基于二氧化碳工質的向心透平氣動性能研究

2019-10-16 02:14:32宋懷樂上海船用柴油機研究所上海201203上海齊耀動力技術有限公司上海201203

熱力透平 2019年3期

宋懷樂，秦政，楊康(1. 上海船用柴油機研究所，上海 201203； 2. 上海齊耀動力技術有限公司，上海 201203)

在能源問題日益突出的背景下，先進動力循環系統一直是各國的研究重點，尤其是在以特種動力裝置為主要需求的應用場景中，以二氧化碳為循環工質的閉式布雷頓循環動力系統獲得了越來越多的關注[1]。向心透平作為閉式循環系統的核心部件之一，其全工況運行特性對發電系統性能及發電效率的影響十分顯著。

向心透平具有單級焓降大、結構緊湊及運行范圍寬等特點，特別是在小流量下仍可獲得較高的效率[2-3]。近些年來向心透平在我國得到了迅速的發展，對于以燃氣、水蒸氣和有機物為工質的向心透平，國內外學者早已進行了大量的理論、數值仿真研究。其中李曉等[4]、韓中合等[5]以R245fa為工質，對向心透平進行了氣動設計和變工況性能預測研究；李曉明等[6]對以低溫氦氣為工質的向心透平進行三維穩態數值仿真研究；桑迪亞國家實驗室[7]分別以二氧化碳、氮氣為工質開展了向心透平的理論及試驗研究，結果表明，不同的工質會導致向心透平的氣動性能發生很大變化，從而影響整個系統的熱力性能，但該研究仍缺乏對透平內部流場細節的分析。

因此，本文將在已有的理論方法基礎上，結合數值仿真及試驗方法，對某閉式布雷頓循環系統的向心透平內部流動特性進行研究，為以二氧化碳為工質的帶有導向器的向心透平設計優化及變工況調節提供參考依據。

1 數值計算方法

1.1 幾何模型

本文以某型號微型燃氣輪機的單級向心透平為研究對象，進行設計建模及數值仿真分析。葉輪主要尺寸參數見表1，三維實體見圖1。

表1 向心透平基本參數[8]

圖1 向心透平實體

1.2 數值計算方法

本文以透平單通道為模擬對象，選取k-epsilon(Extended Wall Function)湍流模型進行數值模擬，通過對局部網格分布點的調整，改善網格質量。葉片近壁面采用O型網格加密，保證y+≤10。將網格節點數分別設置為25萬、50萬、75萬，以驗證網格無關性。通過調用REFPROP物性庫來模擬真實的二氧化碳，從而達到準確計算的目的。分別對60 000 r/min、64 000 r/min及68 000 r/min三個轉速工況下的帶進口導葉的向心透平進行穩態數值計算，邊界條件設置如下：壁面為絕熱、無滑移的壁面條件，周期交界面設置為旋轉周期性邊界條件，動靜交界面類型選取普通連接周向平均方法中的stage級模式，進口邊界條件設置為給定總溫、總壓，出口邊界條件設置為給定靜壓，具體參數與試驗工況一致，見表2。計算流道及葉頂間隙網格見圖2。

表2 向心透平試驗工況

圖2 計算流道及葉頂間隙網格

2 透平內部流動特性分析

2.1 數值仿真與試驗結果對比

表3為網格無關性驗證計算結果，計算條件與60 000 r/min試驗工況一致。當單通道網格數達到50萬以上時各項計算結果不再變化，后續計算將采用該網格方案。

表3 網格無關性驗證

表4為數值仿真及試驗得到的向心透平功率、效率對比，其中“S”為仿真值，“T”為試驗值。相同的進出口工況下，二者功率最大差值為1.3 kW，效率最大差值為3.6%，誤差為4%，且誤差隨著轉速降低而減小。考慮到試驗測量精度及仿真模型未考慮蝸殼流動損失、機械損失等，該誤差在合理范圍內，這就驗證了數值仿真的準確性。

