涡旋膨胀机的数学模型及试验研究

发布时间：2017-08-20 14:06

  本文关键词：涡旋膨胀机的数学模型及试验研究

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【摘要】：利用有机朗肯循环系统回收工业余热、发动机余热、太阳能热、地热能是实现环境保护和节能减排的有效技术途径之一。作为ORC发电系统中的“心脏”—膨胀机的性能很大程度上影响着整个系统的综合性能。本文建立了ORC发电系统中的关键部件涡旋膨胀机的数学模型,并搭建试验平台对数学模型进行了验证。主要研究内容如下:(1)简单介绍了型线啮合的相关理论,给出了满足啮合的基本条件。对两大类涡旋型线-等壁厚(圆渐开线、线段渐开线和正四边形渐开线)和变壁厚(变基圆半径渐开线、组合型线)进行了详细的对比分析,计算得到了其结构参数,分析了两类涡旋型线对涡旋机械结构参数和工作性能的影响。得出如下结论:在综合考虑经济性和实用性的前提下,圆渐开线优于其它型线;(2)分别用法向等距法和积分法模拟计算了样机膨胀腔容积随主轴转角的变化,并把所得结果与实际模型进行了比较,得出法向等距法计算的结果与实际模型的相对误差最大为8.76%,积分法计算的结果与实际模型的相对误差最大为15.95%,比较分析的结果表明法向等距法计算的结果更接近于实际模型。在已建立几何模型的基础上,以2N为工质,从热力学第一定律、质量守恒定律以及状态方程出发,在综合考虑工作腔的内泄漏以及传热两个重要不可逆因素的基础上建立了涡旋膨胀机的热力学模型,并用Fortran软件模拟得到了膨胀腔内压力、质量随主轴转角的变化情况;(3)为了验证所建数学模型的准确性,搭建了以2N为工质的涡旋膨胀机性能测试平台,测试了在不同入口压力下膨胀机的输出电压和电流,从而计算得到了膨胀机在不同入口压力工况下的输出功率,与理论计算的结果比较得出:膨胀机的理论输出功率与实际输出功率之间存在一定的偏差,最大偏差为45W,最小偏差为16W。理论计算的结果和膨胀机实际输出功率有很好的吻合,从而验证了模型建立的准确性。
【关键词】：涡旋膨胀机 型线 数学模型 模拟 试验
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH45
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-14
• 第1章 绪论14-21
• 1.1 研究背景及意义14
• 1.2 涡旋膨胀机14-19
• 1.2.1 涡旋膨胀机的结构、工作原理及特点14-16
• 1.2.2 涡旋膨胀机的国内外研究现状16-19
• 1.3 有机朗肯循环技术简介19-20
• 1.4 本文的主要研究内容20-21
• 第2章 涡旋型线几何理论及两类型线的比较21-35
• 2.1 涡旋型线啮合理论21-22
• 2.1.1 平面曲线啮合原理21
• 2.1.2 共轭型线啮合基本条件21-22
• 2.2 涡旋机械的理论型线22-24
• 2.2.1 涡旋型线构成原则22-23
• 2.2.2 涡旋型线构成判定23-24
• 2.3 涡旋型线的类型及其对结构参数的影响24-33
• 2.3.1 等截面涡旋型线25-28
• 2.3.2 变截面涡旋型线28-33
• 2.4 本章小结33-35
• 第3章 样机结构参数测量及工作腔容积计算35-47
• 3.1 圆渐开线几何学35-38
• 3.1.1 涡旋齿的表达式35-37
• 3.1.2 回转半径37
• 3.1.3 啮合角37-38
• 3.2 试验用涡旋膨胀机的结构参数测量38-41
• 3.2.1 试验样机涡旋盘几何参数的测量38-39
• 3.2.2 试验用涡旋膨胀机涡旋盘齿端修正39-41
• 3.3 工作腔容积及容积变化率的计算41-46
• 3.3.1 积分法计算各腔容积42-43
• 3.3.2 法向等距法43-45
• 3.3.3 结论与分析45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 涡旋膨胀机膨胀过程模型和输出特性47-58
• 4.1 控制膨胀过程的基本方程47-49
• 4.1.1 膨胀腔内气体温度随主轴转角的变化关系47-49
• 4.1.2 膨胀腔内气体质量随主轴转角的关系49
• 4.1.3 气体状态方程49
• 4.2 涡旋膨胀机的泄漏49-53
• 4.2.1 泄漏模型50-51
• 4.2.2 泄漏面积51-53
• 4.3 涡旋膨胀机的传热53-56
• 4.3.1 进排气传热54
• 4.3.2 工作腔传热54-56
• 4.4 涡旋膨胀机输出特性56
• 4.5 本章小结56-58
• 第5章 膨胀过程模型的求解与结果分析58-63
• 5.1 模拟计算基本假设与控制方程组58-59
• 5.2 样机基本参数及模拟运行工况59
• 5.3 欧拉法59-60
• 5.4 程序框图60
• 5.5 理论求解结果及分析60-62
• 5.6 本章小结62-63
• 第6章 试验验证63-67
• 6.1 试验系统及其原理63-64
• 6.2 试验系统主要组成部分64
• 6.3 试验步骤64
• 6.4 试验结果分析64-65
• 6.4.1 流量与转速的关系64-65
• 6.4.2 输出功率与进气压力的关系65
• 6.5 本章小结65-67
• 结论和展望67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果74-75
• 附录B 攻读硕士学位期间参与的科研项目75

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本文编号：707017