ORC透平气动性能分析及优化设计
透平叶片的气动优化设计系统
第33卷 第1期2004年3月热力透平THER M A L T UR BI NEVol.33No.1Mar.2004透平叶片的气动优化设计系统袁 新1,林智荣1,赖宇阳2,陈志鹏1(1.清华大学热能工程系,北京100084;2.赛特达科技有限公司,北京100080)摘 要: 发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统。
该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合:前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法,已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析,并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系;后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台,通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略。
数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的。
关键词: 蒸汽透平;CFD;气动优化设计中图分类号:T K263.3 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2004)01-0008-06Aerodynamic Optimization System for Turbine Blade DesignY UA N Xi n1,L IN Zhi2rong1,L A I Y u2yang2,CHEN Zhi2peng1(1.Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China;2.Sightna Corporation,Beijing100080,China)Abstract: An aerodynamic optimization system for the hybrid three2dimensional blade design,coupled with com2 putational fluid dynamic analysis and integrated optimization algorithms,was developed in Tsinghua University.The higher2order accurate robust CFD method has been utilized for develo pment of steam turbine blade flow analysis,its dependability has been validated by comparing the numerical results with model turbine test data.The h ybrid three2 dimensional optimization method based on iSIGHT commercial software has been develo ped for turbine blade design. The overall technical integration is starting to be used for further design optimizations and efficiency enhancement of steam turbines.K ey w ords: steam turbine;CFD;aerodynamic optimization design1 三维粘性杂交问题的气动优化设计蒸汽轮机是现代发电行业的核心动力机械之一。
西安交通大学科技成果——大型透平压缩机整机及部件气动性能与流动测试技术
西安交通大学科技成果——大型透平压缩机整机及部件气动性能与流动测试技术项目简介透平压缩机，主要包括离心及轴流式压缩机，广泛应用于航空发动机、燃气轮机等重大关键装备中，以及能源、石化、冶金、制冷及空分等重要行业中，对国民经济的发展起着举足轻重的作用。
透平压缩机由一系列部件按照一定规律组合而成，主要有进口集流器、进口导叶、一组基本级及出口蜗室等部件。
基本级又由一组相邻的动叶和静叶排构成，或者由叶轮、扩压器、弯道和回流器等部件构成。
为研发高性能的透平压缩机产品，传统的压缩机气动测试分析技术局限于整机气动性能、或单个部件性能、或单个部件流场的测试与分析，不能全面切实地反映压缩机性能与内部流动之间的关系，对压缩机研发形成阻碍。
随着对高性能压缩机指标的不断提高，在试验研究上，不仅需要测试整机性能，更重要地还需要测试研究压缩机各部件之间的性能和流场匹配情况。
这样才可能较全面系统地掌握压缩机内流情况，为理解其非定常流动机理，分析和判断影响产品性能的主因，为改进定位提供准确目标，使产品研发做到有的放矢，提高高性能压缩机研发的效率，节省投资成本。
本项目通过创新性设计，在轴流及离心压缩机各部件之间布置由计算机控制的微小型探针运动机构，将探针测试系统与压缩机部件结构有机地融合为一体，实现对部件各关键位置截面流动参数分布的准确测试。
本项目提供有完整配套的测试数据分析技术，能对透平压缩机整机和部件性能进行综合分析，全面反映压缩机部件及整机性能与内部流场特性之间的关系，是服务于新一代高性能透平压缩机产品研发的重要技术。
其中部分技术2016年获得陕西高等学校科学技术奖二等奖，2017年获中国通用机械工业协会科技创新突出贡献奖。
