超临界二氧化碳离心压气机流动特性研究

发布时间：2020-09-30 14:58

　　随着能源短缺问题和新能源的提出,当前社会各界对高性能动力循环的关注越来越多。以超临界二氧化碳(S-CO_2)为工质的布雷顿循环可以获得高能量的输出且效率高达50%。压气机作为S-CO_2布雷顿循环的关键,其流动特性直接关系到整个系统的运行。本文采用CFD数值模拟的方法对采用S-CO_2为介质的离心压气机进行了研究,分析了其的热功转换规律、性能和流场特征以及S-CO_2叶轮内相变的产生和影响因素,下面阐述主要内容及其相关结论:1、分析了S-CO_2的特殊物性并给出了S-CO_2变物性模型的建立方法,成功利用商业CFD软件模拟S-CO_2为介质的离心压气机,根据得到的数值模拟结果分析S-CO_2压缩过程的热功转换规律,给出了适用于S-CO_2的不同于常用规律的热力学公式,指出S-CO_2的气体常数_gR和压缩因子Z较小,定压比热容c_p较大,从而导致S-CO_2与理想气体相比更加容易压缩,且压缩至相同的压比引起的温度增加减少,使得压缩过程的耗功也就越小,也就体现出了S-CO_2介质与理想气体介质离心压气机相比的优越性。这也是S-CO_2布雷顿循环的核心及关键优势。2、通过对离心压气机叶轮的流量-压比特性和流量-效率特性以及相似工作点的具体状态参数进行分析比较,得到S-CO_2介质离心压气机和理想气体介质离心压气机的主要性能及特性的差异。在相似工作状态下,S-CO_2为工质时叶轮能得到的压比为理想气体为介质时的2.7倍。S-CO_2介质叶轮的效率能达到0.888,高于理想气体介质叶轮0.799的效率。3、针对S-CO_2介质和理想气体介质离心压气机叶轮的细节流场特征进行细致描述,得到S-CO_2介质与理想气体离心压气机叶轮的流场特征的差异,并分析总结得到S-CO_2介质离心压气机叶轮的流场特征以及以S-CO_2为介质时给离心压气机叶轮流场带来的特殊性。4、通过对S-CO_2介质叶轮内流场进行分析,总结得到了S-CO_2介质叶轮内相变产生的位置和区域以及产生的原因。相变集中在主叶片前缘的吸力面,并且随着叶高相变的程度加剧。相变的原因可以总结为S-CO_2物性的特殊性导致在主叶片前缘形成复杂的涡结构从而导致工质温度下降至临界温度以下。5、探讨了叶轮内的流量、叶轮转速、进口总温、进口气流角和主叶片前缘叶型对相变的影响,随着流量和转速的增加,相变的范围增大,随着进口总温和进口气流角的增加,相变的范围减小。发现当给定进口总温为309K或者进口气流角给定40°时,相变的区域明显减小。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V233
【部分图文】：

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图 1. 1 简单布雷顿循环示意图，在 500 ~ 650 ℃的热源出口温度范围内，再压缩循环在布雷顿循环基本流程如图 1.2 所示。在主压气机内，一部分热器内被预热至再压缩压气机的出口温度；汇合后的主流进入热源吸收热量，并在热源出口达到循环的最高温度后温流体经高温回热器和低温回热器将热量传递给高压侧的入冷却器之前进行分流，一部分直接压缩至高压，另一部式循环。该循环由于采用分流压缩，降低了回热器的端部，因此具有较高的效率。

示意图,布雷顿循环,再压缩,示意图

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图 1. 3 3 种介质在不同温度条件下的循环效率式布雷顿循环的关键部件和整个系统所占空间较小。由于 S-COCO2的密度约为理想气体的 700 倍，所以相同功率的以 S-CO2为工等所需要的尺寸大大缩小，动力系统设备机构紧凑、体积较小同发电能力条件下 3 种工质条件下(二氧化碳、氦气、水蒸气)[8]。

【参考文献】