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。