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超临界二氧化碳涡轮发电在船舶余热利用上的技术分析

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舰船科学技术 2017年第10期39卷 84-87页

作者：李沛剑海军驻航天一院军事代表室北京100076

船舶动力技术水平关系到国家经济发展与军事安全,其中实现其发动机排气余热高效利用是一项关键技术。船舶具有多种余热利用的途径,现代船舶对于电能的需求越来越大,利用余热进行发电具有前景。超临界二氧化碳具有良好的密度和流动特性,... 详细信息

船舶动力技术水平关系到国家经济发展与军事安全,其中实现其发动机排气余热高效利用是一项关键技术。船舶具有多种余热利用的途径,现代船舶对于电能的需求越来越大,利用余热进行发电具有前景。超临界二氧化碳具有良好的密度和流动特性,可在中低温区实现高效的涡轮机械作功,相比温差发电或燃气轮机发电具有明确的效率优势。本文对比分析了超临界二氧化碳涡轮发电的发展现状和关键技术,并针对船舶参数开展30 kW级超临界二氧化碳涡轮发电机的研制,在氮吹试验中实现了36 kW/36.5 kr/min的功率输出,可进一步验证并推进超临界二氧化碳涡轮发电在船舶余热利用上的发展。

关键词：超临界二氧化碳涡轮发电余热船舶效率

柴油机排气能量品质对废气涡轮发电能量利用效率的影响

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柴油机排气能量品质对废气涡轮发电能量利用效率的影响

作者：施夏重庆交通大学

学位级别：硕士

长期以来,内燃机的缸内工作过程以及各种先进内燃机技术（如增压、HCCI等）得到了深入研究,这些技术虽能改善内燃机缸内指示热效率但热效率提高的幅度很小。于是,人们以最大限度提高内燃机热效率为目的,从排气能量的回收利用角度出发,... 详细信息

长期以来,内燃机的缸内工作过程以及各种先进内燃机技术（如增压、HCCI等）得到了深入研究,这些技术虽能改善内燃机缸内指示热效率但热效率提高的幅度很小。于是,人们以最大限度提高内燃机热效率为目的,从排气能量的回收利用角度出发,为内燃机的节能减排开创了新的研究方向。研究表明排气能量回收利用方式的不同,对排气能量品质的要求存在差异;内燃机缸内燃烧情况复杂多变,排气能量品质也不尽相同。因此,对不同工况下排气能量品质进行分析研究,才能实现合理利用发动机排气能量,同时促进排气能量回收利用技术的完善,达到节能减排的目的。本文在构建排气能量品质等级综合划分方法的基础上,分别研究排气能量品质对动力涡轮废气能量利用效率和发电效率的影响。搭建YND485Q柴油机——J56动力涡轮排气能量回收利用试验台架并进行相关试验;处理试验数据,研究排气能量品质对管道中的能量沿程损失和动力涡轮可用能损失的影响;利用Matlab/Simulink软件,实现动力涡轮——减速机构——发电系统模型的联合仿真,模拟计算出排气能量品质变化规律对废气涡轮发电系统发电效率的影响。研究结果表明:从热力学的角度,发动机排气可用能占柴油燃烧热的19%0%。虽然发动机排气具有很高的可用能,但动力涡轮对这部分排气能量的利用率仅仅为5.69%5.52%。当发动机转速为2800r/min,负荷为90%时,动力涡轮对排气可用能的利用潜力发挥到最佳状态。在排气能量品质等级综合划分方法下,该试验台架涡前、涡后排气能量品质等级、能级差范围分别为2.69～5.98、1.95～4.91和0.70～1.15。当转速为2800r/min、负荷为75%时,排气能量品质等级差达到最大值,对应的涡轮?效率也是最大值。相对于温度划分方法,综合划分方法下的涡前、涡后排气能量品质等级的范围缩小且能级差数值增大。2800r/min转速下,负荷从75%增大至90%期间,该试验台架废气涡轮能量回收利用效率保持在一个良好且稳定的状态。随着排气能量品质的增大,动力涡轮的等熵效率总体呈先增大后减小的趋势,动力涡轮可用能损失先增大后减小至最小值,之后继续增大。当排气能量品质等级数为4.75左右时,排气涡后压力、涡前压力和涡前排气温度分别为9.83kPa、22.08kPa和670K,此时达到此动力涡轮的最优膨胀比2.27,动力涡轮的等熵效率达到峰值,动力涡轮可用能损失最少。分析废气涡轮发电系统各组成部分的联合仿真结果,排气能量品质等级为4.70,涡轮等熵功率为14.22kW,对应的涡轮转速为50900 r/min,车用发电机不工作。当排气能量品质等级超过4.70后,发电机转速开始转动,且转速从6200r/min后一直呈线性增长。车用发电机开始稳定工作,对外输出稳定电压且电压的大小随时间成正弦曲线变化,幅值为28V,负载为50?时输出电流为0.56A。总的看来,当排气能量品质等级数超过4.70后,最终能够完全回收转化为电能的排气可用能约为2.12kW.08kW,废气涡轮发电能量回收系统利用效率为5.49%0.14%。

