带叶片盘式透平流动特性模拟与性能分析

发布时间：2020-05-01 16:03

【摘要】：随着传统化石能源的短缺以及环境污染问题的加重,清洁与可再生能源以及余热资源的回收利用逐渐成为当前能源领域的一个重点研究方向。有机工质朗肯循环(ORC)是低品位热能利用的一种有效途径,如何为ORC系统选取合适的动力设备在近年来成为了该领域的一个研究热点。盘式透平作为一种非常规的透平形式,具有成本低廉、易于小型化等优势,特别适用于小规模ORC系统。但是运行转矩低、效率低的缺陷制约了盘式透平的商业应用。本文在传统盘式透平的结构基础上增加叶片,设计了新型的盘式透平结构,并对改进后的带叶片盘式透平建立了三维数学模型。所建立的带叶片盘式透平数学模型可以计算出透平相邻盘片间的狭缝通道内部的流体速度、压力分布状况,并可以计算透平运行转矩、输出功率以及透平效率。论文还利用CFD软件‘Fluent17.0’对带叶片盘式透平的单个狭缝通道的内部流动进行了数值模拟计算,并利用数值模拟结果验证了本文建立的数学模型的可行性。在此基础上,利用本文建立的数学模型对带叶片盘式透平与传统无叶盘式透平的性能进行了对比分析。计算结果表明,以空气为工质的盘式透平在增加叶片后转矩提升近一倍,透平效率由20%提升至55.31%。论文最后建立了使用带叶片盘式透平为原动机的小规模太阳能热发电ORC发电系统仿真分析模型,研究了不同工质和运行参数对ORC发电系统性能的影响。研究结果表明,系统循环热效率与有机工质的蒸发温度成正比。其中,当使用R123为工质时,系统的循环热效率可达16.98%。论文的研究表明,带叶片盘式透平具有结构紧凑、成本低廉、效率相对较高等优点,是适用于小规模低温热源ORC发电系统的动力设备之一。
【图文】：

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华中科技大学硕士学位论文1.2.1 盘式透平内部流动理论研究概况1970 年，Adam 和 Rice 针对盘式透平建立了层流不可压缩模型并并进行了实验研究。研究表明，流动区域内流体的压力、速度分布与理论计算结果吻合良好[23]。2004 年，Ladino 对 Rice 提出的理论模型进行了数值模拟验证，所得流体区域速度分布与压力分布如图 1-1 所示[24]。

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图 1-2 盘式透平性能与转速关系曲线[29]平系统应用研究概况科研人员针对盘式透平在小型ORC系统中的应用情况进人针对小型余热回收利用系统，研究了使用盘式透平代替究表明，在所研究的系统中盘式透平的效率可达55%。该，但考虑到其简易的结构与低廉的成本，盘式透平在该系[30-33]。manin研究了盘式透平在小规模热电联产系统中的应用与的几个重要参数变化对于其性能的影响并建立了相应的析表明，，该理论模型具有一定的可行性[34]。hawichsri等人针对一个小型ORC系统，对两种不同规格的对比分析。其中规格较大的盘式透平的尺寸为规格较小
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK14;TK115

【参考文献】