微型向心透平级速比与DN值的最优选择

基于向心透平轮周效率的表达式,利用解析法分析了微型向心透平级速比和反动度的匹配关系,研究了关键参数变化对匹配结果的影响,对从级速比派生出的叶轮进口直径与转速的乘积值(DN值)这一参数进行了选取分析.结果表明:在向心透平设计时,级速比必须与反动度进行匹配选择,单纯选择级速比不能使向心透平具有较高的轮周效率;对于不同的微型向心透平叶轮结构,级速比选取范围不同,径向一轴流式为0.64～0.72,纯径向式为0.72～0.80,级速比为0.72可作为这两种叶轮结构形式选择时的分界点;叶轮DN值能直接反映出叶轮材料、结构形式、设计工况、叶轮尺寸以及轴承轴系等因素,这些因素直接关系向心透平能否实现微型化,因此叶轮DN值是一个高度集中的参数,在微型向心透平设计中可替代级速比.     

三级有机工质离心透平气动性能研究

以有机工质R123为工质,基于一维气动分析理论,设计了三级离心透平,并采用数值模拟方法研究了不同工况下的透平气动性能.结果表明:设计工况下,三级等叶高直叶片离心透平轮周效率可达到86.7%;在变工况条件下,离心透平轮周效率随着膨胀比的增大先增大后减小,离心透平各级的膨胀比、焓降和反动度等热力参数随着级组膨胀比的变化从高压级到低压逐级增大,最末级变化最大.     

微型燃气轮机向心透平导向器的流场分析与设计研究

对微型燃气轮机向心透平导向器叶片型线的设计原则进行了探讨,设计出了5种尾缘厚度的导向器叶片,并分别对其通道流场进行了全三维黏性数值模拟.研究结果表明:以该型线设计原则设计出的高亚音速向心透平导向器叶片具有较高的流动效率,并且可以有效减小向心透平的径向尺寸;尾缘相对厚度对导向器叶片流动特性及效率影响较大,尾缘相对厚度每增加1%.叶轮进口气流角将减小约0.03°,速度系数将降低约0.1%.考虑到目前高温合金精密铸造的工艺水平,导向器叶片尾缘厚度取0.6~1.0 mm、尾缘相对厚度小于15%可以获得较高的气动性能.     

燃气透平轮缘密封流动特性和气动性能

轮缘密封是二次空气系统的重要组成部分,能有效抑制燃气入侵盘腔,但过量的封严冷气进入主流会显著影响透平气动性能。采用数值求解三维非定常雷诺时均纳维斯托克斯(URANS)方程组和剪切应力传输(SST)k-ω湍流模型的方法研究了燃气透平轮缘密封流动特性和气动性能。数值模拟得到的轮缘密封封严效率与实验数据吻合良好,验证了数值计算方法的可靠性。研究了3种封严冷气量下的透平轮缘密封的封严效率和气动性能,分析了透平静动盘腔的流场结构和燃气入侵与冷气出流特性。仿真结果表明：在所研究的3种封严冷气流量下,轮缘密封内腔完全封严,较小的封严冷气流量能使末级透平轮缘密封达到较高封严效率;在最小冷气流量时外腔动盘面平均封严效率比静盘面高4.4%。对于末级透平,主流周向压力不均匀分布导致的外环诱导入侵占主导,且动叶前缘附近压力场对燃气入侵的影响大于静叶尾迹压力场。封严冷气质量流量比每增大1.0%,透平级总总效率降低约1.0%,相对动盘壁面封严效率的影响,封严冷气流量对动叶气动性能的影响更大;出流冷气的流动方向相对主流在切向上滞后,使掺混气流以负攻角冲击动叶吸力面前缘,吸力面前缘压力增大。该工作可为轮缘密封流动特性...     

海洋温差能发电透平设计及性能影响

通过对海洋温差能发电向心透平气动部分进行设计,对其气动性能及喷嘴的影响进行模拟研究.采用经验参数和遗传算法对其进行一维参数设计,并通过三维造型得到透平气动模型.采用计算流体动力学(CFD)技术对透平的三维流场和性能进行了数值模拟.结果 表明,在设计工况下透平的气动效率达到86.5％.在此基础上,对设计工况下的喷嘴-叶轮...     