关键词：柴油机排气能量品质涡轮发电利用效率

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车用发动机废气涡轮发电系统设计与试验研究

车用发动机废气涡轮发电系统设计与试验研究

作者：邓彪重庆交通大学

学位级别：硕士

从发动机热平衡来看,理想工况下废气带走的热量占总热量30%左右,因此排气能量的回收潜力比较高。通过发动机废气涡轮发电系统进行排气能量的回收利用,是一项提高发动机热效率,实现节能减排的重要途径。本文以某型自然吸气式柴油发动机... 详细信息

从发动机热平衡来看,理想工况下废气带走的热量占总热量30%左右,因此排气能量的回收潜力比较高。通过发动机废气涡轮发电系统进行排气能量的回收利用,是一项提高发动机热效率,实现节能减排的重要途径。本文以某型自然吸气式柴油发动机试验台架为基础,设计搭建了发动机动力涡轮能量回收试验台架。并应用Matlab软件对相关试验数据进行分析,得出不同工况下排气状态参数以及排气余压能、余动能、余热能的变化规律。接着分析了排气状态参数对三种形式排气能量以及动力涡轮输出功率的影响。同时针对柴油机动力涡轮能量回收试验系统的经济性进行了分析研究。最后设计了发动机废气涡轮发电试验系统的整体方案。研究结果表明:随着柴油机负荷和转速的增加,排气状态参数以及三种形式排气能量都是增加。总体上,排气能量的回收潜力较大,最小值为2.219 kW,最大值为28.95 kW。排气能量中余动能非常小,最大值只有0.0954kW;余压能最小值为0.2071 kW,最大值达到3.9397 kW;相比余动能、余压能,余热能高出很多,最小值超过2 kW,最大值为24.9193kW。总之,余热能是排气能量回收的主要对象,只有在高速、高负荷区域才考虑余压能,而余动能可忽略不计。另外,排气状态参数对三种形式排气能量都存在一定的影响,总体上排气流速对余动能影响较大,排气压力对余压能影响较大,排气温度对余热能影响最大。动力涡轮输出功率以及转速都随着柴油机负荷和转速的增加而增大,动力涡轮最小输出功率为0.4218 kW,最大输出功率为5.593kW,最高转速为75800r/min。与此同时,四种排气状态参数对动力涡轮输出功率都有影响,影响最大的是排气温度,其它参数相对较小。总体上,动力涡轮仅仅回收了17.34%3.56%的排气能量,大部分排气能量都排入大气浪费掉了。相比不带动力涡轮的柴油机,柴油机动力涡轮能量回收试验系统的热效率平均提高10.6%。同时带动力涡轮下发动机的经济性没有明显的恶化,采用动力涡轮发电比采用车用发电机发电经济性好。最后确定了废气涡轮发电试验系统的整体设计方案,并对相关部件进行选型或设计。试验系统由三部分组成:动力涡轮、传动机构、高速发电机。动力涡轮作为试验系统的原动机,高速发电机选择稀土永磁发电机,传动机构为单级斜齿轮减速传动。

