立式太陽能熱氣流電站渦輪機(jī)葉片設(shè)計與性能研究.pdf

1、本文分析了立式集熱板太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)熱氣流的流動及傳熱特性。結(jié)果表明，在該系統(tǒng)中熱氣流所包含的主要能量有熱能及動能，且動能占主要部分。因此利用風(fēng)力渦輪機(jī)葉輪的設(shè)計原理，對系統(tǒng)中渦輪機(jī)組的葉片進(jìn)行了初步設(shè)計，并利用數(shù)值計算的方法對設(shè)計的模型進(jìn)行了性能分析與改進(jìn)，并通過試驗研究的方法對所設(shè)計的渦輪機(jī)中葉輪的性能進(jìn)行了綜合分析。
　　對多種型號的風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行了對比，最終以CLARKY翼型的6葉片風(fēng)力渦輪機(jī)為基礎(chǔ)對渦輪機(jī)葉片進(jìn)行了

2、設(shè)計。在建立相應(yīng)的物理模型的基礎(chǔ)上，采用SST k-ω湍流模型與多重參考坐標(biāo)系方法對所設(shè)計的渦輪機(jī)葉片的性能進(jìn)行了數(shù)值計算。結(jié)果表明:該型渦輪機(jī)葉片可以以較高的效率將熱氣流所具有的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，但對空氣靜壓能的轉(zhuǎn)換效率較低。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果對初步設(shè)計中的渦輪機(jī)葉片的翼型、安裝角與扭轉(zhuǎn)角，以及葉片彎度進(jìn)行改進(jìn)。數(shù)值計算結(jié)果表明:改進(jìn)后的渦輪機(jī)分別可提高系統(tǒng)輸出功率的12％、20％、11％。而且，數(shù)值計算結(jié)果表明，NACA4412型葉片

3、的綜合性能較好，渦輪機(jī)葉片最佳的安裝角為40°，扭角為20°，且改進(jìn)后渦輪機(jī)對熱氣流的能量轉(zhuǎn)換效率有了明顯提高。
　　將所設(shè)計的渦輪機(jī)葉輪置于低速風(fēng)洞，對該葉輪的性能進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明:改進(jìn)了翼型、安裝角、扭角以及葉片彎度的葉輪的輸出功率分別提高了14％、23.3％、9.5％，能夠有效地將熱氣流中所包含的動能及靜壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。對不同葉片數(shù)的渦輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明:當(dāng)氣流的流速低于12m/s時，具有1

4、0片葉片的渦輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率最高;但隨著風(fēng)速的不斷增大，9片葉片的渦輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率更高。
　　將試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明:對葉片進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計后可以有效地提高渦輪機(jī)葉輪的效率，但通過數(shù)值計算所獲得的風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率與試驗中所獲得相應(yīng)量的差距較大。一方面試驗過程中氣流的溫度保持不變，這與實際太陽能熱氣流電站中氣流溫度高于環(huán)境溫度不相符，因而造成試驗的誤差;另一方面，在數(shù)值計算過程中所采用的數(shù)學(xué)模型中渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速不