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。     

10kW有机工质向心透平气动设计及优化研究

根据给定的工质R245fa和透平输出功率10k W,利用MATLAB软件编写有机工质向心透平气动设计程序,对设计输入参数进行敏感性分析,并利用遗传优化算法(Genetic Algorithm)对一维气动设计进行全局优化,得到约束条件下最高轮周效率为85.76%。在ANSYS平台上利用一维气动设计优化结果进行三维造型设计和计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。CFD模拟结果显示,模拟的透平输出功率与一维设计结果误差为3%,透平效率误差为2.08%,说明一维气动设计准确性。     

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。     

ORC向心透平静叶栅内二次流结构和损失分析

为了改进有机工质朗肯循环(ORC)向心透平静叶栅的气动性能,对ORC向心透平内有机工质流动进行三维黏性数值模拟,分析静叶栅上下端壁和通道内各种涡系的表现形式,给出了沿轴向和径向方向的总压力损失系数分布.结果表明:静叶栅内存在压力面与吸力面之间的横向流动,但通道涡并没有形成,通道涡并不是ORC向心透平静叶栅内二次流涡流形式中的重要涡系结构;主要总压损失沿流向方向集中在静叶栅后0.4流向位置,沿叶高方向集中在上下端壁,沿周向方向则聚集在吸力面附近.     

有机工质向心透平设计参数优选及热力设计

选用6种干工质,在相同低温热源参数下,确定有机工质向心透平设计工况,采用筛选法对透平进行设计参数优选及热力设计,并分析不同工质透平的热力设计方案与热源的匹配性。在参数选取阶段,应结合工质物性避免加速因子过大,有机工质向心透平较为适用的设计参数选择区域与文献推荐的有所不同;由计算结果可知,采用R600a设计的透平相对内效率居中,但系统热效率最高,为9.96%,内功率最大,为80.69 k W,采用R123的系统热效率为8.44%,内功率最低,为68.54 k W;采用R600a和R600工质透平的系统热效率和内功率较高,几何尺寸相对较小,与给定热源条件具有较好的匹配性。     

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。     

高效宽负荷汽轮机通流气动技术研究

文章针对高效宽负荷汽轮机中的通流气动技术进行了研究,包括高中压亚音速叶型设计、低压超音速叶片优化和低压排汽缸气动优化。亚音速叶型设计的主要目的是提高其宽负荷性,对新设叶型进行了叶栅试验和多级透平试验,新设的亚音速叶型不仅能量损失得到了降低,且攻角适应性更好;优化末级动静之间的匹配参数、静叶流型和弯曲规律及动叶型线的扭转规律,并对末级变工况性能进行分析,末级收益达到了预期收益效果;对低压排汽缸汽流的流动机理进行了深入分析,以削弱或消除通道涡为目的对排汽缸进行优化,极大程度改善了排汽缸的性能。     

透平叶片弯、扭、掠联合造型规律及其气动性能研究

为研究静叶弯、扭、掠联合造型对流场结构的影响,以某高压透平首级叶片为研究对象,借助计算流体力学与正交优化方法,基于动静叶最佳匹配原则（即对于每种静叶构型,动叶都进行了相应的扭转规律变化,使得动静叶气动性能处于最佳匹配状态）,研究了静叶不同复合构型方式对流场结构的影响。结果表明：在合理的静叶弯曲规律下,静叶扭转改型对透平性能有较大影响,掠改型对透平性能影响有限;在一定的扭转规律下,对静叶进行掠改型对轮周效率的影响较小,仅后掠改型会提高透平的轮周效率;对弯扭掠静叶匹配扭动叶进行联合优化,得到的最佳透平的轮周效率为87.12%,与原始透平相比,轮周效率提高了2.09%。     

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。     

汽轮机高效叶型开发气动性能试验研究

通过开发高效的叶型提高汽轮机通流效率是汽轮机通流设计中最重要的手段之一,为提高汽轮机机组经济性,东方汽轮机有限公司开发一种高效叶型,为了解该叶型的气动性能,对该叶型开展了系统的气动性能试验研究,首先通过平面叶栅、环形叶栅试验得到叶栅详细的损失特性、通流能力等气动性能参数,最后通过多级空气透平试验验证叶型的通流效率,所获得的试验数据和分析结论为高效通流设计中叶型的合理选取提供了重要的基础理论和试验数据支撑。通过与原有叶型的对比结果表明,通流设计中采用新开发的高效叶型,通流效率得到明显的提升,有效提高了汽轮机机组的经济性。     

