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。     

基于分组模型及仿生蜗舌的多翼离心风机设计

为提高多翼离心风机的流动效率,提出一种适合于该类型风机特点的分组设计模型,并借助于流场计算与试验设计相结合的分析方法,依次对多翼离心风机的叶轮、蜗壳和蜗舌进行分组设计。结果表明:具有更多设计自由度的双圆弧叶片气动性能明显优于单圆弧叶片;在保证蜗壳结构尺寸不变的前提下,采用等边基方法设计的蜗壳性能略优于三段圆弧设计出的蜗壳;基于长耳翼型前缘的仿生蜗舌能够有效减弱分离流动现象;利用本文方法改进后的多翼离心风机设计效率提高了4.33%,变工况性能明显改善。研究工作对深刻认识多翼离心风机内部复杂流动机理及发展优化设计方法具有学术意义和工程应用价值。     

有机工质向心透平气动设计与变工况性能预测

本文按实际气体计算有机工质蒸气物性,编写有机工质向心透平气动设计和变工况性能预测程序,对以R123为工质的向心透平进行气动设计优化、变工况性能预测计算。通过数值实验模拟分析三维流动情况和整机性能,结果显示透平设计和性能预测结果有效、可靠,但气动设计对强激波引起的损失及气流偏转估计不足,需要改进气动设计和性能预测方法,优化叶型。     

20K氦气循环低温系统的研制

针对大冷量氦气循环低温系统的研制进行了论述,该系统由氦气循环、低温换热和监测控制三个单元组成。氦气循环单元为氦气提供循环动力,以及压力和流量的调节,氦气循环单元中的氦气压缩机由螺杆制冷压缩机进行改造,同时对螺杆压缩机的冷却、后处理进行了优化。低温换热单元为循环氦气提供冷源,该单元使用的冷源介质为液氮和液氦,先使用液氮对系统进行预冷,然后采取液氦进行降温。监测控制单元对系统中的温度、压力和流量测量点进行监测,上位机软件自动绘制温度和压力曲线,并对数据进行存储。     

20K氦气循环低温系统的研制北大核心

针对大冷量氦气循环低温系统的研制进行了论述,该系统由氦气循环、低温换热和监测控制三个单元组成。氦气循环单元为氦气提供循环动力,以及压力和流量的调节,氦气循环单元中的氦气压缩机由螺杆制冷压缩机进行改造,同时对螺杆压缩机的冷却、后处理进行了优化。低温换热单元为循环氦气提供冷源,该单元使用的冷源介质为液氮和液氦,先使用液氮对系统进行预冷,然后采取液氦进行降温。监测控制单元对系统中的温度、压力和流量测量点进行监测,上位机软件自动绘制温度和压力曲线,并对数据进行存储。     

基于低温氦气循环换热的TMS内冷系统设计研究

经颅磁刺激线圈工作中伴随大量交流热损耗,文章提出了一种基于低温氦气循环换热设计,以应对TMS线圈应用中不断提高的脉冲电流幅值和频率。本文设计了一种由中空铜线绕制而成的TMS八字形线圈,采用液氮预冷及低温氦气协同冷却的机制实现线圈高效换热,并通过构建传热平衡方程及电磁热流多物理场耦合仿真对TMS线圈的刺激过程进行了分析研究。结果表明,与未加换热时相比,经由氦气换热后的刺激线圈整体热损耗降低了70%,实现了TMS线圈的低损耗与高效换热,验证了基于低温氦气循环换热设计可以在TMS系统中应用。     

空间预冷型J-T节流制冷机热力学流程优化研究

预冷型J-T节流制冷机是深空探测普遍采用的制冷机,本文针对本实验室研制的三级脉冲管预冷J-T节流循环的复合式制冷机,对液氦温区J-T节流制冷机进行了系统的热力学分析。通过对理想节流循环的T—s图的分析发现,预冷温度和节流前氦气状态参数是影响节流制冷机性能的关键因素。通过合理选择预冷温度和节流前氦气的温度和压力,可以提高节流循环的制冷量和整机效率。在理论分析基础上,开展了相关的实验研究,实验结果验证了理论分析的正确性。     

CAEP FEL-THz低温系统氦气纯化方法研究

鉴于氦的稀缺性,中国工程物理研究院高平均功率太赫兹大型科研装置(CAEP FEL-THz)低温系统中,必须除去回收粗氦中的杂质,以实现循环再利用。文中通过对常规氦气分离方法的比较和对低温系统低纯度氦气中所含杂质成分的分析,提出了一种基于高压低温冷凝分离和吸附的氦气纯化方法,旨在将低纯度氦气的纯度提升至满足低温系统使用的要求。据此,初步设计了一套氦气纯化系统,介绍了其工艺流程和主要部件。     

