超低温离心式冷压缩机通流部分设计与分析

冷压缩机设计目标总压比为15,设计为三级串联运行,设计压比分别为3.2,2.5,1.875,压缩工质为超低温负压氦气。通过气动计算与模拟优化,得到了合理的三级冷压缩机各级转速与各项几何参数。通过CFD模拟计算,得到了三级冷压缩机在设计工况下的流量、压比和等熵效率值。并以第一级为例,对压缩机内部模拟流场进行了分析,表明设计冷压缩机内部流场压力分布均匀,没有出现较大的流动分离与激波。通过对各级冷压缩机选取大量工况点进行模拟计算,得到了各级的预估工作性能曲线。结果表明,各级的设计都满足流量范围随级数增加而增大的要求,且各级目标工况处都在该级的高效区范围内,能够满足设计目标。     

轴向间隙对压气机时序效应影响之一：总性能

本文实验研究了在不同动、静叶间轴向间隙下静叶时序效应对某低速轴流压气机气动性能的影响.结果表明,相同轴向间隙下,时序效应对效率的影响随流量增加而增强,但对压比基本没有影响;在不同轴向间隙下,设计工况效率在67%轴向间隙时最大,33%间隙时最小,且最高、最低效率的静叶时序位置有所不同.综合变轴向间隙和时序位置的影响,压气机设计工况效率最大可提高1.0%,最大流量工况处可提高2.3%.但是随着轴向间隙的减小,压气机喘振裕度有所下降.     

转子偏心对轴流涡轮气动性能的影响

以Aachen 1.5级轴流亚音速实验涡轮为研究对象,采用商用NUMECA软件包对其转子偏心旋转时的流场进行三维定常模拟。研究在大流量工况下,平均叶顶间隙高度比(平均叶顶间隙高度与叶片高度的比值)分别为0.7%、1.3%、1.9%时转子偏心对涡轮性能的影响。在经过验证与确认的基础上,对结果进行了分析。研究结果表明:转子偏心会减小涡轮进口流量,其影响程度与偏心距和平均叶顶间隙高度有关,偏心距越大变化幅度越大;转子偏心对涡轮等熵效率和总功率的影响与偏心距和平均叶顶间隙高度有关,转子偏心有可能增大等熵效率和总功率,也有可能减小等熵效率和总功率,但其变化幅度随着偏心距的增加而增大。     

天然气管线四级离心压缩机级间气动影响研究

本文以某天然气管线用四级离心压缩机为研究对象,通过数值分析压缩机在整机模型、逐级叠加模型和单独模型下的流场和气动性能,研究多级离心压缩机的级间气动影响规律及作用机制。结果表明,在设计工况下,逐级叠加模型的预测精度具有一定的可信度,而在非设计工况下,级间气动影响显著,逐级叠加模型得到的整机总压比低于整机模型;相对于单独模型,整机模型的第二级进口相对马赫数和气流角沿叶高方向分布更为不均,在近喘工况尤为明显;级间影响会破坏通流区流动稳定性,在多级离心压缩机设计过程中应充分考虑级间影响。研究工作对深入了解级间气动影响并完善多级离心压缩机气动性能预测模型具有参考价值。     

背腔结构对双级离心空压机轴向力及性能影响

基于高速电机直驱与空气轴承技术的无油离心空压机增压技术在燃料电池进气系统中有着广阔的应用前景。由于空气轴承的轴向承载能力与止推轴承效率成反比,控制和减小空压机轴向推力对于提升空压机工作可靠性及运行效率至关重要。以燃料电池双级离心空压机为研究对象,设计了不同叶轮背腔模型,采用数值方法,研究轴隙泄漏、背腔轴向间隙对空压机性能及轴向力的影响。结果表明,在轴隙泄漏的影响下,背腔结构对轴向推力产生显著影响,且随着轴隙泄漏量增加,背腔结构的影响加剧。在双级结构下,高压级压气机背腔结构的变化对总体轴向推力的影响占据主导作用,通过合理的背腔结构设计并结合背腔密封技术,可有效实现对空压机轴向推力的控制,并减小轴隙泄漏对空压机性能带来的负面影响。     

