有机工质离心透平设计与变工况性能研究

本文以R123为流动工质,进行离心透平级的一维热力计算,并通过数值模拟分析ORC离心透平级内流动情况及变工况性能。结果表明:在设计工况下,数值模拟结果与一维设计结果基本一致,功率与效率偏差在1%以内,符合设计要求。在变工况下,进汽压力在0.33~0.88 MPa变化时,效率随进汽压力增大先增大后减小,流量和功率随进汽压力增大而增大;背压在0.10~0.18 MPa变化,在临界工况下运行,效率和功率随着背压的增大而减小,流量保持不变;初温改变对透平生能影响较小,效率变化范围在1%以内;转速变化时,流量不变,效率先增大后减小,设计转速下效率最高。     

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。     

两级跨音湿蒸汽离心透平的设计与气动分析

以湿蒸汽为流动工质,利用一维方法,进行了两级跨音湿蒸汽离心透平的气动初步设计,并采用平衡凝结流动模型,对该两级透平进行流道优化设计与性能分析。所设计的离心透平在进汽干度为0.995 kg/kg、压比为10.15的设计工况下,功率为250.62 kW,轮周效率为82.838%。在变工况条件下,通过调节转速、蒸汽干度、进汽压力、进汽温度与出口背压,获得了两级跨音湿蒸汽离心透平的性能变化规律。结果表明:低转速下小膨胀比的透平效率高,高转速下大膨胀比的透平效率高;进汽干度大的透平效率高;随着膨胀比的增大,效率先增大后减小,存在最佳膨胀比对应的极大值。     

离心压缩机轮盘空腔的实验研究

本文以离心压缩机轮盘空腔为研究对象,依托大功率间冷压缩机闭式试验台测量了轮盘空腔静壁面不同半径处的静压和静温,分析了变工况下轮盘空腔和离心压缩机的耦合特性,并研究了变转速对轮盘空腔内部流动影响及其变化规律.结果 表明静压和静温沿着半径增大方向逐渐上升,但静温在近叶轮出口与空腔进口耦合处有所下降.设计转速下各位置点静压总体趋势、静温以及沿着半径减小方向的静压损和静温损均随流量的减少而增加.静压随叶轮转速的降低而减小,静温随转速变化的规律较复杂,静压损和静温损均随转速的降低而减少,静压和静温随流量变化的规律也会因转速改变而不同.     

进口具有预旋流动的亚音速轴对称环形扩压器粘性流场计算

环形扩压器是一个重要的气动元件.装在透平级后的轴向式或轴径式环形扩压器,通过它的排气扩压过程,可以降低透平级背压,在同样透平进口参数条件下,提高透平作功能力,减少余速损失,使整个透平机效率得到提高.由于环形扩压器常在具有一定周向和径向速度分布的进口流动条件下工作,因此研究进口具有预旋流动的环形扩压器的流     

叶片扩压器对离心压气机整机性能影响的实验及数值研究

以一高压比离心压气机级为研究对象,设计制造了三种不同的扩压器,采用实验和数值方法研究了扩压器进口安装角和叶片型线对级性能的影响。结果表明,扩压器进口安装角减小时,性能曲线向小流量区移动,最高效率和压比降低。采用低稠度机翼形扩压器时,级工况范围稍有扩展,但效率和压比显著降低。流场分析显示,进口安装角减小时,扩压器凸面流动分离区扩大,堵塞流道且增大损失。采用低稠度机翼形扩压器时,扩压器内更容易产生大尺度分离涡。     

膨胀式空气涡轮火箭最大状态调节规律与性能分析

为了阐明进气预冷膨胀式空气涡轮火箭发动机在最大状态下的部件匹配规律和性能特点,基于ε—NTU法建立了换热有效度随工况改变的预冷器模型,完成了氢燃料发动机的性能仿真与分析。增大涡轮前压力、燃料流量,同时减小尾喷管喉道和出口面积,可实现压气机工作点沿等物理转速线由堵塞区向喘振边界移动,压气机压比及燃空比均增大。在此过程中,发动机若在低马赫数工作,尾喷管内燃气总压、总温升高使推力增大;在近堵塞区域,压比迅速增大导致比冲上升;在近喘振区域,压比增大减缓,燃空比的上升导致比冲下降。若在高马赫数工作,高温米流使压气机工作于低折合转速区域,工作点在等物理转速线上由堵塞区向喘振边界移动时,燃空比增加补偿了空气流量下降导致的推力衰减,总推力基本保持不变;由于低折合转速下压比增大减缓,增大的燃空比使比冲下降。     

刷式密封对透平级气动性能影响的研究

采用基于非线性Darcian多孔介质模型三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和SST紊流模型的泄漏流动数值方法对比研究了动叶叶顶迷宫密封和刷式密封的1.5级汽轮机高压缸透平级的气动性能.数值预测实验测量的刷式密封泄漏量与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。详细分析了动叶叶顶迷宫和刷式密封两种结构对1.5级透平级叶顶间隙泄漏特性和气动性能参数的影响特性.结果表明:在相同工况下,相比于叶顶迷宫密封结构,叶顶刷式密封可使透平级级效率提高0.15%,叶顶间隙泄漏量降低30.74%。叶顶刷式密封和迷宫密封结构对透平级反动度和动叶出口气流角的影响基本相同.叶顶刷式密封中刷丝束前后压降大于迷宫密封中相同位置处迷宫齿前后压降,刷丝束起主要封严作用.     

