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。     

基于二氧化碳工质的向心透平气动性能研究

以实际二氧化碳为工质,通过全三维黏性数值仿真模拟及试验研究的方法,对某闭式布雷顿循环系统的向心透平内部流动特性进行了详细研究。对透平内部10%、50%、90%叶高截面及30%、50%、70%流向截面的流动特性及流动损失进行总结。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻和较好。随着叶轮转速不断提高,二氧化碳向心透平的稳定工作范围扩大,流通能力逐步增强。过大的进气攻角会造成动叶吸力面前缘出现流动分离,从而引发主流过膨胀,并沿流向出现逆压梯度。叶顶间隙泄漏流动是造成通道涡旋流动损失及叶片表面径向窜流损失的主要原因。研究成果可为以二氧化碳为工质的向心透平设计及变工况调节提供参考。     

工质跨临界物性变化及S-CO_2透平气动分析

超临界二氧化碳透平被广泛用于太阳能发电系统中,但局部损失导致该透平流动中部分区域工质处于亚临界区。为了探究二氧化碳在跨临界区物性对透平的影响,进行了喷管实验和单级轴流透平的热力气动设计、三维造型及数值模拟。结果表明:二氧化碳物性在跨临界区急剧变化,易产生流动分离和回流等现象;设计透平在各工况下喷嘴尾缘、动叶吸力面前缘等局部压降区域易出现跨临界现象,并伴随有透平效率不同程度降低;增大出口压力、升高温度、调整转速或优化翼型,均可避免跨临界情况发生,从而提高透平效率。     

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。     

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。     

多种载荷下超临界二氧化碳向心透平变形及应力研究

基于超临界二氧化碳(SCO2)工质的动力循环系统是目前先进动力系统的研究热点和发展方向，向心 透平作为SCO2动力循环中的核心部件，其运行的安全性至关重要。本文采用热流固耦合分析方法，对一SCO2 向心透平叶轮进行了强度特性分析，得到了多种载荷对于叶轮变形和应力分布的影响。结果表明:温度 载荷对于变形大小占据主导地位，气动载荷及离心力载荷对变形影响较小，全部载荷工况下叶轮最大总位移 为2.421 mm，位于叶轮轮盘外径处;离心力载荷对等效应力贡献最大，温度载荷导致叶轮叶片根部前缘圆角 处的应力集中，气动载荷对叶轮等效应力贡献较小，全部载荷工况下叶轮最大等效应力为267.91 MPa，位于 叶轮轮背凸台段过渡圆弧处 。     

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...     

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.     

湿蒸汽两相流动的非定常数值模拟

应用两相均质混合模型、湿蒸汽平衡相变模型以及双时间步长法,对某超临界汽轮机末级叶栅流场进行了全三维非定常的数值计算.计算结果表明:湿蒸汽流动与流场内的非定常特性密切相关,其定常计算结果与非定常的时均结果不相一致.由于动静叶干涉的影响,动叶栅出口由非定常计算得到的湿度值小于定常计算得到的结果.     

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。     

考虑冷气掺混的重型燃气轮机变工况运行的精细建模及特性分析

为了研究全工况下燃气轮机内部运行参数及其所具有的特性规律,以PG9351FA燃机为分析对象,建立具有冷气掺混的重型燃气轮机变工况运行精细模型。该模型采用半经验公式对燃机冷却空气掺混量进行估算,充分考虑了冷气掺混对透平性能的影响,以及马赫数、攻角对透平变工况运行时造成的气流参数变化及速度损失的修正。结果显示:所建模型的精度有所提高,利用其计算所得结果与厂家提供数据相比,数据误差可控制在±0.4%以内,可用于预估燃机在部分负荷工况下的运行特性。应用模型分析了透平背压变动对透平膨胀比分配、排气温度及输出功率(出功)的影响,得到了透平内部气体流动参数和性能参数以及分级特性规律,其结果更真实地反映了机组在特定运行策略是的全工况特性规律。     

一级半轴流式透平的非定常流动干涉与时序效应

对Aachen一级半轴流式透平进行了全三维粘性非定常流动数值模拟,分析了相邻叶排间主要干涉现象和时序效应.结果表明:相邻叶排的压力有势场存在势干涉,动叶与第2列静叶间的势干涉更为强烈,势干涉定量反应为静压波动,并以一定的速度向上、下游传播;被动叶截断的上游静叶尾迹在动叶通道中发生变形而周期性地出现在绝对坐标系的固定位置,为时序效应的产生创造条件,通过分析动叶出口熵值的时空分布图可确定下游静叶的最优时序位置;透平级出口非定常熵值定性决定了非定常效率,为透平的非定常优化设计提供了目标参数.     

