有机朗肯循环系统小型涡轮数值模拟研究

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChina硕士学位论文目有机朗肯循环糸统小型洛轮教值模拟研作者姓名夏立罕学科专业工并呈絲导师姓名裴城完成时间二一五年五月科嗲技水大嗲硕士学位论文有机朗肯循环系统、型涡轮数值模拟研究作者姓名夏立军学科专业工程热物理导师姓名裴刚教授完成时间二〇一五年五月十五日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationformaster'sdegreeNumericalsimulationstudyofasmall-scaleturbineusedi

2、norganicRankinecyclesystemAuthor'sName：：：：中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研宄工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和

3、借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。公开口保密（—年）作者签名：签字日期：摘要摘要能源是国民经济的命脉，能源与人类的生存环境和人民的生活有着密切的关系，在经济社会的可持续发展中有着举足轻重的作用。为了实现低碳能源和低碳经济的目标，必须大力发展可再生能源，开发利用新能源，其中太阳能利用是一个很重要的方面。太阳能热发电技术由于能实现大规模的太阳能利用，近几年得到了快速发展。有机朗肯循环是中

4、低温热电转换中最具有前景的利用技术之一，与蒸汽朗肯循环相比较，在中低温热源利用中，有机朗肯循环能使膨胀机获得更高的效率，表现出了更好的热力学性能等优点。有机朗肯循环技术已经被成功的应用在工业废热回收利用、生物质能燃烧发电、地热能发电，太阳能热发电等，这项技术在高于发电规模上巳经达到了一个值得考虑的成熟度。太阳能集热正好能实现中低温热源的开发，与有机朗肯循环结合所组成的太阳能有机朗肯循环热发电技术是一种新型的能源利用技术。太阳能有机朗肯循环从十千瓦级到百千瓦级有很大的潜力来满足居民用户的热电需求。它在高倍聚光太阳能发电中有很大优势，更容易实现能量的收集和存储

5、。作为有机朗肯循环系统热功转换的一个核心部件，涡轮膨胀机在整个系统的性能中扮演者一个至关重要的角色，到目前为止，应用在有机朗肯循环系统中的膨胀机主要分为两大类：一类是速度型膨胀机，比如轴流式涡轮、径流式涡轮和径轴流式涡轮，另一类是容积式膨胀机，比如涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、活塞式膨胀机和滑片式膨胀机。本文主要针对有机朗肯循环系统中的一个小型径轴流式涡轮进行了实验和数值模拟研宄，主要进行了如下三方面的研宄：目前针对有机朗肯循环系统（小型涡轮在变工况下运行性能的研宄很少，对运行性能随涡轮转速的变化机制缺乏了解。而在可再生能源及余热利用过程中，有机朗肯循环系统

6、小型涡轮常处于变转速工况。把实验数据和设计数据相结合，针对采用为工质的小型径一轴流式高转速涡轮，采用软件对涡轮叶轮三维流场进行了数值模拟。给出了热效率和叶轮等熵效率随转速的变化趋势，指出余速损失是低转速下热效率降低的主要原因。提出了修正后的涡轮能量公式，在低转速工况下对涡轮的做功性能分析时不能忽略涡轮进出口的动能变化，在计算涡轮出口的余速损失时，必须考虑工质流动速度的方向特性。目前针对有机朗肯循环系统小型涡轮在不同有机工质驱动时运行性能的研宄很少，对不同有机工质在同一单级小型径一轴流式高转速涡轮做功时的性能缺乏了解。而在可再生能源及余热利用过程中，要根据热

7、源温度为有机朗肯循环摘要系统小型涡轮选择一种合适的工质。本文首先把实验数据和设计数据相结合，采用软件对涡轮叶轮三维流场进行了数值模拟，验证了该方法可以对涡轮性能进行预测，然后比较了、、在不同热源温度下对该涡轮做功时的性能。有机朗肯循环的热效率极大程度的取决于涡轮的性能，涡轮的输出轴功不仅取决于进口温度、压力、转速、焓降等涡轮内部参数，也取决于涡轮的进口攻角。关于小型涡轮的性能在不同攻角下尤其是不同有机工质驱动时的理论和实验研究非常缺乏。本文首先选出了适合太阳能有机朗肯循环的三种不同的有机工质，然后呈现了大量的研究，关于应用在太阳能有机朗肯循环系统中的小型径

8、轴流式涡轮的性能，攻角从负度到负度，分别由工质、、驱动时，建立和验