一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法技术

本发明专利技术公开了一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，包括步骤：首先，根据几何相似准则，将超临界二氧化碳透平同比缩放获得空气透平模型几何参数。然后，利用流动的相似性原理，保证主要准则数及速度三角形相似，将超临界二氧化碳工质的实际工况作为相似准则的输入变量，计算空气工质透平的压比、转速以及进口温度等运行工况参数，开展试验研究，获得空气透平试验数据及性能参数。其次，根据性能转换准则推导出超临界二氧化碳透平无量纲速度场、透平效率、应力载荷以及泄漏量等性能参数。最后，评估超临界二氧化碳透平不同边界条件下的综合性能，验证超临界二氧化碳透平稳定高效运行的可行性，为超临界二氧化碳透平的设计及优化提供指导。

A similarity modeling method for supercritical carbon dioxide turbine test

【技术实现步骤摘要】
一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法
本专利技术属于超临界二氧化碳透平
，具体涉及一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法。
技术介绍
超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环，是以SCO2为循环工质的新型动力循环，具有效率高、体积小、重量轻、噪声低等特点，在空间狭小、热源温度低场合的应用具有很大的综合优势。是替代传统的锅炉加热蒸汽发电技术，实现能源利用更高效和低成本发展的重要方向之一。超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统主要由热源、压缩机、透平机、回热器、预冷器、管阀系统、控制系统以及辅助系统(供气、冷却、安保等)组成。其中透平的功能是将高温高压的超临界二氧化碳工质的内能转化为发电机主轴旋转所需的机械能，是热功转换核心部件。透平的设计制造水平及性能对整个热力循环的效率具有重大的影响。相较于数值模拟，开展试验研究在获取透平关键运行参数，评估其性能等方面更为精确，是透平设计、投产过程中必不可少的一环。然而对于超临界二氧化碳透平，诸多不便因素，例如高转速对电机及主轴带来的安全性问题，工质高密度对材料强度的要求，高压或泄露引起的安全性问题等，限制了透平试验的开展。此外，对透平真实运行环境进行试验将耗费大量的时间和资源，大大增加研发周期，不利于产品的快速迭代更新。在此背景下，相似模化试验逐渐得到了设计人员的青睐，通过模化方法进行模化试验，可以有效简化试验系统，提高测试能力，避开一些难以达到的运行条件，并且可以通过简单工质的试验结果转换求得特殊工质的性能特征。对于不同工质的相似模化试验，通常采用安全、易得、廉价的空气作为代替工质。然而对于超临界二氧化碳工质，其物性参数与空气存在明显的差异，如何组织使用空气工质的超临界二氧化碳透平模化试验是一个现实且复杂的问题，目前公开的资料中，还没有系统的、直接指导超临界二氧化碳透平试验设计的相似模化方法。本专利技术提出一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，依据相似模化原理，通过开展空气透平试验获得超临界二氧化碳透平性能参数，该方法可以直接指导超临界二氧化碳透平相似模化试验的设计，降低试验难度，缩短超临界二氧化碳透平研发周期。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对超临界二氧化碳透平试验开展的复杂性，提出一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法。本专利技术依据相似性原理，以空气为替代工质研究超临界二氧化碳透平的强度及气动综合性能，给出了超临界二氧化碳透平的相似模化试验流程，可直接指导超临界二氧化碳透平的相似模化试验，并将试验结果应用于实际透平叶片优化设计中。本专利技术采用以下技术方案来实现：一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，包括：1)根据几何相似准则，将超临界二氧化碳透平同比缩放获得空气透平模型几何参数，确定几何相似比；2)利用流动的相似性原理，保证主要准则数及速度三角形相似，将超临界二氧化碳工质的实际工况以及几何相似比作为相似准则的输入变量，计算空气工质透平的压比、转速以及进口温度运行工况参数，随后开展试验研究，获得空气透平试验数据及性能参数；3)将空气透平试验数据及性能参数作为输入变量，根据性能转换准则推导出超临界二氧化碳透平无量纲速度场、透平效率、应力载荷以及泄漏量性能参数；4)评估超临界二氧化碳透平不同边界条件下的综合性能，验证超临界二氧化碳透平稳定高效运行的可行性，为超临界二氧化碳透平的设计及优化提供指导。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：首先进行试验几何相似性模化，使得试验透平与设计透平具有成比例的几何关系，其中，试验所用空气透平与超临界二氧化碳透平应具有相同的截面型线及叶片数，且叶片弦长、叶片高度、叶片厚度、轮盘直径、叶栅节距以及叶顶间隙参数为等比例放大或缩小，具体满足关系式如下：na＝n0其中下标a代表空气透平参数，下标0代表超临界二氧化碳透平参数，g为几何相似比，l为叶片高度，d为轮盘直径，b为叶片厚度，t为叶栅节距，s为叶片弦长，n为叶片数量。本专利技术进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法如下：采用近似模化，选择对流动影响占主导地位的相似准则作为相似性标准；选择流量系数、雷诺数、速比以及压缩系数作为相似性准则，保证以下无量纲准则数相等：其中，为质量流量，ρin为透平进口密度，N为转速，d为轮盘直径，U为叶轮圆周速度，μ为动力粘度，Δhk为多变焓降，Vin为进口体积流量，Vout为出口体积流量；同时保证模型试验透平的进出口气流角与实际一致，满足速度三角形相似，即：α1,a＝α1,0,β1,a＝β1,0α2,a＝α2,0,β2,a＝β2,0其中，下标a代表空气透平参数，下标0代表超临界二氧化碳透平参数，α1为静叶出口绝对速度角，β1为静叶出口相对速度角，α2为动叶出口绝对速度角，β2为动叶出口绝对速度角；将超临界二氧化碳工质的实际工况以及步骤1)获得的几何相似比g作为上述相似性准则的输入变量，随后可以根据以下步骤确定空气工质的压比、转速、进口温度以及流量运行工况参数；首先给定空气透平进口压力Pin,a及预估进口温度T′in,a，通过下式获得空气透平出口压力Pout,a：ρin,a,sin,a＝REF(T′in,a,Pin,a)Pout,a＝REF(sin,a,ρout,a)其中，REF(·)表示按给定参数查取REFPROP物性表，下标a代表空气透平参数，T′in为预估进口温度，ρin为进口密度，ρout为出口密度；然后，根据雷诺数相似准则预估空气透平实际进口温度Tin,a：Tin,a＝REF(μin,a,Pin,a)其中，REF(·)表示按给定参数查取REFPROP物性表，下标a代表空气透平参数，μin为进口动力粘度，Tin为进口温度；将所获的进口温度Tin,a代替预估进口温度T′in,a代入上式重新计算直至两者相等；随后，空气透平转速及流量可以通过下式计算获得：其中，下标a代表空气透平参数，N为转速，d为轮盘直径，Δhk为多变焓降，ρin为进口密度，为质量流量。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法如下：将步骤2)获得的空气透平试验数据作为输入变量，通过性能转换准则，获得超临界二氧化碳透平速度场、透平效率、应力载荷以及泄漏量性能参数；其中速度分布关系式如下：其中，下标a代表空气透平参数，下标0代表超临界二氧化碳透平参数，为速度场，U为叶轮圆周速度；对于透平效率，其转换关系式如下：其中，下标a代表空气透平参数，下标0代表超临界二氧化碳透平参数，η为透平效率，k为绝热指数，Ma1为进口马赫数，ρin为进口密度，ρout为出口密度；透平工作时受到多种力的作用，且由于流动的非定常特性以及工作条件的变化，叶轮所受载荷在不同情况下有所区别，但其中主要受到流体轴向力、流体周向力以及离心力的作用，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，其特征在于，包括：/n1)根据几何相似准则，将超临界二氧化碳透平同比缩放获得空气透平模型几何参数，确定几何相似比；/n2)利用流动的相似性原理，保证主要准则数及速度三角形相似，将超临界二氧化碳工质的实际工况以及几何相似比作为相似准则的输入变量，计算空气工质透平的压比、转速以及进口温度运行工况参数，随后开展试验研究，获得空气透平试验数据及性能参数；/n3)将空气透平试验数据及性能参数作为输入变量，根据性能转换准则推导出超临界二氧化碳透平无量纲速度场、透平效率、应力载荷以及泄漏量性能参数；/n4)评估超临界二氧化碳透平不同边界条件下的综合性能，验证超临界二氧化碳透平稳定高效运行的可行性，为超临界二氧化碳透平的设计及优化提供指导。/n

