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2019-08-27

论文题目:盘式透平综合设计方法、流动特性及试验研究

论文摘要:

盘式透平是一种无叶片透平,气流高速流经其数个圆盘形成的狭小缝隙时,依靠流体粘性拖动圆盘状轮盘旋转,将工质的热能转变为机械功。由于其独特的结构及做功原理,为常规有叶透平在微型后转速高和效率低两大技术难题提供了解决方案。因此,论文通过理论分析、数值模拟及试验验证相结合的方法,开展了盘式透平的综合设计方法及微型化方法,盘式透平总体气动性能随各影响参数的变化规律,以及内部流动机理的研究,试验验证了其综合设计方法及数值计算结果,对于盘式透平理论及应用研究具有重要的学术意义和工程应用价值,同时为微小型动力装置的研发提供了新的解决方案和思路。

论文首先基于前人的理论分析模型,针对盘式透平气动性能参数开展了敏感性分析,得到了影响其绝热效率的六个无量纲参数的重要性序列,结果表明轮盘进口马赫数对其影响最为显著。考虑了轮盘中介质压降及速度分布规律,推导并发展了完善的盘式透平理论分析模型。基于敏感性分析结果以及理论分析模型,提出了盘式透平多学科综合设计原则及设计方法,并根据典型参数,设计出了一套盘式透平通流部分型线,其气动性能理论预测结果与数值分析结果吻合良好,校验了设计方法。该典型盘式透平的盘片外径为100 mm,盘片间隙为0.206 mm,透平压比为0.293,设计转速为45,000 r·min-1,绝热效率为41.08%,其结构及气动参数为后续的数值分析及试验研究奠定了基础。

其次,针对理论分析中常用的单通道盘式透平,数值研究了运行参数及结构参数对其内部流动特性和总体气动性能的影响,阐明了总体气动性能随各影响参数的变化规律,分析了其内部流动机理及部件损失特性,揭示了各参数对透平绝热效率的影响机制。结果表明:转速及盘片间隙对盘式透平气动性能影响较为显著,且均存在最佳值使得透平绝热效率最高,此时转速为43,500 r·min-1,盘片间隙为0.3 mm,透平最高绝热效率为41.17%;透平压比与盘片半径比较小时,对透平绝热效率的影响不明显,但其分别超过0.350.4后,透平绝热效率大幅降低;透平绝热效率随喷嘴数增加大幅升高,但增加速度减缓。以上研究结果为盘式透平综合设计方法提供了理论依据。

然后,针对实际应用中的多通道盘式透平,着重研究了其特有的结构参数对总体气动性能及内部流动特性的影响,包括喷嘴结构、盘片厚度、盘片间隙、盘片外缘结构及透平排气结构,揭示了各不同结构下盘式透平内部流动机理,并结合部件损失规律分析了透平气动性能的变化规律及影响机制。结果表明:相较一对多透平,一对一透平可用较少的工质获得较高的绝热效率(最佳转速下23.92%14.91%);两种喷嘴结构的盘式透平均存在最佳盘片间隙使得透平效率最高,盘片厚度对一对一透平影响较小,其透平效率随着盘片厚度增加略有降低,但一对多透平的效率大幅降低(盘片厚度从1 mm增加至2 mm时,绝热效率分别降低了0.88%6.89%);盘片外缘由钝角变为尖角后,一对多透平的绝热效率提升,且随尖角相对高度的增加,透平效率升高,而一对一透平的绝热效率略有降低;与实际轴向排气透平相比,在数值计算中采用的简化径向排气的一对一透平绝热效率较高,而一对多透平则略低。

接着,基于盘式透平内部流动特性及流动相似原理,提出了盘式透平的微型化方法以及在微型化时最常用的3种动静径向间隙确定方法,研究了微型化后单通道及多通道透平的气动性能及流动特性。结果表明:随透平尺寸减小,透平转速升高,单通道盘式透平的绝热效率略有降低,且随着动静径向间隙的增加,绝热效率也降低,但在透平设计中要综合考虑动静径向间隙对气动性能及制造安装的影响。微型化后的多通道盘式透平,其绝热效率大幅增加,因为随盘片数目增加,转子壳体壁面对透平内部流动及气动性能的影响减弱,验证了盘式透平效率随尺寸减小而增加的独特优势。

 

最后,设计并搭建了盘式透平总体气动性能试验台。针对盘式透平转速高、功率小的特点提出了一种功率测量方法,解决了高转速小功率原动机功率测量的技术难题。解决了采用低导热材料加工盘片的工艺难题,满足了试验用盘片平整度的要求。完成了盘式透平部分气动性能测试,初步验证了盘式透平数值分析结果及设计方法。深入分析了试验过程中存在的诸多关键问题,为进一步的盘式透平部件加工、试验、气动性能测试等工作奠定了基础。