7 MW单级跨音离心透平设计与分析

离心透平作为一种结构紧凑、气动效率较高的新型透平类型,在中小型工业汽轮机以及余能利用等场所中具有良好的应用前景。本文借鉴常规透平的气动设计方法,参考某跨音向心透平的初始设计参数,以过热蒸汽为工质,进行了单级跨音离心透平的一维气动设计。利用CFX等工具根据一维设计对透平进行动静叶优化、数值模拟,并对变工况性能进行计算分析。结果显示该单级跨音离心透平具有良好的气动性能和变工况性能,设计工况效率高达87.36%,且变工况范围较宽。     

太阳能中低温有机朗肯循环系统的设计与分析

本文设计了一输出功率在100 kW左右的太阳能中低温有机朗肯循环系统,完成了系统核心部件有机工质向心透平的设计与造型。CFD计算结果显示有机工质向心透平的设计基本满足要求,有机工质在向心透平内部流动特性良好,流线分布均匀,未出现分离和明显的涡。本文设计的系统可以实现太阳能的利用,为今后的生产实践提供参考。     

有机朗肯循环系统及其透平设计研究

本文对可用于工业低温余热回收的有机朗肯循环(ORC)热力系统进行简述,采用热力学第一定律、热力学第二定律分析ORC热力系统及其效率,并对有机工质动力透平的特点及设计造型进行概述。最后采用F11,R123,R245ca,R600和R600a为工质,设计有机朗肯系统回收某一工业余热,并以R123为工质进行有机工质透平的气动设计、造型设计和CFD模拟计算研究,并对透平进行造型优化。研究表明,以R123为工质的有机朗肯循环系统能有效可靠利用该工业余热,所设计的有机工质透平基本达到设计要求,透平造型的优化设计能有效改善透平叶轮内部流动。     

高膨胀比有机工质向心透平气动优化研究

本文采用NURBS曲线参数化表达和控制几何型线,结合CFD数值实验,对膨胀比为8的有机工质向心透平进行气动优化研究。跨声速喷嘴叶型型线经气动优化后,喷嘴内处于顺压梯度的加速流动状态,喉部跨声速膨胀流动得到改善,流场最大Ma降低,全工况下的叶栅总压损失系数显著减小,跨声速工况下的级组效率明显提高。叶轮子午流道型线经优化后,流道宽度变化更均匀平滑,原动叶轮吸力面分离被消除,透平级组效率也有提高。     

离心式涡轮增压器透平的设计与分析

离心式涡轮增压器透平具有与传统透平不一样的结构,本文对某一小流量、高转速、小轮径的离心式透平进行一维气动设计、三维流场模拟与优化以及变工况性能研究。首先,对流体工质以及流动过程进行简化处理,获得一维气动设计的结果;接着,采用计算流体力学软件对离心透平级进行数值模拟,通过改变叶片数目、叶片厚度、中弧线形状等进行叶型优化,获得更合理的流场;最后,分析不同转速、不同流量(背压)下离心式透平的变工况性能。     

向心透平初始设计自动进化寻优方法与变工况性能预测模型

发展了一套向心透平初始设计自动进化寻优方法及变工况性能预测模型。借助遗传算法,以向心透平的总-静效率为目标函数,在给定范围内选取载荷系数Ψ、流量系数φ以及转速n的最佳组合,配合变工况性能预测模型,快速得到性能曲线。以1996年Jones发表的T-100透平为例校核本文设计方法,结果表明设计结果略胜于T-100透平。变工况性能实验数据、CFD结果以及预测模型结果对比,CFD结果普遍偏高,预测模型结果在低于设计速比工况下更接近实验数据。     

超临界二氧化碳向心涡轮设计及变工况性能预测

本文针对以超临界二氧化碳(S-CO_2)为工质的向心涡轮,在常规一维分析方法的基础上,引入相应的损失模型,开发出适用于真实气体工质物性计算的一维气动设计程序和一维变工况性能预测程序。文中首先利用试验对损失模型的准确性进行了验证,进而针对某S-CO_2向心涡轮,利用所开发程序进行了设计和性能分析,并采用三维CFD方法进行了数值模拟。结果显示,设计方案的气动性能和变工况运行性能良好,并且一维计算结果与三维模拟结果总体吻合,说明一维程序的分析结果精确可靠;但一维预测程序对于堵塞点质量流量计算值偏高,为程序进一步改进指明了方向。     

向心式压气机的数值模拟及优化

根据某一压气机级的设计要求,采用向心式结构,合理地设计向心式压气机的气动参数和叶型参数,然后采用ANSYS-geometry对叶片型线进行参数化设置,最后在Workbench平台上对此向心式压气机进行数值模拟和优化。根据数值模拟结果,分析其内部流场流动结构,找到向心式压气机的较优工况;再研究优化后该向心式压气机的总压比、效率随相对流量和转速变化的特性曲线,分析向心式压气机的变工况特性。     

向心透平级叶轮内三维复杂流动的数值研究

对向心透平叶轮内部复杂流动在级环境下进行了全三维黏性数值模拟,结合拓扑学原理分析了设计工况和非设计工况下其内流动分离及各种涡系发展的演变过程,初步建立了向心透平叶轮内的旋涡模型,阐述了流动损失的形成机理。研究表明:向心透平叶轮内部涡系与轴流式透平存在较大差别,且流动分离及涡系主要集中在吸力面侧;设计工况下向心透平叶轮内的主要旋涡包括马蹄涡、通道涡及泄漏涡,其主要表现为通道涡与泄漏涡相互影响和掺混,是主要损失的形成原因;非设计工况下,主流在叶轮叶片前缘处发生大范围的分离及回流,造成了较大的能量损失,但二次流损失所占比例较小。     

向心压气机进出气道设计及整机模拟

向心压气机的通流部件主要包括:进气道、动叶栅、静叶栅、出气道,本文对除静叶栅、动叶栅之外的静止通流部件的子午面进行设计,进气道、出气道子午面设计采用等截面法,能保证进出气均匀、轴向对称;并对所设计的向心压气机进行了整机模拟及变工况分析。结果表明,所设计的向心式压气机气动性能符合要求,向心式压气机是可行的。