有機朗肯循環(huán)向心透平內流特性研究與優(yōu)化設計.pdf

1、有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術在回收利用低品位熱能方面所發(fā)揮的優(yōu)勢日漸突出。性能優(yōu)良的透平膨脹機是保障整個循環(huán)系統(tǒng)安全、高效運行的基礎。本文選擇向心透平作為膨脹機，研究有機工質向心透平的設計方法、分析透平內流特點、探討透平的變工況特性，對ORC技術的發(fā)展具有重要的學術意義。
　　首先對有機工質物性計算狀態(tài)方程進行了研究。以R245fa為工質、SW狀態(tài)方程為基準參考方程，比較了理想氣體狀態(tài)方程和PR方程計算的工質比容、聲速、內能、焓

2、、熵等熱力學參數與 SW方程計算結果間的偏差；采用計算流體力學軟件FLUENT，探討了將有機工質添加到材料數據庫中的方法，對一ORC強縮放二維導葉柵進行了數值模擬，分析了不同氣體狀態(tài)方程對壓縮因子、密度、聲速、絕對速度、馬赫數沿葉型表面分布以及質量流量和葉柵出口角等氣動參數的影響。結果表明：不論在熱力學參數的計算還是氣動參數的模擬方面，理想氣體狀態(tài)方程與 SW狀態(tài)方程間的偏差均很大，有機工質不能被當做理想氣體處理；而PR方程與SW方程間

3、的計算偏差很小、精度較高，其結構簡單、適用范圍廣，因此被確定為有機工質透平設計和內流特性研究的物性計算方程。
　　在工質物性研究的基礎上，以120kW低溫有機朗肯循環(huán)優(yōu)化參數為設計目標，進行有機工質向心透平的氣動設計和內部流動機理的研究。通過一維熱力計算確定了透平導葉和動葉通流部分的幾何尺寸，導葉選擇TC-4P型和島狀型進行三維造型、動葉采用ANSYS Bladegen進行三維造型。應用ANSYS CFX進行整機數值模擬，一維熱力

4、計算結果與三維數值模擬結果基本一致，驗證了透平設計方法的準確性。模擬計算結果表明，相比島狀葉型，TC-4P葉型沿葉片表面順壓降程度更平緩、總壓損失范圍小，變工況效率高；動葉片個數為15時，透平效率最高，流動分離區(qū)很小，因此確定TC-4P葉型和15個動葉片為該120kW有機工質向心透平的導葉型和最佳動葉片個數。
　　提出了一種向心透平性能參數計算方法，通過 MATLAB編程實現性能參數的計算，與CFD三維計算結果的一致性驗證了計算方