200 kW级SCO2径流式透平的结构设计及性能模拟

为了确定小规模超临界二氧化碳（S CO2）热力透平的形式及其结构,基于正向设计思路,结合热力学计算、气动分析、数值模拟的方法,对某200 kW级S CO2径流式热力透平进行参数化设计,并对其进行性能与叶片数量的响应分析,对其内部三维速度、温度和压力场进行CFD数值模拟。结果表明：透平结构等熵效率和功率分别为85.54%和214 kW,与实验值比较最大偏差为2.03%,设计结果可靠。当透平结构静叶个数从20增大到32时,效率和功率分别上升5%和下降20%,最佳静叶片数为26;速度在喷嘴通道和喉道处变化明显,温度和压力分布的变化趋势较为相似,都随着流动方向逐渐降低。     

太阳能热发电系统中透平膨胀机的性能研究

对典型槽式太阳能热发电系统中的关键设备径流透平膨胀机的气动特性开展研究。设计指定工况下径流透平膨胀机的几何结构并对其内部流场进行数值分析,获得膨胀机在设计工况及非设计工况下的性能特性。研究发现,设计的径流透平膨胀机可满足工作要求,流道中流体整体流动良好,动叶轮压力面处存在较差的流动;在较大的转速(85%n~120%n)与较大的膨胀比(80%π~120%π)的工作区间内,设计的径流透平膨胀机的等熵效率能够保持在79%以上,可以满足变工况的运行要求。研究结果对太阳能热发电系统中的径流透平膨胀机的设计及应用提供参考。     

可变截面涡轮增压器特性及其匹配的试验研究

本文对向心式透平变截面无叶蜗壳的特性和变截面涡轮增压器与发动机的匹配试验进行了分析研究。结果表明:改变无叶蜗壳通道截面积,能够调节蜗壳出口流场参数,扩展其变工况运行范围,从而有效地改善了车用发动机的低速扭矩储备和高速过度增压的现象,扩展了发动机的可用转速范围,改善了发动机的动力性能。     

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。     

基于气液两相的导叶对液力透平内部流动规律的影响

为了研究气液两相条件下导叶对液力透平内部流动特性的影响,现选取比转速为55.7的离心泵反转作为液力透平,并在液力透平叶轮进口添加一组负曲率导叶,设计出含导叶的水力模型,研究含气工况下导叶对液力透平性能的影响.研究发现:添加导叶前蜗壳和叶轮流道内压力分布和气相分布不均匀,且含气率越高均匀性越差,过流部件内流动较为紊乱,蜗...     

海洋温差能向心透平的气动设计及性能研究

通过对7.5 kW海洋温差能向心透平的蜗壳、喷嘴和叶轮进行气动设计,模拟研究了透平在设计工况及非设计工况下的气动性能。采用经验参数及遗传算法优化方法对透平的一维参数进行设计,得到一维设计结果,并据此对蜗壳、喷嘴和叶轮进行三维设计,得到透平的气动结构造型。利用CFD技术模拟研究了透平的三维流场及性能,得到透平在设计工况及非设计工况下的性能,模拟结果表明:在设计工况下,透平效率为86.5%;在非设计工况下,透平效率随着叶轮转速的增加而增大,但增加至设计转速后,透平效率增加幅度较小;随着进口温度的升高,透平效率逐渐增大;当进口压力为设计工况压力时,透平效率存在最大值;非设计工况下的透平功率基本与叶轮转速、进口压力和进口温度均呈正相关;设计工况下的最佳喷嘴-叶轮相对径向间隙为0.05,可变喷嘴叶片安装角为35～40°。     

混流泵作透平的数值计算与试验

为探究混流泵作透平内部的流动特性,选取1台比转速为220的混流泵进行外特性试验,采用全流场和结构化网格技术对透平内部流动状况进行数值模拟,得到不同流量工况下透平内部的流场分布和压力分布,并用速度三角形对透平内部流场变化进行分析。结果表明,透平进口到出口压力逐渐降低,随着流量增加,透平进出口压差逐渐增加,叶轮内部涡漩位置和大小发生变化,尾水管内液流圆周分速度方向发生变化;透平总水力损失随流量的增加而增加,其中叶轮水力损失占比最高,因此混流泵作透平的优化应集中在叶轮部分。     

一级半轴流式透平级内部若干非定常流动现象的试验研究

设计研制了具有亚音速透平高压级气动特性的一级半轴流式试验透平,采用试验方法对时序效应、叶栅壁面非定常静压幅频特性以及动叶出口非定常速度场进行了研究。结果表明:时序效应具有改善轴流式透平气动性能的潜力;动、静叶排压力有势场干涉引发的基频信号和上游静叶尾迹片段引发的两阶倍频信号,构成了第二列静叶壁面静压非定常分量的基本频率特征,其间还伴随高达六阶的倍频信号,主要由动叶尾缘高频脱落的涡街扰动产生;尚未完成掺混的第一列静叶尾迹片段出现在动叶出口,由其引发的负射流显著改变了动叶出口局部位置处的气流偏转角。