关键词：柴油机涡轮发电排气能量试验研究

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柴油机废气涡轮发电系统性能试验研究

柴油机废气涡轮发电系统性能试验研究

作者：张赛重庆交通大学

学位级别：硕士

汽车行业的蓬勃发展消耗了大量石油资源,能源日益短缺。从目前车用发动机热平衡来看,发动机废气携带的能量约占燃料燃烧产生热量的1/3,具有很大的回收潜力。利用动力涡轮回收废气能量发电是提高发动机燃料利用率和热效率的有效途径。本... 详细信息

汽车行业的蓬勃发展消耗了大量石油资源,能源日益短缺。从目前车用发动机热平衡来看,发动机废气携带的能量约占燃料燃烧产生热量的1/3,具有很大的回收潜力。利用动力涡轮回收废气能量发电是提高发动机燃料利用率和热效率的有效途径。本文搭建了柴油机废气涡轮发电系统试验台架,通过试验采集发动机不同工况下的排气状态参数,动力涡轮空、负载时转速,系统输出电压、负载电流以及发动机油耗率和热效率等相关参数,通过试验获得的数据对废气涡轮发电系统性能进行了研究,为高效回收内燃机废气能量提供依据。论文首先研究了发电系统运行时发动机排气状态参数和废气能量的变化规律以及动力涡轮中的废气能量损失,接着通过对比动力涡轮带发电机与不带发电机时转速变化情况对其带负载能力进行了评价,并分析了发电系统废气能量回收特性及其影响因素。最后,从废气净回收能量和系统循环热效率两个角度对系统经济性进行了分析。研究结果表明,整个试验工况范围内,发动机废气总能量在10.19kW～20.35kW之间,主要表现形式为余热能,动力涡轮中的废气能量损失约占废气总能量的30%～50%,动力涡轮可用废气能量约为4.42kW～10.76kW。涡轮带发电机时转速较不带发电机时转速明显降低,涡轮带负载能力不是很强,还有较大的提升空间。动力涡轮对废气能量的回收效率最高达到了17.5%。可通过将发动机有效输出功率控制在13kW左右来实现发电机起动。发电系统最大输出电量可达84W,系统发电效率在2.3%～5.0%之间。通过对比系统发动机与原发动机的油耗率和热效率,系统发动机燃油经济性并没有明显的恶化,废气净回收能量最大值为70.97W。各工况下系统循环热效率均比原机热效率有所提升,发动机2200r/min转速下的热效率提升率达到了最高的2.6%。

关键词：柴油机废气能量涡轮发电试验研究

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内燃机余热利用涡轮发电系统性能研究

内燃机余热利用涡轮发电系统性能研究

作者：魏玮清华大学

学位级别：硕士

从内燃机热平衡看,理想工况下用于动力输出的能量仅占燃油燃烧总热量的30%到40%,以余热能量形式排出车外的能量可占到燃烧总能量的60%到70%。在实际工况下,余热能量损失更是占到了接近80%。通过内燃机与涡轮发电的联合循环来回收利用内... 详细信息

从内燃机热平衡看,理想工况下用于动力输出的能量仅占燃油燃烧总热量的30%到40%,以余热能量形式排出车外的能量可占到燃烧总能量的60%到70%。在实际工况下,余热能量损失更是占到了接近80%。通过内燃机与涡轮发电的联合循环来回收利用内燃机余热,是提高内燃机总能效率,降低油耗的一个有效途径。联合循环效率低、工况适应性差是当前内燃机余热涡轮发电技术研究所面临的主要难点。论文建立了可考虑内燃机与涡轮热力过程相互作用的涡轮发电通流模型。设计搭建了涡轮发电系统试验台,利用该试验台对涡轮发电通流模型进行了试验验证。通过对GT-Power商业软件进行二次开发,建立了基于涡轮发电通流模型的内燃机余热涡轮发电总能系统仿真平台。现有的涡轮发电系统方案包括电辅助增压器涡轮发电系统方案和串联涡轮发电系统方案。论文应用内燃机余热涡轮发电总能系统仿真平台,针对某型增压汽油机,对现有方案进行了详细分析研究,发现现有方案在中低负荷工况下并不能很好的提高系统效率。论文针对现有系统方案的不足,设计了增压器涡轮与涡轮发电系统并联的系统方案。分析研究了动力涡轮对于发动机余热涡轮发电系统性能的影响,提出了动力涡轮的设计要求,并设计出了用于余热涡轮发电的高效小流量动力涡轮。仿真分析表明,采用了设计的动力涡轮后,并联余热涡轮发电系统可有效提高内燃机燃油经济性,常用工况点系统有效效率最大提高幅度达到8%,在US06和FTP75驾驶循环下,燃油经济性分别改善了4.7%和1.8%。

