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能量回收小型透平膨胀机结构设计及特性研究.pdf

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摘要

在工业和日常生活中,将未经利用的高温高压气体进行能量回收,并转换为电

能进行利用,可以提高能源的利用率,从而有效缓解能源紧张的问题。透平膨胀机

是有机朗肯循环的常用核心做功部件,其性能和效率直接影响到整个系统的可靠性

和经济性。本文对透平膨胀机进行了结构设计和工作特性研究,具体研究内容和结

论如下:

(1)通过理论计算初步得到符合要求的透平膨胀机过流部件主要结构参数,

采用CFturbo、BladeGen等软件完成三维建模,导入ANSYS平台中完成网格划分

与单流道数值模拟,得到了膨胀机的压力场、温度场和速度场的分布情况和工作特

性,经过分析得知,由于透平膨胀机内部的压力分布不均,导叶和叶轮区域出现低

流速涡流,造成膨胀机效率降低,需对透平膨胀机过流部件的关键参数进行优化。

(2)分析了各过流部件结构参数对透平膨胀机性能的影响,采用Plackett-

Burman实验筛选法选出对透平膨胀机性能起到显著作用的影响因子,使用响应曲

面法对动叶进口角、动叶数量和蜗壳出口气流角进行优化,根据择选出的最优参数

组合构建了新的叶轮、导叶和蜗壳模型;利用拉丁超立方抽样对控制叶轮叶型的贝

塞尔曲线控制点进行抽样分组,并用响应曲面法对叶轮叶型进行优化。对最终优化

后的透平膨胀机模型进行数值模拟,模拟结果表明,与原模型相比,优化后的膨胀

机内部压力分布得到改善,流场分布更加合理,效率提高了5.62%。

(3)基于ANSYS分析了导叶和叶轮内部各种涡流的形成机理和表现形式,

发现导叶内尾迹涡流、叶轮前端压力侧涡流和叶顶间隙流是造成膨胀机内能量损失

的主要原因;分析不同叶轮叶顶间隙对膨胀机效率的影响,发现随着叶顶间隙增大,

固定间隙与变间隙模型效率均逐渐下降,当叶顶间隙超过10%叶高后,效率下降

更为显著。

本文通过理论分析与数值模拟相结合的方法,完成了透平膨胀机的气动参数计

算、结构设计、工作特性分析和参数优化,分析了透平膨胀机内部能量损失原因,

可为透平膨胀机的设计、优化和应用提供参考。

关键词能量回收;透平膨胀机;Plackett-Burman实验筛选法;响应曲面法;能

量损失

Abstract

Inindustryanddailylife,theunusedhightemperatureandhighpressuregasesare

recoveredandconvertedintoelectricalenergyforutilisation,whichcanimprovethe

utilisationrateofenergyandthuseffectivelyalleviatetheproblemofenergytension.The

turbineexpanderisacommoncoreworkcomponentoftheorganicRankinecycle,andits

performanceandefficiencydirectlyaffectthereliabilityandeconomyofthesystem.In

thispaper,thestructuraldesignandworkingcharacteristicsoftheturbineexpanderwere

studied,andtheresearchcontentsandconclusionsareasfollows:

(1)Themainstructuralparametersoftheturbineexpanderoverflowpartswere

initiallyobtainedthroughtheoreticalcalculationstomeettherequirements,andCFturbo,

BladeGenandothersoftwarewereusedtocompletethethree-dimen

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