10 KW有机工质向心透平气动设计及性能研究

摘要

环境污染以及能源短缺问题的加剧，不断强化人类在生产活动中对节约能源以及创新能源利用形式的需求。一方面太阳能、地热能、生物质能等清洁能源逐渐进入人们的视野；另一方面在工业生产过程中，对工业余热的利用逐步受到重视。太阳能、地热能、生物质能以及工业余热等热源往往具有储量大、分布广泛但同时能流密度低、品位低等特点，难以被传统设备高效利用；凭借有机工质低沸点的热物性，有机工质朗肯循环系统为中低温热源热功转化利用提供了新的思路。
　　本文以低品位热源有机朗肯循环系统为应用背景，对系统中有机工质向心透平进行设计研究。在10kW设计功率下，探讨了向心透平的设计思路以及损失模型；在向心透平设计中，采用了遗传算法对设计参数的选择进行全局优化，并通过MATLAB软件编写出热力计算程序，设计了满足功率需求的高效率向心透平。在各项限制要求均满足的条件下，所设计向心透平效率达到81.6％。通过数值模拟软件Fluent对向心透平通流部分流场进行数值模拟，模拟结果显示向心透平流场具有较好的流动性能，产生的流动损失较少，同时将数值模拟结果与热力设计结果进行对比，结果表明数值模拟结果与热力设计结果吻合较好，各项性能参数偏差在5%以内。
　　探讨了在小功率下向心透平结构参数的选取以及结构优化。导叶部分，在3组不同的压比工况下，研究了几何相对参数对向心透平导叶性能的影响，结果表明：相对叶高小于0.2时，静叶栅损失急剧增大，应避免导叶相对叶高小于0.2的情况发生；而相对栅距在0.6~0.8之间时，导叶性能较好，对导叶造型中因考虑相对栅距的影响。叶轮部分，分析了采用长短叶片的结构形式对叶轮性能的影响，同时对长短叶片的结构造型进行了讨论，结果表明：短叶片长度取为0.7~0.8之间，长短叶片叶轮性能较好，同时长短叶片中短叶片的最佳安装位置并非是安装在长叶片中间，而是偏置0.6左右时，叶轮性能较好。

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1 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

2 有机工质向心透平气动设计及优化

2.1 有机朗肯循环系统介绍

2.2 向心透平气动设计

2.3 基于遗传优化算法的气动优化设计

2.4 本章小结

3 向心透平几何造型及数值模拟

3.1 向心透平几何造型

3.2 向心透平数值模拟

3.3 本章小结

4 静叶几何相对参数的性能影响分析

4.1 研究模型及模拟方法介绍

4.2 相对叶高的影响

4.3 相对栅距的影响

4.4 本章小结

5 向心透平长短叶片叶轮的性能分析

5.1 长短叶片几何模型及模拟方法介绍

5.2 短叶片安装位子对叶轮性能的影响

5.3 短叶片长度对叶轮性能的影响

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间学术成果汇总