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【论文精选】向心透平设计参数优化及数值模拟

2019-02-25 16:19 16

作者:李新禹,郝旭涛,陈林,孟林

第一作者单位:天津工业大学  机械工程学院

摘自《煤气与热力》2019年1月刊

1   概述

为完善透平的性能,许多学者进行了大量研究。李艳等人

[1]

将用于工业余热回收的有机朗肯循环为研究对象,以R123为工质对透平的叶轮、叶片进行气动设计和结构优化,并采用计算流体力学(CFD)软件对优化效果进行模拟。模拟结果显示,优化设计有效改善流动,减小甚至消除了流道内分离流现象。张卿

[2]

针对有机朗肯循环系统透平,利用CFX软件对透平进行数值模拟,详细分析了含0.3 mm叶顶间隙的透平叶顶泄漏损失以及不同叶顶间隙对叶轮性能的影响。

笔者将向心透平(以下简称透平,结构见图1)作为研究对象,选取R123作为循环工质。采用热力计算方法,对动叶入口工质速度气流角α

1

、动叶出口工质实际相对速度w

2

的方向角β

2

对透平性能指标的影响进行计算分析,从而确定α

1

、β

2

的最优值。性能指标选取轮周效率,轮周效率是指水蒸气(或其他工质蒸气)所作轮周功与所具有的理想功之比。在设计参数优化的基础上,采用CFX 16.0软件对透平蜗壳内部速度场、静压进行数值模拟。

1   向心透平的结构

2   设计参数

①待优化设计参数

动叶入口工质速度气流角α

1

的取值范围为15°~25°,变化步长设定为1°。动叶出口工质实际相对速度w

2

的方向角β

2

的取值范围为25°~45°。

②已知设计参数

透平反动度Ω取0.6

[3]

。喷嘴速度系数φ(主要与喷嘴尺寸、叶片叶型、叶片表面粗糙度及工质流速等有关,可通过试验方法确定)通常取0.97左右,本文取0.97。动叶速度系数Ψ(与叶片高度、透平反动度、叶片叶型、叶片表面粗糙度等有关,可通过试验方法确定)通常取0.85~0.95,本文取0.85。余速利用系数μ表示余速动能被利用的程度,本文取0.85

[4]

对于叶片数量的选取,通常采用折中的方案,叶片数量既不能过多也不能过少:过多的叶片易增大透平流道内的摩擦阻力,并使得流道过窄。过少的叶片数量易使透平流道内的气流不能均匀流动,导致余速动能过大。根据文献[5]关于叶片设计的经验,叶片数量可取12~20,本文取12。叶轮直径d

m

取0.15 m。除上述设计参数外,工质(透平进出口均为气态工质,工质为R123)的设计参数见表1。

表1   工质的设计参数

3   设计参数优选

3.1  轮周效率

3.2  动叶转速

3.3  设计参数优选

将已知参数代入式(1)~(16),可计算出当β

2

为25°时,透平性能指标随α

1

的变化(见表2)。由表2可知,当β

2

为25°时,轮周效率、动叶转速均随α

1

的增大而减小,因此α

1

宜选取15°。

表2   当β

2

为25°时透平性能指标随α

1

的变化

将已知参数代入式(1)~(16),可计算出当α

1

为15°时,透平性能指标随β

2

的变化(见表3)。

表3   当α

1

为15°时透平性能指标随β

2

的变化

由表3可知,当α

1

为15°时,轮周效率随β

2

的增大先增大后减小,在β

2

为34°时轮周效率出现最大值,β

2

宜选取34°。动叶转速随β

2

的增大持续增大,且存在最佳转速(4 354 min

-1

)对应轮周效率最大值。

由上述分析,α

1

、β

2

的最优取值分别为15°、34°,并连同设计参数作为模拟条件对透平蜗壳内速度场、静压分布进行数值模拟。

4.1  网格划分

采用ICEM CFD软件下的mesh功能对透平进行网格划分。划分网格时将三维模型在Solid Works 15.0环境下保存为*.STP格式。考虑模型的复杂性,整体采用四面体非结构化网格。蜗壳网格数量为317 867 个,动叶网格数量为354 820 个。网格划分后将模型导入CFX软件进行仿真计算。

4.2  边界条件设置

将计算域划分为蜗壳、动叶两部分。蜗壳为静止计算域,动叶为旋转计算域。计算域类型定义为Fluid Domain,流体定义为R123,湍流模型定义为k-Epsilon,传热模型定义为Total Energy,静止计算域的运动域定义为Stationary,旋转计算域的运动域定义为Rotating。对于固定壁面设定为无滑移、光滑、绝热壁面。设置RMS残差目标为1.0

-4

,最大迭代次数设为500。

4.3  仿真结果分析

由蜗壳内速度场分布可知,蜗壳内的速度分布非常复杂,径向及周向的速度分布均不均匀。喷嘴出口气体速度很高,一直延伸到蜗壳内部。沿流道流向蜗壳的出口,流体速度逐渐降低,并在蜗壳出口形成气体旋涡。由蜗壳内静压分布可知,蜗壳内静压分布不均,蜗壳的进口处存在呈周向分布的局部高压区,蜗壳出口的静压比较低。

5   结论

当动叶出口工质实际相对速度的方向角β

2

为25°时,轮周效率、动叶转速均随动叶入口工质速度气流角α

1

的增大而减小,α

1

宜选取15°。当α

1

为15°时,轮周效率随β

2

的增大先增大后减小,在β

2

为34°时轮周效率出现最大值,β

2

宜选取34°。动叶转速随β

2

的增大持续增大,存在最佳转速(4 354 min

-1

)对应轮周效率最大值。

蜗壳内的速度场分布非常复杂,径向及周向的速度分布均不均匀。喷嘴出口气体速度很高,一直延伸到蜗壳内部。沿流道流向蜗壳的出口,流体速度逐渐降低,在蜗壳出口形成气体旋涡。蜗壳内静压分布不均,蜗壳的进口处存在呈周向分布的局部高压区,蜗壳出口的静压比较低。

参考文献:

[1]李艳,连红奎,顾春伟. 有机朗肯循环系统及其透平设计研究[J]. 工程热物理学报,2010,31(12):2014-2018.

[2]张卿. ORC系统透平膨胀机的设计与数值模拟(硕士学位论文)[D]. 成都:西华大学,2015:35-38.

[3]黄飞,章东骏. 向心透平的叶片造型设计[J]. 上海汽轮机,2000(3):34-38.

[4]黄保海,白玉,牛卫东. 汽轮机原理与构造[M]. 北京:中国电力出版社,2002:102-105.

[5]杨策,施新. 径流式叶轮机械理论及设计[M]. 北京:国防工业出版社,2004:235-237.

[6]朱大鑫. 涡轮增压与涡轮增压器[M]. 北京:机械工业出版社,1992:56-57.

[7]郝旭涛. 车载尾气余热发电系统向心透平的设计与研究(硕士学位论文)[D]. 天津:天津工业大学,2018:26-28.

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