ORC向心透平葉輪扭曲規(guī)律對(duì)其性能的影響

王 智， 尹立冰

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北保定 071003)

ORC向心透平葉輪扭曲規(guī)律對(duì)其性能的影響

王 智， 尹立冰

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北保定 071003)

以環(huán)己烷為工質(zhì)，進(jìn)行了200 kW向心透平的熱力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值模擬方法研究透平內(nèi)部的流動(dòng)情況，分析了透平葉輪扭曲規(guī)律對(duì)透平性能的影響.結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的向心透平對(duì)于跨聲速工況有著良好的流動(dòng)特性，葉輪的扭曲程度會(huì)影響葉輪流道形狀和出口氣流與軸向的夾角；不同的葉輪扭曲規(guī)律下，透平輪周效率變化的最大值為2.44%，葉輪扭曲規(guī)律是葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要影響因素.

向心透平； 葉輪扭曲規(guī)律； 輪周效率; 熱力設(shè)計(jì)

有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)在回收工業(yè)廢熱、利用太陽能和地?zé)崮艿确矫姘l(fā)揮了重要作用.流動(dòng)工質(zhì)的選擇和高效透平的設(shè)計(jì)是有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電系統(tǒng)的重要研究?jī)?nèi)容[1].設(shè)計(jì)出符合氣體動(dòng)力學(xué)并能準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)期輸出的膨脹機(jī)是設(shè)計(jì)階段的主要目標(biāo)[2].向心透平作為有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，具有大焓降、小流量、高膨脹比、高效率、易于制造及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已受到越來越多的關(guān)注.在能量轉(zhuǎn)換過程中，葉輪的幾何特點(diǎn)和氣動(dòng)特性決定了整機(jī)的性能.國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)在向心透平設(shè)計(jì)[3-4]、內(nèi)部流動(dòng)損失機(jī)理[5]和氣動(dòng)優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究，在通過使用數(shù)學(xué)過程控制向心葉輪設(shè)計(jì)變量修改，改變和優(yōu)化葉輪型線使葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失降低等方面取得了一些進(jìn)展[6-8].但對(duì)中低溫ORC透平的研究仍處于起步階段，還有很多待解決的技術(shù)問題[9-10].

在特定熱源條件下，烷類工質(zhì)環(huán)己烷以其較高的熱效率、較低的單位功量質(zhì)量流量和UA等特性，被認(rèn)為是低溫余熱回收系統(tǒng)中較為理想的循環(huán)工質(zhì)[11].

筆者以環(huán)己烷為工質(zhì)，通過熱力計(jì)算和三維造型在不同葉輪扭曲規(guī)律下進(jìn)行ORC發(fā)電系統(tǒng)向心透平的整機(jī)設(shè)計(jì)，通過改變形狀設(shè)計(jì)參數(shù)來得到葉輪的扭曲規(guī)律，分析葉輪扭曲規(guī)律對(duì)透平效率的影響.

1 有機(jī)工質(zhì)向心透平設(shè)計(jì)

1.1 向心透平熱力設(shè)計(jì)

綜合考慮工質(zhì)的物性特點(diǎn)、運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及透平的簡(jiǎn)便性后，向心透平初始設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.根據(jù)初始數(shù)據(jù)，通過熱力計(jì)算確定向心透平的氣動(dòng)參數(shù)和基本幾何尺寸(見表2).

表1 初始設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1給出了向心透平膨脹過程的焓熵圖，圖中的0*2s為向心透平中的等熵膨脹過程，工質(zhì)的實(shí)際膨脹過程用0*012表示.

1.2 向心透平的造型設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案采用TC-4P型導(dǎo)葉柵，利用其斜切部分達(dá)到超音速.動(dòng)葉輪的造型通過控制貝塞爾曲線的控制點(diǎn)來確定子午面形狀，選取5個(gè)不同截面，通過空間積疊完成動(dòng)葉輪的三維造型.圖2給出了靜葉和動(dòng)葉三維整體造型圖.

