有限冷源S-CO 2 闭式布雷顿循环性能分析与功率提升研究
发布时间：2022-01-05 11:18
针对未来高超声速飞行器对机载电力供给能力的巨大需求问题,本文开展了基于超燃冲压发动机燃烧室壁面散热为能量来源的超临界二氧化碳（S-CO2）闭式布雷顿循环（CBC）发电系统。其中S-CO2布雷顿循环在临界点附近具备物性突变等特性且成本低的特点,被视作未来热电循环发电系统的主要研究方向。基于燃料作为高超声速飞行器唯一冷源的前提下,对简单回热式S-CO2闭式布雷顿循环发电系统性能及其压气机部件特性开展相关研究。基于现有研究表明,有限冷源下S-CO2压气机入口温度远高于一般的S-CO2闭式布雷顿循环,这将对压气机性能及闭式布雷顿循环系统产生较大影响,需进一步对压气机高入口温度特性进行明确具体影响范围,开展了S-CO2压气机一维气动设计和三维数值仿真分析研究,详细介绍了S-CO2压气机的一维气动设计过程和三维数值模拟计算,针对数值计算结果对压气机流场特性和温度对压气机等熵效率的影响进行深入研究,结果表明本文设计的压气机在设计工况下具有较好的气动...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高速飞行器及超燃冲压发动机
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2(5)循环工质更为广泛，如氦气、氮气、氩气等气体及混合物；对于应用于机载上的热电转换系统必须具备系统体积孝功重比大、结构紧凑等特点。在超燃冲压发动机驱动的飞行器中，可以利用燃烧室余热或来流高温空气提供的热量为循环中的工质流体提供能量，作为系统热源，如图1-2。图1-2机载超临界CO2闭式布雷顿循环发电系统相较于目前大规模应用的蒸汽动力朗肯循环具有更高的能量转化效率，S-CO2布雷顿循环在核反应堆、余热发电、分布式能源、船舶动力、地热发电等领域中具有较大的应用前景。通过利用超燃冲压发动机的余热作为热源与超临界二氧化碳布雷顿循环结合，探究机载系统的新型发电方案。已有研究表明，冷源对S-CO2布雷顿循环性能影响巨大[4]。有限冷源下S-CO2闭式布雷顿循环中压气机入口温度一般高于地面级别的闭式循环，但其在文中压气机等熵效率计算值均为定值，所取得的结果较为理想[5]，必须将压气机等熵效率随入口温度的变化规律引入该循环中进行对比优化分析。本课题探究基于有限冷源下导致的高入口温度压气机的工作特性对循环系统的影响，以及机载S-CO2简单回热闭式布雷顿循环发电系统所能获得的性能水平；建立压气机、涡轮、换热器等部件的数学模型对系统效率和功率的提高进行优化分析；通过研究地面S-CO2闭式布雷顿循环部件原理性试验验证组件实际性能水平作为支撑和验证理论研究。理论探究了S-CO2闭式布雷顿循环与油气涡轮组合发电系统的性能，为未来高超声速飞行器热电转换系统提供一定的方向。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5图1-3CO2随温度变化下的密度变化趋势目前，S-CO2闭式布雷顿循环（CBC）发电系统在工质临界点处（7.39MPa，31.1℃）具备的特殊物性，相较于常见工质具备良好的性能，系统热效率较高，因此得到了广泛应用。图1-4为简单回热布雷顿循环T-S图以及部件流程图，该循环发电系统主要的工作流程主要包括1-2绝热压缩、2-4定压加热、4-5绝热膨胀和5-6定压放热，其主要部件如图所示，为简单回热闭式循环系统。随着不同部件的增加和组合，将构成不同的热力循环过程。图1-4简单回热布雷顿循环T-S图和部件布置图目前国内外研究人员对S-CO2布雷顿循环应用于机载发电方面的研究较少，现有的机载发电方案的功率已无法满足未来高超声速飞行器对电能的巨大需求。目前S-CO2闭式循环的研究范围较为广泛，西安交通大学郭嘉琪等人对S-CO2混合工质进行了研究，在二氧化碳质量分数高于50%的场合下，随着氪气(Kr）、氙气（Xe）等惰性气体的加入成为混合工质，物性的改变，将导致对应系统热