产品性能优势在目前透平压缩机气动计算与分析软件发展迅速、种类繁多的情况下，本项目提出一种全面测试透平压缩机整机及部件气动性能，以及其内部流动参数的试验技术，是对该领域研究技术手段很有价值的探索与发展。
项目通过试验手段获得压缩机内部流动参量信息，测试精度高，测试数据的空间和时间分辨率高，测试过程实现了高度自动化，达到目前最先进水平。
小功率有机工质向心透平叶轮气动优化设计及强度分析
华中科技大学硕士学位论文摘要当前我国能源与环境形势严峻，深入开展绿色可持续发展极其必要，对太阳能、地热能、潮汐能等新型能源加以利用或进行余热回收能有效缓解能源紧张并改善环境，有机工质朗肯循环作为这些低温、低品位能源利用的有效途径逐渐受到人们的关注。
本文将针对低温有机朗肯循环系统，对10kW级小功率有机工质向心透平进行设计研究，主要内容如下：首先通过MATLAB将筛选法及遗传优化算法相结合，编写向心透平的一维设计程序，对向心透平进行气动设计优化，优化设计的透平效率可以达到80.96%。
然后根据一维气动设计参数，对向心透平各部件进行建模及网格划分，并对整机通流部分进行模拟计算，根据模拟结果可知，透平整体性能良好，但在动叶入口处，会产生激波，造成前缘边界层分离，动叶损失提高，导叶栅与动叶轮的匹配仍存在一定优化空间，通过对比模拟参数及设计参数，指标参数的误差均在许可范围之内，参数吻合度较高。
通过研究叶顶和叶根间隙对叶轮流场的影响，来判断闭式叶轮、半开式叶轮及开式叶轮性能差别，结果发现：间隙的存在会降低叶轮性能，且叶顶间隙比叶根间隙影响更大，对小功率向心透平采用闭式叶轮有一定的必要性。
考虑到小功率向心透平出口处易发生流道堵塞，本文对叶轮进行了分流叶片叶轮造型分析，研究分流叶片的周向偏置及叶长对叶轮性能的影响。
结果表明：分流叶片的偏置和长度对叶轮性能均有较大影响，分流叶片的最佳偏置在0.5~0.6之间，最优叶长为主叶的80%。
对闭式叶轮及半开式叶轮进行有无气动力加载的静强度分析对比。
结果表明：闭式叶轮的整体形变小于同工况下的半开式叶轮，但最大应力值远大于半开式叶轮，此外，在高转速的小功率透平中，气动力对叶轮的形变及应力分布影响不大。
随后对不同周向位置及叶长的分流叶片叶轮进行静强度分析，研究分流叶片对叶轮形变及应力分布的影响，结果表明：与周向位置相比，分流叶片叶长对叶轮的结构影响更为显著。
关键词：有机朗肯循环；向心透平；气动设计优化；数值模拟；静强度分析华中科技大学硕士学位论文AbstractBased on the increasingly severe energy and environment condition, it is quite essential to exploit green and renewable energy deeply. Using new energy like solar power, geothermal and tidal energy or employing waste heat recovery can effectively alleviate energy shortage while improve the environment. Being an effective method to utilize these low temperature and low-grade energy Organic Rankine Cycle (ORC) has gradually drawn people’s attention. In this paper, the design and research of 10k W small-scale ORC radial-inflow turbine based on low temperature ORC system are studied. The main content is as follows:Firstly, using MATLAB as software, aerodynamic design optimization is made for the radial-inflow turbine by combining the screening method and the genetic optimization algorithm(GA) to encode the 1-D design program . The optimized turbine efficiency could reach 80.96%.Based on the one-dimensional aerodynamic design, components of radial inflow turbine are modeled and meshed and the flow path of the turbine is calculated by CFD. It can be seen from the result of CFD that the turbine shows good overall performance while shock waves are generated at the entrance of the rotor blades, which will cause boundary layer separation and raise rotor loss. The match between stator and rotor can still improve. By comparing simulation parameters and design parameters, these parameters match well and all parameter errors are in acceptable limits.To judge the performance differences among shroud-impeller, unshroud-impeller