轮背空腔-密封气对CAES向心涡轮变工况流动损失的影响

本文以国内首套MW级压缩空气储能(CAES)系统末级向心涡轮为研究对象,通过数值模拟分析了变工况条件下轮背空腔-密封气对等熵效率和流场结构的影响.结果表明:在求解中考虑轮背空腔-密封气结构能够使等熵效率数值解的偏差减小0.7%;随涡轮进口压力增加,轮背空腔泄漏流由叶片吸力面中部叶高区域逐渐向轮毂转移,流动损失先增加后减小;合理降低轮背空腔泄漏气体的轴向速度,能够减弱轮背空腔-密封气结构对等熵效率的负面影响,使向心涡轮在较宽的变工况范围内都保持高效运行.     

离心叶轮局部粗糙度对其气动性能的影响

离心叶轮的气动性能对压缩机整体性能具有重要影响。为了研究局部表面粗糙度使离心叶轮性能恶化的程度及其作用机理，本文采用数值模拟方法将Krain叶轮的流道表面划分成若干区域，并设置不同方案在局部施加粗糙度进行研究。结果表明：粗糙的叶片比粗糙的轮盘和轮盖更能使叶轮性能发生恶化，设计点级的等熵效率比光滑条件下降2.466%，总压比下降了6.266%，同时阻塞流量降低了2.227%；轮盖粗糙度通过改变叶顶间隙泄漏流来改变叶片载荷分布；前缘粗糙度加大了边界层和激波相互作用的程度使流道更容易阻塞；叶轮性能对吸力侧粗糙度比对压力侧更敏感。     

斜流/离心压缩机初步设计和分析方法研究

依托两区模型开展了单级斜流/离心压缩机的初步设计和分析方法研究,验证了基于SOA-TEIS混合扩压度模型的改进ODP问题迭代方法在斜流/离心压缩机初步设计和分析中的准确性。采用本文方法对Krain高比转速叶轮和低比转速叶轮模型进行了一维设计和分析,并将结果与实验数据进行了对比,结果表明:本文所述方法可在减少对工程经验参数选取依赖性的同时,实现较准确的斜流/离心压缩机的初步设计计算和非设计工况性能预测,且易于程序化实现,采用被动滑移因子计算方法获得的设计点附近工况的等熵效率预测偏差在1%以内。     

R717与R22在开启式螺杆压缩机中的性能对比试验研究

依据国标GB/T 5773-2004《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》,以吸气管路流量计法和气体冷却器法为试验方法,搭建了开启式螺杆压缩机的性能测试平台。分别以R717和R22为制冷工质在冷凝温度为30℃和40℃,蒸发温度从-35℃~5℃范围内进行了试验研究。结果表明,在测试工况条件下,R717工质的容积效率比R22高3%左右,轴功率高6%左右,COP高6%~10%。     

静叶轮毂间隙对压气机角区分离的控制研究

本文以某1.5级轴流压气机为研究对象,采用三维数值模拟方法研究静叶轮毂间隙对压气机角区分离的控制,先从轮毂整体等间隙入手,然后发展到整体梯形间隙,再到部分间隙,最后提出尾缘间隙。结果表明,整体间隙可以吹除静叶根部的角区分离从而改善压气机低工况点的性能,但也付出了设计点性能下降的代价,并且整体梯形间隙优于整体等间隙。而对于轮毂部分间隙,随着间隙位置往尾缘方向移动,部分间隙控制角区分离的能力逐渐增强,设计点性能降低的程度逐渐减轻。最后,提出尾缘间隙,选择一定大小的尾缘间隙可以在基本不降低设计点性能的前提下使低工况点的流量增加0.88 kg/s、效率提高1.37%、压比提高0.15%。     

封严腔几何特征对涡轮性能的影响

在涡轮转静叶片排之间喷入冷气可以阻止高温燃气进入盘腔,但是冷气与主流的掺混损失对涡轮气动性能不利。本文采用数值计算的方法,研究了转静叶片排之间封严腔轴向位置和轴向间隙的变化对涡轮性能和端区流动的影响。结果表明,封严出流与主流的剪切作用形成了诱导涡,诱导涡随后发展成为通道涡并占据了端区二次流的主导地位。封严腔轴向位置和轴向间隙的改变使等熵效率和封严效率产生了相反的变化,因此在设计时要兼顾气动性能和冷却要求进行综合考虑。     

