海洋温差能向心透平的气动设计及性能研究

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°。     

叶顶间隙对超临界二氧化碳向心透平性能的影响

为探究叶顶间隙对超临界二氧化碳向心透平机性能的影响,以某超临界二氧化碳向心透平为例,设置不同叶顶间隙,利用计算流体动力学(CFD)仿真软件进行数值模拟。结果表明:当径向间隙等于轴向间隙时,间隙尺寸在0.1~0.5 mm范围内,叶顶间隙与叶轮出口叶高的比值每增大1%,总-静效率降低1.07%左右。当径向间隙不等于轴向间隙时,轴向间隙每增大1%,总-静效率降低0.146%左右,径向间隙每增大1%,总-静效率大约降低0.362%;径向间隙对于透平性能的影响远大于轴向间隙,叶顶间隙在0.1~0.5 mm范围内时,径向间隙对总-静效率的影响约为轴向间隙的2倍。     

叶片型线对纯径流式向心透平气动性能的影响

以实验室的某纯径流式可调向心透平为研究对象，应用计算流体力学软件FLUENT,比较分析了几种不同曲线为动叶叶型对透平性能的影响；在此基础上，提出以阿基米德螺线为中弧线的叶片参数化造型方法，结果得到气动性能良好的叶片型线，阿基米德螺线叶型的叶轮效率比连锁螺线提高8%;参数优化后的叶型比原曲线叶轮效率提升5%左右。以优化后的曲线为叶轮型线，在不同操作参数下，得到了透平的轴效率特性曲线。研究可为小功率向心透平的叶片设计和优化提供指导。     

太阳能热发电系统中透平膨胀机的性能研究

对典型槽式太阳能热发电系统中的关键设备径流透平膨胀机的气动特性开展研究。设计指定工况下径流透平膨胀机的几何结构并对其内部流场进行数值分析,获得膨胀机在设计工况及非设计工况下的性能特性。研究发现,设计的径流透平膨胀机可满足工作要求,流道中流体整体流动良好,动叶轮压力面处存在较差的流动;在较大的转速(85%n~120%n)与较大的膨胀比(80%π~120%π)的工作区间内,设计的径流透平膨胀机的等熵效率能够保持在79%以上,可以满足变工况的运行要求。研究结果对太阳能热发电系统中的径流透平膨胀机的设计及应用提供参考。     

近临界CO2透平膨胀机设计与内流平衡相变研究

基于均相理论及流体动力守恒原理,对进口处于近临界区、出口为两相状态及质量流量为5.5 kg/s的透平膨胀机进行设计,得到膨胀机蜗壳、喷嘴和工作轮的基本几何参数,再采用平衡相变模型对膨胀机内流相变特性进行数值分析。结果显示：喷嘴入口处开始产生气体,叶轮出口气体质量分数为27%,等熵效率为65%,与设计值相差9.72%。结果表明,此设计方法可以用来设计两相状态CO2透平膨胀机,平衡相变模型适用于CO2透平膨胀机的内流相变特性研究。     

熔盐泵空间导叶与叶轮的径向安装间隙对泵性能影响研究

为了探究空间导叶和叶轮之间的径向安装间隙对泵性能影响规律,选择某VS1型太阳能高温熔盐泵首级部分作为研究对象,在其他几何参数不变的前提下,以原导叶和叶轮径向间隙值为基础,通过沿径向逐次改变导叶进口和叶轮之间的相对位置,共设计了6组不同间隙下的导叶-叶轮组合方案,基于CFD方法对6种间隙方案(1.5～6.5 mm),进行了全流场数值模拟,并试验验证了数值算法的可靠性。研究表明：导叶与叶轮径向安装间隙对泵扬程和效率在不同工况下的影响具有显著差异性,存在较优间隙使泵性能整体最佳,间隙过大、过小时都会致使其性能劣化;与原间隙2.5 mm时相比,合适的间隙可使叶轮出口和腔体间隙处的主频压力脉动幅值分别降低20.6%和36.4%,泵内介质流动稳定性提升;导叶内流道压力梯度和腔体涡核心分布随间隙改变呈不同变化态势,间隙为4.5 mm时,导叶内流道压力梯度变化更为均匀有序,腔体内涡的范围和强度较其它方案削弱明显,泵内流态最优。     

ORC向心透平叶轮扭曲规律对其性能的影响

以环己烷为工质,进行了200kW向心透平的热力设计和结构设计,并采用数值模拟方法研究透平内部的流动情况,分析了透平叶轮扭曲规律对透平性能的影响.结果表明:所设计的向心透平对于跨声速工况有着良好的流动特性,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下,透平轮周效率变化的最大值为2.44%,叶轮扭曲规律是叶轮结构优化设计的重要影响因素.     

