有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)小型渦輪數(shù)值模擬研究.pdf

1、能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，能源與人類的生存環(huán)境和人民的生活有著密切的關(guān)系，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展中有著舉足輕重的作用。為了實(shí)現(xiàn)低碳能源和低碳經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，必須大力發(fā)展可再生能源，開(kāi)發(fā)利用新能源，其中太陽(yáng)能利用是一個(gè)很重要的方面。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)由于能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的太陽(yáng)能利用，近幾年得到了快速發(fā)展。有機(jī)朗肯循環(huán)是中低溫?zé)犭娹D(zhuǎn)換中最具有前景的利用技術(shù)之一，與蒸汽朗肯循環(huán)相比較，在中低溫?zé)嵩蠢弥校袡C(jī)朗肯循環(huán)能使膨脹機(jī)獲得更高的效率，表現(xiàn)出了更好的

2、熱力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)已經(jīng)被成功的應(yīng)用在工業(yè)廢熱回收利用、生物質(zhì)能燃燒發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電，太陽(yáng)能熱發(fā)電等，這項(xiàng)技術(shù)在高于100kW發(fā)電規(guī)模上已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)值得考慮的成熟度。太陽(yáng)能集熱正好能實(shí)現(xiàn)中低溫?zé)嵩吹拈_(kāi)發(fā)，與有機(jī)朗肯循環(huán)結(jié)合所組成的太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)熱發(fā)電技術(shù)是一種新型的能源利用技術(shù)。太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)從十千瓦級(jí)到百千瓦級(jí)有很大的潛力來(lái)滿足居民用戶的熱電需求。它在高倍聚光太陽(yáng)能發(fā)電中有很大優(yōu)勢(shì)，更容易實(shí)現(xiàn)能量的收集和存儲(chǔ)。

3、
　　作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱功轉(zhuǎn)換的一個(gè)核心部件，渦輪膨脹機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的性能中扮演者一個(gè)至關(guān)重要的角色，到目前為止，應(yīng)用在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的膨脹機(jī)主要分為兩大類:一類是速度型膨脹機(jī)，比如軸流式渦輪、徑流式渦輪和徑-軸流式渦輪，另一類是容積式膨脹機(jī)，比如渦旋式膨脹機(jī)、螺桿式膨脹機(jī)、活塞式膨脹機(jī)和滑片式膨脹機(jī)。本文主要針對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的一個(gè)小型徑-軸流式渦輪進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，主要進(jìn)行了如下三方面的研究:
　　(1

4、)目前針對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(ORC)小型渦輪在變工況下運(yùn)行性能的研究很少，對(duì)運(yùn)行性能隨渦輪轉(zhuǎn)速的變化機(jī)制缺乏了解。而在可再生能源及余熱利用過(guò)程中，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)小型渦輪常處于變轉(zhuǎn)速工況。把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，針對(duì)采用R123為工質(zhì)的小型徑—軸流式高轉(zhuǎn)速渦輪，采用CFX軟件對(duì)渦輪葉輪三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。給出了熱效率和葉輪等熵效率隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)，指出余速損失是低轉(zhuǎn)速下熱效率降低的主要原因。提出了修正后的渦輪能量公式，在低轉(zhuǎn)速工

5、況下對(duì)渦輪的做功性能分析時(shí)不能忽略渦輪進(jìn)出口的動(dòng)能變化，在計(jì)算渦輪出口的余速損失時(shí)，必須考慮工質(zhì)流動(dòng)速度的方向特性。
　　(2)目前針對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)小型渦輪在不同有機(jī)工質(zhì)驅(qū)動(dòng)時(shí)運(yùn)行性能的研究很少，對(duì)不同有機(jī)工質(zhì)在同一單級(jí)小型徑—軸流式高轉(zhuǎn)速渦輪做功時(shí)的性能缺乏了解。而在可再生能源及余熱利用過(guò)程中，要根據(jù)熱源溫度為有機(jī)朗肯循環(huán)
　　系統(tǒng)小型渦輪選擇一種合適的工質(zhì)。本文首先把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，采用CFX軟件對(duì)渦輪葉輪

6、三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該方法可以對(duì)渦輪性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后比較了R11、R123、R141b在不同熱源溫度下對(duì)該渦輪做功時(shí)的性能。
　　(3)有機(jī)朗肯循環(huán)的熱效率極大程度的取決于渦輪的性能，渦輪的輸出軸功不僅取決于進(jìn)口溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、焓降等渦輪內(nèi)部參數(shù)，也取決于渦輪的進(jìn)口攻角。關(guān)于小型渦輪的性能在不同攻角下尤其是不同有機(jī)工質(zhì)驅(qū)動(dòng)時(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)研究非常缺乏。本文首先選出了適合太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)的三種不同的有機(jī)工質(zhì)，然后呈現(xiàn)了

7、大量的研究，關(guān)于應(yīng)用在太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的小型徑-軸流式渦輪的性能，攻角從負(fù)35度到負(fù)75度，分別由工質(zhì)R11、R123、R141b驅(qū)動(dòng)時(shí)，建立和驗(yàn)證了一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)模型，模擬結(jié)果顯示，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速在60000rpm時(shí)，R11的最佳攻角是負(fù)78度，系統(tǒng)最高熱效率是11.31％，R123的最佳攻角是負(fù)70度，系統(tǒng)最高熱效率是10.93％，R141b的最佳攻角根據(jù)趨勢(shì)判定也許小于是負(fù)79度，取得的系統(tǒng)最高熱效率是9.14％，影響系統(tǒng)熱效