and open-impeller, studies are made in the influences on the turbine flow field caused by the tip clearance and Hub-leakage of impeller. The results shows that: The existence of the clearance will degrade the impeller performance while the influence of the tip clearance is higher, and it shows certain necessity for small-scale radial-inflow turbines to use shroud -impeller.Considering the possible blockage effect at the outlet of the small-scale radial inflow turbine, analysis are made on the modelling of splitter blade and the influences on impeller performance caused by circumferential offset and the length of splitter blade are studied. The results show that the offset and the length of splitter blade will both influence impeller华中科技大学硕士学位论文performance greatly, the best offset stands within the limits of 0.5 ~0.6 while the optimized blade length is 80% of the main blade.Comparison of the static strength analysis of the shroud-impeller and unshroud- impeller with or without aerodynamic loading are made. The results show that the overall deformation of the shroud-impeller is smaller than that of the unshroud-impeller under the same working conditions, but the maximum stress value is much larger than that of the unshroud–impeller. In addition, in high-speed small-scale turbines, aerodynamic forces have little effect on the deformation and stress distribution of the impeller. And then，the static strength analysis of splitter-impeller with different splitter circumferential positions and length is made to study the effect of splitter-blade on the deformation and stress distribution. The results show that compared with the circumferential position, the influence of the split-length on the structure of the impeller is more pronounced.Keywords: Organic Rankine cycle; Radial inflow turbine; Aerodynamic design optimization; Numerical simulation; Static strength analysis.华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论1.1 课题背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 本文研究内容 (7)2 有机工质向心透平通流几何设计2.1 向心透平的特点 (9)2.2 向心透平气动设计 (10)2.3 几何造型及网格划分 (17)2.4 向心透平通流几何的数值模拟 (22)2.5 本章小结 (26)3 叶轮形式的性能分析3.1 不同叶轮形式及特点 (27)3.2 数值模拟计算方法 (27)3.3 闭式叶轮与半开式叶轮的性能比较 (30)3.4 开式叶轮与半开式叶轮的性能比较 (35)3.5 本章小结 (38)4 分流叶片叶轮的性能分析4.1 研究模型及模拟方法介绍 (40)4.2 模拟结果分析对比 (44)4.3 本章小结 (52)华中科技大学硕士学位论文5 向心透平动叶轮的结构强度分析5.1 闭式叶轮与半开式叶轮的静力学计算 (53)5.2 分流叶片叶轮的强度计算 (58)5.3 本章小结 (61)6 总结与展望6.1 全文总结 (63)6.2 展望 (64)致谢 (66)参考文献 (67)附录攻读硕士学位期间学术成果汇总 (72)华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题背景及意义作为飞速发展的发展中国家，中国一直是能源消耗大国，每年的能耗约为全球总能耗的20%，且年能耗量仍呈现增长趋势。
