海洋温差能向心透平的气动设计及性能研究
发布时间：2021-09-05 17:39
通过对7.5 kW海洋温差能向心透平的蜗壳、喷嘴和叶轮进行气动设计,模拟研究了透平在设计工况及非设计工况下的气动性能。采用经验参数及遗传算法优化方法对透平的一维参数进行设计,得到一维设计结果,并据此对蜗壳、喷嘴和叶轮进行三维设计,得到透平的气动结构造型。利用CFD技术模拟研究了透平的三维流场及性能,得到透平在设计工况及非设计工况下的性能,模拟结果表明:在设计工况下,透平效率为86.5%;在非设计工况下,透平效率随着叶轮转速的增加而增大,但增加至设计转速后,透平效率增加幅度较小;随着进口温度的升高,透平效率逐渐增大;当进口压力为设计工况压力时,透平效率存在最大值;非设计工况下的透平功率基本与叶轮转速、进口压力和进口温度均呈正相关;设计工况下的最佳喷嘴-叶轮相对径向间隙为0.05,可变喷嘴叶片安装角为35～40°。
【文章来源】：可再生能源. 2019,37(10)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
透平三维造型图
2透平数值模拟及性能研究2.1边界条件设置及网格划分本文采用ANSYS-CFX软件对所设计透平的气动部分进行网格划分和数值模拟，边界条件为进口采用总温总压，出口采用静压。对蜗壳进行四面体网格划分，并对局部（蜗舌处）进行加密处理；对叶轮和喷嘴采用六面体网格划分，并对叶轮喷嘴近壁面采用O型网格加密处理，整体网格及局部网格如图2所示。在模拟过程中，同时以透平的质量流量和效率误差均小于0.2%作为网格无关性指标。最终，蜗壳的四面体网格数为752500，喷嘴的六面体网格数为544740，叶轮的六面体网格数为813420。在模拟过程中，选用k-ε湍流模型，以残差收敛至10-5作为收敛标准，并对进、出口质量流量差进行监控。2.2透平在设计工况下的数值模拟结果表4给出了设计工况下透平主要参数的数值模拟结果和气动设计值。由表4可以看出，透平主要参数的模拟结果与设计值相比，除喷嘴出口速度误差约为5%外，其他参数基本一致，等熵效率与功率虽比设计值偏小，但误差在1%左右，满足设计要求。图3为透平的整体流线图（为了更好的显示流线，图中未展示扩压器）。由图3可以看出，透平的整体流动情况良好，沿流道方向的流线比较均匀，但在叶轮的吸力面处存在小范围的低压区。图4为50%叶高处的喷嘴及叶轮通道截面的压力云图和速度流线图。由图4可以看出：喷嘴处的压力分布较均匀，叶片（叶片尾缘除外）处的压力分布也较均匀；整体压力梯度方向大致沿流动方向，流线沿喷嘴及叶轮流道方向均匀流动，叶轮内无明显逆压梯度出现。在压力云图中可以看出，叶片尾缘吸力面处存在着小范围的低压区，与之对应的速度流线图存在较小的涡（图中椭圆部分），流体在此处会产生回流，造成流动损失，这在一定程度上会导致叶轮效率的降低。?
饰蟛罹?∮?0.2%作为网格无关性指标。最终，蜗壳的四面体网格数为752500，喷嘴的六面体网格数为544740，叶轮的六面体网格数为813420。在模拟过程中，选用k-ε湍流模型，以残差收敛至10-5作为收敛标准，并对进、出口质量流量差进行监控。2.2透平在设计工况下的数值模拟结果表4给出了设计工况下透平主要参数的数值模拟结果和气动设计值。由表4可以看出，透平主要参数的模拟结果与设计值相比，除喷嘴出口速度误差约为5%外，其他参数基本一致，等熵效率与功率虽比设计值偏小，但误差在1%左右，满足设计要求。图3为透平的整体流线图（为了更好的显示流线，图中未展示扩压器）。由图3可以看出，透平的整体流动情况良好，沿流道方向的流线比较均匀，但在叶轮的吸力面处存在小范围的低压区。图4为50%叶高处的喷嘴及叶轮通道截面的压力云图和速度流线图。由图4可以看出：喷嘴处的压力分布较均匀，叶片（叶片尾缘除外）处的压力分布也较均匀；整体压力梯度方向大致沿流动方向，流线沿喷嘴及叶轮流道方向均匀流动，叶轮内无明显逆压梯度出现。在压力云图中可以看出，叶片尾缘吸力面处存在着小范围的低压区，与之对应的速度流线图存在较小的涡（图中椭圆部分），流体在此处会产生回流，造成流动损失，这在一定程度上会导致叶轮效率的降低。整体而言，虽叶片吸力面处存在流动损失，但透平的整体效率较高，符合设计要求。图1透平三维造型图Fig.13-Dmodelingofturbine00.050.100.150.20（m）图2透平整体网格及局部网格Fig.2Globalmeshandlocalmeshofturbine表4模拟结果与设计值的对比Table4Comparisonofsimulationresultsanddesignresults参数设计值模拟结果误差/%喷嘴出口速度c1/m·s-1160.5152.54.98轮周?
