多级离心式汽轮机气动优化设计及变性能分析

抽象的

具有较少土地占用，结构简单和高空气动力学效率的离心涡轮机适合用作中等尺寸蒸汽轮机或废热回收厂。在本文中，通过使用内部一维空气动力学设计程序进行多级离心蒸汽轮机的一维设​​计。此外，还进行了三维数值模拟，以分析所提出的离心蒸汽涡轮机的设计和非设计空气动力学性能。结果表现出合理的流场和流动平滑;设计的涡轮机的空气动力学性能符合我们的最初期望。这些结果表明，一维空气动力学设计程序可靠且有效。分析了离心蒸汽轮机的偏移空气动力学性能，结果表明，质量流量随着恒定速度的减小而增加，直到达到临界质量流量。压力比的效率曲线具有最佳效率点。最佳效率的压力比与一维设计的效率相一致。随着压力比以恒定速度增加，轴功率降低。 Overall, the centrifugal turbine has a wide range and good off-design aerodynamic performance.

1.介绍

随着化石能源的持续减少和增强人们的环境意识，越来越关注能源的高效率，涡轮机是能量转换组件;如果涡轮机有效提高，它可以有助于提高能量的效率。

离心式涡轮机是一种新型的涡轮发动机，具有许多优点。在离心式涡轮机中，气体向外流动，随着流体体积流量在膨胀过程中增加，流动路径的通道区域自然增加。符合空气动力学和几何匹配的原则。此外，离心式涡轮机可用于实现多级设计[1更容易比向心涡轮机。因此，它可以避免超声波流量的限制。这对于设计条件来说更有用，特别是对于非设计性能条件。

对于涡轮机作为关键组成部分，该地区的许多学者都进行了一些相关的研究，但对离心式涡轮机没有太多的研究。在国内，主要是静和彭研究了火箭离心涡轮机原型启动器的气动分析，并设计了改装涡轮机[2];Yin-Ge等人。[3.]和xin等人。[4，5]研究了单级离心式汽轮机设计及其变设计性能。在国外，代尔夫特理工大学的卡萨提等人对ORC小型离心式水轮机的水力设计进行了初步研究。他们引入了基于中间流线的优化方法来评估涡轮的设计和性能[6- - - - - -10.]。

本文通过绘制传统涡轮提出了离心蒸汽轮机的一维设​​计方法[11.]。通过参考小轴向汽轮机的入口和出口热参数研究了多级离心涡轮机的数值模拟和优化。

2.蒸汽离心式涡轮机的空气动力学设计

2.1。一维设计方法

已经开发了一维设计离心涡轮机，其基于传统涡轮机的一维设​​计方法。一维热力学计算程序是由Fortran开发的。离心式涡轮机一体化设计计划的主要设计原则如下：（1）膨胀流被认为是级联通道的绝热，稳定和一维。（2)通过呼叫REFPRO 9.0获得工作流体的性质，其适用于各种工作流体。（3）为了简化刀片的设计，刀片设计成直的高度和恒定的高度。（4）定子和转子速度系数和基于以前的经验[12.]。（5）转子的每一级绝对气流角为90度。（6）该程序主要由连续性和能量方程组成，以实现一维设计。

数字1呈现离心一维空气动力学程序的设计过程。离心式涡轮机的热力学参数，入口滞存温度 ，入口停滞压力 ，出口压力 ，质量流率 ，和轮换速度 ，基于原始的传统涡轮机。其他参数，叶轮直径比（直径比对离心式涡轮机车轮效率的影响在[3.];随着直径比降低，在最佳反应和速度比下计算的最佳车轮效率增加; ），每个阶段出口流量的定子 ，径向差距（ 或者 因为沿着流动路径的通道区域在轴流涡轮机中保持恒定，因为在径向流动涡轮机中减少了流动区域，因此传统涡轮机中的径向间隙可以大，而在离心式涡轮机中，流量面积随工作流体增加而增加扩张。如果径向间隙太大，它将使工作流体压缩在间隙中，这对于涡轮机工作不好。因此离心涡轮机的径向间隙应小。）和阶段数 ，之前估计。迭代和筛选方法用于搜索离心式涡轮机的最大车轮效率。

