针对150 kW超临界二氧化碳(SCO 2)简单布雷顿循环,设计了转速为60000 r/min的离心压气机。由于SCO 2在临界点附近物性的剧烈变化,物性表的精度直接影响SCO 2压气机气动性能数值预测的稳定性和准确性。验证了400×400精度的SCO 2物性表能够获得可靠的SCO 2离心压气机气动性能。采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和k-ε湍流模型的方法,研究了所设计的SCO 2离心压气机设计工况和变工况气动性能,详细分析了离心叶轮间隙泄漏流动特性。结果表明:所设计的SCO 2离心压气机设计工况考虑间隙泄漏损失的气动效率是73.2%,压比是2.207。SCO 2离心压气机具有优良的变工况气动性能。与不考虑离心叶轮间隙泄漏损失相比,SCO2离心压气机气动效率降低了14.0%。离心叶轮叶顶间隙泄漏流动主要分为3个区域,分别是顺流而下的分离涡区域、叶顶间隙上半部分区域在逆压梯度...

针对传统超临界二氧化碳(S-CO2)透平设计方法精准度差、设计及优化周期长的问题,基于一元流动理论建立了快速的S-CO2向心透平热力设计方法,结合高精度的三维气动分析方法,提出了一种基于Gauss过程回归的设计-优化方法,利用热力设计以及Gauss过程回归预估透平气动设计的真实效率,并在模拟退火过程中检验设计结果的有效性,通过S-CO2透平的设计及优化算例证明了该方法的高效性。结果表明:透平等熵效率从初始设计方案的83.68%提升至最优设计方案的91.20%,对于传统的气动设计及模拟退火方法需要120次的气动分析,而该方法仅需24次气动分析,大幅缩短了设计-优化时间,具有较高的工程实用价值。

对超临界CO2在套管内的换热特性进行了实验研究，探讨了超临界CO2换热过程中，质量流率、压力和入口温度的变化对换热性能特性和压降的影响。实验得出，换热系数随着质量流率的增加而增加；而换热系数随压力的增加而减少；入口温度的变化对换热系数基本没有影响；压降随着入口温度的升高而逐渐增大；并给出了Re和Nu数的变化规律。研究为超临界二氧化碳换热器的设计提供了依据。

传统的清洗方法及设备由于水溶液的表面张力大，很难有效清洗精密零部件的微孔及狭缝中的污物，且干燥过程复杂，以超声波辅助超临界CO2清洗可以克服上述缺点。超临界CO2具有表面张力小、快速移动能力，高溶解性、强扩散性、不添加化学试剂、循环利用的特性，在精密零部件的微孔及狭缝清洗中有良好的应用前景。提出了一种超声波辅助超临界CO2清洗精密零部件设备，包括筒体、内夹套、超声波换能器、料框、磁力驱动装置、封头、快开结构．该设备可同时实现超临界CO2、超声波振荡及零部件旋转清洗，为精密零部件的无水精密清洗提供了可能。

二氧化碳作为动力循环工质可获得更高的循环效率和部件紧凑性，应用前景广阔。基于给定参数设计了1台4级轴流式超临界二氧化碳（SCO2）压气机，通过划分六面体网格，采用有限体积法及SSTk-ω湍流模型对其气动性能进行了详细分析，并对叶顶间隙的影响规律进行了研究。研究表明，由于流动加速和引射作用，叶顶间隙泄漏流造成了叶尖吸力侧流体温度和压力的下降，因此该区域可能会发生冷凝现象，并且叶顶间隙的增大进一步降低了该区域的参数，将会导致级效率和压比的降低。研究成果可为SCO2压气机设计提供参考。

超临界二氧化碳离心压缩机气动性能一直受到广泛关注。本文通过改变叶轮结构参数,对超临界二氧化碳离心压缩机叶轮气动性能进行了数值模拟,分析了叶片出口安装角和分流叶片长度对叶轮气动性能的影响规律。结果表明,随着叶片出口安装角的增大,叶轮的总压比和多变效率先增大后减小,且在叶片出口安装角为75°时叶轮气动性能最佳;随着分流叶片长度的增大,叶轮的总压比和多变效率先增大后减小,且在分流叶片长度系数为0.6时叶轮气动性能最佳。研究结果可为超临界二氧化碳离心压缩机叶轮优化设计提供理论依据。

透平是超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环系统的核心部件,目前主要面临效率低的问题。本文针对1台4级轴流S-CO2透平进行气动设计,并对透平内部流动进行了三维数值模拟分析。结果表明,动叶叶顶间隙泄漏流是影响透平流动和性能的主要因素,泄漏流不仅会与叶片通道主流相互作用,还会影响下一级静叶流动,在入口产生较大攻角,引起静叶叶顶吸力面前缘和压力面喉口部的流动分离,并影响下游动叶叶顶端流动,导致泄漏流强度随级数累积增强,降低透平效率。根据流动仿真分析结果对透平进行了改进设计,使透平效率显著提高,达到84.44%。

与燃煤电站锅炉相比,超临界二氧化碳锅炉炉膛管内工质参数更高,对壁面冷却能力更差,因而其结构设计面临着巨大挑战。本文以某5 MW超临界二氧化碳试验锅炉布置方案为例,对锅炉气冷壁建立回路流量和压差方程组,采用拟牛顿法求解并联管路流量和气温,并根据热负荷求解壁面金属温度。计算结果表明,炉膛气冷壁各回路流量相对偏差小于7%,金属壁温均在材料强度允许范围内,锅炉设计方案安全可靠。该研究成果对后续的产品改进优化及大型化具有一定意义。

实际气体效应和湍流效应对超临界二氧化碳(S-CO2)干气密封性能影响很大。建立了典型的螺旋槽干气密封计算模型,采用CFD软件求解S-CO2干气密封端面流动方程,获取流体在密封槽间隙间的流动状态,研究了不同转速下实际气体效应和湍流效应对密封性能的影响。结果表明:实际气体效应和湍流效应使气膜端面压力分布发生显著变化;实际气体效应会提高气膜开启力和泄漏量,对开启力的增强作用随转速增大而变强,但对泄漏量的影响程度几乎不随转速变化;低转速时,湍流效应对开启力影响微弱,随着转速增大,湍流效应使得开启力急剧增大,且增幅随转速增大而增大;在高转速S-CO2干气密封中,实际气体效应和湍流效应的共同作用使得气膜端面的开启力显著提高,且湍流效应的影响程度大于实际气体效应。

为研究超临界二氧化碳喷染器平滑式迷宫密封结构对其密封性能的影响,使用FLUENT模拟迷宫密封内部流场,分析迷宫密封中二氧化碳运动和能量转换;探讨节流间隙尺寸、密封齿形状和齿顶圆角大小对迷宫密封密封性能的影响。结果表明：迷宫密封密封性能与节流间隙尺寸呈线性关系,密封性能随节流间隙减小而提升;平行四边形、正梯形和后侧梯形节流齿迷宫密封的密封性能较好,其中为正梯形节流齿迷宫密封的密封性能更加优异;随着齿顶圆角减小,二氧化碳在迷宫密封的流动阻力越大,迷宫密封的密封性能越好。