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动力工程学报 2020年第6期40卷 509-516页

作者：王智匡轩毅刘亚丽李志彬闫锐鸣华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室河北保定071003

超临界二氧化碳透平被广泛用于太阳能发电系统中,但局部损失导致该透平流动中部分区域工质处于亚临界区。为了探究二氧化碳在跨临界区物性对透平的影响,进行了喷管实验和单级轴流透平的热力气动设计、三维造型及数值模拟。结果表明:二... 详细信息

超临界二氧化碳透平被广泛用于太阳能发电系统中,但局部损失导致该透平流动中部分区域工质处于亚临界区。为了探究二氧化碳在跨临界区物性对透平的影响,进行了喷管实验和单级轴流透平的热力气动设计、三维造型及数值模拟。结果表明:二氧化碳物性在跨临界区急剧变化,易产生流动分离和回流等现象;设计透平在各工况下喷嘴尾缘、动叶吸力面前缘等局部压降区域易出现跨临界现象,并伴随有透平效率不同程度降低;增大出口压力、升高温度、调整转速或优化翼型,均可避免跨临界情况发生,从而提高透平效率。

关键词：跨临界物性超临界二氧化碳轴流透平数值模拟

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超临界二氧化碳单级轴流透平设计及流动特性分析

超临界二氧化碳单级轴流透平设计及流动特性分析

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作者：匡轩毅华北电力大学

学位级别：硕士

超临界二氧化碳(SCO)被认为是能量转换系统中极具潜力的工作介质。超临界状态下的二氧化碳(TC=304 K,PC=7.38 MPa),粘度接近气体,密度接近液体,流动密度高,传热性能好。因此,超临界二氧化碳布雷顿循环系统具有设备尺寸小、发电效率高、... 详细信息

超临界二氧化碳(SCO)被认为是能量转换系统中极具潜力的工作介质。超临界状态下的二氧化碳(TC=304 K,PC=7.38 MPa),粘度接近气体,密度接近液体,流动密度高,传热性能好。因此,超临界二氧化碳布雷顿循环系统具有设备尺寸小、发电效率高、成本低等优点,轴流透平技术成熟,适合大流量工质,便于多级化处理,可满足高膨胀比大功率高效运行的要求。本文以SCO布雷顿循环轴流透平为研究对象,对其进行设计、建模、模拟计算以及流动分析,主要研究了以下几个方面:完成以SCO为工质的10MW轴流透平的热力设计,通过一维设计导出的叶轮启动参数和尺寸参数,运用Blade Gen进行建模,并运用CFX对其进行数值模拟,其中考虑到物性方程无法准确表示超临界物性状态,采用了NIST真实物性数据,分析模拟数据后,验证出所做的一维热力设计结果准确,误差小于预期值达到了设计标准,能较好反映透平性能。同时还对透平的变工况性能进行分析,取偏离设计工况±20%的入口压力、出口压力、入口温度及转速等数据,对叶轮进行模拟分析,并给出了各个非设计工况的流量、效率、发电功率等参数,分析其在不同工况中损失发生的位置。当各参数变化在10%内时,入口压力变化的对透平效率的影响最大达到2.5%,出口压力变化对透平效率影响达到1.6%,入口温度及转速变化对效率影响较小分别为0.17%和0.77%。对工质流动中所产生的压力温度低于临界点情况,构建了喷管模型,在模型中采用缩放喷管模拟在叶轮内的膨胀过程,并发现在喷管喉部有跨临界区域产生,并在此区域发现密度等物性参数的突变现象。在对流道的模拟中在温度下降接近400K时,也产生了物性参数突变的现象,并伴随有流动分离及回流状况,透平效率下降至0.74左右。在压力转速的变化中,伴随有跨临界区域产生,虽引发一定程度的流动分离,但并未发生物性参数的突变,密度的变化梯度维持在与设计工况相持平数值。对于流动中的跨临界区给出了详细的发生原因,并给出了改型措施针对其易发生压降的点,比如加宽喷嘴尾缘,改变动叶翼型等方法,使效率回升0.6%左右。整体而言,设计透平负荷设计要求,并对变工况环境具有一定适应性,而通过调整出入口参数或改变翼型,可以一定程度减下跨临界现象对效率的影响。

关键词：超临界二氧化碳热力设计数值模拟跨临界物性变工况特性分析

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