燃气轮机透平叶片参数化设计及优化
析和方差分析。直观分析就是根据试验的结果分析试验
值随着因素水平的变化而变化的趋势，直观的找出使得
试验目标最优的因素水平的组合
第15页/共29页
透平叶片优化设计
响应面方法（RSM）
RSM就是寻求响应和因子集合之间的真实函数关系的一个合适的逼近式。 如果响应适合于因子的线性函数模型，则近似函数是一阶模型: 如果响应非线性，则必须用更高阶的多项式，例如二阶模型:
第18页/共29页
透平叶片优化设计
案例
参与正交试验设计的变量为: 其余参数L，a1，和a2取值与原始叶型相同。
和叶片数z，它们的水平设置如表所示，
第19页/共29页
透平叶片优化设计
案例
①任一列的所有水平的重复数 相同;②任两列的所有可能的水 平组合的重复数相同。凡满足 这两个条件的表就可以称为正 交表。
第6页/共29页
透平叶片参数化表达
二维叶形
控制厚度分布的各参数意义如下: —前缘厚度，定义为中弧线前缘
点圆半径尺与L的比值; —尾缘厚度，定义为中弧线尾缘
点圆半径凡与L的比值; —最大厚度，定义为中弧线上最
大圆的半径凡与L的比值; —最大厚度位置，定义为前缘点
到最大圆圆心的轴向距离瓜与轴向弦 长L的比值;
叶片设计及优化
正问题法
己知叶栅的几何参数，要求解出流场，求得叶片表面的速度、压力等分布。 正问题方法设计叶片，就是利用正问题的计算结果修改几何参数，反复进 行正问题计算直到获得满意的气动参数分布为止。
反问题法
给定叶片表面的压力分布，通过数值方法反求得叶片的几何形状。
数值优化设计 通常需要在某种叶片参数化表达基础之上，通过流场模拟及优化算法，确
第7页/共29页
不同攻角下透平叶栅气动性能和优化设计研究
不同攻角下透平叶栅气动性能和优化设计研究薛志恒;孙皓;李军【摘要】采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)方程技术对实验测量的透平叶片进行了不同攻角下的气动性能研究.数值模拟得到实验叶片的中叶展处静压分布与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性.研究结果表明实验叶片具有良好的攻角适应性,只有在大负攻角时才会发生流动分离而导致气动性能下降.为了进一步提高实验叶片的气动性能,采用结合叶型参数化造型、气动性能分析和全局优化算法,对不同攻角下的叶片气动性能进行了优化设计.优化设计结果表明,所得到的优化叶型具有优良的气动性能和攻角适应性.【期刊名称】《广东电力》【年(卷),期】2012(025)004【总页数】6页(P65-70)【关键词】透平叶栅;气动性能;攻角;优化设计【作者】薛志恒;孙皓;李军【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049【正文语种】中文【中图分类】V231.1叶轮机械经常会在非设计工况下运行，特别是动力透平更是如此，其变工况运行十分频繁，因此，在叶栅进口常会出现较大负攻角和大负攻角的流动工况。
对于透平叶栅而言，大负攻角极易引起气流分离，从而显著改变叶栅内部流动特性，增加叶型损失和二次流损失［1］；同时，气流分离也会引起叶栅出口参数的改变，从而影响到下游叶栅的流动。
叶栅内部出现流动分离，不仅直接降低透平叶栅的运行效率，还有可能形成很大的旋涡，使流动变得非常不均匀，容易引起动叶栅的气流激振，威胁到透平机械的安全运行，甚至导致严重的事故［2］。
因此，对透平叶栅气动性能在大负攻角下进行预测和优化设计有着十分重要的工程应用价值。
透平叶栅适当的负攻角可以减小端壁区域的二次流损失［1］，而在较大负攻角和大负攻角情形下，却会因为流动分离的出现而产生更大的损失。
500kW有机工质向心透平气动设计
㊀收稿日期:２０１９￣０１￣２６㊀㊀㊀㊀㊀㊀作者简介:黄璟晗(１９８５￣)ꎬ女ꎬ双工学硕士ꎬ工程师ꎮ现在通用电气(中国)有限公司从事燃气轮机联合循环全场性能优化相关研究工作ꎮ５００ｋＷ有机工质向心透平气动设计黄璟晗(通用电气(中国)有限公司ꎬ哈尔滨１５００２８)摘要:对５００ｋＷ等级ＯＲＣ向心透平进行气动设计ꎬ利用ＮＲＥＣ－Ｒｉｔａｌ模块进行一维热力计算ꎬ并进行动静叶造型设计ꎮ利用Ｎｕｍｅｃａ软件进行向心透平气动性能校核ꎬ仿真结果表明:设计的向心透平设计点气动性能优良ꎬ满足设计要求ꎮ关键词:有机朗肯循环ꎻ向心透平ꎻ热力设计ꎻ三维造型ꎻ数值模拟分类号:ＴＫ１４㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００１￣５８８４(２０２０)０３￣０２０３￣０２ＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＤｅｓｉｇｎｏｆＲａｄｉａｌＴｕｒｂｉｎｅｆｏｒ５００ｋＷＯＲＣＳｙｓｔｅｍＨＵＡＮＧＪｉｎｇ￣ｈａｎ(ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ(Ｃｈｉｎａ)Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＨａｒｂｉｎ１５００２８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒａｒａｄｉａｌｔｕｒｂｉｎｅｆｏｒ５００ｋＷＯＲＣｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｏｏｌｏｆＮＲＥＣ－Ｒｉｔａｌ.Ａｆｔｅｒ３ＤｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｔｈｅｓｔａｔｏｒａｎｄｒｏｔｏｒꎬｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇｃｏｍｍｅｒｃｉａｌＣＦＤｃｏｄｅＮｕｍｅｃａ.Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｍｅｅｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＯＲＣꎻｒａｄｉａｌｔｕｒｂｉｎｅꎻｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｄｅｓｉｇｎꎻ３Ｄ￣ｍｏｄｅｌｉｎｇꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０㊀前㊀言低温热源ꎬ包括太阳能光热㊁地热㊁工业余热㊁海洋温差等ꎬ由于品质低很难被传统能源设备高效利用ꎬ造成巨大浪费ꎮ有机工质具有沸点低㊁易汽化的特点ꎬ可以直接对低品位热源进行热功转换ꎬ因此ꎬ有机工质朗肯循环发电技术在低温热源高效利用领域有着广阔的前景ꎮ向心透平具有结构紧凑㊁单级焓降大㊁运行范围宽㊁小流量下可获得较高效率等优点ꎬ被越来越多地用于有机工质发电系统做功部件[１ꎬ２]ꎮ最佳速比法是向心透平气动设计中广泛使用的方法ꎬ一般基于比转速Ｎｓ㊁速比ν两个无量纲参数ꎬ基于效率最优给出无量纲参数最佳推荐值ꎬ进而开展向心涡轮气动设计ꎮ本文进行的有机工质向心透平气动设计ꎬ采用基于最优‹Ｎｓ㊁ν›的热力计算方法ꎬ工质物性参数基于ＮＩＳＴ(美国国家标准与技术研究院)数据表ꎬ整个设计在ＣｏｎｃｅｐｔｓＮＲＥＣ向心涡轮设计平台进行ꎬ并利用Ｎｕｍｅｃａ进行ＣＦＤ分析ꎬ已验证设计方法的可行性ꎮ１㊀一维热力设计１.１㊀设计参数的选取本设计以１０５ħ地热水为热源ꎬ选取Ｒ２４５ｆａ作为工质ꎬ向心透平设计参数见表１ꎮ㊀㊀表１向心透平设计参数进口总温ħ进口总压ｋＰａ出口静压ｋＰａ质量流量ｋｇ/ｓ１００.０９６０.０３２０.０２７.５１.２㊀向心透平热力设计比转速是理想单位功率㊁体积流量和旋转速度的组合ꎬ关于比转速的取值ꎬ各种文献推荐的参数值略微有差别ꎮ本文初步设计时ꎬ利用ＮＲＥＣＲｉｔａｌ模块开展设计计算ꎬ选取程序推荐的参数值ꎬ其中最佳比转速０.６㊁最佳速比０.７ꎬ热力设计结果见表２ꎮ㊀㊀表２向心透平热力设计结果质量流量ꎬｋｇ/ｓ功率ꎬｋＷ等熵效率(总－总)反动度速比转速ꎬｒ/ｍｉｎ导叶出口马赫数２７.７６５１５.３６９０.３％０.５０８０.７０４８０００.９６导叶片数动叶片数动叶进口直径ꎬｍｍ动叶进口叶高ꎬｍｍ动叶叶顶间隙ꎬｍｍ动叶出口轮径比动叶出口相对气流角ꎬ(ʎ)１７１３２９２.４０１４.５００.４０.４６５７.０第６２卷第３期汽㊀轮㊀机㊀技㊀术Ｖｏｌ.６２Ｎｏ.３２０２０年６月ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＪｕｎ.２０２０２㊀三维造型设计２.１㊀导叶造型设计常见的向心涡轮导叶叶型有３种:岛状叶型㊁楔状叶型和气动叶型ꎮ岛状叶型结构㊁加工简单ꎬ但压力分布不理想ꎻ气动叶型效率比其它叶型高１％~２％ꎬ但加工困难ꎬ设计难度高ꎻ而楔状叶型结构相对简单ꎬ损失也可以让人满意[３]ꎮ本文选择楔状叶型作为造型方式ꎬ得到导叶三维结构如图１所示ꎮ图１㊀导叶三维结构图２.２㊀动叶造型设计动叶造型采用中型面直线元造型方式ꎬ叠加厚度分布ꎬ完成动叶造型ꎬ这种造型方式设计㊁加工简单ꎬ而且性能能够满足要求ꎮ利用ＮＲＥＣ－Ａｘｃｅｎｔ进行造型ꎬ得到动叶三维结构如图２所示ꎮ图２㊀动叶三维结构图３㊀向心涡轮ＣＦＤ数值模拟利用Ｎｕｍｅｃａ公司Ｆｉｎｅ－Ｔｕｒｂｏ软件包进行向心透平气动核算ꎮ工质利用Ｎｉｓｔ数据库生成Ｒ２４５ｆａ物性表格ꎬ导入Ｎｕｍｅｃａ材料库供计算调用ꎮ湍流模型采用ＳＳＴ模型ꎬ添加壁面函数ꎮ壁面第一层网格尺度０.０１ｍｍꎬ使得ｙ＋值在２０~５０范围内ꎮ网格利用ＮｕｍｅｃａＡｕｔｏｇｒｉｄ５生成六面体结构网格ꎬ进行网格无关性验证ꎬ得到网格总量１２０万ꎮ计算给定边界条件见表３ꎮ３.１㊀向心透平流动特性分析㊀㊀动导叶片中截面表面流线如图３所示ꎬ由图３可见ꎬ流㊀㊀表３向心透平数值计算边界条件进口总温ꎬħ进口总压ꎬｋＰａ出口静压ꎬｋＰａ转速ꎬｒ/ｍｉｎ１００.０９６０.０３２０.０４８００图３㊀中截面流线图体在动静叶流道内均匀流动ꎬ状态良好ꎬ不存在明显的分离现象ꎮ导叶表面马赫数分布如图４所示ꎬ由图４可见ꎬ在导叶出口存在明显的尾缘激波ꎬ对流动存在一定影响ꎮ此外ꎬ导叶出口流动状态相对均匀ꎬ流动马赫数在１左右ꎬ与热力计算值０.９８相契合ꎮ图４㊀导叶表面马赫数云图３.２㊀向心透平载荷特性分析导叶５０％叶高处表面压力分布如图５所示ꎬ整体呈后加载流动特性ꎬ压力面尾缘位置存在明显压力突越ꎬ主要由尾缘激波造成ꎬ此现象与图４结果契合ꎻ吸力面６０％~７０％位置存在２个微小的压力突越ꎬ说明该位置存在两道激波ꎬ一道为尾缘入射激波ꎬ另一道为反射激波ꎬ但这两道激波较弱ꎬ在马赫数云图上体现不明显ꎮ图５㊀静叶５０％叶高截面静压分布动叶５０％叶高处表面压力分布如图６所示ꎬ载荷呈现均匀加载特性ꎬ整体流动状态良好ꎬ不存在明显逆压梯度ꎮ３.３㊀向心透平总体性能分析ＯＲＣ有机工质向心透平ＣＦＤ性能计算结果与一维热力设计结果对比见表４ꎮ(下转第２２０页)运行经济性ꎮ由此可见ꎬ本项研究具有极大的可推广价值ꎮ未来ꎬ将在用不同汽源进行暖缸自适应控制方向对本课题进行更进一步地研究ꎮ参考文献[１]㊀白建云ꎬ冯㊀赓ꎬ李永茂ꎬ等.直接空冷机组背压影响多因素分析及逻辑优化[Ｊ].自动化技术与应用ꎬ２０１８ꎬ３７(１１):１３３－１３８ꎬ１６９.[２]㊀王家胜ꎬ文贤馗ꎬ邓彤天ꎬ等.某２００ＭＷ汽轮机组振动故障分析与处理[Ｊ].汽轮机技术ꎬ２０１２ꎬ５４(２):６８－７０ꎬ７４.[３]㊀崔英龙ꎬ王凤良.２００ＭＷ汽轮发电机组启动过程振动故障诊断及处理[Ｊ].汽轮机技术ꎬ２０１５ꎬ５７(１):７７－７８ꎬ８１.[４]㊀周立明ꎬ陈㊀峰ꎬ张㊀科ꎬ等.汽轮机启动时汽缸偏差产生原因及对机组影响分析[Ｊ].汽轮机技术ꎬ２０１５ꎬ５７(２):１４５－１４７.[５]㊀谷永坤.在热电联产中机组启动过程噪音控制措施探讨[Ｊ].城市建设理论研究(电子版)ꎬ２０１７ꎬ(１１):１８７－１８８.[５]㊀申㊀磊.６５０ＭＷ超临界机组启动加热系统优化[Ｊ].