太阳能热发电系统中的有机工质向心透平气动设计研究

【摘要】：太阳能集热发电技术是近年在新能源领域发展最快，关注度最高的技术之一。有机郎肯循环太阳能热发电技术将太阳能集热与有机郎肯循环有效结合起来，主要针对中低温太阳能的利用，多数采用分布式系统。而其中有机郎肯发电技术在低温热能利用方面已经有相当广泛的应用，其对节能环保和余热利用有着突出的贡献。作为有机郎肯循环中的核心部件有机工质透平膨胀机，它是循环中热功转换的最核心设备，是系统安全有效运行的基础。而目前应用于太阳能集热系统中高效稳定的透平膨胀机尚属少见，特别是相对温度较高范围内的有机工质向心透平的设计研究少见。本文即是针对热源温度在300℃工况条件下的有机工质向心透平的设计研究，开展了如下工作： 通过对中低温段有机郎肯太阳能系统特点的分析，选择了向心透平作为其透平形式。在300℃的热源条件下，选择了适用的几种有机工质进行了气动方案设计和热力计算，并对比分析了几种不同工质的设计方案其结构尺寸和经济性，选择采用廉价的工质作为首选，试用了甲苯作为工质进行详细的气动设计，压比高达8，且跨音速流动。 利用三维造型软件进行了结构设计，设计了多种导向叶栅方案与动轮结构，设计了圆形导向蜗壳。通过CFD计算，对所设计的导向叶栅进行了研究分析，对不同方案进行了优选，实现了其斜切部分膨胀达到跨音速流动的设计目标，对其斜切部分膨胀及环状间隙内流动进行了研究分析，并对蜗壳的流动情况也进行了探析。利用CFD计算结果反馈到一维设计和三维造型，反复优化叶轮结构，改善气动分配方案，最后对较好的方案进行了全尺寸三维数值模拟计算，对其流动情况进行了详细的分析，最终设计出优化方案，其性能与设计误差较小，效率高于百分之八十五。最后，对该模型在变流量工况下进行了CFD计算，对其在变流量情况下性能以及流动情况进行了探析。 【关键词】：太阳能集热 有机郎肯 向心透平 气动设计 数值模拟 变工况分析
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 背景及意义10
• 1.2 太阳能热电技术与有机郎肯循环发电技术10-13
• 1.3 有机郎肯循环装置13-16
• 1.4 向心透平研究现状16-18
• 1.5 本文研究内容18-20
• 2 透平气动与结构设计20-46
• 2.1 向心透平结构及工作原理20-22
• 2.2 工质选择22-23
• 2.3 气动设计23-33
• 2.4 动叶轮设计33-39
• 2.5 导向叶栅设计39-42
• 2.6 蜗壳设计42-45
• 2.7 本章小结45-46
• 3 透平内部流动数值模拟与设计优化46-64
• 3.1 引言46-47
• 3.2 导向叶栅设计优化47-55
• 3.3 蜗壳内流动数值模拟55-57
• 3.4 动叶轮设计优化57-63
• 3.5 本章小结63-64
• 4 透平整级数值模拟与变工况性能64-77
• 4.1 透平整级模拟与结果分析64-72
• 4.2 变工况性能72-75
• 4.3 本章小结75-77
• 5 总结与展望77-80
• 5.1 主要工作及总结77-79
• 5.2 展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-84

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