本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種利用超臨界二氧化碳流體為工質(zhì)的壓氣機(jī)性能預(yù)測(cè)與評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

壓氣機(jī)作為各個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的“心臟”，在采用不同的工質(zhì)作為動(dòng)力循環(huán)介質(zhì)時(shí)，壓氣機(jī)所表現(xiàn)出來(lái)的性能是不一樣的，或者說(shuō)根據(jù)某種流體設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是不能隨便更換其他工質(zhì)進(jìn)行工作。為了確保壓氣機(jī)能穩(wěn)定工作是實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)的必要保障。在獲取高效率的同時(shí)，壓氣機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定性也是必須完成的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

我國(guó)的生產(chǎn)裝置中發(fā)生了大量關(guān)于離心壓縮機(jī)的故障，而且壓縮機(jī)的故障次數(shù)所占比率最大。這要?dú)w咎于氣體的特殊性質(zhì)，氣體是可溶于水的，溶于水后形成酸性液體，這對(duì)壓縮機(jī)將形成高腐燭效應(yīng)。為了保證二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)氣體的氣動(dòng)性能足夠了解。二氧化碳的臨界點(diǎn)低，并且在特定條件下很容易形成干冰，這可能造成迅速降壓的現(xiàn)象。而且在超臨界狀態(tài)下，其表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)介于液體和氣體之間，即高密度低粘性，且運(yùn)行壓力很大，對(duì)于這些處理或者其他酸性氣體的離心壓縮機(jī)存在著一些關(guān)鍵性問(wèn)題，比如說(shuō)氣體動(dòng)力學(xué)性能、材料的選擇、介質(zhì)相變、軸向推力、穩(wěn)定性和密封等問(wèn)題。

由于離心壓縮機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以影響離心壓縮機(jī)性能和穩(wěn)定性的因素也特別多。多年來(lái)有無(wú)數(shù)學(xué)者對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)行了各方面的研究，尤其是超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)的性能預(yù)測(cè)和評(píng)估方法，存在一下不足：

在離心式壓氣機(jī)性設(shè)計(jì)時(shí)采用按照理想氣體進(jìn)行設(shè)計(jì)離心壓氣機(jī)是不可行的，因?yàn)槎趸荚诔R界狀態(tài)下，其性質(zhì)復(fù)雜，密度和比熱變化都很劇烈，需按照實(shí)際氣體進(jìn)行設(shè)計(jì)；

二氧化碳離心式壓氣機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障，主要是由于主要是因?yàn)閴嚎s機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中未能準(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)子軸向推力的大小，造成推力軸承的承載能力不足。還有一些事故是因?yàn)閴嚎s機(jī)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)造成的，這類故障的原因則是由于沒能對(duì)轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子周圍的氣流對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的激振力對(duì)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性造成的影響。而這種氣流激振力是無(wú)法避免的，但是我們通過(guò)計(jì)算研究可以將激振力對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)造成的影響降低到最小。

一般的壓氣機(jī)的性能體現(xiàn)均是將壓氣機(jī)機(jī)安裝在整個(gè)系統(tǒng)中試驗(yàn)完成，那么需要的試驗(yàn)費(fèi)用較大，安裝調(diào)試周期也很長(zhǎng)。若在試驗(yàn)過(guò)程中，壓氣機(jī)的穩(wěn)定性滿足不了要求，出現(xiàn)了壓氣機(jī)失穩(wěn)的情況，必然造成很大的安全隱患。因此，需要一種新的技術(shù)方法來(lái)解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可用于工業(yè)中的發(fā)電制冷等需要壓氣機(jī)的情況下的利用超臨界二氧化碳流體為工質(zhì)的壓氣機(jī)性能預(yù)測(cè)與評(píng)估方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

第一步，根據(jù)給定的基本參數(shù)，選取合適的氣動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行一維熱力計(jì)算。其中關(guān)于超臨界二氧化碳的熱物性可利用REFPROPM軟件查詢得出，得到壓氣機(jī)進(jìn)出口參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù),并通過(guò)損失模型進(jìn)行基本參數(shù)的分析選擇，從而得到優(yōu)化過(guò)的壓氣機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)；

