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。     

表面粗糙度对透平叶片气动特性的影响研究

叶片为透平的核心部件,其气动性能直接影响透平的整体效率,叶片表面粗糙度的水平会影响透平级压力,导致叶型损失发生变化。应用数值模拟技术对某冲动式和反动式机组各4级透平级进行分析,考虑反动度、载荷分布以及旋转等多种因素,研究表面粗糙度变化对透平叶片气动性能的影响。CFD数值研究表明:叶型损失变化曲线的斜率随透平叶片表面粗糙度的增大逐渐变小;不同反动度的透平叶片受叶片表面粗糙度的影响存在差异,冲动式叶片相对反动式叶片受到的影响更为明显;吸力面上的粗糙度对气动性能的影响明显大于压力面粗糙度的影响,这种影响作用在反动度提高后相应变弱。研究成果可为透平叶片设计和加工提供参考。     

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。     

空气透平试验台风源能力计算

通过空气透平级试验台，可研究试验级的效率与速比变化关系曲线、根顶部反动度与速比的变化关系曲线和级反动度、出口角度、出口速度、能量损失系数、级相对内效率等沿叶高分布等，并通过详细流场测试，研究不同叶型及不同流型对二次流的影响，进而研究叶栅通道内的流动损失。本文阐述了建立空气透平试验台所需风源的能力和试验级功率等的计算方法，并以600MW及1000MW机组的中压末级、高压末级作为模型试验级，计算了单级空气透平试验台所需风机的流量和压头，以及水力测功器的转速及测功范围。     

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。     

部分进气超临界二氧化碳透平非定常流动研究

超临界二氧化碳是微型动力循环中的重要工质,其较高的密度能够使透平机械结构紧凑。在部分进气工况下,可以通过增大向心透平叶高,在流量减小时减少其流动损失。基于1台部分进气度为0.3,功率为75kW级的超临界二氧化碳向心透平,在ANSYS-CFX中进行了详细的非定常流动特性分析。数值计算采用六面体网格、有限体积法及RNGk-ε湍流模型,在一个旋转周期内得到了不同时间步时整个流体域的流线、温度、压力以及单个叶片表面的压力分布,以说明部分进气工况的非定常流动特性,同时,计算了这一透平动叶受到的气流激振力并分析了其频率构成。研究成果能够为部分进气超临界二氧化碳透平的气动设计及强度分析提供依据。     

向心透平损失模型和出气角对热力气动计算的影响

本文给出了一套向心透平各部件损失计算和叶片出气角的计算方法，分析了设计时速度系数和出气角的偏差对总性能产生的影响．     

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...     

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。     

迷宫汽封与平衡孔在透平级中应用的仿真研究

为了进一步认识匹配应用迷宫汽封和平衡孔对透平级气动性能的影响,采用商用软件CFX,数值仿真了某汽轮机高压一级半透平、堵住平衡孔的一级半透平内部的三维流场.通过对计算结果的比较分析发现,转子带凸台的高低齿迷宫式汽封,与转子外径相等、同压比的等齿高直通型迷宫汽封相比,泄漏流动的方向折转以及在汽封腔内形成的旋涡显著增多,因此强化了对泄漏流的阻抗及其动能的耗散,提高了汽封的封严性.对于低反动度透平级,气流对动叶栅的直接冲击是级内轴向力产生的主要原因.叶冠的径向高度远小于叶高,但是叶冠产生的轴向力在级轴向力中占有较大比例.平衡孔需要与前后静叶隔板汽封以及动叶前后轴向间隙汽封匹配设计,设计合理,能够消除泄漏流对主流的干扰,降低透平级的流动损失.     

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。     

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。     

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。     

径流式叶轮周期性有限元强度振动数值研究

径流式叶轮是向心透平、离心压缩机和离心泵等旋转机械的重要部件,在工作状态下承受着巨大的离心力,其安全可靠性至关重要。以某向心透平叶轮为研究对象,基于周期循环对称叶轮强度振动有限元分析理论,建立了向心透平叶轮周期循环对称数值计算模型,分析获得了其在工作转速状态下的变形、应力、固有频率及振型,计算结果表明:向心透平叶轮的最大等效应力为113MPa,位于叶轮本体内环表面靠近进口处,该值远小于材料的屈服极限,说明叶轮满足强度要求;进一步将计算结果与整圈模型计算结果进行对比,不仅验证了周期循环对称模型计算结果的可靠性,还说明采用周期对称模型对径流式叶轮进行强度和振动分析可以在保证计算精度的前提下极大地提高计算效率。     

四个有关反动度简化计算公式的对比分析

关于透平在变工况时的反动度变化,有四个不同的简化计算公式。分析了它们之间的逻辑关系,并将计算结果与实验曲线进行对比分析。研究表明第四个简化公式具有更好的通用性。同时,在保留通用性特点的前提下,又对其作了进一步简化。无论对于冲动级还是反动级,该简化公式的计算结果均有一定的准确性,为透平的变工况分析提供了有益的参考。     

CVN静叶透平级气动性能的数值计算与试验结果的比较及优化

以某600MW汽轮机高压缸内的CVN(顶部反扭)静叶透平级为计算对象,以Fine/Turbo软件为模拟工具,计算了不同速比下的透平级的气动性能,并与试验结果进行对比,分析比较了级效率、反动度、流量系数等技术指标。结果表明数值计算结果与试验吻合较好,气动性能指标的变化趋势一致;最佳速比均介于0.52~0.53之间;该静叶叶型并不是最佳,静、动叶损失偏大,造成级效率偏低。通过改进静叶成型,提出了3种透平级的改进设计方案,经计算和比较得出正弯静叶透平级为最佳方案,其静、动叶损失最小,比原模型级可提高透平级效率1.2%。     

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.     

级内反动度变化规律的探讨及应用

通过理论分析及计算得出不同于传统结论的级内反动度变化规律,并结合燃气透平通用特性曲线以及汽轮机变工况时轴向推力的变化进行验证,本文对透平的变工况分析具有重要意义.     

枞树型叶根间隙漏气对级性能影响的试验研究

隔板汽封间隙、叶根径向汽封间隙及枞树型叶根与轮槽间隙三者之间匹配设计对透平级效率及转子推力的大小有显著影响。文章针对某1000 MW高压末三级空气透平试验进行相关研究,保持隔板汽封间隙、动叶根部径向汽封间隙不变的条件下,对枞树型叶根间隙改变前后级性能的变化进行试验分析。试验结果表明,叶根间隙封堵后,透平级效率降低,根部反动度升高,转子推力变大。合理的枞树型叶根间隙的存在有利于提高级性能,汽轮机通流设计时应注意叶根间隙与隔板汽封间隙的优化匹配。     

正弯静叶和直叶静叶透平级气动性能的对比分析

对某汽轮机高压缸的正弯静叶级和直叶片静叶级进行了变速比的单级空气透平模拟级性能试验及数值计算,研究了级效率、反动度和流量系数等随速比的变化规律和某些级气动参数沿叶高的变化规律,并对正弯静叶级级效率提高的机理进行了分析.结果表明:正弯静叶级的级效率比直叶片静叶级提高2%以上,两者的反动度和流量系数略有差别;正弯静叶级级效率提高的原因是其静叶和动叶损失有较大下降,叶片的端部流动得到改善.