重型燃气轮机排气温度研究

本文针对某300 MW等级重型燃气轮机透平排气温度,构建了燃机性能计算模型,该模型除了包含常规燃机性能计算的功能外,加入了透平叶片材料、燃烧器OTDF&RTDF及叶片冷却流量对燃机性能的影响功能,应用该燃气轮机性能计算模型预测了L20A及M701F3的燃机性能,排气温度的预测精度在3?C以内。分析了压气机压比、压气机效率、燃烧器压损、燃烧器出口温度分布、透平级数、透平效率、透平叶片材料及冷气流量等参数对透平排气温度的影响规律,结果显示压气机压比、燃烧器出口温度分布、透平级数及效率、透平叶片材料及冷气流量对燃机透平排气温度影响较大,其中又以透平级数的设计选择对排气温度影响最大。在燃机设计时需要考虑到这些关键影响因素,使排气温度最终达到综合最优。     

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。     

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。     

三级离心压缩机非定常流动与交变应力的数值研究

以三级天然气离心压缩机为研究对象,采用非定常流动和流固耦合方法,研究了离心压缩机在三种转速、多个流量工况下的内部非定常流动和叶片交变应力。研究表明:流场关键监测点处的压力脉动以叶片通过频率为主,在偏离设计工况下压力脉动频率成分较复杂,但是以叶片通过频率为主导;同一工况下,监测点压力脉动幅值逐级增加;同一转速下,随着流量增大,叶片交变应力幅值呈现出先减小后增加的趋势,并且随着转速提高而增大。     

扩压形式对离心压气机性能影响

对采用无叶扩压器、叶片扩压器以及串列叶片扩压器的车用增压器离心压气机内部流动进行了数值分析,研究了不同扩压形式对压气机性能的影响。结果表明,低稠度叶片式扩压器在设计工况点附近可以有效提高压气机效率;串列式叶片扩压器则可以改善叶片扩压器流量范围减小的问题。在小流量工况下,气流角与设计工况不同,攻角增大,使得流动分离加剧,损失变大。通过调节叶片安装角可以减小气流攻角,改善压气机性能。基于本文研究结果,可以为全可调离心压气机的设计和调节策略的研究提供理论依据。     

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.     

积垢对离心压气机叶轮气动性能的影响

建立表征离心压气机叶轮积垢分布的粗糙度模型,在叶片表面生成三维、非均匀分布的粗糙带,数值研究干净和积垢状态下叶轮的气动性能和内部流场,并通过敏感性分析,找到对叶轮气动性能影响最大的积垢区域。结果表明:积垢叶轮的多变效率和总压比较干净叶轮均有显著下降;随着流量增大,性能衰减愈发明显;离心压气机叶片前缘靠近叶顶部位为气动性能对积垢的最敏感区域.研究工作为离心压气机的鲁棒设计优化奠定了理论基础。     

离心压缩机中间级内流动数值研究

本文采用数值方法对多级离心压缩机中间级内的流动进行了研究,重点考察了进口段、弯道和回流器对中间级气动性能的影响,发现与进口段相比弯道和回流器内的流动损失较小,并且回流器出口气流的扰动作用使得级的喘振流量减小。本文还研究了增大回流器叶片出口安装角对压缩机压比及效率的影响。     

全工况性能优化在压气机多级环境中的应用

本文建立了轴流式压气机叶片气动优化设计系统,选择NURBS作为二维叶型和三维弯扭联合造型的主要方法,采用组合优化策略,对压气机全工况性能进行优化.优化过程采用了变复杂度模型,结合并行计算,大大减少了优化设计周期.优化后,全工况范围内效率得到了提升,同时流量范围有所增大,设计工况点效率提高0.7%,前三排叶片的喘振裕度比优化前提高了7.9%,扩大了稳定工作范围.     

短周期涡轮试验数据不确定度分析

为了评估短周期涡轮性能试验测量精度以及非稳态效应对其的影响,本文结合适当的扩展不确定度模型对涡轮效率及进口折合质量流量的测量不确定度进行了计算及分析。研究结果表明:短周期涡轮试验台特有的非稳态效应对效率测量不确定度的影响小于1.12%;涡轮进口马赫数对测量不确定度影响最大,流量测量不确定度与涡轮进口马赫数平方近似呈反比例关系,效率测量不确定度亦随其减小而迅速增大。研究发现对于涡轮进口马赫数小于0.158的工况,效率测量不确定度将不符合HB 7081-1994要求。针对此类工况,出于提高流量及效率测量精度的目的,研究了利用差压传感器测量涡轮进口动压进而计算流量的方法,结果表明该方法的效率及流量测量不确定度比使用总、静压传感器测量流量这种方法可分别减小58%及73%以上,且其均不随马赫数减小而增大。进一步的分析表明,对于马赫数小于0.158的工况,应采用该方案进行流量测量。     

冷压缩机叶顶间隙形态对气动性能的影响

冷压缩机是大冷量超流氦低温系统的关键设备。通过数值计算与实验相结合的方法,探究了低温下氦工质冷压缩机叶顶间隙变化对其性能的影响规律。结果表明:增大间隙导致压缩机压比和效率的降低,两者呈线性关系;相比前缘间隙,尾缘间隙对气动性能影响更大;增大叶顶间隙,机匣面回流区域增大且向流道前缘移动,对质量流量进行补充,喘振点向质量流量降低的方向移动。     

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。