基于NURBS曲线的离心透平叶型设计

针对离心透平的环列叶栅叶型,采用四段三次NURBS曲线(非均匀有理B样条曲线),分别对前缘圆弧、尾缘圆弧、叶背、叶盆进行参数化表达,环列叶栅叶型的设计自由度为14个,可灵活进行局部调整。采用高精度流场模拟方法,基于优选法,获得气动性能较高的设计参数。结果表明上述方法简单易行,优选出的离心透平级设计工况及变工况气动性能都得到了显著提升,与已有文献相比,单排静叶总压损失系数降低18.85%,整级轮周效率提高4.08%,动叶叶片数也减少17个。     

叶顶间隙对超临界二氧化碳向心透平性能的影响

为探究叶顶间隙对超临界二氧化碳向心透平机性能的影响,以某超临界二氧化碳向心透平为例,设置不同叶顶间隙,利用计算流体动力学(CFD)仿真软件进行数值模拟。结果表明:当径向间隙等于轴向间隙时,间隙尺寸在0.1~0.5 mm范围内,叶顶间隙与叶轮出口叶高的比值每增大1%,总-静效率降低1.07%左右。当径向间隙不等于轴向间隙时,轴向间隙每增大1%,总-静效率降低0.146%左右,径向间隙每增大1%,总-静效率大约降低0.362%;径向间隙对于透平性能的影响远大于轴向间隙,叶顶间隙在0.1~0.5 mm范围内时,径向间隙对总-静效率的影响约为轴向间隙的2倍。     

1MW有机朗肯循环系统及轴流透平设计

基于自行开发的有机朗肯循环(ORC)系统热力计算软件设计了1 MW ORC系统.考虑到有机朗肯循环系统的特点,介绍了适合于该系统工况参数的有机工质轴流透平的设计过程.随后分析比较了应用于ORC系统的向心透平、螺杆膨胀机及轴流透平的不同特点,总结了轴流透平应用于该功率等级ORC系统的主要优点.最后,针对ORC系统设计了采用R123为工质的1 MW轴流透平,在CFD数值模拟的基础上进行了通流的优化和通流结构设计.     

叶片弯、扭、掠造型规律对透平级气动性能的影响

基于动、静叶的最佳匹配原则,以改型后的某高压透平首级为研究对象,对静叶分别进行弯、扭、掠改型,并通过正交优化试验得到与静叶处于最佳匹配的动叶扭转规律,采用数值模拟的方法研究了不同的造型对流场的调控机理以及对透平气动性能的影响。结果表明：静叶正弯、反扭、后掠改型并匹配优化后的扭动叶,透平级总静效率和总总效率均有所提升,静叶中后部径向压力梯度和叶片出口熵增减小,静叶、动叶出口总压损失系数也减小。     

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。     

3MW生物质发电超临界CO2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。     

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。     

雷诺数对微透平性能影响的数值模拟

在研究厘米级微型向心透平工作特性和结构特点的基础上,设计了7～8 kW级的厘米级微型向心透平。通过放大或缩小已设计的厘米级微透平来改变雷诺数,采用CFX软件对不同雷诺数的微透平在绝热情况下的特性进行了数值模拟。结果表明:雷诺数对静压的影响主要发生在动叶,且集中在动叶的前缘和吸力面。雷诺数减小使得马赫数分布图中尾迹相应变厚,且透平级的总总效率随着雷诺数减小而有所降低。     

定制叶型在多级压气机中的应用研究

为验证某定制叶型在多级轴流压气机中的实际应用效果,采用该叶型对一台两级轴流压气机进行了叶片优化设计。三维数值模拟结果表明:采用此种定制叶型后,压气机的设计效率提高1.15%,设计点流量增加1.08 kg/s;同时,对优化后的压气机进行了性能试验,并采用激光多普勒相位测速(PDA)技术对第一级动叶前后的相对气流角沿径分布进行了测量,试验结果证明,优化后的压气机能够达到设计性能指标,并且沿径气流分布与设计情况吻合较好。     

IGCC与联合循环用蒸汽透平叶片数值模拟及试验研究

介绍了通过全三维数值模拟,在IGCC使用的蒸汽透平的叶片设计中采用后加载叶型和弯曲成型静叶栅,并以空气动力试验来考察其性能,试验研究的结果表明设计达到了预期目标。该成果可应用于一般联合循环用的汽轮机设计中。