低展弦比高负荷涡轮气动参数选取准则的分析和研究

本文采用数值模拟方法研究了高负荷涡轮中载荷系数,流量系数、反动度和轴向速比四个参数对涡轮级效率的影响,采用的计算程序以等熵效率公式为基础,并加入了改进的KO损失模型,在一定载荷系数、流量系数、反动度、轴向速比、稠度、轮毂比、展弦比、尾缘厚度/喉部宽度和叶顶间隙/叶高范围内,通过正交实验设计方法分析了各参数对涡轮效率的敏感性,其中稠度、轮毂比、展弦比和尾缘厚度/喉部宽度的敏感性相对较低,可以忽略。与此同时,针对一载荷系数2.6、压比5的高负荷涡轮详细计算分析了载荷系数、流量系数、反动度和轴向速比四个参数对涡轮效率的影响和选取准则,通过综合分析得到了具有一定适用范围的高负荷涡轮气动参数选取参考图。在此基础上,进行了高负荷涡轮气动方案设计,并利用三维数值模拟手段对所设计的气动方案进行了验证,结果表明:三维数值计算结果与一维分析结果偏差较小,采用此准则选取相关气动参数可以设计出满足条件并且性能良好的高负荷跨声速涡轮。     

轴向间隙对压气机时序效应影响之二：截面特性

本文实验研究不同轴向间隙、不同静叶时序角度对某低速轴流压气机出口流场的影响.结果表明,当一级静叶尾迹位于二级静叶流道中央位置时对应压气机最低效率状态;一级静叶尾迹重合或接近于二级静叶尾迹时对应压气机最高效率状态.随着轴向间隙的减小,压气机的扩压能力逐渐增强,通流能力下降.此外,设计工况下压气机输入功率也随轴向间隙的减小而增大.综合考虑轴向间隙对压气机扩压能力、通流能力及输入功率的影响,推测存在一个最佳轴向间隙,使得各项因素达到最优匹配,实现压气机的最佳性能.     

1+1/2对转涡轮高压动叶叶顶间隙变化规律及影响作用

为阐明1+1/2对转涡轮高压动叶叶顶间隙高度在变工况时的变化规律,以涡轮流场和高压动叶为整体进行气热双向耦合计算,根据所得温度场对叶片进行热弹单向耦合计算,获取了叶片形变量。不同于常规亚音速涡轮动叶的间隙变化规律,1+1/2对转涡轮高压动叶在较高转速和膨胀比的工况范围内,随着膨胀比降低,前缘间隙高度保持不变,而尾缘间隙高度以二次曲线规律减小。这是由于该工况范围内高压动叶流场展向全超音堵塞,喉道上游流场不受膨胀比变化影响,下游流场的温度随膨胀比减小而升高。相应地,叶片喉道前部温度不变、后部温度升高,导致前缘叶高不变、尾缘因热膨胀伸长。为避免尾缘间隙减小引起碰磨,根据叶片尾缘形变特点增大了设计点的尾缘间隙高度,导致设计工况时叶片后部间隙泄漏流射流速度增大、剪切作用增强,泄漏流流量和损失增加。为保证工作安全的同时提高涡轮效率,有必要发展前、尾缘叶顶间隙独立控制方法,使变工况时前、尾缘的叶顶间隙高度皆在合理范围内。     

变负载有机朗肯循环系统实验研究

电力供给侧面临热源高效利用和电网侧波峰波谷对电厂变负荷运行的要求,本文针对发电系统变负荷运行工况,在实验热源功率及温度分别为100 kW和110℃下,研究负载和膨胀机转速变化时,有机朗肯循环发电系统净效率及部件实际运行特性的变化规律。主要结论为:系统净效率随着负载功率和膨胀机转速的增大而增大,当负载为6 kW和膨胀机转速为3000 r/min时,系统发电净效率最大,为4.8%。膨胀比和工质泵等熵效率随负载功率和转速的增加而增大,膨胀机入口处过热度的变化规律与之相反;当系统效率最大时,膨胀机膨胀比、等熵效率与入口过热度分别为4.4、53.5%及8.8℃。     