表4 向心透平性能參數

圖3為不同轉速條件下向心透平的全工況氣動性能曲線，質量流量計算范圍為0.16～0.30 kg/s。由圖3可知：當膨脹比較低時，質量流量對轉速的增加不敏感；隨著膨脹比逐漸增大，較大的轉速可以顯著增強葉輪的流通能力。另外，隨著轉速的提高，向心透平的穩定工作范圍也逐漸擴大，向心透平轉速由64 000 r/min提高到68 000 r/min，穩定工作范圍擴大一倍。

圖3 流量-膨脹比曲線

2.2 導葉內部流動特性分析

以60 000 r/min的試驗工況為例，對向心透平內部流場進行分析。圖4為導流葉片50%葉高截面總壓云圖。為更清晰地體現流動細節，對葉片尾緣流域進行放大。由圖4可知，氣體在導流葉片吸力面存在明顯的摩擦損失，同時在葉片尾緣處存在明顯的尾跡損失。

圖4 50%葉高截面總壓云圖

圖5為導流葉片50%葉高截面處的馬赫數云圖。由圖5可知，氣體在葉片通道內均勻膨脹加速，在導葉出口處馬赫數沿周向分布均勻，約為0.8。由于氣體黏性的作用，在導流葉片尾緣吸力面壁面處出現了明顯的邊界層，該邊界層隨著主流速度的增大而逐漸變厚，內部氣體因摩擦、附著等因素而造成總壓降低，這是產生摩擦損失的主要原因。隨著氣流向下游流動，邊界層低速流體脫離葉片，并與主流摻混，形成了低速尾跡渦流，產生尾跡損失。

圖5 50%葉高截面馬赫數云圖

2.3 動葉內部流動特性分析

圖6為10%、50%以及90%葉高處葉片表面靜壓分布曲線。由圖6可知，在90%葉高截面處，葉片表面壓降主要發生在0～0.2流向范圍內，且在0.2～0.4范圍內存在逆壓梯度；在10%及50%葉高截面葉片的各個截面壓力波動較大，在0.5～0.7流向范圍內兩個截面的吸力面均存在較為明顯的逆壓梯度，這是流向上游出現的過膨脹流動造成的。

圖6 不同葉高截面動葉表面壓力分布

圖7為不同轉速下動葉進口進氣攻角沿葉高方向的變化規律。隨著轉速升高，進氣攻角逐漸減小，且沿葉高方向流動區域均勻。不考慮間隙及壁面附面層流動，當轉速為60 000 r/min時，主流區內進氣攻角在25°～27°范圍波動；隨著動葉轉速增加到68 000 r/min，氣體流量也隨之增加，動葉進氣攻角減小到20°。較大的正攻角會導致靠近葉片前緣的吸力面上出現脫流，從而引起附加的能量損失。對照表4可知，隨著轉速提高，向心透平效率逐漸提高。研究表明，最佳的進氣攻角應在-20°～10°之間[2]。

圖7 不同葉高截面的進氣攻角分布

圖8為10%、50%以及90%葉高截面流線分布圖。由圖8可知，在10%及50%葉高截面的動葉吸力面側存在明顯的低速流體團，這是由于葉片進口氣流攻角過大造成的。隨著葉片高度增加到50%，葉片吸力面的分離也隨之增強，流道的有效流通面積減小，主流在繞過低速流體團時過膨脹加速，從而引發葉片表面壓力突變。在90%葉高截面處，流動分離仍然存在，但低速流體團強度減弱，葉片表面出現明顯的流動分離，主流紊亂度增強。

(a) 10%葉高截面

(b) 50%葉高截面

圖9為30%、50%以及70%流向截面的速度矢量分布。在30%流向截面處，氣體通過間隙泄漏，由壓力面流向吸力面，并與主流摻混，在流道中形成通道渦；在50%流向截面處，葉片高度增加，在間隙泄漏流的影響下葉柵通道內形成對渦；隨著流動向下游發展，在70%流向截面處，葉片稠度增大，通道內的對渦發展為螺旋流動，同時導致葉片表面徑向竄流增強，葉片表面的附面層朝著葉頂方向堆積，造成附面層不斷加厚而產生分離，流動損失增加。