数字2显示整体阶段图表。上标代表停滞状态。第二个下标如下：1表示定子，2表示转子。以第一阶段为例，设计过程的引入如下：（1）在定子中，蒸汽从状态0扩展到状态1.第0-1线代表实际的膨胀和线0-1是理想的扩张。在该过程中，压力能量被转移到动力学能量。然后可以通过使用来计算热参数，速度和几何参数 （2)然后，在转子中，蒸汽继续从状态1扩展到状态2.第1-2行代表实际的膨胀和线1-2是理想的扩张。流体动力学能量被转移到机械能，这使得涡轮机输出轴功率。热参数和速度三角形可以通过使用来计算 （3）转子实际出口密度与估计的密度相比较 ．如果 （是最小的），假设密度已验证。然后确定转子出口点。如果它不满意，请重新安置并重复上述步骤，直到满足条件。（4）类似于轴流涡轮机，相关的绝热效率由（3.)，载于[13.]。

计算不同速比下的轮毂效率，选择效率最高时的最佳速比及相应参数。几何和热力学参数确定在最佳速比。其他阶段的设计也采用了上述步骤。

2.2。一维设计结果

离心式涡轮机的一维设​​计程序用于设计多级离心式涡轮机。初始设计热参数源自小轴向涡轮机并概述在表中1．

由于产品信息中没有原始轴向水轮机的级数信息，因此采用一维设计方案对不同的级数进行了试验设计。结果表明，当级数为1和2时，离心透平内存在超音速现象。随着级数的增加，离心透平中不存在超音速现象，但其尺寸越来越大。当级数为3，直径比为1.12时，离心透平为亚音速，既能满足焓降又能满足高效率。为此，将离心式水轮机设计为三级。

然后，每个阶段的相同叶片高度和绝对气流角为90度，因为每个阶段估计叶轮直径比为1.12，假设定子的每个级出口流动角度为12度，径向间隙定子和转子之间设定为2mm。最佳效率和合理的结构是目标。通过使用上述一维计算程序，具有迭代和筛选方法来计算设计参数。在本文中，设计的三级离心式涡轮机刚刚符合所需的焓滴，具有非常高的车轮效率。每个阶段的主要空气动力学参数如表所示2，整体离心式涡轮的主要气动参数见表3.．几何参数如表所示4，速度三角形数据如表所示5．速度三角示意图如图所示3.．

3.翼型设计和优化

工作流体流动在离心式涡轮机中向外。沿着流动路径的通路区域随着工作流体的膨胀而自然增加，这使得各种特定体积与流动通道区域的变化匹配。可以看出，离心式涡轮机远离该结构的传统涡轮机得多。在离心式涡轮机中，叶片平面流动通道随着半径的增加而向外膨胀。此时显然不适合使用传统涡轮机的翼型。因此，需要为离心式涡轮机设计合适的翼型。

3.1。翼型的参数表达

采用角度和厚度设计方法来设计翼型，通过使用入口和出口几何角度，刀片高度和导通和后缘直径，这是基于一维设计的表格3.和4．在Bladegen平台上，识别定子和转子的二维结构。第一阶段的定子和转子是一个例子，如图所示4（a）和4（b）．叶片表面包括四个贴片，即前缘和后缘和吸入侧和压力侧。平均弧形线由立方体贝尔曲线控制。领先和拖尾边缘都是椭圆形。最初通过参考相对节距和排出系数来确定刀片号，并在[12.]。每个级的定子和转子的最终数量均为65。

