隨著能源短缺問題和新能源的提出,當(dāng)前社會(huì)各界對(duì)高性能動(dòng)力循環(huán)的關(guān)注越來越多。以超臨界二氧化碳(S-CO_2)為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)可以獲得高能量的輸出且效率高達(dá)50%。壓氣機(jī)作為S-CO_2布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵,其流動(dòng)特性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。本文采用CFD數(shù)值模擬的方法對(duì)采用S-CO_2為介質(zhì)的離心壓氣機(jī)進(jìn)行了研究,分析了其的熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律、性能和流場(chǎng)特征以及S-CO_2葉輪內(nèi)相變的產(chǎn)生和影響因素,下面闡述主要內(nèi)容及其相關(guān)結(jié)論:1、分析了S-CO_2的特殊物性并給出了S-CO_2變物性模型的建立方法,成功利用商業(yè)CFD軟件模擬S-CO_2為介質(zhì)的離心壓氣機(jī),根據(jù)得到的數(shù)值模擬結(jié)果分析S-CO_2壓縮過程的熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律,給出了適用于S-CO_2的不同于常用規(guī)律的熱力學(xué)公式,指出S-CO_2的氣體常數(shù)_gR和壓縮因子Z較小,定壓比熱容c_p較大,從而導(dǎo)致S-CO_2與理想氣體相比更加容易壓縮,且壓縮至相同的壓比引起的溫度增加減少,使得壓縮過程的耗功也就越小,也就體現(xiàn)出了S-CO_2介質(zhì)與理想氣體介質(zhì)離心壓氣機(jī)相比的優(yōu)越性。這也是S-CO_2布雷頓循環(huán)的核心及關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。2、通過對(duì)離心壓氣機(jī)葉輪的流量-壓比特性和流量-效率特性以及相似工作點(diǎn)的具體狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析比較,得到S-CO_2介質(zhì)離心壓氣機(jī)和理想氣體介質(zhì)離心壓氣機(jī)的主要性能及特性的差異。在相似工作狀態(tài)下,S-CO_2為工質(zhì)時(shí)葉輪能得到的壓比為理想氣體為介質(zhì)時(shí)的2.7倍。S-CO_2介質(zhì)葉輪的效率能達(dá)到0.888,高于理想氣體介質(zhì)葉輪0.799的效率。3、針對(duì)S-CO_2介質(zhì)和理想氣體介質(zhì)離心壓氣機(jī)葉輪的細(xì)節(jié)流場(chǎng)特征進(jìn)行細(xì)致描述,得到S-CO_2介質(zhì)與理想氣體離心壓氣機(jī)葉輪的流場(chǎng)特征的差異,并分析總結(jié)得到S-CO_2介質(zhì)離心壓氣機(jī)葉輪的流場(chǎng)特征以及以S-CO_2為介質(zhì)時(shí)給離心壓氣機(jī)葉輪流場(chǎng)帶來的特殊性。4、通過對(duì)S-CO_2介質(zhì)葉輪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析,總結(jié)得到了S-CO_2介質(zhì)葉輪內(nèi)相變產(chǎn)生的位置和區(qū)域以及產(chǎn)生的原因。相變集中在主葉片前緣的吸力面,并且隨著葉高相變的程度加劇。相變的原因可以總結(jié)為S-CO_2物性的特殊性導(dǎo)致在主葉片前緣形成復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致工質(zhì)溫度下降至臨界溫度以下。5、探討了葉輪內(nèi)的流量、葉輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)口總溫、進(jìn)口氣流角和主葉片前緣葉型對(duì)相變的影響,隨著流量和轉(zhuǎn)速的增加,相變的范圍增大,隨著進(jìn)口總溫和進(jìn)口氣流角的增加,相變的范圍減小。發(fā)現(xiàn)當(dāng)給定進(jìn)口總溫為309K或者進(jìn)口氣流角給定40°時(shí),相變的區(qū)域明顯減小。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V233
【部分圖文】：

圖 1. 1 簡(jiǎn)單布雷頓循環(huán)示意圖，在 500 ~ 650 ℃的熱源出口溫度范圍內(nèi)，再壓縮循環(huán)在布雷頓循環(huán)基本流程如圖 1.2 所示。在主壓氣機(jī)內(nèi)，一部分熱器內(nèi)被預(yù)熱至再壓縮壓氣機(jī)的出口溫度；匯合后的主流進(jìn)入熱源吸收熱量，并在熱源出口達(dá)到循環(huán)的最高溫度后溫流體經(jīng)高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鲗崃總鬟f給高壓側(cè)的入冷卻器之前進(jìn)行分流，一部分直接壓縮至高壓，另一部式循環(huán)。該循環(huán)由于采用分流壓縮，降低了回?zé)崞鞯亩瞬�，因此具有較高的效率。

圖 1. 1 簡(jiǎn)單布雷頓循環(huán)示意圖，在 500 ~ 650 ℃的熱源出口溫度范圍內(nèi)，再壓縮循環(huán)在布雷頓循環(huán)基本流程如圖 1.2 所示。在主壓氣機(jī)內(nèi)，一部分熱器內(nèi)被預(yù)熱至再壓縮壓氣機(jī)的出口溫度；匯合后的主流進(jìn)入熱源吸收熱量，并在熱源出口達(dá)到循環(huán)的最高溫度后溫流體經(jīng)高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鲗崃總鬟f給高壓側(cè)的入冷卻器之前進(jìn)行分流，一部分直接壓縮至高壓，另一部式循環(huán)。該循環(huán)由于采用分流壓縮，降低了回?zé)崞鞯亩瞬�，因此具有較高的效率。

圖 1. 3 3 種介質(zhì)在不同溫度條件下的循環(huán)效率式布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵部件和整個(gè)系統(tǒng)所占空間較小。由于 S-COCO2的密度約為理想氣體的 700 倍，所以相同功率的以 S-CO2為工等所需要的尺寸大大縮小，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備機(jī)構(gòu)緊湊、體積較小同發(fā)電能力條件下 3 種工質(zhì)條件下(二氧化碳、氦氣、水蒸氣)[8]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 高峰;孫嶸;劉水根;;二氧化碳發(fā)電前沿技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)述[J];海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(綜合版);2015年04期

2 鄭寬寬;趙航;豐鎮(zhèn)平;;超臨界二氧化碳離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性分析[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2015年05期

3 段承杰;楊小勇;王捷;;超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的參數(shù)優(yōu)化[J];原子能科學(xué)技術(shù);2011年12期

4 候光武;丁信偉;陳彥澤;陳金如;;超臨界二氧化碳傳熱特性的研究[J];化工裝備技術(shù);2006年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 陳杰;跨聲速微型斜流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2830976