有机工质朗肯循环向心透平设计与流动特性研究

摘要

有机工质朗肯循环（O RC）发电技术在回收工业废热、利用太阳能和地热能等方面发挥了重要作用。而向心透平作为低温余热发电技术循环系统中的重要部件，有着较小的余速损失和流动损失，结构简单和运行范围较宽等优点受到越来越多的关注。本文以ORC向心透平为研究对象，对其设计方法和流动特性进行研究，主要研究内容如下：
　　以环己烷为工质，对200kW向心透平进行热力设计，确定静叶和动叶的几何气动参数和结构尺寸。采用ANSYS-CFX对透平进行数值计算，分析透平的整体性能和内部的流动情况。结果表明，所设计的向心透平热力参数与数值模拟结果基本吻合，所有参数误差都控制在3%之内，验证了设计方法的正确性，同时获得了较高的透平效率；模拟结果能真实地反映透平内部流动特性。透平整体性能较好，压降分布和马赫数分布较为合理，没有出现较大的流动分离现象。
　　研究了有机工质向心透平内流动特性，针对 ORC向心透平静叶栅，分析了工质在静叶栅内的流动损失机理和主要损失分布，分析了下上端壁流动分布和叶栅通道内的各种涡系的表现形式，给出了总压损失系数的分布规律。数值结果表明，叶栅通道存在压力面和吸力面之间的横向流动，但通道涡并没有形成，通道涡并不是ORC向心透平静叶栅内二次流涡流形式中的重要涡系结构；主要总压损失在轴向弦长方向集中在叶栅后40%流道，在叶高方向集中在上下端壁，在周向方向聚集在吸力面附近。针对动叶进行了优化设计，通过改变形状设计参数来得到叶轮不同扭曲变化规律，分析动叶轮扭曲规律对透平效率的影响。数值计算结果表明，叶轮的扭曲程度会影响叶轮流道形状和出口气流与轴向的夹角，不同的叶轮扭曲规律使透平轮周效率的最大变化范围达到了2.44%，是叶轮结构优化设计的重要影响因素。
　　研究了不同工况下透平入口温度、出口压力、转速对透平效率性能和通流性能的影响。结果表明,在设计工况点下，各个变量对透平效率和流量的影响最小，并且效率能保持在较高水平。在三个变化因素中，转速对透平效率的影响最大，效率最大变化值达到了10.88%。在120%转速和120%背压情况下流量变化范围较大。整体来看，有机工质向心透平性能受变工况的影响较大，控制好合理的进出口参数和转速水平对透平的高效运行至关重要。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 向心透平在有机工质朗肯循环发电系统中的重要性

1.3 向心透平的研究进展

1.4 本文主要研究内容

第2章 有机工质向心透平的设计造型与数值模拟

2.1 有机工质向心透平热力设计

2.2 叶片成型方法

2.3 向心透平整机流动特性模拟

2.4 模拟结果分析

2.5 本章小结

第3章 有机工质向心透平内流动特性分析

3.1 静叶栅内二次流结构及损失分析

3.2 叶轮内流动特性分析及形状优化

3.3 本章小结

第4章 非设计工况下有机工质向心透平性能分析

4.1 非设计工况下透平效率性能分析

4.2 非设计工况下透平通流性能分析

4.3 本章小结

第5章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

致谢