超临界二氧化碳离心压缩机设计及性能预测

离心压缩机是超临界二氧化碳(S-CO₂)循环系统中的关键部件之一,对系统的效率和稳定运行起决定性作用。区别于传统空气工质压缩机,S-CO₂工质的独特物性使得压缩机内部流场更为复杂;基于空气物性特点建立的损失模型也需要做针对性的修正以满足S-CO₂离心压缩机的性能预测要求,因此需要数值模拟研究探明压缩机内部流场特性,以此对压缩机性能预测方法做相应的改进。首先开展压缩机一维气动参数设计,并在一维设计参数的基础上建立三维模型,分析压缩机内部流场特点,发现分流叶片对内部流场有较大影响,同时变工况下叶轮内部流场发生改变也会引起出口气流角的变化,基于此,对压缩机非设计工况下滑移因子和计算叶片数进行修正,同时改进表面摩擦系数以预测压缩机的非设计工况性能。数值模拟结果表明,改进后模型的预测误差显著降低,非设计工况下平均效率误差从2.03%下降到0.16%。     

基于流线曲率法的超临界二氧化碳离心压缩机通流计算方法

超临界二氧化碳（S-CO₂）的真实气体特性使得开展S-CO₂离心压缩机的三维数值模拟难以获得稳定的收敛结果,同时,数值计算的时间成本进一步增加了压缩机设计优化的难度。对此,本文首先对压缩机开展三维数值模拟,得到流场信息及对应的损失分布,然后在传统流线曲率法中叠加一维损失模型,并沿流线分段计算CO₂压缩因子,以此反映真实气体的压缩过程,建立适用于S-CO₂离心压缩机的通流计算方法。将通流计算结果与三维数值模拟结果进行对比后发现：流线曲率法得到的子午面相对速度场分布和焓分布与计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）结果基本一致;叶片出口温压数据与CFD结果接近,误差分别为0.23%和1.08%,总静等熵效率相差1.5%。结果表明,采用流线曲率法的通流计算可以快速获得较准确的S-CO₂离心压缩机叶轮性能参数。     

超临界二氧化碳闭式布雷顿循环离心压缩机试验研究EI北大核心CSCD

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))布雷顿循环系统是一种具有广阔应用前景的新型能源动力系统。S-CO_(2)压缩机是S-CO_(2)布雷顿循环系统的核心部件,对系统运行具有重要影响。该文设计S-CO_(2)离心式压缩机,建设百kW级S-CO_(2)压缩机性能试验系统,开展压缩机进口CO_(2)超临界态建立试验、不同转速下的压缩机性能试验和压缩机进口状态控制试验。试验结果表明:压缩机可实现最高转速(40000r/min)、宽工况、超临界态运行,试验最高压比达到1.34;较好地实现压缩机进口状态的稳定性控制,当转速为9000和20000r/min时,进口压力波动小于0.12MPa,进口温度波动小于1℃。试验结果对S-CO_(2)压缩机设计及S-CO_(2)布雷顿循环系统级控制策略研究具有重要意义。     

超临界二氧化碳离心叶轮耦合优化设计

自循环机匣处理能够显著提升超临界二氧化碳离心叶轮小流量区域的气动性能,但对大流量工况附近的性能提升不明显。为此,考虑自循环机匣与叶轮关键参数的耦合效应,对机匣几何和叶轮叶片掠角实施耦合优化,实现了叶轮性能的全面提升。耦合优化后叶轮在大流量工况、设计工况及小流量工况下的效率分别提升了3.51%、2.60%、4.43%。耦合优化的扩稳增效机理为：在大流量工况下改善了叶片前缘进口攻角,减小了叶轮内部亚临界区,抑制了冷凝的同时改善了叶轮内部流通能力;设计工况下机匣的抽吸量增大,叶顶附近更多低能流体被移除,改善了叶轮下游流场结构;小流量工况下显著减小了叶轮内部堵塞面积,叶轮流动稳定性增强,同时改善了机匣回流造成的掺混损失,叶轮效率提升。     

超临界二氧化碳离心式压缩机研究进展

作为布雷顿循环的核心部件,超临界二氧化碳离心式压缩机结构紧凑、效率高,具有广阔的应用前景.基于此,本文介绍了超临界布雷顿循环和超临界二氧化碳压缩机的发展历程和背景意义,详细综述了目前超临界二氧化碳离心式压缩机在实验测试、数值模拟以及热力设计方面的研究成果及现状,并针对超临界二氧化碳离心式压缩机的特点,对其研究方向进行了...     