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為H/J/L/C-Grid型，其特點(diǎn)是可以根據(jù)幾何進(jìn)出口角和軸向的夾角范圍合理選擇葉片通道進(jìn)口和出口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，最終網(wǎng)格數(shù)量采用82萬，網(wǎng)格示意圖見圖3.進(jìn)出口邊界條件為進(jìn)口總壓0.552 15 MPa、進(jìn)口總溫423.15 K、出口壓力0.138 04 MPa.定義周期性邊界，無滑移壁面.動(dòng)靜交界面交接類型為stage級(jí)模式.選用SST湍流模型，氣體狀態(tài)方程采用PR立方型方程，該方程在計(jì)算真實(shí)氣體物性方面平衡了簡(jiǎn)單性和準(zhǔn)確性[12-13].以殘差收斂到10-6為收斂標(biāo)準(zhǔn)，并監(jiān)視總對(duì)總效率.

表2 向心透平的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 向心透平工作過程

圖2 透平三維造型圖

(a)導(dǎo)葉計(jì)算網(wǎng)格(b)葉頂間隙網(wǎng)格放大圖

圖3 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

Fig.3 Schematic diagram of the computational grid

2.2 導(dǎo)葉柵模擬結(jié)果分析

圖4給出了導(dǎo)葉柵5%葉高、50%葉高和90%葉高處的表面靜壓分布曲線.從圖4可以看出，在壓力面基本為順壓梯度，而在吸力面上流線方向0.8～0.98處為導(dǎo)葉吸力面的斜切部分，此區(qū)域馬赫數(shù)大，最高達(dá)到了1.24，工質(zhì)會(huì)因壓力的劇烈下降而產(chǎn)生過度膨脹流動(dòng)過程.大約在流向0.825位置和0.93位置出現(xiàn)壓力突越，逆壓流動(dòng).在導(dǎo)葉尾部區(qū)域流線方向約0.98處出現(xiàn)了強(qiáng)逆壓梯度和激波，氣流經(jīng)過激波，工質(zhì)壓強(qiáng)、溫度和密度等參數(shù)將顯著變化，如圖5所示的50%葉高處導(dǎo)葉尾部密度梯度分布云圖.激波的存在擾亂了氣流的流動(dòng)分布，加大了透平流動(dòng)損失，因此必須控制和弱化激波強(qiáng)度.整體上，壓降和密度的分布較為合理，對(duì)于跨聲速工況有良好的流動(dòng)特性，所選取的TC-4P型導(dǎo)葉柵能夠滿足工質(zhì)膨脹的要求.

圖4 導(dǎo)葉柵表面靜壓分布曲線

圖5 50%葉高導(dǎo)葉尾部密度梯度分布云圖

2.3 不同葉輪扭曲規(guī)律對(duì)向心透平性能的影響

葉輪的扭曲規(guī)律改變將引起葉片軸向長(zhǎng)度、葉輪出口內(nèi)外徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變.在保證葉輪入口相對(duì)氣流角β1不變的情況下，選取出口相對(duì)氣流角β2作為設(shè)計(jì)參數(shù)來改變?nèi)~輪扭曲規(guī)律和幾何尺寸.β1不變保證了葉輪入口氣流角不變，從而不影響導(dǎo)葉的設(shè)計(jì).圖6(a)給出了50%葉高處的葉片曲率變化示意圖,從圖6(a)可以看出，隨著β2的增大，透平更接近軸向排氣.圖6(b)給出了葉片扭曲規(guī)律變化示意圖.在β2常用范圍(30°～40°)內(nèi)[14]，選取10種不同的方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究動(dòng)葉輪扭曲規(guī)律變化對(duì)透平效率的影響，表3給出了不同扭曲規(guī)律下葉輪的幾何尺寸，其中方案2表示原葉輪.

由于各種方案的變化相對(duì)于原葉輪只是動(dòng)葉輪發(fā)生了改變，導(dǎo)葉柵并未發(fā)生改變，故只對(duì)動(dòng)葉輪的變化情況進(jìn)行分析.在保證邊界條件、網(wǎng)格劃分和求解標(biāo)準(zhǔn)一致的情況下，截取葉輪流道3個(gè)截面來分析截面上流動(dòng)參數(shù)和熵增分布隨葉片扭曲變化的分布情況(見圖7).

