微小型高效Brayton循环中的离心压气机技术研究

发布时间：2020-08-31 12:40

　　微型离心压气机作为Brayton循环微小型热功转换系统的关键部件,其效率和稳定工作范围直接关系到整个系统的运行性能。由于离心压气机内部流动复杂,尤其是叶尖区域的流动结构往往伴随着强烈的非定常效应,会降低压气机的性能。通过研究微型离心压气机内流并采用非定常流动控制技术改善压气机叶尖的流动和采用新介质的方法都可以在一定程度上提高整体性能。本文采用数值模拟结合理论分析的手段,针对基于Brayton循环微小型热功转换系统的离心压气机进行了研究,主要有以下几个方面的工作:1、引入了DMD动力模态分解法对复杂内流进行了研究,将其运用于二维叶栅及三维压气机内流的分析,表明DMD方法在处理复杂流动问题时具有全局、高效的优势,能够迅速捕获各处的拟序结构和与之对应的频率信息,并且捕获流场的主导拟序流动,可以将处理多个瞬间流场的研究转移到仅对少量模态的研究。通过非定常研究表明不同转速下微型离心压气机叶尖动态流场结构的主导频率大概为叶片通过频率的一半,并且这一比例基本上不随着转速发生改变,通过DMD方法对主导频率为叶片通过频率一半的原因进行了解释,这一规律与主导拟序结构的切向运动速度和前缘叶尖主流速度之间具有关联。2、为获得压气机叶尖动态结构的主导频率,使得非定常流动控制技术能够有效地应用于压气机上,通过在机匣外侧引入虚拟镜像涡的办法,建立了一种无需依赖于CFD计算或实验结果就能获得主导频率的泄漏涡频率预测模型。根据泄漏涡的不稳定原理,通过在机匣外侧引入泄漏涡虚拟镜像涡的方法,应用翼尖涡对的不稳定理论,推导了决定涡频率的最大不稳定扰动波长与涡半径以及涡对距离之间的关系,建立了可以预测泄漏涡频率的模型,并将模型同计算和国内外典型压气机实验结构进行了有效性验证。3、本文建立在非定常流动控制的机理上,提出了一种适用于微小型离心压气机的被动式非定常流动控制方法,能够利用非定常控制“四两拨千斤”的机理,削弱压气机叶尖的主导拟序结构,从而提高压气机的稳定工作裕度。在对比研究激励位置与激励强度对控制效果的影响规律之后,表明有效的激励仅用少量的激励流量(主流流量的0.12%)就可以明显削弱泄漏涡造成的波动,在几乎不影响压气机效率的同时大幅度提高稳定性裕度(提高19.3%)。4、SCO_2压气机是提高以SCO_2为介质的Brayton循环效率的关键部件,是实现整机效率高于50%的关键因素,为分析SCO_2压气机的内流特征,基于课题组前期开展的典型微型离心压气机进行了研究。通过对比介质为SCO_2和空气时的流场结构,基本掌握了SCO_2压气机与空气压气机具体流场结构的差异及原因,为开展专门用于SCO_2压气机的设计和研究提供了基础。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH452
【部分图文】：

结构图,结构图,热功转换,常规能源

1）Capstone 公司的产品几乎占据了常规能源 Brayton 循环的微小型热功转换系统 80%的场，其主要产品包括 C30，C60，C200 等，该系列的产品能够单独使用也能够并网联合使用其燃料形式多种多样，在采用回热器增加热效率的同时也常以冷、热、电联产的方式进一步加能量的利用率。其中以 C30 系列最为典型，其发电功率为 30kW，总发电效率为 26%，设点质量流量为 0.31kg/s，最高转速为 96000RPM，总重量约为 405kg。图 1.1 为 C30 的核心机构。

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核心机,发电机

最近几年里国外已经涌现了不少的相关研究，NASA 已经考虑用一个封闭的 Brayton 循环的太阳能发电机用于航天器中[33]。下面将对具有重要影响力的几个典型系统进行简要介绍：1）德国宇航院（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）对太阳能 Brayton 循环微小型热功转换系统的研究较早[34]，其开展的 REFOS 项目所采用核心机为 Tuebec 公司的 T100系列，名义功率为 100kW，满负载时的质量流量为 0.8kg/s，压气机压比为 4.5，设计涡轮进口温度为 950℃，其长宽高尺寸为 2.52m×0.9m×1.81m，总重约 2200kg。该系列原本设计时采用的是天然气，在进行太阳能应用时进行了改动，更改后的设计发电效率为 28%。核心机方面的改动主要有两点：将一个 300kW 的太阳能集热器取代原先的燃烧室；设计点涡轮进口温度改为900℃。2）欧盟第五次框架支持下名为 SOLGATE 项目主要用于研制太阳能 Brayton 循环微小型热功转换系统，并于西班牙南部的 Plataforma Solar deAlmeria（PSA）塔式太阳能集热器下进行了验证[33]。图 1.3 为该系统采用的核心机与发电机部分。整套系统可采用太阳能和燃气混合发电的方案，在进行纯太阳能发电时，质量流量为 1.22kg/s，太阳能总输入功率为 950kW，净发电功率为 125kW，总效率为 13.2%。在进行太阳能和燃料混合发电时，太阳能所占比例为 60%，设计质量流量为 1.55 kg/s，太阳能总输入功率为 747kW，净发电功率为 227kW，总效率为 18.2%。

【参考文献】