新研发的超临界微轴流式涡轮机,可实现更好的传热控制!

   电工小二        

超临界二氧化碳(sCO)功率循环是集中太阳能发电和余热回收应用的有希望的候选者,它具有紧凑的涡轮机械和在400至800的热源温度下具有高循环效率的优点 。但是,对于分布式系统(0.1-1.0 MW),涡轮机械类型的选择尚不清楚。已知径向涡轮是用于微型应用的有效机器。或者,可以实现可行的单级轴流式涡轮机设计,从而实现更好的传热控制和更长的轴承寿命。因此,本研究的目的是研究单级100 kW sCO的设计。通过从机械和空气动力性能的角度确定最佳涡轮设计参数来确定轴流涡轮机。为此,研究人员已经开发并通过使用损失模型来考虑通过损失来开发和完善了初步的设计工具,该损失模型广泛用于以空气或蒸汽等流体运行的涡轮机械的设计。他们对涡轮机的设计进行了评估,该涡轮机的进气条件为923 K,170 bar,膨胀比为3,轴速分别为150k,200k和250k RPM。已经发现,如果涡轮机被设计成具有高负载系数和低流量系数,则可以实现可行的单级设计。此外,研究人员发现在0到0.5的指定范围内具有最低反应度的涡轮机可实现最高效率和最高进气转子角。


相关论文以题为“Mean-Line Design of a Supercritical CO2 Micro Axial Turbine”发表在《 Applied Sciences》上。


新研发的超临界微轴流式涡轮机,可实现更好的传热控制!


微型燃气轮机与集中太阳能发电系统(CSP)相结合可以为可再生能源发电提供一种可行的解决方案。已经证明,它们非常适合小型独立和离网应用程序。然而,与大型燃气轮机相比,微型燃气轮机的系统组件损失较大,因此获得的热效率较低。因此,为了获得较高的热效率,在40 - 50%的范围内,系统需要在高温热源温度(600以上)下运行。相比之下,超临界二氧化碳(sCO)循环在较温和的温度下可以达到相似的热效率。因此,sCO可被认为是集中太阳能发电应用的潜在候选人,特别是独立的太阳能碟形单元;具有布局简单、功率密度高、结构紧凑等特点。


尽管sCO具有很好的发展潜力,但sCO叶轮机械设计仍是一个发展中的领域。然而,汽轮机性能是影响循环性能的主要因素之一;例如,涡轮效率每增加2%,就会导致热力学循环效率增加1%。这将对太阳能发电系统的成本降低有重大影响,通过减少规模和成本的集中器,通常占系统总成本的60%以上。因此,一些研究人员已经着手研究推进涡轮设计的最先进水平。


径向涡轮被认为是一种有效的小型应用机器,功率范围从50 kW到5 MW,允许工作流体在一个单级膨胀。因此,在上述大多数研究中,径流式涡轮结构一直是小型涡轮机械设计的主要选择。或者,一个可行的单级轴向涡轮设计可以实现微尺度的应用,允许更好的传热控制,因为热叶片远离轴,从而延长轴承的寿命。在当前的研究中,基于显著的轴向推力负荷、高转速和高操作压力以及气动性能角度,通过确定涡轮设计参数的力学角度,使用平均线方法来解决单级100 kW sCO2轴向涡轮设计的设计问题。此外,通过引入Soderberg 's、Ainley和Mathieson的损失相关性,对当前研究中实现的设计工具进行了改进,使转子和定子内的损失可以根据载荷系数、叶尖间隙和叶片几何形状进行估计。设计分别在150k, 200k, 250k RPM三种不同转速下进行评估,在涡轮进口工况为923 K, 170 bar,膨胀比为3的情况下,实现涡轮整体效率大于80%,并保持转子叶片的低离心应力。对于给定的进口条件,考虑到机器的低功率额定值和小体积比,建议采用单级设计。本课题的新颖之处在于设计了sCO2型微尺度单级轴流涡轮,并从机械性能和气动性能两方面确定了涡轮的最佳设计参数。