由于篇幅所限，間接選取4種β2對(duì)應(yīng)的扭曲葉片進(jìn)行研究.圖8給出了截面速度矢量在切向的分量和靜熵分布，每個(gè)截面左邊是吸力面，右邊是壓力面.由圖8可知，在截面1，4種β2下的靜熵值都是吸力面明顯高于壓力面，靠近吸力面左上角有明顯的高于其他部位的高熵增區(qū)域，且高熵增區(qū)域隨著β2的增大有所減小，但其高熵增區(qū)域的熵值逐漸增大，即β2越小其熵值分布越均勻.靠近吸力面葉頂處均有明顯的泄漏渦存在，4種β2下都存在氣流從壓力面向吸力面的橫向流動(dòng)，隨著β2的增大，橫向流動(dòng)的趨勢(shì)也逐漸增強(qiáng).

氣流從截面1流到截面2，靠近葉頂處的渦流依舊存在，只是渦流的位置有所遠(yuǎn)離吸力面.認(rèn)為靜熵值在3 917 J/(kg·K)以上的區(qū)域是流動(dòng)損失較大的部位，整體上，β2從31°增大到37°，高熵增區(qū)域面積以輻射狀向外擴(kuò)散，呈增大趨勢(shì)，相應(yīng)靜熵的峰值也逐漸增大，β2從31°增大到33°時(shí)的增幅最大.雖然β2為33°、35°和37°時(shí)高熵增區(qū)域面積差別不大，但由于其靜熵值逐漸增大，所以整體熵增也逐漸增大，意味著損失更多，透平性能更差.

表3 不同扭曲規(guī)律下的結(jié)構(gòu)尺寸

圖7 流道截面示意圖

在截面3，一直存在于葉頂處的泄漏渦消失，截面3上的熵增分布與截面2上類似.

圖9給出了4種不同扭曲葉片下葉輪表面的靜壓分布曲線.從圖9可以看出，在壓力面上，基本為順壓梯度流動(dòng)，大部分載荷集中在前50%流向位置，除β2=31°對(duì)應(yīng)的葉片外，其余3種情況在0.9軸向弦長(zhǎng)到出口均有逆壓梯度，在這些區(qū)域邊界層增長(zhǎng)較快，葉輪的型面損失加大.吸力面上，隨著β2的增大，順壓段長(zhǎng)度減小，逆壓梯度段增加.除了β2=31°，其余3種情況下葉片吸力面大多時(shí)候都處于逆壓梯度流動(dòng)，這是由于在0.06～0.15軸向弦長(zhǎng)出現(xiàn)了壓力急降，產(chǎn)生了過度膨脹情況.

為了進(jìn)一步分析葉輪扭曲改變引起的葉輪性能變化，選取β2=31°和39°對(duì)應(yīng)的葉輪內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行分析.為了避免葉頂間隙泄漏流影響到流動(dòng)分離現(xiàn)象的捕捉，選取2種氣流角下85%葉高截面處葉輪內(nèi)參數(shù)分布來進(jìn)行對(duì)比分析(見圖10).從圖10(a)可以看出，β2=31°時(shí)壓力沿著流道方向依次降低，主要壓降集中在流道前部，表明工質(zhì)膨脹做功主要在此區(qū)域，整體做功狀況良好，只是在葉片型線轉(zhuǎn)折處有小范圍低壓區(qū)域.相對(duì)于β2=31°時(shí)的靜壓分布,β2=31°時(shí)流道20%處的低壓區(qū)范圍明顯增大，逆壓梯度區(qū)域向流道中部擴(kuò)散，氣流經(jīng)低壓區(qū)劇烈加速后減速，氣流不再沿葉片表面流動(dòng)，從而形成分離區(qū)，出現(xiàn)大尺度漩渦.這會(huì)擾亂主氣流方向，增大流動(dòng)阻力，降低整體效率.這與β2=31°和39°時(shí)低壓區(qū)域的矢量放大圖相對(duì)應(yīng)，與β2=31°相比，β2增大至39°時(shí)，低能流體團(tuán)質(zhì)量和范圍沿著流向位置增加，影響范圍更廣.