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。     

零蒸发率超导磁体系统氦液化冷凝器的设计

零蒸发超导磁体系统利用制冷机作为冷源,常温氦气经预冷后直接液化为液氦。同时零蒸发超导磁体系统将冷却系统蒸发的饱和氦气或低温氦气冷凝再液化。整个试验过程无需加注液氦和补充液氦,实现液氦零损耗。其中氦气液化冷凝器是低温磁体杜瓦部分的核心部件,它的设计成败将直接影响系统能否实现液氦的零蒸发与零消耗。     

集流器偏心对前弯离心风机气动性能影响分析

前弯离心风机叶片长、弯度大,蜗壳非对称性加剧其与叶轮干涉作用。为研究流动非对称性对前弯离心风机气动性能影响,本文对某前弯离心风机进行集流器偏心安装,采用数值模拟对风机三维不可压缩流场进行求解,预测不同安装角及偏心距下的离心风机性能。通过观察分离流动与气流角分布情况,给出偏心角、偏心距改变对叶片入口流动分离影响细节。结果显示当偏心距L=3 mm,偏心角θ=120℃时分离现象明显减少,分离干涉得到改善,结合试验对偏心方案进行可行性验证,采用该分析方法可为预测非对称入流条件下的离心风机内部流动特征提供一种途径。     

小型高速离心风机噪音主要影响因素研究

通过实验和数值模拟方法,本文详细研究了影响小型高速离心风机噪音的主要因素。研究结果显示采用低转速、倾斜蜗舌、适当增加蜗壳出口张开度和增加蜗壳宽度能有效地降低噪音,其中以采用倾斜蜗舌降噪效果最为显著,且对风机气动性能影响不大。本文研究结果可为设计高速小型低噪离心风机提供参考。     

超导磁体预冷回热组件设计与动态模拟

为满足强流重离子加速器装置(HIAF)中各类超导磁体300～80 K的预冷需求,设计一套液氮为冷源、氦气为循环介质的预冷回热组件。采用Aspen HYSYS对预冷回热组件300～80 K降温过程进行动态模拟,分析了组件模式切换时三种典型工况下系统的瞬态热工水力特性。结果表明预冷回热组件在最大流量30 g/s时可实现温度300～80 K连续可调,调节精度优于±3 K,可为HIAF各类磁体测试提供稳定可靠的冷源。     

CAES离心压缩机可调扩压器调节规律研究

离心压缩机是压缩空气储能系统中关键设备之一,需具备在较宽流量、压力范围内高负荷高效率运行的能力.作为一种变工况调节技术,可调扩压器可以扩大压缩机工作流量范围,改善气动性能.因此,本文以某压缩空气储能系统用离心压缩机为研究对象,通过数值计算方法研究了可调扩压器调节时压缩机性能变化规律.结果表明采用可调扩压器可以有效拓宽压...     

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。     

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。     

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。     

高温超导磁体低温氦气冷却系统设计及性能试验

高临界温度的超导材料的出现,使得使用高于液氦温度的低温氦气来冷却高温超导磁体的冷却系统有着广泛的应用前景。设计了一种高温超导磁体低温氦气循环冷却系统,并进行了相关性能试验。结果表明,系统使用温度范围广,可对多种不同临界温度的高温超导磁体进行冷却;系统控温精度较高,为高温超导磁体在特定温度下的性能研究提供了条件;指出了影响系统性能的关键问题。     

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。     

油烟机内多翼离心风机的响应面优化设计

为改善油烟机的气动性能,提高最大风量工况下的整机全压,对油烟机内多翼离心风机的叶轮进行响应面优化。通过与实验数据对比,验证了本文数值模型的可靠性。使用Box-Behnken实验设计方法对叶轮的进出口安装角和轮径比进行响应面优化,结果表明,叶轮的进出口安装角和轮径比对风机全压均有显著影响;将不考虑油烟机辅助部件的简化模型与整机模型分别进行响应面优化并进行对比分析,结果表明简化模型的优化结果在整机模型中存在不适应性。对最终优化机型在不同风量工况下进行气动性能和噪音的实验测试,实验结果表明,油烟机整机全压在最大风量工况下提高了18.89 Pa,且在整个工况范围内,气动性能均显著提高,A声压级噪声没有显著变化。