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水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究

王瀚伟 姜晓鹏 罗凯 张佳楠 党建军 秦侃

王瀚伟, 姜晓鹏, 罗凯, 等. 水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
引用本文: 王瀚伟, 姜晓鹏, 罗凯, 等. 水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
WANG Hanwei, JIANG Xiaopeng, LUO Kai, ZHANG Jianan, DANG Jianjun, QIN Kan. A Comparison of Partial Admission Axial and Radial Inflow Turbines for Underwater S-CO2 Power System[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
Citation: WANG Hanwei, JIANG Xiaopeng, LUO Kai, ZHANG Jianan, DANG Jianjun, QIN Kan. A Comparison of Partial Admission Axial and Radial Inflow Turbines for Underwater S-CO2 Power System[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037

水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51805435).
详细信息
    作者简介:

    王瀚伟(1994-), 男, 在读博士, 主要研究方向为水下航行器动力推进技术

    通讯作者:

    秦 侃(1988-), 男, 副教授, 主要研究方向为水下航行器动力推进技术

  • 中图分类号: TK630.1; TK14

A Comparison of Partial Admission Axial and Radial Inflow Turbines for Underwater S-CO2 Power System

  • 摘要: 将S-CO2循环动力系统合理应用于无人水下航行器(UUV)有助于解决现有UUV蒸汽动力循环系统尤其是针对小功率等级应用效率低的问题。为合理选型水下S-CO2系统涡轮机, 结合损失模型的一维方法获得了设计空间内的最佳几何参数, 并基于RANS方程的三维数值仿真方法验证了一维设计方法的合理性, 进一步对比分析了轴/径向涡轮机的气动性能及流动特性。结果表明, 设计工况下径向涡轮机内效率高于轴向涡轮机5.41%, 但尺寸较大, 约为轴向涡轮机的2倍; 径向涡轮机的主要损失在喷管和转子非工作段, 而轴向涡轮机则主要集中在转子处产生的二次流损失。通过变工况分析发现, 轴向涡轮机更适用于低速比工况, 但在同一转速下径向涡轮机效率更高。文中研究结果可为应用于UUV的S-CO2系统动力主机的研制提供参考。

     

  • 图  1  径向涡轮机一维设计流程

    Figure  1.  Mean-line design process for axial turbine

    图  2  径向涡轮机几何模型图

    Figure  2.  Geometric diagram of the radial turbine

    图  3  轴向涡轮机一维设计流程

    Figure  3.  Mean-line design process for axial turbine

    图  4  轴向涡轮机几何模型图

    Figure  4.  Geometric diagram of the axial turbine

    图  5  径向和轴向涡轮机的计算网格

    Figure  5.  Computational mesh for radial and axial turbines

    图  6  S-CO2布雷顿分流压缩循环示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of S-CO2 Brayton recompression cycle