【技术特征摘要】
1.一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，其特征在于，包括：
1)根据几何相似准则，将超临界二氧化碳透平同比缩放获得空气透平模型几何参数，确定几何相似比；
2)利用流动的相似性原理，保证主要准则数及速度三角形相似，将超临界二氧化碳工质的实际工况以及几何相似比作为相似准则的输入变量，计算空气工质透平的压比、转速以及进口温度运行工况参数，随后开展试验研究，获得空气透平试验数据及性能参数；
3)将空气透平试验数据及性能参数作为输入变量，根据性能转换准则推导出超临界二氧化碳透平无量纲速度场、透平效率、应力载荷以及泄漏量性能参数；
4)评估超临界二氧化碳透平不同边界条件下的综合性能，验证超临界二氧化碳透平稳定高效运行的可行性，为超临界二氧化碳透平的设计及优化提供指导。


2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法如下：
首先进行试验几何相似性模化，使得试验透平与设计透平具有成比例的几何关系，其中，试验所用空气透平与超临界二氧化碳透平应具有相同的截面型线及叶片数，且叶片弦长、叶片高度、叶片厚度、轮盘直径、叶栅节距以及叶顶间隙参数为等比例放大或缩小，具体满足关系式如下：



na＝n0
其中下标a代表空气透平参数，下标0代表超临界二氧化碳透平参数，g为几何相似比，l为叶片高度，d为轮盘直径，b为叶片厚度，t为叶栅节距，s为叶片弦长，n为叶片数量。


3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法如下：
采用近似模化，选择对流动影响占主导地位的相似准则作为相似性标准；选择流量系数、雷诺数、速比以及压缩系数作为相似性准则，保证以下无量纲准则数相等：












其中，为质量流量，ρin为透平进口密度，N为转速，d为轮盘直径，U为叶轮圆周速度，μ为动力粘度，Δhk为多变焓降，Vin为进口体积流量，Vout为出口体积流量；
同时保证模型试验透平的进出口气流角与实际一致，满足速度三角形相似，即：
α1,a＝α1,0,β1,a＝β1,0
α2,a＝α2,0,β2,a＝β2,0
其中，下标a代表空气透平参数，下标0代表超临界二氧化碳透平参数，α1为静叶出口绝对速度角，β1为静叶出口相对速度角，α2为动叶出口绝对速度角，β2为动叶出口绝对速度角；
将超临界二氧化碳工质的实际工况以及步骤1)获得的几何相似比g作为上述相似性准则的输入变量，随后可以根据以下步骤确定空气工质的压比、转速、进口温度以及流量运行工况参数；
首先给定空气透平进口压力Pin,a及预估进口温度T′in,a，通过下式获得空气透平出口压力Pout,a：
ρin,a,sin,a＝REF(T′in,a,Pin,a)



Pout,a＝REF(sin,a,ρout,a)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢永慧，李金星，施东波，张荻，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61