超临界二氧化碳向心透平设计与热流固耦合研究

为了适应兆瓦级超临界二氧化碳(SCO₂)布雷顿循环系统的需求,本文在1 MW功率等级SCO₂向心透平设计基础上,通过雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)的方法开展了透平流道内流动的三维数值模拟,分析了透平的变工况性能,研究了叶顶间隙的大小对流动效率的影响规律。基于热流固耦合方法,根据数值模拟结果与透平叶轮的实际运行条件,施加相应热载荷与气动载荷,并考虑到轮背泄漏流引起的轴向推力,开展了透平动叶轮的运行安全性分析。结果表明：设计工况下透平的等熵效率达到83.53%,输出功率达到1 188.57 kW,所设计的透平具有良好的变工况性能;采用TC4钛合金制造的透平叶轮的最大总形变为0.570 mm,其中最大轴向形变为0.303 mm,叶轮结构的内部应力远小于材料的屈服强度。本文的工作可为未来兆瓦级SCO₂布雷顿循环系统的透平研制提供基础数据与理论支撑。     

离心泵做透平的叶片弯曲形状分析

为提高液力透平的效率,设计了前弯和后弯2种叶片弯曲形式的叶轮,利用实验、理论和数值计算相结合的方法对离心泵做透平的水力性能进行了研究.分别对后弯式叶轮泵工况、透平工况和前弯式叶轮液力透平工况3种情况的水力性能进行了分析,得到泵工况和2种液力透平工况下外特性曲线的差别,并分析了液力透平各过流部件内部功率损失分布.研究结果表明:泵作透平的外特性曲线与泵的不同,Q-H曲线随流量增加而逐渐增加;2种叶轮形式的液力透平对比中,前弯形叶轮在最高效率点的流量、扬程、轴功率和效率分别比后弯形叶轮高;前弯形叶轮高效点以及高效点之后的流量效率曲线高于后弯形叶轮的流量效率曲线,流量扬程曲线低于后弯形叶轮的流量扬程曲线,2种形式的叶轮轴功率相差不大.液力透平各过流部件功率损失分布表明,前弯形叶轮内部的功率损失的减小是液力透平效率提高的主要原因;对比2种叶片弯曲形状液力透平的流量和扬程系数可知,前弯式叶轮的流量系数和扬程系数均大于同尺寸后弯式叶轮的,因此前弯叶轮更适合于液力透平工况运行.     

三元叶片型面造型对离心压缩机叶轮气动性能影响的数值研究

以某一离心压缩机中的任意曲面叶轮为研究对象,将其"直纹面化"以降低制造成本,同时研究发现,直纹面化处理后任意空间曲面三元叶轮的气动性能下降。为了提升直纹面叶轮的气动性能,通过设计8+1套改型设计方案、调整叶片型线控制点、改变叶片前缘及尾缘坐标,并借助流体计算软件Numeca进行了数值模拟,由此求得了性能曲线及内部流场。结果显示:当直纹面叶轮叶片进口安装角扩大时,气动性能明显下降,反之亦然;当直纹面叶轮叶片出口安装角扩大时,压比的提升较为明显,叶片出口安装角缩小时,效率的改善更为显著;综合改进叶片前缘与尾缘的型线,可使直纹面叶轮的气动性能显著提高。研究表明,直纹面叶轮气动性能对叶片型线变化非常敏感,通过适当地改进型线可以有效提升直纹面叶轮的气动性能,使之不低于原任意曲面叶轮的气动性能。     

轴向间距对涡轮时序效应影响的数值研究

如何提高叶轮机械气动效率一直是人们普遍关心的问题.将研究时序效应能否用于提高涡轮气动性能.采用商业软件进行数值模拟,通过在一个栅距内改变第二级静叶相对第一级静叶的周向位置,移动转子相对位置,结果发现保持轴向间距不改变,转子居中时涡轮效率整体最高,且转子相对位置发生改变并不影响时序位置最大效率和最小效率点.分析涡轮非定常时均流场发现,时序效应主要影响第二级静叶出口流场,在叶尖和轮毂区,最小效率和最大效率时序位置均表现出较高的损失;然而沿第二级静叶径向,对应最小效率时序位置栅距平均的总压损失系数明显要高.说明静叶时序和转子相对位置都可以影响到涡轮气动性能,对涡轮优化设计能起到指导作用.     

微型氦透平膨胀机系统性数值模拟

现今氦透平膨胀机的设计,仅有面向各部件的设计方法及步骤,没有完整精准的设计流程,未形成设计体系。为保证环控系统中微型氦透平膨胀机运行的安全性、可靠性及高效性,提出一套基于CAD/CAE/CFD的智能化设计流程,通过一维热力计算、二维气动设计、三维气动分析和强度校核、三维造型和转子动力学分析对微型氦透平膨胀机进行数字化仿真设计,并对设计过程进行系统性数值模拟。确保设计方案可达到氦制冷系统的设计要求,同时为设计微型氦透平膨胀机提供设计制造集成技术。