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋温差发电系统蒸发压力及工质优选分析[J]. 李大树,张理. 可再生能源. 2017(07)
[2]海洋温差能朗肯循环非公沸混合工质理论研究[J]. 吴春旭,吴必军,叶寅. 可再生能源. 2015(04)
博士论文
[1]海洋温差能发电装置热力性能与综合利用研究[D]. 陈凤云.哈尔滨工程大学 2016
硕士论文
[1]试验用200W氨饱和蒸汽透平的研究与开发[D]. 赵伟阁.天津大学 2005
本文编号：3385793
【文章来源】：可再生能源. 2019,37(10)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
透平三维造型图
2透平数值模拟及性能研究2.1边界条件设置及网格划分本文采用ANSYS-CFX软件对所设计透平的气动部分进行网格划分和数值模拟，边界条件为进口采用总温总压，出口采用静压。对蜗壳进行四面体网格划分，并对局部（蜗舌处）进行加密处理；对叶轮和喷嘴采用六面体网格划分，并对叶轮喷嘴近壁面采用O型网格加密处理，整体网格及局部网格如图2所示。在模拟过程中，同时以透平的质量流量和效率误差均小于0.2%作为网格无关性指标。最终，蜗壳的四面体网格数为752500，喷嘴的六面体网格数为544740，叶轮的六面体网格数为813420。在模拟过程中，选用k-ε湍流模型，以残差收敛至10-5作为收敛标准，并对进、出口质量流量差进行监控。2.2透平在设计工况下的数值模拟结果表4给出了设计工况下透平主要参数的数值模拟结果和气动设计值。由表4可以看出，透平主要参数的模拟结果与设计值相比，除喷嘴出口速度误差约为5%外，其他参数基本一致，等熵效率与功率虽比设计值偏小，但误差在1%左右，满足设计要求。图3为透平的整体流线图（为了更好的显示流线，图中未展示扩压器）。由图3可以看出，透平的整体流动情况良好，沿流道方向的流线比较均匀，但在叶轮的吸力面处存在小范围的低压区。图4为50%叶高处的喷嘴及叶轮通道截面的压力云图和速度流线图。由图4可以看出：喷嘴处的压力分布较均匀，叶片（叶片尾缘除外）处的压力分布也较均匀；整体压力梯度方向大致沿流动方向，流线沿喷嘴及叶轮流道方向均匀流动，叶轮内无明显逆压梯度出现。在压力云图中可以看出，叶片尾缘吸力面处存在着小范围的低压区，与之对应的速度流线图存在较小的涡（图中椭圆部分），流体在此处会产生回流，造成流动损失，这在一定程度上会导致叶轮效率的降低。?
饰蟛罹?∮?0.2%作为网格无关性指标。最终，蜗壳的四面体网格数为752500，喷嘴的六面体网格数为544740，叶轮的六面体网格数为813420。在模拟过程中，选用k-ε湍流模型，以残差收敛至10-5作为收敛标准，并对进、出口质量流量差进行监控。2.2透平在设计工况下的数值模拟结果表4给出了设计工况下透平主要参数的数值模拟结果和气动设计值。由表4可以看出，透平主要参数的模拟结果与设计值相比，除喷嘴出口速度误差约为5%外，其他参数基本一致，等熵效率与功率虽比设计值偏小，但误差在1%左右，满足设计要求。图3为透平的整体流线图（为了更好的显示流线，图中未展示扩压器）。由图3可以看出，透平的整体流动情况良好，沿流道方向的流线比较均匀，但在叶轮的吸力面处存在小范围的低压区。图4为50%叶高处的喷嘴及叶轮通道截面的压力云图和速度流线图。由图4可以看出：喷嘴处的压力分布较均匀，叶片（叶片尾缘除外）处的压力分布也较均匀；整体压力梯度方向大致沿流动方向，流线沿喷嘴及叶轮流道方向均匀流动，叶轮内无明显逆压梯度出现。在压力云图中可以看出，叶片尾缘吸力面处存在着小范围的低压区，与之对应的速度流线图存在较小的涡（图中椭圆部分），流体在此处会产生回流，造成流动损失，这在一定程度上会导致叶轮效率的降低。整体而言，虽叶片吸力面处存在流动损失，但透平的整体效率较高，符合设计要求。图1透平三维造型图Fig.13-Dmodelingofturbine00.050.100.150.20（m）图2透平整体网格及局部网格Fig.2Globalmeshandlocalmeshofturbine表4模拟结果与设计值的对比Table4Comparisonofsimulationresultsanddesignresults参数设计值模拟结果误差/%喷嘴出口速度c1/m·s-1160.5152.54.98轮周?
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋温差发电系统蒸发压力及工质优选分析[J]. 李大树,张理. 可再生能源. 2017(07)
[2]海洋温差能朗肯循环非公沸混合工质理论研究[J]. 吴春旭,吴必军,叶寅. 可再生能源. 2015(04)
博士论文
[1]海洋温差能发电装置热力性能与综合利用研究[D]. 陈凤云.哈尔滨工程大学 2016
硕士论文
[1]试验用200W氨饱和蒸汽透平的研究与开发[D]. 赵伟阁.天津大学 2005
本文编号：3385793
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