涡轮设计方法


涡轮设计是冷凝sCO2循环的一部分,如图1和图2所示,净功率输出为100kw。涡轮进口参数是通过热力学循环分析获得的,并作为循环效率、部件寿命、复杂性和可行性之间的折中选择。因此,涡轮机进口温度限于650∘C。涡轮进口压力限制为17 MPa,膨胀比为3,以降低动力块重量、尺寸和价格。设计循环时假定泵进口温度20∘C,压力为6 MPa,压缩机等熵效率为70%,涡轮等熵效率为80%,回热器效率为90%。在所选参数下,循环热效率为32.8%,质量流量为0.65 kg/s。


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图1.循环示意图。


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图2.图1中热力学循环的熵-温度关系图(T-s图)。


涡轮设计采用平均线涡轮设计方法,可以快速准确地估计涡轮几何形状和期望等熵效率。这已在MATLAB中开发,并与NIST REFPROP结合,以解释sCO2流体的行为。研究人员在模型中求解了汽轮机的稳态质量、能量和动量方程,得到了汽轮机的几何参数。在本节中,涡轮平均线设计与参数研究一起发展,以检查在不同转速下改变各种设计参数对涡轮性能的影响,并评估叶片压力和离心负荷。该设计在涡轮进口工况为923 K, 170 bar,膨胀比为3的情况下进行了评估。


实验结果


研究人员通过参数研究来研究流量系数(φ)、反应度(Λ)和负载系数(ψ)对涡轮性能ηtt和设计可行性的影响。根据表1中指定的范围,假设设计参数φ、ψ、Λ取值不同,可以生成不同的涡轮机设计。相应地,得到如图3所示的Smith图,图中显示了在反应程度为0.5和转速为150 kRPM时sCO2涡轮的归一化效率。


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图3.标准化sCO2涡轮效率的等高线图Λ= 0.5和150 kRPM。


可以观察到,最高的规范化效率是在低流量和负载系数下获得的,如原始的史密斯图表所示。由图3可知,可以选择一个设计点作为参数化研究的起点。虽然使用sCO2的好处之一是具有紧凑的部件设计,但由于sCO2的高密度和小涡轮尺寸,间隙损失将在比例上大于同等功率额定的涡轮机。此外,根据海军核实验室和东京理工学院(TIT)的测试报告,与大型燃气轮机相比,涡轮机械轮表面的风阻损失可能会很大。因此,虽然风损在目前的研究中没有考虑在内,但在未来将其纳入研究是很重要的。同样地,由于实现的损失模型的简单性,由表面粗糙度引起的损失在此分析中未被考虑。因此,在未来的研究中,平均线模型将被扩展到同时包含粗糙度和风阻效应。


研究人员通过两种涡轮设计之间的比较,以描述选定的设计变量对最终涡轮几何形状的影响,如图4所示。几何(A)在Λ= 0.5,ψ= 1.6和ϕ= 0.2处获得,而几何(B)在Λ= 0.0,ψ= 3.0和φ= 0.2处获得。减小反应程度,增加加载系数,可以得到更可行的设计尺寸。


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图4.在:(A)ψ=1.6,φ=0.2和Λ=0.5时两种涡轮机设计的比较;和(B)φ=3.0,Λ= 0.2和Λ=0.0。


结论


本文提出了一种用于超临界二氧化碳发电系统的小型单级100千瓦轴流汽轮机的设计。在设计模型中引入Soderberg、Ainley和Mathieson的损失相关性,对汽轮机的性能进行了评价。为了验证开发的模型,它与已发表的结果交叉检查一个更大的涡轮设计,这给了方法的信心。通过参数化研究,考察了反应程度、流量系数和载荷系数对性能的影响以及设计的可行性。设计评估三个旋转速度,即150年、200年和250年kRPM,以特定的速度介于0.23到0.39 rad。发现可行的设计可以获得,考虑到最低容许进口刀片高度和平均直径,在低流量系数(0.2),高载荷系数(在2.8),和一个低程度的反应在转速150 kRPM。此外,低反应程度导致更高的效率,由于高转子进口叶片角度。研究发现,高展弦比能带来高效率和高应力,因此最佳展弦比的选择是高效率和低应力之间的权衡。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/15/5069/htm



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