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。     

离心式透平的热力设计与分析

以离心式透平为研究对象,用完全气体作为流动介质,进行一维热力设计计算与分析,推导出轮周效率η_u的关系式,得到其与反动度Ω、速比x_a、径比D_2/D_1、扩张角、进口总温、进出口压比、进口角α_1、动叶速度系数ψ、静叶速度系数φ等九个参数相关。在透平进出口压比一定、进口总温一定、静叶出口气流角一定且动、静叶的速度系数认为已知的条件下,分别研究剩下的四个参数对级效率的影响,最终得到一组最佳参数范围,为离心式透平的设计提供可靠的依据。     

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。     

离心透平附属通流部件设计分析

离心透平的通流部件主要包括:进气道、静叶栅、动叶栅、无叶扩压器、出气道,本文对除静叶栅、动叶栅之外的附属通流部件的子午面进行设计。进气道子午面设计采用等截面法,保证级前进气均匀、轴向对称;无叶扩压器采用与叶栅等高的平行侧壁形式,最佳出口直径根据整机效率最优的原则得到;出气道子午面采用与叶栅等高的圆弧扩压弯管设计。结果表明,该方法设计附属通流部件简单易行,特别适合工程应用,以某一离心透平为例,数值模拟得到的级效率为88.51%,整机效率为90.34%,轮周功为478.9 kW,性能达到预期。     

基于速比优化的三维透平叶片一维化设计方法

现代透平叶片设计过程中,需要不断调整沿径向分布的几何参数,设计周期长。为了解决此问题,本文构建了一种三维叶片的一维化设计方法：将叶片流道沿径向分割成若干个子流道,对每个子流道进行一维设计,得到其最佳速比与进出口几何角,再使用每个子流道的一维设计结果沿径向叠加构建三维叶片。使用某F级燃机末级的边界条件,应用该方法对其叶片进行重新设计,并利用数值模拟结果中的静叶出口压力、落后角等参数作为额外约束进行精细设计。结果表明：与原始设计相比,优化得到的透平动叶部分区域损失略微增大,流量降低0.26%,但余速损失显著下降,同时轮周效率提高了1.7%,总–总效率提高0.37%,并且轴功增大了1.47%。     

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。     

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。     

基于向心透平效率预测的超临界二氧化碳循环的热力学分析

透平是超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环的核心部件之一。通常,小流量的循环常采用向心透平。透平的效率和循环的设计参数密切相关。在关于S-CO₂循环的研究中,透平效率通常设置为定值。目前并没有关于采用透平效率预测对于S-CO₂循环,性能影响的研究。本篇文章提出了采用一维向心透平效率的S-CO₂循环再压缩循环模型。并在不同的循环参数下,对采用一维透平效率和固定透平效率的S-CO₂循环的热力学性能进行对比。结果显示当循环参数改变时,可以采用合适的固定透平效率。然而,当热源流量变化时,探究变工况情况下的透平效率相当重要。     

基于叶片载荷分布的离心叶轮气动优化

针对离心压缩机叶片载荷对叶轮气动性能的影响,按照盘、盖侧的最佳载荷匹配,利用反问题计算原理设计出相应的离心叶轮,采用数值方法计算分析了各自叶型的效率、压比和能量头等气动参数,确定最佳载荷匹配原则。在此基础上对载荷沿流向的梯度变化进行再优化,发现在一定程度内较小的载荷梯度有利于减小流动损失,提高叶轮效率,但过于平缓的载荷反而使性能略有降低。本文结果为高性能离心叶轮的气动设计提供依据。     

跨声速透平级完全三元流场的计算方法及其应用

本文介绍了用时间推进法计算跨声速透平级三元流场的方法.应用本方法研究了静叶径向安装角对于级的反动度的影响.发现静叶压力面向下倾10度对于改善反动度沿径向的分布,有明显的效果.为进一步改进透平级的设计,提供了理论依据和数值模拟的手段.     

低反动度附面层抽吸式压气机及其内部流动控制

本文进一步分析了低反动度附面层抽吸式压气机概念,并讨论了该压气机的设计要点和应用范围;分析了抽吸掉的附面层内的低能高熵流体的可能利用途径,以及对于不同的利用方式,效率的评估方法;基于上述概念设计了一台亚声速低反动度附面层抽吸式压气机,详细地分析了该压气机的气动参数选取与分布特点,以及该压气机内部的三维分离流动及其控制规律.     

