型结构——前弯后掠式叶轮。这是针对车用增压器涡轮的实际工作条件以及常规叶轮的不足，基于叶轮内部流动改善以提高涡轮的变工况适应性而提出的。文中详述了新型叶轮的设计思想及其理论和实验依据，并通过数值试验证明了前弯后掠式叶轮较常规叶轮在气动热力学机理上的改进。     

Performance enhancement of a pump impeller using optimal design method

This paper presents the performance evaluation of a regenerative pump to increase its efficiency using optimal design method.Two design parameters which defme the shape of the pump impeller,are introduced and analyzed.Pump performance is evaluated by numerical simulation and design of experiments(DOE).To analyze three-dimensional flow field in the pump,general analysis code,CFX,is used in the present work.Shear stress turbulence model is employed to estimate the eddy viscosity.Experimental apparatus with an open-loop facility is set up for measuring the pump performance.Pump performance,efficiency and pressure,obtained from numerical simulation are validated by comparison with the results of experiments.Throughout the shape optimization of the pump impeller at the operating flow condition,the pump efficiency is successfully increased by 3 percent compared to the reference pump.It is noted that the pressure increase of the optimum pump is mainly caused by higher momentum force generated inside blade passage due to the optimal blade shape.Comparisons of pump internal flow on the reference and optimum pump are also investigated and discussed in detail.     

Loss analysis and design optimization of a small scale mixed-flow pump turbine using the orthogonal method

为了研究各部件对小型混流式水泵水轮机水泵工况和水轮机工况下水力性能的影响,对一小型水泵水轮机进行不同流量下的全流道数值模拟,针对两工况下总压损失集中的叶轮进行正交设计优化。应用L9（3⁴）正交表,选取4个叶轮关键设计参数,以水泵工况扬程偏离率、效率和水轮机工况效率作为目标,进行4因素3水平的正交设计,并通过全流道数值模拟方法和极差分析方法进行选优。结果表明叶片出口直径对泵和水轮机工况性能影响最大,优化后水泵设计工况效率提高了1.06%,水轮机设计工况效率提高1.62%,其相应最优工况点因包角增加而向小流量工况移动。