多种载荷下超临界二氧化碳向心透平变形及应力研究

基于超临界二氧化碳(SCO2)工质的动力循环系统是目前先进动力系统的研究热点和发展方向，向心 透平作为SCO2动力循环中的核心部件，其运行的安全性至关重要。本文采用热流固耦合分析方法，对一SCO2 向心透平叶轮进行了强度特性分析，得到了多种载荷对于叶轮变形和应力分布的影响。结果表明:温度 载荷对于变形大小占据主导地位，气动载荷及离心力载荷对变形影响较小，全部载荷工况下叶轮最大总位移 为2.421 mm，位于叶轮轮盘外径处;离心力载荷对等效应力贡献最大，温度载荷导致叶轮叶片根部前缘圆角 处的应力集中，气动载荷对叶轮等效应力贡献较小，全部载荷工况下叶轮最大等效应力为267.91 MPa，位于 叶轮轮背凸台段过渡圆弧处 。     

微型燃气轮机向心透平内部流动分析

对某2.6kW微型燃气轮机向心透平叶轮进行了全三维粘性数值模拟.分析了设计工况下通道中的二次流动现象、各个涡系的发展以及不同叶尖间隙对流动的影响.结果表明:通道内吸力面侧二次流动明显,由于通道涡、泄漏涡的共同作用,叶轮的损失主要集中于吸力面侧靠近叶顶区域;叶轮顶部间隙增加,透平叶轮通流能力下降较慢,而效率降低较快.由于刮削流的影响,使得径向间隙变化对透平效率和质量流量的影响要比轴向间隙更明显.     

叶顶间隙对跨音速离心压气机气动性能影响分析

基于控制变量法对某跨音速离心压气机进行数值模拟,研究了叶轮尾缘叶间隙改变对其气动性能的影响。仅改变该离心叶轮的尾缘叶顶间隙,在设计转速下进行全三维黏性数值模拟,对相关气动参数进行分析。计算结果表明,相较于小流量工况,尾缘叶顶间隙的改变对离心压气机大流量工况的气动性能影响更大;在设计流量下,离心叶轮的压比、效率与叶轮尾缘出口间隙大小之间具有一定的线性关系,随着叶尖间隙增大,叶轮叶尖泄漏流的强度明显增强,导致叶轮的增压能力下降。     

气冷涡轮转子变叶尖间距性能试验及数值研究

为量化评估工程应用的气冷低压涡轮带冠转子叶片的叶尖间距大小对涡轮气动性能的影响,综合现有涡轮部件试验能力,以单级轴流低压涡轮性能试验件为基础,通过控制圆度的机加方式磨削转子外环内壁以实现叶尖间距的变化,采用控制冷气流量比的方法,开展5次不同叶尖间距大小的涡轮级性能试验,得到多工况下涡轮效率、换算流量和换算功率等特性参数。采用加载冷气及考虑转子叶冠结构的数值模型进行三维仿真计算,并与试验结果对比分析。研究表明：叶尖间距由0.6 mm增加至3.2 mm,低压涡轮流通能力增大1%,叶冠泄漏量增多3.4%,但做功能力下降2.3%。涡轮效率变化与叶尖间距大小近似呈线性关系,叶尖间距每增加1 mm,效率约降低0.7%,同时,叶尖间距的增加导致了叶冠腔的旋涡结构、气流掺混及主流入侵强度逐渐增大,引起动叶总压损失的增大,叶尖间距增加至3.2 mm导致叶间位置总压损失由0.88增至2.3。     

Numerical analysis of flow in ultra micro centrifugal compressor -influence of meridional configuration

A single stage ultra micro centrifugal compressor constituting ultra micro gas turbine is required to operate at high rotational speed in order to achieve the pressure ratio which establishes the gas turbine cycle. As a consequence, the aerodynamic losses can be increased by the interaction of a shock wave with the boundary layer on the blade surface. Moreover, the centrifugal force which exceeds the allowable stress of the impeller material can act on the root of blades. On the other hand, the restrictions of processing technology for the downsizing of impeller not only relatively enlarge the size of tip clearance but also make it difficult to shape the impeller with the three-dimensional blade. Therefore, it is important to establish the design technology for the impeller with the two-dimensional blade which possesses the sufficient aerodynamic performance and enough strength to bear the centrifugal force caused by the high rotational speed. In this study, the flow in two types of impeller with the two-dimensional blade which have different meridional configuration was analyzed numerically. The computed results clarified the influence of the meridional configuration on the loss generations in the impeller passage.     