科技创新导报ꎬ２０１９ꎬ１６(１３):１０４－１０５.[６]㊀陈世和ꎬ朱亚清ꎬ潘凤萍ꎬ张㊀曦.１０００ＭＷ超超临界机组自启停控制技术[Ｊ].南方电网技术ꎬ２０１０ꎬ４(ｚ１):１－５.[７]㊀赵卫正ꎬ顾伟飞ꎬ华㊀敏ꎬ李丰均.５０ＭＷ供热机组汽流激振问题的分析及处理[Ｊ].电站系统工程ꎬ２０１９ꎬ３５(６):５０－５２.[８]㊀杨㊀林.消除火电机组汽缸膨胀不畅和轴系振动的技术改造[Ｊ].电力建设ꎬ２００６ꎬ２７(９):５０－５２.[９]㊀王秉仁ꎬ高㊀翔ꎬ卢盛阳.大型汽轮发电机组动静碰摩故障特征分析与现场处理[Ｊ].汽轮机技术ꎬ２００８ꎬ５０(６):４５７－４５９.[１０]㊀黄㊀仙ꎬ倪维斗.汽轮机转子热应力的 复频法 建模研究[Ｊ].动力工程学报ꎬ１９９５ꎬ(６):６－１１.[１１]㊀郑凯斌ꎬ郭荣春ꎬ李岩芳ꎬ等.固冲发动机补燃室温度场及热应力分析[Ｊ].固体火箭技术ꎬ２０１９ꎬ４２(５):５６７－５７０.[１２]㊀张群威ꎬ陶小培.铸铁模温度分布仿真及热应力分析[Ｊ].南方农机ꎬ２０１９ꎬ５０(１１):１１０－１１１.(上接第１７８页)计ꎬ并基于ＩＣＥＭ所提供的ｒｐｌ文件接口以及程序录制功能实现轴流风机结构三维模型参数化建模与结构化网格划分功能ꎮ保证在不同风机叶型㊁叶片数㊁叶片倾斜角度等输入下能生成高质量的网格模型用于流体仿真ꎮ在此基础上开发 轴流风机设计优化应用程序 包含相应的设计模块㊁优化模块和定制模块ꎬ保证可以通过输入的设计参数和优化参数等对轴流风机进行自动的设计优化ꎮ参考文献[１]㊀王立杰ꎬ潘地林.离心风机三维参数化及Ｇａｍｂｉｔ二次开发[Ｊ].风机技术ꎬ２０１４ꎬ(２):４３－４６.[２]㊀姜茂华ꎬ邹志超ꎬ王鹏飞ꎬ等.基于额定参数的核主泵惰转工况计算模型[Ｊ].原子能科学技术ꎬ２０１４ꎬ４８(８):１４３５－１４４０.[３]㊀邹志超.核主泵水力部件初步设计及惰转特性研究[Ｄ].杭州:浙江大学ꎬ２０１３.[４]㊀申㊀刚.基于典型焊接构件模型的有限元六面体网格自动划分算法研究[Ｄ].南京:南京航空航天大学ꎬ２０１３.[５]㊀魏艳红ꎬ申㊀刚ꎬ付学义.钢材焊接基础数据库及焊接性分析系统设计[Ｊ].焊接ꎬ２０１３ꎬ(３):８－１２.[６]㊀那旭东.基于ＦＬＵＥＮＴ软件的导弹意外点火情况下舱室维护仿真平台开发[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工程大学ꎬ２０１３.[７]㊀夏㊀彬.多分支母管参数化建模与一维三维耦合方法研究[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工程大学ꎬ２０１６.[８]㊀刘㊀朝ꎬ吴㊀钢ꎬ宫让勤ꎬ等.水轮机转轮间隙参数化网格生成方法研究[Ｃ].全国水力机械及其系统学术会议ꎬ２０１１.[９]㊀段冬霞.燃气轮机燃烧室参数化ＣＦＤ模拟方法的研究和应用[Ｄ].北京:中国科学院研究生院(工程热物理研究所)ꎬ２０１１.[１０]㊀陈靖芯ꎬ徐㊀晶ꎬ陆国民ꎬ等.基于ＣＡＴＩＡ的三维参数化建模方法及其应用[Ｊ].机械设计ꎬ２００３ꎬ２０(８):４８－５０.[１１]㊀于建伟ꎬ刘晓平.ＡＮＳＹＳ中的参数化建模方法研究[Ｊ].机械ꎬ２００８ꎬ３５(３):２１－２２.[１２]㊀罗善明ꎬ王㊀建ꎬ吴晓铃ꎬ等.渐开线斜齿轮的参数化建模方法与虚拟装配技术[Ｊ].机械传动ꎬ２００６ꎬ３０(３):２６－２８.[１３]㊀马广健.基于控制载荷法的离心风机单板叶片设计与内部流场分析[Ｄ].上海:上海交通大学ꎬ２０１１.(上接第２０４页)图６㊀动叶５０％叶高截面静压分布㊀㊀表４向心透平计算结果对比参㊀数质量流量ｋｇ/ｓ总对总等熵效率总对静等熵效率输出功率ｋＷ热力设计值２７.７６０.９０３０.８７３５１５.３６ＣＦＤ计算值２８.０３０.９２２０.８９６５３９.５０相对偏差＋０.９７％＋２.１０％＋２.６３％＋４.６８％㊀㊀由计算结果得出ꎬ利用本文方法设计得到的５００ｋＷＯＲＣ向心透平设计点性能优良ꎬ流量㊁效率㊁功率等主要参数均满足设计要求ꎮ４㊀结㊀论(１)本文利用ＣｏｎｃｅｐｔｓＮＲＥＣ设计平台进行了５００ｋＷ有机工质向心透平一维热力设计㊁三维造型设计ꎮ(２)三维ＣＦＤ数值分析表明ꎬ流量㊁效率等指标满足设计要求ꎬ本文的设计方法可行ꎮ参考文献[１]㊀韩中合ꎬ赵若丞ꎬ范㊀伟ꎬ等.有机工质向心透平数值计算及性能分析[Ｊ].汽轮机技术ꎬ２０１７ꎬ５９(６):４０９－４１２.[２]㊀李㊀晓ꎬ张燕平ꎬ朱志成ꎬ等.１０ｋＷ有机工质向心透平气动设计及优化研究[Ｊ].汽轮机技术ꎬ２０１８ꎬ６０(１):１１－１５.[３]㊀李燕生ꎬ陆桂林.向心透平与离心压气机[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ１９８４.。
透平叶片的气动优化设计系统
透平叶片的气动优化设计系统
袁新;林智荣;赖宇阳;陈志鹏
【期刊名称】《热力透平》
【年(卷),期】2004(033)001
【摘要】发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统.该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合:前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法,已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析,并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系;后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台,通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略.数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的.