3.2。三级离心汽轮机的刀片优化

在叶片优化过程中，以叶片数、叶片进出口几何角度、前缘和尾缘厚度为固定参数，选取两个切线角控制点和两个叶片厚度控制点作为优化参数。优化软件为Workbench，优化方法采用NLPQL算法。

在定子优化过程中，最小损耗系数是物体，定子背压是约束条件。三阶段离心涡轮机的定子分别优化。定子的优化数学模型表示为 设计变量 ， ，分别是切线角度的控制点的水平和垂直坐标。和是叶片厚度控制点的水平和垂直坐标。优化总共涉及八个变量（第一阶段的定子是一个例子，如图所示5）。代表定子的后缘处的压力，以及代表一维设计的定子背压（代表阶段号）。

然后将转子添加在优化的定子后面。最大轴功率是物体，转子背压是约束条件。转子的优化数学模型表示为 与定子相同，设计变量和是用于控制转子平均弯曲线的切线角度的水平和垂直坐标点。和是用于控制刀片厚度的水平和垂直坐标点。优化总共涉及八个变量（第一阶段的转子是一个例子，如图所示6）。表示转子的后缘处的压力，以及表示一维设计的转子背压。

优化策略和过程如图所示7和8,分别。

数字8显示刀片优化过程。所有这些都在工作台上自动模拟。首先，优化参数的值范围（ ， ， ，和），约束条件和对象是人工的。然后，设计探索自动在优化参数的值范围内选择一组数据。刀片几何和参数化由几何软件获得。之后，刀片网是由涡轮三叶产生的，通过CFX模拟离心涡轮机。最后，如果结果满足约束和对象，则刀片控制点的参数值是优化值。如果没有，则设计探索将自动选择优化参数值范围内的另一组数据。然后重复上述步骤，直到满足条件。由于优化的阶段偏离设计条件，因此当它们一起计算时，需要定子和转子的前缘和后缘厚度稍微改变局部调节，然后离心涡轮机可以获得更好的性能。

由于SST模型用于涡轮机械，因此在大多数情况下，它需要很小( ）。所以SST模型的层网格质量要求高于次幂模型。如果SST使用相同的网格-Epsilon，SST的层网格质量不好，不能满足要求。全局规模因子被改变以增加网格号，提高网格质量。所以SST的网格数量超过-epsilon。它约为8627,000，而网格号-模型是4010000。如果多级离心涡轮模拟湍流模型是SST，将需要大量的计算内存;同时也会耗费大量的计算时间。我们发现海表温度的计算结果与-epsilon型号几乎相同，如表所示6，所以SST模型与SST模型之间没有区别-Epsilon模型模拟多级离心式涡轮机。为了在计算网格号非常大的情况下放宽对计算机内存的需求并提高效率，-epsilon模型用作模拟离心式涡轮机的湍流模型。

优化的离心涡轮机由CFX基于Navier-Stokes方程来模拟。定子和转子使用在涡轮花丛中产生的结构化网格，总网格号约为4010,000;网格的叶片全部尺寸因子分别为每个定子和转子的1.2,1.2,1.25,1.25,1.25和1.2。用于仿真的计算模型网格如图所示9．边界条件为入口总压、总温度、背压和绝热壁。涡轮转速6500转/分。所有固体壁面均采用无滑移边界条件。定子-转子界面为Frozen Rotor。转子和定子区域采用单独的周期条件。-epsilon用作湍流模型，流体是水理想气体。