Forced responses on a radial turbine with nozzle guide vanes

Radial turbines with nozzle guide vanes are widely used in various size turbochargers. However, due to the inter- ferences with guide vanes, the blades of impellers are exposed to intense unsteady aerodynamic excitations, which cause blade vibrations and lead to high cycle failures （HCF）.Moreover, the harmonic resonance in some frequency regions are unavoidable due to the wide operation conditions. Aiming to achieve a detail insight into vibration characteristics of radial flow turbine, a numerical method based on fluid .structure interaction （FSI） is presented. Firstly, the unsteady aerodynamic loads are determined by computational fluid dynamics （CFD）.And the fluctuating pressures are transformed from time domain to frequency domain by fast Fourier-transform （FFT）. Then, the entire rotor model is adopted to analyze frequencies and mode shapes considering mistuning in finite element （FE） method. Meanwhile, harmonic analyses, applying the pressure fluctuation from CFD, are conducted to investigate the impeller vibration behavior and blade forced response in frequency domain. The prediction of the vibration dynamic stress shows acceptable agreement to the blade actual damage in consistent tendency.     

单级离心压气机气动性能预测与优化设计

为了提升低转速工况下压气机的气动性能,采用人工神经网络与遗传算法相结合的优化方法对某单级离心压气机离心叶轮的弯特性进行优化计算。利用NUMECA软件对该离心压气机进行了不同转速的数值模拟,得到压气机不同工况下的气动性能。通过设置不同控制参数和曲线形式对离心叶轮叶片进行参数化拟合,以8个改变叶片弯特性的参数为自由参数进行了叶型优化设计,最终得到了优化后的叶轮叶片。结果表明:优化后在低转速的设计工况下离心压气机压比增加了4.69%,稳定裕度拓宽了17.41%。     

大膨胀比对转式离心透平设计

为了设计高效、轻便、紧凑的叶轮机械,根据对转式离心透平的结构特点,选定9个独立初始设计变量,对大膨胀比对转式离心透平进行一维气动设计.采用中弧线叠加厚度方法进行高压静叶和低压动叶的叶片造型,通过压力面和吸力面单独造型完成缩放流道式高压动叶叶片造型,并采用CFX软件对其进行定常数值模拟.结果表明:大膨胀比对转式离心透平的...     

多级轴流压气机模化设计中尺寸缩放对气动性能影响的数值研究

为了研究几何尺寸模化缩放及叶尖间隙对多级轴流压气机气动性能及内部流动的影响,采用Numeca程序对17级轴流压气机开展了数值计算。结果表明：在80%及100%等高转速条件下压气机效率随着模化比例增大而增大,而在50%转速下模化缩放对压气机效率的影响较小。相对于原型压气机,模化放大时,压气机前8级单级压比均有所降低,而后8级压比均提高;模化缩小时,压气机的变化规律则相反。随着压气机几何尺寸的增大,静叶叶根和叶尖区域的总压恢复系数显著提高。同时,叶片叶尖泄漏流区域的熵增减少,从而使各级效率均有所提升。缩放模化中,随着叶尖间隙的增大,泄漏流增多,恶化了动叶叶尖附近的流动分离,降低了动叶后50%弦长区域的相对马赫数,同时扩大了静叶上端壁的流动分离,使压气机效率降低。     

Comparison of flow characteristics of enlarged blood pump models with different impeller design

In earlier studies, a 5:1 enlarged pump model of the Kyoto-NTN Magnetically Suspended Centrifugal Blood Pump has been constructed and the gap pressure and wall shear stress have been measured. With the satisfactory results obtained and also as air was the medium used in the previous investigations, another 5:1 enlarged pump model using water as the medium was thus designed and constructed. Five different impeller blade profile designs are used in the present study. By varying (1) the design of the blade profiles i.e. forward, radial and backward, (2) the number of blades used and (3) the rotating speeds, the flow characteristics of the pump are investigated. It is found that the impeller with the higher number of blades used with the forward and straight blade profiles have the best performance.     

变叶片数和长短叶片对某跨音速向心汽轮机气动性能的影响

利用三维数值模拟的方法对一跨音速向心汽轮机进行了气动设计优化分析,通过改变叶片数和采用长短叶片结构等方法分析其对叶轮内流场的影响,分析了TC-4P叶型的气动特点。结果表明:TC-4P叶型虽然只是普通的渐缩型流道的叶栅,但利用其斜切部的膨胀能力,对超音速工况一样具有良好的性能;叶轮采用长短叶片的方法可以有效地降低余速损失,并改善流动状况。     

弯扭耦合作用下变频风机叶片断裂分析与治理技术研究

针对某变频运行风机发生的叶片断裂故障,采用无线应变测试技术获取了不同工况下转轴扭矩脉动特性。建立叶轮叶片有限元模型,获取风机各阶模态特性;将实测脉动扭矩作为激励,计算扭矩脉动下叶片所承受的应力特性。结果表明：电机输出谐波可能激发叶片轮盘弯扭耦合共振,导致叶片局部应力增大,进而疲劳断裂;叶片顶部加之字形加强筋可以有效减小叶片振动,预防断裂。