【总页数】7页(P8-13,22)
【作者】袁新;林智荣;赖宇阳;陈志鹏
【作者单位】清华大学热能工程系,北京,100084;清华大学热能工程系,北
京,100084;赛特达科技有限公司,北京,100080;清华大学热能工程系,北京,100084【正文语种】中文
【中图分类】TK263.3
【相关文献】
1.透平叶片热态冲蚀实验系统设计与实现 [J], 郑凌翔;黄新友;张志英;张银君;鲁嘉华
2.基于透平叶片精度分析的计算机辅助夹具系统设计 [J], 宋灿;吕彦明;魏中兴
3.透平叶片振动激励系统设计与建模仿真 [J], 节凤丽;王维民;邵星;屈维;张旭龙
4.喷水试验机桁杆系统气动优化设计 [J], 张锋; 宋锐红
5.透平叶片与流场系统的稳定性分析——非定常欧拉解法 [J], 黄典贵
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
向心透平叶轮气动性能优化设计
了５ ％， 同时也验证 了所采用 的三维优化设计 方法的有效性。 关键 词 ： 向心透平 气动计算 三维优化
Ｏ ｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ Ｄｅｓ ｉ ｇｎ ｏｆ Ａｅｒ ｏｄｙｎａｍ ｉ ｃ Ｐｅｒ ｆ ｏｒ ｍ ａｎｃｅ ｏ ｆ Ｒａｄｉ ａｌ Ｔｕｒ ｂｉ ｎｅ Ｒｏｔ ｏｒ
机效率的高低 直接决 定着整个 系统 的储能效率 。
为 了设计 出高效膨胀机 ， 本 文在经 验设 计和理论
研究的基础上 ， 采用非可展直纹抛物面成型法 ， 设计 出适用于 Ｃ Ａ Ｅ Ｓ系统 的向心透平 ， 并通 过叶型参数 化 方法 与 Ｎ ＵＭＥ Ｃ Ａ 软件 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ３ Ｄ 子模 块相结 合对 透 平叶轮进行 优化设计 。
ＸＩ Ａ Ｇｕ ｏ — ｌ ｏ ｎ ｇ ， ＡＮ Ｅｎ — ｋｅ ， ＺＨＡ ＮＧ Ｘｉ ｎ — ｙ ｕ ａ ｎ
Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｔ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
第３ ５卷 第 １ ２ 期
２ ０ １ ６年 １ ２月
建 筑 热 能 通 风 空 调
Ｂｕｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ＆ Ｅｎ ｖｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎｔ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
前言在节能减排和保护环境等国家战略需求下，低温余热的回收利用受到了广泛的重视。
ORC(Or-ganic Rankine Cycle,简称ORC)透平具有工质沸点低、来源范围广、蒸汽饱和曲线陡的特点，能安全高效的将低温热源的热能转换为机械能和电能。
透平是热能转换系统的核心设备，所以对ORC透平性能分析和设计方法的研究具有理论意义和重要的工程应用价值。
本文以R245fa有机蒸汽作为流动工质，设计了ORC透平，并开展ORC透平内部流动结构和气动性能分析。
1ORC单级透平热力设计1.1主要技术参数设计功率:50kW;循环工质:R245fa;新汽温度:110℃;新汽压力：1.56MPa;排汽压力:0.28MPa机组转速:8000r/min。
1.2热力设计模型及计算过程（1）由i-s图得整机理想比焓降Δh sC a=2×Δh s×103√(1) (2)汽轮机热力过程曲线图如图1所示图1汽轮机热力过程曲线图ORC透平气动性能分析及优化设计刘伟阳，闵爱妮，刘美丽，周志明（西安陕鼓动力股份有限公司，陕西西安710075）【摘要】采用一维绝热热力设计方法，在给定的技术参数条件下，给出了叶片节距、气流角、叶高等参数，计算了各个截面上的流动参数。
设计了通流部分的流道结构和整个有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)单级透平结构。
采用商业软件NUMECA进行数值模拟，对ORC单级透平内部流动的气动性能进行详细分析。
通过改善流动条件，对叶型进行优化。
【关键词】ORC透平；气动性能；数值模拟；优化设计【中图分类号】TK14【文献标识码】B【文章编号】1006-6764(2017)07-0038-05 Analysis and Optimized Design of the AerodynamicPerformance of ORC TurbinesLiu Weiyang,Min Aini,Liu Meili,Zhou Zhiming（Xian Shaangu Power Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi710611,China）[Abstract]The one-dimensional adiabatic thermal design method was adopted;and with given technical parameters,the blade pitch,flow angle and blade length were provided and flow parameters of every section were calculated.The channel structure and the entire ORC single-stage turbine structure were designed.Numerical simulation was performed using com-mercial software NUMECA,to analyze the aerodynamic performance of the internal flow of single stage ORC turbine in detail.Through improving the flow conditions the blade shape was optimized.[Keywords]ORC turbine;aerodynamic performance;numerical simulation;optimized de-sign（3）主汽管和调节阀节流损失ΔP0=（0.003~0.005）P0（2）(4）排汽管中压力损失ΔP C=（0.004~0.008）P C（3）(5)汽轮机内效率是指蒸汽热能转化成轴上机械功的有效比焓降与整机理想比焓降之比。