定子和转子的最佳参数几乎与一维空气动力学设计一致。整个阶段的优化定子和转子都是直叶片，并且在图中提到刀片图10.．

4.结果和讨论

4.1。设计条件空气动力学性能

优化的离心涡轮机的数值模拟结果与一维空气动力学设计一致，这表明一维设计程序是可靠且有效的。离心式涡轮机的整体性能数据如表所示7．表中显示了每个阶段的性能数据的比较8．从表格看8，性能数据在每个阶段都有一定的偏差。这是因为优化阶段在匹配过程中相互影响。所以它会导致性能数据的一些偏差。这些偏差是在流体流动过程中逐渐积累起来的。随着阶段的增加，偏差越来越大。但是，从表中看到的总体性能数据来看7，整体性能数据偏差4％。这是由于每个阶段存在正面和负偏差，这可以彼此抵消。因此一维设计和仿真结果的整体性能数据并不完全不同。从总轴功率和车轮效率，整体离心涡轮机的仿真结果优于一维设计值。三阶段离心涡轮机满足设计要求，性能良好。

数字11.- - - - - -13.分别为三级离心式涡轮中平面的压力、马赫数和速度流线分布。从图上看，压力分布是均匀的;叶轮内的主流是压力流。叶栅流道内流场合理，流线平滑，气动性能符合预期。从表中可以看出8，第一级和第二级静、转子出流角与一维设计值有偏差。从流场图分析，在尾缘附近的小区域存在流动分离;流体在定子出口倒角处和动静间隙处膨胀，导致流动角偏转。在一维设计过程中尚未考虑分离引起的流动损失和流动偏转引起的来流角的偏差。这也是仿真结果偏离一维设计值的原因。

4.2。非设计条件空气动力学性能

数字14.，15.， 和16.显示质量流量之间的关系 ，效率 ，和轴功率以不同的旋转速度，可变压力比 ．结果表明减小，当速度恒定时，质量流量增加直到达到临界流程，然后质量流量保持恒定。这是因为流程出现了超音速，流程达到了最大值。流动通道具有阻挡现象，但涡轮机仍然能够工作。压力比曲线效率有最佳效率点。在最佳效率点的两侧，效率随着增加或减少而降低 ．这是由于后压的变化，并且焓滴改变，速度比偏离最佳值，流动天使偏转，并且叶片表面发生流动分离。那些导致流量损失的增加和效率降低。对于轴功率，功率降低为π增加。由于背压增加，整个阶段的焓降减少。然后减少了工作流体的工作能力。因此，轴功率随着增加而减少π．当旋转速度发生变化时，最佳效率点在压力比的方向上移动，降低，随着旋转速度的增加而降低了最佳效率值。但压力比的效率趋势与不同的速度一致。对于质量流量，不同旋转速度的流动特性基本相同。可以看出，不同旋转速度的质量流动变化是相同的，并且变化对质量流量几乎没有影响。在不同的旋转速度下，轴功率曲线的趋势基本相同。但随着旋转速度的增加，带压力比的轴功率曲线是陡峭的。

5。结论

三阶段离心涡轮机由CFX模拟，用水理想气体作为工作流体，绘制在传统的涡轮空气动力学设计方法和非设计条件性能研究方法上。结论如下。

整个阶段的数值模拟结果基本上与一维设计结果一致，空气动力学性能符合预期的要求，这表明了离心式涡轮机设计的可靠性和有效性。由于离心机涡轮机的每个阶段进行了优化，模拟总效率高于一维设计效率高3.08％，轴功率比一维设计轴功率大3.75％。在设计条件下，三级离心蒸汽轮机的流线在级联流动通道下光滑，压力分布是均匀的，并且流场是合理的。

在非设计条件下，当速度恒定时，压力比π达到临界比率，质量流量达到最大值。如果π继续减小，最大流量值不变，流道出现堵塞现象。但是涡轮机仍然可以工作。在同一π，速度降低;然后质量流量增加;但是影响很小。

