有機(jī)朗肯循環(huán)向心透平內(nèi)流特性研究與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術(shù)在回收利用低品位熱能方面所發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)日漸突出。性能優(yōu)良的透平膨脹機(jī)是保障整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。本文選擇向心透平作為膨脹機(jī)，研究有機(jī)工質(zhì)向心透平的設(shè)計(jì)方法、分析透平內(nèi)流特點(diǎn)、探討透平的變工況特性，對(duì)ORC技術(shù)的發(fā)展具有重要的學(xué)術(shù)意義。
　　首先對(duì)有機(jī)工質(zhì)物性計(jì)算狀態(tài)方程進(jìn)行了研究。以R245fa為工質(zhì)、SW狀態(tài)方程為基準(zhǔn)參考方程，比較了理想氣體狀態(tài)方程和PR方程計(jì)算的工質(zhì)比容、聲速、內(nèi)能、焓

2、、熵等熱力學(xué)參數(shù)與 SW方程計(jì)算結(jié)果間的偏差；采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，探討了將有機(jī)工質(zhì)添加到材料數(shù)據(jù)庫(kù)中的方法，對(duì)一ORC強(qiáng)縮放二維導(dǎo)葉柵進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同氣體狀態(tài)方程對(duì)壓縮因子、密度、聲速、絕對(duì)速度、馬赫數(shù)沿葉型表面分布以及質(zhì)量流量和葉柵出口角等氣動(dòng)參數(shù)的影響。結(jié)果表明：不論在熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算還是氣動(dòng)參數(shù)的模擬方面，理想氣體狀態(tài)方程與 SW狀態(tài)方程間的偏差均很大，有機(jī)工質(zhì)不能被當(dāng)做理想氣體處理；而PR方程與SW方程間

3、的計(jì)算偏差很小、精度較高，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣，因此被確定為有機(jī)工質(zhì)透平設(shè)計(jì)和內(nèi)流特性研究的物性計(jì)算方程。
　　在工質(zhì)物性研究的基礎(chǔ)上，以120kW低溫有機(jī)朗肯循環(huán)優(yōu)化參數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行有機(jī)工質(zhì)向心透平的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的研究。通過(guò)一維熱力計(jì)算確定了透平導(dǎo)葉和動(dòng)葉通流部分的幾何尺寸，導(dǎo)葉選擇TC-4P型和島狀型進(jìn)行三維造型、動(dòng)葉采用ANSYS Bladegen進(jìn)行三維造型。應(yīng)用ANSYS CFX進(jìn)行整機(jī)數(shù)值模擬，一維熱力

4、計(jì)算結(jié)果與三維數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了透平設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。模擬計(jì)算結(jié)果表明，相比島狀葉型，TC-4P葉型沿葉片表面順壓降程度更平緩、總壓損失范圍小，變工況效率高；動(dòng)葉片個(gè)數(shù)為15時(shí)，透平效率最高，流動(dòng)分離區(qū)很小，因此確定TC-4P葉型和15個(gè)動(dòng)葉片為該120kW有機(jī)工質(zhì)向心透平的導(dǎo)葉型和最佳動(dòng)葉片個(gè)數(shù)。
　　提出了一種向心透平性能參數(shù)計(jì)算方法，通過(guò) MATLAB編程實(shí)現(xiàn)性能參數(shù)的計(jì)算，與CFD三維計(jì)算結(jié)果的一致性驗(yàn)證了計(jì)算方