带可调导叶离心压缩机变工况性能预测模型研究

分析了离心压缩机在导叶可调情况下的变工况工作过程,在选取合适的离心压缩机各种经验损失模型的基础上,结合无叶扩压段多变指数损失计算法,利用Matlab编写离心压缩机变导叶调节的变工况性能预测模型。通过迭代计算得到结果,将预测结果与数值模拟结果进行对比。发现压缩机性能在设计点时预测与模拟结果符合较好,偏离设计点越多误差越大,大流量处误差高于小流量范围内的误差。通过分析损失特点,利用流量系数对4种主要损失模型公式进行修正,修正后预测模型与数值模拟符合较好,精确度得到提高,大流量和大开度时误差稍大,但最大误差可控制在5%以内,预测模型能够准确地计算出离心压缩机级在不同导叶开度下的变工况性能。     

MW级超临界二氧化碳发电系统中主压缩机首级设计及其入口凝结性能分析

为实现MW级超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的开发,由气体动力学参数分析得到主压缩机的适宜进口参数范围。结合超临界二氧化碳强烈非线性的实际物性,引入叶轮内损失模型,改进热力设计得到主压缩机第1级叶轮模型。采用数值模拟方法,分析所设计叶轮的流场,对比不同进口参数下,叶轮进口流动凝结对压缩机性能的影响。结果发现:对于不同进口总温和总压,温度对气流凝结的影响更大。为得到较接近临界参数的工作点,可在本文工作基础上对叶轮进行优化设计。     

5 MW级超临界二氧化碳燃气锅炉性能评价研究及程序集成

以超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环发电机组中主设备S-CO₂锅炉作为研究目标,以5MW试验机组作为研究对象,开展S-CO₂锅炉性能指标评价体系研究。S-CO₂锅炉的核心性能指标为锅炉燃料效率、换热面吸热量占比、空气预热器性能、工质系统压降和锅炉NOx排放浓度等。燃料效率计算中,通过计算尾部烟气含氧量进行过量空气系数推算燃料消耗量和风量,并改进排烟热损失的计算方法。引入了换热面吸热量占总吸热量比值作为SCO₂锅炉工质侧性能考核指标。建立了5 MW S-CO₂燃气锅炉性能指标评价体系并集成程序且完成案例分析。实际工况与研究对象的设计参数(设计效率93.53%)基本相当,最终计算获得锅炉燃料效率未经修正为92.05%,锅炉燃料效率修正为93.79%。     

超临界二氧化碳压缩机非平衡冷凝研究进展

压缩机是超临界二氧化碳（S-CO2）动力循环系统的核心设备,其工作在S-CO2的近临界区域,因此S-CO2工质在压缩机内流动时易发生非平衡冷凝,影响系统性能与可靠性。压缩机内部的S-CO2非平衡冷凝实验观测难度大,数值模拟复杂,相关S-CO2压缩机设计经验也较为缺乏。本文结合近年研究成果,从研究方法、数学模型和实验研究等角度总结了目前S-CO2非平衡冷凝的研究进展,指出了需进一步开展的研究方向,如改变喷管几何结构参数,从而改变成核区体积,以改变流体在亚稳态区的滞留时间;改进气体状态方程进而提高亚稳态区域热物性精度,从而准确进行数值模拟;在设计S-CO2压缩机时,利用实验测得的Wilson线设定压缩机进口条件,构建新的安全边界等。     

超临界二氧化碳布雷顿发电循环压缩机实验研究进展

压缩机是超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿发电循环(闭式循环)的核心部件。本文总结了国内外S-CO₂压缩机实验研究进展,包括主要测试平台及最新实验测试结果,重点关注不同功率等级的S-CO₂离心压缩机所采用的技术路线,从结构设计、气动性能以及相关运行测试问题等方面,对现有S-CO₂离心式压缩机实验研究中存在的共性与特殊性问题进行了总结与分析。此外,中国科学院工程热物理研究所完成了国内首次MW级S-CO₂闭式循环离心式压缩机多进口工况全载实验,最高实验转速32 000 r/min,质量流量约13 kg/s,总压比接近2.0,等熵效率82%。本文对该实验测试平台及相关实验研究进展进行了详细介绍。