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。     

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。     

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°。     

某型汽轮机速度级流场气动性能的数值研究

对采用半寇蒂斯级设计思想、具有局部进气的汽轮机复速级,进行了三维整周数值模拟,分析了设计工况下该复速级第一级叶片的气动性能。计算结果表明,半寇蒂斯级非喷嘴区域内的压力远低于喷嘴区域的压力和平均压力,在喷嘴区域的边界部位出现由较高压力向较低压力的急剧变化。非进气弧段与进气弧段之间的压力差值相对较大。在非进气弧段的两端,动叶将承受方向相反的由于高压区向低压区气体流动形成的气动力矩的作用,这会导致下游叶片的压力分布发生明显变化。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

有机朗肯循环向心透平气流激振及动应力分析

针对350 kW有机朗肯循环机组在满负载试验下发生叶片断裂故障的现象,在不改变蜗壳的前提下,对该向心透平的喷嘴和叶轮进行优化,包括优化喷嘴叶片的数量、型线和优化叶轮流道等。针对优化前后的向心透平进行非定常流场计算,并在额定工况下对新叶轮进行瞬态动力学分析。结果表明:新叶轮受到的气流激振力急剧降低;新叶轮平均应力很小,动应力非常小;新叶轮具有足够的静态和动态安全性。     

基于Gauss过程回归的超临界二氧化碳透平设计-优化方法

针对传统超临界二氧化碳(S-CO_2)透平设计方法精准度差、设计及优化周期长的问题,基于一元流动理论建立了快速的S-CO_2向心透平热力设计方法,结合高精度的三维气动分析方法,提出了一种基于Gauss过程回归的设计-优化方法,利用热力设计以及Gauss过程回归预估透平气动设计的真实效率,并在模拟退火过程中检验设计结果的有效性,通过S-CO_2透平的设计及优化算例证明了该方法的高效性。结果表明:透平等熵效率从初始设计方案的83.68%提升至最优设计方案的91.20%,对于传统的气动设计及模拟退火方法需要120次的气动分析,而该方法仅需24次气动分析,大幅缩短了设计-优化时间,具有较高的工程实用价值。     

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。     

向心透平反动度的一种计算方法

现有的各国文献中很难找到计算向心透平反动度的适用方法。目前设计向心透平时,大多数利用试选法确定其反动度。本文提出了一种根据透平叶轮中的气流加速因子(?)来计算向心透平反动度的方法。文中将向心透平的反动度分解成气动反动度与惯性反动度两个独立的组成部分,分别讨论了它们的作用与计算方法。从而不难计算出所需的向心透平反动度的具体数值。     

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。     

某径向透平膨胀机可调喷嘴气动及结构设计

针对应用在天然气管网的压力能回收透平,为保证其在不同流量工况下的高效率运行,采用了进气可调喷嘴结构形式,通过气动计算与分析,研究了喷嘴叶型、喷嘴径向尺寸、喷嘴叶轮间隙、旋转轴位置对气动性能的影响。之后采用CFD方法对选定方案进行了不同开度下的性能分析,并进行了可调喷嘴的结构设计。研究结果显示：选定径向尺寸为80.0 mm,喷嘴叶轮间隙为15.0 mm,旋转轴中心直径为509.6 mm时,膨胀机的气动性能与结构均比较合理。研究可为透平膨胀机可调喷嘴设计提供参考与指导。     

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。     

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。