隨著能源短缺問題和新能源的提出,當前社會各界對高性能動力循環(huán)的關注越來越多。以超臨界二氧化碳(S-CO_2)為工質的布雷頓循環(huán)可以獲得高能量的輸出且效率高達50%。壓氣機作為S-CO_2布雷頓循環(huán)的關鍵,其流動特性直接關系到整個系統(tǒng)的運行。本文采用CFD數(shù)值模擬的方法對采用S-CO_2為介質的離心壓氣機進行了研究,分析了其的熱功轉換規(guī)律、性能和流場特征以及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)容及其相關結論: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為介質的離心壓氣機,根據(jù)得到的數(shù)值模擬結果分析S-CO_2壓縮過程的熱功轉換規(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介質與理想氣體介質離心壓氣機相比的優(yōu)越性。這也是S-CO_2布雷頓循環(huán)的核心及關鍵優(yōu)勢。2、通過對離心壓氣機葉輪的流量-壓比特性和流量-效率特性以及相似工作點的具體狀態(tài)參數(shù)進行分析比較,得到S-CO_2介質離心壓氣機和理想氣體介質離心壓氣機的主要性能及特性的差異。在相似工作狀態(tài)下,S-CO_2為工質時葉輪能得到的壓比為理想氣體為介質時的2.7倍。S-CO_2介質葉輪的效率能達到0.888,高于理想氣體介質葉輪0.799的效率。3、針對S-CO_2介質和理想氣體介質離心壓氣機葉輪的細節(jié)流場特征進行細致描述,得到S-CO_2介質與理想氣體離心壓氣機葉輪的流場特征的差異,并分析總結得到S-CO_2介質離心壓氣機葉輪的流場特征以及以S-CO_2為介質時給離心壓氣機葉輪流場帶來的特殊性。4、通過對S-CO_2介質葉輪內(nèi)流場進行分析,總結得到了S-CO_2介質葉輪內(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為S-CO_2物性的特殊性導致在主葉片前緣形成復雜的渦結構從而導致工質溫度下降至臨界溫度以下。5、探討了葉輪內(nèi)的流量、葉輪轉速、進口總溫、進口氣流角和主葉片前緣葉型對相變的影響,隨著流量和轉速的增加,相變的范圍增大,隨著進口總溫和進口氣流角的增加,相變的范圍減小。發(fā)現(xiàn)當給定進口總溫為309K或者進口氣流角給定40°時,相變的區(qū)域明顯減小。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V233
【部分圖文】：

圖 1. 1 簡單布雷頓循環(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。在主壓氣機內(nèi)，一部分熱器內(nèi)被預熱至再壓縮壓氣機的出口溫度；匯合后的主流進入熱源吸收熱量，并在熱源出口達到循環(huán)的最高溫度后溫流體經(jīng)高溫回熱器和低溫回熱器將熱量傳遞給高壓側的入冷卻器之前進行分流，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，降低了回熱器的端部，因此具有較高的效率。

圖 1. 1 簡單布雷頓循環(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。在主壓氣機內(nèi)，一部分熱器內(nèi)被預熱至再壓縮壓氣機的出口溫度；匯合后的主流進入熱源吸收熱量，并在熱源出口達到循環(huán)的最高溫度后溫流體經(jīng)高溫回熱器和低溫回熱器將熱量傳遞給高壓側的入冷卻器之前進行分流，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，降低了回熱器的端部，因此具有較高的效率。

圖 1. 3 3 種介質在不同溫度條件下的循環(huán)效率式布雷頓循環(huán)的關鍵部件和整個系統(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，動力系統(tǒng)設備機構緊湊、體積較小同發(fā)電能力條件下 3 種工質條件下(二氧化碳、氦氣、水蒸氣)[8]。

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 高峰;孫嶸;劉水根;;二氧化碳發(fā)電前沿技術發(fā)展簡述[J];海軍工程大學學報(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內(nèi)部流動特性分析[J];工程熱物理學報;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];原子能科學技術;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;2006年01期

相關博士學位論文 前1條

1 陳杰;跨聲速微型斜流壓氣機設計方法研究[D];南京航空航天大學;2010年

本文編號：2830976