第二步，根據(jù)一維壓氣機(jī)進(jìn)出口設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)壓氣機(jī)的葉輪采用骨架成型法進(jìn)行成型設(shè)計(jì)，并采用矩形截面的蝸殼流道并設(shè)計(jì)成前后蝸殼蓋配合形成蝸殼流道的形式，最后得到壓氣機(jī)三維實(shí)體模型；

第三步，開展超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)氣流擾流流場(chǎng)全三維數(shù)值模擬，并獲得壓氣機(jī)葉輪流道流場(chǎng)的特性，從而預(yù)測(cè)壓氣機(jī)整個(gè)流道內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定性；

第四步，基于壓氣機(jī)流道模擬的技術(shù)，對(duì)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向推力進(jìn)行研究：探究不同壓力、不同密封間隙、不同流量情況下轉(zhuǎn)子軸向力的變化；同時(shí)將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與工程計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，研究影響轉(zhuǎn)子軸向力的因素。

本發(fā)明的有益效果在于：

(I)在壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)階段就可以開展壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定性影響的預(yù)測(cè)，較現(xiàn)在的技術(shù)明顯提前，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以立即修改設(shè)計(jì)方案，從而大大降低了壓氣機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障造成的危險(xiǎn)性；

(2)采用CFD技術(shù)手段通過(guò)對(duì)超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性影響的評(píng)估與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)相比明顯節(jié)約了試驗(yàn)費(fèi)用、縮短了試驗(yàn)周期，同時(shí)也大大降低了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)性能預(yù)測(cè)與評(píng)估流程圖；

圖2壓氣機(jī)葉輪三維實(shí)體模型；

圖3擴(kuò)壓器三維實(shí)體；

圖4采用全三維CFD數(shù)值計(jì)算得到的葉輪設(shè)計(jì)工況時(shí)流場(chǎng)特性圖；

圖5葉輪兩側(cè)間隙內(nèi)的壓力分布；

圖6軸向推力隨入口壓力的變化。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種利用超臨界二氧化碳流體為工質(zhì)的壓氣機(jī)性能預(yù)測(cè)與評(píng)估方法，其包括如下步驟：

第一步，根據(jù)給定的基本參數(shù)，選取合適的氣動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行一維熱力計(jì)算。其中關(guān)于超臨界二氧化碳的熱物性可利用REFPROPM軟件查詢得出，解決超臨界二氧化碳不能按理想氣體進(jìn)行設(shè)計(jì)的問(wèn)題。從而得到壓氣機(jī)進(jìn)出口參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)。并通過(guò)損失模型進(jìn)行基本參數(shù)的分析選擇，從而得到優(yōu)化過(guò)的壓氣機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)。

第二步，根據(jù)一維壓氣機(jī)進(jìn)出口設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)壓氣機(jī)的葉輪采用骨架成型法進(jìn)行成型設(shè)計(jì)，并采用矩形截面的蝸殼流道并設(shè)計(jì)成前后蝸殼蓋配合形成蝸殼流道的形式，最后得到壓氣機(jī)三維實(shí)體模型。

第三步，開展超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)氣流擾流流場(chǎng)全三維數(shù)值模擬，并獲得壓氣機(jī)葉輪流道流場(chǎng)的特性，從而預(yù)測(cè)壓氣機(jī)整個(gè)流道內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定性。

第四步，基于壓氣機(jī)流道模擬的技術(shù)，對(duì)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向推力進(jìn)行研究。探究不同壓力、不同密封間隙、不同流量情況下轉(zhuǎn)子軸向力的變化。同時(shí)將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與工程計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，研究影響轉(zhuǎn)子軸向力的因素，從而可以指導(dǎo)離心壓縮機(jī)的精確設(shè)計(jì)，得到評(píng)估壓氣機(jī)的不確定性因素，進(jìn)行量化研究。

請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，為超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)性能預(yù)測(cè)與評(píng)估流程圖，其包括如下步驟:

第一步，根據(jù)給定參數(shù)，如給定葉輪進(jìn)口總溫、總壓、質(zhì)量流量和轉(zhuǎn)速等基本參數(shù)，利用MATLAB編程語(yǔ)言計(jì)算調(diào)用REFPROP物性參數(shù)的方法進(jìn)行壓氣機(jī)進(jìn)口和出口設(shè)計(jì)，然后利用損失模型對(duì)葉輪出口氣流絕對(duì)速度角度、葉輪后彎角度、輪轂比、葉片數(shù)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到壓氣機(jī)進(jìn)出口參數(shù)為三維數(shù)值模擬提供設(shè)計(jì)參考。