    图  7  径向/轴向涡轮机一维设计结果

    Figure  7.  Mean-line design point

    图  8  径向和轴向涡轮机尺寸对比

    Figure  8.  Size comparison of radial and axial turbines

    图  9  径向和轴向涡轮机损失分解

    Figure  9.  Loss breakdown

    图  10  径向和轴向涡轮机喷管内熵分布云图

    Figure  10.  Nozzle entropy contour

    图  11  轴向涡轮机转子内部流线图

    Figure  11.  Rotor passage streamlines for axial turbine

    图  12  径向和轴向涡轮机转子内熵分布云图

    Figure  12.  Rotor passage entropy contour

    图  13  径向涡轮机转子内部流线图

    Figure  13.  Rotor passage streamlines for radial turbine

    图  14  径向和轴向涡轮机非设计点性能对比

    Figure  14.  Comparison of off-design point performance

    表  1  用于模型验证的涡轮机几何尺寸

    Table  1.   Turbine geometric dimensions used for model validation

    径向涡轮机轴向涡轮机
    参数数值参数数值
    喷管入口半径/mm74.00中径/mm25.76
    喷管出口半径/mm63.50叶片高度/mm1.52
    转子入口半径/mm58.20中径/mm25.76
    转子出口轮毂半径/mm15.20喷管数5.00
    转子入口叶顶角度/(°)0.46喷管斜切角/(°)15.00
    转子出口叶顶角度/(°)61.47叶片安装角/(°)25.00
    喷管数19.00叶片高度/mm1.52
    喷管弦长/mm22.90转子数75.00
    喷管叶片高度/mm6.18叶片弦长/mm1.88
    转子入口叶片高度/mm6.35叶片边缘厚/mm0.08
    转子出口叶顶半径/mm36.80喉部直径/mm0.56
    转子入口轮毂角度/(°)0.04喷管出口直径/mm1.27
    转子出口轮毂角度/(°)39.40转子数75.00
    转子数16.00叶片弦长/mm1.88
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    表  2  模型验证所选边界条件

    Table  2.   Boundary conditions selected for model validation

    径向涡轮机轴向涡轮机
    边界条件数值边界条件数值
    转速/rpm71 700转速/rpm435 000
    入口总压/MPa0.413入口总压/MPa2.068
    入口总温/K477.6入口总温/K1 255
    出口静压/MPa0.072 4出口静压/MPa0.034 5
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    表  3  网格无关性验证

    Table  3.   Mesh independent study

    节点数径向涡轮机内效率/%轴向涡轮机内效率 /%
    1.5×10685.4561.25
    2.0×10685.5361.39
    2.5×10685.5261.38
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    表  4  数值和一维计算方法验证

    Table  4.   Validation for numerical and mean-line methed

    算法径向涡轮机内效率/%轴向涡轮机内效率/%
    一维计算86.360.04
    仿真计算85.561.4
    试验86.462.9
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    表  5  涡轮机设计参数

    Table  5.   Turbine design parameters

    参数数值/限制
    工质CO2, 实际气体
    转速/(r/m)≤100 000
    入口总压/MPa18
    入口总温/MPa873
    出口静压/MPa7.96
    功率/kW30.61
    喉部直径(宽度)/mm≥1
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    表  6  径向和轴向涡轮机所选设计点尺寸参数

    Table  6.   Geometry parameter of selected radial and axial turbines

    径向涡轮机轴向涡轮机
    参数数值参数数值
    喷管入口半径/mm44.36中径/mm42.91
    喷管出口半径/mm34.00叶片高度/mm2.20
    转子入口半径/mm32.99叶片安装角/(°)24.99
    转子出口轮毂半径/mm9.80喷管数5.00
    转子入口角度/(°)28.80部分进气度0.26
    转子出口叶顶角度/(°)63.90转子数77.00
    喷管数9.00叶片弦长/mm2.72
    部分进气度0.43叶片边缘厚度/mm0.11
    喷管喉部宽度/mm1.37喉部直径/mm1.80
    喷管叶片高度/mm1.02内效率/%68.52
    转子入口叶片高度/mm1.22
    转子出口叶顶半径/mm14.25
    最小叶片边缘厚度/mm0.50
    转子出口轮毂角度/(°)56.30
    转子数19.00
    内效率/%71.39
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    表  7  一维计算与仿真计算结果对比

    Table  7.   Comparison of the Mean-line and CFD Result

    算法径向涡轮机内效率 /%轴向涡轮机内效率 /%
    一维计算71.3968.52
    仿真计算70.7765.36
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    表  8  损失分解方法

    Table  8.   Loss breakdown method

    损失类型计算方法计算设置
    叶型损失 面平均熵增: 入口到出口 全周, 无间隙, 自由壁面
    端面损失 面平均熵增: 入口到出口 全周, 无间隙, 自由/无滑移壁面
    叶顶间隙损失 效率变化 全周, 有/无间隙, 无滑移壁面
    出口能量损失 面平均速度: 转子出口 全周, 有间隙, 无滑移
    壁面
    部分进气损失 效率变化 全周/部分进气, 有间隙, 无滑移壁面
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-14
  • 修回日期:  2023-06-05
  • 录用日期:  2023-07-12
  • 网络出版日期:  2024-01-11

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