悬臂静子叶栅与高速运动轮毂间隙流研究

悬臂静叶结构可以减轻压气机的重量并降低轴向长度，但在高速运动轮毂作用下其叶根泄漏流细节尚不明确。本文采用经过实验数据校准的数值模拟方法探究了高速运动轮毂情况下不同间隙对于悬臂静叶性能和泄漏流场细节的影响。结果表明，当间隙增大时，悬臂静叶总压损失呈非线性增大，近轮毂处叶片载荷峰值先增大后减小且其位置向尾缘方向移动。泄漏流轨迹呈现三区分布，间隙增大使得通道70%轴向弦长后的高湍动能区在周向和径向范围更大。     

动叶围带顶部泄漏流动对透平级气动性能影响的数值研究

采用计算流体动力学软件CFX-TASCflow数值研究了带围带的动叶顶部间隙内泄漏流动对动叶流动效率以及下一级静叶进口气流角的影响特性.数值模拟了装有不同迷宫式汽封齿数时的动叶顶部间隙泄漏流动特性.揭示了泄漏流动不再是跨叶顶的横向流动,而是在叶顶间隙内沿着轴向流动.给出了动叶顶部间隙泄漏流场的结构,泄漏流与主流掺混后的流场对下游静叶性能的影响.研究结果表明泄漏流与动叶通道内的主流在动叶下游掺混后,改变了上半通道气流的流动方向,使这部分气流偏离设计工况,使下游静叶产生攻角损失.动叶顶部间隙泄漏流有较大的径向速度,在与主流掺混并进入动叶下游静叶后,会向着静叶中叶展处发展,改变静叶上半部流场的结构.动叶顶部间隙汽封齿数增多时这种效果就减小,静叶等熵效率的降低就越少,同时讨论了动叶顶部间隙泄漏流动对透平级气动性能的影响.     

叶轮顶部间隙对向心透平总体性能影响的研究

对微型燃机向心透平叶轮顶部间隙流动在级环境下进行了全三维粘性数值模拟．研究结果表明:顶部间隙小于 2％时,间隙每增加1％,级效率降低1．5％,而级通流能力有所降低;径向与轴向间隙变化对级性能影响有很大差别, 径向间隙增加对级效率降低的影响是轴向间隙增加的8．3倍,径向间隙增加使通流能力增强的程度是轴向间隙增加使通流能力减弱的4．2倍。此外,将间隙流场与文献报道试验结果进行了比较,差别主要在工作轮顶部区域。     

任意空间曲面三元叶轮叶片厚度对气动性能的影响

以任意空间曲面三元闭式叶轮为对象,研究了不同展向和流向叶片厚度分布方案对离心压缩机气动性能的影响。数值结果表明:对等厚叶片沿展向和流向进行合理地削薄,均能在基本不改变小流量工况性能的情况下,显著提升大流量工况的性能。展向削薄叶片和流向削薄叶片带来的性能提升幅度可以叠加,通过组合叶片厚度分布改型,本文压缩机设计工况点等熵效率提升了约2.08%。相比于沿流向削薄前缘和尾缘厚度,沿展向削薄叶尖厚度具有更大的性能提升能力。研究工作为三元闭式离心压缩机叶轮的优化设计提供了有益的参考。     

压气机悬臂静叶流场非定常数值模拟

以现代高压压气机一排悬臂静叶与一排转叶组成的典型级为研究对象,采用非定常数值模拟方法,分析了非定常与定常数值模拟计算得出的级特性线以及峰值效率点气动参数在展向分布的差异,并对悬臂静叶内部流场结构进行了详细分析,结果表明:当悬臂静叶的轮毂设计间隙为2.5%叶高时,非定常计算的综合喘振裕度比定常大5.85%;在峰值效率点工况下,悬臂静叶总压损失和转子效率的非定常影响范围在10%以内,转叶进口相对气流角沿展向分布的影响在0.5°以内。悬臂静叶根部10%叶高以下区域出现了明显的泄漏流动,3.4%叶高压力系数变化最大,轮毂泄漏流起始于20%弦长附近,发展到70%弦长位置时泄漏损失最大,随后逐渐减弱.