车载尾气余热发电系统向心透平的设计与研究

摘要

本文设计了适用于车载尾气余热发电系统的向心透平，并对其进行了仿真模拟与实验研究，采用CFD软件分析了稳定工况和变工况下影响向心透平性能的因素以及向心透平内部流场情况，进行实验验证，为向心透平性能优化研究提供依据。主要研究内容如下:
　　1.针对车载尾气余热发电系统的工况条件，研究分析了系统所需要透平的类型;采用设计参数筛选法得到初始设计数据，以这些参数为依据，通过热力气动计算和速度三角形分析，得到向心透平各部分尺寸的设计参数，为向心透平的设计、仿真模拟以及实验研究提供数据支持。
　　2.利用三维软件SolidWorks对向心透平进行原比例三维建模，并进行内部流场模拟。变工况下分析影响向心透平性能的因素，发现入口温度和进出口压差越大向心透平呈现出越好的性能，出口温度对向心透平的性能影响不大，最佳入口压力值在2.15MPa左右，存在一个合理的转速范围使向心透平的等熵效率和轮周效率达到最大值，这个范围为4864～5068r/min。
　　3.将转速、入口温度、出口温度、入口压力、出口压力分别设置为4965r/min、102℃、82℃、2.15MPa、1.54MPa。分析向心透平内部流动发现在蜗壳直流道靠近中间的部分存在较大的气体旋涡，造成能量损失;高速气体在蜗壳进口处急转弯，然后冲击到蜗壳进口处，造成滞止损失;50％叶高的速度和静压分布相对均匀，10％叶高和90％叶高的流动状况相对恶劣，静压分布相对复杂，在出口处都存在一个明显的低压区，因此需对相应部分进行改进。
　　4.搭建车载尾气余热发电系统实验台，对向心透平进行了实验研究。结果表明:稳定工况和变工况下向心透平的各项热力参数与模拟值吻合较好，向心透平入口温度和转速的增加提高了向心透平的等熵效率和轮周效率，实验研究结果进一步验证了数值模拟结果的可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 叶轮机械的研究方法

1．3 计算流体力学简介

1．3．1 计算流体力学的发展历程

1．3．2 CFD流体力学软件简介

1．3．3 计算流体力学基础

1．4 论文的主要内容

第二章 车载尾气余热发电系统向心透平的设计

2．1 向心透平的工作原理和特点

2．2 向心透平的气动设计参数的筛选

2．3 向心透平喷嘴及动叶的热力计算

2．3．1 喷嘴的热力计算

2．3．2 动叶的热力计算

2．4 向心透平结构尺寸的设计

2．5 本章小结

第三章 车载尾气余热发电系统向心透平的仿真模拟与分析

3．1 向心透平的三维模型

3．1．1 叶轮模型的建立

3．1．2 蜗壳模型的建立

3．2 网格生成

3．2．1 计算流体力学中网格生成技术

3．2．2 向心透平的网格划分

3．3 湍流模型

3．4 边界条件处理

3．5 仿真结果分析

3．5．1 变工况下向心透平性能分析

3．5．2 向心透平内部流动分析

3．6 本章小结

第四章 车载尾气余热发电系统向心透平的实验研究

4．1 实验系统的介绍

4．1．1 热力循环系统

4．1．2 数据采集系统

4．1．3 实验操作步骤

4．2 实验数据分析

4．2．1 稳定工况下实验数据分析

4．2．2 变工况下实验数据分析

4．3 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