微型離心壓氣機(jī)作為Brayton循環(huán)微小型熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其效率和穩(wěn)定工作范圍直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。由于離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜,尤其是葉尖區(qū)域的流動(dòng)結(jié)構(gòu)往往伴隨著強(qiáng)烈的非定常效應(yīng),會(huì)降低壓氣機(jī)的性能。通過(guò)研究微型離心壓氣機(jī)內(nèi)流并采用非定常流動(dòng)控制技術(shù)改善壓氣機(jī)葉尖的流動(dòng)和采用新介質(zhì)的方法都可以在一定程度上提高整體性能。本文采用數(shù)值模擬結(jié)合理論分析的手段,針對(duì)基于Brayton循環(huán)微小型熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的離心壓氣機(jī)進(jìn)行了研究,主要有以下幾個(gè)方面的工作:1、引入了DMD動(dòng)力模態(tài)分解法對(duì)復(fù)雜內(nèi)流進(jìn)行了研究,將其運(yùn)用于二維葉柵及三維壓氣機(jī)內(nèi)流的分析,表明DMD方法在處理復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題時(shí)具有全局、高效的優(yōu)勢(shì),能夠迅速捕獲各處的擬序結(jié)構(gòu)和與之對(duì)應(yīng)的頻率信息,并且捕獲流場(chǎng)的主導(dǎo)擬序流動(dòng),可以將處理多個(gè)瞬間流場(chǎng)的研究轉(zhuǎn)移到僅對(duì)少量模態(tài)的研究。通過(guò)非定常研究表明不同轉(zhuǎn)速下微型離心壓氣機(jī)葉尖動(dòng)態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)頻率大概為葉片通過(guò)頻率的一半,并且這一比例基本上不隨著轉(zhuǎn)速發(fā)生改變,通過(guò)DMD方法對(duì)主導(dǎo)頻率為葉片通過(guò)頻率一半的原因進(jìn)行了解釋,這一規(guī)律與主導(dǎo)擬序結(jié)構(gòu)的切向運(yùn)動(dòng)速度和前緣葉尖主流速度之間具有關(guān)聯(lián)。2、為獲得壓氣機(jī)葉尖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)頻率,使得非定常流動(dòng)控制技術(shù)能夠有效地應(yīng)用于壓氣機(jī)上,通過(guò)在機(jī)匣外側(cè)引入虛擬鏡像渦的辦法,建立了一種無(wú)需依賴(lài)于CFD計(jì)算或?qū)嶒?yàn)結(jié)果就能獲得主導(dǎo)頻率的泄漏渦頻率預(yù)測(cè)模型。根據(jù)泄漏渦的不穩(wěn)定原理,通過(guò)在機(jī)匣外側(cè)引入泄漏渦虛擬鏡像渦的方法,應(yīng)用翼尖渦對(duì)的不穩(wěn)定理論,推導(dǎo)了決定渦頻率的最大不穩(wěn)定擾動(dòng)波長(zhǎng)與渦半徑以及渦對(duì)距離之間的關(guān)系,建立了可以預(yù)測(cè)泄漏渦頻率的模型,并將模型同計(jì)算和國(guó)內(nèi)外典型壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。3、本文建立在非定常流動(dòng)控制的機(jī)理上,提出了一種適用于微小型離心壓氣機(jī)的被動(dòng)式非定常流動(dòng)控制方法,能夠利用非定常控制“四兩撥千斤”的機(jī)理,削弱壓氣機(jī)葉尖的主導(dǎo)擬序結(jié)構(gòu),從而提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度。在對(duì)比研究激勵(lì)位置與激勵(lì)強(qiáng)度對(duì)控制效果的影響規(guī)律之后,表明有效的激勵(lì)僅用少量的激勵(lì)流量(主流流量的0.12%)就可以明顯削弱泄漏渦造成的波動(dòng),在幾乎不影響壓氣機(jī)效率的同時(shí)大幅度提高穩(wěn)定性裕度(提高19.3%)。4、SCO_2壓氣機(jī)是提高以SCO_2為介質(zhì)的Brayton循環(huán)效率的關(guān)鍵部件,是實(shí)現(xiàn)整機(jī)效率高于50%的關(guān)鍵因素,為分析SCO_2壓氣機(jī)的內(nèi)流特征,基于課題組前期開(kāi)展的典型微型離心壓氣機(jī)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)比介質(zhì)為SCO_2和空氣時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),基本掌握了SCO_2壓氣機(jī)與空氣壓氣機(jī)具體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的差異及原因,為開(kāi)展專(zhuān)門(mén)用于SCO_2壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和研究提供了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TH452
【部分圖文】：