一般汽轮机的总蒸汽流量G可由下式得到：G=3.6P sΔh sηmηrηg(4)式中:ηr———汽轮机通流部分相对内效率的初步估算值，取为0.6；ηg———机组的发电机效率，取为0.9；ηm———机组的机械效率，取为0.99。
（6）取级的理想速比为x a=0.45dm=60uπn=60x a C aπn（5）(7)取部分进汽度e=0.4el1=Gv1sπd m c1s sinα1（6）(8）超高el2=Gv2sπd mω2s sinβ2（7）1.3热力设计结果（1）静叶几何参数:节径Dc:280mm;高度Lc:12mm;型线:J4-25-33;弦长Lc:25mm;流道数目Zc:46;节距tc:19.12274mm;tc/Lc:0.76491;安装角βB:33；а1:10.9233。
（2）动叶几何参数节径DΔ：280mm；高度Ln：16mm；型线：D7-20-81；弦长Li：20mm；流道数目Zc：64；节距tn：13.74447mm;tn/Li:0.687223;安装角βS:81;β2:24.72134。
（3）气动参数流量：11.3t/h;工质:R245fa;进汽压力:1.56MPa;进汽温度:110℃;排汽压力:0.28MPa;排汽温度:64.4℃;内功率:56kW;转速:8000r/min;转子旋向:逆时针（顺汽流方向）。
2采用NUMECA软件对ORC透平进行数值模拟模拟结果如下：（1）ORC透平内部流动为跨音速流动，由于当地音速较低导致在较低的流动速度下相对马赫数值大于1。
（2）通道内的流动损失主要由于静叶出口附近吸力面位置由激波影响产生的分离损失、尾迹损失以及尾迹对下游动叶内流动造成的损失，由于受到端壁二次流的影响，上下端壁附近的通道涡流动强烈，是损失的主要来源。
（3）静叶出口、动叶进口沿流动方向速度分布极不均匀，最高速度与最低速度之比很大。
受内部流动影响，动叶表面的静压载荷分布沿叶高分布变化较大，可能会影响实际叶片的强度安全性。
3对单级透平的三维叶型进行优化改进（1）优化前后流道变化见图2。
图2优化前后流道型线变化（2）优化前后叶片型线变化见图3。
优化后流道出口段呈扩张形态，有利于蒸汽在出口位置膨胀流动，改善出口段的流动条件；优化后静叶通道由优化前的收缩通道变为缩放通道，从前面的分析可知静叶通道内中流体的相对马赫数最大值为1.8以上，为跨音速流动，在静叶出口位置形成强烈的激波，流线弯曲。
采用缩放型通道可将流体在喉部以前的吸力面上的相对马赫数控制在1以内，同时在后半段位置扩张通道有利于更好地适应流体的膨胀流动，出口斜切部位吸力面位置近似呈斜直线，可减小流体马赫数的增加。
优化后动叶的轴向弦长减小，从而a优化前b优化后缩短了流体在动叶通道中流动的距离，减小了通道内的损失。
同时增加动叶叶片数以更好地控制流动。
图3优化前后叶片二维型线变化（3）优化前后气动性能对比分析采用相同的数值模拟方法对优化后的叶轮进行了计算，给出优化后的流动特征。
图4给出了壁面静压分布，沿着流动方向静压不断降低，在静叶尾缘吸力面附近没有形成大范围的逆压梯度，表明静叶吸力面出口位置产生的分离流动被明显减弱。
图4叶片表面静压分布优化后静叶壁面端壁吸力面位置的旋涡鞍点消失（图5），流动条件改善，同时下端壁位置的局部回流区明显减弱（图6）。
图5静叶吸力面壁面极限流线分布图6下端壁壁面极限流线在50%叶高位置优化后的局部回流区也得到改善（图7），因此可以看出优化后静叶出口位置的流动条件得到明显改善，尤其是在中叶展以下位置，其改善最为显著。
图750%叶高截面位置流线分布对比子午面性能参数，图8显示优化后静叶出口至动静叶交接位置区域内相对马赫数明显增加且均匀分布，而产生激波的位置参数会有局部的突变，因此优化后激波的强度有所增强，但其产生位置位于尾缘位置，影响范围较小，因此并没有对流动造成大的损失，这在下面将详细介绍。
图8子午面相对马赫数分布云图图9对比了子午面总压分布，可以看出优化后静叶出口尾迹区的影响范围有明显减小，动叶中损a 优化前b优化后a 优化前b优化后a 优化前b优化后a 优化前b优化后a 优化前b优化后a 优化前b 优化后b 优化后a 优化前失沿叶高的分布较为均匀，同时由于动叶轴向弦长的减小使得流动在动叶中的损失范围也明显减小。
图9子午面总压分布云图优化前后静压分布的变化不是很大，如图10所示。
从子午面绝对速度分布云图11中可以看出，优化后流动在动叶中的速度分布均匀，并在动叶出口位置下游，流动速度沿展向变化很小，这样有利于减小流动损失。
图10子午面静压分布云图图11子午面绝对速度分布云图如图12所示，从不同截面的相对马赫数分布图中可以看出，优化后动叶和静叶区域内流体相对马赫数的均值有明显增加，而在优化前，激波产生的位置位于静叶下游吸力面上，同时也是流动本身极有可能产生分离的区域，因此此处的流动受到激波的作用会产生更加强烈的分离，并且其影响区域会沿着下游尾迹区发展。
优化后，静叶出口位置激波分别为位于静叶尾缘处的两条斜激波，激波的影响区域较小，并且其产生的位置不会对流动产生大的影响，因此优化后激波的影响被有效地弱化了。
相对马赫数在叶顶位置均有所下降，主要原因与叶顶端壁二次流以及与当地音速有关。
图12不同截面位置相对马赫数分布a 优化前b 优化后87.5%叶高截面16%叶高截面a 优化前b 优化后a 优化前b 优化后b 优化后a 优化前b 优化后a 优化前（下转第37页）额定出力能达到183MW ，提高约30MW ，联合循环热效率约47%，提高2个百分点，具有更高的经济性；（2）燃料灵活性和适应性更强；夏季高温天气下，受大气温度影响更小。
M701SDAX 机组推出后，赢得了市场认可，并成功获得2台订单。
4总结为了进一步挖潜增效，三菱日立对国内某台M701SDA 机组进行了出力提升方案的研究和应用，并取得了预期效果，主要有：（1）在不额外增加或改进硬件设备的前提下，通过增加IGV 开度和高热值运用，机组总体出力有了约5MW 提升，效益明显；（2）为了进一步提升机组性能，研发了M701SDAX 新机型，出力和效率均有提升，并获市场认可。
[参考文献][1]娄马宝.低热值气体燃料（包括高炉煤气）的利用[J].燃气轮机技术，2000.13(3):16-18.[2]刘文和,杨若仪.低热值煤气燃气轮机联合循环发电在钢铁厂的应用[J].燃气轮机技术，2004.17(1):21-25.[3]彭华玉,杨定斌.燃气-蒸汽联合循环发电在涟钢的应用及效果[J].金属材料与冶金工程，2009.37(1):46-49.[4]李通,王琴.马钢新区电厂燃气-蒸汽联合循环发电机组概况[J].ANHUI METALURGY ，2006.2:6-9.收稿日期：2017-05-10作者简介：穆克进（1980-），男，2006年毕业于中国科学院研究生院动力工程专业，工程师，现从事燃气轮机电站调试、性能试验等工作。