根据给定的工质R245fa和透平输出功率10k W,利用MATLAB软件编写有机工质向心透平气动设计程序,对设计输入参数进行敏感性分析,并利用遗传优化算法(Genetic Algorithm)对一维气动设计进行全局优化,得到约束条件下最高轮周效率为85.76%。在ANSYS平台上利用一维气动设计优化结果进行三维造型设计和计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。CFD模拟结果显示,模拟的透平输出功率与一维设计结果误差为3%,透平效率误差为2.08%,说明一维气动设计准确性。

本文针对空间核电源系统中高效、轻质的向心透平,采用一维设计结合三维数值计算的方法,设计出以氦氙混合气体为工质的向心透平。使用ANSYS CFX对向心透平的气动特点以及流场特性进行了数值模拟,分析了叶轮内部流动和损失分布情况,数值结果显示出所设计的向心透平有较好的气动性能,效率为84.4%,功率为618.3 kW,本文还展示了向心透平内部端壁损失、二次流损失及叶顶泄漏损失的分布情况。

向心透平膨胀机具有效率高、结构简单等优点,是有机朗肯循环系统的核心部件,其性能直接影响系统热功转化效率。在内燃机余热回收系统中,透平工作状态会受内燃机复杂多变的工况影响,分析其全工况性能、探索其工况边界特点十分必要。利用计算流体力学软件进行数值模拟,开展向心透平全工况性能分析。结果表明设计工况下输出功率和效率分别为13.435 kW、79.31%;对于非设计工况,温度变化对透平性能的影响幅度较小;入口压力通过改变透平质量流量来影响输出功率,二者呈线性关系;当入口压力为50%设计值时,透平效率受转速影响变化剧烈,很难再稳定工作;转速对透平工作状态影响较大,在±40%内变化时效率在60%以上,峰值接近80%;当转速变化超过±50%时,效率大幅下降甚至迫近零点,此时透平不宜再运行。该研究结果可为内燃机余热回收系统向心透平设计及...

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°。

以实际二氧化碳为工质,通过全三维黏性数值仿真模拟及试验研究的方法,对某闭式布雷顿循环系统的向心透平内部流动特性进行了详细研究。对透平内部10%、50%、90%叶高截面及30%、50%、70%流向截面的流动特性及流动损失进行总结。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻和较好。随着叶轮转速不断提高,二氧化碳向心透平的稳定工作范围扩大,流通能力逐步增强。过大的进气攻角会造成动叶吸力面前缘出现流动分离,从而引发主流过膨胀,并沿流向出现逆压梯度。叶顶间隙泄漏流动是造成通道涡旋流动损失及叶片表面径向窜流损失的主要原因。研究成果可为以二氧化碳为工质的向心透平设计及变工况调节提供参考。

对某型氦氙工质向心透平进行数值模拟,研究了出口背压、叶顶间隙和叶片数对其气动性能和流场的影响,分析结果表明:随着出口背压的增大,透平输出功率线性下降,效率达到峰值后快速下降;叶顶间隙的增大引起的叶顶泄漏损失增大会降低向心透平的性能,叶顶间隙增加2%时,功率减小了3.3%,流道内存在的泄漏涡和通道涡使得效率下降了3%;叶片数少便于加工,但叶片数过少,导致流场恶化,透平性能明显下降,从10片减至7片,效率下降了1.9%。

对500kW等级ORC向心透平进行气动设计,利用NREC-Rital模块进行一维热力计算,并进行动静叶造型设计。利用Numeca软件进行向心透平气动性能校核,仿真结果表明:设计的向心透平设计点气动性能优良,满足设计要求。

设计了一种可模拟汽车尾气的、有别于传统有机朗肯循环余热发电系统的新型车载余热发电系统,搭建了试验台,对自主设计的适用于新型车载余热发电系统的向心透平进行了试验研究,利用控制变量法,分别研究了向心透平入口温度和转速对向心透平性能的影响,为所设计的向心透平的进一步优化提供参考。

对中高温太阳能有机朗肯循环发电系统的有机工质进行对比分析；对发电系统的有机工质向心透平进行设计研究。根据给定的热源参数和发电功率，对甲苯、C12（十二烷）、D4（八甲基环四硅氧烷）、MDM（八甲基三硅氧烷）、MM（六甲基二硅氧烷）等工质进行详细的气动设计和多参数对比分析；根据分析结果选用甲苯为工质进行向心透平气动设计、三维造型设计和计算流体动力学（Computational fluid dynamics CFD）数值模拟验证。计算结果表明：选用甲苯为工质的ORC系统质量流量最小，系统热效率最高；模拟结果与设计结果基本一致，模拟状态参数的相对误差在2%以内，模拟的功率和轮周效率误差分别为3.16%和2.9%，表明热力设计的准确性；同时通过整机模拟，证实了该ORC向心透平具有良好的气动性能和热力学性能。