1）Capstone 公司的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了常規(guī)能源 Brayton 循環(huán)的微小型熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 80%的場(chǎng)，其主要產(chǎn)品包括 C30，C60，C200 等，該系列的產(chǎn)品能夠單獨(dú)使用也能夠并網(wǎng)聯(lián)合使用其燃料形式多種多樣，在采用回?zé)崞髟黾訜嵝实耐瑫r(shí)也常以冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)的方式進(jìn)一步加能量的利用率。其中以 C30 系列最為典型，其發(fā)電功率為 30kW，總發(fā)電效率為 26%，設(shè)點(diǎn)質(zhì)量流量為 0.31kg/s，最高轉(zhuǎn)速為 96000RPM，總重量約為 405kg。圖 1.1 為 C30 的核心機(jī)構(gòu)。

1）Capstone 公司的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了常規(guī)能源 Brayton 循環(huán)的微小型熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 80%的場(chǎng)，其主要產(chǎn)品包括 C30，C60，C200 等，該系列的產(chǎn)品能夠單獨(dú)使用也能夠并網(wǎng)聯(lián)合使用其燃料形式多種多樣，在采用回?zé)崞髟黾訜嵝实耐瑫r(shí)也常以冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)的方式進(jìn)一步加能量的利用率。其中以 C30 系列最為典型，其發(fā)電功率為 30kW，總發(fā)電效率為 26%，設(shè)點(diǎn)質(zhì)量流量為 0.31kg/s，最高轉(zhuǎn)速為 96000RPM，總重量約為 405kg。圖 1.1 為 C30 的核心機(jī)構(gòu)。

最近幾年里國(guó)外已經(jīng)涌現(xiàn)了不少的相關(guān)研究，NASA 已經(jīng)考慮用一個(gè)封閉的 Brayton 循環(huán)的太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)用于航天器中[33]。下面將對(duì)具有重要影響力的幾個(gè)典型系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：1）德國(guó)宇航院（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）對(duì)太陽(yáng)能 Brayton 循環(huán)微小型熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的研究較早[34]，其開(kāi)展的 REFOS 項(xiàng)目所采用核心機(jī)為 Tuebec 公司的 T100系列，名義功率為 100kW，滿(mǎn)負(fù)載時(shí)的質(zhì)量流量為 0.8kg/s，壓氣機(jī)壓比為 4.5，設(shè)計(jì)渦輪進(jìn)口溫度為 950℃，其長(zhǎng)寬高尺寸為 2.52m×0.9m×1.81m，總重約 2200kg。該系列原本設(shè)計(jì)時(shí)采用的是天然氣，在進(jìn)行太陽(yáng)能應(yīng)用時(shí)進(jìn)行了改動(dòng)，更改后的設(shè)計(jì)發(fā)電效率為 28%。核心機(jī)方面的改動(dòng)主要有兩點(diǎn)：將一個(gè) 300kW 的太陽(yáng)能集熱器取代原先的燃燒室；設(shè)計(jì)點(diǎn)渦輪進(jìn)口溫度改為900℃。2）歐盟第五次框架支持下名為 SOLGATE 項(xiàng)目主要用于研制太陽(yáng)能 Brayton 循環(huán)微小型熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并于西班牙南部的 Plataforma Solar deAlmeria（PSA）塔式太陽(yáng)能集熱器下進(jìn)行了驗(yàn)證[33]。圖 1.3 為該系統(tǒng)采用的核心機(jī)與發(fā)電機(jī)部分。整套系統(tǒng)可采用太陽(yáng)能和燃?xì)饣旌习l(fā)電的方案，在進(jìn)行純太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)，質(zhì)量流量為 1.22kg/s，太陽(yáng)能總輸入功率為 950kW，凈發(fā)電功率為 125kW，總效率為 13.2%。在進(jìn)行太陽(yáng)能和燃料混合發(fā)電時(shí)，太陽(yáng)能所占比例為 60%，設(shè)計(jì)質(zhì)量流量為 1.55 kg/s，太陽(yáng)能總輸入功率為 747kW，凈發(fā)電功率為 227kW，總效率為 18.2%。

【參考文獻(xiàn)】

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