通過對(duì)7.5 kW海洋溫差能向心透平的蝸殼、噴嘴和葉輪進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì),模擬研究了透平在設(shè)計(jì)工況及非設(shè)計(jì)工況下的氣動(dòng)性能。采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及遺傳算法優(yōu)化方法對(duì)透平的一維參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),得到一維設(shè)計(jì)結(jié)果,并據(jù)此對(duì)蝸殼、噴嘴和葉輪進(jìn)行三維設(shè)計(jì),得到透平的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)造型。利用CFD技術(shù)模擬研究了透平的三維流場(chǎng)及性能,得到透平在設(shè)計(jì)工況及非設(shè)計(jì)工況下的性能,模擬結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)工況下,透平效率為86.5%;在非設(shè)計(jì)工況下,透平效率隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加而增大,但增加至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速后,透平效率增加幅度較小;隨著進(jìn)口溫度的升高,透平效率逐漸增大;當(dāng)進(jìn)口壓力為設(shè)計(jì)工況壓力時(shí),透平效率存在最大值;非設(shè)計(jì)工況下的透平功率基本與葉輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度均呈正相關(guān);設(shè)計(jì)工況下的最佳噴嘴-葉輪相對(duì)徑向間隙為0.05,可變噴嘴葉片安裝角為35～40°。 

【文章來源】：可再生能源. 2019,37(10)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

透平三維造型圖

2透平數(shù)值模擬及性能研究2.1邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格劃分本文采用ANSYS-CFX軟件對(duì)所設(shè)計(jì)透平的氣動(dòng)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬，邊界條件為進(jìn)口采用總溫總壓，出口采用靜壓。對(duì)蝸殼進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)局部（蝸舌處）進(jìn)行加密處理；對(duì)葉輪和噴嘴采用六面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)葉輪噴嘴近壁面采用O型網(wǎng)格加密處理，整體網(wǎng)格及局部網(wǎng)格如圖2所示。在模擬過程中，同時(shí)以透平的質(zhì)量流量和效率誤差均小于0.2%作為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性指標(biāo)。最終，蝸殼的四面體網(wǎng)格數(shù)為752500，噴嘴的六面體網(wǎng)格數(shù)為544740，葉輪的六面體網(wǎng)格數(shù)為813420。在模擬過程中，選用k-ε湍流模型，以殘差收斂至10-5作為收斂標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)進(jìn)、出口質(zhì)量流量差進(jìn)行監(jiān)控。2.2透平在設(shè)計(jì)工況下的數(shù)值模擬結(jié)果表4給出了設(shè)計(jì)工況下透平主要參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果和氣動(dòng)設(shè)計(jì)值。由表4可以看出，透平主要參數(shù)的模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)值相比，除噴嘴出口速度誤差約為5%外，其他參數(shù)基本一致，等熵效率與功率雖比設(shè)計(jì)值偏小，但誤差在1%左右，滿足設(shè)計(jì)要求。圖3為透平的整體流線圖（為了更好的顯示流線，圖中未展示擴(kuò)壓器）。由圖3可以看出，透平的整體流動(dòng)情況良好，沿流道方向的流線比較均勻，但在葉輪的吸力面處存在小范圍的低壓區(qū)。圖4為50%葉高處的噴嘴及葉輪通道截面的壓力云圖和速度流線圖。由圖4可以看出：噴嘴處的壓力分布較均勻，葉片（葉片尾緣除外）處的壓力分布也較均勻；整體壓力梯度方向大致沿流動(dòng)方向，流線沿噴嘴及葉輪流道方向均勻流動(dòng)，葉輪內(nèi)無(wú)明顯逆壓梯度出現(xiàn)。在壓力云圖中可以看出，葉片尾緣吸力面處存在著小范圍的低壓區(qū)，與之對(duì)應(yīng)的速度流線圖存在較小的渦（圖中橢圓部分），流體在此處會(huì)產(chǎn)生回流，造成流動(dòng)損失，這在一定程度上會(huì)導(dǎo)致葉輪效率的降低。?

飾蟛罹?∮?0.2%作為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性指標(biāo)。最終，蝸殼的四面體網(wǎng)格數(shù)為752500，噴嘴的六面體網(wǎng)格數(shù)為544740，葉輪的六面體網(wǎng)格數(shù)為813420。在模擬過程中，選用k-ε湍流模型，以殘差收斂至10-5作為收斂標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)進(jìn)、出口質(zhì)量流量差進(jìn)行監(jiān)控。2.2透平在設(shè)計(jì)工況下的數(shù)值模擬結(jié)果表4給出了設(shè)計(jì)工況下透平主要參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果和氣動(dòng)設(shè)計(jì)值。由表4可以看出，透平主要參數(shù)的模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)值相比，除噴嘴出口速度誤差約為5%外，其他參數(shù)基本一致，等熵效率與功率雖比設(shè)計(jì)值偏小，但誤差在1%左右，滿足設(shè)計(jì)要求。圖3為透平的整體流線圖（為了更好的顯示流線，圖中未展示擴(kuò)壓器）。由圖3可以看出，透平的整體流動(dòng)情況良好，沿流道方向的流線比較均勻，但在葉輪的吸力面處存在小范圍的低壓區(qū)。圖4為50%葉高處的噴嘴及葉輪通道截面的壓力云圖和速度流線圖。由圖4可以看出：噴嘴處的壓力分布較均勻，葉片（葉片尾緣除外）處的壓力分布也較均勻；整體壓力梯度方向大致沿流動(dòng)方向，流線沿噴嘴及葉輪流道方向均勻流動(dòng)，葉輪內(nèi)無(wú)明顯逆壓梯度出現(xiàn)。在壓力云圖中可以看出，葉片尾緣吸力面處存在著小范圍的低壓區(qū)，與之對(duì)應(yīng)的速度流線圖存在較小的渦（圖中橢圓部分），流體在此處會(huì)產(chǎn)生回流，造成流動(dòng)損失，這在一定程度上會(huì)導(dǎo)致葉輪效率的降低。整體而言，雖葉片吸力面處存在流動(dòng)損失，但透平的整體效率較高，符合設(shè)計(jì)要求。圖1透平三維造型圖Fig.13-Dmodelingofturbine00.050.100.150.20（m）圖2透平整體網(wǎng)格及局部網(wǎng)格Fig.2Globalmeshandlocalmeshofturbine表4模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)值的對(duì)比Table4Comparisonofsimulationresultsanddesignresults參數(shù)設(shè)計(jì)值模擬結(jié)果誤差/%噴嘴出口速度c1/m·s-1160.5152.54.98輪周?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)蒸發(fā)壓力及工質(zhì)優(yōu)選分析[J]. 李大樹,張理.  可再生能源. 2017(07)
[2]海洋溫差能朗肯循環(huán)非公沸混合工質(zhì)理論研究[J]. 吳春旭,吳必軍,葉寅.  可再生能源. 2015(04)

博士論文
[1]海洋溫差能發(fā)電裝置熱力性能與綜合利用研究[D]. 陳鳳云.哈爾濱工程大學(xué) 2016

碩士論文
[1]試驗(yàn)用200W氨飽和蒸汽透平的研究與開發(fā)[D]. 趙偉閣.天津大學(xué) 2005



本文編號(hào)：3385793