高转速有机工质向心透平气动优化研究

摘要

随着工业废热和清洁可再生能源的利用越来越广泛，有机朗肯循环发电技术的研究也随之受到重视，而膨胀机作为循环的核心部件是整个系统中的研究重点。在小功率有机工质透平中，向心式透平是较为广泛使用的形式。有机工质向心式透平在国外已经有了成熟的商业应用，而我国尚没有商业化的产品推出。本文针对有机工质向心透平的气动优化展开研究。
　　论文首先利用MATLAB软件调用NIST-Refprop工质库编写10kW有机工质向心透平的一维设计程序，并在此基础上对六个输入参数入口总压、总温、转速、压比、载荷系数和流量系数进行了敏感性分析，探讨了这六个输入参数对向心透平轮周效率和尺寸的影响程度。另外，采用遗传优化算法对一维设计进行优化，得到约束条件下的最大轮周效率为85.76％的一维设计方案，该方案使用高转速57920rmp。
　　在一维优化设计的基础上，利用ANSYS Workbench中的Vista RTD、BladeGen软件和TurboGrid软件进行了透平的动叶轮、喷嘴叶片的三维造型设计和网格划分；然后利用 CFX软件进行三维数值模拟。模拟结果表明，模拟的单流道各状态点参数与一维设计有较好的一致性，模拟得到的透平效率和功率均与一维设计相当，流道中的速度流线等也相对均匀。在此基础上，针对不同叶片数目和喷嘴进口气流角对向心透平的运行状况进行了数值模拟分析。
　　为了提高透平的工作性能、优化流场分布，本文采用响应面优化方法对喷嘴叶型进行了优化研究。选用NACA系列叶型构造喷嘴叶片，基于贝塞尔曲线，利用BladeGen软件建立了喷嘴叶片型线的参数化模型，并选取了四个控制参数作为可调控制点来改变型线，从而建立基于 NACA叶型的不同叶型。利用 Box-Behnken方法设计试验方案29个，利用CFX软件对不同型线的叶片进行数值模拟得到喷嘴效率；再采用响应面方法研究控制参数变量对喷嘴效率的影响趋势，从而确定出喷嘴效率最大的型线方案；相对于原型叶片的效率提高了2%；此外，优化叶片的流道均匀度也有所改善。

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1 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2有机朗肯循环研究及应用现状

1.3有机工质向心透平研究现状

1.4本学位文研究内容

2 有机工质向心透平的气动优化

2.1向心透平原理与特点

2.2 R245fa工质特性

2.3向心透平一维设计

2.4本章小结

3 有机工质向心透平三维数值模拟

3.1三维几何模型建立

3.2网格划分

3.3边界条件设置（CFX-Pre）

3.4 CFX-Solver

3.5数值模拟结果分析

3.6三维CFD结果与一维初步设计结果对比

3.7本章小结

4 重要几何参数对向心透平性能影响的模拟

4.1叶片数目对性能的影响

4.2导叶进气角对性能的影响

4.3本章小结

5 向心透平静叶叶型优化

5.1静叶叶片型线参数化建模

5.2响应面优化分析

5.3本章小结

6 总结与展望

6.1主要工作及总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士期间发表的论文