一维Renyi熵阈值法中参数的自适应选取

提出了一种自适应选取一维Renyi熵阈值分割法中参数α的方法.该方法以一种图像分割质量评价指标-均匀性测度为适应度函数,利用粒子群算法在参数空间进行优化搜索,从而可以根据具体的图像获得合适的参数,得到最佳的图像分割阈值.结果表明:一般情况下,可以(0,1)范围内搜索最优的α值;当需要更好的分割效果时,可在(0,10)范围内搜索最优的α值.     

非平衡凝结流线曲率法通流程序开发及应用

在湿蒸汽汽轮机设计中评估湿蒸汽偏离热力学平衡态的程度及其对透平级几何、气动参数设计的影响具有重要意义。本文发展了湿蒸汽非平衡凝结流动的流线曲率法通流设计程序,对某300 MW汽轮机低压缸六级透平内的流动进行了分析,并与平衡凝结流动流线曲率法程序的计算结果进行了对比。结果表明:与平衡凝结流动相比,非平衡凝结流动中叶栅后的压力、出口汽流角、湿度以及级的反动度和效率发生了明显变化,非平衡凝结流动的效率降低2 08%,功率降低1.05 MW。本文发展的非平衡凝结流动流线曲率法通流设计程序为我国大功率火电汽轮机低压缸和核电汽轮机的通流设计提供了工具。     

离心式透平的变工况特性研究

本文以完全气体为流动工质,进行离心透平级的气动设计与性能研究。采用数值模拟方法,对所设计的离心透平级进行设计工况及变工况条件下的三维稳态流场分析。结果表明:在设计工况下,流道内的流场合理,流线流畅,气动性能符合预期;在变工况条件下,当转速一定,随着背压的降低,流量缓慢增大,效率先缓慢下降,再迅速下降。随着背压的升高,流量和效率都是先缓慢下降,再迅速下降;涡流的出现会导致变工况点的效率的迅速下降;转速增大对流量几乎没有影响,转速增大可使最佳效率点向压比p_2/p_1小的方向移动;转速减少对流量也几乎没有影响,转速减少可使最佳效率点向压比p_2/p_1大的方向移动;进口温度的变化对级效率影响较小,质量流量随进口温度的增大而降低。     

基于机器学习XGBoost算法的跨音速离心压气机扩压器气动优化设计

本文以某跨音速离心压气机扩压器为研究对象,提出了一种叶型参数化方法和优化流程,采用机器学习XGBoost算法以及全局寻优模型对其进行了气动优化。研究结果表明,该回归优化模型可以在较少的迭代步数内获得全局最优解,优化速度比传统代理模型具有显著的提升,优化精度与CFD仿真结果相当。优化后的扩压器能够在保证离心压气机压比基本不变的条件下,峰值效率提高1.03%,稳定裕度提高4.79%,对优化后扩压器内部流动进行了分析,讨论了不同设计参数对离心压气机的影响,为离心压气机扩压器设计提供了指导。     

改变蜗壳结构对离心风机性能及噪音的影响

利用Ansys Fluent软件进行数值模拟,通过分别改变蜗壳宽度和蜗舌倾角的方法,详细研究了改变蜗壳结构对离心风机气动性能及声功率级的影响。研究结果显示,在离心风机设计推荐范围内存在最佳蜗壳宽度,使得离心风机的声功率级最低;增加蜗壳宽度,离心风机的全压、效率略有下降,静压升高;固定离心风机蜗壳后盖板蜗舌半径R_1,增大蜗壳前盖板蜗舌半径R_2,能有效地降低离心风机的声功率级;在降噪效果上,改变蜗舌间隙优于改变蜗舌倾角.     

基于遗传算法的离心压缩机叶栅多点优化设计

离心压缩机元件的气动设计通常是根据一个给定工况点设计其几何形状。如此设计的元件在该设计工况点一般能保持较好的气动性态,但当实际运行工况改变时,性能往往会恶化。本文将机翼的多点设计思想引入离心压缩机叶栅的优化设计,并应用遗传算法对这类多目标优化问题进行求解,希望由此获得在运行工况间能较好折中的叶栅型线设计。以离心压缩机扩压器叶栅为例,在两个给定设计工况下采用所提出的方法求解其最佳叶片型线。数值结果显示,方法是有效和可行的。     

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。     

径向涡轮叶片子午面型线的优选设计

本文应用Bezier函数,对某型涡轮增压器的径向涡轮叶片子午面型线进行气动优化设计。通过调整子午型线的自由参数,构造不同的子午面型线,以总温-静温效率为优选目标,利用均匀实验优选法求得优选叶型。经过三维流动的计算比较,优化后涡轮效率提高了0.5%,结果表明优选法设计具有很好的工程应用价值。     

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。