特殊工质轴流透平设计及性能分析

发布时间：2020-10-16 13:17

　　 轴流涡轮在国民经济发展中发挥着至关重要的作用。近年来高效清洁能源成为可持续发展的迫切需求,随着有机朗肯循环(ORC)、超临界二氧化碳布雷顿循环以及煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术的发展,特殊工质轴流涡轮的设计已成为研究的热点。本文针对特殊工质轴流涡轮的一维设计及性能分析方法开展研究。首先,本文基于Fortran语言开发了轴流涡轮一维设计程序。该程序集成了CraigCox损失模型和Ainley落后角模型以提高涡轮性能的预测,同时还集成了双线性插值物性计算模块,实现特殊工质轴流涡轮的初步设计。为了使涡轮设计过程更加高效,本文将一维设计方法与优化算法相结合,发展了特殊工质轴流涡轮一维优化设计方法。随后,通过汉诺威大学的四级轴流涡轮验证了该方法的可行性和准确性,其中叶高最大误差为-5.5871%。其次,本文基于中径性能分析方法,结合简单径向平衡方程以考虑展向气动参数的变化,总结了轴流涡轮准一维性能分析方法,还研究了轴流涡轮堵塞工况的预测方法,并采用出口最大流量作为堵塞判断的标准。此外,程序中集成了与设计方法相同的损失模型和物性计算模块,实现特殊工质轴流涡轮性能预测。随后,通过NASA涡轮实验数据验证了该分析程序的准确性和可行性,其中堵塞流量最大误差为0.64%,等熵效率最大误差为1.129%。最后,基于开发的特殊工质轴流涡轮一维设计和性能分析程序,完成了超临界二氧化碳和水蒸汽混合工质轴流透平的设计及性能分析。随后通过三维数值模拟校核该设计方案,结果表明设计点等熵效率预测值比CFD结果高5.21%,这是由于小展弦比叶片端区二次流与叶顶间隙泄漏共同作用造成较大的二次流损失。设计方案的变工况性能计算结果表明一维预测的堵塞流量随转速的变化趋势与CFD结果一致且最大误差为0.842%;效率性能曲线与CFD结果偏差稍大,其中设计点等熵效率预测偏高1.5%,变工况等熵效率最大误差为4.125%。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH122
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状及发展动态
        1.2.1 轴流涡轮设计方法介绍
        1.2.2 轴流涡轮性能分析方法介绍
        1.2.3 损失模型发展介绍
        1.2.4 特殊工质涡轮发展介绍
    1.3 本文主要研究内容
2 数值模拟方法与损失模型
    2.1 数值模拟
    2.2 Craig&Cox损失模型
        2.2.1 叶型损失
        2.2.2 二次流损失
        2.2.3 盘腔封严等环面损失
        2.2.4 叶尖泄漏损失
        2.2.5 其他损失
    2.3 Ainley落后角模型
    2.4 本章小结
3 物性计算
    3.1 物性计算
        3.1.1 物性表格的生成
        3.1.2 物性表格插值方法
        3.1.3 物性表格计算的特点
    3.2 数值模拟的物性文件
    3.3 本章小结
4 轴流涡轮一维设计方法
    4.1 一维优化设计方法
        4.1.1 输入参数
        4.1.2 一维计算方法
        4.1.3 其他几何参数
    4.2 一维设计方法验证
        4.2.1 HN4轴流涡轮介绍
        4.2.2 设计结果对比
    4.3 本章小结
5 轴流涡轮准一维性能分析方法
    5.1 准一维性能分析方法
    5.2 准一维性能分析方法验证
    5.3 本章小结
6 超临界混合工质轴流透平设计
    6.1 背景介绍
    6.2 超临界混合工质轴流透平设计
        6.2.1 设计要求
        6.2.2 一维初步设计
        6.2.3 叶片造型
        6.2.4 数值模拟验证
    6.3 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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本文编号：2843307