第二步，采用骨架成型法對(duì)葉片進(jìn)行造型，主要是前傾曲線和后彎曲線確定，通過(guò)前面計(jì)算出的葉片表面離散點(diǎn)導(dǎo)入U(xiǎn)G，然后再根據(jù)離散點(diǎn)還原出吸力面和壓力面上的后彎曲線，根據(jù)后彎曲線做出吸力面和壓力面的片體，經(jīng)過(guò)片體的縫合即可得到一個(gè)由骨架成型法計(jì)算出的葉片實(shí)體最后得到了壓氣機(jī)葉輪三維實(shí)體模型(如圖2所示)。在擴(kuò)壓器上采用無(wú)葉和葉片式擴(kuò)壓器串聯(lián)的形式，其中葉片式擴(kuò)壓器采用機(jī)翼形葉片，在機(jī)翼形葉片型線的選擇上，采用NACA翼型數(shù)據(jù)庫(kù)中的4系列原始翼型根據(jù)前面計(jì)算出的進(jìn)出口角度進(jìn)行一定的彎曲和擴(kuò)大，即可或得葉片式擴(kuò)壓器中的葉片形狀。擴(kuò)壓器的葉片數(shù)目采用15片，從而在NACA翼型數(shù)據(jù)庫(kù)中選定彎曲程度和性能符合需求的NACA2405葉型，所得到的是用坐標(biāo)表示的離散點(diǎn)。先在電子表格中對(duì)著一系列的離散點(diǎn)進(jìn)行放大后導(dǎo)入到UG中用NURBS曲線連接各個(gè)離散點(diǎn)就可以得到需要的葉片式擴(kuò)壓器型線。再根據(jù)計(jì)算出來(lái)的葉片安裝角、葉片數(shù)和擴(kuò)壓器大小可以做出來(lái)無(wú)葉擴(kuò)壓器的實(shí)體模型(如圖3所示)。

第三步，開展超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)流場(chǎng)全三維數(shù)值模擬，并獲得超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)流場(chǎng)內(nèi)壓力、速度、馬赫數(shù)和流線分布圖。

首先針對(duì)超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)的幾何特征，建立壓氣機(jī)流場(chǎng)計(jì)算的模型。建模時(shí)應(yīng)根據(jù)一維優(yōu)化過(guò)的幾何參數(shù)，特別是壓氣機(jī)進(jìn)出口幾何特征，給定壓氣機(jī)進(jìn)口相應(yīng)的總溫、總壓以及速度方向，以及出口界面面平均靜壓，然后對(duì)建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了獲得詳細(xì)的反流流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，壓氣機(jī)進(jìn)出口周圍的網(wǎng)格應(yīng)盡量細(xì)化。壓氣機(jī)流場(chǎng)的全三維CFD數(shù)值模擬采用了NUMECA軟件，控制方程為雷諾平均的N-S方程，湍流模型為帶壁面函數(shù)的K-Ε模型。在此基礎(chǔ)上通過(guò)給定合理的邊界條件，包括:環(huán)境大氣的溫度和壓力、速度；壓氣機(jī)進(jìn)口流量、進(jìn)口的總溫、總壓和速度方向，求解雷諾平均的N-S方程，獲得壓氣機(jī)流場(chǎng)特性，并通過(guò)對(duì)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的處理，獲得流道內(nèi)靜壓、靜溫、馬赫數(shù)和流線分布圖(如圖4所示)。

第四步，基于CFD中的模型，給定入口壓力、密度動(dòng)力粘度、質(zhì)量流量和轉(zhuǎn)速，計(jì)算得到兩側(cè)間隙內(nèi)的壓力分布以及軸向推力隨入口壓力的變化。

本發(fā)明通過(guò)利用CFD技術(shù)對(duì)超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)的性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)月評(píng)估，與實(shí)驗(yàn)室建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比達(dá)到了節(jié)約設(shè)計(jì)成本和時(shí)間的目的。