以恒定的速度，效率在最佳压力比下最高π．最佳效率的压力比与一维设计的效率很好。当速度降低时，效率曲线移动到其中的地方π增加，相应的最大效率增加。

具有压力比的轴功率曲线趋势在不同的旋转速度下类似。但随着旋转速度的增加，当压力比增加时，电源曲线更快地下降。

总体而言，可以看出离心式涡轮机具有广泛且良好的非设计性能，从三阶段离心涡轮机的数值模拟结果和分析非设计条件的分析。

命名法

：	温度，K
：	压力，PA
：	焓，kj / kg
：	熵，kj /（k·kg）
：	转速，r / min
：	质量流量,公斤/ s
：	直径比例
：	直径，M
：	半径，M
：	绝对速度，m / s
：	相对速度，m / s
：	圆周速度，m / s
：	高度，m
：	阶段号码
：	轴功率，kW
：	马赫数。

希腊字母

：	密度，kg / m3.
：	径向对称锥角，°
：	定子和转子之间的径向间隙，m
：	绝对角度，°
：	相对角度，°
：	定子流量系数
：	转子流量系数
：	转速比
：	车轮效率
：	反应程度
：	压力比。

下标

0：	第一阶段
在：	进口
出去：	出口
：	定子
：	阶段号。

上标

：

停滞条件。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金的支持。51536006和上海科技委员会授予授予。17060502300，由上海的多相流量的开放项目资助，电力工程中的多相流量和热传递传热。13dz2260900。

参考

1. E. Coomes，R. Dodge和D. Wilson，“使用钾作为工作流体的高功率密度Ljüngstrom涡轮机”第21届交通能量转换工程会议的诉讼程序，卷。3，圣地亚哥，加利福尼亚州，1986年。查看在：谷歌学术
2. L.静和S.彭，“带离散喷嘴的离心涡轮阶段的修改设计和流域分析”航空电力杂志，卷。23，不。6，pp。1047-1053，2008。查看在：谷歌学术
3. L. YIN-GE，T.Xin和L. Xian-Qiao，“离心式涡轮机的热设计和分析”，“工程热物理学报，卷。37，不。10，pp。2103-2010,2016。查看在：谷歌学术
4. T. Xin，L. Yin-Ge，L. Xian-Qiao等，“研究离心涡轮机的偏离设计特性”，“工程热物理学报，卷。37，不。6，pp。1201-1208,2016。查看在：谷歌学术
5. T.Xin，L. Hui，S. Yan-Ping等，“离心式涡轮机的辅助部件的设计”工程热物理学报，卷。0253-231X，PP。04-0000,2017。查看在：谷歌学术
6. M. Pini，G. Persico，E. Casati等，“用于有机朗肯循环应用的离心涡轮机的初步设计”燃气轮机和动力的工程，卷。135，不。4，2013。查看在：谷歌学术
7. E. Casati，S.Vitale，M. Pini，G.Persico等，“用于微型有机朗肯循环动力系统的离心涡轮机”，燃气轮机工程杂志。，卷。136，没有。136，第122607条，11页，2014年。查看在：谷歌学术
8. G. Persico，M. Pini，V. Dossena和P.Gaetani，“离心机涡轮级联的空气动力学设计和分析”ASME Turbo Expo的诉讼程序：涡轮机技术会议和博览会，GT'13，卷。6c，p。12，圣安东尼奥，德克萨斯州，Tex，美国，2013年。查看在：出版商网站|谷歌学术
9. G. Persico，M. Pini，V.Dossena等，“离心式涡轮机级联的空气动力学”，燃气轮机工程杂志。，卷。137，没有。11，物品ID 112602,2015。查看在：谷歌学术
10. M. Pini，A.Pindelli，G. Persico和S. Rebay，“实际气体流模拟的一致查找表插值方法”电脑和流体，卷。107，pp.178-188,2015。查看在：出版商网站|谷歌学术|Mathscinet.
11. L. yan-sheng和L. Gui-lin，径向涡轮和离心式压缩机，机械工业出版社，中国北京，1987。
12. W.新军和L.梁，汽轮机原理，西安交通大学出版社，西安，陕西，2014年。
13. S. L. Dixon和C. A. Hall，涡轮机械的流体力学和热力学，爱思唯尔出版社，2010。

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