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蒋宇同学硕士学位论文获得西安交通大学优秀硕士学位论文


2019-07-01

论文题目:超临界二氧化碳动力循环原理样机综合设计及系统热力性能优化研究

论文摘要如下:

       鉴于在热力性能与部件体积方面的优势,超临界二氧化碳(sCO2)动力循环被认为是能源领域的变革性技术,近年来已成为研究热点之一。在理论和验证性实验研究方面,有许多难点问题亟待解决,比如sCO2动力循环原理样机循环系统设计、关键部件选型、原理样机主轴轴向推力平衡、原理样机内摩擦鼓风损失研究、透平部件综合设计及内部流动机理等方面的研究,同时其循环系统整体性能仍有待进一步提升。因此,论文针对sCO2动力循环原理样机六个关键问题以及循环系统性能优化开展研究,具有重要的理论研究意义和工程应用价值,论文研究工作可以为sCO2动力循环系统以及原理样机的设计研发提供技术支撑。

        首先,论文开展了sCO2动力循环原理样机循环系统热力设计程序编写与校核、循环方案选择、循环关键参数选取等研究工作,最终设计完成了输出功率150 kW的sCO2原理样机循环系统。采用美国桑迪亚国家实验室的相关数据,对系统热力设计程序进行了校核,论证了程序的可靠性;分析并选取简单循环系统作为原理样机循环系统的循环方案,讨论了选取循环压比2、压缩机总-静效率0.6、透平总-静效率0.8的关键参数的合理性与可行性;设计完成的150 kW的简单sCO2原理样机循环系统,热效率为24.77%,满足设计要求。
        其次,针对sCO2动力循环原理样机研制中的关键问题,对透平与压缩机选型、轴承与密封选型、原理样机总体结构设计、透平与压缩机叶轮轴向推力平衡、原理样机转子冷却与隔热系统、原理样机内部摩擦鼓风损失共六个关键问题进行了论证。结果表明,分析并确定透平和压缩机分别采用向心和离心结构、高速直驱的电机转速为60,000 r·min-1;分析了电磁轴承和可磨损石墨迷宫密封(静环浮动)作为支撑和密封部件的可行性与优势;构建了透平-电机-压缩机同轴一体化布置的总体设计方案,以减少原理样机转子承受的轴向推力,同时便于拆装和模块化设计;经过优化调整,基本抵消了向心透平和离心压缩机叶轮承受的轴向推力,轴向推力仅为200 N左右;提出了一种冷却与隔热系统以降低原理样机转轴的温度,提高原理样机的工作可靠性;研究了主轴转速、进口速度、工质压力等参数对原理样机动静间隙内摩擦鼓风损失的影响,当转速为60,000 r·min-1、进口速度为20 m·s-1、工质出口压力为2 MPa,不考虑工质与转轴和机壳表面冷却换热时,动静间隙内的摩擦鼓风损失高达21.61 kW。
        再者,开展了输出功率150 kW 原理样机向心透平的热力设计、造型设计及叶轮结构强度校核等综合设计工作,研究了透平设计工况下的内部流动特性及变工况性能,获得了一套满足气动效率与结构强度要求的原理样机透平型线。结果表明,叶片吸力面侧叶顶位置处在泄漏流和刮削流的共同作用下形成了明显的泄漏涡,但从总体来看,向心透平在设计工况下流场分布均匀,可实现285.21 kW的净输出功率和86.0%的总-静效率,满足设计要求;在设计转速条件下,向心透平在1.6~3.0的膨胀比变化范围内的均能保持大于80%的总-静效率,变工况性能良好;以Inconel718为叶轮材料时,叶轮承受的最大应力为403.46 MPa,最大变形量为0.08 mm,透平结构强度满足要求。
       最后,为进一步提高sCO2循环效率,建立了分别应用于简单和再压缩循环的两种跨临界二氧化碳(tCO2)布雷顿循环以及两种tCO2朗肯循环的热力学模型,研究了不同参照变量时tCO2循环与sCO2循环之间的差异,分析了循环关键参数对循环热力性能和㶲性能的影响,且优化了六种sCO2循环方案,论证了采用tCO2布雷顿和朗肯循环可提高循环整体性能的可行性。结果表明,以循环压比或循环最高压力为参照变量时,与sCO2布雷顿循环相比,在最优工况条件下,采用tCO2布雷顿循环和tCO2朗肯循环均能提高循环效率;循环系统中透平进口温度、压缩机进口温度和回热器夹点温差等关键参数对循环性能影响显著,选取合理的参数对提高循环性能具有重要意义;在简单循环方案中采用tCO2布雷顿循环热效率和㶲效率可分别提高约1.1%和1.6%,采用tCO2朗肯循环可分别提高约2.3%和3.2%;而在再压缩循环方案中采用tCO2布雷顿循环热效率和㶲效率可分别提高约3.6%和5.13%,采用tCO2朗肯循环则可分别提高约4.98%和7.1%。
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