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。     

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。     

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。     

有机工质向心透平数值计算及性能分析

有机朗肯循环发电技术在回收低品位热源方面具有明显优势。以150℃的低温烟气为热源,选用R245fa和R600为工质,在相同热源参数下,确定透平设计条件,采用筛选法对透平进行热力设计,根据设计参数对透平进行三维造型及数值模拟研究,分析各工质透平通流部分的流场,并结合系统热力性能参数,对透平整体性能进行分析。由计算结果可知,与R245fa透平相比,R600透平的通流部分流场分布较合理,且透平相对内效率和系统输出功率均较大,分别达到了75.13%和75.34k W,与给定热源条件具有较好的匹配性。     

有机工质向心透平导向叶栅内流分析

有机工质向心透平作为有机朗肯循环(ORC)发电系统的核心设备,对系统优化设计有重要影响。通过对工质物性的分析,分别在低温和中高温领域选择R245fa和甲苯为工质,针对这2种工质设计不同结构的导向叶栅二维模型。选用剪切应力输运(SST)k-ω模型进行数值模拟,工质物性参数用PR方程计算,对计算结果进行对比分析表明:安装角为32°,叶片数量为22时工质为R245fa的导向叶栅流动损失最小,参数分布最优;安装角为28°,叶片数量为36时工质为甲苯的导向叶栅流动损失最小,参数分布最优。最后研究了工质物性参数(比热与粘性)对导向叶栅流动的影响,证明比热对流动的影响较大。     

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。     

有机工质向心透平变工况性能预测及系统性能分析

在以工业烟气余热为热源的有机朗肯循环系统中,当工业生产过程发生调整时烟气参数会发生变化,导致系统热力参数有所改变,向心透平偏离设计工况运行,且在变工况时透平性能的变化直接影响系统热力性能。以150℃低温烟气为热源,采用R245fa为工质,确定设计工况,对向心透平进行设计。采用CFD软件模拟透平在设计工况和热源参数变动导致的变工况条件下的运行状况,提出重构过程法求解透平热力性能参数,对透平变工况热力特性进行预测,分析变工况时透平性能与系统热力性能的关系。结果表明,变工况时透平相对内效率呈现先增大后减小的趋势,功率相对设计工况下降了35.258 kW。在透平各项损失中余速损失最大,当热源温度在130℃以下时摩擦损失系数的增大仅次于余速损失系数;热源温度降低则系统热效率下降,与透平相对内效率相比,理想循环热效率对系统热效率的影响更大。     

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...     

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°。     

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。     

面向月球基地的有机工质透平/泵一体化

以蒸发与冷凝温差为30℃的20 kW月球基地能量系统为例,采用R600a为工质研究了有机工质透平/泵一体化一维设计和三维建模,使用CFD模拟计算了蒸发温度对透平和工质泵效率、流量和功率的影响规律,及透平/泵在转速、质量流量和压比相等的强耦合约束条件下的变工况运行特性。研究表明：透平/泵最佳设计转速为23 610 r/min,透平进口直径为156 mm时效率为79%,泵出口直径为29 mm时效率为71%;随着蒸发温度的增加,透平/泵的转速呈线性增加,效率先上升后下降,保持在70%以上,输出功呈线性增加趋势;当考虑蒸发器、冷凝器和管路压损时,同转速下蒸发温度比理想情况低2.16℃、输出功率低3.13 kW、效率略微下降;透平/泵一体化技术结构紧凑,在变工况时拥有良好的运行性能,非常适用于对体积重量要求较高的航空航天领域。     

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。     

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。     

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。     

有机工质超音速动叶栅设计

基于理想气体二维动叶栅设计理论,建立了适用于有机工质超音速动叶设计的实际气体模型.采用C++编写了工质R134a的动叶设计程序,给定入口和出口马赫数等设计参数,计算得到叶型壁面坐标,对实际气体模型得到的动叶栅进行了数值模拟,并与理想气体模型设计出的R134a动叶叶型进行了对比.结果表明:在饱和线附近稠密气体效应表现明显,实际气体模型与理想气体模型的设计结果差异较大,而远离饱和线时,稠密气体效应表现不明显,2种气体模型设计结果差异较小;数值模拟结果表明该实际气体模型是可行的.     

向心透平的叶片造型设计

介绍向心透平叶片的造型设计及探讨一些设计技巧。     

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.     

跨音速向心汽轮机气动设计分析

通过一维设计与三维数值模拟分析相结合的方法,对一台300kW向心汽轮机进行了气动设计。汽轮机整级焓降达到248.5kJ,压比达到4.17,为了提高整级效率,反动度值比较小,致使导叶栅中存在超音速流。对导叶和叶轮内部流动特性进行具体分析,并对设计过程中碰到的一些问题进行探讨。