关键词：内燃机余热利用涡轮发电

用于超声速飞行器的冲压涡轮发电系统设计研究

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用于超声速飞行器的冲压涡轮发电系统设计研究

作者：孙福超南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来超声速飞行器在国防军事领域的地位逐渐升高,对其进行的研究也越来越受到重视。冲压涡轮发电系统由于重量轻、结构简单、综合效能高等优点,成为为超声速飞行器机载设备提供电功率的最佳选择。本文采用数值模拟与试验手段相结合的... 详细信息

近年来超声速飞行器在国防军事领域的地位逐渐升高,对其进行的研究也越来越受到重视。冲压涡轮发电系统由于重量轻、结构简单、综合效能高等优点,成为为超声速飞行器机载设备提供电功率的最佳选择。本文采用数值模拟与试验手段相结合的方法进行了系统设计及核心部件优化等研究。主要内容如下:1、本文首先完成系统的总体方案与总体结构设计。然后详细阐述主要部件的设计过程,包括发电机的磁路结构、冷却润滑装置和主要气动部件,其中在气动部件设计中要考虑各部件之间的匹配。设计的冷却润滑装置高效地解决了发电机的散热以及轴承的润滑问题;设计的扇形节流装置结构紧凑、调节精度高、响应时间短、工作安全可靠。2、采用CFD方法对各气动部件进行数值模拟计算,分析部件的流场情况,得到各部件的工作特性。然后将涡轮与蜗壳进行CFD联算,研究两者的匹配特性;进行涡轮与扇形节流装置的数值模拟联算,为控制策略的选择提供参考。此外还针对扇形节流装置进行特定试验,并与数值模拟结果相对比,验证了数值模拟的准确性。3、对冲压涡轮发电系统进行冷态整机试验。搭建专门的试验台架,制定详备的试验和测量方案,检测系统的振动情况。试验得到系统在低负载状态下的工作特性,验证了部件的结构强度。4、对涡轮进行优化研究。在涡轮出口面积不变的情况下,分析了涡轮转子子午面上下端壁的扩张角组合变化对涡轮性能的影响,结果表明,不同的上下端壁扩张角对涡轮导向器进出口的静压分布、导向器喉道处的Ma分布、转子的进气角以及设计点涡轮出口的激波强度都有一定的影响,且存在一个最佳的上下端壁扩张角的组合使涡轮在设计点及非设计点的性能得到提高,在设计点,最优组合比最差组合等熵效率提高0.7%,功率提高0.465kW。

关键词：冲压涡轮涡轮发电总体设计微型涡轮数值模拟试验研究子午流道

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电动增压及涡轮发电混合增压系统的研究

电动增压及涡轮发电混合增压系统的研究

作者：杨南杰福州大学

学位级别：硕士

随着我国机动车数量的持续增多,能源安全与环境保护问题日益严重。内燃机是汽车的核心零部件,同时它也是把石油化学能转化为机械能的重要工具,但转化比例只有30%～40%。如何节能减排和回收剩余能量,成为当前内燃机领域的研究热点。本文... 详细信息