【参考文献】：
期刊论文
[1]叶尖间隙对弹用跨声速及亚声速压气机动叶的影响[J]. 陈健,闫学慧,陈忠良. 战术导弹技术. 2020(02)
[2]利用燃气轮机烟气余热的复合有机朗肯循环系统优化分析[J]. 马帅杰,林文胜. 制冷学报. 2019(06)
[3]超临界二氧化碳发电技术现状及挑战[J]. 邓清华,胡乐豪,李军,丰镇平. 热力透平. 2019(03)
[4]多级轴流超临界二氧化碳压气机气动性能研究[J]. 李金星,王雨琦,景祺,谢永慧. 热力透平. 2019(02)
[5]2018年国外高超声速技术发展综述[J]. 宋巍,梁轶,王艳,袁成,王竹溪. 飞航导弹. 2019(05)
[6]机载激光武器储能供电研究[J]. 姜锦锋,张著,高光波. 航空制造技术. 2018(19)
[7]再压缩超临界二氧化碳闭式布雷顿循环系统分析[J]. 王智,付静. 华北电力大学学报(自然科学版). 2018(04)
[8]超临界二氧化碳高压涡轮气动设计及性能[J]. 韩万龙,丰镇平,王月明,李红智,周东,但光局,郭必敏. 哈尔滨工业大学学报. 2018(07)
[9]冲压空气涡轮叶片设计和气动性能数值模拟[J]. 姬芬竹,张梦杰,王瑞,王岩,杜发荣. 北京航空航天大学学报. 2018(07)
[10]超临界CO2及其混合工质布雷顿循环热力学分析[J]. 郭嘉琪,王坤,朱含慧,何雅玲. 工程热物理学报. 2017(04)
硕士论文
[1]超临界二氧化碳布雷顿循环发电与储能系统耦合研究[D]. 郑鹏宇.华北电力大学 2019
[2]基于神经网络与遗传算法的压气机正问题优化设计研究[D]. 黄孟璇.南京航空航天大学 2019
[3]超临界二氧化碳离心压气机流动特性研究[D]. 王婉月.南京航空航天大学 2018
[4]超临界CO2布雷顿循环及其径流式压气机设计[D]. 王毅华.南京航空航天大学 2018
[5]超临界二氧化碳布雷顿循环的设计与分析[D]. 杜智垚.大连理工大学 2017
[6]流线曲率法计算核主泵叶轮流场[D]. 黄敬杰.大连理工大学 2013
本文编号：3570254
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高速飞行器及超燃冲压发动机
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2(5)循环工质更为广泛，如氦气、氮气、氩气等气体及混合物；对于应用于机载上的热电转换系统必须具备系统体积孝功重比大、结构紧凑等特点。在超燃冲压发动机驱动的飞行器中，可以利用燃烧室余热或来流高温空气提供的热量为循环中的工质流体提供能量，作为系统热源，如图1-2。图1-2机载超临界CO2闭式布雷顿循环发电系统相较于目前大规模应用的蒸汽动力朗肯循环具有更高的能量转化效率，S-CO2布雷顿循环在核反应堆、余热发电、分布式能源、船舶动力、地热发电等领域中具有较大的应用前景。通过利用超燃冲压发动机的余热作为热源与超临界二氧化碳布雷顿循环结合，探究机载系统的新型发电方案。已有研究表明，冷源对S-CO2布雷顿循环性能影响巨大[4]。有限冷源下S-CO2闭式布雷顿循环中压气机入口温度一般高于地面级别的闭式循环，但其在文中压气机等熵效率计算值均为定值，所取得的结果较为理想[5]，必须将压气机等熵效率随入口温度的变化规律引入该循环中进行对比优化分析。