【摘 要】
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轴流涡轮在国民经济发展中发挥着至关重要的作用。近年来高效清洁能源成为可持续发展的迫切需求,随着有机朗肯循环(ORC)、超临界二氧化碳布雷顿循环以及煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术的发展,特殊工质轴流涡轮的设计已成为研究的热点。本文针对特殊工质轴流涡轮的一维设计及性能分析方法开展研究。首先,本文基于Fortran语言开发了轴流涡轮一维设计程序。该程序集成了Craig&Cox损失模型和Ain
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轴流涡轮在国民经济发展中发挥着至关重要的作用。近年来高效清洁能源成为可持续发展的迫切需求,随着有机朗肯循环(ORC)、超临界二氧化碳布雷顿循环以及煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术的发展,特殊工质轴流涡轮的设计已成为研究的热点。本文针对特殊工质轴流涡轮的一维设计及性能分析方法开展研究。首先,本文基于Fortran语言开发了轴流涡轮一维设计程序。该程序集成了Craig&Cox损失模型和Ainley落后角模型以提高涡轮性能的预测,同时还集成了双线性插值物性计算模块,实现特殊工质轴流涡轮的初步设计。为了使涡轮设计过程更加高效,本文将一维设计方法与优化算法相结合,发展了特殊工质轴流涡轮一维优化设计方法。随后,通过汉诺威大学的四级轴流涡轮验证了该方法的可行性和准确性,其中叶高最大误差为-5.5871%。其次,本文基于中径性能分析方法,结合简单径向平衡方程以考虑展向气动参数的变化,总结了轴流涡轮准一维性能分析方法,还研究了轴流涡轮堵塞工况的预测方法,并采用出口最大流量作为堵塞判断的标准。此外,程序中集成了与设计方法相同的损失模型和物性计算模块,实现特殊工质轴流涡轮性能预测。随后,通过NASA涡轮实验数据验证了该分析程序的准确性和可行性,其中堵塞流量最大误差为0.64%,等熵效率最大误差为1.129%。最后,基于开发的特殊工质轴流涡轮一维设计和性能分析程序,完成了超临界二氧化碳和水蒸汽混合工质轴流透平的设计及性能分析。随后通过三维数值模拟校核该设计方案,结果表明设计点等熵效率预测值比CFD结果高5.21%,这是由于小展弦比叶片端区二次流与叶顶间隙泄漏共同作用造成较大的二次流损失。设计方案的变工况性能计算结果表明一维预测的堵塞流量随转速的变化趋势与CFD结果一致且最大误差为0.842%;效率性能曲线与CFD结果偏差稍大,其中设计点等熵效率预测偏高1.5%,变工况等熵效率最大误差为4.125%。
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