随着我国机动车数量的持续增多,能源安全与环境保护问题日益严重。内燃机是汽车的核心零部件,同时它也是把石油化学能转化为机械能的重要工具,但转化比例只有30%～40%。如何节能减排和回收剩余能量,成为当前内燃机领域的研究热点。本文特色在于针对增压柴油发动机存在低速工况下转矩不足、瞬态响应特性差、加速冒黑烟和能源利用率低的问题,采用电动增压系统与原增压器并联的结构,代替原增压器进行快速进气。采用涡轮发电系统与原增压器串联的结构,把多余废气能量转化为电能,从而提高发动机总输出功。该研究对能源节约和环境保护都具有重大实际意义。本文主要研究工作如下:通过理论分析和仿真建模验证余热利用技术的可行性。对比增压发动机和复合涡轮增压发动机理想的工作循环图与恒压T-S图,验证了增加复合涡轮后,可减小换气损失,提高能量利用率。基于GT-power软件搭建余热发电系统模型,并分析模型的余动能,余热能,余压能和排气总能,以此验证该技术的可行性。混合增压系统的结构设计。采用电动增压器和涡轮发电机与原增压器并、串联结构,设计一种新型盖板结构,解决了电动增压器转子轴过长、压气机与电机同轴度不足和连接螺母易松动的问题。同时本文灵活利用了涡轮轴端部的光轴部分与传动螺母内孔配合,解决了涡轮轴与联轴器同轴度与跳动度不足的问题。混合增压系统的硬件电路设计。以Altium Designer为硬件开发平台,采用模块化的设计思路,实现了模拟地、数字地与功率地的分离,避免信号之间的干扰,增强了系统稳定性。完成了硬件电路的设计,包括STM32芯片最小工作系统、传感器输入模块、输出模块和界面显示等,最后完成PCB板的设计与制作。混合增压系统的软件设计。以Keil-uVision5为软件开发平台,提出了一种新型智能控制策略,基于电增压系统-进气压力MAP图,以发动机进气压力为基本目标,采用模糊PID控制器,实时控制电动增压器转速,使发动机得到期望的进气压力值。发动机排气端则采用旁通阀来实时控制涡轮发电机的工作状态。基于增压柴油机台架试验方法,设计了电动增压试验、涡轮发电试验和两种系统协同工作的三种试验方案,以研究混合增压系统对柴油机整体性能的影响。试验结果表明:混合增压两子系统独立试验时分别可改善柴油机的动力性、排放性和燃油经济性,同时回收多余废气能量,提高发动机的输出总功率。混合增压系统的两子系统联合工作,可使发电功率和发动机总功率得到进一步提高。

关键词：混合增压系统涡轮发电控制策略柴油机台架试验

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涡轮发电在石油钻井中的应用分析

当代化工研究 2017年第5期 132-133页

作者：罗军营程召川庆钻探长庆钻井总公司定向井技术服务公司陕西710018

我国已经进入了创新驱动发展的新时期,钻井一体化技术也逐渐替换掉分步钻测井的传统钻井模式,涡轮发电以其在使用寿命与生态环境保护方面的优势,逐渐代替了常用的蓄电池发电装置,本文将从涡轮发电背景、涡轮发电在石油钻井中的应用现状... 详细信息

我国已经进入了创新驱动发展的新时期,钻井一体化技术也逐渐替换掉分步钻测井的传统钻井模式,涡轮发电以其在使用寿命与生态环境保护方面的优势,逐渐代替了常用的蓄电池发电装置,本文将从涡轮发电背景、涡轮发电在石油钻井中的应用现状及涡轮发电的未来研究探索三个方面进行展开分析。

关键词：涡轮发电石油钻井分析研究

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涡轮发电混合动力分布式推进系统设计分析

航空动力 2019年第5期 71-74页

作者：滿運堃姚軒宇王愛峰中国航发研究院

分布式推进系统作为一种新型航空推进技术,其系统构架、设计方法和思路均与传统模式有所区别,开展设计方法梳理及影响因素分析,有助于加深对混合动力系统设计的认识,为方案设计提供理论支持。随着航空业的快速发展,人们对飞行器动力系... 详细信息

分布式推进系统作为一种新型航空推进技术,其系统构架、设计方法和思路均与传统模式有所区别,开展设计方法梳理及影响因素分析,有助于加深对混合动力系统设计的认识,为方案设计提供理论支持。随着航空业的快速发展,人们对飞行器动力系统性能的要求也在不断提升。其中,涡轮发电混合动力(涡轮混电)分布式推进系统作为一种极具潜力的新型航空动力系统.

关键词：混合动力涡轮发电动力系统设计燃油经济性发动机功率需求飞行器设计储能系统分布式推进系统峰值功率电池电量飞行包线流动路径基准方案