本课题探究基于有限冷源下导致的高入口温度压气机的工作特性对循环系统的影响，以及机载S-CO2简单回热闭式布雷顿循环发电系统所能获得的性能水平；建立压气机、涡轮、换热器等部件的数学模型对系统效率和功率的提高进行优化分析；通过研究地面S-CO2闭式布雷顿循环部件原理性试验验证组件实际性能水平作为支撑和验证理论研究。理论探究了S-CO2闭式布雷顿循环与油气涡轮组合发电系统的性能，为未来高超声速飞行器热电转换系统提供一定的方向。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5图1-3CO2随温度变化下的密度变化趋势目前，S-CO2闭式布雷顿循环（CBC）发电系统在工质临界点处（7.39MPa，31.1℃）具备的特殊物性，相较于常见工质具备良好的性能，系统热效率较高，因此得到了广泛应用。图1-4为简单回热布雷顿循环T-S图以及部件流程图，该循环发电系统主要的工作流程主要包括1-2绝热压缩、2-4定压加热、4-5绝热膨胀和5-6定压放热，其主要部件如图所示，为简单回热闭式循环系统。随着不同部件的增加和组合，将构成不同的热力循环过程。图1-4简单回热布雷顿循环T-S图和部件布置图目前国内外研究人员对S-CO2布雷顿循环应用于机载发电方面的研究较少，现有的机载发电方案的功率已无法满足未来高超声速飞行器对电能的巨大需求。目前S-CO2闭式循环的研究范围较为广泛，西安交通大学郭嘉琪等人对S-CO2混合工质进行了研究，在二氧化碳质量分数高于50%的场合下，随着氪气(Kr）、氙气（Xe）等惰性气体的加入成为混合工质，物性的改变，将导致对应系统热
【参考文献】：
期刊论文
[1]叶尖间隙对弹用跨声速及亚声速压气机动叶的影响[J]. 陈健,闫学慧,陈忠良. 战术导弹技术. 2020(02)
[2]利用燃气轮机烟气余热的复合有机朗肯循环系统优化分析[J]. 马帅杰,林文胜. 制冷学报. 2019(06)
[3]超临界二氧化碳发电技术现状及挑战[J]. 邓清华,胡乐豪,李军,丰镇平. 热力透平. 2019(03)
[4]多级轴流超临界二氧化碳压气机气动性能研究[J]. 李金星,王雨琦,景祺,谢永慧. 热力透平. 2019(02)
[5]2018年国外高超声速技术发展综述[J]. 宋巍,梁轶,王艳,袁成,王竹溪. 飞航导弹. 2019(05)
[6]机载激光武器储能供电研究[J]. 姜锦锋,张著,高光波. 航空制造技术. 2018(19)
[7]再压缩超临界二氧化碳闭式布雷顿循环系统分析[J]. 王智,付静. 华北电力大学学报(自然科学版). 2018(04)
[8]超临界二氧化碳高压涡轮气动设计及性能[J]. 韩万龙,丰镇平,王月明,李红智,周东,但光局,郭必敏. 哈尔滨工业大学学报. 2018(07)
[9]冲压空气涡轮叶片设计和气动性能数值模拟[J]. 姬芬竹,张梦杰,王瑞,王岩,杜发荣. 北京航空航天大学学报. 2018(07)
[10]超临界CO2及其混合工质布雷顿循环热力学分析[J]. 郭嘉琪,王坤,朱含慧,何雅玲. 工程热物理学报. 2017(04)
硕士论文
[1]超临界二氧化碳布雷顿循环发电与储能系统耦合研究[D]. 郑鹏宇.华北电力大学 2019
[2]基于神经网络与遗传算法的压气机正问题优化设计研究[D]. 黄孟璇.南京航空航天大学 2019
[3]超临界二氧化碳离心压气机流动特性研究[D]. 王婉月.南京航空航天大学 2018
[4]超临界CO2布雷顿循环及其径流式压气机设计[D]. 王毅华.南京航空航天大学 2018
[5]超临界二氧化碳布雷顿循环的设计与分析[D]. 杜智垚.大连理工大学 2017
[6]流线曲率法计算核主泵叶轮流场[D]. 黄敬杰.大连理工大学 2013
本文编号：3570254
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