(1)

圖11給出了不同葉輪出口相對(duì)氣流角下透平輪周效率的理論變化趨勢(shì)與CFD模擬變化情況.由圖11可知，透平效率在β2為30°～40°內(nèi)變化的最大值約為2.44%，CFD模擬結(jié)果變化規(guī)律與理論變化趨勢(shì)基本保持一致，透平輪周效率均隨β2的增大而降低，并且下降趨勢(shì)逐漸增大，這是由于葉輪內(nèi)部流動(dòng)惡化導(dǎo)致動(dòng)葉速度系數(shù)下降的緣故.

β2=31°時(shí)輪周效率最大，為85.64%，與β2=30°時(shí)的輪周效率幾乎相等，β2的減小將不能繼續(xù)有效提高輪周效率，只會(huì)增加工藝與造型的困難.β2=31°時(shí)的葉輪幾何形狀具有更加優(yōu)越的氣動(dòng)性能，使葉輪內(nèi)部的壓降、溫降等分布更加合理，更能夠滿足透平設(shè)計(jì)的需要.

β2=31°

β2=33°

β2=35°

β2=37°

β2=31°

β2=33°

β2=35°

β2=37°

β2=31°

β2=33°

β2=35°

β2=37°

圖9 各向心葉輪表面靜壓分布曲線

3 結(jié) 論

(1) 以環(huán)己烷為工質(zhì)設(shè)計(jì)的向心透平具有良好的氣動(dòng)性能，并表現(xiàn)出較好的熱力學(xué)性能.所設(shè)計(jì)的向心透平熱力參數(shù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，模擬結(jié)果能真實(shí)地反映透平內(nèi)部流動(dòng)特性.

(2) 在葉輪通道內(nèi)氣流存在由吸力面向壓力面流動(dòng)的趨勢(shì)，并且在葉輪葉頂部位有較大的流動(dòng)損失.較小的β2對(duì)應(yīng)的葉輪扭曲形狀能抑制氣流由吸力面向壓力面的流動(dòng)，但對(duì)葉頂渦流的影響不大.

(3) 通過選取β2作為葉輪扭曲規(guī)律的指標(biāo)，進(jìn)行透平設(shè)計(jì)造型與模擬驗(yàn)證，得出透平輪周效率隨著β2(30°～40°)的減小而升高，升高趨勢(shì)逐漸減緩的結(jié)論.β2=31°時(shí)葉輪扭曲形狀氣動(dòng)性能更加優(yōu)越，葉輪內(nèi)部流動(dòng)更加順暢，壓降和溫降分布更加合理.

(a)β2=31°，靜壓分布云圖(b)β2=39°，靜壓分布云圖

(c)β2=31°，局部矢量放大圖(d)β2=39°，局部矢量放大圖

圖10 85%葉高處的靜壓分布云圖和局部矢量放大圖

Fig.10 Static pressure distribution at 85% blade height and the partial enlarged detail

圖11 不同葉輪出口相對(duì)氣流角下的透平輪周效率

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Effects of Impeller Twisting Law on Performance of the ORC Radial Inflow Turbine

WANGZhi,YINLibing

(MOE's Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

A 200 kW radial inflow turbine was thermodynamically and structurally designed by taking cyclohexane as the working medium, of which the internal flow was numerically studied, so as to analyze the effects of impeller twisting law on the performance of the turbine. Results show that the radial inflow turbine previously designed has good flow characteristics under transonic conditions. The twisting degree may affect the flow path profile of the impeller and the angle between the outlet gas flow and the axial direction. Meanwhile the maximum value of the wheel efficiency change may reach 2.44% under different impeller twisting laws, and the twisting law is an important factor influencing the structural design optimization of the impeller.

radial inflow turbine; impeller twisting law; wheel efficiency; thermodynamic design

2016-06-02

2016-07-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306059)；華北電力大學(xué)中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014ZD34)

王 智(1978-)，男，河北保定人，副教授，主要從事水蒸氣相變理論、汽輪機(jī)內(nèi)凝結(jié)流動(dòng)及葉輪機(jī)械CFD與優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究. 尹立冰(通信作者)，男，碩士研究生，電話(Tel.)：13463297742；E-mail：13463297742@163.com.

1674-7607(2017)05-0367-06

TK14

A 學(xué)科分類號(hào)：470.30